JP2010265124A - ガラス光学部材の熱処理方法およびガラス光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非酸化性ガス雰囲気中で光学ガラス部材のアニール処理を行うことで、ガラス成分の変質を防止する。
【解決手段】加熱成形方法により得られたガラス光学部材３０に対して行うガラス光学部材の熱処理方法において、熱処理を窒素ガス（Ｎ_２）等の非酸化性ガスの雰囲気中で行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガラス製の光学レンズ等に対し内部歪や屈折率分布を取り除くために行うガラス光学部材の熱処理方法およびその方法を利用したガラス光学素子の製造方法に関する。

光学素子は、研削・研磨により製造される場合、研磨と熱を加えて変形によって得られる場合がある。
前者の場合は、光学性能にほとんど影響を与えることなく製造されるが、加工に手間と時間がかかりコストが高い。
近年では、加熱成形によってガラス光学素子が製造される比率が高くなっている。しかし、ガラスを一旦変形できる温度にまで加熱すると、ガラスはその後に受ける冷却過程によって屈折率変化や歪を生じる。

特に、生産性の向上を図りたいレンズ工程では、冷却速度が速いため、屈折率分布や歪を生じやすい。これらのバラツキや不具合を調整するためには、ほとんどのガラス光学素子はアニール処理（徐冷）という熱処理工程を経る必要がある。

このアニール処理は、一般的には、ガラスの粘度を１０^１３ｐｏｉｓｅ付近になるまで温度（例えばガラス転移点温度）を上げて、その温度で一定時間保持したのち、所望の温度勾配で室温まで下げる工程と解されている。
このアニール処理に関し、例えば特許文献１には、冷却速度を毎時２０℃から１００℃で行う旨が提案されている。

また、特許文献２には、ガラス光学部材のアニール処理を、大気圧よりも高圧の加圧雰囲気下にて行い、短時間でアニール効果を高める旨が開示されている。

特開２００３−４０６３４号公報 特開２００５−２４７６４３号公報

しかしながら、前述した従来技術では、ガラス光学部材を均一な温度に保ちながら所望の温度勾配で早く降温することのみに重点がおかれ、大気中での熱処理が行われていた。このため、光学部材の表面の成分が揮発してしまい、表面の屈折率などの光学特性が変化してしまうという課題があった。
例えば、ガラスの中には、大気中の酸素と反応しやすい種類のものがあり、特にフッ素を含んだもの、更にフッ素とリンを含むフツ燐酸ガラスはアニール処理の温度においても反応し、ガラス表面に内部と異なる組成比率を有する変質層が形成されることが確認されている。

具体的には、アニール処理の過程でガラス中のフッ素が減り、代わりに酸素が増える傾向を示す。
アニール処理をする前のガラス光学部材は、急冷されて製造されるため、元々の硝材の屈折率（カタログ値）よりも低い値となっている。
通常では、ラフアニール（簡易アニール）と呼ばれる歪抜きのみを目的とした処理が行われるが、この処理においても、表面に変質層が発生する。

さらに、この低い屈折率を元の屈折率に戻すには、ファインアニール（精密アニール）と呼ばれるゆっくりとした温度勾配で降温する必要があり、これには数日間を要する。
このファインアニールでは、長時間高温の大気にさらされるため、表面変質層も深く入ってしまい、研磨品と同等の品質を得ることは困難であった。

本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、非酸化性ガス雰囲気中でガラス光学部材のアニール処理を行うことで、ガラス成分の変質を防止することのできるガラス光学部材の熱処理方法およびその方法を利用したガラス光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るガラス光学部材の熱処理方法は、
加熱成形方法により得られたガラス光学部材に対して行うガラス光学部材の熱処理方法において、
熱処理を非酸化性ガスの雰囲気中で行うことを特徴とする。

また、本発明に係るガラス光学部材の熱処理方法において、
前記熱処理は、前記ガラス光学部材を歪点以上、徐冷点以下の温度に加熱して所定時間保持した後、前記ガラス光学部材の屈折率がカタログ値ｎ_ｄに戻るように徐々に冷却することにより行うことが可能である。

また、本発明に係るガラス光学部材の熱処理方法において、
前記熱処理は、フッ素を含むガラス光学部材に対して行うことが可能である。

また、本発明に係るガラス光学部材の熱処理方法において、
前記熱処理は、フッ素及びリンを含むガラス光学部材に対して行うことが可能である。
更に、本発明に係るガラス光学素子の製造方法において、
ガラス素材を加熱成形する加熱成形工程と、
前記加熱成形工程後、前記ガラス素材を冷却してガラス光学部材を得る工程と、
前記ガラス光学部材を非酸化性ガスの雰囲気中で熱処理する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、非酸化性ガス雰囲気中でガラス光学部材のアニール処理を行うことで、ガラス成分の変質を防止することができる。さらに、ファインアニールを行うことで、研磨加工品と同じ屈折率の互換製品を得ることができる。

光学素子の製造装置の全体構成を示す図である。 取り出されたガラス光学部材の外観を示す図である。 ガラス光学部材の表面に変質層が形成された状態を示す図である。 本実施の形態のアニール処理装置の断面を示す図である。 簡易アニールとファインアニールの違いを示す図である。 研磨加工品サンプル（熱処理なし）の表面からの深さ方向の成分プロファイルを示す図である。 成形品を大気中で熱処理したサンプルの表面からの深さ方向の成分プロファイルを示す図である。 窒素雰囲気下で熱処理したサンプルの表面からの深さ方向の成分プロファイルを示す図である。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
図１は、ガラス光学素子の製造装置の全体構成を示す図である。
このガラス光学素子の製造装置１０は、周囲を筐体１１に覆われた成形室１２と、この成形室１２内に搬入された型セット１４をプレスするプレス機構１５とを有している。なお、成形室１２には、型セット１４を水平方向（矢印Ａ方向）に搬入・搬出する不図示の搬入・搬出口が設けられている。

成形室１２を覆う筐体１１の側壁１１ａには加熱ヒータ１８が埋設されている。この側壁１１ａからの熱は、対流及び輻射により移動して室内の雰囲気と型セット１４を均等に加熱する。こうして、加熱ヒータ１８により、型セット１４とその内部のガラス素材２０とを等しい温度に加熱することができるようになっている。なお、加熱装置としては加熱ヒータ１８による加熱に限らず、型セット１４及びガラス素材２０の温度を等温に加熱できるような装置であればよい。

また、筐体１１の上壁１１ｂには、ガス導入口２２が設けられている。このガス導入口２２から、窒素（Ｎ_２）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の非酸化性ガスが導入されて、成形室１２内の雰囲気を非酸化性ガスで満たすことができる。こうして、型セット１４及びガラス素材２０と酸素との接触が絶たれ、主として型セット１４の酸化を防止することができる。
プレス機構１５は、エアシリンダ１６と、その作動ロッド１６ａの先端に固定された加圧プレート１７と、を有している。加圧プレート１７は、エアシリンダ１６により上下方向（鉛直方向）に駆動される。そして、エアシリンダ１６による加圧プレート１７の昇降動作により、型セット１４の挟持、挟圧等の動作が行われる。

次に、型セット１４の構成について説明する。
型セット１４は、上型（成形型）２５、下型（成形型）２６、及び円筒形状のスリーブ（胴型）２７を有している。上型２５及び下型２６は、スリーブ２７の内部で夫々の成形面２５ａ、２６ａが対向するようにスリーブ２７の両端側から嵌挿されている。本実施の形態では、上型２５はスリーブ２７の軸方向に摺動可能となっている。また、上型２５の成形面２５ａと下型２６の成形面２６ａとの間には、前述したガラス素材２０が配置されている。なお、上型２５、下型２６、及びスリーブ２７は、例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）などの超硬合金を研削・研磨して仕上げられている。

本実施形態では、例えば、前述したガラス素材２０として、安価でかつ精度の高い球形状の市販の光学ガラスを用いることができる。球形状であれば、管理寸法が直径のみであるため直方体等と比較して体積管理が容易である。ただし、ガラス素材２０は、球形状に限らない。
成形室１２において、ガラス素材２０が成形可能な温度に加熱されると、次に、加圧プレート１７を下降させてガラス素材２０が所望の形状に成形される。
加熱成形後は、型セット１４は、成形室１２において所定温度に冷却され、ガラス製のガラス光学部材３０を得ることができる。さらに、型セット１４は、成形室１２から搬出され、分解されてガラス光学素子３０が取り出される。上述のような加熱成形方法によりガラス光学部材３０を得ることができる。

図２は、取り出されたガラス光学部材３０の外観を示す図である。
このガラス光学部材３０は、両凸形状をなしている。
ところで、型セット１４は、冷却時に生産効率の向上を図る観点から、急冷されて成形室１２の外部に取り出される。この場合、ガラス光学部材３０には、内部歪や屈折率分布を生じた状態になっている。
このため、均一な温度分布となる加熱炉内にガラス光学部材３０を収納し、アニール処理と呼ばれる熱処理を行っている。

図３は、比較例として、大気中でのアニール処理により、ガラス光学部材３０の表面に変質層３４が形成された状態を示す図である。
すなわち、アニール処理を大気中で行うとすると、ガラス光学部材３０の表面に、内部と異なる成分比率となる部分（変質層）が生じてしまう。
特に、フッ素を含んだガラス、更にフッ素とリンを含んだガラスは非常に顕著にこの変質層を形成する。
この変質層３４の深さは、熱処理温度と熱処理時間とともに深くなる。
また、成形されたガラス光学部材３０は、非常に急激に冷却されているため、ガラス素材の元々の屈折率（カタログ値）にくらべて非常に低い屈折率となっている。

この屈折率を元々の屈折率に戻すためには、アニール処理を長時間かけてゆっくり冷却する必要がある。前述したように、このアニール処理をファインアニール（精密アニール）と呼ぶ。
本実施の形態でのファインアニールとは、ガラス光学部材３０を歪点以上、徐冷点以下の温度に加熱して所定時間保持した後、徐々に冷却して屈折率を硝材のカタログ値に戻すことをいう。なお、歪点とは、ガラスの粘度が１０^１４．５ｄＰａ・ｓに相当する温度である。また、徐冷点とは、ガラスの粘度が１０^１３ｄＰａ・ｓに相当する温度である。また、カタログ値とは、硝材ごとに規定された屈折率のことで、主にｄ線での屈折率としてｎ_ｄと表される。また、冷却速度は、例えば、１℃／ｈ以上３０℃／ｈ以下である。

図４は、本実施の形態のアニール処理装置３２の断面を示す図である。
本実施の形態では、ガラス光学部材３０のアニール処理（熱処理）を、窒素（Ｎ_２）又はアルゴン（Ａｒ）等の非酸化性ガスの雰囲気中で行う。そのために、処理室３３内にガス導入口２２から非酸化性ガスを導入する。このアニール処理装置３２により、ガラス光学部材３０に対し歪抜きや屈折率分布の改善が行われる。ガラス光学部材３０に対して上記熱処理を行うことで、レンズ等のガラス光学素子（図では便宜上、ガラス光学部材３０と同じ符号を付す）を得ることができる。

なお、このアニール処理装置３２の構成は、ガラス光学素子の製造装置１０と略同様であるので、図１と同一又は相当する部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
このアニール処理装置３２は、処理室３３を有している。この処理室３３を覆う筐体１１の側壁１１ａには、加熱ヒータ１８が埋設されている。また、上壁１１ｂと底壁１１ｃにも夫々加熱ヒータ３８，３９が埋設されている。さらに、処理室３３の内部には、トレー台４０が設けられ、このトレー台４０にガラス光学部材３０が載置される。

処理室３３内の酸素濃度は、１０％以下であれば効果が認められるが、１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。この雰囲気条件は、加熱される前に整えなければならない。
この条件で、アニールされたガラス光学部材３０には、変質層の発生が防止される。加熱下において、ガラスと酸素との結合が防止されるためである。このため、本実施の形態によれば、研磨品と同等の光学性能品質を有するガラス光学素子３０を加熱成形によって得ることができる。

図５は、簡易アニールとファインアニールの違いを示す図である。
簡易アニールもファインアニールも、常温から所定温度（ガラス転移点Ｔｇ近辺）まで加熱し（Ａ→Ｂ）、その所定温度（Ｔｇ近辺）のまま一定時間保持する（Ｂ→Ｃ）。その後、簡易アニールの場合は、短時間で冷却するが（Ｃ→Ｄ）、ファインアニールの場合は、長時間にわたってゆっくりと冷却している（Ｃ→Ｅ）。

このように、成形後のガラス光学部材３０は、ファインアニールを行わないと、研磨品と同じ屈折率のガラス光学部材３０を得ることができない。
しかし、ファインアニールにおいても、大気中でガラス光学部材３０が高温かつ長時間に亘ってさらされると、変質層３４も深くなってしまう。
そこで、本実施の形態では、前述したように、アニール処理装置３２の内部を、窒素（Ｎ_２）又はアルゴン（Ａｒ）等の非酸化性ガスで満たすようにした。

図６〜図８は、ガラス光学部材の表面の変質層の実験データを示す。
図６は、研磨加工品（冷間加工品）サンプル（熱処理なし）の表面からの深さ方向の成分プロファイルを示す図、図７は、成形品を大気中で熱処理したサンプルの表面からの深さ方向の成分プロファイルを示す図、図８は、窒素雰囲気下（酸素濃度１０ｐｐｍ）で熱処理したサンプルの表面からの深さ方向の成分プロファイルを示す図である。

この実験では、Ｆ（フッ素）とＰ（リン）を含有した（株）オハラ製のＳ−ＦＰＬ５１（Ｔｇ＝４５８℃）を熱処理温度４５０℃、保持時間１時間で加熱処理し表面から内部に向かって組成比率の変化を調査した。図面の縦軸には、各成分の比率が示され、横軸には深さ方向による変化が示されている。なお、Ｘ軸の正方向が、表面からの距離が深い位置に相当する。

図６の研磨加工品では、表面付近（Ｘ０からＸ１）の深さでは、Ｆ（フッ素）の比率が若干高いものの、Ｘ１よりも深い位置ではＦ（フッ素）とＯ（酸素）の比率がいずれも３０％程度で一定となっている。
また、図７の成形品（大気中で熱処理）では、表面付近（Ｘ０からＸ１）の深さでは、Ｏ（酸素）の比率が６０％に近く、Ｘ１からＸ２までは５０％程度で一定で、Ｘ２からＸ３の深さでは徐々にＯ（酸素）の比率が低下してＸ３で３０％程度となり、それよりも深い位置では３０％程度で一定となっている。

一方、Ｆ（フッ素）の比率は、表面（Ｘ０）からＸ２の深さでは５％程度と低く、Ｘ２からＸ３の深さでは徐々に上昇してＸ３で３０％程度となり、それよりも深い位置では３０％程度で一定となっている。

すなわち、表面（Ｘ０）からＸ３の深さではＦ（フッ素）の比率が減り、代わりにＯ（酸素）の比率が増えている。このように、１時間の熱処理においても通常の大気中の熱処理では表面にＦとＯの大きな変化が見られる。
さらに、図８の成形品（窒素雰囲気下で熱処理）では、表面付近（Ｘ０からＸ１）の深さでは、Ｆ（フッ素）の比率が若干高いものの、Ｘ１よりも深い位置ではＦ（フッ素）とＯ（酸素）の比率がいずれも３０％程度で一定となっている。すなわち、研磨加工品の成分プロファイルとの差異は認められない。

以上から、本実施の形態によれば、窒素等の非酸化性雰囲気下でアニール処理（熱処理）を行うことで、ガラス光学部材の表面の成分変質を避けることができる。さらに、ファインアニールのような長時間にわたるアニールは、成分変質をさらに悪化させるおそれがあるが、本実施の形態によれば、研磨品と同じ屈折率の互換製品を得ることができる。

１０ ガラス光学素子の製造装置
１１ 筐体
１１ａ 側壁
１１ｂ 上壁
１２ 成形室
１４ 型セット
１５ プレス機構
１６ エアシリンダ
１６ａ 作動ロッド
１８ 加熱ヒータ
２０ ガラス素材
２２ ガス導入口
２５ 上型
２５ａ 成形品
２６ 下型
２６ａ 成形品
２７ スリーブ
３０ ガラス光学部材（ガラス光学素子）
３２ アニール処理装置
３３ 処理室
３４ 変質層
３６ アニール炉
３８ 加熱ヒータ
３９ 加熱ヒータ
４０ トレー台

Claims (5)

1. 加熱成形方法により得られたガラス光学部材に対して行うガラス光学部材の熱処理方法において、
   熱処理を非酸化性ガスの雰囲気中で行うことを特徴とする、ガラス光学部材の熱処理方法。
2. 請求項１に記載のガラス光学部材の熱処理方法において、
   前記熱処理は、前記ガラス光学部材を歪点以上、徐冷点以下の温度に加熱して所定時間保持した後、前記ガラス光学部材の屈折率がカタログ値ｎ_ｄに戻るように徐々に冷却することにより行われることを特徴とする、ガラス光学部材の熱処理方法。
3. 請求項１又は２に記載のガラス光学部材の熱処理方法において、
   前記熱処理は、フッ素を含むガラス光学部材に対して行われることを特徴とする、ガラス光学部材の熱処理方法。
4. 請求項１又は２に記載のガラス光学部材の熱処理方法において、
   前記熱処理は、フッ素及びリンを含むガラス光学部材に対して行われることを特徴とする、ガラス光学部材の熱処理方法。
5. ガラス素材を加熱成形する加熱成形工程と、
   前記加熱成形工程後、前記ガラス素材を冷却してガラス光学部材を得る工程と、
   前記ガラス光学部材を非酸化性ガスの雰囲気中で熱処理する工程と、を備えることを特徴とする、ガラス光学素子の製造方法。