JP2012158491A - 光学素子の製造方法及び光学素子の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビスマス系光学素材をプレス成形して光学素子を製造する方法において、光学素材の熱変形を防止するとともに、曇りの発生を抑制する効果を高める。
【解決手段】光学素子の製造方法は、ビスマス系光学素材を非酸化性ガス流により浮上させつつ加熱して、光学素材に含まれるビスマスを揮発除去する熱処理工程（Ａ）と、熱処理したビスマス系光学素材を成形型を用いて所定の形状にプレス成形する成形工程（Ｂ）とを含む。また、製造装置は、ビスマス系光学素材を受容し、その底面に複数の小孔を開口させた凹部２７を有する光学素材受容部材２と、凹部２７に受容された光学素材１を加熱する加熱手段６と、複数の小孔より凹部２７内に非酸化性ガスを噴出させて、光学素材１を浮上させる非酸化性ガス流を形成するガス流形成手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子の製造方法及び光学素子の製造装置に係り、特に、光学素材としてビスマス系光学素材を用いる光学素子の製造方法及び光学素子の製造装置に関する。

従来より、ガラス材料からなる光学素材を加熱により軟化させた後、得ようとする光学素子の形状をもとに精密加工された上型と下型の間でプレス成形して光学素子形状を付与し、これを冷却固化させて光学素子を製造する方法が知られている。

このような方法においては、得られる光学素子が用途に応じた所望の特性を有するように、光学素材には、さまざまな元素を含むガラス材料が使用される。その一つにビスマス系ガラスがあり、主として高屈折率の光学素子に使用されている。ところが、このビスマス系ガラスを上記方法の光学素材として用いた場合、光学素子に曇りが生じ、歩留まりの低下があった。

そして、この曇りは、非酸化性雰囲気の高温下でのプレス成形の際に、ビスマス系ガラス中の酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）が還元されて生ずるビスマス、水蒸気、酸素ガス等の揮発成分に起因すると考えられている。すなわち、ここで生じたガスが、成形型と光学素材の間に閉じ込められ、これが光学素子の表面に微小な孔を多数形成したり、また、ここで生じたビスマスが金型に堆積し、これが光学素子の表面に再付着することで、光学素子に曇りが生じ、歩留まりが低下すると考えられる。

このような曇りの発生を抑制するために、成形に際し、光学素材を高温で熱処理して表面の酸化ビスマスを揮発させ、その後、成形することで曇りを抑制する方法が知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、上記方法では、光学素材を支持部材により支持させた状態、つまり、光学素材と支持部材が接触した状態で熱処理が行われるため、接触部分が熱変形しやすいという問題があった。また、これを防止するため、処理温度を低くすると、酸化ビスマスの揮発が不十分となり、さらに、接触部分は酸化ビスマスの揮発が妨げられるため、曇りを十分に抑制できないという問題があった。

特開２００９−７２２１号公報

本発明は、上記従来の事情に対処したもので、ビスマス系光学素材をプレス成形して光学素子を製造する方法及び装置において、光学素材の熱変形を防止できるとともに、曇りの発生の抑制効果にも優れる方法、及びそのような方法に用いられる光学素子の製造装置の提供を目的とする。

本発明の光学素子の製造方法は、ビスマス系光学素材を非酸化性ガス流により浮上させつつ加熱して、前記光学素材に含まれるビスマスを揮発除去する熱処理工程（Ａ）と、
熱処理した前記ビスマス系光学素材を成形型を用いて所定の形状にプレス成形する成形工程（Ｂ）とを含むことを特徴とする。

本発明の光学素子の製造装置は、ビスマス系光学素材を非酸化性ガス流により浮上させつつ加熱して、前記光学素材に含まれるビスマスを揮発除去した後、熱処理した前記ビスマス系光学素材を成形型を用いて所定の形状にプレス成形する光学素子の製造装置であって、ビスマス系光学素材を受容し、その底面に複数の小孔を開口させた凹部を有する光学素材受容部材と、前記凹部に受容された光学素材を加熱する加熱手段と、前記複数の小孔より前記凹部内に非酸化性ガスを噴出させて、前記凹部に受容された光学素材を浮上させる非酸化性ガス流を形成するガス流形成手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ビスマス系光学素材を非酸化性ガス流により浮上させつつ加熱して、ビスマス系光学素材に含まれるビスマスを揮発除去するので、従来のような光学素材が支持部材等と接触することに起因する熱変形を防止できる。また、このように熱変形を防止できるため、加熱温度を従来より高温に設定でき、さらに、表面全体からビスマスを揮発除去できるため、光学素子の曇りを従来より効果的に抑制でき、製品の歩留まりを向上できる。

本発明の一実施形態の熱処理工程に使用される装置の一例を概略的に示す図である。 図１に示す装置の一部を拡大して示す断面図である。 図１に示す装置の一部を拡大し、かつ上側から視た図である。 本発明の一実施形態の成形工程を説明する図である。 実施例で使用した光学素材の粘度曲線を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。また、以下の図面の記載において、共通する部分もしくは略同様の機能を有する部分には、同一符号を付している。

本発明の光学素子の製造方法は、熱処理工程と、この熱処理工程の後に行う成形工程とを有する。

熱処理工程には、例えば図１に示すような装置を用いる。

すなわち、図１は、本発明の一実施形態の光学素子の製造方法に使用する熱処理装置の一例を概略的に示す図であり、図２は、図１の要部を拡大して示す断面図である。

図１及び図２に示すように、この熱処理装置１００は、不図示の雰囲気制御可能なチャンバーに設置された、光学素材１を受容する光学素材受容板２と、ガスボンベ等のガス供給装置３から配管４を介してガスが導入される少なくとも１個のガス導入口５１と、この導入されたガスを排出する複数のガス排出口５２とを有するガス分配機構５と、光学素材１及びガスをそれぞれ加熱するヒータ６，７とを備える。

光学素材受容板２は、いずれもステンレス鋼、超硬金属、セラミックス等からなる、逆円錐状の貫通孔２１が設けられた上プレート２２と、その下面に、多数の小孔２３が設けられた中間プレート２４を介して配置された、貫通孔２１に対応する位置に円柱状の貫通孔２５が設けられた下プレート２６とからなる。中間プレート２４は上プレート２２及び下プレート２６と同様、超硬金属やセラミックス等で形成されていてもよいが、加工の容易さの点からステンレス鋼製であることが好ましい。光学素材１は、上プレート２２に設けられた貫通孔２１とその底面に配置された中間プレート２４で形成される凹部２７内に受容される。

なお、光学素材受容板２は、このような積層構造ではなく、一つの部材で構成してもよい。しかし、製造の容易さの点からは、積層構造であることが好ましく、さらに、分割可能な積層構造とした場合に、光学素材１の大きさ、凹部２７の底面に開口させる孔（図面の例では、小孔２３）の大きさや数等の変更に容易に対応でき、また、メンテナンス等も容易であることからより好ましい。また、中間プレート２４に設けられる小孔２３の大きさや数等は、特に限定されないものの、光学素材１を凹部２７内で安定に浮上させる観点からは、例えば、直径１０〜１００μｍ程度の小孔２３が、１つの凹部２７について、その底面に１００〜３０００個程度配置されるように、設けられていることが好ましい。小孔２３の直径のより好ましい範囲は、２０〜６０μｍである。凹部２７の底面に配置される小孔２３の数のより好ましい範囲は、３００〜１０００個である。小孔２３は、中間プレート２４全面に設けられていてもよく、凹部２７の底面に対応する部分にのみ設けられていてもよい。図３は、凹部２７の底面に開口する小孔２３を示した図である。

また、ガス分配機構５の複数のガス排出口５２は、光学素材受容板２の下プレート２６の貫通孔２５に対応して設けられており、それぞれが各貫通孔２５に接続されている。ガス導入口５１からガス分配機構５に導入されたガスは、各ガス排出口５２から、下プレート２６の各貫通孔２５、中間プレート２４の小孔２３を介して、上プレート２２の貫通孔２１内に導かれる。すなわち、各貫通孔２５を介して各凹部２７に導かれる。

光学素材１を加熱するヒータ６は、光学素材受容板２の上方に配置され、ガスを加熱するヒータ７は、ガス分配機構５の内部に配置されている。

なお、ガス供給装置３とガス分配機構５とを接続する配管４には、光学素材受容板２の凹部２７内に導入するガスの圧力及び流量をそれぞれ調節するガス圧調節器８及び流量調節器９がさらに介挿されている。

本実施形態の熱処理工程は、このような熱処理装置を用いて、例えば、次のように行われる。

まず、光学素子の材料である光学素材１を、光学素材受容板２の凹部２７に載置する。ここで使用する光学素材１は、プレス成形時にガスの発生等により問題があるとされるビスマス系光学素材である。具体的には、光学素材を高屈折率化でき、それに加えてガラスを軟化させる効果がある酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）を必須成分として含有するものである。その他の成分としては、光学素材に用いられる公知の成分、例えば、Ｐ_２Ｏ_５、Ｂ_２Ｏ_５、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＷＯ_３、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧｅＯ_２、ＴｅＯ_２、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３ 、Ｔａ_２Ｏ_５、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ等が挙げられる。本発明においては、酸化ビスマスを１０モル％以上含有する光学素材を用いた場合に、特に顕著な効果が得られる。酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）の含有量が２０モル％以上であると、より顕著な効果が得られることから、より好ましい。

なお、光学素材１はガラス塊を切削や研削、研磨等によって所定の形状に整えたプリフォームであっても、溶融パイプから流下する溶融ガラスを自然落下または切断刃によって切断した、いわゆるファインゴブであってもよい。

次いで、ガス供給装置３から、ガス圧調節器８及び流量調節器９で圧力及び流量を調整したガスをガス分配機構５に導入し、このガスを、光学素材受容板２の凹部２７内に噴出させて光学素材１を浮上させる。その際、ガス分配機構５内に設けられたヒータ６にも通電して、加熱されたガスが凹部２７内に噴出させるようにする。光学素材１が浮上したところで、ヒータ６に通電して光学素材１を加熱する。

光学素材１を浮上させるガスは、非酸化性ガスであれば特に制限されることなく使用できるが、装置や光学素材１の劣化を防止する観点からは、装置や光学素材１と反応しないものが好ましい。好ましい具体例としては、窒素ガスや、窒素ガスに少量の水素ガス等の還元性ガスを混入した混合ガス等が使用される。その他、アルゴンガス、ヘリウムガス、二酸化炭素等も使用できる。ガスには、装置や光学素材１を汚染するような成分を含んでいないことが好ましい。

ガスの圧力及び流量は、ガスの噴出によって光学素材１が凹部２７内で大きく揺れることなく安定して浮上するように設定することが好ましい。光学素材１が凹部２７内で大きく揺れると、場合により光学素材１が凹部２７の壁面に触れて形状が変化するおそれがあるからである。このように光学素材１の安定した浮上を可能とする圧力及び流量は、中間プレート２４に設けられた小孔２３の数や形状、光学素材１の形状や質量等によって異なり、例えば、光学素材１が、直径３〜１２ｍｍ、重さ０．１〜３．０ｇの球状体で、凹部２７の底部直径が６〜１２ｍｍ、この底部の中間プレート２４に設けられた小孔２３の数が３００〜９００個、その個々の小孔２３の直径が約２０μｍの場合、ガス圧力０．００１〜０．２ＭＰａ、ガス流量０．１〜２．０Ｌ／分の範囲が好ましい。

また、このようにガス流で浮上させつつ行う光学素材１の熱処理温度は、光学素材１の粘度ηが１×１０^１０ｄＰａ・ｓ以下となる温度が好ましい。粘度ηが１×１０^１０ｄＰａ・ｓ超となる温度では、光学素材１表面の酸化ビスマスを効率的に揮発させることが困難になる。しかし、光学素材１の粘度ηがあまり小さいと、光学素材１が柔らかくなりすぎて、ガス流により浮上させることが困難となり、また、凹部２７の壁面に接触し融着するおそれがあり、さらに、ガス流により光学素材１表面に凹みが生じ、プレス成形の際に形状不良が生じやすくなることから、光学素材１の粘度ηは１×１０^４．５ｄＰａ・ｓ以上となる温度がより好ましい。ガス流による浮上の安定化、光学素材１の凹部２７壁面に対する融着防止、ガス流による光学素材１表面の凹みの発生防止、さらに、酸化ビスマスの効率的な揮発を図る観点からは、光学素材１の熱処理温度は、光学素材１の粘度ηが１×１０^７〜１×１０^１０の範囲となる温度が特に好ましい。なお、上述したようなビスマス系の光学素材を１×１０^４．５〜１×１０^１０ｄＰａ・ｓの粘度範囲とするには、その加熱温度を４００〜６５０℃とすればよい。

上記粘度ηの測定方法としては、例えば、伸長法・ビームベンディング法・貫入法・回転円筒法・平行平板法等があり、いずれの方法を用いてもよい。ここでは平行平板法で測定した値を用いている。

上記熱処理後、ヒータ６，７による加熱を中止し、ガス流による浮上のみを継続しながら熱処理装置１００内の温度を下げる。ガス流による浮上を継続することによって、光学素材１の凹部２７壁面への融着を防止できる。光学素材１の温度が、好ましくは２００℃以下の温度になったところで、熱処理装置１００から光学素材１を外部に取り出す。これにより、熱処理され、表面のビスマスが十分に揮発除去された光学素材１が得られる。

なお、本実施形態では、図１に示すようなバッチ式の熱処理装置を用いており、熱処理した光学素材１を一旦外部に取り出した後、次の成形工程における光学素材１として使用するが、熱処理した光学素材１を外部に取り出さずに、そのまま後述する成形装置による成形工程に供することも可能である。しかしながら、一旦外部に取り出す、すなわち、大気開放することによって、光学素材１の表面が酸化され、再加熱された際に酸化ビスマスの還元が起こりにくくなるという効果がある。したがって、熱処理後、連続的に成形工程を行うことができるような熱処理装置を使用した場合であっても、光学素材１を、ビスマスの融点（Ｔｍ）より７０℃低い温度（Ｔｍ−７０）℃以下、例えば２００℃以下の温度まで冷却し、かつ大気に曝露させた後、成形工程を行うことが好ましい。

得られた光学素材１は、次の成形工程における光学素材とする。成形工程は、例えば、図４に示すような成形型を用いて、通常の方法で実施できる。

図４は、本発明の一実施形態の光学素子の製造方法の成形工程に使用される成形型の一例を概略的に示す図である。

この成形型２００は、図４に示すように、光学素子の上面を成形する上型３１と、光学素子の下面を成形する下型３２と、上型３１及び下型３２を内挿し摺動させて、光学素子の中心軸の位置合わせを行う円筒状の内胴３３と、内胴３３の外周に嵌合され、上型３１及び下型３２の上下方向の距離を規制するための円筒状の外胴３４とから構成されている。

上型３１及び下型３２は、それぞれ円柱状の胴部を基本形状とする部材であり、これらの上型３１及び下型３２は光学素子を成形するため、上型３１には光学素子の上面を形成する上成形面３１ａが、下型３２には光学素子の下面を形成する下成形面３２ａが形成されている。そして、上型３１及び下型３２は、これら上成形面３１ａと下成形面３２ａとを対向させてなる一対の成形型として使用される。

内胴３３は、中空円筒形状に形成されており、その中空部分は上記した上型３１及び下型３２の円柱状の胴部が嵌合可能になっている。この内胴３３は、上型３１及び下型３２を嵌合してプレスする際に、これら上型３１及び下型３２をそれぞれ上下の開口から摺動可能に挿入され、それらの光学中心軸を同軸上に規制するように位置合わせして、形成される光学素子の光学機能面を同軸のものとする。

外胴３４は、内胴３３と同様に中空円筒形状であるが、その中空部分に内胴３３が嵌合され、上型３１及び下型３２間の距離を規制する。具体的には、この外胴３４は、プレス成形時において、上型３１及び下型３２を互いに接近させて下型３２上に置かれた光学素材１を加圧するときに、その加圧のためのプレス手段４０ａ，４０ｂの加圧面間の距離を規制することで、上型３１及び下型３２の距離を規制する。ここで、外胴３４は、内胴３３と同一の中心軸を有する。

この成形型２００は、超硬合金、セラミックス等の素材からなり、上型３１及び下型３２には、成形する光学素子の面形状を転写するための成形面３１ａ，３２ａがそれぞれ対向する面に形成されている。図４では、成形型２００として両凸形状の光学素子を製造するものを図示しているが、光学素子形状はこれに限定されずに、両凹、平凸、平凹、凸メニスカス、凹メニスカス形状のいずれの形状を成形する成形型であっても使用できる。

なお、外胴３４は、上記セラミックス等以外にも、ステンレス鋼、インコネル（大同スペシャルメタル株式会社製、商品名）等の耐熱性のある金属を使用でき、ステンレス製とすると、加工が容易で、熱膨張量が大きく安価である点で好ましい。また、このとき、室温からプレス成形の成形温度における、外胴の上下方向における熱膨張量を、光学素材１の上下方向の熱膨張量よりも大きくすることが好ましい。このような熱膨張量の関係とすることで、成形操作において光学素子に圧力の抜ける時間を生じさせずに、安定に成形できる。

本実施形態の光学素子の製造方法における成形工程は、このような成形型２００を用いて、例えば、次のように行われる。なお、工程の説明に先立って、本実施形態の成形工程に用いる成形装置について説明する。

成形装置は、光学素子を成形するための成形室となるチャンバーと、このチャンバー内部に設けた成形型を加熱して光学素材を軟化させる加熱手段と、加熱軟化した光学素材をプレス成形させるプレス手段と、プレス成形による光学素子形状が付与された光学素材を冷却する冷却手段とを備える。加熱手段とプレス手段と冷却手段は、この順に並べられている。

成形室であるチャンバーは、その内部において、光学素材を軟化し、変形を容易にするために高温に加熱されるものであり、成形型が酸化されないように、チャンバー内雰囲気を窒素等の不活性ガス雰囲気とする。この不活性ガス雰囲気とするには、チャンバーを密閉構造として内部雰囲気を置換すればよいが、半密閉構造として、不活性ガスを常時チャンバー内に供給して、チャンバー内を陽圧にしながら外部の空気が流入しないようにして不活性ガス雰囲気を維持してもよい。

加熱手段は、その内部にヒータが埋め込まれた上下一対の加熱プレートから構成され、成形型に収容された光学素材を軟化させる。この加熱プレートは、上下一対の加熱プレートを成形型の上型、下型にそれぞれ接触させることで、上型及び下型を加熱でき、さらに成形型内部に収容されている光学素材も加熱できる。

プレス手段は、その内部にヒータが埋め込まれた上下一対のプレスプレートから構成され、上下のプレスプレート間の距離を狭めることにより、そのプレートの加圧面を成形型と接触させ上型と下型との距離を狭めて、成形型内に収容された光学素材を軟化状態のまま押圧して変形させ、上型及び下型の光学成形面形状を光学素材に付与することで光学素子を成形する。このプレスプレートを用いたプレスは前段階の加熱温度を維持しながら行われる。

冷却手段は、その内部にヒータが埋め込まれた上下一対の冷却プレートから構成され、成形型を冷却することにより光学素子形状が付与された光学素材を冷却、固化する。この冷却プレートは、上下一対の冷却プレートを成形型の上型、下型にそれぞれ接触させることで、上型及び下型を冷却し、さらに成形型内部に収容されている光学素材も冷却できる。

そして、成形型は、これらの加熱手段、プレス手段、及び冷却手段の各手段間を順次移動しながら所定の処理が施される。この手段間の移動は、ロボットアーム等により行われる。

成形工程では、上記成形装置を用い、成形型２００内部に光学素材１を収容し、加熱プレートにそれぞれ上型３１及び下型３２を接触させて成形型２００を加熱して、光学素材１を軟化させる。

次いで、成形型２００に収容した光学素材１をプレス成形するために、加熱された成形型２００をプレス手段であるプレスプレート４０ｂ上に移動させ、載置する（図４（ａ））。

その後、プレスプレート４０ａを押し下げて、プレスプレート４０ａ，４０ｂによりプレス成形するが、プレスプレート４０ａを下降させると、プレスプレート４０ａは上型３１と接触して上型３１を押し下げていく。上型３１が押し下げられると、光学素材１はその圧力により変形し、プレス成形される。このプレス成形では、プレスプレート４０ａが外胴３４により規制されるまで下降させて押し切られ、プレスプレート４０ａ，４０ｂ間の距離は、外胴３４の高さにより決定され、このとき、光学素材１が所定の厚みになる（図４（ｂ））。

この加熱及びプレス工程において、光学素材１は、変形が可能な屈伏点（Ａｔ）以上に加熱されるが、一般的には、軟化点（ＳＰ）まで温度を上げるとレンズ表面が白濁するので、屈伏点（Ａｔ）−２０℃から軟化点（ＳＰ）の間の温度に設定する。

この加熱温度は、光学素材が加圧変形できる温度であればよく、屈伏点（Ａｔ）−２０℃と軟化点（ＳＰ）との中間付近の温度が好ましい。加熱手段及びプレス手段を所定の温度に設定して加熱することで、これらの加熱手段及びプレス手段に接触した上型３１及び下型３２は、温度が昇温していき設定温度と同じ温度にまで加熱される。

プレス工程では、上記したように成形型２００の上から圧力をかけることで光学素材１をプレス成形し、これにより光学素材１には上型３１及び下型３２の光学成形面３１ａ、３２ａが転写され、光学素子形状が付与される。

このプレス工程におけるプレス時の圧力は、２．５〜３７．５Ｎ／ｍｍ^２が好ましく、１０〜２０Ｎ／ｍｍ^２がより好ましい。ここで「プレス時の圧力」とは、光学素材１に加わる圧力をいう。

この後、成形型２００を冷却プレート上に移動させ、冷却プレートと成形型２００を接触させて成形型２００を冷却することによって、光学素材１を冷却、固化する。

この冷却工程においては、プレス成形された光学素材１が、歪点（ＳｔＰ）以下になるまで冷却することが好ましい。また、この冷却工程においても、光学素材１への加圧を継続することが好ましく、歪点（ＳｔＰ）以下の温度になるまで加圧を続けることがより好ましい。

さらに、この冷却中に、光学素材１の温度がガラス転移点（Ｔｇ）以下になったところで、光学素材１に加圧する圧力を変化させることが好ましい。例えば、光学素材１の温度が、ガラス転移点（Ｔｇ）以上のときにはプレス時の圧力と同じ圧力としておき、ガラス転移点（Ｔｇ）よりも低い温度になってからは圧力を高くする等、段階的に加圧してもよい。

ガラス転移点（Ｔｇ）以上の温度において、ガラス転移点（Ｔｇ）以下の温度の圧力より低圧にするのは、肉厚のバラツキを抑えるためであり、ガラス転移点（Ｔｇ）以下の温度域では押込み量がほとんどないので増圧しても問題はない。すなわち、光学素材１が固化状態に近づくガラス転移点（Ｔｇ）付近までは低い圧力で保圧し、ガラス転移点（Ｔｇ）付近からそれ以下の温度となり光学素材が固化するまで、より高い圧力をかける。このように冷却工程において圧力を継続してかけることにより光学素子の面形状が安定化する。

なお、ここで、「低い圧力」とは２．５Ｎ／ｍｍ^２以下をいい、「高い圧力」とは２．５Ｎ／ｍｍ^２超をいう。また、光学素材が歪点（ＳｔＰ）以下となり、固化した後は、さらに２０Ｎ／ｍｍ^２超となるような高い圧力をかけてもよい。このように段階的に圧力を高めることで光学素子の面ワレが生じる等の不具合が生じるのを抑制し、形状精度を向上できる。また、固化後の圧力としては、光学素材にワレが生じる等の不具合が生じない限りいかなる大きさであってもよいが、通常、３０Ｎ／ｍｍ^２程度が上限である。上記では２段階に圧力を増加させていく例を説明したが、それ以上の多段階で高めてもよい。ここで、「面ワレ」とは、光学素子を成形型から離型する際に、一部だけが先に離型し、その後に残りが離型した場合に、曲率が不連続な光学面が形成されて非球面形状精度が悪化する不良が生じる離型異常をいう。

そして、この冷却工程においては、成形型２００をさらに冷却させるために、例えば、水冷手段上へ移動させて冷却を行うことが好ましい。この水冷手段による冷却は、冷却工程で冷却された光学素材１をさらに急冷し、光学素材１を歪点（ＳｔＰ）付近の温度から成形型２００が酸化しない温度の２００℃以下まで冷却させる。ここで用いる水冷手段としては、上記冷却手段の冷却プレート内部に埋め込まれたヒータに代えて、冷却水を循環させる構成が挙げられる。

このようにして冷却、固化して得られた光学素子は、必要に応じてアニール等の歪みを除去する後処理等が施された後、その外周部を切削する等して所望の外径を有する光学素子形状に加工され、さらに、反射防止コート等が設けられ、最終的な製品とされる。

本実施形態の光学素子の製造方法においては、成形型による成形に先立って光学素材中に、酸化ビスマスを揮発除去させる熱処理を行っており、しかも、その熱処理は光学素材を非酸化性ガスのガス流によって浮上させつつ行っているので、光学素材表面の酸化ビスマスを十分に揮発除去できるとともに、熱処理装置との接触によって酸化ビスマスの揮発除去が妨げられる部分が生ずることもない。したがって、プレス成形時の曇りの原因となる光学素材表面の酸化ビスマスを、プレス成形の前に予め十分に除去しておくことができるため、曇りのない高品質の光学素子を歩留まり良く製造できる。

なお、以上説明した実施形態では熱処理装置としていわゆるバッチ式の装置を使用しているが、熱処理工程と成形工程を連続的に行うことができる装置構成とすることも可能である。この場合には、前述したように、熱処理後に、一旦、ビスマスの融点（Ｔｍ）より７０℃低い温度（Ｔｍ−７０℃）以下、例えば２００℃以下に冷却し、大気に曝露させ、その後、成形工程を行うことが好ましい。

このように、本実施形態の光学素子の製造方法においては、熱処理後に、一旦（Ｔｍ−７０℃）以下の温度に冷却し、大気に曝露させることで、光学素子成形素材の表面の酸化ビスマスを酸化状態に保ち、再加熱の際の還元を防止できる。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
酸化ビスマスを２２．２モル％含有するリン酸ビスマスニオブ系の光学素材（直径８ｍｍ、厚さ６ｍｍの楕円球形状、ガラス転移点（Ｔｇ）４８３℃、屈服点（Ａｔ）５２２℃）を用意し、これを図１に示した熱処理装置（凹部数８０個、凹部底部直径８ｍｍ、小孔数９００個、小孔直径２０μ）により、下記の条件で、ガス流により光学素材を浮上させつつ、常温より光学素材の表面温度が５７０℃になるまで加熱し、５７０℃で２分間保持した後、常温に戻した。常温に戻るまで、ガス流による光学素材の浮上を継続した。使用した光学素材の粘度曲線を図５に示す。
ガス：窒素ガス
ガス圧力：０．１ＭＰａ
ガス流量：１Ｌ／分

次いで、上記加熱処理済みの光学素材を、図４に示した成形型２００を用いて光学素子を成形した。

ここで用いた成形型２００は、外胴以外はタングステンカーバイドからなる超硬合金製で、プレス成形により、直径１５ｍｍ、中心厚さ４ｍｍ、周辺厚さ２ｍｍの両凸形状の光学素子が得られるものである。上型は胴部直径１７ｍｍ、フランジ直径２３ｍｍ、厚み３ｍｍであり、下型は胴部直径１７ｍｍ、フランジ直径２３ｍｍ、厚み３ｍｍである。内胴はその円筒状内径が１７ｍｍで、上型及び下型とはクリアランスを５μｍ設け、外径２３ｍｍ、長さ１８ｍｍである。外胴はステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）製で、その円筒状内径２３．２ｍｍ、外径２９ｍｍ、長さ２４．９ｍｍである。

まず、成形型２００の内部に加熱処理済の光学素材１を収容し、５３０℃程度に予備加熱した後、搬送手段により５３５℃に加熱されたプレスプレート４０ｂ上に搬送して載置すると同時に、プレスプレート４０ｂと同じ温度に加熱したプレスプレート４０ａを下降させて上型３１に接触させ、上型３１、下型３２及び光学素材１を１２０秒間加熱して、光学素材１を軟化させた。

次に、プレスプレート４０ａをさらに下降させ、上型３１及び下型３２により光学素材１をプレス成形した。成形時の圧力を２２Ｎ／ｍｍ^２とし、１００秒程度押圧して押切った。

次に、成形型２００を搬送手段により冷却手段上に搬送して載置させ、成形型２００全体を冷却した。光学素材１が歪点（ＳｔＰ）以下の温度となったところで、成形型２００を冷却手段から水冷手段上に搬送させて載置し、光学素材１を室温になるまで冷却した。冷却後、成形型２００から取り出し、光学素子を得た。

（実施例２）
熱処理の温度を６００℃とした以外は、実施例１と同様に熱処理し成形して光学素子を得た。

（比較例１）
ガス流による光学素材の浮上を行わなかった以外は、実施例１と同様に熱処理し成形して光学素子を得た。

（比較例２）
リン酸ビスマスニオブ系の光学素材に対し熱処理を全く行わず、実施例１と同様にして成形し、光学素子を得た。

上記実施例及び比較例で得られた光学素子表面の外観を目視にて観察した。また、得られた光学素子の表面の組成比をＸ線光電子分光（ＸＰＳ：X-ray photoelectron spectroscopy）で分析した。これらの結果を表１に示す。

表１から明らかなように、比較例１では熱処理時に光学素子が自重変形し、治具（光学素材受容板）との接触部に凹み及び曇りが発生した。また比較例２では、全面で曇りの発生が認められた。それに対し、実施例においては、全面で曇りのない高品質の光学素子が得られた。これにより、成形工程の前に、光学素材をガス流によって浮上させつつ熱処理することで、光学素子の曇りの発生を十分に抑制でき、製品の歩留まり向上に有効であることがわかった。

本発明の光学素子の製造方法及び製造装置は、ビスマス系光学素材をプレス成形して光学素子を製造する方法及び装置として有用である。

１…光学素材、２…光学素材受容板、３…ガス供給装置、５…ガス分配機構、６，７…ヒータ、２１…逆円錐状貫通孔、２２…上プレート、２３…小孔、２４…中間プレート、２５…円柱状貫通孔、２６…下プレート、２７…凹部、５１…ガス導入口、５２…ガス排出口、３１…上型、３２…下型、３３…内胴、３４…外胴、４０ａ，４０ｂ…プレスプレート、１００…熱処理装置、２００…成形型。

Claims (7)

1. ビスマス系光学素材を非酸化性ガス流により浮上させつつ加熱して、前記光学素材に含まれるビスマスを揮発除去する熱処理工程（Ａ）と、
   熱処理した前記ビスマス系光学素材を成形型を用いて所定の形状にプレス成形する成形工程（Ｂ）と
   を含むことを特徴とするに光学素子の製造方法。
2. 熱処理工程（Ａ）における熱処理温度が、ビスマス系光学素材の粘度ηが１×１０^１０ｄＰａ・ｓ以下となる温度である請求項１記載の光学素子の製造方法。
3. 熱処理工程（Ａ）の後、ビスマス系光学素材を（ビスマスの融点−７０℃）以下の温度まで冷却し、次いで、成形工程（Ｂ）において、ビスマス系光学素材を再び加熱して軟化させた後、プレス成形を行う請求項１または２記載の光学素子の製造方法。
4. ビスマス系光学素材を冷却後、大気中に曝露させる請求項３記載の光学素子の製造方法。
5. 熱処理工程（Ａ）において、ビスマス系光学素材を浮上させる非酸化性ガス流は、ビスマス系光学素材を受容する凹部の底面に設けられた１００〜３０００個の小孔から噴出させて形成されるガス流である請求項１乃至４のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
6. 前記ビスマス系光学素材が、酸化ビスマスを２０モル％以上含有するリン酸ビスマスニオブ系の光学素材であって、前記熱処理工程（Ａ）における熱処理温度が、４００〜６５０℃である請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
7. ビスマス系光学素材を非酸化性ガス流により浮上させつつ加熱して、前記光学素材に含まれるビスマスを揮発除去した後、熱処理した前記ビスマス系光学素材を成形型を用いて所定の形状にプレス成形する光学素子の製造装置であって、
   ビスマス系光学素材を受容し、その底面に複数の小孔を開口させた凹部を有する光学素材受容部材と、前記凹部に受容された光学素材を加熱する加熱手段と、前記複数の小孔より前記凹部内に非酸化性ガスを噴出させて、前記凹部に受容された光学素材を浮上させる非酸化性ガス流を形成するガス流形成手段と、を備えることを特徴とする光学素子の製造装置。

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