JPS632821A - ガラス光学素子の成形方法、この方法に使用する型、およびこの型の製造方法 - 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） 本発明はガラスレンズのようなガラス製品の精密成形方
法に関する。さらに特に、本発明は極端な型の摩耗また
は型の表面品質の他の劣化がなく、経済的に直接成形で
きる選択された光学ガラス組成物から、精密なガラスレ
ンズを直接成形できる改良された成形材料に関する。

（従来の技術とその問題点） 一般に光学レンズのような精密光学素子は、精密な形状
の屈折表面と高度の表面平滑性を必要とする。さらに、
光学素子の対向面は、特定の目的に使用するために必要
な光学集束特性を与えるように正確に整列されなければ
ならない。

ガラスの精密光学素子は現在複雑なプロセスを使用して
製造され、必要な屈折率および他の特性を有するガラス
のための溶融ガラスバッチを最初に溶融し、溶融光学ガ
ラスを与える。次にこのようなガラスに適する装填材料
を加圧または他の通常の方法によって成形し、製品とし
て希望する最終の形状に近いレンズ形状をつくる。

通常の加圧方法は、直接光学用に適した表面形状や表面
仕上をもつレンズを容易に与えない。むしろ、最初にレ
ンズをアニールして内部応力を軽減し、屈折率の均質性
を確保し、次に常法により磨砕し研磨して最終のレンズ
形状と表面平滑性を出すようにしなければならない。

通常の磨砕と研磨のプロセスは、得られる表面形状に関
して重要な制限を与えることになる。通常の機械磨砕と
研磨技術によって作られる表面形状は、普通、平面、球
面およびパラボラのような円錐断面に制限される。他の
形状、特に−般の非球面表面形状はこの種の磨砕で成形
することが難しい。さらに、前もって確立された表面形
状を変えたりレンズのオプチックスを変えることなく、
必要な光学仕上げを得るように、あらかじめ確立された
形状表面をもつ磨砕表面に仕上げることは難しい。

このために、通常の技術によるガラス非球面レンズの製
造は高度な技術と高価な手作業を必要とする。この方法
の基本的な面として、レンズの対向する非球面表面に不
良部をつくらないように磨砕および／または研磨して必
要な表面仕上げが得られること、および必要などんな表
面仕上げでも表面形状が保持されることである。不良部
をつくったりあるいは形状が変わったりすると、仕上っ
たレンズは目的とする用途に使用できなくなる。

これらの難点は以前から知られており、表面仕上状態に
非球面レンズを直接成形すると理論的には磨砕や研磨、
エツジングの工程を省略できることに気付いていたが、
これは非球面レンズのコストを非常に高くする。このこ
とは既にプラスチックレンズで実際に証明されている。

しかし、光学用に適した現存するプラスチックスは、限
られた屈折率と分散範囲でのみ利用できる。さらに、プ
ラスチックスは引掻き、焼け、曇りによって損傷しやす
い。また、プラスチックレンズに適合できる耐摩耗性お
よび／または反射防止のコーティングを使用しても、耐
久性で安定性のあるレンズ材料の要求に完全には合わな
かった。

さらにプラスチックレンズは機械力、湿度、熱によって
変形しやすい。従って、普通のプラスチックスの容積と
屈折率は温度変化を受は易く、光学的なデザイン基準に
よってレンズが働く有効な温度範囲が制限される。

これらの欠点のために、直接ホットガラスを加圧して光
学表面に仕上げることが繰り返し試みられた。しかし、
直接ガラスレンズを圧縮する前に解決しなければならな
い基礎的な問題が幾つかあった。例えば、−般に通常の
ガラス加圧プロセスは製品の加圧された表面に冷却しわ
を生じ、あるいは成形表面の形状から離れた表面凹凸を
生じる。

従来のホットガラス加圧の問題点を解決するために、多
くの技術が開発された。これらの技術のうち、特定の加
圧装置は等温加圧を用いる。これは加熱した型および予
熱したガラスを使用して、加圧工程を行う温度が加圧中
にガラス予備成形体の全域で僅かしか変化しないように
加圧する。型と特定のガラス組成物を構成する特定の材
料および成型プロセスのパラメーターは、直接加圧した
レンズの品質を改善するために開発された。

米国特許第３，２４４，４９７号はレンズブランク成形
装置を記載しており、これには温度制御プランジャと、
支持プレス台に制御できる熱を伝達する絶縁型が記載さ
れている。しかし、この装置は比較的薄いレンズブラン
クを加圧するように設計され、この因子は装置によって
達成できる温度調整に重要な一因となる。米国特許第４
，４８１，０２３号は光学的品質のレンズを直接加圧す
るための別の成形装置を記載している。また、成形表面
の温度調節を行い、装置を１０８〜１０１２ポアズの高
いガラス粘度で加圧するように設計されている。これは
比較的低い加圧温度に相当し、不均一の熱流を生じる難
点を減らす助けとなる。

加圧による表面品質を高め、成形耐久性を改良し、溶融
ガラスの離型剤として作用するように成形コーティング
を使用することが、前記米国特許第３，２４４．４９７
号に提案されている。ここでは耐火窒化物、硼化物、炭
化物および酸化物から成る群から選ばれた耐火コーティ
ングが提案されている。

可視光の波長のほぼ半分以下の厚さ、例えば０．５ミク
ロンの厚さのコーティングが基礎となる成形表面の鏡面
仕上を正確に再現することが示されている。

米国特許第４，１６８．９８１号は炭化珪素とガラス質
炭素混合物の成形表面をもつ型を提案している。

ここでは、この材料によって成形されたガラス素子は高
い表面品質と表面精密性を示すことが示唆されている。

しかし、調整された雰囲気下で成形して、この材料を酸
化しないようにする必要があり、この方法によって実施
する経済的な価値は実質には小さい。

米国特許第４，１３９，６７７号は、炭化珪素または窒
化珪素から成形された成形面をもつ型に光学ガラス素子
を精密成形することを提案している。この方法はまた、
伝える所によれば、良い表面品質と形状を与えるが、ま
た、成形チャンバ内を酸素を含まない雰囲気に維持し、
型コーティングの酸化を避けるようにしなければならな
い。

非球面レンズのような製品を直接成形する経済的な利点
を実現するために、加圧操作に使用される型の有効寿命
に関する因子を考慮に入れる必要がある。型内の非球面
形状の機械加工は、非常に硬く耐久性の型材料が一般に
特に要求されるので、比較的高価になる。これは特に−
層高い成形応力が含まれるので、低温で高粘度の成形を
含む成形プロセスの場合にあてはまる。

成形寿命に影響を与える一次因子は、ホットモールドと
溶融ガラスとの間に、またホットモールドと雰囲気との
間に生じる化学反応を含む。後者の因子は特に、型内で
成形レンズの冷却を妨げるような迅速な生成速度が望ま
しい場合に重要である。また、前述のように、成形表面
の酸化や他の分解を避けるように成形のため制御された
雰囲気を使用することが従来技術で提案されたが、この
ような制限は迅速で経済的なレンズの製造とは相反する
。

ガラス内に直接レンズを成形する開発は、比較的低い加
圧温度で成形できる新しいガラス組成物の発見によって
実質的に促進されたが、ソフトガラスに使用される方法
で湿気による作用を受けない。米国特許第４，３８２．
８１９号は、このような用途に有用なアルカリアルミノ
フルオロホスフェートガラスの例を開示している。しか
し、この種の眼鏡を経済的に加圧することは、眼鏡と通
常の成形材料との間で適合性が制限されるため困難であ
った。　従って、本発明の目的は通常の空気雰囲気で実
施でき、しかもホットガラスに対する成形表面の耐摩耗
性と耐薬品性が高いため成形寿命の高い成形構造と成形
プロセスを提供することである。

さらに低温、高粘度、降圧プロセスで使用できる成形構
造を提供することを目的とする。

さらに本発明の目的は、選ばれた非球面表面形状に密接
に適合する非球面ガラス成形部材を作るために有用な成
形構造を成形方法を提供し、精密な形状と良好な表面仕
上の加圧されたガラス素子を提供することである。

さらに本発明の目的は、成形された光学素子の製造のた
めに特に利点を示す成形可能なアルカリアルミノフルオ
ロホスフェートガラス組成物または類似のものから生成
したレンズ部材に光学表面形状および光学仕上を直接形
成するために使用される成形構造と成形方法を提供する
ことである。

本発明の他の目的と利点は以下に述べることから明らか
となろう。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、Ｔｉ　Ｎから成るガラス接触表面（以下Ｔｉ
Ｎガラス接触表面と呼ぶ）を有する型を使用し、成形ガ
ラス素子に光学品質の表面を形成する光学素子を直接加
圧する方法を提供する。適当には、この種の窒化チタン
ガラス接触表面は鋼または合金の型の加圧表面に窒化チ
タンコーティングとして設けられる。また、焼結窒化チ
タンから形成された型インサートまたは他の型部材を用
いることができる。形成された表面は平面、または球面
または非球面の曲線である。

窒化チタンは光学素子の直接成形に使用するために他の
候補の型材料よりも利点がある。第１に、この化合物は
少なくとも４００℃までの温度で空気中の酸化に対して
耐性があり、このような温度で成形ガラスを使用するた
め、成形チャンバで保護されあるいは中性の雰囲気を用
意することなく使用できる。

第２に、窒化チタンは成形された光学素子のため現在開
発されている種類のフルオロホスフェート光学ガラスに
よって良好な耐蝕性を示すことが見出された。従って熱
フルオロホスフェートガラスと接触した型腐蝕の影響は
この成形材料を用いると殆ど減少する。

第３に、窒化チタンは鋼環ベース材料だけでなく他のベ
ース材料、例えばニッケル合金、鋼合金、および易加工
性金属、例えばアルミニュームおよび無電解めっき組成
物と適合できる。これはＴｉＮコーティングがこのよう
なベース材料の加工表面に平滑に行われ、その特性は非
球面レンズの製造では特に重要であることを意味してい
る。

光学素子の直接成形に使用するのに特に適している窒化
チタンによって示される他の特徴は、最小限の表面ゆが
みと欠陥をもつ光学的品質に近い品質を直接与えられる
ことである。従ってＴｉＮインサート、または好ましく
はコーティングは、仕上のＴｉＮ表面に対して加圧して
製造されたガラスレンズの表面が低い表面散乱を示す程
、充分な表面の平滑性を与えることができる。この種の
レンズは、従ってさらに光学的な仕上をしなくとも使用
できる。

さらに窒化チタンは充分に固く強いので、この材料から
形成されたコーティングは、加圧操作でホットガラスに
繰り返しさらされても摩耗、割れおよび応力変形に耐え
られる。従って窒化チタンは、加圧オプチックスの直接
製造に使用されるような高価な光学仕上型の有効寿命を
伸ばす。これは特に、加圧ガラス表面の精密な表面形状
、すなわち０．１波長（ＲＭ　Ｓ　）以内までターゲッ
ト表面形状に適合させる表面形状を長期の型の使用中に
維持できることで重要である。

従って本発明は、上記の例えば米国特許第４，４８１．
０２３号に記載されたような通常の方法を実質的に改善
したものであり、光学素子のための型とガラス予備成形
品を１０８〜１０１２ポアズのガラス粘度を与える温度
まで予熱し、ガラス予備成形品に対して光学仕上の型を
加圧してガラスを光学成形表面に適合させるようにする
既知の工程を含む。本発明による型の加圧表面にコーテ
ィングするＴｉＮガラス接触表面および型ベースに対し
耐酸化性金属を使用すると、プロセスを空気中で行うこ
とができ、酸化やホットガラス腐蝕による型の劣化の影
響が極めて低くなる。

本発明によって有用な型の形状は、改善された長期作業
に対するＴｉＮ被覆ガラス接触表面を含むだけでなく、
型の曲り加圧表面に１種またはそれ以上のベースコーテ
ィングを含み、直接のオブチックス加圧用に有効な上塗
りしたＴｉＮ表面コーティングに対し精密な表面形状と
希望する支持体を与える。ベースコーティングは高い硬
度も示す自由に加工できる金属コーティングが好ましい
。

自由に加工できる金属は一点ダイヤモンド旋削のような
加工プロセスによって光学仕上表面形状が与えられるも
のである。

さらに本発明は、低散乱光学表面をガラスに直接加圧す
るためのガラス成形型を提供する方法を含み、ガラス加
圧表面は最初金属性の型ブラングで加工され、加工でき
るベースコーティングを与える。次に、このベースコー
ティングを最終の表面形状と光学仕上まで加工し、Ｔｉ
Ｎガラス接触表面コーティングで被覆する。この方法は
特にガラスに非球面光学表面の加圧用の非球面型を構成
するために有利である。

ガラスを仕上レンズに直接加圧して光学的品質の加圧光
学素子を製造することは、ガラス光学素子の製造のため
の従来の方法よりも経済的であることが理論づけされた
が、前者の方の経済性は、直接加圧オブチックスに使用
される型によって示されたプロセス寿命によるものであ
る。従って、従来の方法でも、これらの型の製造には、
まず、球面または非球面のような最終のレンズ表面形状
を型本体で加工する必要があった。これは磨砕と研磨に
よって成形型の成形表面で必要な表面仕上をすることで
ある。さらに、１種または２種以上の剥離または摩耗を
保護するコーティングを仕上表面に塗布し、塗布した場
合これらのコーティングはまた光学的な平滑性を得るま
で仕上げる必要があった。

この種の方法は通常の型仕上技術よりもはるかに高価で
あることは容易に知られる。従って、有効寿命を伸ばす
ことのできない型ならば、直接加圧方法の経済性を実現
できない。

このタイプの型の有効寿命は本来２種の反応に従うと考
えられる。型の接触表面とホットガラスとの間に生じる
反応、および加熱接触表面と雰囲気との間で生じる反応
である。ホットガラスの光学的品質の表面を繰り返し加
圧するために適するように、型の表面品質に有害な影響
を与える腐蝕劣化に耐えられるには、これらの条件下で
明らかに低い反応性を示さなければならない。勿論、表
面は繰り返しガラスが接触して物理的に表面劣化し摩耗
することに耐えられるように充分な耐久性を必要とする
。

従来技術で型または型表面仕上材料として使用するよう
に提案された特定の材料には、ガラス質炭素コーティン
グ、炭化珪素コーティング、窒化珪素コーティングがあ
る。不幸にも、これらの特定の材料は空気中で高温酸化
を受は易く、従って、成形チャンバ内に不活性雰囲気を
与えた場合にのみ使用できる。従って、これらの材料を
用いて製造できる成形表面は最初光学的品質であるが、
酸化による成形材料の急速な劣化は、加圧による付随し
た表面品質の変化と共に、保護雰囲気がない場合に急速
に発生する。

型または型表面として使用するために提案された他の材
料は溶融シリカである。溶融シリカは空気中の酸化に対
して優れた耐性を示すが、型表面材料として長期の使用
に必要な強度も耐性も示さない。従って溶融型または型
表面の割れは、これらの用途に溶融シリカを用いる場合
に多く見られるので問題である。

勿論、光学的に受は入れられる表面仕上を支持できるこ
とは、レンズオブチックスの直接加圧のための型材料を
選択することと切り離せない。型表面の表面仕上または
平滑性は、市販されているプロフィロメーターによって
機械的に測定できる。

また型表面を直接、これから製造した加圧ガラス素子表
面の光散乱特性を調べることによって評価できる。この
評価による量的な測定は、表面散乱比を使用し、加圧レ
ンズ表面の欠陥による加圧レンズ素子の焦点から離れた
散乱光の量で簡単に測定される。

実験では、約５．０８Ｘ　１０−６ｍｍ　（０，２マイ
クロインチ）　ＡＡ　（算術平均）を超えない表面粗さ
は、認められる水準まで加圧光学レンズ素子の散乱比を
持っていく必要があることを示しており、これは本発明
のためには、光学的に仕上げた型表面を構成することで
ある。また本発明のために、約３％（表面当り）を超え
ない表面散乱率が大抵のレンズの応用のために受は入れ
られる低い散乱光であると考えられる。しかし、前に示
したように、型表面の平滑性は、観察されたレンズ表面
散乱率とは正確に相関せず、むしろ、特定の選ばれた型
材料によって予測できない状態で変化する。従って成形
表面として使用する予想される各材料の適合性は、各場
合において成形プロセスの環境で材料を実際に使用して
評価する必要がある。

直接レンズを加圧するため使用に適するようにするため
、候補の型または型仕上材料に必要な耐摩耗性は、基本
的には材料の硬度に依存する。しかし、成形プロセス下
の降伏に耐え、加圧中の割れに耐えるために充分な強度
が存在しなければならないので、硬度のみでは有用な材
料を与えるためには不充分である。材料の強度は特に、
若干ガラス粘度が高くなると成形圧を高くする必要があ
るので、比較的低い温度で成形プロセスを実施しなけれ
ばならない場合に重要である。成形体に形状を保持する
能力は、特に、型成形後に希望する形状に加圧表面を再
成形することが経済的に行われないので、非球面加圧に
ついて重要である。

上述の制限において、本発明者らは、適当な金属ベース
に被覆した窒化チタンコーティングが、フルオロホスフ
ェートガラスのような成形可能な光学ガラスの直接成形
に使用するため特に望ましい加圧表面を与えることを見
出した。窒化チタンコーティング材料は、少なくとも４
００℃までの温度でこの種のホット光学ガラスと接触し
て比較的不活性であると同時に、これらの温度で空気酸
化に対して比較的不活性であることを見出した。

さらに、窒化チタンコーティングは、５．０８ＸＩＯ−
’ｃｍ　（（１，２マイクロインチ）ＡＡの光学仕上を
与え、これは、これらのガラスから光学素子を直接成形
するのに適した加圧条件下で、この材料から成形された
型から低い散乱率のレンズ素子を製造するために充分な
値である。従って、１．０〜２．３％の散乱率は窒化チ
タン表面コーティングを有する型を用い選ばれた光学ガ
ラスによって達成される。

また、認められるレンズ散乱率は窒化チタン表面仕上型
を用いる多重加圧の工程で適度にのみ増加し、最初に生
じた表面プロフィルからの表面形状の変化は最少である
ことを見出した。ガラス接触腐蝕またはこの種の成形工
程で普通に見られる空気酸化によっても、窒化チタン表
面フィルムの目に見える劣化は認められない。

重要なことは、前述の特性が、ＴｉＮコーティングを直
接鋼またはニッケルクロム合金のような比較的硬いベー
ス材料に直接支持する場合だけでなく、コーティングを
無電解ニッケルプレートのような自由に加工できるベー
ス材料に支持する場合にも保持されることである。後者
の材料は、比較的硬いので非球面ガラス型を製造するた
めの好ましいベース成分を構成するが、また−点ダイヤ
モンド旋削（ＳＰＤＴ）のような加工プロセスによって
精密な予備選択された非球面湾曲に精密加工することが
できる。

従って、球面レンズ加圧および他の簡単な加圧を応用す
るため、本発明はＴｉＮガラス接触表面コーティングを
直接鋼または合金の型に使用する。

しかし、ガラス非球面レンズまたは複雑な形状の他のガ
ラスを加圧して製造するために好ましい型の形態は、無
電解ニッケルプレートのような加工できる材料によって
支持されたＴｉＮガラス接触表面コーティングを含む。

最適には、窒化チタンガラス接触表面コーティングを用
いて必要な表面形状をつくった後、５ＰＤＴ加工できる
仕上材料を適当な金属型に被覆して、加工できる材料を
与える。

窒化チタン型表面仕上コーティングのため直接支持体と
して使用する型ブランクを形成するため、適している材
料は、工作機械またはステンレス鋼のような鋼合金組成
物を含む。４００シリーズステンレス鋼、例えば４２０
　Ｍ　　５ＴＶＡＸ　（登録商標）ステンレス鋼は、型
ベースとして使用するために必要な硬度と靭性を示すが
、物理蒸着（ＰＶＤ）または他の適当なコーティング法
によって窒化チタンコーティングを直接行うために適し
ている。

加工できる無電解ニッケル仕上材料はガラス型の製造に
使用されるが、インコネル（登録商標）合金のようなニ
ッケル・クロム合金は型ベースの製造に好ましい材料で
ある。これらは良好な無電解ニッケルめっき特性と共に
、基本成形に対し充分な硬度と加工性を示す。

代表的には本発明による光学的品質の表面を直接加圧す
るための型の製造は、型ブランクの加圧表面を適当な仕
上形状に加工し、次に鋼または合金表面を硬くするため
熱処理し、その後に加圧表面を必要な球面または非球面
の形状と希望する光学仕上まで仕上げる基本工程を含む
。球面型を使用する場合、ダイヤモンド点成形を必要と
しないので、通常の仕上装置と材料を用いて粗磨砕と最
終研磨をすることができる。通常の磨砕と研磨法を使用
すると、あまり難しくなく　５．０８　Ｘ　１０−’ｍ
ｍ（０，２マイクロインチ）ＡＡの表面粗度までステン
レス鋼型ベースを仕上げることができ、仕上げられた鋼
表面にＴｉＮガラス接触表面コーティングを直接被覆し
て、十分な平滑性が得られる。

非球面成形表面を必要とする場合、−点ダイヤモンド旋
削は、予備選択された非球面表面形状と、さらに研磨す
る必要のない表面仕上を同時に精密に行うために使用す
ることが好ましい。

非球面成形用の好ましいベース型材料はニッケルクロム
合金、例えばインコネル（登録商標）７１８合金である
。通常の予備成形と表面硬化のための熱処理の後、この
材料の加圧表面を正方晶窒化硼素工具のような硬い工具
を用いて加工し予備選択した非球面表面形状を粗く形成
するように処理する。その後、めっきした無電解ニッケ
ルコーティングのような細かく加工できる表面仕上層に
加工表面し熱処理する。無電解ニッケルめっきコーティ
ングをダイヤモンド旋削して最終の表面形状の仕上をす
る。

ニッケルコーティングの仕上の後に、Ｔｊ　Ｎガラス接
触層を被覆していない調型と同じ方法でニッケルコーテ
ィング上に被覆する。この被覆は型の表面仕上を殆ど変
質させず、かえって表面形状に良い影響を与える。必要
に応じてガラスを固着させる被膜ＴｉＮコーティングの
表面荒さは軽く研磨して除去できる。

適当なＴｉＮコーティングを鋼、鋼合金、ニッケル・ク
ロム合金またはニッケルめっき成形加圧表面に応用する
には通常、プラズマ被覆のような物理的蒸着（ＰＶＤ）
によって行う。窒化チタンフィルムの厚さは重要であり
、妥当な量の操作摩耗や腐食に浸透することなく耐えら
れる厚さでなければならないが、下にある表面形状の価
値を下げるような厚さではいけない。約０．１〜５ミク
ロンの範囲のコーティング厚さが適当であり、０．２〜
２ミクロンのコーティング厚さが好ましい。

上述のようにつくられた型は、最近成形オブチックスの
製造のために開発された種類のアルミノフルオロホスフ
ェート光学ガラスから精密なガラスレンズ素子を製造す
るために特に適している。

これらのガラスは光学仕上では４００℃以下の温度で成
形できるが、比較的良いガラス安定性と共に優れた化学
耐久性と耐摩耗性を示す。−般的に、このタイプのガラ
スは、重量％で約３０〜７５％のＰ２Ｏ３、約３〜２５
％のＬｉ　２０．　Ｎａ　２０およびに２０から選ばれ
たアルカリ金属酸化物、約３〜２０％のＡ９Ｊ２０３お
よび約３〜２４％のＦを含む。

これらのガラスに存在する光学成分は、重量％で約６０
％までのｐｂ　ｏ、全部で約４０％までのＭｇＯ。

Ｃａ　Ｏ，Ｓｒ　ＯおよびＢａＯから選ばれたアルカリ
土類金属酸化物、約４０％までのＺｎＯおよび約３０％
までのＣｄＯを含む。これらのガラスは高い原子比のフ
ッ素とアルミニウムを含むことが好ましく、例えば０，
７５〜５の原子比が一般的である。

このタイプの特に好ましいガラスは米国特許第４゜３８
２．８１９号に開示されており、これらのガラスの詳細
について参照することができる。

（実　施　例） 以下、本発明を実施例につき説明する。

実施例１ 光学的品質の球面集束表面をもつ小さいガラスレンズ素
子を直接加圧するための型を、４２０　Ｍステンレス鋼
から成る円筒状型ブランクから調製する。球面部の空洞
を最初通常の工具を用い、型ブランクの加圧表面に旋盤
加工する。空洞は深さが約ＩＪ５ｍｍ　（０，０５３イ
ンチ）で曲率半径が約６．７５ｍｍ（０，２８５８イン
チ）である。加工した型ブランクを次に約５２０ツクウ
エルＣの硬度まで熱処理し、次に常法により磨砕と研磨
を行い、型の上に光学仕上の加圧表面を与える。表面粗
度は標準プロフィロメーターで測定すると約５．０８Ｘ
　１０−６ｍｍ　（０，２マイクロインチ）を超えない
ものが得られる。

窒化チタンコーティングを次に、通常のプラズマ被覆法
によってステンレス鋼型の仕上表面に置く。被覆された
窒化チタンフィルムの厚さは約２ミクロンである。最後
に、窒化チタンフィルムをダイヤモンドペーストで非常
に軽く仕上研磨（約１７２　ミクロン）して、蒸着工程
による表面の凹凸を除く。

このようにして処理された型を通常水圧操作のガラス成
形プレスに上部型として使用する。ＴｉＮ被覆上部型は
、上部プレスプランジャの底端に適合させ、プランジャ
はプレス台の底部成形空洞に型を動かすために充分な垂
直動程を有する。成形空洞の底部表面をステンレス鋼底
部型によって形成し、空洞側壁を２個の型の外径にぴっ
たりと合う内径を有する炭化タングステンスリーブで形
成する。

誘導加熱装置を用いて、上部型と底部型とカーバイドス
リーブから成る成形アセンブリを予熱し、空気対流でア
センブリを冷却する。型アセンブリの温度を底部型のベ
ースに挿入した熱電対によってモニターする。

少量のアルカリフルオロアルミノホスフェートガラスを
加圧するため成形チャンバに落す。ガラス予備成形品４
１．４％（’）　Ｐ　２０　ｓ　、２．１％（７）Ｌ１
２０．２０．９％のＢａ　０，５．５％のＡ４２０．．
４．７％のＮａ　２０．２４．５％のｐｂ　ｏ、および
５．２％のＦである。充填物は端部が球面に磨かれてい
る小さいガラスシリンダから成る前記組成のガラス予備
成形品であり、予備成形品はガラス用の通常の溶融ガラ
スバッチから鋳造して形成される。

型アセンブリとガラス充填物を次に誘導ヒーターを用い
て約３８１℃の温度まで加熱し、ガラスと型成分が熱平
衡に達するまで２分間この温度で浸漬する。この温度は
使用した特定のガラス組成に対して約１０９ポアズのガ
ラス粘度に相当する。その後、上部型に約４５．４ｋｇ
　（ｔｏｏポンド）の力の液圧を加えて、２分間隔で加
圧する。次に力をゆるめて、成形されたレンズ素子を約
４分間型に保持し、約３２８℃の温度で素子を型から出
す。最後に、加圧されたガラス製品をさらに４分間セラ
ミックプレート上で冷却し、次に約３１０℃でアニール
する。加圧操作の間はすべて型アセンブリは空気雰囲気
に囲まれている。

上記方法でつくられた加圧レンズの試験では、加圧レン
ズの散乱率は約１％を示した。さらに同じ上部型を用い
て加圧して、窒化チタンで被覆された上部型によってつ
くられた約１００個のレンズの散乱率を評価する。この
グループのレンズの散乱率は約１１口〜２．２％の範囲
にあり、これらのレンズの加圧上面をさらに磨砕や研磨
をしなくても使用できる充分な光学的品質である。さら
にこの加圧工程で型の表面形状の劣化は認められない。

加圧レンズの表面の性質を評価するために用いた加圧工
程で被覆された型の試験は、加圧表面の品質低下が非常
に小さいことを示している。窒化チタンコーティングの
僅かな退色は約５０回プレス後に生じるが、表面粗度は
加圧工程でどの地点でも５．０８Ｘ　１０−’ｍｍ　（
０，２マイクロインチ）ＡＡを超えない。型加圧表面に
対するガラスの固着は特に認められず、コーティング内
に形成する割れ、ピンホールまたは他の切れ目は何も認
められない。

ガラス光学素子を直接成形する際に使用するため提案さ
れた他の候補の型材料は、上述の種類のフルオロホスフ
ェートガラスから加圧レンズを製造するためには不充分
であった。この応用のため試験された材料の中に焼結炭
化珪素および窒化珪素、研磨ステンレス鋼、炭化タング
ステン、炭化チタン／ジルコニウム、および溶融シリカ
が含まれる。

これらの候補の成形材料の若干について各々上記実施例
１で使用した光学ガラスに加工工程を行った結果を下記
の表１に示す。これらの材料の若干について各々第１表
には、型表面を形成する材料の同定、型とガラス予備成
形品の予備加熱温度の２４℃を含めて成形を行った条件
、成形力、および成形雰囲気が含まれる。また候補材料
の各々について若干のレンズ試料を加圧した後の型表面
の外観、および各型材料を使用してつくられた試料レン
ズの数について認められた散乱率の範囲を示す。

表１ 型表面　　型予熱　　成形力　　　　成形雰囲気材　料
　　（”Ｃ）　　　ｋｇ（ポンド）ＳｉＯ□　　　３９
１　’　　２７．２４（８０）　　Ｈ２（８％）−Ｎ２
Ｓｉ０２　　　３８２　’　　２７．２４（８０）　　
ＡｉｒＴｉｃ−８ｉＣ３７４”　　４５．４（１００）
　　ＡｉｒＳｉＣ３７９＠４５．４（ＩＯＱ）　　Ａｉ
ｒＩＪ（：　　　　　　３７６°　４５．４（１００）
　　ＡｉｒＮｏ　　　　　　３７２°　４５．４（１０
０）　　Ｈ２（８％）−Ｎ２インコネル ７１８　　　　３８９　’　　４５．４（１００）　　
Ｈ２（８％）−Ｎ２表　Ｉ（続） 型表面　　加圧数　型表面外観　レンズ散乱率材料 ＳｉＯ２１２５早く割れる　１．４−２．０％若干腐蝕
　　（７２レンズ） Ｓ１０２　　２４　　　　早く割しル０．７−１．５％
明るい点 ＴｉＣ−９ｉＣＴ　　　　型刻れる　　測定せずＳｉＣ
１５僅カナ変色　８．０−１４．０ＸＶＣ１００僅かな
変色　１．０−１．７％型表面腐蝕 Ｎｏ　　　　　４７　　　　表面点食　　１．９−４．
０％ガラス固着 インコネル　　　　表面粗い　　１．６−６．０％７１
８　　　１００　　　ガラス固着 表Ｉに示したデータの研究から明らかなように、本発明
の方法による成形できるフルオロホスフェートガラス組
成物を加圧するために提示された候補の材料は、成形中
に若干の品質低下を示し、および／または２％を超える
表面散乱率を示すレンズをつくり出した。従ってＴｉＮ
はこのタイプのガラスの光学加圧に対して独特の安定性
を示す。

実施例２ 実施例１のレンズ加圧法をステンレス鋼から形成された
上部および下部球面型を用いて、プラズマ被覆ＴｉＮコ
ーティングを組み合わせて繰り返す。上部型は実施例１
に記載した形状をもつが、下部型は９．５２ｍｍ　（０
，３７５インチ）の曲率半径で深さが０．２７９　ｕｍ
　（０，０１１インチ）の球面空洞をもつ。

ＴｉＮコーティングを厚さ約２ミクロンに塗布し、実施
例１のように軽く磨き、約５．０８Ｘ　１０−６ｍｍ　
（０゜２マイクロインチ）ＡＡを超えない粗度で表面仕
上げをする。

このように処理した型を用いて実施例１のガラス組成物
から１５００個のガラスレンズを加圧する。

−般にレンズ散乱率は、汚染された予備成形品からの型
汚染によって生じた高い散乱率の２例を除いて、加圧工
程全体を通じて２．０％以下に維持される。汚染された
ものもＨＣＬで型をきれいにすると容易に補正される。

散乱率データの外挿は型の再加工を必要とする前に４０
００〜５０００回に加圧の成形寿命が延びたことを示し
ている。

実施例３ 球面ガラスレンズ型を、鋼合金型ベースを加工し被覆し
て用意する。型ベース材料はＨ−１３工具鋼から成り、
球面型空洞を通常の方法で加工する。

次に型ベースを熱処理して、硬化表面を得て、型空洞を
通常の磨砕と研磨によって仕上げる。

球面空洞を適当に仕上げた後、無電解ニッケルめっき層
を通常の方法で塗布する。無電解ニッケルめっき剤はエ
ンプレートＮ　ｌ−４１５めっき溶液としてコネティカ
ット州のウェストバーベン社のインソーンから市販され
ており、型の仕上加圧空洞に約０．１２７　ｍｍ　（５
ミル）の最大厚でコーティングを与える。

このようにして処理された被覆型を市販品のダイヤモン
ド旋盤装置で一点ダイヤモンド旋盤（ＳＰＤＴ）を行っ
て最終の球面形状に仕上げる。旋盤プロセスは、６３２
８ＡのＨｅ−Ｎｅレーザー光で測定すると約０．０３光
波長（ＲＭＳ）内で完全な球面形状にマツチする表面形
状を与える。表面は５．０８Ｘ１０−’ｍｍ　（０，２
フィクロインチ）ＡＡを超えない表面粗度を示す。

このようにして処理されためっき型を次に商業上のプラ
ズマ蒸着プロセスで処理し、ＴＩ　Ｎ表面フィルムを、
仕上げた無電解ニッケルコーティングに被覆する。Ｔｉ
Ｎフィルムを厚さ約１ミクロンで被覆し、蒸気めっきプ
ロセスによって導かれる孤立した表面凹凸を除いて、加
工された無電解ニッケルコーティングの表面形状と平滑
性にマツチさせる。表面凹凸はｌ／２ミクロンダイヤモ
ンドペーストを用いて光研磨によって大きく除かれる。

このようにして処理された型を、実施例２に述べたよう
に用意した底部型と組合せて上部加圧型として使用する
が、この型は約１５００個の球面ガラスレンズを加圧す
るため、Ｔｉ　Ｎ表面コーティングを支持する球面４２
０Ｍステンレス鋼型ベースを含む。実施例１で述べたガ
ラス組成とガラス加圧条件を加圧工程に用いる。

この加圧工程中に生じたレンズを表面平滑性と表面形状
適合性について分析する。レンズ表面散乱率はこの操作
の間ずっと２．５％（表面当り）以下を維持する。さら
に、上部型加圧表面とレンズ上部表面の両者の表面形状
は工程全体で僅かに変化しただけである。この実験の間
に１１１１１定した球面表面形状からの型表面形状の平
均偏差値は０．０３７波長（ＲＭＳ）であるが、球面か
らの平均レンズ偏差値は０．０４７波長（ＲＭ　Ｓ　）
である。従って加工できる無電解ニッケルめっきは、−
般にフルオロホスフェートガラス加圧プロセスおよび、
特にＴｉＮガラス接触表面コーティングの両者と優れた
適合性を示す。

実施例４ 実施例３に述べた上部型調製法を繰り返して、類似の寸
法と形状の球面型を一対つくるが、直接レンズを加圧す
るため上部と底部の型を用意するようにニッケルクロム
合金型ブランクを用いる。

型ブランク材料として使用するために選ばれた合金は、
インコネル（登録商標）７１８合金である。

各型を、まず通常の方法で型ブランクに球面空洞を加工
してつくる。次に成形された型ブランクを熱処理して表
面を固め、ラップして表面仕上をする。

このようにして得られた成形型ブランクに加工された空
洞に、実施例３に延べためつき組成物と方法を用いて、
細かく加工できる無電解ニッケル表面コーティングを与
える。このニッケルコーティングは最大厚が約０．１２
７１１ｍ　（５ミル）である。

次にこのコーティングを予じめ選択された最終球面形状
まで仕上げ、実施例３に用いたような５ＰＤＴ処理によ
って最終表面に仕上げる。底部型のダイヤモンド旋盤型
加圧表面の表面形状は、０．０３５波長（ＲＭＳ）内で
予じめ選択された球面にマツチするが、上部型は０．０
５４波長（ＲＭＳ）内で設計された球面プロフィルにマ
ツチする。これらの型のＳＰＤＴ表面は５．０８Ｘ　１
０−’ｍｍ　（０，２マイクロインチ）ＡＡの表面粗度
を超えない。

厚さが約０．５ミクロンの保護ＴｉＮガラス接触コーテ
ィングを次に、プラズマ被覆によって各型の加工された
無電解ニッケルめっき層に被覆する。

約５．０８Ｘ　１０−６ｍｍ　（０，２マイクロインチ
）を超えない表面平滑性を保持し、プラズマコーティン
グ中に加えられた若干の表面の凹凸は、実施例３のよう
に１／２ミクロンダイヤモンドペーストを用いて光仕上
によって殆ど除かれる。

これらの型のＴｉＮコーテイング後に測定した型表面プ
ロフィルの値はコーティング中の表面形状が僅かしか変
化していないことを示している。

上部型はターゲットプロフィルから約０．０６２波長（
ＲＭＳ）を超えない変量を示すが、底部型プロフィルは
０．０２８波長（ＲＭＳ）内でデザインにマツチする。

上述のように与えられた被覆された型の概略の縦断面図
を第１図に示す。この図では、目盛りがないが、ニッケ
ルクロム合金型１の加圧された加玉表面に、無電解ニッ
ケルめっき層から成るベースコーティング２を設ける。

このニッケル層はプラズマ被５ＴｉＮから成るガラス接
触表面コーティング３を支持する。

１００サイクルのガラス加圧操作を、実施例１に述べた
成形法に従ってこの型セットを用いて行う。

加圧球面レンズの表面散乱率は、加圧操作中にあまり増
加が認められず、測定された散乱率の平均は約２．３％
である。

この実施例４と次の実施例５の型デザインと製造法は、
本発明による球面または非球面成形ガラス光学素子を与
えるために現在では最も好ましい。

実施例５ 球面型空洞よりはむしろ非球面型空洞を型内につくるこ
と以外は、実施例４の型製造法を繰り返す。適当な空洞
をまずニッケルクロム合金の上部および下部型ブランク
に加工し、その後に無電解ニッケルめっきとＴｉＮ蒸気
コーティングを実施例４に述べたような各型の加圧表面
に被覆する。

無電解ニッケルダイヤモンド旋盤法は、非球面表面形状
をつくる以外は実施例４の方法に従い、被覆されたＴｉ
Ｎコーティングは厚さが約０．６ミクロンである。

一連の３５個の非球面レンズを、実施例１のガラス組成
物と加圧方法を用い、これらの非球面上部および下部型
を用いて作成する。加圧レンズの表面散乱率は１６５７
％以下に下がり、加圧レンズはレンズのデザインとして
選ばれた非球面上部および下部ターゲットプロフィルが
０．０３８波長（ＲＭＳ）内である表面形状を示す。

従って、窒化チタンは光学素子を直接加圧する際に用い
られる型のための表面仕上材料として使用するのに適し
ている唯一のものであり、特にフルオロホスフェート光
学ガラスはレンズの製造に使用すべきである。明らかに
ＴｉＮ型材料は、特に先に光学仕上げをしたベース材料
の上に被覆する際に、直接成形オブチックスとして従来
技術で用いられた競争成形材料よりも、表面安定性と成
形表面の品質の面からかなりの利点を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例による被覆されたガラス成形型の
断面図である。 １・・・ニッケルクロム合金型 ２・・・ベースコーティング

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. （１）光学表面に相当する加圧表面を有するガラス成形
   型を準備し、型とガラス光学素子用ガラス予備成形品を
   ガラスの粘度が１０＾８〜１０＾１＾２ポアズの範囲と
   なる温度まで予熱し、型の加圧表面に予備成形品の表面
   を従わせるように十分な圧力で、予熱されたガラス予備
   成形品に対して型を加圧する各工程を含み、精密な表面
   形状と低い光散乱を示す少なくともひとつの光学表面を
   有するガラス光学素子を成形する方法において、 型が耐酸化性金属から成形され、型の加圧表面をＴｉＮ
   から成るガラス接触表面コーティングを用いて設けるガ
   ラス光学素子の成形方法。
2. （２）ガラス接触表面コーティングが０．１〜５ミクロ
   ンの厚さと５．０８×１０＾−＾６ｍｍ（０．２マイク
   ロインチ）ＡＡを超えない表面粗度を有する蒸着ＴｉＮ
   コーティングであり、型を耐酸化性鋼、鋼合金またはニ
   ッケル合金から形成し、加圧工程を空気中で行う特許請
   求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）ガラス予備成形品がアルカリフルオロアルミノホ
   スフェートガラスから成る特許請求の範囲第２項記載の
   方法。
4. （４）光学表面に相当する加圧表面を有するガラス成形
   型を準備し、型とガラス光学素子用ガラス予備成形品を
   ガラスの粘度が１０＾８〜１０＾１＾２ポアズの範囲と
   なる温度まで予熱し、型の加圧表面に予備成形品の表面
   を従わせるように十分な圧力で、予熱されたガラス予備
   成形品に対して型を加圧する工程を含み、精密な表面形
   状と低い光散乱を示す少なくともひとつの曲線光学表面
   を有するガラス光学素子を成形する方法において、 型が耐酸化性金属から成形され、型の加圧表面は、ニッ
   ケルベースコーティングと、ＴｉＮから成るガラス接触
   表面コーティングの両方を支持するガラス光学素子の成
   形方法。
5. （５）ＴｉＮガラス接触表面コーティングが０．１〜５
   ミクロンの厚さと５．０８×１０＾−＾６ｍｍ（０．２
   マイクロインチ）を超えない表面粗度を有する蒸着コー
   ティングである特許請求の範囲第４項記載の方法。
6. （６）加圧できるニッケルベースコーティングが０．０
   ２５４〜０．１２７ｃｍ（０．００１〜０．００５イン
   チ）の厚さを有する無電解ニッケルめっき層である特許
   請求の範囲第５項記載の方法。
7. （７）型が耐酸化性鋼、鋼合金、またはニッケル・クロ
   ム合金から形成され、加圧工程を空気中で行う特許請求
   の範囲第６項記載の方法。
8. （８）ガラス成形体がアルカリフルオロアルミノシリケ
   ートガラスから成る特許請求の範囲第７項記載の方法。
9. （９）耐酸化性金属から成形された金属性型と型の加圧
   表面に光学的に仕上げたＴｉＮガラス接触表面コーティ
   ングを含むガラス製品に光学的に仕上げた表面を直接加
   圧するためのガラス成形型。
10. （１０）ガラス接触表面コーティングが０．１〜５ミク
    ロンの厚さと５．０８Ｘ１０＾−＾６ｍｍ（０．２マイ
    クロインチ）ＡＡを超えない表面粗度を有する蒸着Ｔｉ
    Ｎコーティングである特許請求の範囲第９項記載の型。
11. （１１）耐酸化性金属から成形され、非球面曲線の加圧
    表面を有する金属性の型を含むガラス製品に光学的に仕
    上げた表面を直接加圧するためのガラス成形型において
    、加圧表面が、加工できるニッケルベースコーティング
    と、ＴｉＮからなる光学的に仕上げたガラス接触表面を
    支持するガラス成形型。
12. （１２）ニッケルベースコーティングが無電解ニッケル
    めっき層であり、ガラス接触表面コーティングが５．０
    ８×１０＾−＾６ｍｍ（０．２マイクロインチ）を超え
    ない表面粗度を有する蒸着ＴｉＮ層である特許請求の範
    囲第１１項記載の型。
13. （１３）耐酸化性金属がニッケル・クロム合金である特
    許請求の範囲第１２項記載の型。
14. （１４）ニッケルベースコーティングが０．０２５４〜
    ０．１２７ｍｍ（０．００１〜０．００５インチ）の厚
    さを有し、ＴｉＮコーティングが０．１〜５ミクロンの
    厚さを有する特許請求の範囲第１３項記載の型。
15. （１５）（ａ）ガラス製品に加圧される曲線表面に相当
    する曲率を有する曲線ガラス加圧表面を生じるように、
    金属性の型ブランクの表面を加工し仕上げを行い、 （ｂ）加工できるニッケルコーティングを曲線ガラス加
    圧表面に被覆し、 （ｃ）ニッケルコーティングに光学的に仕上げた曲線表
    面を加工し、前記表面はガラス製品に加圧される曲線表
    面に相当する曲率を有し、 （ｄ）ニッケルコーティングの光学的に仕上げた曲線表
    面にＴｉＮガラス接触コーティングを被覆する各工程か
    ら成る ガラス製品に光学表面を加圧するためのガラス成形型を
    製造する方法。
16. （１６）ニッケルコーティング上に加工した光学的に仕
    上げた曲線表面が非球面曲線表面である特許請求の範囲
    第１５項記載の方法。
17. （１７）金属性の型ブランクが鋼、鋼合金およびニッケ
    ル合金から成る群から選ばれた耐酸化性金属から成る特
    許請求の範囲第１６項記載の方法。
18. （１８）ニッケルコーティングが無電解ニッケルめっき
    層である特許請求の範囲第１７項記載の方法。
19. （１９）ニッケルコーティングに光学的に仕上げた曲線
    表面が一点ダイヤモンド旋盤によってつくられた特許請
    求の範囲第１８項記載の方法。
20. （２０）ＴｉＮガラス接触コーティングが蒸着によつて
    被覆される特許請求の範囲第１９項記載の方法。
21. （２１）ＴｉＮコーティングを研磨する追加の工程を含
    む特許請求の範囲第２０項記載の方法。