JPH01239030A - 光学素子用成形型の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、例えば、レンズ、プリズム、その他の光学
素子を抑圧成形によって生産するための光学素子用成形
型の製造方法に関する。

「従来の技術」 従来、レンズ等の光学素子を生産するには、ガラスを溶
融し、これを金型内に注入して、大略のレンズ形状のレ
ンズ素材に抑圧成形し、このレンズ素材をダイヤモンド
砥石等を使って研削加工し、その後、酸化セリウム等に
て研磨する方法が採用されていた。

しかし、このような抑圧成形後に研削加工や研磨工程を
要する従来技術においては、レンズ等の光学素子を仕上
げるまでに多くの作業工程と高度な熟練技術を必要とし
、そのために、光学素子に要求される高い面精度と面粗
度とを得るために多くの時間と費用がかかるという問題
点があった。特に、収差補正に有効とされる非球面レン
ズの製作においては、さらに高度な製作技術が要求され
るので、安価で高精度を有する光学素子を大量生産する
ことは極めて困難な状態であった。

そこで、最近では、ガラス材を加熱し成形用型を使って
抑圧成形するだけで、つまり、押圧成形後の研削、研磨
加工を一切施すことなく高い面積度と面粗度とを有する
レンズを製作する方法が案出されており、上記問題点は
解決されつつある。

この種の方法の従来技術としては、例えば、特開昭５２
−４５６１３号公報に記載された技術がある。この技術
の概略は不活性ガスの雰囲気中で特殊な材料よりなる金
型の内にレンズ素材（ガラス）′　を置き、加熱しなが
ら金型によってレンズ素材を抑圧成形し、金型と成形さ
れたレンズとを転移点温度以下になるまで押圧し続けて
成形するという方法である。

上記のように押圧成形する方法では、光学素子に要求さ
れる高い面精度と面粗度とを得るために金型についても
同様に高精度の面精度と面粗度が要求される。

また、この金型はレンズ素材の転移点温度以上の温度で
押圧成形するため、そのような高温の雰囲気で充分な強
度を有すること、押圧成形する雰囲気での耐候性、高温
度においてレンズ素材に対しての化学反応性が少ないこ
と、金型のプレス面にすり傷等の損傷を受けにくいこと
、熱衝撃による耐破壊性能が高いことなどが必要である
。

このような要請に応えられる金型材料としては、炭化ケ
イ素、窒化ケイ素などの材料、あるいは、高密度カーボ
ンの上に炭化ケイ素、窒化ケイ素などのコーテング膜を
形成したものが適しているとされており、いろいろ検討
が加えられている。

その他、超硬合金を放電加工で加工し、その上に炭化ケ
イ素のコーテング膜を形成する金型の製法も開発されて
いる（特開昭６２−３０３０号参照）「発明が解決しよ
うとする課題」 しかしながら、炭化ケイ素（ＳｉＣ）−窒化ケイ素（Ｓ
１３Ｎ４）等の材料は硬度が極めて高いため、これらの
材料を加工して球面レンズあるいは、非球面レンズの形
成用金型を高精度に加工することは非常に困難である。

また、超硬合金の金型が放電加工で加工できるとはいう
ものの、加工に時間がかかったり、超硬合金は一般にタ
ングステンカーバイド（ＷＣ）にコバルト（ＣＯ）など
の金属を加えて焼結したものであるから、結晶粒界や、
空孔などが合金中に含まれ、これらが金型表面に表われ
ると、高精度なレンズを生産することが困難になるとい
った問題があった。

「課題を解決するための手段」 本発明は上記した問題点にかんがみ、加熱して軟化させ
た光学素子用材料を押圧成形して光学素子を生産する手
段に使用する光学素子用成形型を可能なるかぎり、簡単
に、かつ、高精度に製造する方法を開発することを口約
とする。

そこで、この発明では、生産する光学素子の有効形成面
に対応して型面形成したマスター型を作った後、このマ
スター型の型面にカーボンコーテングを施す。

次に、マスター型の型面には成形型となるガラス材を対
接し、これらマスター型とガラス材とを真空中で加熱す
る。

ガラス材は加熱により軟化し、それにマスター型の型面
形状が転写されるため、その後、放熱することにより成
形型が製造される。

「作　用」 成形型となるガラス材が加熱することによって軟化し、
マスター型の型面に対して高密度の状態で接合するため
、その型面形状の転写が非常に正確に行なわれ、製造さ
れた成形型が高い精度のものとなる。

また、マスター型は、ニッケル（Ｎｉ）、銅（ＣＵ）等
の金属材で製作できるため、球面または非球面の光学素
子を問わず、その型面形成が容易となり、このようなマ
スター型の型面形状をガラス材に加熱転写させるため、
成形型の製造が簡単で、その上、マスター型の型面にカ
ーボンコーテングを施すことによってガラス材の熱融着
を確実に防ぐことができる。

「実施例」 次に、この発明の実施例を図面を参照しながら説明する
。

第１図から第５図は、この発明の一実施例を示す光学素
子用成形型の製造工程図、第６図は生産しようとする光
学素子としてのレンズを示す断面図である。

ここでは、先ず、レンズ７の有効形成面７ａを形成する
ための成形型の製造方法について説明する。

第１図は金属材からなるマスター型１を示す断面図であ
る。このマスター型１はニッケル金属（Ｎｉ）によって
製作してあり、直径２０ｍｍ、長さ１５ｍｍの大きさに
設定し、その一端面はレンズ７の有効形成面７ａと同一
形状となるように曲面形成した。これが型面１ａとなっ
ている。

マスター型１の材質としては、ニッケル金属（Ｎｉ）の
他に、アルミニウム、銅合金、無酸素銅などが適してい
る。マスター型１の型面１ａは、ダイヤモンドのバイト
を用いた超精密旋盤によってレンズ７の生産に要求され
る面形状に球面もしくは非球面形状に切削し、その後、
引き目を除くためにダイヤモンドペーストで表面を研磨
した。研磨面の表面荒さはＲｔｍｏ、０６８μｍであっ
た。

その後、第２図に示すように真空蒸着によりマスター型
１の型面１ａの上にカーボンを０．２μｍの厚さにコー
テングしてカーボン層２を設けた。

このカーボン層２は、後の工程において成形型となるガ
ラス材を熱変形させる場合に、ガラス材がマスター型１
に融着するのを防ぐためのものであり、上記の前工程で
得られた型面１ａの形状を崩さない程度に薄いことが望
ましい。

なお、この実施例で形成した型面１ａはレンズ７の有効
形成面７ａに合せて半径３５　ｍ　ｍの球面に形成しで
ある。

次に、実際の成形型となるガラス材を第３図に参照符号
３をもって示す如く用意する。

このガラス材３は外径２０ｍｍ、中心部の厚さが５　ｒ
ｎ　ｍの大きさのもので、その一方の面を平面とし、そ
の他方の面を半径３６ｍｍの球面に形成しである。この
他方面をなす球面は酸化セリウム等で研磨し、キズ、砂
目等がない面に仕上げである。

本実施例においては、ガラス材３として、光学ガラスＢ
Ｋ７　（小原光学硝子製作所の製品）を使用して作られ
ている。光学ガラスＢＫ７の転移点は５６５℃、屈伏点
は６２４℃、軟化点は７１５℃、線膨張係数は８６Ｘ１
０−７ｃｍ／ｄｅｇ　　ａｍである。

一方、マスター型１の上に上記のガラス材３を第３図の
様に置き、真空加熱炉の中でマスター型１と共にガラス
材３を７５０℃に加熱し、ガラス材３を軟化変形させ、
ガラス材３の研磨面とマスター型１の型面１ａとが確実
に面接合して一致する様にする。

このように、加熱が真空加熱炉の中で行なわれているた
めに、ガラス材３とマスター型１の間に空気が存在しな
いため、マスター型１の型面１ａ形状がガラス材３に正
確に転写される。なお、真空加熱炉の真空度は　ｌＸｌ
０−’Ｔｏｒｒである。

上記の加熱を空気中で行なうと、ガラス材３が軟化しマ
スター型１の形状に倣う時に、マスター型１とガラス材
３との間に空気を取り込んでしまい、取り込まれた空気
が加熱により膨張しガラス材３の表面に泡状の気泡を生
じさせることがある。

次に、加熱温度をゆっくり下げ、アニールによってガラ
ス材３に含まれている歪を取り除く。その後、マスター
型１とガラス材３とを真空加熱炉より取り出し、これら
を分離する。

取り出したガラス材３は第５図に示すように、型成形面
４の反対側を平らに加工し、また、コーテングされてい
るカーボン層２を均等研磨方法により型成形面４の形状
が崩れないようにして取り除く。

この様にしてガラス材３からなるレンズ成形用の成形型
５が作られる。

また、レンズ７を製作する光学ガラスを押圧成形するた
めの金型として上記成形型５を使用するために、型成形
面４に白金９５％−金５％合金膜６をスパッタリングに
より厚さ２μｍの厚さでコーテングした。この合金膜６
は抑圧成形されるレンズ７と成形型５とが熱融着するの
を防ぐものである。

なお、押圧形成されるレンズ７と成形型５との熱融着を
防ぐための保護層としては、上記した合金膜６の他に酸
化アルミニウム（Ａｌ１．０３）、窒化チタン（ＴｉＮ
）　、ＡＱＮ、白金（Ｐｔ）、炭素（Ｃ）等により膜形
成しても有効である。

次に、上記した成形型５を使用して光学素子としてのレ
ンズを生産する一例について説明する。

第８図及び第９図は押圧成形装置の簡略図を示し、この
装置に設備した成形上型１１と成形下型１２は既に説明
した実施例にしたがって成形型５と同様に製作したもの
である。

成形上型１１は上側の油圧シリンダ１３に取り付けてあ
り、成形下型１２は下側の油圧シリンダ１４に取り付け
てあり、また、これら上型１１と下型１２との温度を測
定するための熱電対１５．１６が各油圧シリンダ１３．
１４に配設しである。

その他、１７は加熱炉内に設けられたヒーター、１８は
成形部、１９は成形部に連通ずるガス送入口である。

光学素子用材料の一例として、光学ガラス２０（ＳＦＳ
　　０１．小原光学硝子製；転移点約３９３℃）を用意
し、当該光学ガラス２０を球形に研磨加工する。この研
磨加工に当たり、重量を体積に換算して体積調整を行な
った。

然る後、成形下型１２の型成形面を構成する凹部の上側
に、上記の光学ガラス２０を載置し、成形部１８を外気
と隔絶して、成形上型１１及び成形下型１２の温度を熱
電対１５．１６によって測定しながら、これら上型１１
と下型１２の温度が約４２０℃となるまで、ヒーター１
７により加熱を行なう。

この際、上型１１と下型１２の劣化を軽減するため、ガ
ス送入口１９を介して成形部１８に窒素ガスを導入し、
還元性雰囲気として加熱を行なう。

上型１１及び下型１２の温度が約４２０　’Ｃに達した
後、第９図からも理解できるように、上側の油圧シリン
ダ１３を下降させて約８０（Ｋｇ／ａＪ）の圧力で圧接
し、前述の光学ガラス２０を圧接成形する。

この状態で、ヒーター１７の加熱を停止させて光学ガラ
ス２０と、上型１１及び下型１２とを放熱する。その後
、熱電対１５．１６により、上型１１と下型１２の温度
が光学ガラス２０の転移点よりも低いこと（約３９０℃
以下）を確認した時点で、上側の油圧シリンダ１３を上
昇させ当該抑圧成形装置から押圧成形品を取り出し、第
６図に示すようなレンズ７を得る。

このようにして生産したレンズ７は前述したマスター型
１に形成した型面１ａと実質的に同一の球面を有し、こ
の発明の方法により製造された成形型が、極めて高精度
に仕上がっていることが確認できた。

また、上記の成形上型１１と成形下型１２を用いて光学
素子を繰り返し押圧成形したところ、高い再現性を以っ
て光学素子を製造することができた。

以上一実施例について説明したが、本発明は球面レンズ
の成形型にかぎらず、非球面レンズの成形型についても
同様に製造することができ、また、マスター型１はニッ
ケル合金や銅合金などの最も型面形成し易い材料を用い
て作ることができると共に、成形型となるガラス材３は
光学ガラスＢＫ７の外、他の適当なガラス材を用いるこ
とができる。

「発明の効果」 上記した通り、本発明に係る製造方法によれば、マスタ
ー型がニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）等の金那材で製作
できるため、球面または非球面の光学素子を問わず、生
産すべき光学素子の有効形成面に対応した型面形成が容
易となり、また、マスター型の型面形状をガラス材に加
熱転写させて光学素子用の成形型を製造するため、成形
型の型成形面精度が高く、その上、マスター型の製作の
容易さと相埃ってこの成形型の製造が簡単となる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の一実施例を示す光学素子用成
形型の簡略的な製造工程図、第６図は製造された光学素
子用成形型の断面図、第７図は生産しようとするレンズ
の断面図、第８図及び第９図は抑圧成形装置の簡略図で
、第８図は押圧成形する前の状態を、第９図は押圧成形
の状態を各々示す。 １・・・・マスター型 １ａ・・・・型面 ２・・・・カーボン層 ３・・・・ガラス材 ４・・・・型成形面 ５・・・・成形面 ７・・・・レンズ ７ａ・・・・有効形成面 ｇｓ１図　　　第２図 纂　３　図　　　　　　等４　図 ｆ！Ｘ５ヨ　　　　　笥６　フ 笥　７　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 加熱して軟化させた光学素子用材料を押圧成形して光学
   素子を生産する手段として使用される光学素子用成形型
   の製造方法において、マスター型の型面を、生産する光
   学素子の有効形成面に対応して形成した後カーボンコー
   テングし、マスター型及びこれに対接させたガラス材を
   真空中で加熱し、軟化したガラス材にマスター型の型面
   形状を転写させ、ガラス材からなる光学素子用の成形型
   を製造することを特徴とする方法。