JPH06211528A - ガラスレンズの成型方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガラスレンズの成型方法において、正確で再
現性の優れた成形体が得られ、加圧サイクルの時間が短
縮でき、鋳型に広範囲の材料が使用可能となる。 【構成】 ガラスプレフォームを与え、鋳型キャビティ
を与え、前記ガラスプレフォームの粘度が約10⁸ 〜約10
¹⁰ポアズとなるような温度に前記鋳型キャビティおよび
ガラスプレフォームを予備加熱し、前記予備加熱の温度
範囲で前記鋳型キャビティ内において前記ガラスプレフ
ォームをプレスし、ガラスの粘度が約10¹¹〜約10¹²ポア
ズとなるような第２の温度に前記鋳型キャビティおよび
ガラスプレフォームを露し、このガラスプレフォームと
鋳型キャビティを前記第２の温度におきながら該ガラス
プレフォームを等温状態の下に前記鋳型キャビティ内で
プレスしてレンズとし、このレンズを前記鋳型キャビテ
ィから取り出す各工程を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、精密ガラス製品の成形方法に関
する。

【０００２】精密光学素子は、厳密な形状と表面特性と
を有するように高度に研磨された表面を備えることが要
求される。そして、該表面の各々は、互いに適当な幾何
学的関係を有するように構成されることが必要であり、
光学素子が透光用に使用される場合には、該表面は屈折
率が均一で等方性となるように制御された材料から製造
される。

【０００３】従来、ガラスから成る精密光学素子は、複
雑で多工程を含む２つの方法のいずれかの方法に従って
製造されている。第１の方法においては、通常の方式に
従ってガラスバッチを溶融し、得られた溶融物から、所
定の均質な屈折率を有するガラス体を形成する。しかる
後、周知の再圧縮技術を用いてガラス体を再成形して所
望の最終製品に近似した形状とする。しかしながら、こ
の段階におけるガラス体の表面形状と表面仕上げの程度
は、像形成用光学素子として適してはいない。そこで、
この粗製品を精密な熱処理に供して屈折率を所望の値に
し、また、従来から用いられている破砕手段により表面
形状を改良する。第２の方法においては、ガラス溶融物
からガラスの塊を形成し、このガラス塊を直ちに精密熱
処理に供し、次いで、切削および破砕して、所望の形状
の製品とする。

【０００４】これらの方法はいずれも同様の欠点を有し
ている。破砕によって製される表面の形状は、皿状、球
状または放物状などの円錐形の部分に限られている。他
の形状、特に、非球状を破砕によって得るのは困難であ
る。また、それらの方法のいずれにおいても、破砕操作
によって得た表面を、従来からの複雑な研磨操作によっ
て研磨しており、該研磨操作は表面の形状を充足させる
ことなく表面仕上げを改良しようとするものである。非
球状の表面を得る場合には、この研磨操作は、熟練と費
用のかかる手操作を要する。そして、最終的な仕上げと
して、ばり取りを必要とするのが普通である。ばり取り
によって、球形レンズの光学軸と機械軸とが一致させら
れる。しかしながら、不整合な非球状の各表面の関係
は、ばり取りによって改良されない。これは、そのよう
な非球状表面を有するレンズを破砕によって整形するこ
とができなかったことに一因がある。

【０００５】レンズを直接成形して最終的な形状にすれ
ば、非球形レンズを得るのに特に困難で時間のかかる破
砕、研磨およびばり取り操作をなくすことはできるはず
である。実際にも、成形操作は、プラスチックレンズを
製造するのに用いられている。しかしながら、光学用の
プラスチックレンズは、屈折率と分散の範囲が限られて
いる場合にのみ適用されているのが現況である。更に、
多くのプラスチックは、傷つき易く、また、黄色化、曇
りおよび複屈折などを生じ易い。耐摩耗性で耐反射性の
被覆を施しても、それらの欠点を完全に解決することは
できない。更に、プラスチック製の光学素子は、物理的
力、湿度および熱によって変形を受け易い。プラスチッ
クの体積および屈折率は、いずれも、温度の変化に応じ
て相当変化するので、使用される温度領域が限られる。

【０００６】総じて、ガラスの諸性質を考慮すれば、光
学的材料としてはプラスチックよりもガラスの方が一般
的に優れている。しかしながら、従来から用いられてい
るガラスの熱プレスによっては、像形成用光学素子に要
求されるような厳密な表面形状と表面特性は得られな
い。表面のチルマークや表面形状の偏差によって常に悩
まされる。同様の問題は、状来からの再プレス（repres
sing）法においても生じる。

【０００７】これらの問題を修正するために多くの工夫
が考案されており、それらは等温プレス（等温加圧操
作）を含む場合が多い。すなわち、鋳型を加熱すること
により、成形されているガラスの温度を鋳型の温度と実
質的に同一にし、プレス加工中にガラスおよび鋳型材料
に対して不活性なガス雰囲気を用い、さらに（また
は）、特定の組成の材料を用いて鋳型を製作する。

【０００８】例えば、米国特許第 2,410,616号に記載さ
れているガラスレンズの成形装置と成形方法において
は、鋳型は加熱されることができ、成形されているガラ
スに適合し得るように狭い範囲で鋳型の温度が制御され
るようになっている。しかして、不活性または還元性の
ガス雰囲気（好ましくは水素）を鋳型の表面に接触させ
てその酸化を防止している。この特許に開示されている
発明の特徴は、鋳型を包囲しているチャンバの開口部を
覆うように炎のカーテン（通常は、燃焼水素）を用いて
空気の導入を防止していることである。しかしながら、
成形法における各種のパラメータを説明するための実施
例は記載されていない。

【０００９】米国特許第 3,833,347号にも、ガラスレン
ズを加圧成形する装置と方法が開示されている。該特許
においても、鋳型が加熱されることができ、その温度が
厳密に制御されるようになっている。不活性ガスが鋳型
を包囲してその酸化を防止している。この特許の発明の
特徴は、ガラス様の炭素（glasslike carbon）により鋳
型の表面が構成されていることである。しかして、金属
製のダイを用いると、写真用には適さないレンズ表面が
形成されると記されている。この米国特許に記載されて
いる方法は、次の８つの工程を含む：(1) 鋳型にガラス
のチャンクを入れること；(2) 鋳型を包囲するチャンバ
を先ず脱気し、次いで、該チャンバ内に還元性ガスを導
入すること；(3) 鋳型の温度をガラスの軟化点近傍にま
で上昇させること；(4) 鋳型に荷重をかけてガラスを成
形すること；(5) 鋳型に加えられる荷重を成形されたガ
ラス体を変形しないように維持しながら、鋳型の温度を
ガラスの転移温度よりも低い温度にまで下げること；
(6) 荷重を取り除くこと；(7) 鋳型を更に冷却して約 3
00℃にして、ガラス様炭素の酸化を防止すること；およ
び(8) 鋳型を開くこと。このようにして製造されたガラ
スレンズは、本質的に歪を有さず、更に熱処理する必要
がないと主張されている。

【００１０】米国特許第 3,844,755号には、ガラスレン
ズをトランスファー成形する装置と方法が記載されてい
る。この特許に記載された方法は次の８工程から成る：
(1)ガラス様炭素から製されたトランスファーチャンバ
に光学ガラスの塊を入れること；(2) 該チャンバを加熱
して空気を排出し、次いで、該チャンバに還元性ガスを
導入すること；(3) 該チャンバをガラスの軟化点近傍に
まで加熱すること；(4) 軟化したガラスに荷重を加え
て、ガラス様炭素表面によって画定されているキャビテ
ィ内にスプルーを介してガラスを流入させ、該ガラスを
成形すること；(5) 成形されたガラス体を変形しないよ
うに荷重を維持しながら、チャンバの温度をガラスの転
移温度よりも低い温度にまで下げること；(6) 荷重を除
くこと；(7) チャンバを更に冷却して約 300℃にして、
ガラス様炭素の酸化を防止すること；および(8) 鋳型を
開くこと。

【００１１】米国特許第 3,900,328号には、ガラス様炭
素で作られた鋳型を用いてガラスレンズを成形する方法
に関する一般的な説明が与えられている。しかして、該
特許に開示されている方法は、ガラス様炭素から作られ
た鋳型のキャビティに加熱軟化されたガラスの一部を入
れ、鋳型の近傍を非酸化性雰囲気に維持しながら、該鋳
型に適当な温度と圧力を施し、鋳型を冷却した後開き、
鋳型からレンズを取り出すことから成る。

【００１２】米国特許第 4,073,654号は、水和ガラスか
ら光学レンズを加圧成形する方法に関する。該特許の方
法は、水和ガラスの粒状物を鋳型に配置し、鋳型を真空
に引き、鋳型を密閉して該鋳型から水蒸気が漏出しない
ようにして、鋳型を充分な高温になるように加熱してガ
ラスの粒状物を焼結させて一体構造に成形し、鋳型に荷
重を施し、次いで、該荷重を開放して鋳型を開くことか
ら成る。鋳型の材料として提示されているのは、ガラス
様炭素、炭化タングステン、タングステンの合金であ
る。

【００１３】米国特許第 4,319,677号には、上述の米国
特許第 3,833,347号および第 3,844,755号の方法に類似
するガラスレンズの加圧成形およびトランスファー成形
が記載されている。但し、この米国特許第 4,319,677号
においては、鋳型のガラス接触部の材料として、ガラス
様炭素ではなく炭化ケイ素また窒化ケイ素が用いられて
いる。

【００１４】ヨーロッパ特許出願第 19342号において
は、ガラスの軟化点よりも高温度、すなわち、ガラスの
粘度が10^7.6 ポアズよりも小さくなるような温度におい
て、ガラスレンズを等温加圧成形する方法が開示されて
いる。しかしながら、加圧されたレンズが室温まで冷却
する態様についての説明は見当らず、したがって、従来
の方法が適用されているものと解しなければならない。

【００１５】以上のことをまとめると、ガラスレンズの
等温加圧成形に関する従来技術は、ガラスの軟化点に相
当する温度またはそれより高温において加圧を行ない、
鋳型に荷重を加えながら焼なましすることが一般的であ
る。したがって、本質的に成形プロセスが遅くなること
は明らかである。すなわち、鋳型にガラスを導入し、加
圧し、鋳型中で焼なまし、該鋳型からレンズを取り出す
のに要する時間を含む加圧成形サイクルが必要以上に長
くなる。

【００１６】本発明は、ガラス製品を等温加圧成形する
ための既知の方法を改良するものであり、本発明の改良
方法に従えば、極めて正確で再現性の優れた成形体が得
られ、加圧サイクルに要する時間が非常に短かくなり、
更に、鋳型に広範囲の材料を使用することが可能とな
る。本発明の方法は、その最も一般的な態様において
は、 (1) 所望の最終製品の形状に近似する形状を有するガラ
スプレフォーム（予備成形物）を調整し； (2) 所望の最終製品の形状に対応する正確な内部形状を
有する鋳型を調製し； (3) ガラスの粘度が約10⁸ ポアズ以上で且つ約10¹²ポア
ズ以下となるような温度に前記プレフォームを露し； (4) 前記プレフォームの温度またはそれに近い温度に前
記鋳型を露し； (5) 前記プレフォームが前記粘度範囲に存するようにし
て該プレフォームを前記鋳型内に配置して、該鋳型に充
分な時間に亘り荷重を加えることにより、該鋳型と該プ
レフォームとが少なくとも該鋳型の近傍においてほぼ同
温度となし、該プレフォームを該鋳型に一致する形状に
成形し； (6) 前記ガラスの粘度が10¹³ポアズよりも低くなるよう
な温度において、前記ガラス成形体を前記鋳型から取り
出し、次いで、 (7) 前記ガラス成形体を焼なます ７つの工程から成る。

【００１７】鋳型材料の性質は重要ではないが、良好な
表面仕上を供することができ、ガラスに対して本質的に
不活性であり、加圧成形が行なわれている温度において
表面の形状を保持するような充分な剛性を有することが
必要である。本発明の方法においては、鋳型の表面の有
害な特徴（例えば、金属鋳型の結晶構造）が複製される
というような問題は生じない。

【００１８】したがって、鋳型の表面の材料として広範
囲の材料が適用され得る。使用され得る材料としては、
400系列のステンレス鋼、無電解ニッケル、ベリリウム
−ニッケル合金、炭化タングステン、貴金属（白金、ロ
ジウム、金等）の合金、および溶融シリカが挙げられ
る。ガラス様炭素、炭化ケイ素、または窒化ケイ素の鋳
型を用いることもできるが、本発明の方法はそのような
高価な材料を使用することは要しない。鋳型の表面は、
それらの材料を鋳型全体に用いるか、あるいは、適当な
基質上に該材料を被覆することによって供される。

【００１９】本発明の成形方法を実施するに当っては、
従来からの方法に従って、光学的品質を有するガラスの
ガラス体が該ガラスのバッチを溶解することによって調
製される。ガラス体の重量は厳密に制御されなければな
らず、該重量の範囲は成形すべき製品の設計によって決
められる。更に、ガラス体の形状に注意して光学的な不
均一性ができるだけ生じないようにする。かくして、ガ
ラス体の成形に際しては、鋳型のキャビティ内のガスを
できるだけ捕捉しないようにする。例えば、成形によっ
て凸状の表面を得ようとする場合においては、ガラス体
の曲面が鋳型のキャビティの曲面よりも鋭くして、ガラ
ス体が先ず鋳型キャビティの中心に接触するようにす
る。勿論、従来から行なわれているように鋳型を脱気す
ることによってもガスの捕捉を防止することはできる
が、この手法は一般に光学表面に欠陥を生じさせる。上
記のごとき制限内で、ガラス体すなわちプレフォームの
形状が、できるだけ鋳型の形状に適合するようにする。
そのような適合により、迅速で非常にバランスのとれた
加圧作業が行なわれ、最終的な製品上にばりが生じない
ようにする。また、最も好ましい態様に従えば、ガラス
プレフォームが表面荒さを殆んど有しないようにする。
本発明の成形方法に従えば、ガラス体の表面仕上が改良
されるが、ガラスプレフォームが荒すぎると表面に不純
物が存したり光学的な不均一性をもたらすことがある。

【００２０】本発明に従えば、次のごとき特定の最小限
の基準が満たされれば、広範囲の温度と成形圧力を用い
て、きわめて精度の高いガラス製品を得ることができ
る：先ず、本発明に従う成形操作は、従来からのガラス
のプレス加工に比べてガラスの粘度がきわめて高い温度
下に行なわれることである。すなわち、約10⁸ 〜10¹²ポ
アズ、好ましくは約10⁸ 〜５×10¹⁰ポアズの粘度におい
てガラスが成形される。鋳型の材料が良好な表面仕上を
呈することができ、且つ、プレス操作が行なわれている
温度に抗することができるような充分な耐熱性を有し、
更に、成形温度下においてガラス組成物によって実質的
に侵されることがなければ、本発明においては任意のガ
ラス組成物を用いることができる。

【００２１】第二に、本発明の成形操作においては、成
形製品の最終的な形状が形成されている期間中は、疑似
的な等温状態にするということである。ここで用いる
「等温」という語は、鋳型の温度とガラスプレフォーム
の温度とが少なくとも鋳型の近傍においてはほぼ同一で
あるということを意味する。許容される温度差は、最終
的なガラス成形体の全体的な大きさと特定の目的に依存
するが、好ましくは20℃より小さく、一層好ましくは10
℃より小さい。この等温条件を充分な時間に亘り維持す
ることにより、鋳型に施される圧力がガラスプレフォー
ムを流動させて鋳型の表面に合致させる。

【００２２】一般的には、本発明に従って成形されたガ
ラス製品は、光学的用途に用いられるのに適するよりも
過剰な熱応力を有しており、従って、成形後に精密な焼
なまし工程が必要である。しかしながら、加圧操作にお
いて等温状態が確保されていたこと、および、成形製品
は全体的に鋳型の表面と一致しているという事実によ
り、該製品は等方的に収縮し、これにより、その表面の
相対的な形状が有意に変形することはない。更に、この
ような変形を起こさない焼なまし操作は、鋳型の外部か
ら行なうことができ、成形された形状を物理的に保持す
るための工夫は必要でない。このようにすることによっ
て、成形サイクルに要する時間が著しく短縮され、成形
物を再度成形サイクルに供することは必要でなくなる。
本発明においては、ガラス成形体を鋳型内に配置して荷
重を施しながら、該鋳型を、ガラスの転移温度範囲ない
しは遷移温度よりも低温にまで冷却する必要はない。す
なわち、鋳型を転移温度範囲よりも低い温度にまで（多
くの場合、室温にまで）冷却した後再加熱するのではな
く、ガラスの粘度が10¹³ポアズ以下となるような温度
（プレス操作された製品が鋳型から除去される最低の温
度）において鋳型が維持されることができる。これに対
して、前者のごときサイクルは、多くのエネルギーを消
費し、鋳型の寿命に悪影響を与える。

【００２３】実験によると、本発明の方法に従えば、
0.1％以下の寸法上の許容差、および0.2λ／cm以下の表
面形状の許容差（可視領域のスペクトルにおいて）が得
られることが示された。

【００２４】本発明の方法に用いられるマルチパート鋳
型アセンブリは、ガラスプレフォームに対して鋳型を動
かすための何らかの機構、および、鋳型の動きを制約す
る何らかの部材を含んでいなければならない。そのよう
な制約部材は、光学的表面間に要求される幾何学関係を
達成するのに必要である。そのような制約部材は各種の
方法で製造され得ることは理解されるであろう。

【００２５】レンズを成形するための２つのマルチパー
ト鋳型アセンブリが図１および図２に示されているが、
これらは例示的なものであって本発明を限定するもので
はない。すなわち、ガラスを自動的に装填したり取り出
す機構を付加したり、別の加熱装置、冷却装置および加
圧装置を用いたり、重要な機能を発揮させるのに他の機
械要素を用いることは、当業者の工夫に委ねられる。

【００２６】図１においては、鋳型１および２は、ブッ
シュ３内を滑動するピンの形状を成す。光学的表面すな
わちキャビティ４は鋳型の端部に形成される。光学表面
の相互の幾何学的関係（傾斜および中心）やレンズ取付
面に対する幾何学的関係は、ブッシュ内の鋳型の嵌合の
具合によって調節される。図１に示す装置においては、
鋳型キャリヤ５および６に油圧シリンダが取付けられて
鋳型を動かす。下部油圧シリンダが下部鋳型１とブッシ
ュ３を動かして誘導加熱コイル７内に入れ、該ブッシュ
３をフレーム８から動かないように保持する。上部シリ
ンダは上部鋳型２をガラスプレフォーム９に押圧して、
該プレフォームを流動させる。加熱は誘導加熱によって
行なわれ、冷却は自然対流によって行なわれる。装置の
温度は、下部鋳型１に設けられた熱電対10によって検知
され制御される。

【００２７】図２においては、鋳型20および21は、プレ
ート状を成し、その表面に光学面すなわち鋳型キャビテ
ィ22が形成されている。鋳型20および21は、リング23内
の凹所に当接する。該凹所の面が、得られる光学的表面
の傾斜を調節し、該凹所の端部が、光学的表面の中心を
調節する。それらの鋳型には油圧シリンダ（図示せず）
が取付けられ、該シリンダが鋳型を動かす。下部油圧シ
リンダが、下部鋳型20を上下に動かしてフレーム24と接
触させ且つ誘導加熱コイル25内に入れる。上部油圧シリ
ンダは、上部鋳型21を介してガラスプレフォーム26に力
を加える。鋳型とガラスプレフォームは誘導加熱に供さ
れ、冷却は自然対流によって行なわれる。装置内の温度
は、熱電対27によって検知され制御される。

【００２８】図１および図２の鋳型アセンブリは、２つ
の基本的に異なる加圧操作を示している。図１において
は、キャビティの容量は可変である。すなわち、流動ガ
ラスがキャビティを完全に充満するまで移動し続け、得
られるレンズの厚さは鋳型体のガラスの体積によって決
定される。これに対して図２においては、鋳型は一定位
置で停止し、キャビティの容量は一定である。通常、鋳
型内に入れられたガラスプレフォームはキャビティを完
全には充満しない。この結果、図２の18に示されるよう
に、鋳型によって制限されない幾らかの自由ガラス表面
が存在する。レンズの厚さは、リング23の厚さによって
支配される。図に示すいずれの方法および装置によって
も、高精度の光学レンズが成形されたが、図１に示す装
置を使用することが好ましい。

【００２９】図１に示す鋳型アセンブリは、鋳型キャリ
ヤに外部ストッパを取付けることによって、自由表面を
備えるガラス体を加圧成形するのに用いられることもで
きる。鋳型に接触する正確な表面形状が得られるように
する一方において、ガラス表面の一部が制約されないよ
うにすると、得られるガラス体上にばりを形成させない
という利点がある。ばりは、鋳型体の２つの異なる部片
間の割れ目にガラスが流入することによって生じる薄く
て壊れ易い付属物である。ばりは、外観を悪くするばか
りでなく、加圧成形操作中に、浅割れ、亀裂、摩耗およ
び汚染を生じさせることになる。

【００３０】図１および図２に示す鋳型アセンブリを実
際に操作するに当っては、ガラスプレフォーム、下部鋳
型およびブッシュまたはリングを手で組立てる。組立て
た装置を下部油圧シリンダにより動かして誘導加熱コイ
ルに入れる。しかる後、上部鋳型をガラスに近接して配
置する。鋳型とガラスに適当な温度−圧力を加える。次
いで、上部鋳型を上げ、装置の残りの部分を加熱コイル
の下まで下げ、成形された製品を手で取り出し、精密焼
なまし装置に移す。装置の構成材料および加圧工程にお
ける温度に応じて、成形装置を非酸化性雰囲気に置き、
酸化によって表面の光沢や許容度が変化しないように保
護することが有利である。

【００３１】図１および図２に示す誘導加熱は、ガラス
プレフォームの温度が鋳型の温度と実質的に異ならない
ようにしているが、本発明はこのような加熱方式に限定
されるものではない。例えば、比較的高温のガラスをそ
れよりも低温の鋳型内に導入した後で加圧を行ない、必
要な等温条件が確立された後に初めてガラスが鋳型表面
に一致するようにしてもよい。

【００３２】等温条件下においては、鋳型に一致するた
めのガラスプレフォームの流動は次の式によって支配さ
れる。

【００３３】

【数１】

【００３４】ここで、ｔ₀ は（ガラスプレフォームが鋳
型の形状に）一致するのに必要な時間であり、Ｐはガラ
スが充分に加圧されたときのガラス内の静水圧であり、
加圧操作に用いた力をキャビティの表面積で除した値に
等しく、また、μはガラスの粘度である。Ｃの値は、鋳
型キャビティの形状とガラスの出発時の形状との差に依
存し、その差が小さいほどＣの値は小さくなる。Ｃの値
に応じてｔ₀ 、Ｐおよびμの任意の組合せを用いてガラ
ス製品を成形すればよい。実際的な目的からは、ｔ
₀ （加圧時間）の値が小さいような組合せが好ましい。
そのような組合せは、Ｃの値に大きく依存する。この様
子は、後述の実施例３において説明されている。すなわ
ち、該実施例においては、鋳型表面の形状とガラスプレ
フォームが極めて接近しているので、ガラスの粘度が非
常に高い場合にガラスが鋳型に一致する状況が示されて
いる。同様な検討を行なうことによって、精密な成形を
行なうのに好適な加圧力Ｐの大きさは極めて広範囲に変
化させ得ることは明らかであろう。実際上の値は約１〜
50,000psi （0.07〜3,500Kg/cm² ）の範囲に存し、好ま
しい範囲は約 500〜 2,500psi （35〜175Kg/cm² ）であ
る。

【００３５】実施例１ 酸化物を基準にして、重量パーセントで、約47.6％のＰ
₂ Ｏ₅ 、 4.3％のＮa₂ Ｏ、 2.1％のＬi Ｏ、23％のＢa
Ｆ₂ 、および23％のＰb Ｏから成るガラス用バッチを
従来の手法に従って白金製るつぼの中で溶融した。フッ
化物は、どのカチオンと結合されているか解らないの
で、単にＢa Ｆ₂ （これは、ガラス組成物にフッ化物を
添加するための実際のバッチ成分である）として記述す
る。該溶融物から棒状ガラスを鋳造した後、ガラス技術
の分野で周知の成形法を用いて、所望のレンズに等しい
体積を有し且つ該レンズに近似した形状を有するプレフ
ォームを成形した。図１に示す鋳型アセンブリを上述し
たような方法に従って組立てた。 420Ｍステンレス鋼を
用いて、目的とするレンズに合致するような非球面キャ
ビティを有する直径10mmの鋳型を製作した。ブッシュ
は、タングステンカーバイドで作った。還元性ガス（92
％Ｎ₂ と８％Ｈ₂ から成る）を含有するグローブボック
スの中に鋳型アセンブリを配置した。

【００３６】前記プレフォームを収容した鋳型を誘導コ
イル内で 331℃に加熱し、該温度で５時間維持して熱平
衡に達するようにした。この温度は、ガラスの粘度が約
９×10⁸ ポアズになる温度に相当する。1300psi の圧力
を鋳型に１分間加えた。該荷重を除いた後、鋳型を迅速
に 280℃に冷却し（この温度では、ガラスの粘度は約10
¹²〜10¹³ポアズであった）、鋳型を分解し、得られたレ
ンズを鋳型から取り出し、該レンズの側面をセラミック
の板の上に配置し、しかる後、そのセラミック板とレン
ズを約 280℃のなまし処理に供した。該なまし処理を空
気雰囲気中で行い、レンズを約50℃／時間の速度で室温
まで冷却した。

【００３７】開口数 0.4において透過干渉によって試験
を行なったところ、入射波面と現存波面とＲＭＳ光路差
は約 0.050λであった。このように、得られるレンズの
光学的特性は、通常の回折限界 0.074λよりも相当優れ
ていた。

【００３８】実施例２ 上記の実施例１と同じ組成を有するガラスプレフォーム
を調製し、該実施例と同様の方法に従って成形した。白
金−ロジウム−金合金で被覆された球面キャビティを有
する直径10mmの鋳型と、タングステンカーバイドで製さ
れたブッシュとを用いて、図１に示す鋳型アセンブリを
組立てた。前記プレフォームを収容した鋳型体を 338℃
に加熱し（この温度はガラスの粘度が２×10⁸ ポアズに
なる温度である）、５分間放置した。550psiの圧力を25
秒間鋳型に加えた。該荷重が加えられているときに、鋳
型体を迅速に 288℃に冷却し（この温度は、ガラス粘度
が10¹¹ポアズになる温度に相当する）、しかる後、鋳型
体を急いで分解し、得られたレンズをなまし装置に移し
た。レンズの表面は、１波長よりも少し多い分だけ球形
からずれていた。

【００３９】実施例３ 実施例２と同様の操作を行なった。但し、鋳型体を分解
する前に該鋳型体に 228℃で５分間荷重を加えた。Ｐ−
Ｐが 0.21 λおよびＲＭＳが 0.030λ以内のｆが 0.8の
球形面を有するレンズが鋳型によって成形された。

【００４０】Ｐ−Ｐとはピーク間の差（peak-to-peak）
を意味し、最大分布の値と最小分布の値との差を表わ
す。すなわち、 Ｐ−Ｐ＝Ｘmax.−Ｘｍｉｎ． である。ＲＭＳとは二乗平均（ｒｏｏｔ−ｍｅａｎ−ｓ
ｑｕａｒｅ）を意味し、これは、次式のように、分布値
とその平均値の差の二乗の平方根を表わす。

【００４１】

【数２】

【００４２】実施例２の場合と同様に、鋳型を荷重を加
えた下で冷却すると、ガラスは、冷却中に鋳型とは異な
る収縮挙動を示し（これは、ガラスと鋳型の熱膨張が異
なるからである）、それとともに、（圧力が加えられて
いるために）元に戻って鋳型表面と一致しようとする。
このような状態は、表面形状のゆがんだレンズを形成さ
せることになる。しかしながら、本実施例において、低
温において（但し、ガラスの粘度は10¹²ポアズよりも大
きくはならないようにする）荷重を充分な時間保持して
等温条件が得られるようにすれば、ガラスが鋳型に一致
し、その結果、表面形状の良好なレンズが得られること
が示された。

【００４３】実施例４ 実施例１と同じ組成の溶融物からガラスベレットを鋳造
し、実施例１と同様の手法に従って成形しプレフォーム
を得た。鋳型とリングがステンレス鋼（ 400シリーズ）
から構成されている図２の鋳型アセンブリを組立て、該
鋳型アセンブリにプレフォームを配置し、全体を還元性
（92％のＮ₂ と８％のＨ₂ から成る）が含有されている
グローブボックス内に封入した。

【００４４】鋳型アセンブリを 319℃（ガラスの粘度が
〜３×10⁹ ポアズになる）に加熱し、該温度に４分間維
持した。鋳型体に500psiの圧力を１分間加えた。該荷重
を保持したまま、鋳型体を28.0℃（ガラスの粘度は〜７
×10¹¹ポアズになる）に冷却し、該温度に約５分間保持
した後鋳型体を分解して、得られたレンズを約 270℃の
焼なまし処理に供した。焼なまし処理後のレンズ表面の
鋳型表面に対する複製度はＰ−Ｐで 0.25 λよりも優れ
ていた。成形工程はいずれも等温条件下で行なわれた
が、この手法は必須ではない。すなわち、第二番目の加
圧と最終的な加圧は等温条件下で行なわなければならな
いが、最初の加圧は等温条件でなくてもよい。

【００４５】実施例５ 実施例１で記載したのと同様の方法に従い、直径24mmの
鋳型を用いて曲率半径が24.0mmの両凸形のガラスプレフ
ォームを得た。用いたガラス組成物は、酸化物を基準に
した重量パーセントで、約 5.9％のＰb Ｏ、Ｋ₂ Ｏ＋Ｎ
a ₂ Ｏ＋Ｃa Ｏ約19.2％、Ｂ₂ Ｏ₃ 約 7.9％、およびＳ
i Ｏ₂ 67％から成るものであった。図１に示すのと同様
の鋳型アセンブリ（鋳型は炭化タングステンから製され
た球形のものである）を組立てた。

【００４６】鋳型内にプレフォームを配置して、全体を
63.5℃に加熱したところ、該温度でガラスは10⁹ ポアズ
の粘度を示した。 850気圧（12,328psi ）の荷重を鋳型
に２分間加えた。その荷重を維持したまま、鋳型体を 5
70℃に冷却すると、ガラスの粘度は10¹³ポアズとなっ
た。上部鋳型２を上昇させて荷重を解放し、得られたレ
ンズを下部鋳型１に載置しながら焼なまし処理に供し
た。

【００４７】最終的に得られたレンズの干渉測定を行な
ったところ優れた再現性を示した。

【００４８】実施例６ 酸化物を基準にし重量パーセントで、概略、１％のＭg
Ｏ、Ｃa Ｏ＋Ｂa Ｏ＋Ｎa ₂ Ｏ＋Ｋ₂ Ｏ27％、Ａｌ₂ Ｏ
₃ 0.7％、Ｂ₂ Ｏ₃ 0.7％、Ｓb ₂ Ｏ₃ 0.6％およびＳ
i Ｏ₂ 70％から成るガラス組成物を用いて、実施例５と
同様の方法に従い該実施例と同じ形状のガラスプレフォ
ームを調製した。実施例５に記したのと同じ鋳型アセン
ブリを用い、上記のプレフォームを鋳型内に配置して装
置を 650℃に加熱したところ、該温度においてガラスは
５×10⁸ ポアズの粘度を示した。 900気圧（13,053psi
）の荷重を２分間鋳型に付与した。鋳型体を 538℃
（この温度において、ガラスの粘度は10¹³ポアズにな
る）に冷却し、この際、荷重を少しずつ低くして 538℃
においてゼロになるようにした。上部鋳型２を上昇さ
せ、得られたレンズを下部鋳型１に配置して焼なまし処
理に供した。

【００４９】最終的に得られたレンズの干渉測定する
と、優れた再現性を示した。

【００５０】実施例７ 酸化物を基準にする重量パーセントで、概略、Ｎa ₂ Ｏ
＋Ｋ₂ Ｏ２％、Ｐb Ｏ70.5％、Ｂ₂ Ｏ₃ 0.5％、および
Ｓi Ｏ₂ 27％から成る組成物から、実施例５と同様の方
法に従い該実施例と同じ形状のガラスプレフォームを調
製した。実施例５と同じ鋳型アセンブリを用いて、プレ
フォームを鋳型内に配置して、該鋳型体を 525℃に加熱
したところ、該温度においてガラスは10⁹ ポアズの粘度
を示した。鋳型に２分間にわたり 800気圧（11,603psi
）の荷重を加えた。荷重を保持したまま、鋳型体を 44
5℃に冷却したところ、ガラスは10¹³ポアズの粘度を示
した。上部鋳型２を上げて荷重を除き、得られたレンズ
を下部鋳型上に配置して焼なましを行なった。

【００５１】最終的に得られたレンズの干渉測定を行な
ったところ、優れた再現性を示した。

【００５２】なお、上述の実施例２〜７においては、加
圧工程で採用した荷重を一定に保持したまま又は徐々に
低下させながら、ガラスの粘度が約10¹¹〜10¹³ポアズに
なる温度に鋳型体を冷却しているが、このような操作は
必須ではない。すなわち、ガラス成形体を鋳型（の形
状）に一致するように保持するような荷重を加えておか
ねばならないが、そのような荷重は加圧工程において最
初に加えられる荷重よりかなり低くなっていてもよい。
同様に、加圧工程において加えられる圧力よりも大きい
圧力を用いることもできるが、実際的な利点はない。
また、上述の実施例においては、ガラスプレフォームを
鋳型内に配置してそのプレフォームの温度を鋳型と一緒
に上昇させているが、このような操作は本発明の方法に
おいて必須の条件ではない。すなわち、プレフォームと
鋳型とを別々に所望の温度にまで加熱し、鋳型に荷重が
加えられるときにのみ両者を一緒することもできる。

【００５３】単一の工程、すなわち、ガラスの粘度が10
⁸ 〜５×10¹⁰ポアズになる温度において等温加圧を行な
い、得られる製品を鋳型から直ちに取り出すことによっ
て、優れた表面形状を有する製品をきわめて迅速に製造
することができる。一方、表面形状が最良になるのは、
ガラスの粘度が約10¹¹〜10¹²ポアズとなるような温度に
おいて最終的な表面形状が得られた場合である。しかし
ながら、そのような温度における加圧操作に要する時間
は非常に長くなる。したがって、実施例３に記したよう
な２段階の工程から成る方法が好ましい。すなわち、ガ
ラスの粘度が約10⁸ 〜10¹⁰ポアズになるような温度にお
いて短時間の第１の加圧操作を行ない、次いで、圧力を
保持したまま、ガラスの粘度が約10¹¹〜10¹²ポアズにな
るような温度に急速に冷却する。しかして、その温度を
比較的短い時間保持して等温条件を確保した後、得られ
た製品を鋳型から取り除く。上記の温度に保持する時間
を長くしても成形体の特性に悪影響を与えることはない
が、経済的には好ましくない。

【００５４】２段階の成形を行なう上述の好ましい方法
に代る方法として、２組の鋳型を用いてもよい。第１の
組の鋳型は、ガラスプレフォームの粘度が約10⁸ 〜10¹⁰
ポアズとなるような温度において用いられる。該温度に
おいて加圧操作を行なった後、プレフォームを鋳型を取
り出すが、この時、表面形状が損われることは僅かであ
る。しかる後、プレフォームを第２の組の鋳型に導入
し、ガラスの粘度が約10 ¹¹〜10¹²ポアズになるような温
度に露す。該温度における第２の加圧工程は、ガラスの
流動量がきわめて少ないので、長時間の成形時間を必要
とせずに正確な表面形状を与える。この第２の加圧操作
は等温条件下で行なわなければならないが、第１の加圧
操作はそのような条件は必ずしも要求されない。

【００５５】上述の説明から理解されるように、鋳型の
材料が充分な耐火性を有しガラスに対し不活性であれ
ば、本発明に従い殆んど全てのガラスから高精度で優れ
た表面形状を有するガラス成形体を得ることができる。
実用的には、加圧操作は、 100°〜 650℃の範囲の温
度、特に好ましくは約 250°〜 450℃の範囲の温度で行
なわれることが望まれる。したがって、 100°〜 650℃
の温度範囲、特に好ましくは 250°〜 450℃の温度範囲
において、10⁸ 〜10¹²ポアズの粘度を示すガラス組成物
がそのような要求に合う。リン酸塩系のガラス組成物
は、ガラスの技術分野において、一般に転移温度が低い
ものとして認められている。そのようなガラスは、本発
明の成形法に好適である。しかしながら、リン酸塩系の
ガラスはまた、当該技術分野においては、しばしば化学
的耐久性が劣ることも知られている。

【００５６】Ａ．Ｒ．Ｏlszewski等による1980年２月26
日出願の米国特許出願第 124,924号には、アルカリ金属
−アルミノフッ化リン酸塩系のガラス組成物に属し、転
移温度が 350℃よりも低く優れた耐候性を有し、酸化物
基準の重量パーセントで、30〜75％のＰ₂ Ｏ₅ 、３〜25
％のＲ₂ Ｏ（ここで、Ｒ₂ Ｏは、０〜20％のＬi ₂ Ｏ、
０〜20％のＮa ₂ Ｏ、０〜20％のＫ₂ Ｏ、０〜10％のＰ
b ₂ Ｏ、および０〜10％のＣs ₂ Ｏから成る）、３〜20
％のＡｌ₂ Ｏ₃ 、および３％より多く且つ24％より少な
いＦから成り、Ｆ：Ａｌの原子比が 1.5〜５に存し、
Ｒ：Ｐの原子比が１よりも小さいようなガラス組成物が
開示されている。その諸性質から言って、該ガラス組成
物は、本発明の方法に用いられるのに最も好ましい組成
物と考えられる。

【００５７】上述の実施例においては、ガラスの粘度範
囲に応じて種々の熱的条件下に実験室規模の装置でガラ
ス製品が成形された。しかしながら、実用的な見地から
の最も理想的な状態は、滞在時間をできるだけ小さくす
ることである。したがって、成形時の粘度が約10⁸ 〜10
¹²ポアズの範囲にあるように適当に調節することによ
り、そのような最小の滞在時間が得られるようにする。

【００５８】ガラスの粘度が10⁸ ポアズよりも小さくな
るような温度においても成形はできるが、そのような手
法は、ガラスの均一性を得ることができなかったり、鋳
型アセンブリの空隙にガラスが流入するという好ましく
ないことが起こり、その結果、加圧成形製品の端部にば
りが生じるというような欠点がある。他方、ガラスの粘
度が10¹²ポアズを超えるような成形操作は、高い圧力と
長い滞在時間とを必要とし、更に、レジリエンスにより
ガラスを破壊させることが多くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマルチパート鋳型アセンブリの一例を
示す断面図

【図２】本発明のマルチパート鋳型アセンブリの他の例
を示す断面図

【符号の説明】

１、20 下部鋳型 ２、21 上部鋳型 ３ ブッシュ ４、22 光学表面（鋳型キャビティ） ７、25 誘導加熱コイル ８、24 フレーム ９、26 ガラスプレフォーム 10、27 熱電対 18 自由ガラス表面 23 リング

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラスプレフォームを与え、 鋳型キャビティを与え、 前記ガラスプレフォームの粘度が約10⁸ 〜約10¹⁰ポアズ
   となるような温度に前記鋳型キャビティおよびガラスプ
   レフォームを予備加熱し、 前記予備加熱の温度範囲で前記鋳型キャビティ内におい
   て前記ガラスプレフォームをプレスし、 ガラスの粘度が約10¹¹〜約10¹²ポアズとなるような第２
   の温度に前記鋳型キャビティおよびガラスプレフォーム
   を露し、このガラスプレフォームと鋳型キャビティを前
   記第２の温度におきながら該ガラスプレフォームを等温
   状態の下に前記鋳型キャビティ内でプレスしてレンズと
   し、このレンズを前記鋳型キャビティから取り出すこと
   からなるガラスレンズの成型方法。