光学素材の処理方法及び光学素子の成形方法
【課題】本発明は、プレス成形において、曇りのない光学素子を得られ、歩留まりの向上、生産性の向上に寄与する光学素子の成形方法を提供する。
【解決手段】対向面が光学素子の成形面とされた一対の上型２及び下型３を互いに接近させて下型上に置かれた加熱軟化した光学素材５０を加圧して光学素子を成形する光学素子用成形型を用い、キレート剤と接触させるキレート処理工程を行ったビスマス系の光学素材を、上記光学素子用成形型に収容し、該光学素子用成形型を加熱して成形型内の光学素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素材を、プレス手段を用いて光学素子用成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、光学素子用成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学素材を固化させる冷却工程と、を有する光学素子の成形方法。
【解決手段】対向面が光学素子の成形面とされた一対の上型２及び下型３を互いに接近させて下型上に置かれた加熱軟化した光学素材５０を加圧して光学素子を成形する光学素子用成形型を用い、キレート剤と接触させるキレート処理工程を行ったビスマス系の光学素材を、上記光学素子用成形型に収容し、該光学素子用成形型を加熱して成形型内の光学素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素材を、プレス手段を用いて光学素子用成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、光学素子用成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学素材を固化させる冷却工程と、を有する光学素子の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素材の処理方法及び光学素子の成形方法に係り、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プレス成形において、光学素子の曇りの発生を抑制するための光学素材の処理方法及び光学素子の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学素子を得るために、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なる光学素子のプレス成形方法が一般に使用されてきた。
【０００３】
このようにして得られる光学素子は、その用途等に応じて光学定数をはじめとする特性を所望の値にするために、さまざまな元素が含まれた光学硝子（光学素材）から適したものを選択して成形される。このとき、高屈折率の光学素子を成形する場合には、ビスマス系ガラスからなる光学素材の使用が多い。ところが、ビスマス系ガラスのプレス成形は、光学素子に曇りが生じ易く、歩留まりが低下することがあった。
【０００４】
この曇りは、プレス成形における高温環境下での使用により、酸化ビスマス（Ｂｉ2 Ｏ3 ）が還元され酸素ガスが生じ、このガスが光学硝子（光学素材）の外部に放出されることに起因するものと考えられている。すなわち、ここで生じたガスは、プレス成形時に、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することで光学素子に曇りが生じ、歩留まりが低下するものと考えられている。
【０００５】
このような曇りの発生を抑制するために、成形に際して、光学素材を加熱する部分と、押圧成形する部分とを分離し、加熱時に、表面部の酸化ビスマスを十分に揮発させておき、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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−７２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載の方法では、酸化ビスマスの揮発を十分に行わせるために、加熱したまま保持する時間を設けなければならず、また、揮発工程の後、成形に適した温度に改めて温度設定を行わなければならないため、その装置及び工程が煩雑になり、生産性の向上に必ずしも寄与しない構成となっていた。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の事情に対処してなされたもので、従来と同じ簡便なプレス成形操作により、曇りの発生のない光学素子が得られ、歩留まりの向上、生産性の向上に寄与する光学素子の成形方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光学素材の処理方法は、ビスマス系の光学素材を用いて光学素子をプレス成形するにあたり、プレス成形に先立って前記ビスマス系の光学素材をキレート剤と接触させるキレート処理工程を行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の光学素子の成形方法は、対向面が光学素子の成形面とされた一対の上型及び下型を互いに接近させて下型上に置かれた加熱軟化した光学素材を加圧して光学素子を成形する光学素子用成形型を用い、上記光学素材の処理方法で得られた光学素材を、前記光学素子用成形型に収容し、前記光学素子用成形型を加熱して該成形型内の光学素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素材を、プレス手段を用いて前記光学素子用成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、前記光学素子用成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学素材を固化させる冷却工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光学素材の処理方法によれば、ビスマス系の光学素材をキレート剤と接触させるという簡便な処理によって、光学素材表面のビスマス濃度を低減できる。そして、本発明の光学素子の成形方法によれば、上記の光学素材の処理方法によりビスマス濃度の低減された光学素材を用いるため、プレス成形においてビスマスに起因すると考えられる光学素子の曇りを効果的に抑制でき、製品の歩留まりを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】光学素子用成形型によるプレス工程の動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１４】
本発明の光学素材の処理方法は、プレス成形により光学素子を製造する際に用いる光学素材（プリフォーム）を、プレス成形を行う前に、キレート剤と接触させるものである。ここで用いられる光学素材は、プレス成形時にガス発生等により問題があるとされるビスマス系の光学素材である。
【００１５】
本発明で用いる光学素材は、ビスマス系の光学素材であって、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Ｂｉ2 Ｏ3 が必須の成分である。このＢｉ2 Ｏ3 は、光学素材中に１０ｍｏｌ％以上、好ましくは２０ｍｏｌ％以上含有する場合に、本発明が好適に作用する。また、光学素材中の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が挙げられる。この光学素材の組成は、例えば、Ｐ２Ｏ５−Ｂｉ２Ｏ３−Ｎｂ２Ｏ５系ガラスであって、ｍｏｌ％表示で、Ｐ２Ｏ５：８〜３０、Ｂｉ２Ｏ３：２〜５３、Ｎｂ２Ｏ５：７〜３３、Ｂ２Ｏ３：０〜１３、ＧｅＯ２：０〜４０、ＢａＯ：０〜６、Ｌｉ２Ｏ：０〜２６、Ｎａ２Ｏ：０〜２２、Ｋ２Ｏ：０〜１０、ＴｉＯ２：０〜８、ＷＯ３：０〜１０、ＳｉＯ２：０〜５、別の一例としては、Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３−Ｎａ２Ｏ−Ｋ２Ｏ−Ｂｉ２Ｏ３−Ｎｂ２Ｏ５−ＷＯ３系ガラスであって、ｍｏｌ％表示で、Ｐ２Ｏ５：２２〜３２、Ｂ２Ｏ３：３〜８、Ｎａ２Ｏ：２〜２０、Ｋ２Ｏ：１〜５、Ｂｉ２Ｏ３：１２〜２０、Ｎｂ２Ｏ５：１２〜２０、ＷＯ３：５〜１２、Ｌｉ２Ｏ：０〜２０、ＴｉＯ２：０〜１０、さらに別の一例としては、Ｂ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＴｅＯ２系ガラスであって、ｍｏｌ％表示で、Ｂ２Ｏ３：１５〜３０、Ｂｉ２Ｏ３：３０〜４８、ＴｅＯ２：０．１〜２０、Ｐ２Ｏ５：０〜２０、ＳｉＯ２：０〜２０、Ａｌ２Ｏ３：０〜５、Ｌｉ２Ｏ：０〜２０、ＴｉＯ２：０〜１５、ＺｎＯ：０〜１５、ＣａＯ：０〜８、ＳｒＯ：０〜５、ＢａＯ：０〜５、などが具体的なものとして挙げられる。
【００１６】
この光学素材をキレート剤と接触させることにより、キレート剤はビスマスと錯化合物を形成し、その後洗浄することで、その錯化合物は洗い流されるため、光学素材表面のビスマス濃度が低減すると考えられる。
【００１７】
このようにして、光学素材の表面からビスマスが除去されるため、本発明のキレート剤との接触処理により得られた光学素材は、光学素子とするためのプレス成形時に不要なガスの発生が抑制され、得られる光学素子が曇るのを防止できる。
【００１８】
なお、このキレート処理で用いられるキレート剤は、ビスマスと錯化合物を形成するものであれば、公知のキレート剤を何ら制限されることなく使用できる。ここで使用できるキレート剤としては、例えば、ＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）、クエン酸、酒石酸、シュウ酸、グルコン酸、ヘプトン酸、リンゴ酸、アスコルビン酸等が挙げられる。これらのキレート剤は、一般に、リチウム、ナトリウム又はカリウム塩として使用され、単独で使用してもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。
【００１９】
キレート剤は溶媒に溶解してキレート溶液とし、得られたキレート溶液を光学素材表面へ塗布、噴霧等、又はキレート溶液中に光学素材を浸漬する等により接触できる。キレート溶液とするのに用いる溶媒としては、用いるキレート剤を十分に溶解できるものであればよく、例えば、水、有機溶剤（クロロホルム、トルエン、ヘキサン、酢酸エチル、四塩化炭素）等が挙げられる。
【００２０】
キレート溶液の濃度は、０．１〜２０質量％とすることが好ましい。また、ｐＨ調整を行うことがキレート処理を効率的に行う観点から好ましく、その際には、キレート剤の種類により、適宜最適なｐＨの範囲を定めればよい。例えば、ＥＤＴＡを使用する場合には、キレート溶液のｐＨを７〜１１程度の弱アルカリ性とすることが好ましく、クエン酸、酒石酸等を使用する場合には、キレート溶液のｐＨを１〜３程度の強酸性とすることが好ましい。
【００２１】
また、このキレート溶液との接触処理において、キレート溶液の温度を２０〜５０℃に加温して行ったり、２８〜１００ｋＨｚの超音波を照射しながら行ったり、することが光学素材表面におけるキレート反応を促進し、光学素材表面のビスマス濃度をより低減できる観点から好ましく、両者を同時に行うことがより好ましい。
【００２２】
キレート処理を行った後、処理後の光学素材は洗浄液により洗浄され、表面に残存するキレート溶液が洗い流され、プレス成形用の光学素材とする。ここで用いられる洗浄液としては、純水、アルカリ溶液、有機溶剤等が挙げられ、純水以外の洗浄液を使用した場合は、最後に純水により洗浄することが好ましい。ここでの洗浄は、異なる洗浄液により複数回の洗浄を行うことが好ましい。また、洗浄の際に、超音波を照射して行ってもよい。
【００２３】
なお、キレート処理を行った後、プレス成形前に、光学素材を０．１〜１０Ｐａの圧力条件で４５０〜６００℃で加熱処理（真空ベーク）したり、光学素材表面にカーボンコートを施したりすると、より成形型のメンテナンス回数が減らせるため好ましい。ここで、メンテナンスは、成形型を繰り返し使用していくと、その成形面が上記した光学素材から生じるガスの影響等によって荒れ、得られる光学素子の表面形状も徐々に荒れていくため、これを回避するのに必要な作業である。
【００２４】
次に、本発明の光学素子の成形方法について説明する。本発明の光学素子の成形方法は、上記した光学素材の処理方法により得られたキレート処理済みの光学素材を、プレス成形用の光学素材とする。なお、本発明の光学素子の成形方法は、プレス成形に用いる光学素材をキレート処理して得られたものとしたこと以外は、通常のプレス成形と同様の条件で成形すればよい。
【００２５】
ここで、図１は本発明の一実施形態である光学素子用成形型を用いたプレス工程を説明する図である。図１に示した光学素子用成形型１は、光学素子の上面を成形する上型２、光学素子の下面を成形する下型３、上型２及び下型３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４と、内胴４の外周に嵌合され、上型２及び下型３の上下方向の距離を規制するための円筒状の外胴５と、から構成されている。
【００２６】
本実施形態において、上型２及び下型３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２及び下型３は光学素子を形成するため、上型２には光学素子の上面を形成する上成形面が、下型３には光学素子の下面を形成する下成形面が形成されている。そして、上型２及び下型３は、これら上成形面と下成形面とを対向させてなる一対の成形型として使用される。
【００２７】
また、内胴４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２及び下型３の円柱状の胴部が嵌合可能なようになっている。この内胴４は、上型２及び下型３を嵌合してプレスする際に、これら上型２及び下型３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。
【００２８】
次に、外胴５は、内胴４と同様に中空円筒形状であるが、その中空部分は内胴４が嵌合され、上型２及び下型３間の距離を規制する。具体的には、この外胴５は、プレス成形時において、上型２及び下型３を互いに接近させて下型３上に置かれた光学素材５０を加圧するときに、その加圧のためのプレス手段１０ａ、１０ｂの加圧面間の距離を規制することで、上型２及び下型３の距離を規制する。ここで、外胴５は、内胴４と同一の中心軸を有する。
【００２９】
この光学素子成形型１は、超硬合金、セラミックス等の素材からなり、上型２及び下型３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がそれぞれ対向する面に形成されている。この図１では、成形型として両凸形状の光学素子を製造するものを図示したが、光学素子形状はこれに限定されるものではなく、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。
【００３０】
なお、外胴５は、上記セラミックス以外にも、ステンレス、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が、光学素材の上下方向の熱膨張量よりも大きくすることが、成形操作において光学素子に圧力が抜ける時間を生じさせることなく、成形の安定性の点から好ましい。
【００３１】
次に、この光学素子用成形型１を用いた光学素子の成形方法について説明する。
【００３２】
まず、本発明の光学素子の成形方法に用いる成形装置について説明するが、この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、該チャンバーの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、が、この順番に並べられてなる。
【００３３】
ここで、成形室であるチャンバーは、その内部において、光学素子の成形操作を行うものであり、光学素材５０を軟化し、変形を容易にするものであって高温に加熱されるため、成形型１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ものである。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。
【００３４】
ここで、加熱手段は、成形型に収容された光学素材を軟化させるものであり、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により、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。
【００３５】
また、プレス手段は、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により光学素子の成形を行うものであり、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。
【００３６】
最後に、冷却手段は、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、固化するものであり、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により、上型及び下型を冷却でき、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。
【００３７】
そして、光学素子用成形型１は、これら加熱手段、プレス手段、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ものであり、この手段間の移動は図示していないがロボットアーム等により行われる。
【００３８】
まず、上記した光学素子の製造装置を用い、光学素子用成形型１の内部に光学素材を収容し、加熱プレートにそれぞれ上型２及び下型３を接触させて光学素子用成形型を加熱して、予め所定の温度まで熱して光学素材を軟化させる。
【００３９】
次いで、光学素子用成形型１に収容した光学素材５０をプレス成形するために、まず、加熱された光学素子用成形型１をプレス手段であるプレスプレート１０ｂ上に移動させ、載置する（図１（ａ））。
【００４０】
その後、プレスプレート１０ａを押し下げてプレスプレート１０ａ及び１０ｂによりプレス成形するが、プレスプレート１０ａを下降させると、プレスプレート１０ａは上型２と接触して上型２を押し下げていく。上型２が押し下げられると、光学素材５０はその圧力により変形し、プレス成形が行われる。このプレス成形では、プレスプレート１０ａが外胴５により規制されるまで下降させて押し切ることで行われ、プレスプレート１０ａ，１０ｂ間の距離は、外胴５の高さにより決定され、このとき、光学素材５０が所定の厚みになる（図１（ｂ））。
【００４１】
この加熱及びプレス工程において、光学素材は、変形が容易な屈伏点以上に加熱されるが、一般的には、軟化点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）から軟化点の間の温度に設定する。
【００４２】
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、屈伏点と軟化点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、これら加熱手段及びプレス手段に接触した上型２及び下型３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。
【００４３】
プレス工程では、上記したように成形型の上下から圧力をかけることで光学素材５０をプレス成形し、これにより光学素材には上型２及び下型３の光学成形面が転写され、光学素子形状が付与される。
【００４４】
このプレス工程におけるプレス時の圧力は、２．５〜３７．５Ｎ／ｍｍ２が好ましく、例えば、１０〜２０Ｎ／ｍｍ２が特に好ましい。ここで言うプレス時の圧力とは、光学素材に加わる圧力を指す。
【００４５】
なお、このプレス工程において、光学素材中に含有する酸化ビスマス（Ｂｉ2 Ｏ3 ）が還元雰囲気下（Ｎ２ガス雰囲気等）で加熱されるため還元され、光学素材表面からＯ2 ガスが放出され、これが曇りの原因になっているものと考えられている。すなわち、光学素材表面から放出されたガスは、光学素材とプレス成形中の成形型との間で他に逃げ場が無くなり、そのままプレス成形されることで、そのガスの体積分だけ光学素材表面に微小な孔を形成し、この微小な孔が多数集まることによって曇りが生じていると考えられる。
【００４６】
本発明においては、プレス成形前に、光学素材をキレート処理することによって、光学素材表面の酸化ビスマス（Ｂｉ2 Ｏ3 ）中のＢｉを錯化合物とし、加熱プレス時のＢｉ2 Ｏ3 の還元を抑制し、プレス成形中に生じるＯ2 ガス量を大幅に低減させることで、Ｏ2 ガスによる光学素子表面への微小な孔の形成を抑制して、曇りを生じさせないようにした。
【００４７】
そして、このようにプレス工程で光学素材に光学素子形状を付与した後、光学素子用成形型１を、今度は冷却プレート上に移動させて、冷却プレートと光学素子用成形型１を接触させて、光学素子用成形型１を冷却することによって、光学素材を冷却、固化する。
【００４８】
この冷却工程においては、成形された光学素材５０が、歪点以下になるまで冷却することが好ましい。この冷却工程においても、光学素材５０への加圧を継続することが好ましく、上記歪点以下の温度になるまで加圧を続けることが好ましい。
【００４９】
さらに、この冷却中に、光学素材の温度がガラス転移点以下になったところで、光学素材に加圧する圧力を変化させることもでき、例えば、光学素材５０の温度が、ガラス転移点以上のときにはプレス時の圧力と同じ圧力としておき、ガラス転移点よりも低い温度になってからは圧力を高くして、段階的に加圧してもよい。
【００５０】
ガラス転移点以上の温度において低圧にするのは、肉厚バラツキを抑えるためであり、それ以下の温度域では押込み量がほとんど無いので増圧しても問題ない。すなわち、光学素材が硬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する。
【００５１】
なお、ここで、低い圧力とは２．５Ｎ／ｍｍ２以下、高い圧力とは２．５Ｎ／ｍｍ２超である。また、光学素材が歪点以下となり、固化した後は、さらに２０Ｎ／ｍｍ２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ことを抑制し、形状精度を向上できる。また、固化した後の圧力としては、光学素材にワレが生じる等の不具合が生じない限りはどのような圧力でもよいが、通常、３０Ｎ／ｍｍ２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、それ以上の多段階として増圧してもよい。本明細書において、面ワレとは、光学素子が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のことをいう。
【００５２】
そして、この冷却工程においては、成形型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をさらに急冷させ、光学素材を歪点付近の温度から成形型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換えて冷却水を循環させる構成としたものが挙げられる。
【００５３】
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工程等に付されて歪み等を除去する等の後処理を施し、さらにその外周部を切削等により所望の径を有する光学素子形状に加工し、反射防止コート等を施して最終的な製品とされる。
【実施例】
【００５４】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。まず、光学素材のキレート処理について説明する
【００５５】
（実施例１）
酸化ビスマスを２２．２ｍｏｌ％含有するリン酸ビスマスニオブ系の光学素材を用意し、これを８質量％のＥＤＴＡ溶液（溶媒：硝酸水溶液、ｐＨ ４．４）に浸漬し、１００ｋＨｚの超音波照射しながら、３０分間キレート処理した。
【００５６】
Ｘ線光電子分光法により処理前後の光学素子の表面組成を分析したところ、本発明のキレート処理が光学素子のビスマス濃度を減少させることがわかった。ここで、ビスマス濃度は、処理前後の光学素子表面の表面組成からビスマスの組成割合（ａｔ％；検出器が検出した総原子数に対する対象原子の割合を百分率で示したもの）をそれぞれ求め、〔処理前のビスマスの組成割合／処理後のビスマスの組成割合〕でビスマスの変化割合を算出した。本実施例のビスマスの変化割合は０．８０であった。この結果を表１に示した。
【００５７】
（実施例２〜５）
ＥＤＴＡ溶液の濃度、ｐＨ及び処理時間を表１に示した条件とした以外は、実施例１と同様の操作により光学素材のキレート処理を行った。その際のビスマスの変化割合を表１にまとめて示した。なお、ＥＤＴＡ溶液としては、５質量％濃度の関東化学株式会社製のＥＤＴＡ溶液（二ナトリウム塩又は四ナトリウム塩四水和物品；ｐＨ１１）を用い、濃度調整、ｐＨ調整を行った。本実施例において、濃度調整は純水を使用し、ｐＨ調整は、硝酸又は水酸化ナトリウムを用いて行った。
【００５８】
（実施例６、７）
キレート剤として、ＥＤＴＡ溶液の代わりに１０質量％のクエン酸溶液（実施例６；ｐＨ １．６）、１０質量％酒石酸溶液（実施例７；ｐＨ １．５）とした以外は、実施例１と同様の操作により光学素材のキレート処理を行った。
【００５９】
（実施例８）
ＥＤＴＡ溶液として１０質量％のＥＤＴＡ溶液を４０℃に加温したものを用い、４０ｋＨｚの超音波を照射した以外は、実施例１と同様の操作により光学素材のキレート処理を行った。
【００６０】
（比較例１）
実施例１で用いたのと同一の酸化ビスマスを２２．２ｍｏｌ％含有するリン酸ビスマスニオブ系の光学素材を用意し、これをＫＯＨ溶液に浸漬し、４０℃に加温し、４０ｋＨｚの超音波を照射しながら、９０秒間処理した。その後、市水によるシャワー洗浄、弱アルカリ洗剤溶液に４０ｋＨｚの超音波を照射しながら１１０秒間浸漬洗浄、市水による浸漬洗浄、純水に４０ｋＨｚの超音波を照射しながら浸漬洗浄、を順次行った。
【００６１】
さらに、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）に２８ｋＨｚの超音波を照射しながら浸漬洗浄し、その後８２℃（ＩＰＡの沸点）のＩＰＡの蒸気中で加温し、ゆっくり引き上げることで光学素材表面に残っているイソプロピルアルコールを蒸発させて除去した。
【００６２】
【表１】
【００６３】
【表２】
【００６４】
（実施例９〜１６、比較例２〜３）
次に、光学素子の成形方法について説明する。
実施例１〜８で得られた処理済の光学素材（それぞれ実施例９〜１６に対応）、比較例１のアルカリ処理済の光学素材（比較例２）及び何も処理をしていない光学素材（比較例３）を使用し、光学素子用成形型を用いて以下の通り光学素子を成形した。
【００６５】
ここで用いた光学素子用成形型は、タングステンカーバイドからなる超硬合金製であり、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。上型は胴部の直径がφ１７ｍｍ、フランジの直径がφ２３ｍｍ、厚みが３ｍｍであり、下型は胴部の直径がφ１７ｍｍ、フランジの直径がφ２３ｍｍ、厚みが３ｍｍであり、内胴はその円筒状の内径がφ１７ｍｍで上型及び下型とはクリアランスを５μｍ設け、外径がφ２３ｍｍ、長さが１８ｍｍである。なお、外胴はＳＵＳ３１６Ｌ製で、その円筒状の内径がφ２３．２ｍｍ、外径がφ２９ｍｍ、長さが２４．９ｍｍのものを用いた。
【００６６】
次に上記した光学素子用成形型を用いて次のようにプレス成形した。
【００６７】
光学素子用成形型の内部に直径φ１０．７ｍｍで、厚さが６．７ｍｍの楕円球形状した、実施例１〜８で得られた処理済の光学素材、比較例１のアルカリ処理済の光学素材及び何も処理をしていない光学素材をそれぞれ収容し、成形型を５３５℃に加熱した。なお、この光学素材のガラス転移点（Ｔｇ）は４８３℃、屈伏点（Ａｔ）は５２２℃である。
【００６８】
光学素材を収容した成形型を、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１０ｂ上に搬送して載置すると同時に、プレスプレート１０ｂと同じ温度に維持されたプレスプレート１０ａを、下降させて上型２に接触させ、上型２、下型３及び光学素材５０を１２０秒間十分に加熱し、昇温させて光学素材を軟化状態とした。
【００６９】
次に、上型２、下型３及び光学素材５０が十分に加熱され、プレスプレート１０ａ及び１０ｂと同程度の温度（５３５℃程度）となったところで、プレスプレート１０ａをさらに下降させ、上型２及び下型３により光学素材５０をプレス成形した。成形時の圧力を２２Ｎ／ｍｍ２とし、１００秒程度押圧して押切った。
【００７０】
次に、光学素子用成形型１を搬送手段により冷却手段上に搬送して載置させ、成形型全体を冷却し、光学素材の歪点以下になるまで冷却した。
【００７１】
光学素材が歪点以下の温度となったところで、成形型を冷却手段から水冷手段上に搬送させて載置し、光学素材を室温になるまで冷却した。光学素材が十分に冷却したところで、成形型から取り出し、光学素子を得た。
【００７２】
（実施例１７）
実施例８で得られた光学素材を、１Ｐａ、５４５℃で真空ベーク処理を行い、次いで、１ｎｍ厚の炭素被膜を形成して、プレス成形用の光学素材を得た。この光学素材を上記実施例８〜１６と同様の条件でプレス成形を行い、光学素子を得た。
【００７３】
（比較例４）
実施例１で用いたのと同一の酸化ビスマスを２２．２ｍｏｌ％含有するリン酸ビスマスニオブ系の光学素材を用意し、これをＫＯＨ溶液に浸漬し、４０℃に加温し、４０ｋＨｚの超音波を照射しながら、９０秒間処理した。その後、市水によるシャワー洗浄、弱アルカリ洗剤溶液に４０ｋＨｚの超音波を照射しながら１１０秒間浸漬洗浄、市水による浸漬洗浄、純水に４０ｋＨｚの超音波を照射しながら浸漬洗浄、を順次行った。
【００７４】
さらに、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）に２８ｋＨｚの超音波を照射しながら浸漬洗浄し、その後８２℃（ＩＰＡの沸点）のＩＰＡの蒸気中で加温し、ゆっくり引き上げることで光学素材表面に残っているイソプロピルアルコールを蒸発させて除去した。これに、１Ｐａ、５４５℃で真空ベーク処理を行い、次いで、１ｎｍ厚の炭素被膜を形成して、プレス成形用の光学素材を得た。この光学素材を上記実施例８〜１６と同様の条件でプレス成形を行い、光学素子を得た。
【００７５】
（試験例）
〔成形可能温度範囲〕
上記実施例及び比較例において、プレス成形温度を５１０〜５４０℃まで１℃ずつ変化させていったときに、形状不良が生じることなく成形可能な温度範囲を調べたところ、実施例９〜１６は５℃、実施例１７は９℃、比較例３は３℃であった。成形可能な温度範囲は広い方が安定して成形が可能で、通常は、この温度範囲が広いと高温でのプレス成形も可能となる。１℃でも高い温度でのプレス成形が可能となると、冷却時における光学素子の固化状態を安定にでき、光学素子の効率的な製造に寄与できる。
【００７６】
〔連続使用回数〕
また、上記実施例及び比較例で得られた光学素子の表面の外観観察を行ったところ、全ての光学素子について曇りはみられなかったが、光学素子成形型を連続使用していくと、光学素子表面から還元により発生したＢｉが金型表面に堆積し、そのＢｉが一定量堆積するとＢｉ自体が気体（蒸気圧をもち）になり光学素子表面に細かい泡が多数発生したと考えられる、曇りが発生した。ここで、外観観察はハロゲンランプを光源として、その透過光を目視により観察することで、キズ、泡、曇りの有無を確認した。
【００７７】
実施例８（ＥＤＴＡ処理）、実施例１７（ＥＤＴＡ処理＋真空ベーク＋炭素コート）及び比較例３（未処理品）、比較例４（真空ベーク＋炭素コート）について、上記曇りの生じる直前のプレス回数を調べ、これを連続使用可能な回数としたところ、実施例８は１５回、実施例１７は２５回、比較例２，３は５回、比較例４は１５回であった。この連続使用可能な回数は、これが多いほど成形型のメンテナンス回数が減るため、より生産性を向上させることができる。
【００７８】
以上に示したように、本発明の光学素子の成形方法により、ビスマス系の光学素材を用いた場合において、プレス成形前に事前にキレート処理しておくことで、光学素子の曇りの発生を抑制でき、製品の歩留まり向上に有効であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の光学素材の処理方法及び光学素子の成形方法は、プレス成形による光学素子の製造に好適に使用できる。
【符号の説明】
【００８０】
１…光学素子用成形型、２…上型、３…下型、４…内胴、５…外胴、１０ａ，１０ｂ…プレスプレート、５０…光学素材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素材の処理方法及び光学素子の成形方法に係り、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プレス成形において、光学素子の曇りの発生を抑制するための光学素材の処理方法及び光学素子の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学素子を得るために、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なる光学素子のプレス成形方法が一般に使用されてきた。
【０００３】
このようにして得られる光学素子は、その用途等に応じて光学定数をはじめとする特性を所望の値にするために、さまざまな元素が含まれた光学硝子（光学素材）から適したものを選択して成形される。このとき、高屈折率の光学素子を成形する場合には、ビスマス系ガラスからなる光学素材の使用が多い。ところが、ビスマス系ガラスのプレス成形は、光学素子に曇りが生じ易く、歩留まりが低下することがあった。
【０００４】
この曇りは、プレス成形における高温環境下での使用により、酸化ビスマス（Ｂｉ2 Ｏ3 ）が還元され酸素ガスが生じ、このガスが光学硝子（光学素材）の外部に放出されることに起因するものと考えられている。すなわち、ここで生じたガスは、プレス成形時に、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することで光学素子に曇りが生じ、歩留まりが低下するものと考えられている。
【０００５】
このような曇りの発生を抑制するために、成形に際して、光学素材を加熱する部分と、押圧成形する部分とを分離し、加熱時に、表面部の酸化ビスマスを十分に揮発させておき、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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−７２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載の方法では、酸化ビスマスの揮発を十分に行わせるために、加熱したまま保持する時間を設けなければならず、また、揮発工程の後、成形に適した温度に改めて温度設定を行わなければならないため、その装置及び工程が煩雑になり、生産性の向上に必ずしも寄与しない構成となっていた。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の事情に対処してなされたもので、従来と同じ簡便なプレス成形操作により、曇りの発生のない光学素子が得られ、歩留まりの向上、生産性の向上に寄与する光学素子の成形方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光学素材の処理方法は、ビスマス系の光学素材を用いて光学素子をプレス成形するにあたり、プレス成形に先立って前記ビスマス系の光学素材をキレート剤と接触させるキレート処理工程を行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の光学素子の成形方法は、対向面が光学素子の成形面とされた一対の上型及び下型を互いに接近させて下型上に置かれた加熱軟化した光学素材を加圧して光学素子を成形する光学素子用成形型を用い、上記光学素材の処理方法で得られた光学素材を、前記光学素子用成形型に収容し、前記光学素子用成形型を加熱して該成形型内の光学素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素材を、プレス手段を用いて前記光学素子用成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、前記光学素子用成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学素材を固化させる冷却工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光学素材の処理方法によれば、ビスマス系の光学素材をキレート剤と接触させるという簡便な処理によって、光学素材表面のビスマス濃度を低減できる。そして、本発明の光学素子の成形方法によれば、上記の光学素材の処理方法によりビスマス濃度の低減された光学素材を用いるため、プレス成形においてビスマスに起因すると考えられる光学素子の曇りを効果的に抑制でき、製品の歩留まりを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】光学素子用成形型によるプレス工程の動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１４】
本発明の光学素材の処理方法は、プレス成形により光学素子を製造する際に用いる光学素材（プリフォーム）を、プレス成形を行う前に、キレート剤と接触させるものである。ここで用いられる光学素材は、プレス成形時にガス発生等により問題があるとされるビスマス系の光学素材である。
【００１５】
本発明で用いる光学素材は、ビスマス系の光学素材であって、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Ｂｉ2 Ｏ3 が必須の成分である。このＢｉ2 Ｏ3 は、光学素材中に１０ｍｏｌ％以上、好ましくは２０ｍｏｌ％以上含有する場合に、本発明が好適に作用する。また、光学素材中の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が挙げられる。この光学素材の組成は、例えば、Ｐ２Ｏ５−Ｂｉ２Ｏ３−Ｎｂ２Ｏ５系ガラスであって、ｍｏｌ％表示で、Ｐ２Ｏ５：８〜３０、Ｂｉ２Ｏ３：２〜５３、Ｎｂ２Ｏ５：７〜３３、Ｂ２Ｏ３：０〜１３、ＧｅＯ２：０〜４０、ＢａＯ：０〜６、Ｌｉ２Ｏ：０〜２６、Ｎａ２Ｏ：０〜２２、Ｋ２Ｏ：０〜１０、ＴｉＯ２：０〜８、ＷＯ３：０〜１０、ＳｉＯ２：０〜５、別の一例としては、Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３−Ｎａ２Ｏ−Ｋ２Ｏ−Ｂｉ２Ｏ３−Ｎｂ２Ｏ５−ＷＯ３系ガラスであって、ｍｏｌ％表示で、Ｐ２Ｏ５：２２〜３２、Ｂ２Ｏ３：３〜８、Ｎａ２Ｏ：２〜２０、Ｋ２Ｏ：１〜５、Ｂｉ２Ｏ３：１２〜２０、Ｎｂ２Ｏ５：１２〜２０、ＷＯ３：５〜１２、Ｌｉ２Ｏ：０〜２０、ＴｉＯ２：０〜１０、さらに別の一例としては、Ｂ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＴｅＯ２系ガラスであって、ｍｏｌ％表示で、Ｂ２Ｏ３：１５〜３０、Ｂｉ２Ｏ３：３０〜４８、ＴｅＯ２：０．１〜２０、Ｐ２Ｏ５：０〜２０、ＳｉＯ２：０〜２０、Ａｌ２Ｏ３：０〜５、Ｌｉ２Ｏ：０〜２０、ＴｉＯ２：０〜１５、ＺｎＯ：０〜１５、ＣａＯ：０〜８、ＳｒＯ：０〜５、ＢａＯ：０〜５、などが具体的なものとして挙げられる。
【００１６】
この光学素材をキレート剤と接触させることにより、キレート剤はビスマスと錯化合物を形成し、その後洗浄することで、その錯化合物は洗い流されるため、光学素材表面のビスマス濃度が低減すると考えられる。
【００１７】
このようにして、光学素材の表面からビスマスが除去されるため、本発明のキレート剤との接触処理により得られた光学素材は、光学素子とするためのプレス成形時に不要なガスの発生が抑制され、得られる光学素子が曇るのを防止できる。
【００１８】
なお、このキレート処理で用いられるキレート剤は、ビスマスと錯化合物を形成するものであれば、公知のキレート剤を何ら制限されることなく使用できる。ここで使用できるキレート剤としては、例えば、ＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）、クエン酸、酒石酸、シュウ酸、グルコン酸、ヘプトン酸、リンゴ酸、アスコルビン酸等が挙げられる。これらのキレート剤は、一般に、リチウム、ナトリウム又はカリウム塩として使用され、単独で使用してもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。
【００１９】
キレート剤は溶媒に溶解してキレート溶液とし、得られたキレート溶液を光学素材表面へ塗布、噴霧等、又はキレート溶液中に光学素材を浸漬する等により接触できる。キレート溶液とするのに用いる溶媒としては、用いるキレート剤を十分に溶解できるものであればよく、例えば、水、有機溶剤（クロロホルム、トルエン、ヘキサン、酢酸エチル、四塩化炭素）等が挙げられる。
【００２０】
キレート溶液の濃度は、０．１〜２０質量％とすることが好ましい。また、ｐＨ調整を行うことがキレート処理を効率的に行う観点から好ましく、その際には、キレート剤の種類により、適宜最適なｐＨの範囲を定めればよい。例えば、ＥＤＴＡを使用する場合には、キレート溶液のｐＨを７〜１１程度の弱アルカリ性とすることが好ましく、クエン酸、酒石酸等を使用する場合には、キレート溶液のｐＨを１〜３程度の強酸性とすることが好ましい。
【００２１】
また、このキレート溶液との接触処理において、キレート溶液の温度を２０〜５０℃に加温して行ったり、２８〜１００ｋＨｚの超音波を照射しながら行ったり、することが光学素材表面におけるキレート反応を促進し、光学素材表面のビスマス濃度をより低減できる観点から好ましく、両者を同時に行うことがより好ましい。
【００２２】
キレート処理を行った後、処理後の光学素材は洗浄液により洗浄され、表面に残存するキレート溶液が洗い流され、プレス成形用の光学素材とする。ここで用いられる洗浄液としては、純水、アルカリ溶液、有機溶剤等が挙げられ、純水以外の洗浄液を使用した場合は、最後に純水により洗浄することが好ましい。ここでの洗浄は、異なる洗浄液により複数回の洗浄を行うことが好ましい。また、洗浄の際に、超音波を照射して行ってもよい。
【００２３】
なお、キレート処理を行った後、プレス成形前に、光学素材を０．１〜１０Ｐａの圧力条件で４５０〜６００℃で加熱処理（真空ベーク）したり、光学素材表面にカーボンコートを施したりすると、より成形型のメンテナンス回数が減らせるため好ましい。ここで、メンテナンスは、成形型を繰り返し使用していくと、その成形面が上記した光学素材から生じるガスの影響等によって荒れ、得られる光学素子の表面形状も徐々に荒れていくため、これを回避するのに必要な作業である。
【００２４】
次に、本発明の光学素子の成形方法について説明する。本発明の光学素子の成形方法は、上記した光学素材の処理方法により得られたキレート処理済みの光学素材を、プレス成形用の光学素材とする。なお、本発明の光学素子の成形方法は、プレス成形に用いる光学素材をキレート処理して得られたものとしたこと以外は、通常のプレス成形と同様の条件で成形すればよい。
【００２５】
ここで、図１は本発明の一実施形態である光学素子用成形型を用いたプレス工程を説明する図である。図１に示した光学素子用成形型１は、光学素子の上面を成形する上型２、光学素子の下面を成形する下型３、上型２及び下型３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４と、内胴４の外周に嵌合され、上型２及び下型３の上下方向の距離を規制するための円筒状の外胴５と、から構成されている。
【００２６】
本実施形態において、上型２及び下型３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２及び下型３は光学素子を形成するため、上型２には光学素子の上面を形成する上成形面が、下型３には光学素子の下面を形成する下成形面が形成されている。そして、上型２及び下型３は、これら上成形面と下成形面とを対向させてなる一対の成形型として使用される。
【００２７】
また、内胴４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２及び下型３の円柱状の胴部が嵌合可能なようになっている。この内胴４は、上型２及び下型３を嵌合してプレスする際に、これら上型２及び下型３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。
【００２８】
次に、外胴５は、内胴４と同様に中空円筒形状であるが、その中空部分は内胴４が嵌合され、上型２及び下型３間の距離を規制する。具体的には、この外胴５は、プレス成形時において、上型２及び下型３を互いに接近させて下型３上に置かれた光学素材５０を加圧するときに、その加圧のためのプレス手段１０ａ、１０ｂの加圧面間の距離を規制することで、上型２及び下型３の距離を規制する。ここで、外胴５は、内胴４と同一の中心軸を有する。
【００２９】
この光学素子成形型１は、超硬合金、セラミックス等の素材からなり、上型２及び下型３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がそれぞれ対向する面に形成されている。この図１では、成形型として両凸形状の光学素子を製造するものを図示したが、光学素子形状はこれに限定されるものではなく、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。
【００３０】
なお、外胴５は、上記セラミックス以外にも、ステンレス、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が、光学素材の上下方向の熱膨張量よりも大きくすることが、成形操作において光学素子に圧力が抜ける時間を生じさせることなく、成形の安定性の点から好ましい。
【００３１】
次に、この光学素子用成形型１を用いた光学素子の成形方法について説明する。
【００３２】
まず、本発明の光学素子の成形方法に用いる成形装置について説明するが、この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、該チャンバーの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、が、この順番に並べられてなる。
【００３３】
ここで、成形室であるチャンバーは、その内部において、光学素子の成形操作を行うものであり、光学素材５０を軟化し、変形を容易にするものであって高温に加熱されるため、成形型１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ものである。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。
【００３４】
ここで、加熱手段は、成形型に収容された光学素材を軟化させるものであり、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により、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。
【００３５】
また、プレス手段は、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により光学素子の成形を行うものであり、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。
【００３６】
最後に、冷却手段は、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、固化するものであり、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により、上型及び下型を冷却でき、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。
【００３７】
そして、光学素子用成形型１は、これら加熱手段、プレス手段、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ものであり、この手段間の移動は図示していないがロボットアーム等により行われる。
【００３８】
まず、上記した光学素子の製造装置を用い、光学素子用成形型１の内部に光学素材を収容し、加熱プレートにそれぞれ上型２及び下型３を接触させて光学素子用成形型を加熱して、予め所定の温度まで熱して光学素材を軟化させる。
【００３９】
次いで、光学素子用成形型１に収容した光学素材５０をプレス成形するために、まず、加熱された光学素子用成形型１をプレス手段であるプレスプレート１０ｂ上に移動させ、載置する（図１（ａ））。
【００４０】
その後、プレスプレート１０ａを押し下げてプレスプレート１０ａ及び１０ｂによりプレス成形するが、プレスプレート１０ａを下降させると、プレスプレート１０ａは上型２と接触して上型２を押し下げていく。上型２が押し下げられると、光学素材５０はその圧力により変形し、プレス成形が行われる。このプレス成形では、プレスプレート１０ａが外胴５により規制されるまで下降させて押し切ることで行われ、プレスプレート１０ａ，１０ｂ間の距離は、外胴５の高さにより決定され、このとき、光学素材５０が所定の厚みになる（図１（ｂ））。
【００４１】
この加熱及びプレス工程において、光学素材は、変形が容易な屈伏点以上に加熱されるが、一般的には、軟化点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）から軟化点の間の温度に設定する。
【００４２】
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、屈伏点と軟化点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、これら加熱手段及びプレス手段に接触した上型２及び下型３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。
【００４３】
プレス工程では、上記したように成形型の上下から圧力をかけることで光学素材５０をプレス成形し、これにより光学素材には上型２及び下型３の光学成形面が転写され、光学素子形状が付与される。
【００４４】
このプレス工程におけるプレス時の圧力は、２．５〜３７．５Ｎ／ｍｍ２が好ましく、例えば、１０〜２０Ｎ／ｍｍ２が特に好ましい。ここで言うプレス時の圧力とは、光学素材に加わる圧力を指す。
【００４５】
なお、このプレス工程において、光学素材中に含有する酸化ビスマス（Ｂｉ2 Ｏ3 ）が還元雰囲気下（Ｎ２ガス雰囲気等）で加熱されるため還元され、光学素材表面からＯ2 ガスが放出され、これが曇りの原因になっているものと考えられている。すなわち、光学素材表面から放出されたガスは、光学素材とプレス成形中の成形型との間で他に逃げ場が無くなり、そのままプレス成形されることで、そのガスの体積分だけ光学素材表面に微小な孔を形成し、この微小な孔が多数集まることによって曇りが生じていると考えられる。
【００４６】
本発明においては、プレス成形前に、光学素材をキレート処理することによって、光学素材表面の酸化ビスマス（Ｂｉ2 Ｏ3 ）中のＢｉを錯化合物とし、加熱プレス時のＢｉ2 Ｏ3 の還元を抑制し、プレス成形中に生じるＯ2 ガス量を大幅に低減させることで、Ｏ2 ガスによる光学素子表面への微小な孔の形成を抑制して、曇りを生じさせないようにした。
【００４７】
そして、このようにプレス工程で光学素材に光学素子形状を付与した後、光学素子用成形型１を、今度は冷却プレート上に移動させて、冷却プレートと光学素子用成形型１を接触させて、光学素子用成形型１を冷却することによって、光学素材を冷却、固化する。
【００４８】
この冷却工程においては、成形された光学素材５０が、歪点以下になるまで冷却することが好ましい。この冷却工程においても、光学素材５０への加圧を継続することが好ましく、上記歪点以下の温度になるまで加圧を続けることが好ましい。
【００４９】
さらに、この冷却中に、光学素材の温度がガラス転移点以下になったところで、光学素材に加圧する圧力を変化させることもでき、例えば、光学素材５０の温度が、ガラス転移点以上のときにはプレス時の圧力と同じ圧力としておき、ガラス転移点よりも低い温度になってからは圧力を高くして、段階的に加圧してもよい。
【００５０】
ガラス転移点以上の温度において低圧にするのは、肉厚バラツキを抑えるためであり、それ以下の温度域では押込み量がほとんど無いので増圧しても問題ない。すなわち、光学素材が硬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する。
【００５１】
なお、ここで、低い圧力とは２．５Ｎ／ｍｍ２以下、高い圧力とは２．５Ｎ／ｍｍ２超である。また、光学素材が歪点以下となり、固化した後は、さらに２０Ｎ／ｍｍ２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ことを抑制し、形状精度を向上できる。また、固化した後の圧力としては、光学素材にワレが生じる等の不具合が生じない限りはどのような圧力でもよいが、通常、３０Ｎ／ｍｍ２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、それ以上の多段階として増圧してもよい。本明細書において、面ワレとは、光学素子が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のことをいう。
【００５２】
そして、この冷却工程においては、成形型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をさらに急冷させ、光学素材を歪点付近の温度から成形型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換えて冷却水を循環させる構成としたものが挙げられる。
【００５３】
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工程等に付されて歪み等を除去する等の後処理を施し、さらにその外周部を切削等により所望の径を有する光学素子形状に加工し、反射防止コート等を施して最終的な製品とされる。
【実施例】
【００５４】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。まず、光学素材のキレート処理について説明する
【００５５】
（実施例１）
酸化ビスマスを２２．２ｍｏｌ％含有するリン酸ビスマスニオブ系の光学素材を用意し、これを８質量％のＥＤＴＡ溶液（溶媒：硝酸水溶液、ｐＨ ４．４）に浸漬し、１００ｋＨｚの超音波照射しながら、３０分間キレート処理した。
【００５６】
Ｘ線光電子分光法により処理前後の光学素子の表面組成を分析したところ、本発明のキレート処理が光学素子のビスマス濃度を減少させることがわかった。ここで、ビスマス濃度は、処理前後の光学素子表面の表面組成からビスマスの組成割合（ａｔ％；検出器が検出した総原子数に対する対象原子の割合を百分率で示したもの）をそれぞれ求め、〔処理前のビスマスの組成割合／処理後のビスマスの組成割合〕でビスマスの変化割合を算出した。本実施例のビスマスの変化割合は０．８０であった。この結果を表１に示した。
【００５７】
（実施例２〜５）
ＥＤＴＡ溶液の濃度、ｐＨ及び処理時間を表１に示した条件とした以外は、実施例１と同様の操作により光学素材のキレート処理を行った。その際のビスマスの変化割合を表１にまとめて示した。なお、ＥＤＴＡ溶液としては、５質量％濃度の関東化学株式会社製のＥＤＴＡ溶液（二ナトリウム塩又は四ナトリウム塩四水和物品；ｐＨ１１）を用い、濃度調整、ｐＨ調整を行った。本実施例において、濃度調整は純水を使用し、ｐＨ調整は、硝酸又は水酸化ナトリウムを用いて行った。
【００５８】
（実施例６、７）
キレート剤として、ＥＤＴＡ溶液の代わりに１０質量％のクエン酸溶液（実施例６；ｐＨ １．６）、１０質量％酒石酸溶液（実施例７；ｐＨ １．５）とした以外は、実施例１と同様の操作により光学素材のキレート処理を行った。
【００５９】
（実施例８）
ＥＤＴＡ溶液として１０質量％のＥＤＴＡ溶液を４０℃に加温したものを用い、４０ｋＨｚの超音波を照射した以外は、実施例１と同様の操作により光学素材のキレート処理を行った。
【００６０】
（比較例１）
実施例１で用いたのと同一の酸化ビスマスを２２．２ｍｏｌ％含有するリン酸ビスマスニオブ系の光学素材を用意し、これをＫＯＨ溶液に浸漬し、４０℃に加温し、４０ｋＨｚの超音波を照射しながら、９０秒間処理した。その後、市水によるシャワー洗浄、弱アルカリ洗剤溶液に４０ｋＨｚの超音波を照射しながら１１０秒間浸漬洗浄、市水による浸漬洗浄、純水に４０ｋＨｚの超音波を照射しながら浸漬洗浄、を順次行った。
【００６１】
さらに、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）に２８ｋＨｚの超音波を照射しながら浸漬洗浄し、その後８２℃（ＩＰＡの沸点）のＩＰＡの蒸気中で加温し、ゆっくり引き上げることで光学素材表面に残っているイソプロピルアルコールを蒸発させて除去した。
【００６２】
【表１】
【００６３】
【表２】
【００６４】
（実施例９〜１６、比較例２〜３）
次に、光学素子の成形方法について説明する。
実施例１〜８で得られた処理済の光学素材（それぞれ実施例９〜１６に対応）、比較例１のアルカリ処理済の光学素材（比較例２）及び何も処理をしていない光学素材（比較例３）を使用し、光学素子用成形型を用いて以下の通り光学素子を成形した。
【００６５】
ここで用いた光学素子用成形型は、タングステンカーバイドからなる超硬合金製であり、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。上型は胴部の直径がφ１７ｍｍ、フランジの直径がφ２３ｍｍ、厚みが３ｍｍであり、下型は胴部の直径がφ１７ｍｍ、フランジの直径がφ２３ｍｍ、厚みが３ｍｍであり、内胴はその円筒状の内径がφ１７ｍｍで上型及び下型とはクリアランスを５μｍ設け、外径がφ２３ｍｍ、長さが１８ｍｍである。なお、外胴はＳＵＳ３１６Ｌ製で、その円筒状の内径がφ２３．２ｍｍ、外径がφ２９ｍｍ、長さが２４．９ｍｍのものを用いた。
【００６６】
次に上記した光学素子用成形型を用いて次のようにプレス成形した。
【００６７】
光学素子用成形型の内部に直径φ１０．７ｍｍで、厚さが６．７ｍｍの楕円球形状した、実施例１〜８で得られた処理済の光学素材、比較例１のアルカリ処理済の光学素材及び何も処理をしていない光学素材をそれぞれ収容し、成形型を５３５℃に加熱した。なお、この光学素材のガラス転移点（Ｔｇ）は４８３℃、屈伏点（Ａｔ）は５２２℃である。
【００６８】
光学素材を収容した成形型を、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１０ｂ上に搬送して載置すると同時に、プレスプレート１０ｂと同じ温度に維持されたプレスプレート１０ａを、下降させて上型２に接触させ、上型２、下型３及び光学素材５０を１２０秒間十分に加熱し、昇温させて光学素材を軟化状態とした。
【００６９】
次に、上型２、下型３及び光学素材５０が十分に加熱され、プレスプレート１０ａ及び１０ｂと同程度の温度（５３５℃程度）となったところで、プレスプレート１０ａをさらに下降させ、上型２及び下型３により光学素材５０をプレス成形した。成形時の圧力を２２Ｎ／ｍｍ２とし、１００秒程度押圧して押切った。
【００７０】
次に、光学素子用成形型１を搬送手段により冷却手段上に搬送して載置させ、成形型全体を冷却し、光学素材の歪点以下になるまで冷却した。
【００７１】
光学素材が歪点以下の温度となったところで、成形型を冷却手段から水冷手段上に搬送させて載置し、光学素材を室温になるまで冷却した。光学素材が十分に冷却したところで、成形型から取り出し、光学素子を得た。
【００７２】
（実施例１７）
実施例８で得られた光学素材を、１Ｐａ、５４５℃で真空ベーク処理を行い、次いで、１ｎｍ厚の炭素被膜を形成して、プレス成形用の光学素材を得た。この光学素材を上記実施例８〜１６と同様の条件でプレス成形を行い、光学素子を得た。
【００７３】
（比較例４）
実施例１で用いたのと同一の酸化ビスマスを２２．２ｍｏｌ％含有するリン酸ビスマスニオブ系の光学素材を用意し、これをＫＯＨ溶液に浸漬し、４０℃に加温し、４０ｋＨｚの超音波を照射しながら、９０秒間処理した。その後、市水によるシャワー洗浄、弱アルカリ洗剤溶液に４０ｋＨｚの超音波を照射しながら１１０秒間浸漬洗浄、市水による浸漬洗浄、純水に４０ｋＨｚの超音波を照射しながら浸漬洗浄、を順次行った。
【００７４】
さらに、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）に２８ｋＨｚの超音波を照射しながら浸漬洗浄し、その後８２℃（ＩＰＡの沸点）のＩＰＡの蒸気中で加温し、ゆっくり引き上げることで光学素材表面に残っているイソプロピルアルコールを蒸発させて除去した。これに、１Ｐａ、５４５℃で真空ベーク処理を行い、次いで、１ｎｍ厚の炭素被膜を形成して、プレス成形用の光学素材を得た。この光学素材を上記実施例８〜１６と同様の条件でプレス成形を行い、光学素子を得た。
【００７５】
（試験例）
〔成形可能温度範囲〕
上記実施例及び比較例において、プレス成形温度を５１０〜５４０℃まで１℃ずつ変化させていったときに、形状不良が生じることなく成形可能な温度範囲を調べたところ、実施例９〜１６は５℃、実施例１７は９℃、比較例３は３℃であった。成形可能な温度範囲は広い方が安定して成形が可能で、通常は、この温度範囲が広いと高温でのプレス成形も可能となる。１℃でも高い温度でのプレス成形が可能となると、冷却時における光学素子の固化状態を安定にでき、光学素子の効率的な製造に寄与できる。
【００７６】
〔連続使用回数〕
また、上記実施例及び比較例で得られた光学素子の表面の外観観察を行ったところ、全ての光学素子について曇りはみられなかったが、光学素子成形型を連続使用していくと、光学素子表面から還元により発生したＢｉが金型表面に堆積し、そのＢｉが一定量堆積するとＢｉ自体が気体（蒸気圧をもち）になり光学素子表面に細かい泡が多数発生したと考えられる、曇りが発生した。ここで、外観観察はハロゲンランプを光源として、その透過光を目視により観察することで、キズ、泡、曇りの有無を確認した。
【００７７】
実施例８（ＥＤＴＡ処理）、実施例１７（ＥＤＴＡ処理＋真空ベーク＋炭素コート）及び比較例３（未処理品）、比較例４（真空ベーク＋炭素コート）について、上記曇りの生じる直前のプレス回数を調べ、これを連続使用可能な回数としたところ、実施例８は１５回、実施例１７は２５回、比較例２，３は５回、比較例４は１５回であった。この連続使用可能な回数は、これが多いほど成形型のメンテナンス回数が減るため、より生産性を向上させることができる。
【００７８】
以上に示したように、本発明の光学素子の成形方法により、ビスマス系の光学素材を用いた場合において、プレス成形前に事前にキレート処理しておくことで、光学素子の曇りの発生を抑制でき、製品の歩留まり向上に有効であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の光学素材の処理方法及び光学素子の成形方法は、プレス成形による光学素子の製造に好適に使用できる。
【符号の説明】
【００８０】
１…光学素子用成形型、２…上型、３…下型、４…内胴、５…外胴、１０ａ，１０ｂ…プレスプレート、５０…光学素材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビスマス系の光学素材を用いて光学素子をプレス成形するにあたり、プレス成形に先立って前記ビスマス系の光学素材をキレート剤と接触させるキレート処理工程を行うことを特徴とする光学素材の処理方法。
【請求項２】
前記キレート剤が、ＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）、クエン酸、酒石酸及びシュウ酸から選ばれる少なくとも一種のキレート剤である請求項１記載の光学素材の処理方法。
【請求項３】
前記キレート処理を、２０〜５０℃に加温して行う請求項１又は２記載の光学素材の処理方法。
【請求項４】
前記キレート処理において、２８〜１００ｋＨｚの超音波を照射する請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素材の処理方法。
【請求項５】
前記キレート処理後に、得られた光学素材を真空ベーク処理した後、さらに前記光学素材の表面に炭素被膜を形成する請求項１乃至４のいずれか１項記載の光学素材の処理方法。
【請求項６】
前記ビスマス系の光学素材が、Ｂｉ2 Ｏ3 を光学素材中に２０ｍｏｌ％以上含有してなる請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学素子の成形方法。
【請求項７】
対向面が光学素子の成形面とされた一対の上型及び下型を互いに接近させて下型上に置かれた加熱軟化した光学素材を加圧して光学素子を成形する光学素子用成形型を用い、
請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学素材の処理方法で得られた光学素材を、前記光学素子用成形型に収容し、前記光学素子用成形型を加熱して該成形型内の光学素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素材を、プレス手段を用いて前記光学素子用成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、前記光学素子用成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学素材を固化させる冷却工程と、を有することを特徴とする光学素子の成形方法。
【請求項１】
ビスマス系の光学素材を用いて光学素子をプレス成形するにあたり、プレス成形に先立って前記ビスマス系の光学素材をキレート剤と接触させるキレート処理工程を行うことを特徴とする光学素材の処理方法。
【請求項２】
前記キレート剤が、ＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）、クエン酸、酒石酸及びシュウ酸から選ばれる少なくとも一種のキレート剤である請求項１記載の光学素材の処理方法。
【請求項３】
前記キレート処理を、２０〜５０℃に加温して行う請求項１又は２記載の光学素材の処理方法。
【請求項４】
前記キレート処理において、２８〜１００ｋＨｚの超音波を照射する請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素材の処理方法。
【請求項５】
前記キレート処理後に、得られた光学素材を真空ベーク処理した後、さらに前記光学素材の表面に炭素被膜を形成する請求項１乃至４のいずれか１項記載の光学素材の処理方法。
【請求項６】
前記ビスマス系の光学素材が、Ｂｉ2 Ｏ3 を光学素材中に２０ｍｏｌ％以上含有してなる請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学素子の成形方法。
【請求項７】
対向面が光学素子の成形面とされた一対の上型及び下型を互いに接近させて下型上に置かれた加熱軟化した光学素材を加圧して光学素子を成形する光学素子用成形型を用い、
請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学素材の処理方法で得られた光学素材を、前記光学素子用成形型に収容し、前記光学素子用成形型を加熱して該成形型内の光学素材を軟化させる加熱工程と、軟化した光学素材を、プレス手段を用いて前記光学素子用成形型により加圧して光学素子形状を付与するプレス工程と、プレス工程後、前記光学素子用成形型を冷却し、光学素子形状を付与した光学素材を固化させる冷却工程と、を有することを特徴とする光学素子の成形方法。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−９１９５１（Ｐ２０１２−９１９５１Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３９２２９（Ｐ２０１０−２３９２２９）
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
[ Back to top ]