JPH107423A - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】成形後の上面が凹面の光学素子であっても、上
型からの離型を容易に行うことのできる光学素子の製造
方法を提供する。 【解決手段】光学素子材料を変形可能な温度まで加熱し
軟化させ、一対の型２、３を光学素子材料に押しつけて
加圧することにより、光学素子１０を成形し、一対の型
２、３の光学素子１０への加圧を停止し、凸面の型２に
貼り付いた光学素子１０を冷却し、冷却された光学素子
１０の周辺部を再加熱することにより、光学素子を熱変
形させて凸面の型２から離型させ、その後、光学素子１
０を再冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学素子材料を変
形可能な温度まで加熱し軟化させ、上下の成形型を光学
素子材料に加圧して、型面形状を転写することにより、
光学素子を成形する光学素子の製造方法に関する。特
に、光学素子の上面が凹面の場合に、上型から容易に離
型させることのできる製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、各種各様の形状を有する光学
素子、特に、非球面形状を有する光学素子を製造する方
法として、光学素子材料を変形可能な温度まで加熱し軟
化させ、上型と下型とを上下から光学素子材料に加圧す
ることにより型面形状を転写、すなわち、成形し、その
後、上下型を離型させ、光学素子を取り出し温度まで冷
却して取り出す製造方法が用いられている。

【０００３】この製造方法は、成形後に研削、研磨工程
を必要としないため、生産性が優れている。さらに、光
学ガラス材料、および、成形された光学素子の運搬をロ
ボットによって行うための自動運送機構を伴うことによ
り、無人で光学素子の生産が可能であるという利点があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
製造方法では、光学素子の成形後の上面が凹面、すなわ
ち、上型の形状が凸面である場合には、成形後、取り出
し温度まで冷却された光学素子が、上型に貼り付く現象
が頻繁に発生する。自動搬送用ロボットは、上型に貼り
付いた光学素子を取り外せないため、上面が凹面の光学
素子については、無人による生産ができないという問題
があった。

【０００５】本発明は、この問題を解決し、成形後の上
面が凹面の光学素子であっても、上型からの離型を容易
に行うことのできる光学素子の製造方法を提供すること
を目的する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、以下のような光学素子の製造方法
が提供される。

【０００７】すなわち、光学素子材料を変形可能な温度
まで加熱し軟化させ、一対の型を前記光学素子材料に押
しつけて加圧することにより、前記一対の型の面形状を
前記光学素子材料に転写して光学素子を成形した後、前
記一対の型を前記光学素子から離型させる光学素子の製
造方法において、前記一対の型のうちの一方の型面形状
が凸面である場合、前記凸面の型を前記光学素子から離
型させるために、前記光学素子の成形後、前記凸面の型
に貼り付いている前記光学素子を冷却し、冷却された前
記光学素子の周辺部を再加熱することにより、前記光学
素子を熱変形させて前記凸面の型から離型させる光学素
子の製造方法である。

【０００８】この方法では、光学素子の周辺部のみを再
加熱するため、成形面の変形を防止しつつ、型からの密
着状態を光学素子の膨張によって解消することができ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】発明者らは、成形型が凸面の場合
の成形型と光学素子との密着状態を解消するために、鋭
意研究を重ねた結果、成形型および光学素子の形状が冷
却時に熱変形することによって密着状態が発生している
ことを突き止めた。したがって、この熱変形を逆に利用
して、成形型と光学素子とを離型させることを見いだ
し、本発明を成すにいたった。これを詳しく説明する
と、以下のようになる。

【００１０】光学素子の成形による生産は、温度、成形
圧力、成形時間等の諸条件が最適化され、成形後に所望
の光学素子形状が得られた場合、その条件を繰り返すこ
とにより行われている。

【００１１】成形温度は、通常、光学素子材料である光
学ガラスのガラス転移点（Ｔｇ点）以上に設定される。
成形温度に加熱され軟化した光学ガラスに、上下の型を
所定の圧力で所定の時間押しつけ、型面形状を光学ガラ
スに転写することにより、光学ガラスを成形する。

【００１２】成形終了時の温度が、ガラス転移点（Ｔｇ
点）以上では、塑性変形が起きるため、一般的には、成
形後に安定した光学素子形状を得るために、型を加圧し
たまま、弾性変形域であるＴｇ点以下まで冷却してい
る。この時点で、上下の型の加圧を停止、すなわち、上
下の型を間隔を開くことにより成形が終了する。また、
成形が終了した光学素子は、光学素子を取り出すことが
できる温度までさらに冷却される。通常、製造時間を短
縮して、生産性を高めるために、不活性ガスを流すこと
により、強制的に冷却、いわゆる急冷される。

【００１３】このような製造工程において、成形終了時
に上下の型の間隔を開いて、加圧を停止する際に、通常
の光学素子は、上下の型から離れ、いわゆる、離型す
る。しかしながら、光学素子の成形上面が凹面、すなわ
ち、上型形状が凸面である場合、冷却時にガラスが直径
方向で、上型の収縮よりも大きく収縮するために、上型
の凸面に光学素子の凹型の成形面が食い込む形となり密
着状態が発生する。これは、光学ガラス材料の熱膨張係
数が、上下型の材料の熱膨張係数よりも大きいために生
じる。

【００１４】そこで、光学素子を再加熱すれば、密着状
態を解消することができると考えられるが、ここで注意
しなければならない点がある。密着状態を解消するため
には、再加熱温度が高い程良いが、光学素子全体をＴｇ
点以上に再加熱すると、成形面が光学素子自体の重さで
変形するために、転写された型形状が崩れてしまうおそ
れがある。そこで、本発明は、再加熱の効果による光学
素子の直径方向の膨張を最大限に生かすために、光学素
子全体を加熱するのではなく、周辺部のみをＴｇ点以下
に再加熱する。これが、光学素子の上型への密着状態を
解消する最良の方法であることを突き止めた。

【００１５】本発明の光学素子の製造方法についてさら
に具体的に説明する。

【００１６】光学素子の成形に用いる装置としては、例
えば、図１に示す成形装置を用いることができる。図１
の成形装置において、上型２は、凸型の成形面を有し、
下型２は、凹型の成形面を有する。上型２と下型３は、
成形面が対向するようにそれぞれ、上スリーブ４と下ス
リーブ６の内側に配置されている。上型および下型３の
成形面には、離型膜がコートされている。上型２および
上スリーブ４は、受け台５により上部から支持されてい
る。また、下型３および下スリーブ６は、載せ台７によ
って下から支持されている。載せ台７の内部には、下型
３の直下の位置に温度制御用の熱電対９が挿入されてい
る。

【００１７】受け台５および載せ台７には、それぞれを
上下方向に駆動するための駆動機構（不図示）取り付け
られている。また、上型２、下型３、上スリーブ４およ
び下スリーブ６全体を加熱するために、ヒータ８が配置
されている。なお、成形を行う雰囲気を不活性ガス雰囲
気とするために、不図示の不活性ガス供給装置から、装
置の回りに不活性ガスが予め定めた流量で供給される。

【００１８】この成形装置を用いて、光学素子の製造を
行う際には、下面に吸着部を有する搬送用自動ロボット
により、ガラスブランク１を下型３の上に供給する。そ
して、不活性ガス雰囲気中で、ヒータ８によりガラスブ
ランク１、上下型２、３および上下スリーブ４、６を、
予め定めた成形温度（Ｔｇ点以上）まで加熱する。そし
て、ガラスブランク１、上下型２、３および上下スリー
ブ４、６の熱均衡がとれたら、成形温度を保持した状態
で、駆動機構を動作させて、予め定めた加圧加重で上下
型２、３をガラスブランク１に押しつけ、予め定めた成
形時間成形する。これにより、ガラスブランク１は、上
下の面が上下型２、３に押しつけられ、側面が下スリー
ブ６の内型に押しつけられて成形される。そして、加圧
した状態で、予め定めた成形終了温度（Ｔｇ点以下）ま
で冷却し、再び駆動機構を動作させて、上下型２、３の
間隔を開き加圧を停止させる。これにより、成形された
光学素子１０は、図４のように、下型３から離れ、上型
２に貼り付いた状態となる。

【００１９】この状態で、光学素子１０を予め定めた取
り出し温度（成形終了温度よりもさらに低い取り出すこ
とができる温度）まで、不活性ガスにより急冷する。そ
して、取り出し温度まで急冷された光学素子１０を、ヒ
ータ８により再加熱する。このとき、光学素子１０は、
成形面が上型２に貼り付き、側面がヒータ８に対向して
いるため、ヒータ８を加熱することにより、光学素子１
０の周辺部のみを局所的に直接加熱できる。再加熱の温
度は、光学素子１０の周辺部がＴｇ点以下の予め定めた
温度となるように設定する。

【００２０】周辺部を局所的に再加熱された光学素子１
０は、周辺部から熱膨張し、その膨張によって離型が開
始される。わずかな膨張であっても、光学素子１０と上
型２との接触面に隙間ができれば、徐々に離型する。

【００２１】再加熱により、上型２から離型した光学素
子１０は、不活性ガスにより取り出し温度まで再び冷却
される。そして、搬送用自動ロボットにより光学素子を
取り出す。

【００２２】このように、成形後の冷却時に、再加熱に
より光学素子１０の内部に温度分布をつけてると、光学
素子１０の内部に熱応力の発生とともに、歪みが生じ、
残留する。ひずみが残留すると、ひずみにより光学素子
の成形面が崩れるおそれがある。

【００２３】そこで、本発明では、歪み、ならびに、歪
みによって発生する不均一な屈折率分布を除去する目的
で、アニール処理を施す。アニール処理は、成形された
光学素子を徐冷点（内部ひずみが除去できる温度）まで
加熱して保持し、歪み点（粘性流動が起き始め、ひずみ
が除去できる温度）まで、ゆっくりと冷却する処理であ
る。

【００２４】このアニール処理により歪みは除かれ、成
形面の崩れは消失する。また、歪みによる屈折率分布も
消失する。

【００２５】このように、アニール処理を含めることに
より、成形終了後の冷却時に、光学素子の周辺部のみ再
加熱し、光学素子内に温度分布を強制的につけても、ア
ニール処理後に最終的に得られる成形面形状を型形状と
一致させることができる。

【００２６】本発明では、光学素子の取り出し後にアニ
ール処理工程を施すことが望ましいが、生じる歪みが光
学素子の製品として問題とならない程度に小さい場合に
は、アニール処理を必ずしも施さなくてもよい。

【００２７】また、再加熱の条件すなわち、再加熱開始
温度や再加熱温度や再加熱時間については、光学素子１
０が上型２から離型できる条件であればよいため、成形
面の形状や材質に応じて条件を定めればよい。

【００２８】また、本発明は、型の材料の熱膨張係数よ
りも、光学素子の材料の熱膨張係数が大きい組み合わせ
であれば、どのような型材料およびどのような光学素子
材料でも適用することができる。したがって、光学素子
材料としては、光学ガラスに限らず、樹脂や、他の材料
であってもよい。光学ガラスの硝種もいかなるものでも
良い。また、離型膜との併用も可能であることは言うま
でもない。

【００２９】また、光学素子の形状は、一方の成形面が
凹面の光学素子であれば本発明を用いることができる。
たとえば、メニスカスレンズや、非球面レンズを本発明
の方法により製造することが可能である。

【００３０】上述してきたように、本発明の光学素子の
製造方法では、光学素子の成形上面が凹面の場合にも、
上型から離型させることができるため、搬送用自動ロボ
ットにより生産が可能となる。その結果、光学素子の大
幅なコスト低減や工程数低減が可能となる。

【００３１】

【実施例】本発明の一実施例について説明する。

【００３２】本実施例では、ガラスブランク１として、
弗リン酸系光学ガラスを用い、ガラスブランク１の形状
は、図１のように球状とした。弗リン酸系光学ガラスの
ガラス転移点は、４３０℃より高く、４８０℃より低い
温度である。成形装置は、図１に示した装置を用いた。
上型２と下型３は、タングステンカーバイド合金製と
し、離型膜として１０μｍ厚さの白金系合金膜を施し
た。

【００３３】上型２は、曲率半径３０ｍｍの凸面、下型
３は、曲率半径８０ｍｍの凹面とした。これにより、本
実施例では、図５のように、一方の曲率半径が３０ｍ
ｍ、他方の曲率半径が８０ｍｍ、厚さ５ｍｍのメニスカ
スレンズを製造する。

【００３４】本実施例の成形時の温度サイクルを図２に
しめす。図２において、横軸は時間（単位：分）、縦軸
は熱電対９の温度（単位：℃）である。

【００３５】図２のように、図１の装置を不活性ガス雰
囲気中で、ヒータ８により、１０分間で４８０℃まで加
熱する。そして、上下型２、３、ガラスブランク１、お
よび、上下スリーブ４、６等の熱均衡が十分にとれる時
間（開始後２０分）に達したら、温度を保持した状態で
加圧加重１００ｋｇｆ／ｃｍ²で５分間（開始後２５分
まで）上下型２、３をガラスブランク１に加圧し成形す
る。さらに、加圧したまま、４３０℃まで冷却し（開始
後２９分）、その点で上下型２、３の間隔を開き、加圧
を停止する。これにより、光学素子１０は、図４のよう
に下型３から離れ、上型２に貼り付いた状態となる。こ
の点で、成形は終了する。

【００３６】そして、搬送用自動ロボットが光学素子を
取り出し可能な温度の８０℃まで、不活性ガス中で温度
を急激に下げる。そして再び、ヒータ８から２００℃ま
で再加熱を行う。これにより、光学素子１０の周辺部の
みが加熱され、光学素子１０が熱膨張し、上型２から離
型する。再び、８０℃まで冷却し、搬送用自動ロボット
により、光学素子１０を取り出す。

【００３７】取り出された光学素子１０に対しては、後
工程としてアニール処理を施す。このアニール処理によ
り、光学素子１０の内部のひずみが取り除かれ、成形面
形状が型形状に等しくなるとともに、屈折率分布に偏り
がなくなり、一様な屈折率分布を呈するようになる。

【００３８】図３にアニール条件の一例を示す。図３に
おいて、横軸は時間（単位：時間）、縦軸は光学素子近
傍に接地された制御用熱電対の温度（単位：℃）であ
る。

【００３９】図３のように、本実施例では、５時間かけ
て徐冷点の４００℃まで加熱し、２４時間その温度を保
持する。そして、５０時間かけて４００℃から歪み点の
３５０℃までゆっくりと冷却する。その後、温度を室温
まで下げる。

【００４０】このような温度パターンで、光学素子をア
ニール処理することにより、光学素子内部のひずみを取
り除くことができる。

【００４１】発明者らは、上述の成形およびアニール処
理によって、光学素子を製造し、その離型効果を確認す
ることができた。

【００４２】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、成形後
の上面が凹面の光学素子であっても、上型からの離型を
容易に行うことのできる光学素子の製造方法を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態で用いた成形装置の構成
を示す断面図。

【図２】本発明の一実施例により光学素子を製造する際
の温度サイクルを示すグラフ。

【図３】本発明の一実施例により光学素子を製造する際
のアニール処理の温度をしめすグラフ。

【図４】本発明の一実施の形態において、成形装置の上
型に貼り付いた光学素子を示す断面図。

【図５】本発明の一実施例で製造する光学素子の形状を
示す側面図。

【符号の説明】

１・・・ガラスブランク、２・・・成形上型、３・・・
成形下型、４・・・上スリーブ、５・・・受け台、６・
・・下スリーブ、７・・・載せ台、８・・・ヒータ、９
・・・温度制御用熱電対、１０・・・光学素子。

フロントページの続き (72)発明者 井口 裕章 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光学素子材料を変形可能な温度まで加熱し
   軟化させ、一対の型を前記光学素子材料に押しつけて加
   圧することにより、前記一対の型の面形状を前記光学素
   子材料に転写して光学素子を成形した後、前記一対の型
   を前記光学素子から離型させる光学素子の製造方法にお
   いて、 前記一対の型のうちの一方の型面形状が凸面である場
   合、前記凸面の型を前記光学素子から離型させるため
   に、前記光学素子の成形後、前記凸面の型に貼り付いて
   いる前記光学素子を冷却し、冷却された前記光学素子の
   周辺部を再加熱することにより、前記光学素子を熱変形
   させて前記凸面の型から離型させることを特徴とする光
   学素子の製造方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記離型の後に、前記
   光学素子内部の歪みを取り除くために、前記光学素子を
   アニール処理することを特徴とする光学素子の製造方
   法。
3. 【請求項３】請求項１において、前記光学素子の再加熱
   は、前記光学素子材料のガラス転移点以下の温度に前記
   光学素子の周辺部を加熱するものであることを特徴とす
   る光学素子の製造方法。