(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材側の第１光学素子の一方の光学面と、該一方の光学面に対向する金型成形面との間に、成形側の第２光学素子素材を配置し、これら第１光学素子と第２光学素子素材を所定の成形温度に加熱し、更に所定の成形圧力で押圧して第２光学素子を成形すると同時に、前記第１光学素子の一方の光学面に前記第２光学素子を一体的に接合する複合光学素子の製造方法において、
前記第１光学素子の基材の線膨張係数をα１、屈伏点をＡｔ１、前記第２光学素子素材の線膨張係数をα２、屈伏点をＡｔ２とすると、
｜α１−α２｜≦  ３×１０−６  （／℃）
Ａｔ２  ≦  Ａｔ１−２０  （℃）
の関係を有し、かつ
前記成形温度をＴｍ、前記成形圧力をＰｍとすると、
Ａｔ２  ≦  Ｔｍ  ≦  Ａｔ２＋４０  （℃）
５  ＜  Ｐｍ  ≦  ６００  （ＭＰａ）
の関係を有し、かつ
一体化した複合光学素子を前記押圧後に冷却する際、該複合光学素子に所定の加圧力を付与し、この加圧カをＰｃとすると、
１  ≦  Ｐｃ  ≦  １００  （ＭＰａ）
Ｐｃ  ≦  Ｐｍ  （ＭＰａ）
の関係を有することを特徴とする、複合光学素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の複合光学素子の製造方法において、
複合光学素子の光学面は、少なくとも１つの非球面を有することを特徴とする、複合光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材側の第１光学素子上に成形層である第２光学素子を一体的に成形した複合光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガラス基材としての第１光学素子の上に、ガラス成形層側の第２光学素子を一体的に積層成形した複合光学素子の製造方法として、例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に記載された技術が公知である。ここで、ガラス基材側のガラス転移点、屈伏点、線膨張係数を夫々Ｔｇ1、Ａt1、α1とし、ガラス成形層のガラス転移点と線膨張係数を夫々Ｔｇ2、Ａt2、α2として、その概要を以下に説明する。
【０００３】
特許文献１には、被加工硝材（ガラス基材）よりも高い軟化点または融点を有するガラス材料（ガラス層）を、被加工硝材の表面の一部または全面に配置し、被加工硝材と、該被加工硝材に配置された前記ガラス材料とを同時に押圧成形して複合光学素子を成形する方法が記載されている。このとき使用されるガラス材料の組み合わせには、
ＳＦ３（Ｔｇ＝４４０（℃）、Ａｔ＝４８６（℃）、α＝８２×１０-7（／℃））とＳＦ１３（Ｔｇ＝４５５（℃）、Ａｔ＝５０５（℃）、α＝８８×１０-7（／℃））、
及び、ＳＫ５（Ｔｇ＝６５５（℃）、Ａｔ＝７００（℃）、α＝６６×１０-7  （／℃））とＳＸ１６（Ｔｇ＝６４５（℃）、Ａｔ＝６８５（℃）、α＝７２×１０-7（／℃））、
が示されている。なお、成形時の加熱温度はガラス材料の軟化点付近に設定されている。
【０００４】
また、特許文献２の場合、複合光学素子の製造方法として、使用するガラス基材と成形側のガラス層が次の条件範囲を同時に満たすことが記載されている。
Ｔｇ1−Ｔｇ2≧３０
α1≒α2
このとき使用されるガラス材料の組み合わせには、
ＬａＬＦ３（Ｔｇ＝６００（℃）、Ａｔ＝６４５（℃）、α＝８２×１０-7（／℃））とＳＦ１５（Ｔｇ＝４４５（℃）、Ａｔ＝４９０  ℃、α＝８２×１０-7（／℃））、
及び、ＬａＫ９（Ｔｇ＝６２５（℃）、Ａｔ＝６５０（℃）、α＝７８×１０-7（／℃））とＳＦ８（Ｔｇ＝４２５（℃）、Ａｔ＝４７０（℃）、α＝７７×１０-7（／℃））、
が示されている。成形時の型の温度は、成形側ガラスのガラス転移点Ｔｇよりも１５０（℃）以上高い温度に設定され、成形圧力を３（ＭＰａ）として３０（ｓ）間、加圧成形している。
【０００５】
更に、特許文献３の場合、成形温度をＴｍとすると、次の条件範囲を同時に満たすことが記載されている。
Ｔｇ1−Ｔｇ2≧４０
３×１０-7≦α1−α2≦８×１０-7
Ｔｍ≦Ｔｇ1、かつ、成形側ガラスの粘度η2が１０9.5≧η2≧１０7.5（ポアズ）に相当するＴｍ成形圧力は５（ＭＰａ）に設定され、６０（ｓ）間、加圧成形することが記載されている。
【特許文献１】特開昭６３−２７４６３４号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】特公平１−４６４５３号公報（第３頁、図１）
【特許文献３】特開平１０−４５４１９号公報（第５頁、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した従来技術による成形温度は、いずれもガラスの軟化点付近に設定されており、成形環境としては比較的高温である。このため、金型の劣化、及びガラスと金型との焼き付きが生じやすくなる。また、成形時のガラスは、その粘度は低くなるため、成形圧力を低い状態に保つ必要がある。この場合、従来技術によると、金型の摺動抵抗のばらつきや成形圧力の変動等によって、安定かつ精密な圧力制御を行うことが困難な場合が生じ得る。
【０００７】
本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、金型の耐久性の向上を図るとともに、安定かつ精密な圧力制御を行うことができる複合光学素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、基材側の第１光学素子の一方の光学面と、該一方の光学面に対向する金型成形面との間に、成形側の第２光学素子素材を配置し、これら第１光学素子と第２光学素子素材を所定の成形温度に加熱し、更に所定の成形圧力で押圧して第２光学素子を成形すると同時に、前記第１光学素子の一方の光学面に前記第２光学素子を一体的に接合する複合光学素子の製造方法において、
前記第１光学素子の基材の線膨張係数をα１、屈伏点をＡｔ１、前記第２光学素子素材の線膨張係数をα２、屈伏点をＡｔ２とすると、
｜α１−α２｜≦  ３×１０−６  （／℃）
Ａｔ２  ≦  Ａｔ１−２０  （℃）
の関係を有し、かつ
前記成形温度をＴｍ、前記成形圧力をＰｍとすると、
Ａｔ２  ≦  Ｔｍ  ≦  Ａｔ２＋４０  （℃）
５  ＜  Ｐｍ  ≦  ６００  （ＭＰａ）
の関係を有し、かつ
一体化した複合光学素子を前記押圧後に冷却する際、該複合光学素子に所定の加圧力を付与し、この加圧カをＰｃとすると、
１  ≦  Ｐｃ  ≦  １００  （ＭＰａ）
Ｐｃ  ≦  Ｐｍ  （ＭＰａ）
の関係を有することを特徴とする。
【００２０】
上記の複合光学素子の製造方法において、
複合光学素子の光学面は、少なくとも１つの非球面を有することが可能である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、成形温度を比較的低い所定範囲内に設定したので、金型の耐久性の向上を図ることができると共に、成形素材と金型との焼き付きを防止することができる。また、成形圧力を所定範囲内に設定したので、安定かつ精密な圧力制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
最初に、ガラス成形と異種ガラス間の成形接合に関する諸条件、および、基材側ガラスと成形側ガラスの組み合わせに関する選定条件を示す。
【００２４】
ガラスを成形手段によって変形するには、成形温度Ｔｍをガラスの屈伏点Ａｔ以上に加熱する必要がある。すなわち、
Ｔｍ  ≧  Ａｔ    （℃）    （式１）
とする。
【００２５】
なお、屈伏点Ａｔ  （℃）は、ガラスの粘度η（ポアズ）に換算すると１０10〜１０11（ポアズ）程度の範囲に相当している。
一方、ガラスを高温下で長時間放置すると、ガラスから揮発成分が発生したり、金型に使用されている材料と反応したりして、成形品の品質に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、ガラス成形において、成形温度と金型外観との関係（金型成形面へのガラス付着の有無）を調べた。
【００２６】
その結果、目視判断によると図１に示す通りであった。すなわち、この図１の実験結果から、成形温度ＴｍはＡｔ＋４０  （℃）以下であれば金型成形面へのガラス付着が無いことがわかる。
【００２７】
よって、成形温度Ｔｍは、次の条件を満足する必要がある。
Ｔｍ  ≦  Ａｔ＋４０  （℃）    （式２）
このＡｔ＋４０  （℃）は、ガラスの粘度η（ポアズ）に換算すると１０9.5〜１０8.5（ポアズ）程度の範囲に相当している。
【００２８】
なお、成形圧力Ｐｍについては、ガラスを成形圧力で破壊することがないように、ガラスの圧縮強度よりも小さくなる次の条件範囲に抑える必要がある。
Ｐｍ  ≦  ６００  （ＭＰａ）    （式３）
また、異種ガラス間の成形による接合では、ガラス層を構成する成形側ガラスを変形させる段階で、基材側ガラスの変形を抑える必要がある。そして、成形時に基材側ガラスが変形しないようにするには、成形温度を屈伏点Ａｔ（℃）以下、好ましくは成形側ガラスと基材側ガラスの粘度の差が１０倍相当以上になるＡｔ−２０（℃）以下、に設定する必要がある。
【００２９】
そこで、ガラス層を構成する成形側ガラスとして、次の条件を満たすように設定する。
すなわち、基材側ガラスの屈伏点をＡｔ1、成形側ガラスの屈伏点をＡｔ2とすると、
Ａｔ2≦Ａｔ1−２０  （℃）      （式４）
とする。
【００３０】
また、異種ガラス間の接合を安定かつ確実に実施するには、所定の成形圧力Ｐｍが必要である。
上記（式１）、（式２）で示された成形温度範囲において、成形圧力Ｐｍと異種ガラス間の接合状態との関連を調べた結果、図２に示す通りであった。
【００３１】
この実験結果から、成形側ガラスに加わる成形圧力Ｐｍが１０（ＭＰａ）以上であれば、異種ガラス間の接合状態が良好であることがわかる。
よって、成形圧力Ｐｍは、次の条件を満足するようにする。
【００３２】
Ｐｍ  ≧１０（ＭＰａ）  （式５）
さらに、異種ガラス間の接合において、接合後にガラス割れが生じないようにするため、線膨張係数のマッチングを行う必要がある。このマッチングには、ガラスのヤング率Ｅ（標準的なものでは７×１０4ＭＰａ程度）と強度Ｓ（最大約９０ＭＰａ）、及び成形温度Ｔｍを考慮する。
【００３３】
概算値は、安全率を１００程度に設けて、△α≦Ｓ／（１００×Ｅ×Ｔｍ）から算出する。前記値から、△α≦２．５×１０-8／℃が得られる。実用上は、もう少し範囲を広げることができ、△α≦３×１０-8／℃程度に設定することができる。
【００３４】
そこで、ガラス層を構成する成形側ガラスは、次の条件を満たすように選択する。
すなわち、基材側ガラスの線膨張係数をα１、成形側ガラスの線膨張係数をα２とすると、
｜α１−α２｜≦３×１０−６  （／℃）  （式６）
とする。
【００３５】
次に、図面に基づき、具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
図３は、複合レンズの成形装置の概念図を示している。同図において、金型１は装置内の下側プレート２に載置されている。下側プレート２と上側プレート３の側面には、ヒーター４が配置されている。上側プレート３には、金型１を加圧する加圧装置５が設けられている。金型１はヒーター４で加熱された後、加圧装置５により下側プレート２と上側プレート３に挟まれた状態で加圧される。
【００３６】
本実施例では、後述する図４（ｄ）に示すように、基材側ガラスの平凸レンズ１１に成形側ガラスの平凹レンズ１４を一体化した複合レンズ１３を成形するものである。一般に、複合レンズの外径は、２５ｍｍ程度以上になると接合後に割れが発生しやすくなるため、実用的には外径を２０ｍｍ以下とするのが好ましい。本実施例では、複合レンズの外径を１５ｍｍ、中心肉厚を３．５ｍｍとした。ただし、形状および寸法はこれらに限定されるものではなく、種々に設計変更することができる。
【００３７】
図４（ａ）〜（ｄ）は、メニスカス形状の複合レンズ１３の成形工程を示している。
金型１は、上型６、下型７、及びスリーブ８で構成され、上型６と下型７はスリーブ８に嵌挿される。金型１の材質としては、炭化タングステンなどの超硬合金が使用される。また、上型６の成形面６ａと下型７の成形面７ａには、光学杓な鏡面処理が施されている。なお、成形作業の詳細については後述する。
【００３８】
ここで、図５には、基材側ガラスと成形側ガラスにおいて、（式４）と（式６）の条件を満足する「組み合わせ例（１）〜（４）」を示している。但し、この図５に示した組み合わせ以外にも、（式４）と（式６）の条件を満足する範囲で使用することができる。また、図６には、成形側ガラスの成分が示されている。
【００３９】
ガラスの種類としては、ＳｉＯ2（二酸化ケイ素）を１〜７０％含有かつＢ2Ｏ3（三酸化ホウ素）を１〜３０％含有、あるいは、Ｐ2Ｏ5（五酸化二リン）を５〜５０％含有しているものが好ましい。
【００４０】
本実施例では、基材側ガラスとしてガラスａを選択し、成形側ガラスとしてガラスｂを選択した場合（図５の「組み合わせ例（１）」）について具体例を説明する。
なお、ガラスａの屈伏点Ａｔ1と線膨張係数α1、及びガラスｂの屈伏点Ａｔ2と線膨張係数α2は以下の通りである。
【００４１】
Ａｔ1＝５７８  ℃
α1＝９２×１０-7  ／℃
Ａｔ2＝５４９  ℃
α2＝７１×１０-7  ／℃
これらの特性値から、図５の「組み合わせ例（１）」によれば、Ａｔ1−２０＝５５８、α1−α2＝２１×１０-7となり、（式４）と（式６）の両方を満足することがわかる。
【００４２】
次に、図４（ａ）で示した平凸レンズ１１およびフラットプリフォーム（円柱状の成形素材）１２について説明する。
基材側の第１光学素子としての平凸レンズ１１には、光学面を形成すべく研磨加工が施されていて、最終形状に仕上げられている。また、この平凸レンズ１１は、外径が１５ｍｍで中心肉厚が３ｍｍであり、そのレンズ光軸と外径中心とを一致させるため、芯取り加工が行われている。
【００４３】
そして、この平凸レンズ１１の一方の光学面１１ａと、この一方の光学面１１ａに対向する金型成形面６ａとの間に、成形側の第２光学素子素材としてのフラットプリフォーム１２が配置されている。このフラットプリフォーム１２は、平凸レンズ１１と同様にして所望の大きさに加工されている。このフラットプリフォーム１２は、外径が１２ｍｍで肉厚が１．５ｍｍの円柱状をなしている。
【００４４】
ただし、成形側ガラスの形状は、フラットプリフォームに限定される必要はなく、例えば平凹レンズに近似した形状や、ボール形状としても構わない。さらに、平凸レンズ１１とフラットプリフォーム１２の寸法は前述した寸法に限定されない。
【００４５】
次に、図４（ａ）〜（ｄ）を用いて、本実施例の複合レンズの成形方法を説明する。
図４（ａ）において、下型７の成形面７ａの形状は、平凸レンズ１１の凸面の形状と同形状にされている。そして、この成形面７ａに平凸レンズ１１を載置し、この平凸レンズ１１の平面（上面）側にフラットプリフォーム１２を載置する。
【００４６】
この状態で、図４（ｂ）に示すように、下型７にスリーブ８を嵌め込み、次に上型６をスリーブ８に嵌め込む。これにより、下型７と上型６との間に、平凸レンズ１１及びフラットプリフォーム１２が挟み込まれる。このセットされた金型１を、不図示の加熱炉内で成形温度Ｔｍに達するまで加熱する。この成形温度Ｔｍは、（式１）と（式２）を満足する条件範囲内で設定する。ここでは、屈伏点（Ａｔ2＝５４９℃）よりも２０℃高い温度（Ｔｍ＝５６９℃）に設定する。
【００４７】
次いで、図４（ｃ）に示すように、セットされた金型１を成形温度Ｔｍに保持した状態で、この金型１に、（式３）と（式５）を満足する成形圧力を加える。ここでは、上型６と下型７との間に１５０（ＭＰａ）の圧力を加え、８０ｓ間押圧する。この押圧によって、フラットプリフォーム１２を変形させて第２光学素子としての所望の平凹レンズ１４（図４（ｄ）参照）を形成すると同時に、平凸レンズ１１と平凹レンズ１４を界面１５で接合させる。こうして、押圧が完了した後に金型１を常温まで冷却する。
【００４８】
冷却段階では、成形品としての複合レンズ１３の転写性確保と、歪の低減、及び接合の安定性確保のため、平凸レンズ１１と平凹レンズ１４を所定圧で加圧することが必要になる。しかし、加圧力を高すぎると、粘弾性領域から弾性領域に移行した後で成形品の変形が必要以上に抑制されてしまい、成形品自体に割れが発生しやすくなる。
【００４９】
そこで、冷却時の加圧力Ｐｃは、次の条件範囲を満足するようにしておく。
１  ≦  Ｐｃ  ≦  １００  （ＭＰａ）
また、成形品の割れを確実に抑制するためには、加圧力Ｐｃと成形圧力Ｐｍとを、
Ｐｃ  ≦  Ｐｍ（ＭＰａ）
となるように設定する。本実施例では、加圧力Ｐｃを３０（ＭＰａ）に設定している。
【００５０】
冷却完了後は、金型１から上型６を外して、図４（ｄ）に示すような、平凸レンズ１１と平凹レンズ１４とが一体化された複合レンズ１３を取り出す。
こうして得られた複合レンズ１３は、平凸レンズ１１と平凹レンズ１４とが十分強く接合している。また、レンズ形状および光学面の面精度は良好であり、実用可能なレベルに仕上がっている。
【００５１】
上記成形条件においては、連続的に成形を実施しても、金型１にガラスの焼き付きが生じたり、金型１の劣化現象が確認されることはほとんどなく、安定して複合レンズ１３を製造することができる。また、成形圧力Ｐｍに関しては、極端に低くなることがなく、精密な制御を行うことが可能となる。
（実施例２）
本実施例では、基材側ガラスのメニスカス凸レンズに成形側ガラスのメニスカス凹レンズを一体化した複合レンズを成形するものである。この複合レンズは、外径が１５ｍｍで中心肉厚が３．５ｍｍである。しかし、この形状に限定されるものではない。なお、基本的な内容は実施例１と同様であるため、以下に相違点のみを説明する。
【００５２】
図７は、メニスカス形状の複合レンズの成形工程を示している。
金型１は、図４と同様に、上型６と下型７、及びスリーブ８で構成され、上型６と下型７はスリーブ８に嵌挿可能となっている。図７（ａ）に示すように、複合レンズ２５の素材は、基材側ガラスのメニスカス凸レンズ２１と、成形側ガラスのボールプリフォーム２２を有している（成形方法は後述する）。
【００５３】
また、本実施例において、図５の「組み合わせ例（２）」に示すように、基材側ガラスとしてガラスｃを選択し、成形側ガラスとしてガラスｂを選択する。ガラスｃの屈伏点Ａｔ1と線膨張係数α1、及びガラスｂの屈伏点Ａｔ2と線膨張係数α2は以下の通りである。
【００５４】
Ａｔ1＝５８６℃
α1＝９５×１０-7  ／℃
Ａｔ2＝５４９℃
α2＝７１×１０-7  ／℃
これらの特性値から、Ａｔ1−２０＝５６６、α1−α2＝２４×１０-7となり、（式４）と（式６）の両方を満足することがわかる。
【００５５】
図７（ａ）〜（ｄ）を用いて複合レンズ２５の成形方法を説明する。
図７（ａ）において、成形素材としてのプリフォーム２２は、球形状に仕上げた外径７ｍｍのボールプリフォームを用いる。一般に、このボールプリフォームは、表面が平滑に仕上げられている。
【００５６】
成形温度Ｔｍは、（式１）と（式２）を満足する条件範囲内として、屈伏点（Ａｔ2＝５４９℃）よりも２５℃高いＴｍ＝５７４（℃）に設定する。
次に、図７（ｂ）に示すように、セットされた金型１を成形温度Ｔｍに保持した状態で、上型６と下型７との間に８０（ＭＰａ）の圧力を加え、１２０（ｓ）間押圧する。この押圧によって、ボールプリフォーム２２を変形させて所望のメニスカス凹レンズ２３を形成すると同時に、メニスカス凸レンズ２１とメニスカス凹レンズ２３を界面２４で接合させる（図７（ｃ）参照）。この押圧が完了した後は、金型１を常温まで冷却する。冷却された金型１から上型６を外して、メニスカス凸レンズ２１とメニスカス凹レンズ２３とが一体化された複合レンズ２５を取り出す（図７（ｄ）参照）。
【００５７】
こうして得られた複合レンズ２５は、プリフォームとしてボール形状を使用しても、メニスカス凸レンズ２１とメニスカス凹レンズ２３とは十分強く接合している。レンズ形状および光学面の面精度は良好であり、実用可能なレベルに仕上がっている。
【００５８】
上記成形条件においては、連続的に成形を実施しても、金型１にガラスの焼き付きが生じたり、劣化現象が確認されることはほとんどなく、安定して複合レンズ２５を製造することができる。また、成形圧力に関しては、極端に低くなることはなく、精密な制御を行うことが可能である。
（実施例３）
本実施例では、基材側ガラスのメニスカス凸レンズに成形側ガラスのメニスカス凹レンズを一体化した複合レンズを成形するものである。また、メニスカス凸レンズとメニスカス凹レンズはともに非球面を有する。更に、複合レンズの外径と中心肉厚、及び基材側ガラスと成形側ガラスの材質は、実施例２と同様である。なお、基本杓な内容は実施例２と同様であるため、以下に相違点のみを説明する。
【００５９】
図８（ａ）〜（ｄ）は、本実施例の複合レンズの成形工程を示している。
図８（ａ）において、基材側ガラスのメニスカス凸レンズ３１は、ガラス成形手段により、その光学面に非球面３１ａが形成されている。このメニスカス凸レンズ３１のガラス成形は、基材側ガラスを不図示のメニスカス凸レンズ用の金型内に設置し、基材側ガラスの屈伏点以上の成形温度下で加圧押圧する。この金型の成形面には、転写用の非球面が形成されている。そして、成形後に冷却して取り出せば、図８（ａ）に示すようなメニスカス凸レンズ３１が得られる。なお、接合される光学面側を非球面に設定することも可能である（後述の図８（ｄ２）参照）。
【００６０】
次に、図８（ｂ）に示すように、金型１の上型６と下型７間にメニスカス凸レンズ３１とボールプリフォーム３２を挟み込み、所定の成形温度Ｔｍに加熱する。この成形温度Ｔｍは、屈伏点（Ａｔ2＝５４９℃）よりも２５℃高いＴｍ＝５７４℃に設定している。なお、使用される金型１は、上下型６、７に夫々非球面６ａ，７ａが形成されている。その他、実施例１，２と同一又は相当する部材には、同一の符号を付して説明する。
【００６１】
図８（ｃ）に示すように、セットされた金型１を、成形温度Ｔｍに保持した状態で、上型６と下型７との間に６０（ＭＰa）の圧力を加え、１５０ｓ間押圧する。
図８（ｄ１）に示すように、この押圧によって、ボールプリフォーム３２を変形させて所望のメニスカス凹レンズ３３を形成すると同時に、メニスカス凸レンズ３１とメニスカス凹レンズ３３を界面３４で接合させる。この場合、成形圧力がしっかりと付加されるため、メニスカス凹レンズ３３の金型側の光学面には、確実に非球面３３ａが転写される。この押圧が完了した後は常温まで冷却する。冷却された金型１から上型６を外して、メニスカス凸レンズ３１とメニスカス凹レンズ３３とが一体化された複合レンズ３５を取り出す。
【００６２】
図８（ｄ２）は、接合する界面３７を非球面にした場合の応用例である。この非球面の製造工程は前述と同様である。特に、本実施例によれば、非球面内に大きく曲率が変化する変曲点を有していたとしても、成形圧力Ｐｍがしっかりと付圧されるため、メニスカス凹レンズ３３の界面３７側は確実に非球面に沿った形状が形成される。
【００６３】
こうして得られた複合レンズ３５（及び３６）は、プリフォームとしてボール形状を使用しても、メニスカス凸レンズ３１とメニスカス凹レンズ３３とが十分強く接合している。また、接合する界面が非球面であっても適用可能である（図８（ｄ２）参照）。更に、レンズ形状および光学面の非球面の精度は良好であり、実用可能なレベルに仕上がっている。
【００６４】
上記成形条件においては、連続的に成形を実施しても、金型にガラスの焼き付きが生じたり、劣化現象が確認されることはほとんどなく、安定して複合レンズ３５（及び３６）を製造することができた。また、成形圧力に関しては極端に低くなることはなく、よって精密な制御を行うことが可能である。
（第２の実施の形態）
最初に、ガラス成形と異種ガラス間の成形接合に関する諸条件、および、基材側ガラスと成形側ガラスの組み合わせに関する選定条件を示す。
【００６５】
ガラスを成形手段によって変形するには、成形温度Ｔｍをガラスの屈伏点Ａｔ以上に加熱する必要がある。すなわち、
Ｔｍ  ≧  Ａｔ    （℃）    （式１）
とする。
【００６６】
なお、屈伏点Ａｔ  （℃）は、ガラスの粘度η（ポアズ）に換算すると１０10〜１０11（ポアズ）程度の範囲に相当している。
一方、ガラスを高温下で長時間放置すると、ガラスから揮発成分が発生したり、金型に使用されている材料と反応したりして、成形品の品質に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、ガラス成形において、成形温度と金型外観との関係（金型成形面へのガラス付着の有無）を調べた。
【００６７】
その結果、目視判断によると図１に示す通りであった。すなわち、この図１の実験結果から、成形温度ＴｍはＡｔ＋４０  （℃）以下であれば金型成形面へのガラス付着が無いことがわかる。
【００６８】
よって、成形温度Ｔｍは、次の条件を満足する必要がある。
Ｔｍ  ≦  Ａｔ＋４０  （℃）    （式２）
このＡｔ＋４０  （℃）は、ガラスの粘度η（ポアズ）に換算すると１０9.5〜１０8.5（ポアズ）程度の範囲に相当している。
【００６９】
なお、成形圧力Ｐｍについては、ガラスを成形圧力で破壊することがないように、ガラスの圧縮強度よりも小さくなる次の条件範囲に抑える必要がある。
Ｐｍ  ≦  ６００  （ＭＰａ）    （式３）
また、異種ガラス間の成形による接合では、ガラス層を構成する成形側ガラスを変形させる段階で、基材側ガラスの変形を抑える必要がある。そして、成形時に基材側ガラスが変形しないようにするには、成形温度を屈伏点Ａｔ（℃）以下、好ましくは成形側ガラスと基材側ガラスの粘度の差が１０倍相当以上になるＡｔ−２０（℃）以下、に設定する必要がある。
【００７０】
そこで、ガラス層を構成する成形側ガラスとして、次の条件を満たすように設定する。
すなわち、基材側ガラスの屈伏点をＡｔ1、成形側ガラスの屈伏点をＡｔ2とすると、
Ａｔ2≦Ａｔ1−２０  （℃）      （式４）
とする。
【００７１】
また、異種ガラス間の接合を安定かつ確実に実施するには、所定の成形圧力Ｐｍが必要である。
上記（式１）、（式２）で示された成形温度範囲において、成形圧力Ｐｍと異種ガラス間の接合状態との関連を調べた結果、図２に示す通りであった。
【００７２】
この実験結果から、成形側ガラスに加わる成形圧力Ｐｍが５（ＭＰａ）より大きければ、異種ガラス間の接合状態が良好であることがわかる。
よって、成形圧力Ｐｍは、次の条件を満足するようにする。
【００７３】
Ｐｍ  ＞５（ＭＰａ）  （式５）
さらに、異種ガラス間の接合において、接合後にガラス割れが生じないようにするため、線膨張係数のマッチングを行う必要がある。このマッチングには、ガラスのヤング率Ｅ（標準的なものでは７×１０4ＭＰａ程度）と強度Ｓ（最大約９０ＭＰａ）、及び成形温度Ｔｍを考慮する。
【００７４】
概算値を算出するため、△α≦Ｓ／（Ｅ×Ｔｍ）とおく。前記値から、△α≦２．５×１０-6／℃が得られる。実用上は、もう少し範囲を広げることができ、△α≦３×１０-6／℃程度に設定することができる。
【００７５】
そこで、ガラス層を構成する成形側ガラスは、次の条件を満たすように選択する。
すなわち、基材側ガラスの線膨張係数をα1、成形側ガラスの線膨張係数をα2とすると、
｜α1−α2｜≦３×１０-6  （／℃）    （式６）
とする。
【００７６】
次に、図面に基づき、具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
図３は、複合レンズの成形装置の概念図を示している。同図において、金型１は装置内の下側プレート２に載置されている。下側プレート２と上側プレート３の側面には、ヒーター４が配置されている。上側プレート３には、金型１を加圧する加圧装置５が設けられている。金型１はヒーター４で加熱された後、加圧装置５により下側プレート２と上側プレート３に挟まれた状態で加圧される。
【００７７】
本実施例では、後述する図４（ｄ）に示すように、基材側ガラスの平凸レンズ１１に成形側ガラスの平凹レンズ１４を一体化した複合レンズ１３を成形するものである。一般に、複合レンズの外径は、２５ｍｍ程度以上になると接合後に割れが発生しやすくなるため、実用的には外径を２０ｍｍ以下とするのが好ましい。本実施例では、複合レンズの外径を１５ｍｍ、中心肉厚を３．５ｍｍとした。ただし、形状および寸法はこれらに限定されるものではなく、種々に設計変更することができる。
【００７８】
図４（ａ）〜（ｄ）は、メニスカス形状の複合レンズ１３の成形工程を示している。
金型１は、上型６、下型７、及びスリーブ８で構成され、上型６と下型７はスリーブ８に嵌挿される。金型１の材質としては、炭化タングステンなどの超硬合金が使用される。また、上型６の成形面６ａと下型７の成形面７ａには、光学杓な鏡面処理が施されている。なお、成形作業の詳細については後述する。
【００７９】
ここで、図５には、基材側ガラスと成形側ガラスにおいて、（式４）と（式６）の条件を満足する「組み合わせ例（１）〜（４）」を示している。但し、この図５に示した組み合わせ以外にも、（式４）と（式６）の条件を満足する範囲で使用することができる。また、図６には、成形側ガラスの成分が示されている。
【００８０】
ガラスの種類としては、ＳｉＯ2（二酸化ケイ素）を１〜７０％含有かつＢ2Ｏ3（三酸化ホウ素）を１〜３０％含有、あるいは、Ｐ2Ｏ5（五酸化二リン）を５〜５０％含有しているものが好ましい。
【００８１】
本実施例では、基材側ガラスとしてガラスａを選択し、成形側ガラスとしてガラスｂを選択した場合（図５の「組み合わせ例（１）」）について具体例を説明する。
なお、ガラスａの屈伏点Ａｔ1と線膨張係数α1、及びガラスｂの屈伏点Ａｔ2と線膨張係数α2は以下の通りである。
【００８２】
Ａｔ1＝５７８  ℃
α1＝９２×１０-7  ／℃
Ａｔ2＝５４９  ℃
α2＝７１×１０-7  ／℃
これらの特性値から、図５の「組み合わせ例（１）」によれば、Ａｔ1−２０＝５５８、α1−α2＝２１×１０-7となり、（式４）と（式６）の両方を満足することがわかる。
【００８３】
次に、図４（ａ）で示した平凸レンズ１１およびフラットプリフォーム（円柱状の成形素材）１２について説明する。
基材側の第１光学素子としての平凸レンズ１１には、光学面を形成すべく研磨加工が施されていて、最終形状に仕上げられている。また、この平凸レンズ１１は、外径が１５ｍｍで中心肉厚が２．５ｍｍであり、そのレンズ光軸と外径中心とを一致させるため、芯取り加工が行われている。
【００８４】
そして、この平凸レンズ１１の一方の光学面１１ａと、この一方の光学面１１ａに対向する金型成形面６ａとの間に、成形側の第２光学素子素材としてのフラットプリフォーム１２が配置されている。このフラットプリフォーム１２は、平凸レンズ１１と同様にして所望の大きさに加工されている。このフラットプリフォーム１２は、外径が１２ｍｍで肉厚が１．５ｍｍの円柱状をなしている。
【００８５】
ただし、成形側ガラスの形状は、フラットプリフォームに限定される必要はなく、例えば平凹レンズに近似した形状や、ボール形状としても構わない。さらに、平凸レンズ１１とフラットプリフォーム１２の寸法は前述した寸法に限定されない。
【００８６】
次に、図４（ａ）〜（ｄ）を用いて、本実施例の複合レンズの成形方法を説明する。
図４（ａ）において、下型７の成形面７ａの形状は、平凸レンズ１１の凸面の形状と同形状にされている。そして、この成形面７ａに平凸レンズ１１を載置し、この平凸レンズ１１の平面（上面）側にフラットプリフォーム１２を載置する。
【００８７】
この状態で、図４（ｂ）に示すように、下型７にスリーブ８を嵌め込み、次に上型６をスリーブ８に嵌め込む。これにより、下型７と上型６との間に、平凸レンズ１１及びフラットプリフォーム１２が挟み込まれる。このセットされた金型１を、不図示の加熱炉内で成形温度Ｔｍに達するまで加熱する。この成形温度Ｔｍは、（式１）と（式２）を満足する条件範囲内で設定する。ここでは、屈伏点（Ａｔ2＝５４９℃）よりも３０℃高い温度（Ｔｍ＝５７９℃）に設定する。
【００８８】
次いで、図４（ｃ）に示すように、セットされた金型１を成形温度Ｔｍに保持した状態で、この金型１に、（式３）と（式５）を満足する成形圧力を加える。ここでは、上型６と下型７との間に１５（ＭＰａ）の圧力を加え、１２０ｓ間押圧する。この押圧によって、フラットプリフォーム１２を変形させて第２光学素子としての所望の平凹レンズ１４（図４（ｄ）参照）を形成すると同時に、平凸レンズ１１と平凹レンズ１４を界面１５で接合させる。こうして、押圧が完了した後に金型１を常温まで冷却する。
【００８９】
冷却段階では、成形品としての複合レンズ１３の転写性確保と、歪の低減、及び接合の安定性確保のため、平凸レンズ１１と平凹レンズ１４を所定圧で加圧することが必要になる。しかし、加圧力を高すぎると、粘弾性領域から弾性領域に移行した後で成形品の変形が必要以上に抑制されてしまい、成形品自体に割れが発生しやすくなる。
【００９０】
そこで、冷却時の加圧力Ｐｃは、次の条件範囲を満足するようにしておく。
１  ≦  Ｐｃ  ≦  １００  （ＭＰａ）
また、成形品の割れを確実に抑制するためには、加圧力Ｐｃと成形圧力Ｐｍとを、
Ｐｃ  ≦  Ｐｍ（ＭＰａ）
となるように設定する。本実施例では、加圧力Ｐｃを３（ＭＰａ）に設定している。
【００９１】
冷却完了後は、金型１から上型６を外して、図４（ｄ）に示すような、平凸レンズ１１と平凹レンズ１４とが一体化された複合レンズ１３を取り出す。
こうして得られた複合レンズ１３は、平凸レンズ１１と平凹レンズ１４とが十分強く接合している。また、レンズ形状および光学面の面精度は良好であり、実用可能なレベルに仕上がっている。
【００９２】
上記成形条件においては、連続的に成形を実施しても、金型１にガラスの焼き付きが生じたり、金型１の劣化現象が確認されることはほとんどなく、安定して複合レンズ１３を製造することができる。また、成形圧力Ｐｍに関しては、極端に低くなることがなく、精密な制御を行うことが可能となる。
（実施例２）
本実施例では、基材側ガラスのメニスカス凸レンズに成形側ガラスのメニスカス凹レンズを一体化した複合レンズを成形するものである。この複合レンズは、外径が１５ｍｍで中心肉厚が３．５ｍｍである。しかし、この形状に限定されるものではない。なお、基本的な内容は実施例１と同様であるため、以下に相違点のみを説明する。
【００９３】
図７は、メニスカス形状の複合レンズの成形工程を示している。
金型１は、図４と同様に、上型６と下型７、及びスリーブ８で構成され、上型６と下型７はスリーブ８に嵌挿可能となっている。図７（ａ）に示すように、複合レンズ２５の素材は、基材側ガラスのメニスカス凸レンズ２１と、成形側ガラスのボールプリフォーム２２を有している（成形方法は後述する）。
【００９４】
また、本実施例において、図５の「組み合わせ例（２）」に示すように、基材側ガラスとしてガラスｃを選択し、成形側ガラスとしてガラスｂを選択する。ガラスｃの屈伏点Ａｔ1と線膨張係数α1、及びガラスｂの屈伏点Ａｔ2と線膨張係数α2は以下の通りである。
【００９５】
Ａｔ1＝５８６℃
α1＝９５×１０-7  ／℃
Ａｔ2＝５４９℃
α2＝７１×１０-7  ／℃
これらの特性値から、Ａｔ1−２０＝５６６、α1−α2＝２４×１０-7となり、（式４）と（式６）の両方を満足することがわかる。
【００９６】
図７（ａ）〜（ｄ）を用いて複合レンズ２５の成形方法を説明する。
図７（ａ）において、成形素材としてのプリフォーム２２は、球形状に仕上げた外径７ｍｍのボールプリフォームを用いる。一般に、このボールプリフォームは、表面が平滑に仕上げられている。
【００９７】
成形温度Ｔｍは、（式１）と（式２）を満足する条件範囲内として、屈伏点（Ａｔ2＝５４９℃）よりも４０℃高いＴｍ＝５８９（℃）に設定する。
次に、図７（ｂ）に示すように、セットされた金型１を成形温度Ｔｍに保持した状態で、上型６と下型７との間に８（ＭＰａ）の圧力を加え、１８０（ｓ）間押圧する。この押圧によって、ボールプリフォーム２２を変形させて所望のメニスカス凹レンズ２３を形成すると同時に、メニスカス凸レンズ２１とメニスカス凹レンズ２３を界面２４で接合させる（図７（ｃ）参照）。この押圧が完了した後は、金型１を常温まで冷却する。冷却された金型１から上型６を外して、メニスカス凸レンズ２１とメニスカス凹レンズ２３とが一体化された複合レンズ２５を取り出す（図７（ｄ）参照）。
【００９８】
こうして得られた複合レンズ２５は、プリフォームとしてボール形状を使用しても、メニスカス凸レンズ２１とメニスカス凹レンズ２３とは十分強く接合している。レンズ形状および光学面の面精度は良好であり、実用可能なレベルに仕上がっている。
【００９９】
上記成形条件においては、連続的に成形を実施しても、金型１にガラスの焼き付きが生じたり、劣化現象が確認されることはほとんどなく、安定して複合レンズ２５を製造することができる。また、成形圧力に関しては、極端に低くなることはなく、精密な制御を行うことが可能である。
（実施例３）
本実施例では、基材側ガラスのメニスカス凸レンズに成形側ガラスのメニスカス凹レンズを一体化した複合レンズを成形するものである。また、メニスカス凸レンズとメニスカス凹レンズはともに非球面を有する。更に、複合レンズの外径と中心肉厚、及び基材側ガラスと成形側ガラスの材質は、実施例２と同様である。なお、基本杓な内容は実施例２と同様であるため、以下に相違点のみを説明する。
【０１００】
図８（ａ）〜（ｄ）は、本実施例の複合レンズの成形工程を示している。
図８（ａ）において、基材側ガラスのメニスカス凸レンズ３１は、ガラス成形手段により、その光学面に非球面３１ａが形成されている。このメニスカス凸レンズ３１のガラス成形は、基材側ガラスを不図示のメニスカス凸レンズ用の金型内に設置し、基材側ガラスの屈伏点以上の成形温度下で加圧押圧する。この金型の成形面には、転写用の非球面が形成されている。そして、成形後に冷却して取り出せば、図８（ａ）に示すようなメニスカス凸レンズ３１が得られる。なお、接合される光学面側を非球面に設定することも可能である（後述の図８（ｄ２）参照）。
【０１０１】
次に、図８（ｂ）に示すように、金型１の上型６と下型７間にメニスカス凸レンズ３１とボールプリフォーム３２を挟み込み、所定の成形温度Tmに加熱する。この成形温度Tmは、屈伏点（Ａｔ2＝５４９℃）よりも４０℃高いＴｍ＝５８９℃に設定している。なお、使用される金型１は、上下型６、７に夫々非球面６ａ，７ａが形成されている。その他、実施例１，２と同一又は相当する部材には、同一の符号を付して説明する。
【０１０２】
図８（ｃ）に示すように、セットされた金型１を、成形温度Ｔｍに保持した状態で、上型６と下型７との間に６（ＭＰａ）の圧力を加え、２４０ｓ間押圧する。
図８（ｄ１）に示すように、この押圧によって、ボールプリフォーム３２を変形させて所望のメニスカス凹レンズ３３を形成すると同時に、メニスカス凸レンズ３１とメニスカス凹レンズ３３を界面３４で接合させる。この場合、成形圧力がしっかりと付加されるため、メニスカス凹レンズ３３の金型側の光学面には、確実に非球面３３ａが転写される。この押圧が完了した後は常温まで冷却する。冷却された金型１から上型６を外して、メニスカス凸レンズ３１とメニスカス凹レンズ３３とが一体化された複合レンズ３５を取り出す。
【０１０３】
図８（ｄ２）は、接合する界面３７を非球面にした場合の応用例である。この非球面の製造工程は前述と同様である。特に、本実施例によれば、非球面内に大きく曲率が変化する変曲点を有していたとしても、成形圧力Ｐｍがしっかりと付圧されるため、メニスカス凹レンズ３３の界面３７側は確実に非球面に沿った形状が形成される。
【０１０４】
こうして得られた複合レンズ３５（及び３６）は、プリフォームとしてボール形状を使用しても、メニスカス凸レンズ３１とメニスカス凹レンズ３３とが十分強く接合している。また、接合する界面が非球面であっても適用可能である（図８（ｄ２）参照）。更に、レンズ形状および光学面の非球面の精度は良好であり、実用可能なレベルに仕上がっている。
【０１０５】
上記成形条件においては、連続的に成形を実施しても、金型にガラスの焼き付きが生じたり、劣化現象が確認されることはほとんどなく、安定して複合レンズ３５（及び３６）を製造することができた。また、成形圧力に関しては極端に低くなることはなく、よって精密な制御を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】成形温度と金型成形面へのガラス付着の関係を示す図である。
【図２】成形圧力と接合状態との関係を示す図である。
【図３】成形装置の全体構成を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は実施例１の成形工程を示す図である。
【図５】ガラスの物性値を示す図である。
【図６】ガラスの成分を示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は実施例２の成形工程を示す図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は実施例３の成形工程を示す図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１      金型
２      下側プレート
３      上側プレート
４      ヒーター
５      加圧装置
６      上型
６ａ    成形面
７      下型
７ａ    成形面
８      スリーブ
１１    平凸レンズ
１２    フラットプリフォーム
１３    複合レンズ
１４    平凹レンズ
１５    界面
２１    メニスカス凸レンズ
２２    ボールプリフォーム
２３    メニスカス凹レンズ
２４    界面
２５    複合レンズ
３１    メニスカス凸レンズ
３１ａ  非球面
３２    ボールプリフォーム
３３    メニスカス凹レンズ
３３ａ  非球面
３４    界面
３５    複合レンズ
３６    複合レンズ
３７    界面
３８    メニスカス凹レンズ
【図１】
0004744352.tif 000002
【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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【図４】
0004744352.tif 000007
【図７】
0004744352.tif 000008
【図８】
0004744352.tif 000009