蛍石(CaF2)の 工学素子としての歴史
最初に天然蛍石を光学機器に使った人はドイツのエルンスト・アッベ(Ernst Abbe) であった。1875年、 エルンスト・アッベ(Ernst
Abbe) は当時小さい顕微鏡、拡大鏡や光学アクセサリを生産したカール・ツァイス(Carl Zeiss)に入社して働いていた。
光学的にきれいで良く研磨された天然蛍石を顕微鏡の対物レンズに使った。
アッベは
競争社たちに比べてものすごく優れていたので、
カール・ツァイスは高級顕微鏡の市場を全部席巻した。蛍石を使っていることは一級秘密にしたし、アッベはデータシートから蛍石
に当たる部分には“X”と表記して他の光学会社が気づかないようにした。
カール・ツァイス(Carl Zeiss)はドイツの光学会社である。1846年ドイツのJENAで光学を研究する工房を開いたのが始めとして設立
されたのである。
現在、医学、研究、日常生活に関して眼科機器、外科顕微鏡、電子顕微鏡、精密測定部品、planetarium、カメラレンズ、めがねレ
ンズなどの光学製品を生産及び販売している会社である。 本社はドイツのオバコヘンに所在し、ヨーロッパ、 北米大陸、アメリカ、
アジアに生産設備を備えてある。
全世界30ヶ国に支社を運営しているし、 100個以上の国で営業をしている。 ソニーのデジタ
ルカメラに取り付けているレンズはこの会社から認証されたものである。
現在、韓国には忠清北道(チュンチョンブクド)、鎮川
郡(ジンチョングン)にカール・ツァイスのめがねレンズ生産工場が稼働中である。
光学機器に使える品質を持つ天然蛍石の大きさは小さすぎて、顕微鏡の対物レンズに使えるぐらいである。 天然蛍石に代われる人
工蛍石の成長記述を開発し、商業化に最初に成功したのは日本のキャノンである。
キャノンは1968年人工蛍石の製造記述の開発
に成功し、1969年には世界で最初に人工蛍石で製造したレンズのFL-F 300mm f/5.6をリリースした。
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人工蛍石(Calcium Fluoride – CaF2)
蛍石の化学成分はCaF2 である。
純粋な蛍石は無色透明だし、ガラスの
ような光沢があるが、普通微量の稀土類元素を含めていて、 各種の色を
持ち、ほとんど全ての色が全部ある。 緑色、紫色、黄色、紅色、茶色、
灰色などの色が普通で、同一結晶体に色んな色があり得る。普通、 紫色
と緑色が共に混ざっている場合が多い。人工蛍石は科学的な特性が安定
的で、相対的に大きさが大きいし、品質が良い結晶体を生長させること
ができる。光学部品の素子として使える人工蛍石は不純物がないので、
高い温度及び紫外線に露出されても蛍光を発生しない。
人工蛍石の一番大きい特徴は屈折率と色分散(chromatic dispersion)が非常に低いし、また赤外線から紫外線までの広い波長範囲で透
過率(transmission)が非常に高いのである。 赤外線領域から波長10um以内は相当にFluor化物結晶体の天下だと言えるが,この領域に
使われる主な光学素子がまさに人工蛍石である。その他、色分散(chromatic dispersion) が非常に低いので人工蛍石で作ったレンズは
大抵収差が無くて撮影用のレンズに何よりも適切な素子である。つまり、人工蛍石は色収差を除去して高品質のイメージを得られるも
のすごい光学素子である。ところが、架空過程中に傷が生じやすいので、人工蛍石の架空記述は他の素子よりややこしいのである。
例えば、人工蛍石をレンズに使う場合、下記の長所が持たれる。
▷ Secondary spectrumという収差を格段に減少させる。
▷ 全体的なイメージの質を向上させる。
▷ 望遠レンズの長さを 減らす。
収差についての例を見ると、人工蛍石の原価が高いので、キャノンで原価が人工蛍石より相対的に低いUDレンズを開発したが,UDレ
ンズ2個を使って人工蛍石レンズ1個の効果が出る。1993年に性能が人工蛍石にほとんど似ている超特急レンズを開発し、色んなレン
ズに使っているが、その性能が人工蛍石とはまだ距離がある。
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人工蛍石の特徴と用度
人 工 蛍 石
弗化カルシウム(CaF2) クリスタル
紫外線、 可視光線および赤外線 波長範囲で全て高い透過率を持ち、 加工性が良好だ。
主 要 性 能
用
途
透過波長範囲
(0.13~9μm)
透過率
>90%(0.4~7μm)
密
3.18g/cm3
度
レーザー、赤外線、紫外線光学、高エネルギー探測領域に使用され、赤外線光学システムの製作で光学プリズ
ム、レンズ等の光学部品の最も素晴らしい材料である。その他、レーザphotoetchingで使われる大口径レンズ
の材料で使われる。
例として、弗化カルシウムの単結晶体紫外線光電倍増管、準分子レーザー機、高品質顕微鏡および天文望遠鏡
消色差レンズ、不可視光領域消色差レンズ、警察用赤外線カメラおよび赤外線ビデオ撮影機の特殊レンズなど
で使われる。
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世界の人工蛍石産業
光電子産業は現在、世界的に安定的ながらも急速な成長を見せている産業だ。 光電子産業の発展により光学材料産業も急速な発展を
見せていて、市場需要がますます増えている。 光学材料で人工蛍石は独特な光学的特性を持っていて、その地位が特異なだけでなく
展望もだいぶ明るい光学素子である。
世界的に人工蛍石生産技術を掌握している国家はドイツ、米国、日本、ロシア、中国など少数国家の研究所で、 ほとんどの研究所は
国家の戦略的需要により研究プロジェクトを遂行する場合が多い。 人工蛍石の生産と加工で世界1位の企業はドイツのSCHOTTであ
る。
中国の人工蛍石産業
中国の人工蛍石生産水準は世界的に認められている。 ただ、超大型サイズの人工蛍石生産方面で国際水準と一定の距離があるだけ
だ。 普通のサイズの応用方面で中国の人工蛍石は完全にお客の要求を満足させることができる。中国の人工蛍石は先進国に比べて
価格が安いので海外に輸出されることが大部分だ。
中国の状況を見ると、中国の人工蛍石の生産業者は全3個の研究所から体制転換を経て設立されたり、ここで勤務していた技術を掌
握した人々が独立して設立したのである。 この研究所の中で弊社の研究員が勤務した中国科学院长春光学精密机械与物理研究所が
中国では最初に人工蛍石開発に成功した研究所である。
中国で人工蛍石生産会社が設立された時期は全て2000年以後である。始点がこういうのは1980年代から人工蛍石の需要市場がこつ
こつと成長したこと、中国の改革開放政策の進展、そして中国で効率的な架空記述が2000年を前後して開発補給されたことと繋
がっているのである。
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当社の中国人工蛍石工場の沿革及び生産現況
1. 2007年光学材料有限会社設立
2. 弗化カルシウム(CaF2)クリスタル生産設備1セット自体製作設置
3. 28mm,32mm赤外線級 人工蛍石生産
現在当社の人工蛍石生産工場の競争優位
現在中国で人工蛍石の生産している会社は研究所を含めて全て10ヶ所ぐらいあるが、その中で3ヶ所は品質や生産量が少ないし、自体
開発の能力がない会社である。
しかし、 弊社は自体記述と生産設備を保有しているし、現在の注力生産製品は、直径が28mmと32mmの赤外線の人工蛍石である。
(つまり、直径が32mm以下の素子は供給可能、普通。人工蛍石で一番多く使われる規格は直径が1インチ、2インチ、3インチ左右の素
子である。4インチからは普通宇宙航空や軍用、民用研究開発に使われる場合が多い。)
人工蛍石方面で弊社の長所は簡単に下記の通りである。
▷ 成長率: 平均成長率が90%以上であり全部単結晶(モノ)だ。
▷ 電気料金: 他社の半分程度. (電気料金は人工蛍石production costで最も大きい比重を占める部分)
▷ 応力: 応力が他社のことより小さい。
開発実力の方面では弊社はもう直径90mmの人工蛍石開発能力と弗化マグネシウム(MgF2)クリスタル開発能力を持っている。 (現在、
弊社のエンジニアは中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 で唯一に弗化マグネシウムクリスタルの開発に成功した者である。)
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生産製品の写真
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製品の主要仕様
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今後発展計画
▷ 第2機を設置して直径3インチ以下の色んな規格の人工蛍石の生産。
(7月や8月ぐらいなら可能。一般的に需要する色んな規格の人工蛍石を全部供給可能。)
▷ 紫外線級の人工蛍石生産。
(後半年)
▷ 中国で最も大きい直径の人工蛍石を開発することと同時に生産技術の安全性確保。
(今後1年内)
▷ 規模拡張。 弗化マクネシュム クリスタル生産。
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