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特表2022-541642ガラスセラミックを使用した光学収差補正レンズ及びその製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-09-26
(54)【発明の名称】ガラスセラミックを使用した光学収差補正レンズ及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
C03C 10/02 20060101AFI20220915BHJP
G02B 1/02 20060101ALI20220915BHJP
C03C 4/10 20060101ALI20220915BHJP
【ＦＩ】
C03C10/02
G02B1/02
C03C4/10
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022504674
(86)(22)【出願日】2020-07-22
(85)【翻訳文提出日】2022-03-23
(86)【国際出願番号】 US2020043016
(87)【国際公開番号】W WO2021016318
(87)【国際公開日】2021-01-28
(31)【優先権主張番号】62/877,523
(32)【優先日】2019-07-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】504019881
【氏名又は名称】ロッキード マーティン コーポレイション
【氏名又は名称原語表記】ＬＯＣＫＨＥＥＤ ＭＡＲＴＩＮ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【住所又は居所原語表記】６８０１ Ｒｏｃｋｌｅｄｇｅ Ｄｒｉｖｅ， Ｂｅｔｈｅｓｄａ， ＭＤ ２０８１７， Ｕ．Ｓ．Ａ．
(71)【出願人】
【識別番号】510170730
【氏名又は名称】ユニバーシティ オブ セントラル フロリダ リサーチ ファウンデーション，インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000578
【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】バレイン クララ アール．
(72)【発明者】
【氏名】カン ミュンクー
(72)【発明者】
【氏名】ラブ ガイ
(72)【発明者】
【氏名】リチャードソン キャサリーン エー．
【テーマコード（参考）】
4G062
【Ｆターム（参考）】
4G062AA04
4G062BB18
4G062CC09
4G062DA01
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4G062HH15
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4G062HH20
4G062JJ01
4G062JJ04
4G062JJ05
4G062JJ07
4G062JJ10
4G062KK01
4G062KK03
4G062KK05
4G062KK07
4G062KK10
4G062MM02
4G062NN01
4G062NN15
4G062QQ20
(57)【要約】
本明細書に開示するのは、ガラスセラミックを使用した光学収差補正レンズ及びその製造方法である。光学収差補正レンズの製造方法は、少なくとも１つの熱処理を基礎組成物のベースガラス材料に施し、１つ以上の種のナノ結晶の体積充填率を有するガラスセラミック材料を形成することを備える。この工程は、ガラス組成物に依存せず、制御された核生成及び成長によって形成されるあらゆるガラスセラミック組成物を生成するために適用できる。いくつかの実施形態では、ナノ結晶の種及び／又は体積充填率は、結果として得られる屈折率及び分散特性を決定する。したがって、同一のベースガラス材料に異なる熱処理（例えば、核生成温度、成長温度、及び／又は、処理時間）を施すことで、異なる光学的特性（例えば、屈折率及び／又は分散特性）を有する異なるガラスセラミック材料が製造される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも１つのレンズの少なくとも１つの収差を補正するように構成される１つ以上の種のナノ結晶の体積充填率を有するガラスセラミック材料を備える、光学収差補正レンズ。
【請求項2】
前記ガラスセラミック材料は、前記少なくとも１つの収差を補正するように構成される屈折率及び分散特性を有し、前記少なくとも１つの収差は１つ以上の色収差を含む、
請求項１に記載の光学収差補正レンズ。
【請求項3】
前記ガラスセラミック材料は、化学的及び光学的に均質である、請求項１に記載の光学収差補正レンズ。
【請求項4】
前記ガラスセラミック材料において、前記１つ以上の種のナノ結晶の体積充填率は均一である、請求項３に記載の光学収差補正レンズ。
【請求項5】
前記ガラスセラミック材料は、赤外線波長を透過するように構成される赤外線材料を備える、請求項１に記載の光学収差補正レンズ。
【請求項6】
前記赤外線材料は、短波長赤外線、中波長赤外線、又は長波長赤外線のうちの少なくとも１つの赤外線波長を透過するように構成される、請求項５に記載の光学収差補正レンズ。
【請求項7】
前記１つ以上の種のナノ結晶の前記体積充填率は、短波長赤外線、中波長赤外線、又は長波長赤外線のうちの少なくとも１つの赤外線波長の波長帯の全体にわたって、１つ以上の色収差を補正するように構成される、請求項６に記載の光学収差補正レンズ。
【請求項8】
請求項１に記載の前記少なくとも１つのレンズと、前記光学収差補正レンズとを備える、レンズアセンブリ。
【請求項9】
前記少なくとも１つのレンズは、対物レンズ、イメージャ、リイメージャ、又は望遠鏡を備える、請求項８に記載のレンズアセンブリ。
【請求項10】
基礎組成物の第１の開始ベースガラス材料に第１の熱処理を施し、少なくとも１つの第１のレンズの少なくとも１つの第１の収差を補正するように構成される１つ以上の第１の種のナノ結晶の第１の体積充填率を有する第１のガラスセラミック材料を形成することを備える、光学収差補正レンズの製造方法。
【請求項11】
前記第１のガラスセラミック材料は、前記少なくとも１つの第１の収差を補正するように構成される第１の屈折率及び第１の分散特性を有し、前記少なくとも１つの第１の収差は、１つ以上の色収差を含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
前記第１のガラスセラミック材料は、赤外線波長を透過するように構成される赤外線材料を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項13】
前記基礎組成物の前記第１の開始ベースガラス材料を作製することと、前記第１の開始ベースガラス材料を焼きなますことと、をさらに備える、
請求項１０に記載の方法。
【請求項14】
前記第１の熱処理は核生成熱処理を備え、前記核生成熱処理は、前記第１の開始ベースガラス材料の核生成を核生成温度で行い、ナノ種結晶を形成することを備える、
請求項１０に記載の方法。
【請求項15】
前記第１の熱処理は成長熱処理を備え、前記成長熱処理は、１つ以上の種のナノ結晶を前記第１の開始ベースガラス材料内で成長温度で成長させ、前記１つ以上の第１の種のナノ結晶の前記第１の体積充填率を有する前記第１のガラスセラミック材料を形成することを備える、
請求項１０に記載の方法。
【請求項16】
前記ガラスセラミック材料を処理して、前記少なくとも１つの第１のレンズの前記少なくとも１つの第１の収差を補正する前記光学収差補正レンズを形成することをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項17】
前記光学収差補正レンズを前記少なくとも１つの第１のレンズとともに組み立てて、レンズアセンブリを形成することをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項18】
前記基礎組成物の第２の開始ベースガラス材料に第２の熱処理を施し、少なくとも１つの第２のレンズの少なくとも１つの第２の収差を補正するように構成される１つ以上の第２の種のナノ結晶の第２の体積充填率を有する第２のガラスセラミック材料を形成することをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項19】
前記第２の熱処理は、前記第１の熱処理と同じ核生成熱処理と、前記第１の熱処理とは異なる成長熱処理とを備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記第２の熱処理は、前記第１の熱処理とは異なる核生成熱処理と、前記第１の熱処理とは異なる成長熱処理とを備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項21】
前記第１のガラスセラミック材料は、前記少なくとも１つの第１の収差を補正するように構成される第１の屈折率及び第１の分散特性を有し、前記少なくとも１つの第１の収差は１つ以上の色収差を含み、
前記第２のガラスセラミック材料は、前記第１のガラスセラミック材料の前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率、及び、前記第１のガラスセラミック材料の前記第１の分散特性とは異なる第２の分散特性を有する、
請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【0001】
［関連出願］
本出願は、２０１９年７月２３日に出願された「ガラスセラミックを使用した光学収差補正レンズ及びその製造方法」と題する米国仮出願第６２／８７７，５２３号に基づく優先権を主張するものであり、その全内容を本出願に参照により援用する。
［発明の分野］
実施形態は、光学収差補正レンズ、とりわけ、ガラスセラミックを使用した光学収差補正レンズ及びその製造方法に関する。
［背景］
例えば図１に示すように、典型的には、異なる分散特性（例えば、波長に応じた屈折率の変化）を有するレンズを組み合わせることで、収差（例えば、波長に関連する収差）を低減又は除去する。具体的には、図１は、色分散を生じるレンズ１０により異なる色の光路１２において発生した偏差がレンズ１０を介して伝搬し、結像面１４において色収差を生じさせることを説明している。
本出願は、２０１９年７月２３日に出願された「ガラスセラミックを使用した光学収差補正レンズ及びその製造方法」と題する米国仮出願第６２／８７７，５２３号に基づく優先権を主張するものであり、その全内容を本出願に参照により援用する。
［発明の分野］
実施形態は、光学収差補正レンズ、とりわけ、ガラスセラミックを使用した光学収差補正レンズ及びその製造方法に関する。
［背景］
例えば図１に示すように、典型的には、異なる分散特性（例えば、波長に応じた屈折率の変化）を有するレンズを組み合わせることで、収差（例えば、波長に関連する収差）を低減又は除去する。具体的には、図１は、色分散を生じるレンズ１０により異なる色の光路１２において発生した偏差がレンズ１０を介して伝搬し、結像面１４において色収差を生じさせることを説明している。
【0002】
例えば、クラウンガラス及びフリントガラスは、典型的には組み合わされて（例えば、凹型のフリントレンズと凸型のクラウンレンズとのアクロマティック二重レンズ（ダブレット）のように）色収差を補正する機能を果たす一対のガラスとなる。それぞれの素子は異なる屈折率及び分散特性を有し、それによりそれぞれのガラスの分散は互いに部分的に補正し合う。しかしながら、クラウンガラス及びフリントガラスは、典型的には、酸化物材料を基材として可視スペクトル内で機能し、赤外線で機能することや赤外線を透過させることはできない。
【0003】
赤外線スペクトルにおいても、全赤外線スペクトルにわたって、例えば短波長赤外線（ＳＷＩＲ）から長波長赤外線（ＬＷＩＲ）まで（例えば、１から１２μｍまで）、特に色収差を補正するために同様の材料が必要とされる。しかしながら、この全範囲にわたる透過が可能な材料はわずかである。その結果、このような材料の製造は複雑で高価になり得る。また、多数の赤外線材料のスケールアップに伴う複雑さ及びコストは、非常に増大し得る。さらに、赤外線光学系は収差の補正、例えば色収差及び単色収差（例えば、球面収差、コマ収差、非点収差等）等に多数のレンズを必要とする傾向にあり、そのため、こうしたシステムは大型で、嵩張り、扱い難いものになってしまう。
［発明の概要］
本明細書に開示するのは、ガラスセラミックを使用した光学収差補正レンズ、及びその製造方法である。当該光学収差補正レンズの製造方法は、少なくとも１つの熱処理を基礎組成物（すなわち、開始組成物）のベースガラス材料に施し、１つ以上の種のナノ結晶の体積充填率を有するガラスセラミック材料を形成することを備える。この工程はガラス組成物（例えば、酸化物、非酸化物等）に依存せず、制御された核生成及び成長によって形成されるあらゆるガラスセラミック組成物の生成に適用できる。いくつかの実施形態では、ナノ結晶の種及び／又は体積充填率が、結果として得られる屈折率及び分散特性（例えば、収斂性）を決定する。したがって、同一のベースガラス材料に異なる熱処理（例えば、核生成温度、成長温度、及び／又は、処理時間）を施すことで、異なる光学的特性（例えば、屈折率、及び／又は、分散特性）を有する異なるガラスセラミック材料が製造される。
［発明の概要］
本明細書に開示するのは、ガラスセラミックを使用した光学収差補正レンズ、及びその製造方法である。当該光学収差補正レンズの製造方法は、少なくとも１つの熱処理を基礎組成物（すなわち、開始組成物）のベースガラス材料に施し、１つ以上の種のナノ結晶の体積充填率を有するガラスセラミック材料を形成することを備える。この工程はガラス組成物（例えば、酸化物、非酸化物等）に依存せず、制御された核生成及び成長によって形成されるあらゆるガラスセラミック組成物の生成に適用できる。いくつかの実施形態では、ナノ結晶の種及び／又は体積充填率が、結果として得られる屈折率及び分散特性（例えば、収斂性）を決定する。したがって、同一のベースガラス材料に異なる熱処理（例えば、核生成温度、成長温度、及び／又は、処理時間）を施すことで、異なる光学的特性（例えば、屈折率、及び／又は、分散特性）を有する異なるガラスセラミック材料が製造される。
【0004】
一実施形態において、光学収差補正レンズは、少なくとも１つのレンズの少なくとも１つの収差を補正するように構成される１つ以上の種のナノ結晶の体積充填率を有するガラスセラミック材料を備える。いくつかの実施形態では、ガラスセラミック材料は、１つ以上の色収差を補正するように構成される屈折率及び分散特性を有する。
【0005】
別の実施形態において、光学収差補正レンズの製造方法は、第１の熱処理を基礎組成物の第１の開始ベースガラス材料に施し、少なくとも１つの第１のレンズの少なくとも１つの第１の収差を補正するように構成される１つ以上の種の第１のナノ結晶の第１の体積充填率を有する、第１のガラスセラミック材料を形成することを備える。
【0006】
当業者は、後述する実施形態の詳細な説明を添付の図面を参照して読むことで、本開示の範囲及び本開示のさらなる局面を理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【0007】
本明細書に包含されその一部を構成する添付の図面は、本開示のいくつかの局面を説明するものであり、実施形態の説明と共に本開示の原理を説明するものである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
［発明の詳細な説明］
以下に記載する実施形態は、当業者が当該実施形態を実施することを可能にする情報を示すものであり、当該実施形態の最良の態様を示すものである。以下の記載を添付の図面に照らして読むことで、当業者は本開示の概念を理解し、本明細書において具体的には言及されていない当該概念の応用を理解するであろう。当該概念及びその応用は、本開示及び添付の特許請求の範囲に包含されると理解されるべきである。
以下に記載する実施形態は、当業者が当該実施形態を実施することを可能にする情報を示すものであり、当該実施形態の最良の態様を示すものである。以下の記載を添付の図面に照らして読むことで、当業者は本開示の概念を理解し、本明細書において具体的には言及されていない当該概念の応用を理解するであろう。当該概念及びその応用は、本開示及び添付の特許請求の範囲に包含されると理解されるべきである。
【0009】
本明細書で議論される全てのフローチャートは、説明の目的で、必然的に一定の順序で議論されるが、明確に否定されない限り、実施形態はいかなる具体的な工程の順序にも限定されることはない。本明細書において、要素と共に用いられる序数、例えば「第１メッセージ」や「第２メッセージ」等は、同様又は同一の名称があった場合の区別をするためにのみ用いられるものであり、本明細書でこれを否定する言及がない限り、優先度、型式、重要度、又は他の特質を示唆するものではない。本明細書において数値と共に用いられる「約」という用語は、当該数値よりも１０パーセント大きい値から１０パーセント小さい値までの範囲のあらゆる数値を意味する。
【0010】
本明細書及び特許請求の範囲において、要素に関して用いられる「１つの（”ａ”，”ａｎ”）」という冠詞は、明確に否定されない限り、当該要素が「１つ以上」であることを指す。本明細書及び特許請求の範囲において使用される「又は」という用語は、文脈上不可能でない限り包括的なものとして使用される。例えば、Ａ又はＢ、という記述は、Ａ又はＢ、或いは、ＡとＢとの両方、を意味する。
【0011】
本明細書で開示するのは、ガラスセラミックを使用した光学収差補正レンズ及びその製造方法である。当該光学収差補正レンズの製造方法は、少なくとも１つの熱処理を基礎組成物の開始ベースガラス材料（すなわち、開始組成物）に施し、１つ以上の種のナノ結晶の体積充填率を有するガラスセラミック材料を形成することを備える。この工程はガラス組成物に依存せず、制御された核生成及び成長によって形成されるあらゆるガラスセラミック組成物を生成するために適用できる。いくつかの実施形態では、ナノ結晶の種及び／又は体積充填率は、結果として得られる屈折率及び分散特性（例えば、収斂性）を決定する。したがって、同一の開始ベースガラス材料に異なる熱処理（例えば、核生成温度、及び／又は、成長温度、及び／又は、それぞれの処理時間）を施すことで、異なる光学的特性（例えば、屈折率、及び／又は、分散特性）を有する異なるガラスセラミック材料が製造される。
【0012】
本明細書で使用される「体積充填率」とは、構成成分（例えば、ナノ種結晶、結晶、等）の体積を全体（例えば、構成成分及び残部のガラス）の体積で割ったものを指す。
【0013】
図２は、第１のレンズ１８と、第１のレンズ１８によって形成される収差（例えば、色収差、単色収差等）を補正（例えば、低減又は除去）する光学収差補正レンズ２０（例えば、分散補正レンズ）とを備える、レンズアセンブリ１６の側面図である。具体的には、例えば、第１のレンズ１８が色分散を発生させ、第１のレンズ１８を介して伝搬する異なる色の光路２２における偏差が、結像面２４（例えば、中間結像面、焦点面アレイ等）において光学収差（例えば、色収差）を生ずる。しかしながら、光学収差補正レンズ２０は当該光路の方向を変え、異なる色の光路が、結像面２４におけるあらゆる光学収差（例えば、色収差）を低減又は除去する方向に向くようにする。図示のとおり、図２の第１のレンズ１８及び光学収差補正レンズ２０は結像面２４において、図１で用いられるレンズ１０よりもはるかに小さい分散を生じる。
【0014】
いくつかの実施形態では、第１のレンズ１８は、対物レンズ、イメージャ、リイメージャ、又は望遠鏡のうち、少なくとも１つを備える。いくつかの実施形態では、レンズアセンブリ１６は、２枚のレンズを対にしたダブレットを備え、それにより、より多くの光学面、光学的厚さ、及び／又は、光学的構築を可能とする。いくつかの実施形態では、レンズアセンブリは、複数のレンズを有するレンズサブアセンブリを備える。このような構成においては、光学収差補正レンズ２０は、レンズサブアセンブリの収差（例えば、色収差）を補正（例えば、低減又は除去）するように構成される。つまり、光学収差補正レンズ２０は、偏向を抑制するように光路の向きを変更し、光路（例えば、異なる色の光路）が結像面２４で交差するようにする。
【0015】
いくつかの実施形態では、ガラスセラミック材料は透明である（例えば、半透明である）。いくつかの実施形態では、ガラスセラミック材料は、例えば、短波長赤外線（ＳＷＩＲ）、中波長赤外線（ＭＷＩＲ）、又は長波長赤外線（ＬＷＩＲ）のうちの少なくとも１つといった、（例えば、１から１２ミクロンの間の）赤外線波長を透過するように構成される、赤外線材料を備える。
【0016】
光学収差補正レンズ２０は、第１のレンズ１８の分散によるものなど、１つ以上の収差（例えば、色収差又は単色収差（例えば、球面収差、コマ収差、非点収差等））を補正するように構成される、１つ以上の種のナノ結晶の（例えば、残りのガラスに対する）体積充填率を有するガラスセラミック材料を備える。いくつかの実施形態では、ガラスセラミック材料は、複数のナノ結晶について均一の体積充填率を有する。つまり、体積充填率は、光学収差補正レンズ２０の全体において概して同一である。ガラスセラミック材料は、屈折率及び分散特性（例えば、アッベ数、Ｖ値、部分分散、収斂性等）を含む光学的特性を有する。いくつかの実施形態では、分散特性は１つ以上の色収差を補正するように構成される。いくつかの実施形態では、１つ以上の種のナノ結晶の体積充填率は、例えば、ＳＷＩＲ、ＭＷＩＲ、又はＬＷＩＲのうちの少なくとも１つといった（例えば、１から１２ミクロンの間の）赤外線波長の１つの波長帯の全体にわたって、１つ以上の色収差を補正するように構成される。ここに記載した工程及び機能は、別のスペクトル領域にも応用できる。
【0017】
図３は、光学収差補正レンズ２０の製造方法を説明するフローチャートである。当該方法は、工程２６において、基礎組成物の第１の開始ベースガラス材料を作製することを備える。当該方法は、工程２８において、第１の開始ベースガラス材料を焼きなますことを備える。焼きなますことは、第１の開始ベースガラス材料を加熱し、次に、徐々に冷却して、内部応力を除去し、材料を硬化させることを含む。
【0018】
当該方法は、工程３０において、基礎組成物の第１の開始ベースガラス材料に第１の熱処理を施し、少なくとも１つの第１のレンズの第１の収差（例えば、分散による色収差、単色収差等）を補正するように構成される１つ以上の第１の種のナノ結晶の（例えば、残部のガラスに対する）第１の体積充填率を有する第１のガラスセラミック材料を形成することを備える。この第１の熱処理は、火炉、電気、及び／又はレーザを使用して施されてもよい。いくつかの実施形態では、火炉は、第１のガラスセラミック材料を大量に製造する際の第１の熱処理を施すために使用される。
【0019】
いくつかの実施形態では、第１の熱処理は核生成工程を備え、核生成工程では、基礎組成物の第１の開始ベースガラス材料が加熱され、１つ以上の第１の種のナノ種結晶の第１の体積充填率を有する第１の結晶核を形成する。つまり、第１の熱処理は核生成熱処理を備え、核生成熱処理は、第１の開始ベースガラス材料の核生成を核生成温度及び／又は核生成時間で行いナノ種結晶を形成することを含む。いくつかの実施形態では、第１の熱処理はさらに成長工程を備え、成長行程においては、第１の結晶核が加熱され、少なくとも１つの第１のレンズの第１の収差を補正するように構成される１つ以上の第１の種のナノ結晶の第１の体積充填率を有する第１のガラスセラミック材料が形成される。つまり、第１の熱処理は成長熱処理を備え、成長熱処理は１つ以上の種のナノ結晶を第１の開始ベースガラス材料中で成長温度及び／又は成長時間で成長させ、１つ以上の種のナノ結晶の第１の体積充填率を有する第１のガラスセラミック材料を形成することを備える。
【0020】
いくつかの実施形態では、第１のガラスセラミック材料は、第１の色収差を補正するように構成される第１の屈折率及び第１の分散特性を有する。いくつかの実施形態では、第１のガラスセラミック材料は、化学的及び光学的に均質である。このような構成により、第１のガラスセラミック材料の大量生産が容易になる。いくつかの実施形態では、第１のガラスセラミック材料は、赤外線波長を透過するように構成される赤外線材料（例えば、赤外線複合材料）を含む。したがって、赤外線材料を大量生産することができる。
【0021】
当該方法は、行程３２において、ガラスセラミック材料を処理して、少なくとも１つの第１のレンズの少なくとも１つの第１の収差を補正する光学収差補正レンズを形成することを備える。当該方法は、行程３４において、光学収差補正レンズを少なくとも１つの第１のレンズとともに組み立てて、レンズアセンブリを形成することを備える。
【0022】
当該方法は、行程３６において、基礎組成物の第２の開始ベースガラス材料に第２の熱処理を施し、少なくとも１つの第２のレンズの少なくとも１つの第２の収差（例えば、分散による色収差、単色収差等）を補正するように構成される１つ以上の第２の種のナノ結晶の第２の体積充填率を有する第２のガラスセラミック材料を形成することを備える。いくつかの実施形態では、第２の熱処理は、第１の熱処理と同じ核生成熱処理と、第１の熱処理とは異なる成長熱処理とを備える。いくつかの実施形態では、第２の熱処理は、第１の熱処理とは異なる核生成熱処理と、第１の熱処理とは異なる成長熱処理とを備える。いくつかの実施形態では、第２のガラスセラミック材料は、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率、及び／又は、第１の分散特性とは異なる第２の分散特性を有する。
【0023】
いくつかの実施形態では、第１の熱処理及び／又は第２の熱処理は、所望の光学収差補正に基づいて、所定の分散特性（例えば、屈折率及び／又は分散）を備えるガラスセラミック材料を製造するように予め構成されている。つまり、熱処理は、レンズ又はレンズアセンブリの既知の光学収差補正を前提として、こうした既知の光学収差を補正するように設計された分散特性を有する材料を製造するように、予め具体的に構成され得る。これは、材料の所定の特性、及び、こうした特性が温度（例えば、強度及び／又は持続時間）に応じてどのように変化するかを知ることで可能となる。このような特性には、結晶型の構造、核生成速度、及び／又は、結晶成長速度等が含まれてもよい。
【0024】
図４は、核生成速度及び結晶成長速度を、温度の関数として説明するグラフである。核生成速度は、ナノ種結晶の密度を決定する。結晶成長速度は、核生成工程中に形成される異なるナノ結晶の成長及び体積充填率を決定する。結果として、温度を制御することによって、核生成速度及び／又は結晶成長速度も制御可能である。いくつかの実施形態では、結晶成長速度の制御を利用して（また、同様の核生成速度を利用して）、所定の分散特性を有するガラスセラミック材料が製造される。結晶成長速度、ひいては、必要な熱処理時間を知ることによって、結果として得られる結晶相の体積充填率が定められる。
【0025】
図５は、成長温度の上昇に伴って上昇する結晶成長速度を説明する図である。図示のとおり、所定の型の結晶は、所定の温度において所定の体積充填率（例えば、密度）で形成される。その結果、温度を制御することによって、型及び／又は体積充填率も制御可能である。さらに、結晶の型及び／又は体積充填率は、ガラスセラミック材料の光学的特性に影響する。
【0026】
したがって、所定の材料及び／又は所定の種々の温度における結晶型の構造、核生成速度、及び／又は、結晶成長速度を知ることで、所定の分散特性を有するガラスセラミック材料を製造することが可能となる。
【0027】
図６は、様々な熱処理を施したことによる、種々の中波長赤外線材料の屈折率の変化、及び、アッベ数（材料の分散特性を表す数値）の変化を説明する図（つまり、アッベ図）である。この図には、複数のベース材料３８と、熱処理の対象となる複数の材料４０とが含まれる。熱処理は、組成物により異なるベースガラス材料の熱特性に依存し、得られるアッベ数は熱処理条件によって決定づけられる。
【0028】
図７は、様々な熱処理を施したことによる、種々の長波長赤外線材料の屈折率の変化、及びアッベ数の変化を説明する図（つまり、アッベ図）である。この図には、複数のベース材料４２と、熱処理の対象となる複数の材料４４とが含まれる。熱処理は、組成物により異なるベースガラス材料の熱特性に依存し、得られるアッベ数は熱処理条件によって決定づけられる。
【0029】
図６及び図７のそれぞれにおいて、光学的特性（例えば、屈折率及び／又はアッベ数）は、異なる熱処理（例えば、核生成温度及び／又は成長温度）を施すことによって変化する。つまり、例えば、熱処理の結果としての組成物のアッベ数は、対応する基礎組成物のアッベ数に対して変化する。さらに、同一の基礎組成物が、熱処理に応じて、異なるアッベ数を有する異なる組成物を生成する。その結果、１つの開始ベースガラス材料に特定の熱処理を施し、異なる複数の特定の光学的特性を達成することができる（開始ベースガラス材料の組成物の変更を必要とせずに、成果物であるガラスセラミック材料のレンズの色収差の補正（例えば、赤外線波長の補正）を行う等）。特定の熱処理は、ベースガラス組成物、及び、各ガラス材料それぞれの熱特性により異なる。
【0030】
本明細書に開示するシステム及び方法は、熱処理の対象となる材料の単一の点の解決策を拡げるものである。それは、ガラスセラミック組成物がガラス（非晶相）から種々の結晶化度（ガラスセラミック）へと変質することによるものであり、現在達成可能な単一の点の解決策を、拡張された線、円、及び／又は、楕円形の表現に拡大し、それは、ＡＭＴＩＲガラス、ショットＩＲＧガラス、Ｕｍｉｃｏｒｅ製材料、又は、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、シリコン、ゲルマニウム、ＢａＦ２等の結晶性材料等の単一のガラス組成物（例えば、赤外線ガラス組成物）を用いて達成できる。
【0031】
これらのガラスセラミック材料（例えば、赤外線ガラスセラミック材料）の幅広い指数の変動は、目的に応じて調整される。その結果、（多数の材料の代わりに）単一の材料を用いて、分散によるもの等、種々の収差（例えば、色収差又は単色収差）を補正することができる。いくつかの実施形態では、赤外線（ＩＲ）材料は、より良い指数及び分散の変動を伴い形成されてもよい。開始ベースガラス材料（例えば、ベースガラスマトリックス）内において結晶の異なる体積充填率及び／又は結晶の異なる種を作製するための目的に応じて調整されるセラミック化処理は、例えば、火炉において、電気的に、及び／又は、レーザを使って光学的に、達成できる。
【0032】
図８に、連続的な多重工程の熱処理手順の例、及びそれがＭＷＩＲにおける指数の分散の修正に与える影響を示す。図８は、核生成及び成長の、時間及び温度の個別の単一の手順、並びに、結果として得られる単一のガラス組成物中の分散を示す。組成物が変わると、時間、温度、及び分散値も変わる。つまり、結果として得られる製品は、時間、温度、及び／又は、組成物に依存する。さらに、特定の特徴を有する製品を得るために任意の工程で熱処理を止めることや、又は、異なる特徴を有する製品を得るためにさらなる工程を続けることができる。この目的に応じて調整されるセラミック化処理が、アッベ図における（通常連続的な）線状、円形状、及び／又は、楕円形状の領域を可能にする。特に、赤外線組成物を作製し最適化する製造コストが高いために市場で入手可能な組成物の数が非常に限られ得る赤外線用途において、効果的なことに、これによって、レンズシステムの設計に使用され、対にされ得る材料の数が増す。
【0033】
いくつかの実施形態では、ベース材料はＧｅＳｅ２－Ａｓ２Ｓｅ３－ＰｂＳｅ（ＧＡＰ－Ｓｅ）ガラスを含み、ＧＡＰ－Ｓｅガラスは熱処理手順によって３つのＩＲ帯（つまり、ＳＷＩＲ、ＭＷＩＲ、ＬＷＩＲ）全てにおける色補正に利用することができる。これは、ベースガラス値の修正（核生成、成長時間、及び／又は、温度のいずれかの変化）によって、ガラスセラミック材料のアッベ数、及び／又は、屈折率が変更されることを意味する。
【0034】
いくつかの実施形態では、ＰｂＳｅが約２５から３０ｍｏｌ％のレベルになるまでＰｂＳｅを追加すると、ＳＷＩＲ、ＭＷＩＲ、及び、ＬＷＩＲの範囲におけるアッベ数が減少する。Ｐｂがペアレントガラスのマトリックス中の優占種であるとき、アッベ数は顕著に減少（分散はより上昇）し得る。熱処理によって分散はさらに減少し、形成される結晶の型に影響を受ける。ＧＡＰ－Ｓｅガラス系におけるＰｂ含有量の変動により、光学系設計者が色補正のために選択する様々なアッベ数が提供されてもよい。近軸領域では、２枚のレンズのアッベ数間の差が最大化されるとき、ダブレットによって軸方向の色収差が軽減されてもよい。
【0035】
いくつかの実施形態では、制御された核生成及び成長によって、所望のプロファイルを作製することができる。例えば、いくつかの実施形態では、急冷及び核生成の際の定量化及び誘導される光学的な修正及び機能のため、ＰｂＳｅが２０ｍｏｌ％のＧＡＰ－Ｓｅガラスに、火炉内で（例えば、２２５．６℃から２６３．２℃の間で）熱処理（成長）が施される。いくつかの実施形態では、熱処理手順は、屈折率約０．２、及び、ＭＷＩＲアッベ数約３５を誘導する。いくつかの実施形態では、熱処理手順によって０．１から０．９の間、０．１から０．５の間、０．１から０．３の間の屈折率が得られる。いくつかの実施形態では、アッベ数は１から５０の間、１０から４０の間、３０から４０の間である。
【0036】
図９は、本明細書に開示する処理による分散設計を説明する屈折率分散マップを示す。具体的には、屈折率分散マップ４６は、カルコゲニド、ＩＩＩ－Ｖ及びＩＶ半導体、ＩＩ－ＶＩ半導体、フッ化物、酸化物、並びに、ハロゲン化アルカリを含む、光学材料及びＩＲ材料の群を含む。２次元空間における２つの直角方向に沿った指数分散の曲率を正確に表すために、当該マップはアッベ数及び部分屈折率によって構成される。
【0037】
アッベ数は以下のように計算されてもよい。
【0038】
【数1】
【0039】
【数2】
【0040】
【数3】
【0041】
ＭＷＩＲ部分屈折率は、以下の方程式によって定められる。
【0042】
【数4】
【0043】
小区分４８は、ＧＡＰ－Ｓｅの分散特性の熱処理時の調整性を示すものであり、多角形は、２０ｍｏｌ％及び４０ｍｏｌ％のＰｂＳｅを含有する２つの例示的な複合物質に施した熱処理手順によって可能となったＶＭＷＩＲ－ＰＭＷＩＲ値の範囲に相当する。いくつかの実施形態では、代替的な手順でこの多角形を平行移動又は拡大させてもよく、分散特性の調整性をさらに拡大してもよい。
【0044】
本明細書で議論される、目的に応じて調整されるセラミック化処理は、様々な屈折率及び分散値を提供可能な単一の組成物を提供する。セラミック化処理はベースガラス作製処理よりもコスト及び時間がかからないため、多数の組成物を作製するコストが軽減される。目的に応じて調整されるセラミック化処理は、システム設計（例えば、赤外線システム）で使用可能な材料の組み合わせの選択肢の拡大、及び／又は、このようなシステム設計のさらなる小型化（例えば、より少ない光学素子の使用）を可能にする。これにより、いくつかの実施形態では、赤外線システムの寸法、重量、出力、及び／又は、コストが削減され得る。また、ＧＲＩＮ処理に続くＧＲＩＮコンポーネントとすることもできる。
【0045】
多数の組成物（例えば、ＧＡＰ－Ｓｅ０、ＧＡＰ－Ｓｅ１０、ＧＡＰ－Ｓｅ２０、ＧＡＰ－Ｓｅ３０、及び、ＧＡＰ－Ｓｅ４０）を作成する代わりに、本開示のシステム及び方法は単一の材料（例えば、開始ベースガラス材料）を大量に製造し、次いで、その単一の大量の材料の屈折率及び／又は分散特性（例えば、アッベ数）を変化させることを可能にする。これにより、光学系設計者にとって（例えば、短波長、中波長、及び／又は、長波長アクロマートを達成する）自由度が増す。つまり、たとえば、単一の大量の材料を製造することができ、次に、それに１０００通りの異なる熱処理を施すことができ、１０００通りの異なるガラスセラミック材料を製造し、それぞれが異なる光学的特性（例えば、異なる屈折率及び／又は分散特性の組み合わせ）、及び／又は、同一又は同様の熱機械特性を有するものとすることができる。熱処理（例えば、均一な熱処理）は大量の材料全てに対して施される。いくつかの実施形態では、大量の材料は化学的及び光学的に均質であり、ガラスセラミック材料は化学的及び光学的に不均一である。
【0046】
Ａｄｖ．Ｆｕｎｃｔ．Ｍａｔｅｒ．２０１９，２９，１９０２２１７に掲載の、シスケンらによる「Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｇｌａｓｓ－Ｃｅｒａｍｉｃｓ ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ａｔｔｒｉｂｕｔｅｓ」を参照により本明細書に援用する。また、Ａｄｖ． Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒ．２０２０，８，２０００１５０に掲載の、カンらによる「Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｅｎａｂｌｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ：Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｏｐｔｉｃｓ」を参照により本明細書に援用する。
【0047】
当業者は本開示の好適な実施形態の改善及び修正を理解するであろう。これら改善及び修正は全て、本明細書及び以下の特許請求の範囲に開示された概念の範囲内で検討される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【国際調査報告】