JP2003137563A - 合成石英ガラス塊から光学的に高品質の大型の光学的部材を製造する方法と装置、およびそれを用いて製造された光学的部材。 - Google Patents
合成石英ガラス塊から光学的に高品質の大型の光学的部材を製造する方法と装置、およびそれを用いて製造された光学的部材。Info
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
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- C03B32/00—Thermal after-treatment of glass products not provided for in groups C03B19/00, C03B25/00 - C03B31/00 or C03B37/00, e.g. crystallisation, eliminating gas inclusions or other impurities; Hot-pressing vitrified, non-porous, shaped glass products
- C03B32/005—Hot-pressing vitrified, non-porous, shaped glass products
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C03B19/14—Other methods of shaping glass by gas- or vapour- phase reaction processes
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
- Y02P40/50—Glass production, e.g. reusing waste heat during processing or shaping
- Y02P40/57—Improving the yield, e-g- reduction of reject rates
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】合成石英ガラス塊から光学的に高品質の大型の
光学的部材を製造する。 【解決手段】石英ガラス塊を、保護ガス雰囲気を持つ炉
の中で部材モールドに入れ、軟化点より５０から１７０
Ｋ高く加熱する。この加熱温度を２０から９０分維持
し、この保持時間の間この石英ガラス塊を部材モールド
に押し込む。これにより良好な投入量あたり収率を得な
がら石英ガラスにマイルドな処理を行い、エネルギー投
入量を軽減し、部材モールドに完全な充てんを達成す
る。
光学的部材を製造する。 【解決手段】石英ガラス塊を、保護ガス雰囲気を持つ炉
の中で部材モールドに入れ、軟化点より５０から１７０
Ｋ高く加熱する。この加熱温度を２０から９０分維持
し、この保持時間の間この石英ガラス塊を部材モールド
に押し込む。これにより良好な投入量あたり収率を得な
がら石英ガラスにマイルドな処理を行い、エネルギー投
入量を軽減し、部材モールドに完全な充てんを達成す
る。
Description
【０００１】本発明は、特許請求の範囲に記載の種類
の、合成石英ガラス塊から光学的に高品質の大型の光学
的部材を製造する方法と装置、およびそれを用いて製造
された光学的部材に関する。
の、合成石英ガラス塊から光学的に高品質の大型の光学
的部材を製造する方法と装置、およびそれを用いて製造
された光学的部材に関する。
【０００２】知られているように、寸法の大きな、また
は広範囲に屈折率均一性が良好な石英ガラス部品を製造
するには、それよりも寸法の小さい石英ガラス塊の加熱
追加成形が必要である。その際それよりも寸法の大きい
モールドに投入された石英ガラス塊は、炉の中で一定時
間、軟化点（軟化温度≒１６００℃）より約２００Ｋ高
い温度にさらされる。これにより石英ガラス塊のモール
ドへの流入が生じるが、このモールドの内側輪郭は、追
加成形後の石英ガラス部品における所望の新しい外側輪
郭に相当する。当初ジオメトリーおよび目標ジオメトリ
ーに応じて、１つの追加成形には最大３つの工程を順次
行わなければならない。これによりとくに石英ガラス部
品の表面領域で、屈折率均一性、透過率、蛍光およびＨ
2−含有量の著しい変化を生じるが、これらの変化は、
プロセスパラメーターやプロセス段階に応じて、その作
用や侵入の深さが強くなる。さらには光学的均一性に局
部的な欠陥が比較的しばしば現れ、これらの欠陥は、結
像システムの仕様書に定める屈折率分布の勾配や残留均
一性に不利な影響を持つ。とくにＥＰ１０６９０８４に
より石英ガラスを成形する方法と装置が知られている
が、この場合、石英ガラスから付着泡を除去しなければ
ならず、弾性と気体透過性ある素材によるモールドが構
想されており、追加成形は温度１７５０から１８５０℃
で行われる。
は広範囲に屈折率均一性が良好な石英ガラス部品を製造
するには、それよりも寸法の小さい石英ガラス塊の加熱
追加成形が必要である。その際それよりも寸法の大きい
モールドに投入された石英ガラス塊は、炉の中で一定時
間、軟化点（軟化温度≒１６００℃）より約２００Ｋ高
い温度にさらされる。これにより石英ガラス塊のモール
ドへの流入が生じるが、このモールドの内側輪郭は、追
加成形後の石英ガラス部品における所望の新しい外側輪
郭に相当する。当初ジオメトリーおよび目標ジオメトリ
ーに応じて、１つの追加成形には最大３つの工程を順次
行わなければならない。これによりとくに石英ガラス部
品の表面領域で、屈折率均一性、透過率、蛍光およびＨ
2−含有量の著しい変化を生じるが、これらの変化は、
プロセスパラメーターやプロセス段階に応じて、その作
用や侵入の深さが強くなる。さらには光学的均一性に局
部的な欠陥が比較的しばしば現れ、これらの欠陥は、結
像システムの仕様書に定める屈折率分布の勾配や残留均
一性に不利な影響を持つ。とくにＥＰ１０６９０８４に
より石英ガラスを成形する方法と装置が知られている
が、この場合、石英ガラスから付着泡を除去しなければ
ならず、弾性と気体透過性ある素材によるモールドが構
想されており、追加成形は温度１７５０から１８５０℃
で行われる。
【０００３】本発明の課題は次のような方法を得ること
である。すなわち、良好な投入量あたり収率を得なが
ら、合成石英ガラス塊から光学的に高品質の大型の光学
的部材を製造する方法であって、かつ石英ガラスにマイ
ルドであり、とくにＨ2−含有量を減少させず、エネル
ギー投入を軽減し、モールドに完全に充てんできるよう
にする方法を得ることである。
である。すなわち、良好な投入量あたり収率を得なが
ら、合成石英ガラス塊から光学的に高品質の大型の光学
的部材を製造する方法であって、かつ石英ガラスにマイ
ルドであり、とくにＨ2−含有量を減少させず、エネル
ギー投入を軽減し、モールドに完全に充てんできるよう
にする方法を得ることである。
【０００４】本発明はこの課題を、請求項１の諸特徴に
よって解決し、従属請求項の諸特徴によってそれを精細
化する。加熱温度を引き下げることにより、とくに軟化
点より３０から１５０Ｋ高いだけとすることにより、必
要なエネルギー投入を節減（１サイクルあたり最大２５
ｋＷｈまで）するだけでなく、Ｈ2−含有量の維持が改
善され、屈折率均一性、ＵＶ−透過率、蛍光挙動のそれ
ぞれの変化が、知られている方法よりも少ない。これに
より、追加成形された光学的部材の周縁領域で、廃棄物
となるものが少なくなる。石英ガラス塊に圧力が作用す
るので、加熱温度の引き下げ、加熱時間あるいはプロセ
ス時間の短縮、部材モールド（下向きプレスモールド）
への石英ガラス塊の流入の改善が可能となる。したがっ
て、下向きプレスモールドの隅々まで十分充てんされ
る。
よって解決し、従属請求項の諸特徴によってそれを精細
化する。加熱温度を引き下げることにより、とくに軟化
点より３０から１５０Ｋ高いだけとすることにより、必
要なエネルギー投入を節減（１サイクルあたり最大２５
ｋＷｈまで）するだけでなく、Ｈ2−含有量の維持が改
善され、屈折率均一性、ＵＶ−透過率、蛍光挙動のそれ
ぞれの変化が、知られている方法よりも少ない。これに
より、追加成形された光学的部材の周縁領域で、廃棄物
となるものが少なくなる。石英ガラス塊に圧力が作用す
るので、加熱温度の引き下げ、加熱時間あるいはプロセ
ス時間の短縮、部材モールド（下向きプレスモールド）
への石英ガラス塊の流入の改善が可能となる。したがっ
て、下向きプレスモールドの隅々まで十分充てんされ
る。
【０００５】炉を含む加熱装置もまた熱負荷が少なくな
る。
る。
【０００６】この加熱温度を２０から９０分維持するな
らば、有利な解決が得られる。この場合圧力の強さと保
持温度の継続時間の間には間接的な比例関係がある。圧
力をかける前の石英ガラス塊の加熱は、１から５０Ｋ／
分の速さで行うことができる。成形された石英ガラス塊
の冷却は５０Ｋ／分の速さで、または場合によってはそ
れより著しく遅い速さで、時にはごく短時間だけ行うよ
うにするのが有利である。プレス装置は、１つの実施形
態では保護ガス雰囲気（窒素、アルゴン）を持つ炉の中
に設けられる。このプレス装置は、石英ガラス塊の上面
にほぼ平行なプレス板を備え、このプレス板が上面を圧
迫するが、その圧力を調節できるものとする。プレス板
は湾曲したものとすることもでき、好ましくは黒鉛製と
する。１つの簡単な解決法で用いられるプレス板は、少
なくとも２つ、好ましくは３つまたは４つの黒鉛製コラ
ム上のブシュを用いて正確に案内され、その重量物が外
部からの力として石英ガラス塊に働く。重量物の代わり
に圧縮ばねを用いることもできる。この圧力はそのほ
か、炉の内部または外部に設けた機械式、油圧式および
／または気圧式装置によって生じ、適切な結合手段、た
とえばロッドによってプレス板に伝達することもでき
る。プレス板と同様に下向きプレスモールドの内側底面
を、凹面または凸面に湾曲したものとすることができ
る。また１つのプレス装置で複数の石英ガラス塊を、複
数の、場合によってはさまざまに異なる下向きプレスモ
ールドで加工できる。
らば、有利な解決が得られる。この場合圧力の強さと保
持温度の継続時間の間には間接的な比例関係がある。圧
力をかける前の石英ガラス塊の加熱は、１から５０Ｋ／
分の速さで行うことができる。成形された石英ガラス塊
の冷却は５０Ｋ／分の速さで、または場合によってはそ
れより著しく遅い速さで、時にはごく短時間だけ行うよ
うにするのが有利である。プレス装置は、１つの実施形
態では保護ガス雰囲気（窒素、アルゴン）を持つ炉の中
に設けられる。このプレス装置は、石英ガラス塊の上面
にほぼ平行なプレス板を備え、このプレス板が上面を圧
迫するが、その圧力を調節できるものとする。プレス板
は湾曲したものとすることもでき、好ましくは黒鉛製と
する。１つの簡単な解決法で用いられるプレス板は、少
なくとも２つ、好ましくは３つまたは４つの黒鉛製コラ
ム上のブシュを用いて正確に案内され、その重量物が外
部からの力として石英ガラス塊に働く。重量物の代わり
に圧縮ばねを用いることもできる。この圧力はそのほ
か、炉の内部または外部に設けた機械式、油圧式および
／または気圧式装置によって生じ、適切な結合手段、た
とえばロッドによってプレス板に伝達することもでき
る。プレス板と同様に下向きプレスモールドの内側底面
を、凹面または凸面に湾曲したものとすることができ
る。また１つのプレス装置で複数の石英ガラス塊を、複
数の、場合によってはさまざまに異なる下向きプレスモ
ールドで加工できる。
【０００７】状基本発明の手段により製造された光学的
部材（石英ガラスプレート）は、少なくとも５００ｍｍ
というエッジ長さあるいは直径を得られる点ですぐれて
いる。
部材（石英ガラスプレート）は、少なくとも５００ｍｍ
というエッジ長さあるいは直径を得られる点ですぐれて
いる。
【０００８】下記に１つの実施例の略図を用いて本発明
をさらに詳しく説明する。
をさらに詳しく説明する。
【０００９】不活性ガス雰囲気を持つ適切な形状の炉１
の中に２つの下向きプレスモールド２、３を設け、これ
らのモールドは好ましくは黒鉛製とし、所望の寸法と内
側輪郭を持つものとする。これら下向きプレスモールド
は円形あるいは四角形とし、かつ平面または湾曲した内
面を備えるものとすることができる。その側面寸法は１
０００×６００ｍｍとすることができる。
の中に２つの下向きプレスモールド２、３を設け、これ
らのモールドは好ましくは黒鉛製とし、所望の寸法と内
側輪郭を持つものとする。これら下向きプレスモールド
は円形あるいは四角形とし、かつ平面または湾曲した内
面を備えるものとすることができる。その側面寸法は１
０００×６００ｍｍとすることができる。
【００１０】下向きプレスモールド２、３の中央に石英
ガラス塊４、５を挿入するが、これら石英ガラス塊は、
後の使用目的を考慮の下に、先行する加工工程（機械的
または熱追加成形による加工）により、円筒形または直
方体に形成されたものとすることができる。
ガラス塊４、５を挿入するが、これら石英ガラス塊は、
後の使用目的を考慮の下に、先行する加工工程（機械的
または熱追加成形による加工）により、円筒形または直
方体に形成されたものとすることができる。
【００１１】下向きプレスモールド２、３は、石英ガラ
ス塊４、５とともにプレス装置７の台板６上に載せられ
る。プレス板８は、案内用コラム９、１０またはそのほ
かの適切な案内手段によって正確に平行に案内される
が、このプレス板を石英ガラス塊４、５の上面１１、１
２に載せる。プレス板８の下側のプレス面１３は、基本
的に平面、凹面または凸面に成形されているものとする
ことができる。プレス板８の上には、調節可能なプレス
重量物１４を載せる。プレス重量物１４の代わりに外部
に設けたプレス手段１９から、ロッドそのほかの結合手
段１５、１６を用いて、プレス板８に圧力を導くことが
できる。プレス重量物１４あるいはプレス手段１９は、
機械式、油圧式および／または気圧式とすることができ
る。プレス重量物１４は、石英ガラス塊４、５に働く圧
力が１０ｋＰａから５００ｋＰａ、たとえば１００ｋＰ
ａとなるように選択する。
ス塊４、５とともにプレス装置７の台板６上に載せられ
る。プレス板８は、案内用コラム９、１０またはそのほ
かの適切な案内手段によって正確に平行に案内される
が、このプレス板を石英ガラス塊４、５の上面１１、１
２に載せる。プレス板８の下側のプレス面１３は、基本
的に平面、凹面または凸面に成形されているものとする
ことができる。プレス板８の上には、調節可能なプレス
重量物１４を載せる。プレス重量物１４の代わりに外部
に設けたプレス手段１９から、ロッドそのほかの結合手
段１５、１６を用いて、プレス板８に圧力を導くことが
できる。プレス重量物１４あるいはプレス手段１９は、
機械式、油圧式および／または気圧式とすることができ
る。プレス重量物１４は、石英ガラス塊４、５に働く圧
力が１０ｋＰａから５００ｋＰａ、たとえば１００ｋＰ
ａとなるように選択する。
【００１２】炉１および石英ガラス塊４、５の加熱は、
ヒーター１７、１８を用い、好ましくは１から５０Ｋ／
分、たとえば１０Ｋ／分の加熱速度で行う。追加成形段
階では温度を、使用されている下向きプレスモールド
２、３および石英ガラス塊４、５に応じて、軟化点（訳
注：カッコないも「軟化点」）１６００℃よりもわずか
に５０から１７０Ｋ、たとえば７０Ｋ高くし、あるいは
従来の技術による標準的下向きプレス法よりも３０から
１５０Ｋ低くする。そのほか加えられる圧力によって追
加成形段階の滞留時間を、従来の技術と比較して２０か
ら６０分短縮して、２０から９０分に、たとえば３０分
にすることができる。
ヒーター１７、１８を用い、好ましくは１から５０Ｋ／
分、たとえば１０Ｋ／分の加熱速度で行う。追加成形段
階では温度を、使用されている下向きプレスモールド
２、３および石英ガラス塊４、５に応じて、軟化点（訳
注：カッコないも「軟化点」）１６００℃よりもわずか
に５０から１７０Ｋ、たとえば７０Ｋ高くし、あるいは
従来の技術による標準的下向きプレス法よりも３０から
１５０Ｋ低くする。そのほか加えられる圧力によって追
加成形段階の滞留時間を、従来の技術と比較して２０か
ら６０分短縮して、２０から９０分に、たとえば３０分
にすることができる。
【００１３】プレスされた石英ガラス体の冷却は、好ま
しくは５０Ｋ／分以下、たとえば５Ｋ／分の冷却速度で
行う。その際それぞれ冷却速度が異なるさまざまな冷却
段階を設けることが可能である。
しくは５０Ｋ／分以下、たとえば５Ｋ／分の冷却速度で
行う。その際それぞれ冷却速度が異なるさまざまな冷却
段階を設けることが可能である。
【００１４】冷却後に装置７を炉１から取り外し、追加
成形された石英ガラス体を下向きプレスモールド２、３
から取り外す。
成形された石英ガラス体を下向きプレスモールド２、３
から取り外す。
【００１５】プレス装置を使用することにより、寸法が
非常に大きい場合（たとえば６００×６００ｍｍ）で
も、下向きプレスモールドに石英ガラスを完全に装入す
ることができる。
非常に大きい場合（たとえば６００×６００ｍｍ）で
も、下向きプレスモールドに石英ガラスを完全に装入す
ることができる。
【００１６】直方体の下向きプレスモールドが隅々まで
完全に充てんされる。
完全に充てんされる。
【００１７】たとえば平面と凸面からなる石英ガラス体
の形成が実現できる。
の形成が実現できる。
【００１８】モールドのジオメトリーのいかんにかかわ
らず下向きプレスモールドに完全に充てんできることに
より、投入量あたり収率が向上する。
らず下向きプレスモールドに完全に充てんできることに
より、投入量あたり収率が向上する。
【００１９】追加成形段階の温度が３０から１５０Ｋ低
くなり、同時に追加成形段階が２０から９０分短縮され
ることにより、石英ガラスの熱負荷が著しく減少する。
このため、屈折率均一性、透過率、蛍光およびＨ2−含
有量の変化は、表面に近い領域、明らかにより小さい領
域でのみ生じることになる。
くなり、同時に追加成形段階が２０から９０分短縮され
ることにより、石英ガラスの熱負荷が著しく減少する。
このため、屈折率均一性、透過率、蛍光およびＨ2−含
有量の変化は、表面に近い領域、明らかにより小さい領
域でのみ生じることになる。
【００２０】追加成形された石英ガラス部品に対して必
要な表面の除去は最大１０ｍｍ軽減できるが、このこと
は、それぞれの石英ガラス部品に応じて投入量あたり収
率が最大３０％向上することを意味する。
要な表面の除去は最大１０ｍｍ軽減できるが、このこと
は、それぞれの石英ガラス部品に応じて投入量あたり収
率が最大３０％向上することを意味する。
【００２１】コラム９、１０によって平行に案内される
プレス板８が加える圧力によって、石英ガラス体は追加
成形段階において安定した案内を受ける。追加成形段階
における対称性の逸脱は防止される。このため、たとえ
ば追加成形された石英ガラス部品には屈折率が対称的に
分布することになり、これによりたとえば屈折率勾配の
減少が得られる。
プレス板８が加える圧力によって、石英ガラス体は追加
成形段階において安定した案内を受ける。追加成形段階
における対称性の逸脱は防止される。このため、たとえ
ば追加成形された石英ガラス部品には屈折率が対称的に
分布することになり、これによりたとえば屈折率勾配の
減少が得られる。
【００２２】本発明の応用範囲は、均一性、１９３ｎｍ
透過性、蛍光およびレーザーダメージ安定性に対する要
求が高くなっている製品シリーズのためのすべての追加
成形である。それには次のものが含まれる： −下記のものを製造するための合成石英ガラス製の半製
品。 −２４８ｎｍ用途のための投影システム。 −１９３ｎｍ用途のための照射システム。 −１９３ｎｍ用途のための投影システム。 −均質な大型プレート（流れ距離が大きいため）。 −基板ブロック、とくにＡｒＦ−グレードのもの。 −表面輪郭を事前成形された半製品。
透過性、蛍光およびレーザーダメージ安定性に対する要
求が高くなっている製品シリーズのためのすべての追加
成形である。それには次のものが含まれる： −下記のものを製造するための合成石英ガラス製の半製
品。 −２４８ｎｍ用途のための投影システム。 −１９３ｎｍ用途のための照射システム。 −１９３ｎｍ用途のための投影システム。 −均質な大型プレート（流れ距離が大きいため）。 −基板ブロック、とくにＡｒＦ−グレードのもの。 −表面輪郭を事前成形された半製品。
【図１】本発明の１つの実施例を示す略図である。
１ 炉
２、３ 下向きプレスモールド、部材モールド
４、５ 石英ガラス塊
６ 台板
７ プレス装置
８ プレス板
９、１０ 案内手段、案内コラム
１１、１２ 上面
１３ 下側のプレス面
１４、１９ プレス手段、プレス重量物
１５、１６ 結合手段、ロッド
１７、１８ ヒーター
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ノルマン シェーンヘール
ドイツ連邦共和国 Ｄ−07743 イエナ
ドルンブルガー シュトラッセ 117
Claims (13)
- 【請求項１】 合成石英ガラス塊から光学的に高品質の
大型の光学的部材を製造する方法であって、すなわち、
保護ガス雰囲気中において石英ガラス塊を部材モールド
の中でその軟化点以上に加熱し、部材モールドによって
あたえられた形状とする上記の方法において、石英ガラ
ス塊をその軟化点よりわずかだけ高く加熱することと、
石英ガラス塊の上面全体にプレス装置が１０から５００
ｋＰａで均一に作用することと、石英ガラス塊は軟化点
よりわずかだけ高い加熱温度で、プレス装置が加熱する
間一定に保持されることとを特徴とする、上記の方法。 - 【請求項２】 石英ガラス塊は軟化点より５０から１７
０Ｋ高く加熱されることを特徴とする、請求項１に記載
の方法。 - 【請求項３】 上記加熱温度を２０から９０分保持する
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 プレス装置が、案内装置にそって上面に
ほぼ直角に移動可能なプレス板を備え、このプレス板が
上面に作用することを特徴とする、請求項１に記載の方
法。 - 【請求項５】 プレス板と上面との間に付着防止層を設
けることを特徴とする、請求項４に記載の方法。 - 【請求項６】石英ガラス塊の加熱が１から５０Ｋ／分の
速さで行われることを特徴とする、請求項１に記載の方
法。 - 【請求項７】 成形された石英ガラス体が５０Ｋ／分以
下の速さで冷却されることを特徴とする、請求項１に記
載の方法。 - 【請求項８】 プレス板の圧力が調節可能であることを
特徴とする、請求項４に記載の方法。 - 【請求項９】 プレス板の下面および／または部材モー
ルドの下側内面が湾曲した形状であることを特徴とす
る、請求項４に記載の方法。 - 【請求項１０】 同時に複数の塊が１つのプレス装置に
よって加工されることを特徴とする、請求項１に記載の
方法。 - 【請求項１１】 請求項１から１０に記載の方法を実施
する装置において、すなわち、各部材モールド（２、
３）中にある少なくとも１つの石英ガラス塊（４、５）
のためのヒーター（１８、１９）を炉（１）の中に備え
る上記の装置において、部材モールド（２、３）がプレ
ス装置（７）の台板（６）の上に配置されて、案内用コ
ラム（９、１０）を備え、プレス手段（１４）の作用の
下にあるプレス板（８）をこのコラムにそって動かすこ
とができ、このプレス板の下側のプレス面（１３）が石
英ガラス塊（４、５）の上面（１１、１２）に押し付け
られ、したがってこの石英ガラス塊は部材モールド
（２、３）によってあたえられる形状にプレスされるこ
とを特徴とする、上記の装置。 - 【請求項１２】 プレス手段（１４）が炉（１）の外に
配置され、結合手段（１５、１６）を介してプレス板
（８）に作用することを特徴とする、請求項１１に記載
の装置。 - 【請求項１３】 エッジの長さあるいは直径が少なくと
も５００ｍｍあることを特徴とする、前記各請求項のい
ずれかに従って製造された石英ガラスプレート。
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