(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラスを容器内に設置する設置工程と、
前記設置された石英ガラスを加熱する加熱工程と、
前記加熱された石英ガラスを型で加圧する加圧工程とからなる光学素子の製造方法であって、
前記加熱工程における前記容器内の雰囲気は、不活性ガスと水素ガスとの混合ガスもしくは水素ガスであり、
前記加圧工程における前記容器内の雰囲気は、真空であることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
請求項1に記載の光学素子の製造方法であって、
前記加圧工程で加圧された石英ガラスを冷却する冷却工程を更に備え、
前記冷却工程における前記容器内の雰囲気は、不活性ガスと水素ガスとの混合ガスもしくは水素ガスであることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記不活性ガスは、アルゴンであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記混合ガスは、前記不活性ガスに対する前記水素ガスの割合が０．１〜９９．９％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線用光学素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、紫外線用光学素子は、例えば、その代表的な材料である石英ガラスを、研削、研磨加工して製作していた。使用する波長が紫外線、特に、３００ｎｍ以下の紫外線を使用する場合、石英ガラスは透過率や屈折率の均質性等、求められる特性値が厳しいことから、非常に高価である。
【０００３】
また、光学素子によっては、研削、研磨加工により形状を整える場合に、大きな部材から削り出す必要性が生じ、その場合には無駄な部分が多く、加工時間のコストと材料のコストが上昇する問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、従来から一般的に行われている、光学ガラスを加熱、軟化させ、光学機能面、もしくは、光学機能面に近い形状を有する型を圧力により転写させて光学素子を製造する方法を、石英ガラス光学素子の製法に試みたが、石英ガラスをその軟化する温度まで上昇させることにより、新たな問題が発生した。
【０００５】
すなわち、一般的に、石英ガラス光学素子に３００ｎｍ以下の紫外線を照射すると、素子内部の物性変化により、急激な透過率の低下が発生することから、この物性変化を抑える働きのある水素分子を、濃度にして１×１０18（個／単位立方ｃｍ）以上含有させている。
しかしながら、石英ガラスをその軟化する温度まで加熱させることにより、水素分子濃度は初期状態の１／１０から１／２０程度となり、物性変化を抑制する能力が極端に下がり、結果的に透過率が下がることが判明した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、透過率の低下を抑制する石英ガラスを、加熱、軟化させ、光学機能面、もしくは、光学機能面に近い形状を有する型を圧力により転写させる光学素子の製造方法を石英ガラス光学素子の製造方法に応用するために、成形中の雰囲気に水素ガスを混合させることで、加熱、成形、冷却中に石英ガラス内の水素分子が低減せず、１×１０18（個／単位立方ｃｍ）以上を保持していることを突き止めた。
【０００７】
上記問題点の解決の為に本発明では、まず、請求項１では、石英ガラスを容器内に設置する設置工程と、前記設置された石英ガラスを加熱する加熱工程と、前記加熱された石英ガラスを型で加圧する加圧工程とからなる光学素子の製造方法であって、前記加熱工程における前記容器内の雰囲気は、不活性ガスと水素ガスとの混合ガスもしくは水素ガスであり、前記加圧工程における前記容器内の雰囲気は、真空であることを特徴とする光学素子の製造方法を提供する。
本発明の請求項２では、請求項１に付け加え、前記加圧工程で加圧された石英ガラスを冷却する冷却工程を更に備え、前記冷却工程における前記容器内の雰囲気は、不活性ガスと水素ガスとの混合ガスもしくは水素ガスであることを特徴とする光学素子の製造方法を提供する。
本発明の請求項３では、請求項１又は２の光学素子の製造方法において、前記不活性ガスは、アルゴンであることを特徴とする光学素子の製造方法を提供する。
本発明の請求項４では、請求項１又は２の光学素子の製造方法において、前記混合ガスは、前記不活性ガスに対する前記水素ガスの割合が０．１〜９９．９％であることを特徴とする光学素子の製造方法を提供する。
この製法を用いることで、水素分子濃度が低減する問題は解決し、使用する波長が紫外光、特に、３００ｎｍ以下の紫外線を使用する光学素子を製造することができた。また、この製法によって、大幅なコストダウンが実現した。
【０００８】
【発明の実施の形態】
石英ガラスからなる光学素子には多くの種類があるが、本実施の形態では石英ガラス製のフライアイレンズの製造方法について、以下に詳細な説明を行う。
【０００９】
【実施例】
石英ガラスを加熱、軟化させた上に、光学機能面もしくは光学機能面に近い形状を有する型を加圧し、該機能面もしくは該機能面に近い形状を転写するために、図１に示すような例えば幅３０ｍｍ×奥行き３０ｍｍ×高さ２０ｍｍの上下面を研磨加工し、側面は研削加工した石英ガラス部材１を用意する。
【００１０】
そして、この部材１を上型２と下型３との間に挟むように容器（図示せず）内に設置する。上型２と下型３は、例えば、タングステンに代表されるような高温での耐久性を有する焼結体からなり、石英ガラス部材１と接触する側に、それぞれ光学機能面２ａ、３ａを有している。ここで、転写される光学機能面２ａ、３ａは研磨されていることが多いが、光学機能面に近似した形状を転写する場合は研削面でも代用可能である。
【００１１】
本実施形態の成形装置の構成を図２に示す。成形装置は、加熱および加圧機構を有する本体部１０と、排気部２０、および雰囲気ガス導入部３０から形成される。
図１に示した石英ガラス部材１、上型２、下型３は容器内に配置され、ワーク１３として、図２に示す成形装置に収容される。すなわち、ワーク１３は、真空容器１４内の載せ台１１の上に設置される。そして、雰囲気ガス導入用バルブ３１を閉とした上で、バルブ２６を開とし、油回転ポンプ２１により真空容器１４内の空気を粗引きする。
【００１２】
この粗引き後に、バルブ２６を閉とし、バルブ２３を開、バルブ２４を開とすることで、油拡散ポンプ２２により真空容器１４内の空気を本引きする。真空容器１４内の真空度を測定する真空計２７が、例えば、５×１０-3Ｐａ以下になったところで、バルブ２４を閉とし、雰囲気ガス導入用バルブ３１を開とする。
そして、例えば、水素ガス８０％、アルゴンガス２０％の混合比を有する雰囲気ガスを開いたバルブ３１を通して真空容器３１内に導入し、真空容器１４の圧力が大気圧となったところで、ヒータ１２による加熱を開始する。
【００１３】
ヒータ１２による加熱は、例えば、図３に示すスケジュールで行われる。すなわち、５０分で温度１４５０℃まで加熱し、１０分間保持する。なお、この際に、真空容器１４内には絶えず雰囲気ガスを導入し、真空計２７をチェックしながら内圧が大気圧以上にならないようにバルブ２５の開閉を行う。
また、加圧開始時間直前（５０分から５５分）になったところで、再度、雰囲気ガス導入用バルブ３１を閉とした上で、バルブ２６を開とし、油回転ポンプ２１により真空容器１４内の空気を粗引きする。
【００１４】
この粗引き後に、バルブ２６を閉とし、バルブ２３を開、バルブ２４を開とすることで、油拡散ポンプ２２により真空容器１４内の空気を本引きする。
そして、真空容器１４内の真空度を測定する真空計２７が、例えば、５×１０-3Ｐａ以下になったところで、加圧を開始する。加圧をする前に真空容器１４内を真空にするのは、石英ガラス部材１に対して、上型２、および、下型３の光学機能面２ａ、３ａが凹形状を有するためである。凹形状を雰囲気中で加圧、成形した場合には、凹部中心付近の雰囲気ガスの逃げ道がなく、結果的に、凹部中心付近に空気たまりが形成され、光学機能面が得られない。
【００１５】
当然のことながら、光学機能面２ａ、３ａが凸形状を有する場合は、上記のような真空容器１４内を真空にする工程は不必要となる。
加圧は１４５０℃に保持されてから５分後にシリンダ１６が作動され、押圧軸１５を介して、ワーク１３の上型２を７０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力にて押し下げる。その後、加圧を図３に示すように１０分間行い、加圧完了時の温度が１１００℃となるように、６０分から温度を下げていく。この時点で、再度、バルブ２４を閉とし、雰囲気ガス導入用バルブ３１を開とする。その後、ワークを取り出し可能な温度まで雰囲気ガス中で冷却し、成形が完了する。
【００１６】
ワーク１３を真空容器１４から取り出し、容器（図示せず）から上型２、および、下型３を取り出すことにより、成形された所望の石英ガラス光学素子が得られる。なお、成形された石英ガラス光学素子、すなわち、フライアイレンズの代表的な形状を図４に示す。
上述した製造方法により得られる石英ガラス光学素子は水素ガスが混合した雰囲気ガス中において加熱されているため、素子内部の水素分子を、濃度にして１×１０18（個／単位立方ｃｍ）以上含有させている。この水素分子の量は、ラマン分光で得られるピークの強度から容易に計算できる。そのため、３００ｎｍ以下の紫外線を照射した場合においても、素子内部の物性変化により、急激な透過率の低下が発生することはない。
【００１７】
得られた石英ガラス光学素子が光学機能面を有する場合はそのまま使用し、また、光学機能面に近似された形状を有する場合は、軽い研磨加工で光学機能面に仕上げることにより、実際の光学系に組み込み、性能評価をしたところ、光学的性能は十分達成されていた。
すなわち、従来の研削、研磨加工でしか対応できなかった石英ガラス光学素子にも、成形加工を適用することが可能となり、石英ガラス光学素子の製造コストを大幅に低減することができる。
【００１８】
なお、以上の実施の形態では、雰囲気ガスとして水素ガス８０％、アルゴンガス２０％の混合比のものを用いたが、雰囲気ガスとしては、アルゴンガスに代え、それ以外の不活性ガスを混合したり（混合割合は、水素ガス０．１〜９９．９％の間で選択できる）、もしくは水素ガスのみで用いても良い。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたような石英ガラス光学素子の成形方法では、加熱、および、冷却時の雰囲気を不活性ガスと水素ガスとの混合ガス、もしくは、水素ガスとし、成形時は真空、もしくは、不活性ガスと水素ガスとの混合ガス、もしくは、水素ガスとしたので、紫外線、特に、３００ｎｍ以下の紫外線用の光学素子として透過率の低下が抑えられ、確実に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】成形によりフライアイレンズを得る場合の、設置状態を説明する図である。
【図２】本発明の成形をしている状態を説明する図である。
【図３】本発明の成形方法の一実施形態における、スケジュールを示した図である。
【図４】本発明の成形方法の一実施形態によって得られたフライアイレンズである。
【符号の説明】
１：石英ガラス部材  ２：上型  ２ａ：上型光学機能面  ３：下型  ３ａ：下型光学機能面  １０：成形装置本体部  １１：載せ台  １２：ヒータ  １３：ワーク  １４：真空容器  １５：押圧軸  １６：シリンダ  ２０：成形装置排気部
２１：油回転ポンプ  ２２：油拡散ポンプ  ２３：バルブ  ２４：バルブ  ２５：バルブ  ２６：バルブ  ２７：真空計  ３０：成形装置雰囲気ガス導入部  ３１：バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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