JPH0292836A - 光学素子の製造方法 - 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〕 本発明はガラスから成る光学素子、特に低膨張性を要求
される光学素子の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

光学素子に要求される特性の一つに熱的安定性、つまり
周辺温度の変化に対して物理的な寸法変化を生じないこ
とが挙げられる。したがって、例えばレーザージャイロ
スコープの筐体や高精度なグレーティング、フレネルレ
ンズには低膨張性のガラスから成る光学素子が使用され
ている。具体的製法としては、石英ガラスなどの低膨張
特性を有する均質なガラス体を用意し、それに機械及び
化学的加工を施すことにより、非常に精密な高精度の光
学素子、光学部品を作製している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、高精度なグレーティング、フレネルレンズ等の
光学素子を作製する場合、従来の製法では特殊な低膨張
ガラス体の表面を高精度に鏡面研磨した後に、物理的な
加工方法によりガラス表面に高精度なパターンを作り込
むという工程を採っているため、高精度の加工装置が必
要となり、且つ工程が複雑なため量産性が低く、製造コ
ストが高いと言う問題点を有していた。

そこで本発明は以上のような問題点を解決するもので、
その目的とするところは、所望の形状、パターンを有す
るガラス製の極低膨張性光学素子を容易に且つ量産性良
く製造し得る方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本発明の光学素子の製造方法
は、１種もしくは２種以上の金属アルコキシドを主原料
として目的ガラス成分組成の液状ゾルを調製し、該液状
ゾルを所望形状もしくは所望パターンを有する母型に接
触させながらゲル化させ、得られたウェットゲルを乾燥
してドライゲルとした後、焼結等の熱処理によりガラス
体を得るゾル−ゲル法による微細パターン転写ガラスの
製造方法において、チタンを含有する金属アルコキシド
を少なくともｌｖｔ％以上用いたことを特徴とする。ま
た、目的ガラス成分組成の液状ゾルは、１種もしくは２
種以上の金属アルコキシド及び金属酸化物の微粒子を主
原料として調製したものであることを特徴とする。

次に本発明の光学素子の製造方法を第１図に沿って説明
する。まず、１種もしくは２種以上の金属アルコキシド
を加水分解してゾル１を得る（ａ）。

金属アルコキシドとしてはシリコンアルコキシドＳ　ｊ
（ＯＲ）　ａ　＋　　（Ｒｉ　アルキル基）が主に用い
られるが、所望のガラス物性に応じて、例えばゲルマニ
ウム、ホウ素、アルミニウム、ナトリウムなど多くのア
ルコキシド化合物を用いることが可能である。特に２種
類以上のアルコキシド化合物を用いる場合には、各々の
加水分解速度を調節する必要から、アルコキシ基の少な
いもの（例えばＲ−８ｉ　（ＯＲ）３　）、あるいは分
子量の大きなアルキル基を備えたもの（例えばＲ＝　ｔ
−Ｃ４Ｈ９）等を用いると効果的である。また、ゾル１
に該ゾルの分散酸化物微粒子よりも粒径の大きな（数１
０１ｉｆｆｉ〜数１００　ｎｍ）同組成の微粒子を添加
することは、乾燥及び焼結工程において、クラックの発
生を防止するのに極めて有効である。次に、所望の形状
を有する母型内にゾルを注入しゲル化させる。ゲル化後
のゲル体は縮重合反応の進行に伴い収縮を起こし、ガラ
ス化時にはゲル化時に比べて約２分の１の大きさに収縮
している。したがって、母型は予め収縮を見込んで作製
しておく必要がある。また、母型の内部表面は撥水性で
あることが望ましく、樹脂コーティングを施すとよい。

ゲル化した後に母型から取り出したゲル体はゆっくりと
乾燥することにより、形状を保持したまま等方的収縮を
起こし、多孔質体となる。この多孔質体を１０００°Ｃ
〜１３００°Ｃ程度の温度域で焼結することにより、所
望の形状あるいはパターンを有するガラス製の光学素子
を得ることができる。

〔作用〕

上記の手段によれば、チタンを含有する金属アルコキシ
ドを用いることにより、ガラス中に酸化チタンが形成さ
れ、ガラス体の熱膨張率は極めて低い値になる。特に、
酸化珪素と酸化チタンの二成分系からなるガラス体を考
えた場合、酸化チタンの含有量を約５ｖｔ％とすること
により、室温付近でほとんど体積変化を生じない、つま
り熱ＢＸ張率がほぼゼロであるガラス体を作ることが可
能である。光学ガラス材料の主成分である酸化珪素にあ
る条件下でチタン化合物を反応させると、５ｉ−Ｏ−Ｔ
ｉなる結合が生成する。通常の物質は温度、上昇に伴い
原子間の結合距離を増大させ、結果として体積膨張を起
こすが、しかし、ガラス中におけるＴｉ−０結合は、温
度上昇に伴って構造変化（一般に体積を減少させる方向
に変化する）を起こし、その構造変化は５ｉ−０結合距
離の増大を打ち消す方向に働く。本発明で用いているゾ
ル−ゲル法では、チタン化合物をアルコキシド化合物の
形で添加するため、ガラス中に効果的に５ｉ−Ｏ−Ｔｉ
を生成させることが可能である。

参考までに、５ｉ０２−Ｔｉ０２の二成分系ガラスにお
けるＴｉＯ２含有量と室温付近における線熱膨張係数の
関係を第４図に示す。なお、ＴｉＯ２を全く含有しない
、つまり石英ガラス（ＳｉＯ２）の室温付近における線
熱膨張係数は約５．５ＸＩＯ−７／”Ｃである。第４図
かられかるように、酸化チタンの含有量の増加とともに
線膨張係数は減少し、５ｖｔ％近傍の場合にゼロ膨張と
なる。酸化チタンの含有量を必要以上に増やした場合、
負の膨張を示すとともに、紫外域で光の吸収を示し、さ
らにガラス体が茶褐色に着色する。したがって、ガラス
の線ｆ３ＪＧ係数をゼロに近づける効果と、酸化チタン
の含有による影響などを総合して考えると、酸化チタン
の含有量としては１〜１０ｗｔ％程度が望ましく、さら
に望ましくは３〜７ｖｔ％程度であると言える。

〔実施例〕

以下、実施例に基づき本発明の詳細な説明する。

但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない
。

［実施例１］ エチルシリケートＳ　ｉ　（ＯＣ２Ｈｓ）　＊＋４０．
　０ｇ１　　エタノールＣ２Ｈ５ＯＨ，３３，７ｇ、０
．０２規定の希塩酸水ＨＣ１，８，６６ｇから成る混合
液を１０°Ｃ程度に冷却しながら反応させ、エチルシリ
ケートの部分加水分解液を調製した。この溶液に予め１
０°Ｃに冷やしておいたチタンイソプロポキシドＴ　ｉ
　（ｉ−ＯＣ３Ｈ？）　ａ、　２．　１６　ｇ、　　エ
タノール、１．５１ｇからなる溶液を徐々に添加し十分
に撹拌した後、０．　２規定の希塩酸水ＨＣ１，５，１
９ｇを添加し、続いて平均粒径が０゜１５μｍである微
粉末シリカゾルを添加してチタンのアルコキシドを含む
均質なゾルを調製した。

このゾル中のチタン含有量は、ガラス工時において酸化
チタンＴｌＯ２換算で約５ｙｔ％である。

このゾルのｐＨを４．　５に調整した後、第２図（ａ）
に示すような内面をテフロンコーティングした母型に流
し込みゲル化させた。この母型には光の回折作用を示す
ような細かなグレーティングパターンが形成されており
、しかも、乾燥工程、焼結工程にともなうゲル体の収縮
率を考慮して設計されている。ゲル化した後、ゲル体を
母型から取り出し、６０°Ｃの恒温乾燥機を用いて約１
週間かけて乾燥させ多孔質ゲル体を得た。このゲル体を
ヘリウム雰囲気下で約１２５０°Ｃまで加熱することに
より、第２図（ｂ）に示すようなグレーティングを備え
たガラス製光学素子（５，ＯＸ５゜Ｑｘｌ、４ａ＋ｍ）
を作製した。グループの幅２３は約１．６μｍ５　　グ
ループのピッチ２４は約３．２μｍ、グループの深さ２
５は約０．２μｍであった。この光学素子は酸化珪素Ｓ
ｉＯ２と酸化チタンＴｉＯ２の二成分からなるガラス体
でできており、先に述べたように室温付近における熱膨
張係数は約０゜２　ｘ　１０−７／”Ｃと非常に小さく
、光学素子としては理想的であると言える。

［実施例２］ 酸化チタンＴｉＯ２をガラス化時にｌｙｔ％含有するゾ
ルを実施例１と同様な方法で調製した。このゾルを第３
図（ａ）に示すブレーズドマイクロフレネルレンズパタ
ーンを有する母型に流し込みゲル化させた。この母型は
乾燥工程、焼結工程にともなうゲル体の収縮率を考慮し
て設計されている。ゲル化した後、ゲル体を母型から取
り出し、実施例１と同様な方法で乾燥及び焼結を経て、
第３図（ｂ）に示すような口径３．５ｍｍのガラス製マ
イクロフレネルレンズを作製した。このマイクロフレネ
ルレンズの特性を求めたところλ＝７８０ｎｍにてＮ、
　　Ａ、　　＝０．　４１、回折効率５１％であった。

［実施例３］ 酸化チタンＴ　ｉ　Ｏａをガラス化時に１２ｖｔ％含有
するゾルを実施例１と同様な方法で調製した。

このゾルを第２図（ａ）に示すグレーティングパターン
を有する母型に流し込みゲル化させた。ゲル下漬の乾燥
、焼結工程は実施例１と同様な方法により行ない、第２
図（ｂ）に示す微細なグレーティングパターンを有する
光学素子を作製した。

しかし、この光学素子は酸化チタンの含有量が約１２ｖ
ｔ％と多いため、特に可視及び紫外光に対する透明性が
悪く、満足に使用できるものではなかった。

要である。本方法により作製できる光学素子は本実施例
で示した以外にも一般の球状レンズ、シリンドリカルレ
ンズ、またそれらを多数個集積化したマイクロレンズア
レイ、各種ホログラフィック素子等、非常に多岐に渡っ
ている。本製造方法を用いることにより、精度、量産性
、コストなどの面で従来、ガラスでは実現が難しかった
光学素子も容易に作製することが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、チタンアルコキシ
ドを添加したゾルを所望の形状あるいはパターンが写し
込まれた母型に流し込みゲル化させ、できたゲル体を乾
燥、焼結することにより、切削、研暦、微細加工などを
一切行なうことなく、周囲の温度変化に対して極めて影
響を受けにくい、つまり熱膨張率が極めて低いガラスか
ら成り、且つ微細構造を有するガラス製光学素子を容易
に得ることができる。光学素子にとって熱的安定性が極
めて高いことは、実際の使用において極めて重

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造工程の一例を説明する図。 第２図は実施例１の説明図。 第３図は実施例２の説明図。 第４図は５ｉ０２−ＴｉＯ２の二成分系ガラスにおける
Ｔ　ｉ　Ｏ２含有量と室温付近における線熱膨張係数の
関係を示した図。 １１・・・ゾル １２・・・容器 １３・・・撹拌装置 １４　・ ・所望の形状あるいはパターンを 有する母型 ・吸引ポンプ ・ゲル体 ・ガラス成形体 ・光学素子 （α） ２１・・・グレーティングパターンを有する母型 回折格子 グループの幅 グループのピッチ グループの深さ ３１・・・ブレーズドマイクロフレネルレンズパターン
を有する母型 ３２・・・マイクロフレネルレンズ ζ］ご１７ （ｄ） 口１１８ （ｅ） 第１図 以　　上 （ｄ） 第２　Ｊｌ （α） 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）１種もしくは２種以上の金属アルコキシドを主原
   料として目的ガラス成分組成の液状ゾルを調製し、該液
   状ゾルを所望形状もしくは所望パターンを有する母型に
   接触させながらゲル化させ、得られたウェットゲルを乾
   燥してドライゲルとした後、焼結等の熱処理によりガラ
   ス体を得るゾル−ゲル法による微細パターン転写ガラス
   の製造方法において、チタンを含有する金属アルコキシ
   ドを少なくとも１ｗｔ％以上用いたことを特徴とする光
   学素子の製造方法。
2. （２）第１項記載の目的ガラス成分組成の液状ゾルは、
   １種もしくは２種以上の金属アルコキシド及び金属酸化
   物の微粒子を主原料として調製したものであることを特
   徴とする光学素子の製造方法。