WO2010103869A1 - 単結晶光学レンズの製造方法 - Google Patents

単結晶光学レンズの製造方法 Download PDF

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木下博章
森田祐子
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オリンパスメディカルシステムズ株式会社
オリンパス株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a single crystal optical lens, and more particularly to a method for producing a single crystal lens used for various optical products.
  • Single crystal materials that transmit visible light such as crystal quartz, sapphire, and fluorite (calcium fluoride) are used as optical lenses and optical filter materials. These crystal materials are used for lens parts that require optical properties (refractive index, Abbe number, transmittance) that are not found in optical glass, hardness, chemical durability, heat resistance, etc. Has been.
  • optical properties reffractive index, Abbe number, transmittance
  • it is necessary after finishing the polished surface by grinding and polishing the member cut out from the raw material single crystal base material to the desired shape, and then removing the abrasive, polishing liquid, etc.
  • the outer peripheral surface of the lens is often preferred to be a rough surface in order to prevent reflection of unnecessary light when incorporated in an optical product.
  • the outer peripheral surface is a rough surface, there is a problem that many cracks are generated from the outer peripheral portion.
  • the sapphire single crystal material is also used as a substrate material for epitaxial growth of a nitride semiconductor thin film or a dielectric thin film.
  • a substrate material for epitaxial growth of a nitride semiconductor thin film or a dielectric thin film In this case, few crystal defects are required to make the structure of the thin film uniform, and various methods have been proposed as methods for improving crystal defects.
  • Patent Document 1 discloses a method of subjecting an external portion of an ingot to chemical polishing treatment after grinding a sapphire single crystal ingot and before slicing the wafer. In this method, the processing strain and minute cracks on the outer periphery of the sapphire ingot are removed to prevent the substrate from being scraped when epitaxially growing a nitride semiconductor.
  • the present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a method for preventing cracks from entering from the outer peripheral surface in the manufacturing process of a single crystal lens.
  • the configuration of the present invention is as follows. (1) In the processing step of the single crystal lens, after the member is cut out from the single crystal base material having a melting point of 2000 ° C. or higher and lower than 2900 ° C., at least one heat treatment is performed until the lens assembly step. A method for manufacturing a single crystal optical lens.
  • stress caused by distortion of the crystal structure caused by impact can be removed by heat treatment.
  • the stress is removed in advance by heat treatment, so that an effect of making it difficult for the cracks from the outer peripheral portion to extend is obtained.
  • a crystal material it can be applied to a single crystal material sapphire having a melting point of 2000 ° C. or higher and lower than 2900 ° C., yttria stabilized zirconia, yttrium oxide, zirconium oxide, magnesium oxide and the like.
  • These high melting point crystal materials are effective in increasing the angle of view and miniaturization of the optical element because the refractive index of the crystal material can increase the refraction of light on the lens surface.
  • the smaller the lens is the smaller the difference between the effective diameter of the lens (the region through which the light passes) and the outer shape of the lens and the smaller the allowable size of cracks from the outer periphery of the lens.
  • the crystal material is easily cleaved due to processing impact due to the cleaving property peculiar to the crystal during lens processing, and cracks and cracks are likely to occur. Therefore, the method of the present invention is effective.
  • the heating method various methods such as an electric furnace, a gas furnace and a laser annealing furnace can be used.
  • the heating atmosphere is appropriately selected in consideration of the type of crystal material, the furnace material, and the material of the holding member in the heating.
  • heat treatment can be performed in an air atmosphere without preparing an atmosphere gas in particular.
  • Heating should be performed in an inert atmosphere.
  • the effect can be most obtained when the temperature of the heat treatment is not less than 0.50 times and not more than 0.67 times the melting point (Kelvin temperature). In the case of 0.50 times or less, since the energy is insufficient, the effect of removing the distortion is insufficient. In addition, when the temperature exceeds 0.67 times, the effect of removing the strain is sufficient, but since it becomes a high temperature region, the dislocation portion that is thought to be due to dislocation slip inside the crystal, or the substrate surface during heat treatment Inconveniences such as roughening occur. As a result, there is a problem that the lens surface accuracy is deteriorated in the lens after the lens surface processing.
  • the outer peripheral shape of the member having the outer peripheral surface that becomes the lens outer shape may be any shape depending on the lens outer shape, such as a circle, a polygonal column, an ellipse, or a semicircular shape formed by an arc and a straight line. . Moreover, the thing which contains the final lens external shape in part is also included.
  • the lens surface shape may be processed into any shape of a flat surface, a convex surface, and a concave surface.
  • a lens substrate with a rough surface may be used without processing the lens surface to a mirror surface.
  • Sapphire is a crystalline material having a high melting point of 2035 ° C. According to the method of the present invention, cracking during lens processing is prevented at a heating temperature of about 880 ° C. to 1270 ° C., preferably about 1000 ° C. to 1270 ° C. It is possible to select a furnace and use a generally used material such as alumina as a material for the lens holding member during the heat treatment, which is practical.
  • the present invention it is possible to prevent a crack from the outer peripheral surface of the single crystal lens when the single crystal lens is manufactured and when the optical product is used after manufacturing, and to manufacture the crystal lens with a high yield.
  • Example 1 Sapphire single crystal cylindrical rods ( ⁇ 3 mm, length 50 mm: outer grained surface) were annealed at 800 ° C, 900 ° C, 1000 ° C, 1100 ° C, 1200 ° C, 1300 ° C, and 1400 ° C for 5 hours, respectively.
  • This member was cut into a thickness of 1 mm, and then ground and polished to prepare a biplanar lens.
  • the defect occurrence rates due to cracks from the outer peripheral portion were 30%, 0.5%, 0%, 0%, 0%, 0%, and 0% in this order. Further, in the case of heating at 1300 ° C. and 1400 ° C., surface accuracy was deteriorated.
  • Table 1 below shows the results of inspections for the presence or absence of cracks from the outer periphery and the quality of surface accuracy in this example. However, (circle) shows that there is no crack and surface precision was favorable, and x shows that there was a crack and surface precision was not good.
  • Example 2 After cutting a rod-shaped member having a diameter of 2 mm from a sapphire single crystal material, it was cut to 1 mm, and a lens having a plano-concave lens shape was manufactured through a grinding and polishing process. In order to center the lens, after the outer peripheral portion was cut, heat treatment was performed at each temperature shown in Table 2 below. At this time, the rate of temperature increase was 0.8 ° C./min, and the rate of temperature decrease was 1 ° C./min. The lens surface accuracy after polishing and the surface accuracy after heat treatment were measured with an interferometer, and the lens surface accuracy was inspected. Next, metal plating was applied to the side surface of the lens after the heat treatment, and it was fixed to the lens frame with solder and sealed, and then inspected for the presence of lens cracks and surface accuracy. The results are shown in Table 2 below.
  • Example 3 After cutting a ⁇ 4 mm rod-shaped member from the sapphire single crystal material, a first heat treatment was performed at 1000 ° C. for 2 hours. Thereafter, the rod-shaped member was cut in the longitudinal direction to obtain a rod having a half-moon shaped cross section. The bar material on the half moon was subjected to a second heat treatment at 1000 ° C. for 2 hours, then cut to a thickness of 0.9 mm and ground to a double-sided flat surface to produce a double-sided lens.
  • Table 3 shows the defect occurrence rate of this example and, as a comparison, the defect occurrence rate when the heat treatment was never performed and when only the first heat treatment was performed.
  • the present invention it is possible to prevent a crack from the outer peripheral surface of the single crystal lens when the single crystal lens is manufactured and when the optical product is used after manufacturing, and to manufacture the crystal lens with a high yield.

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Abstract

　本発明は、単結晶レンズの加工工程において、融点が２０００℃以上２９００℃未満である単結晶母材から棒状部材を切り出し後、レンズ組立工程までの間に少なくとも１回の加熱処理を行う単結晶光学レンズの製造方法である。この場合の加熱処理の温度が、融点の０．５０倍以上、０．６７倍以下であることが望ましい。

Description

単結晶光学レンズの製造方法
　本発明は、単結晶光学レンズの製造方法に関し、特に、各種光学製品に使用する単結晶レンズの製造方法に関するものである。
　結晶石英、サファイア、蛍石（フッ化カルシウム）等の可視光を透過する単結晶材料は、光学レンズや光学フィルター材料として使用されている。これらの結晶材料は、光学ガラスにない光学特性（屈折率、アッベ数、透過率）や、硬度、化学的耐久性、耐熱性等から、光学ガラスにない特性が必要とされるレンズ部品に使用されている。光学レンズ、光学フィルター等の製造工程においては、原料の単結晶母材から切り出した部材を所望の形状に研削・研磨することにより研磨面を仕上げ、その後研磨剤、研磨液等を除去した後に必要によりコーティングを施し、組立工程を得て光学製品となる。レンズの外周面は、光学製品に組み込まれた際の不要光の反射を防ぐために、粗面が好まれることが多い。しかし、外周面が粗面であることによって外周部からのクラックが多く発生するという課題がある。
　外周面からのクラックは、切断、切削、研磨の工程において発生する他、レンズ面を形成した後にレンズの光軸に合わせて外形を加工する心取り工程や、レンズ部品をレンズ鏡粋にセッティングする組立工程において発生する。また、製品に組み込んだ後、使用時の機械的な衝撃や、熱衝撃によってクラックが進展する等、製品の信頼性に関わるクラックが生じないような解決手段が求められている。
　ところで、サファイア単結晶材料は、窒化物半導体薄膜や、誘電体薄膜等のエピタキシャル成長用の基板材料としても使用されている。この場合、結晶欠陥の少ないことが薄膜の構造を均質にするために必要とされており、結晶欠陥を改善する方法として、各種の方法が提案されている。
　特許文献１は、サファイア単結晶インゴットを研削加工した後に、ウェハーをスライスする前に、そのインゴットの外局部に化学研磨処理を施す方法を開示しているものである。この方法では、サファイアインゴットの外周部にある加工歪や微小クラックを除去することにより、窒化物半導体をエピタキシャル成長する際に発生する基板の削れを防止するとしている。
　しかし、化学研磨処理の場合、結晶材料の種類により適切な薬液を選定する必要があること、また、薬液と材料の組み合わせによっては、結晶方位によるエッチング速度の違いから、外周部分に光沢が生じる等の問題がある。また、化学研磨処理には、加熱した酸を用いる必要があり、作業環境上危険を伴うものであった。
特開２００５−２５５４６３号公報
　本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、単結晶レンズの製造工程で、外周面からクラックが入るのを防止する方法を提供することである。
　上記目的を達成するため、本発明の構成は下記の通りである。
　（１）単結晶レンズの加工工程において、融点が２０００℃以上２９００℃未満である単結晶母材から部材を切り出し後、レンズ組立工程までの間に少なくとも１回の加熱処理を行うことを特徴とする単結晶光学レンズの製造方法である。
　（２）前記の加熱処理の温度が、融点の０．５０倍以上、０．６７倍以下であることを特徴とする（１）の単結晶光学レンズの製造方法である。
　（３）結晶材料からなる結晶レンズの加工工程において、レンズの外形となる外周面を有する部材を加熱処理した後に、該部材を所定の厚さに切断し、その後レンズ面の加工を行い結晶レンズを得ることを特徴とする（１）の単結晶光学レンズの製造方法である。
　（４）結晶材料からなる結晶レンズの加工工程において、レンズ面研磨、レンズ外周の切削加工を行った後に、加熱処理を行うことを特徴とする（１）の単結晶光学レンズの製造方法である。
　（５）前記の結晶材料がサファイアあることを特徴とする（１）から（５）の単結晶光学レンズの製造方法である。
　以下、上記（１）~（５）の説明を行う。
　（１）の説明
　結晶材料を所定の形状にするために切断、加工や棒状丸め加工をした場合、加工時の衝撃により、切り出した面には微細なクラックや、結晶構造の歪みが生じている。結晶構造の歪みにより、切り出し面近傍には、引っ張り、圧縮両方の応力が生じている。材料中に存在する応力があると、同じ力が加わった場合にも、微細クラックを伸長させる力の閾値が異なる。すなわち、引っ張り応力の働いている部位にある微細なクラックは、応力のない部位にあるクラックと比べて伸長しやすい。
　本発明の方法によれば、衝撃により生じた結晶構造の歪みに起因する応力を加熱処理により除去することができる。ここに次の加工による外力が加わると、加熱処理により予め応力を除去してあるため、外周部からのクラックは伸長し難くする効果が得られる。
　結晶材料としては、融点が２０００℃以上２９００℃未満である単結晶材料サファイア、イットリア安定化ジルコニア、イットリウムオキサイド、ジルコニウムオキサイド、マグネシウムオキサイ等に適用できる。
　これらの高融点の結晶材料は、屈折率が高いことによりレンズ面での光の屈折を大きくできるため、光学素子の高画角化、小型化に有効である。しかし、一方で、レンズが小型化すればする程、レンズの有効径（光線の通る領域）とレンズ外形との差が小さくなり、レンズ外周からのクラックの許容サイズは小さくなる。結晶材料は、一般の光学ガラスと比べて、レンズ加工時に結晶特有のへき開性により加工衝撃によるクラックが伸張しやすく、ワレやクラックが発生しやすいことから、本発明の方法が有効である。
　加熱の方法は、電気炉、ガス炉、レーザーアニール炉等、種々の方法を用いることができる。また、加熱雰囲気は、結晶材料の種類や、炉材や、加熱内の保持部材の材質を考慮して適宜選択する。上記の酸化物結晶の場合、特に雰囲気ガスを準備することなく大気雰囲気で加熱処理を行うことができるが、保持部材の酸化を防ぐ等、必要のある場合は、真空中、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気中で加熱を行うのがよい。
　加熱処理時には、熱衝撃によるクラックの伸長を避けるため、急激な加熱や冷却を避けるのが望ましい。
　（２）の説明
　結晶材料は、融点付近の温度域での加熱により転位等の結晶欠陥を減らせることが知られている。しかし、上記の高融点の結晶材料を融点付近の温度で加熱処理するためには、耐高温の炉を用意する必要がある上、レンズ加工工程に導入するには消費エネルギーの面からも実用的ではない。
　本発明では、加熱処理の温度として、融点（ケルビン温度）の０．５０倍以上、０．６７倍以下であるときに、効果を最も得ることができる。０．５０倍以下の場合、エネルギーが不十分であるために歪みを除去する効果は不十分である。また、０．６７倍を超える温度の場合、歪を除去する効果は十分であるが、高温領域となるため、結晶内部の転位のすべりによると思われる転位部の拡大や、加熱処理時に基板表面に荒れが生じる等の不具合が起きる。これにより、レンズ面加工後のレンズではレンズ面精度の悪化が見られるなどの問題が生じる。
　（３）の説明
　結晶レンズの加工工程において、レンズの外形となる外周面を有する棒状部材又はブロック状部材を切断、研磨することにより結晶レンズを得る加工方法では、レンズの外形となる外周面を有する棒状部材又はブロック状部材を加熱処理することにより、外周部の割れを防止することができる。
　レンズ外形となる外周面を有する部材の外周形状としては、円、多角柱、楕円の他、半円等の一部に円弧と直線からなる形状等、レンズ外形に応じどのような異形状でもよい。また、最終的なレンズ外形を一部に含んでいるものも含まれる。
　レンズ面形状は、平面、凸面、凹面の何れの形状に加工されてもよい。また、レンズ面を鏡面まで加工せず、粗面仕上げのレンズ基板でもよい。
　（４）の説明
　結晶レンズの加工工程において、レンズ面研磨、レンズ外周の切削加工を行った後に加熱処理を行った後に、組立工程に移行することにより、組み立て時の機械的な衝撃や、半田による封止工程での熱的衝撃によるクラックの伸長を低減することができる。
　また、同時に、製品使用時の衝撃によるワレを低減することができ、製品の信頼性を向上させることができる。
　（５）の説明
　単結晶材料の中、サファイア単結晶は硬度が高いことから切削丸め加工時には材料に大きな力が加えられる。加工部近傍には、切削加工時に加えられた衝撃により、結晶構造の歪が大きく残り、クラック近傍には引っ張り応力が蓄積し、次工程でクラックが伸長する要因となっていることが分かった。
　また、サファイアは融点が２０３５℃と高い結晶材料であるが、本発明の方法によれば約８８０℃から１２７０℃、好ましくは、約１０００℃から１２７０℃の加熱温度でレンズ加工時の割れを防止でき、炉の選定や、加熱処理時のレンズ保持部材等の材質も、アルミナ等一般的に使用される材料を使用でき、実用的である。
　本発明によれば、単結晶レンズを、製造時及び製造後の光学製品使用時における単結晶レンズ外周面からのクラックを防止し、歩留りよく結晶レンズを製造することができる。
　以下、本発明の光学レンズの製造方法を実施例に基づいて説明する。
　（実施例１）
　サファイア単結晶の円柱ロッド（φ３ｍｍ、長さ５０ｍｍ：外周砂目面）を最高温度をそれぞれ８００℃、９００℃、１０００℃、１１００℃、１２００℃、１３００℃、１４００℃で５時間アニールした。この部材を厚さ１ｍｍに切断後、研削、平面研磨することにより、両平面レンズを作製した。このとき、外周部からの割れによる不良発生率は、順に３０％、０．５％、０％、０％、０％、０％、０％であった。また、１３００℃、１４００℃加熱の場合に、面精度の悪化が見られた。
　この実施例における外周からの割れの有無、面精度の良否の検査を行った結果は次の表１の通りであった。ただし、○は割れがないこと、面精度が良好であったことを、×は割れが有ること、面精度が良くなかったことを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　（比較例１）
　実施例１と同じサファイア円柱ロッドをアニールせずに、同様の加工をした場合、外周部からの割れでの不良率は５０％であった。
　（実施例２）
　サファイア単結晶材料から、φ２ｍｍの棒状部材を切り出した後に、１ｍｍに切断した後に、研削研磨工程を経て平凹レンズ形状のレンズを作製した。このレンズの心出しをするために、外周部切削加工を行った後に、次の表２の各温度で加熱処理を行った。このとき、昇温速度は０．８℃／ｍｉｎ、降温速度は１℃／ｍｉｎとした。研磨後のレンズ面精度と加熱処理後の面精度を干渉計により計測し、レンズ面精度の検査を行った。次に、加熱処理後のレンズの側面に金属メッキを施し、鏡枠に半田で固定、封止構造にした後、レンズ割れの有無、面精度の良否の検査を行った。その結果は次の表２の通りであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　（比較例２）
　心出し工程の後の加熱処理を行わなかった以外は、実施例５と同様の手順で鏡枠に固定、封止構造とした後、レンズの割れの有無の検査を行った。その結果、約３０％のレンズに割れが発生していた。
　（実施例３）
　サファイア単結晶材料から、φ４ｍｍの棒状部材を切り出した後に、１０００℃で２時間の第１の加熱処理を行った。その後に、棒状部材を長手方向に切断し、断面が半月状の棒材とした。この半月上の棒材に１０００℃で２時間の第２の加熱処理を行った後に、厚さ０．９ｍｍに切断し、両面平面に研削して、両平面レンズを作製した。
　この実施例の不良発生率と、比較として、加熱処理を一度も行わなかった場合、第１の加熱処理のみ行った場合の不良発生率とを次の表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　以上、本発明の光学レンズの製造方法を実施例と比較例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
　本発明によれば、単結晶レンズを、製造時及び製造後の光学製品使用時における単結晶レンズ外周面からのクラックを防止し、歩留りよく結晶レンズを製造することができる。

Claims (5)

  1. 　単結晶レンズの加工工程において、融点が２０００℃以上２９００℃未満である単結晶母材から部材を切り出し後、レンズ組立工程までの間に少なくとも１回の加熱処理を行うことを特徴とする単結晶光学レンズの製造方法。
  2. 　前記の加熱処理の温度が、融点の０．５０倍以上、０．６７倍以下であることを特徴とする請求項１記載の単結晶光学レンズの製造方法。
  3. 　結晶材料からなる結晶レンズの加工工程において、レンズの外形となる外周面を有する部材を加熱処理した後に、該部材を所定の厚さに切断し、その後レンズ面の加工を行い結晶レンズを得ることを特徴とする請求項１記載の単結晶光学レンズの製造方法。
  4. 　結晶材料からなる結晶レンズの加工工程において、レンズ面研磨、レンズ外周の切削加工を行った後に、加熱処理を行うことを特徴とする請求項１記載の単結晶光学レンズの製造方法。
  5. 　前記の結晶材料がサファイアであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の単結晶光学レンズの製造方法。
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