JPH10101345A - 光学素子の製造方法及びその方法で製造された光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価で高精度の光学素子を製造することがで
きる光学素子の製造方法を提供する。 【解決手段】 光学機能面を下側に向けて配置した金型
の下部に、ガラス材料を配置する第１の工程と、ガラス
材料をガラス軟化点以上の温度まで加熱して軟化させる
一方、金型をガラス軟化点以下の温度まで加熱する第２
の工程と、軟化したガラス材料の上面を前記金型で加圧
成形して１面の成形面を得る第３の工程と、を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、レンズ，ミラー等
光学機能面を有する光学素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レンズやミラー等光学機能面
を有する光学素子は、所定のガラス材から研削、研磨の
工程を経て製造されていたが、近年、金型を用いてガラ
スを直接加圧成形する製造方法が提案されている。この
ような金型を用いた製造方法では、鏡面加工された金型
を用い、所定の形状を有するガラス材料を加熱軟化さ
せ、軟化状態のまま金型によって加圧成形して光学素子
を製造している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の金型を用いた製
造方法では、製造される光学素子の光学機能面の形状精
度と、金型の寿命とが大きなポイントとなっている。す
なわち、光学機能面の形状精度、換言すれば鏡面金型の
転写性を向上させようとするためには、加圧成形時に高
温高圧で成形することが必要となる。しかしながら、高
温高圧で加圧成形を行うと、金型の物理的及び化学的な
ダメージが大きく、金型の寿命を著しく短縮してしま
う。このように、金型の寿命が短くなると、光学素子の
高コスト化につながり、望ましくない。また、高温高圧
で加圧成形可能な金型材料は非常に限定されており、製
造しようとする光学素子の硝材や形状に大きな制約を与
えているという問題もあった。

【０００４】本発明は、上記課題に鑑み、安価で高精度
の光学素子を製造することができる光学素子の製造方法
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明にかかる光学素子の製造方法は、ガラス材料
を加熱軟化させ、金型を用いて成形して光学機能面を得
る光学素子の製造方法であって、光学機能面を下側に向
けて配置した金型の下部に、ガラス材料を配置する第１
の工程と、前記ガラス材料をガラス軟化点以上の温度ま
で加熱して軟化させる一方、前記金型をガラス軟化点以
下の温度まで加熱する第２の工程と、軟化した前記ガラ
ス材料の上面を前記金型で加圧成形して１面の成形面を
得る第３の工程と、を含むことを特徴とする。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。 ［実施形態］図１は、実施形態の光学素子の製造方法を
適用した、製造装置の概略構成を示す断面図である。図
１において、実施形態の製造装置は、概略、ガラス材料
保持部材１１、内部にカートリッジヒータ１５を内蔵し
たガラス材料保持基台１４、金型１３、内部にカートリ
ッジヒータ１７を内蔵した金型保持部材１６等から構成
される。

【０００７】金型１３は、鏡面加工された光学機能面を
成形するための成形面を下側に配置し、金型保持部材１
６上に固定されている。この金型保持部材１６は熱伝導
性のよい材料により形成されており、金型保持部材１６
全体として上下方向に移動可能に支持されている。ま
た、金型保持部材１６に内蔵されたカートリッジヒータ
１７は、図示しない制御回路を介して駆動電力が与えら
れると発熱し、金型保持部材１６を介して金型１３に熱
を与える。

【０００８】ガラス材料保持部材１１は、ガラス材料保
持基台１４上に固定されている。このガラス材料保持基
台１４も熱伝導性のよい材料により形成されており、金
型１３の場合と同様に、カートリッジヒータ１４は、図
示しない制御回路を介して駆動電力が与えられると発熱
し、ガラス材料保持基台１６及びガラス材料保持部材１
１を介してガラス材料１２に熱を与える。

【０００９】次に、上記構成を有する製造装置による光
学素子の製造を、ガラスレンズの１面に光学機能面を成
形する場合を例に説明する。始めに、製造しようとする
レンズ形状に対応する形状で、所定の表面粗さの程度ま
で鏡面加工した金型１３と、所定の形状に加工したガラ
ス材料保持部材１１を用意し、それぞれの位置にセット
する。この金型１３の材料は、炭化珪素等のセラミック
ス材料や、白金、金、ロジウム、あるいはこれらの合金
材料等の金属材料、炭化珪素等の表面に白金や金の保護
膜を付加した材料等、ガラス材料１３成形時の温度で化
学的に安定でガラスとの反応性が小さいものであれば特
に材料は限定しない。

【００１０】また、ガラス材料保持部材１１の形状は、
最終的に成形される光学素子の形状を考慮した場合、ガ
ラス材料の無駄を少なくするためにもできるだけレンズ
形状と一致する形状であることが望まれる。他方、ガラ
ス材料保持部材１１の形状は、成形の容易性を考慮した
場合、成形する金型形状をそのまま平行移動した形状に
近い方がよい。例えば、メニスカス形状のレンズの１面
を成形する場合は、成形面とは反対側のガラス材料保持
部材１１の形状を最終的なレンズ形状に対応させても成
形しやすいといえるが、最終的に形成されるレンズが両
凸形状あるいは両凹形状の場合、最終的なレンズ形状を
優先させて、ガラス保持部材１１の形状を決定すると、
レンズ中心部とコバ部との肉厚差が大きくなるため、成
形しにくいレンズとなる。逆に、最終的に形成されるレ
ンズが両凸形状あるいは両凹形状の場合、成形性を優先
させると、他面を製造する際のガラス材料の無駄が大き
くなる。このような事情から、ガラス材料保持部材の形
状は、材料の無駄と成形性とのバランスを考慮して、そ
れぞれの光学素子の形状に応じて決定すればよい。

【００１１】次に、所定の形状のガラス材料１２をガラ
ス材料保持部材１１上に載置する（第1工程）。このガ
ラス材料１２は、金型１１に対向する面が所定の表面粗
さまで鏡面加工された部材を基本とするが、金型１１と
対向する面の形状は最終的に得られるレンズ形状に対応
して適宜設定してよい。また、この金型１１と対向する
面の面精度についても、必ずしも鏡面加工する必要はな
く、研削面であっても次からの各工程の成形条件（温度
や保持時間等）を適切に設定することにより、最終的に
鏡面を得ることも可能である。

【００１２】また、ガラス材料保持部材１１と、ガラス
材料１２のガラス材料保持部材１１と対向する側の面の
形状の一致度合いは、完全に一致している必要はなく、
ガラス材料保持部材１１からガラス材料１２への熱伝導
が均一に行われる程度でよい。したがって、ガラス材料
保持部材１１の表面粗さは研削面程度でよく、離型性を
考慮してガラス材料保持部材１１の表面に窒化ほう素等
の離型剤を塗布してもよい。

【００１３】さらに、ガラス材料保持部材１１に載置さ
れたガラス材料１２、及び金型１３を所定の温度まで加
熱する（第2工程）。本実施形態では、ガラス材料保持
基台１４に内蔵されたカートリッジヒータ１５によりガ
ラス材料保持部材１１を介してガラス材料１２を加熱す
る一方、金型保持部材１６に内蔵されたカートリッジヒ
ータ１７により金型１３を加熱している。この他、ガラ
ス材料１２の加熱方法としては、この他にも、ガラス材
料１２近傍にヒータを配置してガラス材料１２自体を直
接加熱する方法を用いてもよい。

【００１４】また、ここで所定の温度とはガラス材料１
３が成形可能な温度であるガラス軟化点以上であり、こ
の温度はガラス材料１３ごとに当然異なるため、それぞ
れ最適な値に設定する必要がある。一方、金型１３の温
度は、本実施形態の場合、ガラス材料の片面のみ金型１
３の面形状が転写する程度でよいため、特にガラス軟化
点まで上昇させる必要はない。一般に金型１３の寿命は
金型１３とガラス材料１２との接触部の温度が高いほど
短くなる。本実施形態では、金型１３の温度をできるだ
け低くすることができるので、従来の成形方法と比較し
て、金型１３の寿命を大幅に伸ばすことが可能である。

【００１５】金型１３の寿命を伸ばしつつ、成形に影響
を与えない温度条件としては、第２工程において、金型
１３の温度をガラス材料のガラス転移点（Ｔｇ）に１０
°Ｃ加えた温度以下であることが望ましい。

【００１６】さらに、金型保持部材１６を下方に移動さ
せて、金型１３をガラス材料１２に接触させ加圧成形す
る（第３工程）。加圧成形時にガラス材料１２に加えら
れる圧力は、従来の成形方法と比較して非常に小さい圧
力でよい。この状態で所定時間保持した後冷却して、１
面の光学機能面を成形することができる。

【００１７】以上の工程によって製造されたガラスを材
料とする光学素子は、金型１３を高精度に製造すること
により、凹面または凸面の球面形状、非球面形状等いず
れの形状を成形することも可能であり成形形状には特に
限定さない。また、金型１３には、成形時には低温で小
さな圧力しか加わらないので、ダメージが小さく、金型
寿命を大幅に向上させることができる。また、金型１１
のダメージが小さいことから、光学機能面の形状、ガラ
ス材料１３の種類等の自由度を増加させることができ
る。

【００１８】［他の実施形態］以上、本発明の実施形態
について説明を行ったが、本発明は上記の各実施形態に
限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲
で適宜変更可能である。例えば、成形しようとする面の
形状は回転対称面だけでなく、トーリック面やシリンド
リカル面、非軸対称面や自由曲面等、どのような形状に
も対応することができる。また、光学素子としては、屈
折型のレンズの成形だけでなく、成形した面形状にさら
に光反射材料を蒸着することによりトーリック面やシリ
ンドリカル面の形状のパワーを有するミラーを製造した
り、成形後の光学機能面に波長選択反射膜や偏光反射膜
等の機能性材料を付加することにより、パワーを有する
光学機能面をもつプリズムや光機能性デバイスを製造す
ることもできる。

【００１９】

【実施例】次に、上述の実施形態に基く数値実施例を示
す。 ［実施例１］実施例１は、前述の実施形態に対応する数
値実施例である。図１の製造装置を用い、鏡面加工した
炭化珪素を材料とする凹面の非球面形状（近軸曲率半径
９０ｍｍ）を有する金型１３の下方に、直径５０ｍｍの
略メニスカスレンズ形状のランタンクラウン系ガラス
（ガラス転移点（Ｔｇ）６３５°Ｃ、ガラス軟化点（Ａ
ｔ）６７３°Ｃ）のガラス材料１２を、凸面の球面形状
の研削面（曲率半径１００ｍｍ）のガラス材料保持部材
１２上に配置した。このガラス材料１２のガラス材料保
持部材１１と対向する側の面は球面形状の研削面で、そ
の曲率半径は１００ｍｍである。一方、ガラス材料１２
の金型１１によって成形される側の面は、曲率半径８０
ｍｍの球面形状に研磨加工されている。

【００２０】次に、ガラス材料保持基台１４及び金型保
持部材１６にそれぞれ内蔵されたカートリッジヒータ１
５、１７を駆動し、ガラス材料保持部材１１及びガラス
材料１２を６９０°Ｃ、金型１３を６６０°Ｃまで加熱
した（第２工程）。

【００２１】金型１３及びガラス材料１２がそれぞれ所
定の温度に到達した５分後、金型保持部材１６を下方に
移動させ、ガラス材料保持部材１１と金型１３で、ガラ
ス材料１２を１５０ｋｇｆの圧力で加圧成形した（第３
工程）。

【００２２】この状態で３分経過した後、相対的な温度
差を保ったまま、金型１３とガラス材料１２とを１°Ｃ
／分の速度で５５０°Ｃまで冷却し、さらに１０°Ｃ／
分の速度で２００°Ｃ以下まで冷却した。なお、一連の
工程はすべて窒素雰囲気中で行った。

【００２３】得られたガラス材料の成形面は、有効径４
５ｍｍ内で形状精度０.６μｍ以下、最大粗さ０.０２μ
ｍ以下で、クモリのない非球面形状であることが確認さ
れた。また、同一工程を５００回行った後の金型１１の
表面は、特に変化が認められなかった。

【００２４】［実施例２］実施例２も、前述の実施形態
に対応する数値実施例である。図１の製造装置を用い、
鏡面加工した炭化珪素を材料とする凸面の非球面形状
（近軸曲率半径９０ｍｍ）を有する金型１３の下方に、
直径５０ｍｍの略メニスカスレンズ形状のランタンクラ
ウン系ガラス（ガラス転移点（Ｔｇ）６３５°Ｃ、ガラ
ス軟化点（Ａｔ）６７３°Ｃ）のガラス材料１２を、凹
面の球面形状の研削面（曲率半径１００ｍｍ）のガラス
材料保持部材１２上に配置した。このガラス材料１２の
ガラス材料保持部材１１と対向する側の面は球面形状の
研削面で、その曲率半径は１００ｍｍである。一方、ガ
ラス材料１２の金型１１によって成形される側の面は、
曲率半径８０ｍｍの球面形状に研磨加工されている。

【００２５】次に、ガラス材料保持基台１４及び金型保
持部材１６にそれぞれ内蔵されたカートリッジヒータ１
５、１７を駆動し、ガラス材料保持部材１１及びガラス
材料１２を６９０°Ｃ、金型１３を６４５°Ｃまで加熱
した（第２工程）。

【００２６】金型１３及びガラス材料１２がそれぞれ所
定の温度に到達した５分後、金型保持部材１６を下方に
移動させ、ガラス材料保持部材１１と金型１３で、ガラ
ス材料１２を１５０ｋｇｆの圧力で加圧成形した（第３
工程）。

【００２７】この状態で５分経過した後、相対的な温度
差を保ったまま、金型１３とガラス材料１２とを１°Ｃ
／分の速度で５５０°Ｃまで冷却し、さらに１０°Ｃ／
分の速度で２００°Ｃ以下まで冷却した。なお、一連の
工程はすべて窒素雰囲気中で行った。

【００２８】得られたガラス材料の成形面は、有効径４
５ｍｍ内で形状精度０.６μｍ以下、最大粗さ０.０２μ
ｍ以下で、クモリのない非球面形状であることが確認さ
れた。また、同一工程を５００回行った後の金型１１の
表面は、特に変化が認められなかった。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高温高圧で加圧成形を行うことがないので、金型の物理
的及び化学的なダメージが小さく、金型の寿命を長くす
ることができる。したがって、高精度の光学素子を低コ
ストで製造することができる。また、高温高圧で加圧成
形しないので、金型材料及び光学素子の硝材や形状にも
制約を与えない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の光学素子の製造方法に用いられる製
造装置

【符号の説明】

１１：ガラス保持部材 １３：金型

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラス材料を加熱軟化させ、金型を用い
   て成形して光学機能面を得る光学素子の製造方法であっ
   て、光学機能面を下側に向けて配置した金型の下部に、
   ガラス材料を配置する第１の工程と、前記ガラス材料を
   ガラス軟化点以上の温度まで加熱して軟化させる一方、
   前記金型をガラス軟化点以下の温度まで加熱する第２の
   工程と、軟化した前記ガラス材料の上面を前記金型で加
   圧成形して１面の成形面を得る第３の工程と、を含むこ
   とを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 【請求項２】 前記第２の工程の金型温度が、成形しよ
   うとするガラス材料のガラス転移点温度に１０°Ｃを加
   えた温度以下であることを特徴とする請求項１記載の光
   学素子の製造方法。
3. 【請求項３】 ガラス材料を加熱軟化させ、金型を用い
   て成形して光学機能面を得る光学素子の製造方法により
   製造された光学素子であって、光学機能面を下側に向け
   て配置した金型の下部に、ガラス材料を配置する第１の
   工程と、前記ガラス材料をガラス軟化点以上の温度まで
   加熱して軟化させる一方、前記金型をガラス軟化点以下
   の温度まで加熱する第２の工程と、軟化した前記ガラス
   材料の上面を前記金型で加圧成形して１面の成形面を得
   る第３の工程と、によって製造された光学素子。