JPH06190939A - 光学物品及びその製法 - Google Patents

光学物品及びその製法

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JPH06190939A
JPH06190939A JP5238857A JP23885793A JPH06190939A JP H06190939 A JPH06190939 A JP H06190939A JP 5238857 A JP5238857 A JP 5238857A JP 23885793 A JP23885793 A JP 23885793A JP H06190939 A JPH06190939 A JP H06190939A
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silicon
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パオロ・キウルロ
Guido Cogliati
グィード・コグリアーチ
Lorenzo Costa
ロレンツォ・コスタ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い寸法精度及び寸法安定性を有する光学物
品を容易かつ経済的に製造する。 【構成】 光学材料の前駆体として高精度機械加工に適
する無定形の単一体エーロゲルを使用する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、初めに中間物を調製し、ついで
最終のサイズ又はほぼ最終のサイズを有する部品が得ら
れるまで小型化すること（miniaturizing）からなる光
学部品及び装置の製法に係る。
【０００２】さらに詳述すれば、本発明は、最終の小型
化段階が、主として酸化ケイ素でなる、又は周期律表第
１〜４族に属する元素の１以上の酸化物の存在下におけ
る酸化ケイ素でなる無定形の単一体エーロゲルについて
行われる方法による前記目的物の製造に係る。
【０００３】光学材料、特に融解シリカ又は石英及び光
学ガラスの如き透明な光学材料は、その硬さ及び脆性の
ため機械加工が困難であることが知られた代表的な物質
であり、生成物の品質のため光学部品及び装置の直接加
熱成形法は一般的に許容されない。
【０００４】これら光学要素を製造する一般的な方法
は、ゆっくりとしたかつ正確な研磨操作により好適な予
成形体を最終製品に縮小させることに基づくものであ
る。
【０００５】これらの操作のいくつか（たとえば平らな
又は球状の表面への縮小）は自動化されるが、他の操作
（たとえば非球面仕上げ）は煩雑な手仕事を必要とす
る。
【０００６】このような機械加工の困難性のため、工業
的レベルで利用できる加工法の幅が狭く、光学部品（た
とえば非球面レンズを含む光学部品及び装置）の品質に
対して不均衡に高コストとなる。
【０００７】光学工業の分野では、これらの技術的な制
限を各種の方法で軽減することが求められていた。
【０００８】これらの１つは、所望の光学材料の好適な
予成形体から直接に非球面レンズ及び他の光学部品を高
圧高温プレスするものである。この方法（熱アイソタク
ティックプレスの如き極めて精巧な装置を使用する）に
よれば、高品質ではあるが、高コストの製品が得られ、
この方法はかなりの資本を必要とする方法である。
【０００９】コストを低減させる１つの方法は、有機光
学材料（特にプラスチック）を使用するものである。
【００１０】これらの材料は非常に経済的な方法によっ
て溶融され、成形されるものであり、機械工具により極
めて容易に機械加工されるものである。残念なことに
は、融解によって一般的に得られた光学製品の寸法精度
が、冷却及び相変化の間の充分に制御され得ない材料の
縮みによってマイナスの影響を受け、その結果、光学的
品質が低下する。機械工具での機械加工によってプラス
チック材料から得られた光学製品も、材料が軟らかすぎ
て必ずしも正確には機械加工されないため許容できる品
質のものではない。
【００１１】さらに、これら２つの方法で得られた製品
は、これら材料の化学安定性及びこれらから形成された
目的物の寸法安定性の両方によってマイナスの影響を受
け、いずれの場合にも、光学工業における無機光学材料
に要求される基準に達しない。
【００１２】光学材料の機械加工に関する技術を改善す
る他の試みは、石英及び光学ガラスの如き硬い材料を機
械加工するためにダイヤモンドチップを具備し、かつ材
料に対して工具チップの振動を最小にするために空気軸
受上を移動する極めて高度に精密な機械工具（数値制御
される）を開発することによってなされている。
【００１３】これらの機械はここ10年間で開発されたも
のであり、表面粗さの制御に当たり１μｍの１／10及び
１μｍの１／100程度の輪郭制御精度を達成でき、従っ
て、いわゆる「光学」精度をもつ片を仕上げることが可
能である。
【００１４】残念なことには、この高精度機械（レーザ
ーによる銅及びアルミニウムミラーの仕上げの如き光学
用途において経済的に便利であることが証明されてい
る）は、シリカ及び無機ガラスの如き透明な光学材料に
ついては、これら材料の硬さ及び脆性を含む各種の理由
により一般的に経済的ではない。
【００１５】ケイ素アルコキシドの加水分解の生成物と
して得られるゲルを好適に処理することによって、限定
されたサイズの光学部品を得ることも公知である。たと
えば、米国特許第4,680,049号には、初めにケイ素を加
水分解し、この加水分解の生成物としてゲルを生成し、
ゲルを乾燥させ、最後に加熱焼結して限定されたサイズ
の光学ガラスを得ることからなるシリケートを基材とす
る光学ガラスの製法が開示されている。しかしながら、
サイズ的には限定されるが、これらの最終光学製品は物
理−化学的特性の点で等方性ではなく、表面３mm内に特
殊なサイズに関連して約12μの偏差を有する。
【００１６】発明者らは、等方的に縮小できかつ機械器
具（特にダイヤモンドチップを具備し、空気軸受上を移
動する高精度の数値制御機械）によって非常に高い精度
で機械加工されるシリカ及び／又は他の酸化物の無定形
の単一体エーロゲルに熱化学的高密度化処理を適用する
ことにより、その最終のサイズ又はほぼ最終のサイズの
完全に等方性の光学部品及び装置を製造できることを見
出し、本発明に至った。このようにして得られた製品は
ほぼ最終のサイズ（すなわち、従来法による光学研磨の
みを必要とする）を有するか、正確な最終のサイズ（す
なわち、一般的な光学処理を何ら必要としない）を有す
る。
【００１７】従って、本発明によれば、最終的に、数値
制御の機械工具を使用して、シリカ又は光学ガラスの光
学部品及び装置を経済的に製造できる。
【００１８】このように、本発明の第１の目的は、酸化
ケイ素（単独又は周期律表第１〜４族に属する元素の少
なくとも１の第２の酸化物の存在下）でなる最終の又は
ほぼ最終のサイズを有する光学物品、部品又は装置にお
いて、すべての物理−化学的特性について完全に等方性
であることを特徴とする光学物品、光学部品又は光学装
置を提供することにある。
【００１９】本発明の第２の目的は、前記光学物品等を
製造する方法において、ａ）ケイ素アルコキシド、又は
ケイ素アルコキシドと第２の元素の少なくとも１のアル
コキシドとを、酸触媒の存在下で水と混合し、ｂ）該混
合物を超音波で可及的に処理し、ｃ）得られた混合物を
加水分解し、ｄ）加水分解によって放出されたアルコー
ルを可及的に除去し、ｅ）加水分解物にシリカのコロイ
ド懸濁液又は直接コロイドシリカを添加し、ｆ）可及的
に超音波で処理し、ｇ）コロイド溶液をゲル化させ、
ｈ）ゲルを洗浄し、ｉ）洗浄溶媒の臨界温度及び臨界圧
力を越える温度及び圧力でゲルを乾燥させ、ｊ）乾燥し
たゲルを800℃に加熱処理し、ｋ）このようにして得ら
れた生成物を、存在するヒドロキシル基を置換しうる試
薬と可及的に反応させ、ｌ）得られた生成物を酸化さ
せ、ｍ）希ガス雰囲気下、一般に1200℃以上であって、
特殊なエーロゲルの化学組成物を高密度化するに必要か
つ充分な温度で加熱することを特徴とする光学物品等の
製法を提供することにある。
【００２０】工程ａ）〜ｉ）の多くは、金属酸化物のエ
ーロゲルモノリスの調製法に関連するイタリー国特許願
第19,404 Ａ／89の方法の工程に相当するものであり、
他の情報に関しては該出願を参照する。
【００２１】工程ａ）において、ケイ素アルコキシド
（好ましくはテトラエチルオルトシリケート：TEOS）に
加えて、周期律表第１〜４族に属する元素（好ましくは
第３及び４族に属する元素、特にゲルマニウム及びチタ
ン）の１以上のアルコキシド（アルコキシドの代わりに
各種塩化物）を使用できる。
【００２２】工程ｃ）の加水分解を行うためには酸触媒
が存在しなければならず、この種の公知の触媒を使用で
きる。好適な１具体例によれば、塩酸、硝酸、酢酸、マ
ロン酸又は酒石酸の使用が好適である。
【００２３】加水分解は外界温度で行われ、終了時、加
水分解中に生成されたアルコールを加水分解物溶液から
除去し、その後、コロイド状シリカを添加する。
【００２４】第２回目の超音波による可及的処理の後、
コロイド溶液を、加水分解物とコロイド酸化物懸濁液と
を混合する間に得られたものと同じ濃度でつづくゲル化
工程に供給できる。従って、濃度が高く、本発明による
方法のその後の工程の実施において何ら困難性は観察さ
れない。
【００２５】ついで、コロイド溶液を所望の形状及びサ
イズの容器に注入することによってゲル化させる。操作
は50℃以下の温度において数分ないし数時間の時間で行
われる。
【００２６】このようにして得られたゲルを、ゲルの孔
内に含まれる含有アルコール溶液を除去するに適する有
機溶媒で洗浄する。低い臨界温度及び臨界圧力の非引火
性溶媒を使用することが好ましい。
【００２７】最終的に、洗浄溶媒の前記臨界値よりも高
い温度及び圧力においてゲルを乾燥させる。
【００２８】800℃に加熱処理した後、エーロゲル形の
生成物を試薬と反応させてヒドロキシル基を除去し、容
易に酸化される物質を導入する。この目的には四塩化炭
素又は不活性ガス中で希釈した塩素の如き塩化物試薬が
好適に使用される。
【００２９】得られた酸化物を希ガス雰囲気中、シリカ
の場合1200℃より高い温度に、所望のサイズを達成する
に必要な時間（最大２時間）加熱する。
【００３０】上述の及び他の操作上の詳細については、
以下の実施例からさらに明白になるであろう。これらの
実施例は本発明を限定するものではない。
【００３１】
【実施例１】激しく撹拌しながら、テトラエチルオルト
シリケート（TEOS）100ml（0.44モル）に0.01Ｎ HCl 80ml
を添加した（TEOS：H2O：HClのモル比＝１：10：1.8×1
0-4）。約60分後、透明な溶液を得た。激しく撹拌しな
がら、粉末状のコロイドシリカ（たとえば、高温酸化に
よって四塩化ケイ素から得たもの）52.8ｇを、この溶液
に添加した。Aerosil OX50として公知の市販生成物（De
gussa社）が特に好適である。得られた混合物を超音波
を使用して約10分間均質化し、ついで遠心処理して透明
化させた。
【００３２】得られた均質な分散液を所望のサイズ及び
形状のポリエステル容器に注入し、ついで容器を密閉
し、50℃に12時間維持した。このようにして調製したエ
ーロゲルは、所望の形状を付与するに必要な機械加工に
関して不充分な機械的強度を有する。従って、加熱処理
に供して材料の部分的焼結を行わなければならない。実
験室でのテストでは、無定形シリカの理論密度の約50％
の見掛け密度まで焼結する場合、機械工具によって容易
に加工される物質となることが証明されている。
【００３３】このため、エーロゲルを空気中で1000℃に
１時間加熱した。この加熱の間に、圧力容器処理からの
残留有機生成物を燃焼除去した。
【００３４】機械加工後、部分焼結シリカエーロゲル片
をさらに加熱処理に供して、シリカを完全に焼結させ
た。この加熱処理をヘリウム雰囲気中、温度1400℃で実
施した。片をこの温度に１時間維持した。
【００３５】冷却後、片は所望の最終のサイズを有する
と共に、部分焼結エーロゲルの機械加工によって付与さ
れた形状を維持していた。
【００３６】焼結物質は、融解によって得られた無定形
シリカと同じ物理−化学的特性を有していた。
【００３７】
【実施例２】激しく撹拌しながら、テトラエチルオルト
シリケート（TEOS）100ml（0.44モル）に0.01Ｎ HCl 80ml
を添加した（TEOS：H2O：HClのモル比＝１：10：1.8×1
0-4）。約60分後、透明な溶液を得た。激しく撹拌しな
がら、粉末状のコロイドシリカ（たとえばAerosil OX50
（Degussa社）として公知の市販製品）52.8ｇを前記溶
液に添加した。得られた均質な溶液に撹拌しながらpHが
４〜５となるまで0.1Ｎ水酸化アンモニウム溶液を滴加
し、その後、コロイド溶液を所望のサイズ及び形状のポ
リエステル容器に注入し、ついで容器を密閉し、50℃に
12時間維持した。ゲルの調製、その乾燥、部分焼結、機
械加工及び最終焼結については実施例１に記載の方法に
従って実施した。
【００３８】
【実施例３】実施例２に記載の方法によって調製した８
つの同じサンプルのバッチ Ａ34／２から作成したベー
ス直径45mm及び高さ30mmの３つの円筒状エーロゲルイン
ゴットを、ダイヤモンド付け刃工具を具備し、圧縮空気
軸受上を無振動移動する数値制御の高精度旋盤（Varall
o SesiaのCONTEK社）で機械加工した。
【００３９】３つのサンプル（それぞれＩα−62、Ｉα
−64、Ｉα−65と表示する）は、円筒体の軸に平行の軸
に沿って下記数式に相当の非球面をもつ同一の形状とし
た。
【００４０】
【数】
【００４１】ついで、３つのサンプルを輪郭投影器MITU
TOYOシリーズ332の中心に並べ、前記数式に相当する理
論的輪郭と比較した。スクリーン上に直接重ね合せるこ
とにより比較を行った。
【００４２】方法の感度を所望レベルに上昇させるた
め、つづいて巨大スクリーン上に投影した写真の助けに
より各分析を行った（感度は目的物のサイズの１／1000
0に達する）。
【００４３】ついで、エーロゲル又は中間生成物を上述
の実施例に記載の加熱処理によって小型化し、エーロゲ
ルの場合の如く各理論的輪郭と比較した。
【００４４】前駆体の場合及び高密度化生成物の場合の
いずれも、各理論的輪郭との最大偏差は0.0002mm以下で
あり、これは方法の感度限度である。
【００４５】結果を次表に示す。
【００４６】
【表】 サンプル 理論値からの最大偏差 前駆体の偏差 生成物の偏差 Ｉα−62 ＜２×10-4 ＜２×10-4 Ｉα−64 ＜２×10-4 ＜２×10-4 Ｉα−65 ＜２×10-4 ＜２×10-4

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】酸化ケイ素、又は酸化ケイ素と周期律表第
    １〜４族に属する元素の少なくとも１の第２の酸化物と
    でなる最終のサイズ又はほぼ最終のサイズをもつ光学物
    品において、完全な等方性であることを特徴とする、光
    学物品。
  2. 【請求項２】請求項１記載のものにおいて、酸化ケイ素
    と第２の酸化物とでなるものであって、第２の酸化物が
    ゲルマニウム及びチタンの酸化物の中から選ばれるもの
    である、光学物品。
  3. 【請求項３】酸化ケイ素、又は酸化ケイ素と周期律表第
    １〜４族に属する元素の少なくとも１の第２の酸化物と
    でなる光学物品、部品又は装置を製造する方法におい
    て、ａ）ケイ素アルコキシド、又はケイ素アルコキシド
    と第２の元素の少なくとも１のアルコキシドとを、酸触
    媒の存在下で水と混合し、ｂ）該混合物を超音波で可及
    的に処理し、ｃ）得られた混合物を加水分解し、ｄ）加
    水分解によって放出されたアルコールを可及的に除去
    し、ｅ）加水分解物にコロイドシリカ懸濁液を添加し、
    ｆ）可及的に超音波で処理し、ｇ）コロイド溶液をゲル
    化させ、ｈ）ゲルを洗浄し、ｉ）洗浄溶媒の臨界温度及
    び臨界圧力を越える温度及び圧力でゲルを乾燥させ、
    ｊ）乾燥したゲルを800℃に加熱処理し、ｋ）このよう
    にして得られた生成物を、存在するヒドロキシル基を置
    換しうる試薬と可及的に反応させ、ｌ）得られた生成物
    を酸化させ、ｍ）希ガス雰囲気下、少なくとも1200℃の
    温度で加熱することを特徴とする、光学物品等の製法。
  4. 【請求項４】請求項３記載の製法において、工程ａ）の
    混合に当たりテトラエチルオルトシリケートを使用す
    る、光学物品等の製法。
  5. 【請求項５】請求項３記載の製法において、酸化ケイ素
    と少なくとも１の第２の酸化物との混合物を使用する場
    合、第２の酸化物が好ましくは周期律表第３及び４族の
    元素の酸化物の中から選ばれるものである、光学物品等
    の製法。
  6. 【請求項６】請求項５記載の製法において、酸化ケイ素
    と混合される酸化物が好ましくは酸化ゲルマニウム及び
    酸化チタンの中から選ばれるものである、光学物品等の
    製法。
  7. 【請求項７】請求項３記載の製法において、工程ａ）の
    混合を、塩酸、硝酸及び酢酸の中から選ばれる触媒の存
    在下で行う、光学物品等の製法。
  8. 【請求項８】請求項３記載の製法において、工程ｋ）の
    反応を塩化物試薬を使用して行う、光学物品等の製法。
  9. 【請求項９】請求項８記載の製法において、前記塩化物
    試薬が、好ましくは四塩化炭素及び不活性ガス中に希釈
    された塩素の中から選ばれるものである、光学物品等の
    製法。
  10. 【請求項１０】請求項３記載の製法において、工程ｍ）
    の加熱を最高２時間行う、光学物品等の製法。
JP5238857A 1992-09-01 1993-08-31 光学物品及びその製法 Pending JPH06190939A (ja)

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ITMI922038A IT1256359B (it) 1992-09-01 1992-09-01 Procedimento per la preparazione di componenti e dispositivi ottici indimensioni finali o quasi finali, e prodotti cosi' ottenuti
IT92A002038 1992-09-01

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ID=11363898

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JP5238857A Pending JPH06190939A (ja) 1992-09-01 1993-08-31 光学物品及びその製法

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US (1) US5948535A (ja)
EP (1) EP0586013B1 (ja)
JP (1) JPH06190939A (ja)
AT (1) ATE160530T1 (ja)
DE (1) DE69315397T2 (ja)
DK (1) DK0586013T3 (ja)
ES (1) ES2109423T3 (ja)
GR (1) GR3025691T3 (ja)
IT (1) IT1256359B (ja)

Cited By (1)

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