JP2003267748A - 精密プレス成形用光学ガラス、精密プレス成形用プリフォームおよびその製造方法 - Google Patents
精密プレス成形用光学ガラス、精密プレス成形用プリフォームおよびその製造方法Info
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Abstract
などの機械加工を必要としない光学素子の製造に用いら
れる高屈折率低分散の光学ガラスを提供する。 【解決手段】 必須成分としてB2O3、SiO2、La2
O3、Gd2O3、ZnO、Li2O、ZrO2およびTa2
O5を、任意成分としてSb2O3 0〜1モル%を含む
とともに、PbOおよびLu2O3を実質上含まず、かつ
ガラス転移温度が630℃以下であり、(1)屈折率n
dおよびアッベ数νdが、関係式 1.80<nd≦
1.90、35<νd≦50およびnd≧2.025−
(0.005×νd)をいずれも満たす、あるいは
(2)ndが1.85よりも大きく、νdが35よりも
大きい精密プレス成形用光学ガラスである。
Description
光学ガラス、並びに精密プレス成形用プリフォームと光
学素子およびそれらの製造方法に関する。さらに詳しく
は、本発明は、精密プレス成形後に光学機能面に研削や
研磨などの機械加工を必要としない、例えば超精密非球
面レンズなどの光学素子の製造に用いられる高屈折率低
分散の光学ガラス、該光学ガラスからなる精密プレス成
形用プリフォームおよび光学素子、並びに前記のプリフ
ォームと光学素子の製造方法に関するものである。
系を使用する機器の高集積化、高機能化が急速に進めら
れる中で、光学系に対する高精度化、軽量・小型化の要
求もますます強まっており、この要求を実現するため
に、非球面レンズを使用した光学設計が主流となりつつ
ある。このため、高機能性ガラスを使用した非球面レン
ズを低コストで大量に安定供給するために、プレス成形
で直接に光学面を形成し、研削・研磨工程を必要としな
いモールド成形技術が注目され、高機能性(例えば、高
屈折率・低分散/高屈折率・高分散など)を有するモール
ド成形に適した光学ガラスに対する要求が年々増え続け
ている。
ャビティを有する成形型を用いて、ガラス成形予備体
(プリフォーム)を高温下で加圧成形することにより、
最終製品形状またはそれに極めて近い形状および面精度
を有するガラス成形品を得る手法であり、当該精密プレ
ス成形によれば、所望形状の成形品を高い生産性の下に
製造することが可能である。このため、現在では球面レ
ンズ、非球面レンズ、回折格子など、種々の光学ガラス
部品が精密プレス成形によって製造されている。当然、
精密プレス成形により光学ガラス部品を得るためには、
上記のようにガラス成形予備体を高温下で加圧成形する
ことが必要であるので、プレスに使用される成形型が高
温に曝され、かつ高圧が加えられる。このため、ガラス
成形用ゴブプリフォームについては、プレス成形の高温
環境によって成形型自体や当該成形型の内側表面に設け
られている離型膜の損傷を抑制するという観点から、ガ
ラスの転移温度Tg及び屈伏点温度Tsをなるべく低くす
ることが望まれている。
8かつアッベ数νd>35)光学定数を有する光学ガラ
スとしては、B2O3、La2O3などを必須成分とする種
々のガラスが知られており、例えば、特開平8−217
484号公報、特開昭54−90218号公報、特開昭
62−100449号公報などに開示されている。
ては、いずれも耐失透性の向上に主眼が置かれているた
め、安定性を向上させるために、Lu2O3などの高価な
成分が必須であったり、有害とされる成分であるSb2
O3を多量に含有することが必須であるといった問題が
ある。さらに、これらの公報に開示されているガラス組
成のうち、光学設計上非常に有用であるnd>1.8か
つアッベ数νd>35となるような組成には、低ガラス
転移温度化に有効とされるZnOあるいはLi2Oがほ
とんど含有されていないため、モールドプレス成形に対
する適性は低かった。
される、屈折率nd>1.8かつアッベ数νd>35
(但し(nd,νd)=(1.85,35),(1.
8,45),(1.8,35)の3点に囲まれた範囲を
除く)となるような光学ガラス、特に屈折率nd>1.
85かつアッベ数νd>35の光学恒数を有する精密プ
レス成形用光学ガラスは未だに提案されていない。
スは、一般に希土類成分の含有量が高く失透に対する安
定度が低いために、ガラス転移温度をモールドプレスが
経済的に可能な領域まで低下させるための組成を開発す
るのが困難であったことによると考えられる。
事情のもとで、精密プレス成形後に光学機能面に研削や
研磨などの機械加工を必要としない光学素子の製造に用
いられる高屈折率低分散の光学ガラス、該光学ガラスか
らなる精密プレス成形用プリフォームおよび光学素子、
並びに前記プリフォームと光学素子の製造方法を提供す
ることを目的とするものである。
を達成するために鋭意研究を重ねた結果、必須成分とし
て特定の成分を含み、ある値以下のガラス転移温度と特
定の光学定数を有する光学ガラスにより、その目的を達
成し得ることを見出し、この知見に基づいて本発明を完
成するに至った。
てB2O3、SiO2、La2O3、Gd2O3、ZnO、L
i2O、ZrO2およびTa2O5を、任意成分としてSb
2O3 0〜1モル%を含むとともに、PbOおよびLu
2O3を実質上含まず、かつガラス転移温度が630℃以
下であり、屈折率ndおよびアッベ数νdが、関係式 1.80<nd≦1.90 35<νd≦50 nd≧2.025−(0.005×νd) をいずれも満たすことを特徴とする精密プレス成形用光
学ガラス(以下、光学ガラスIと称す。)、
La2O3、Gd2O3、ZnO、Li2O、ZrO2および
Ta2O5を、任意成分としてSb2O3 0〜1モル%を
含むとともに、PbOおよびLu2O3を実質上含まず、
かつガラス転移温度が630℃以下であり、屈折率nd
が1.85よりも大きく、アッベ数νdが35よりも大
きいことを特徴とする精密プレス成形用光学ガラス(以
下、光学ガラスIIと称す。)、
O3 15〜40%、SiO2 3〜25%、La2O3
5〜20%、Gd2O3 5〜20%、ZnO 2〜35
%、Li2O 0.5〜15%、ZrO2 0.5〜15
%およびTa2O5 0.2〜10%を含むとともに、任
意成分としてWO3 0〜15%、Y2O3 0〜8%、
Yb2O3 0〜8%およびSb2O3 0〜1%並びにN
b2O5、BaOおよびGeO2を含み、前記成分の合計
含有量が95%以上であって、PbOおよびLu2O3を
実質上含まず、かつガラス転移温度が630℃以下であ
り、屈折率ndおよびアッベ数νdが、関係式 1.80<nd≦1.90 35<νd≦50 nd≧2.025−(0.005×νd) をいずれも満たすことを特徴とする精密プレス成形用光
学ガラス(以下、光学ガラスIIIと称す。)、
2O3およびSc2O3の合計含有量が12〜32モル%で
あり、かつ前記合計含有量に対するLa2O3の含有量の
モル%分率が0.35〜0.66である上記(1)、
(2)または(3)項に記載の精密プレス成形用光学ガ
ラス、(5)上記(1)ないし(4)項のいずれか1項
に記載の光学ガラスからなる精密プレス成形用プリフォ
ーム、(6)上記(1)ないし(4)項のいずれか1項
に記載の光学ガラスからなる光学素子、
か1項に記載の光学ガラスからなる溶融ガラスを、流出
パイプより流出して所定重量の溶融ガラスを分離し、前
記分離された所定重量の溶融ガラスを、該ガラスが軟化
状態にある間に成形することを特徴とする精密プレス成
形用プリフォームの製造方法、および(8)光学ガラス
からなるプリフォームを加熱、軟化して精密プレス成形
により光学素子を製造するに当たり、前記プリフォーム
として、上記(5)項に記載のプリフォームまたは上記
(7)項に記載の方法により作製されたプリフォームを
用いることを特徴とする光学素子の製造方法、を提供す
るものである。
ガラス素材を加熱してプレス成形可能な状態とし、プレ
ス成形型を用いてプレス成形することによりプレス成形
型の成形面を精密に前記状態のガラス素材に転写するこ
とによって、プレス成形後に成形品に研削、研磨などの
機械加工を施さなくても目的とする物品(最終製品)を
作製できるプレス成形法であり、一般には光学素子(例
えば、レンズ、プリズムなど)を成形する場合に用いら
れる。光学素子の精密プレス成形においては、例えば、
光学機能面(光学素子の制御対象となる光線を通過させ
たり、反射させる面のような光学的な機能を果たす面)
をプレス成形型の成形面を精密に転写して形成し、プレ
ス成形後に少なくとも光学機能面に機械加工を施すこと
なしに光学機能面としての性能を発揮させることが可能
となる。一般にこのような方法によって光学素子をプレ
ス成形する方法はモールドオプティクス成形と呼ばれて
おり、特に非球面レンズの精密プレス成形は、光学機能
面を非球面に研削、研磨する必要がないので、生産性に
優れた方法となっている。
うな高い面精度、内部品質が要求される物品を高い生産
性のもとに量産することができる方法であるが、適応対
象となるガラスは比較的低い温度で塑性変形可能な状態
になるものに限られる。ガラス転移温度が高いガラスを
用いると、精密プレス成形の際、プレス成形型の成形面
も高温に曝されることになり、前記成形面の消耗が激し
くなったり、破損が生じることになる。精密プレス成形
では、プレス成形型の成形面に微小な欠陥が生じても、
その欠陥が最終製品である光学素子の光学機能面に転写
され、光学素子としての性能が損なわれることになって
しまう。そのため、使用可能なガラスのガラス転移温度
は630℃以下に限られる。
光学ガラスIIおよび光学ガラスIIIの3つの態様が
あり、まず、本発明の光学ガラスIについて説明する。
本発明の光学ガラスIは、必須成分としてB2O3、Si
O2、La2O3、Gd2O3、ZnO、Li2O、ZrO2
およびTa2O5を、任意成分としてSb2O30〜1モル
%を含むとともに、PbOおよびLu2O3を実質上含ま
ず、かつガラス転移温度が630℃以下であり、屈折率
ndおよびアッベ数νdが、関係式 1.80<nd≦1.90 35<νd≦50 nd≧2.025−(0.005×νd) をいずれも満たすガラスである。
度が630℃以下である理由については、前述の説明の
とおりである。また、光学定数の屈折率ndおよびアッ
ベ数νdは、上記の3つの関係式を、いずれも満たす高
屈折率低分散であることが必要であり、これを図に示す
と、図1において、斜線で示され、かつnd1.80お
よびνd35を除いた領域内に、ndおよびνdが存在
することになる。なお、図1において、横軸がアッベ数
νd、縦軸が屈折率ndである。
有量については、ガラス転移温度が630℃以下であ
り、かつ屈折率ndおよびアッベ数νdが前記3つの関
係式を満たす光学ガラスが得られるのであればよく、特
に制限はないが、後述の光学ガラスIIIにおける含有
量であることが好ましい。なお、各必須成分の作用など
については、後述の光学ガラスIIIにおいて説明す
る。
2O3は脱泡剤として用いられるが、1モル%以下で十分
な効果が得られる。また、Sb2O3の含有量が多くなる
と、精密プレス成形時にプレス成形型の成形面が損傷を
受けるおそれが生じる。したがって、その導入量は1モ
ル%以下に限定される。
OおよびLu2O3を実質上含まない。ここで、実質上含
まないとは、不可避的に不純物として混入されるものは
仕方がないにしても、人為的に配合されたものを含まな
いことを意味する。一般に精密プレス成形は、プレス成
形型の成形面保護などを目的として窒素雰囲気などの非
酸化性雰囲気中で行われるが、PbOは還元されやすい
成分のため、精密プレス成形時の還元による析出物によ
り成形品の表面に曇りが生じてしまう。また、環境上好
ましくない物質でもあることから、PbOを排除する。
Lu2O3は一般に光学ガラスの成分としては、他の成分
に比べて使用頻度が少ない。また、希少価値の高い物質
でもあることから光学ガラス原料としては高額であり、
コスト面からは使用したくない成分である。本発明の光
学ガラスIは、上記の特性とガラスとしての安定性を兼
ね備えているので、不要なLu2O3を排除する。
分としてB2O3、SiO2、La2O 3、Gd2O3、Zn
O、Li2O、ZrO2およびTa2O5を、任意成分とし
てSb2O3 0〜1モル%を含むとともに、PbOおよ
びLu2O3を実質上含まず、かつガラス転移温度が63
0℃以下であり、屈折率ndが1.85よりも大きく、
アッベ数νdが35よりも大きなガラスである。
温度が630℃以下である理由については、前述の説明
のとおりである。また、屈折率ndが1.85より大き
く、かつアッベ数νdが35よりも大きな高屈折率低分
散であることが必要である。
含有量については、ガラス転移温度が630℃以下であ
り、かつ屈折率ndが1.85より大きく、アッベ数ν
dか35よりも大きな光学ガラスが得られるのであれば
よく、特に制限はないが、後述の光学ガラスIIIにお
ける含有量であることが好ましい。なお、各必須成分の
作用などについては、後述の光学ガラスIIIにおいて
説明する。
b2O3については、前記光学ガラスIにおいて説明した
とおりである。また、当該光学ガラスIIにおいては、
PbOおよびLu2O3を実質上含まない。これについて
も前記光学ガラスIにおいて説明したとおりである。
ル%表示で、必須成分としてB2O315〜40%、Si
O2 3〜25%、La2O3 5〜20%、Gd2O3
5〜20%、ZnO 2〜35%、Li2O 0.5〜
15%、ZrO2 0.5〜15%およびTa2O5
0.2〜10%を含むとともに、任意成分としてWO3
0〜15%、Y2O3 0〜8%、Yb2O3 0〜8%お
よびSb2O3 0〜1%並びにNb2O5、BaOおよび
GeO2を含み、前記成分の合計含有量が95%以上で
あって、PbOおよびLu2O3を実質上含まず、かつガ
ラス転移温度が630℃以下であり、屈折率ndおよび
アッベ数νdが、関係式 1.80<nd≦1.90 35<νd≦50 nd≧2.025−(0.005×νd) をいずれも満たすガラスである。
移温度が630℃以下である理由については、前述の説
明のとおりである。また、光学定数の屈折率ndおよび
アッベ数νdは、前記光学ガラスIと同様に、上記の3
つの関係式を、いずれも満たす高屈折率低分散であるこ
とが必要である。なお、上記組成範囲は、実験化学的に
見出されたものである。また、以下に示す含有量の表示
はモル%である。
り、本発明の光学ガラス(I、II、III)において
必須成分である。特にLa2O3、Gd2O3などの高屈折
率成分を多く導入する場合、ガラスの形成のためにB2
O3を主なネットワーク構成成分とする必要があるが、
40%を超えて導入すると、ガラスの屈折率が低下し、
高屈折ガラスを得るという目的に適さなくなるのに対
し、15%未満では失透に対して十分な安定性を得られ
ず、また溶融性が低下するため、その導入量は、15〜
40%が好ましい。より好ましくは20〜37%の範囲
である。
の形成物であり、La2O3やGd2O 3を多量に含有する
ガラスに対して、主成分B2O3と置換して少量添加する
と、ガラスの液相温度を低下させ、高温粘性をも向上さ
せ、さらにガラスの安定性を大きく向上させるが、3%
未満では上記のような効果が薄くなり、逆に25%を超
えて多く導入すると、ガラスの屈折率が下がることに加
え、ガラス転移温度が高くなり精密プレスが困難になる
ため、その導入量は3〜25%の範囲が好ましい。より
好ましくは5〜20%の範囲である。
に対する安定性を低下せずに、または分散を高めずに、
屈折率を高くし、化学的耐久性を向上させる必須成分で
ある。しかし、5%未満では十分の効果が得られないの
に対し、20%を超えると失透に対する安定性が著しく
悪化するため、その導入量は5〜20%の範囲が好まし
い。より好ましくは7〜18%の範囲である。
に対する安定性や低分散の特性を悪化せずにガラスの屈
折率や化学耐久性を向上させる働きをする。しかし、G
d2O3の含有量が5%未満では、十分な効果が得られな
いのに対し、20%を超えると、失透に対する安定性も
悪化し、ガラス転移温度が上昇して精密プレス成形も難
しくなるので、その導入量は5〜20%の範囲が好まし
い。より好ましくは6〜18%、さらに好ましくは7〜
18%の範囲である。
ZnO−Li2O−ZrO2−Ta2O 5系ガラスにおい
て、通常、高屈折率低分散(屈折率nd>1.8かつア
ッベ数νd>35)の高機能性を保つためにはLa2O3
+Gd2O3の合計量を好ましくは12%以上、より好ま
しくは12〜32%とする。
2O3(Ln=La、Gd、Yb、Y、Sc)のモル%表
示による合計含有量に対するLa2O3のモル%表示によ
る含有量の割合(分率)である、La2O3/ΣLn2O3
は、0.35〜0.66が好ましく、より好ましくは
0.45〜0.66の範囲である。その理由を以下に説
明する。
レス成形の適性すなわち低ガラス転移温度を付与するも
のの、ガラスを不安定にする成分であるLi2O等を添
加する必要があるため、高屈折率・低分散性に必須なラ
ンタノイド酸化物の添加量を増大させるとガラス形成が
不能になる。したがって、一般に添加量(ΣLn2O3)
は制限される。
外のランタノイド酸化物を、La2O3の分率が0.35
〜0.66となるように添加することにより、ランタノ
イド系酸化物の添加量を増大させながら安定なガラスを
得ることが可能となり、安定度を低下させるLi2O等
の成分を添加したガラスに対しても、安定にガラス形成
を行うことが可能となることを見出した。また、この比
率を保つことにより、液相温度の低下と高温粘性の向上
に大きく寄与することも明らかにした。すなわち、La
2O3/ΣLn2O3=0.35〜0.66の範囲にある場
合、ΣLn2O3の合計量が同じで、その比率が大きい場
合に比較して、はるかに安定なガラスを得ることが可能
になった。さらに、La2O3、Gd2O3、Yb2O3、Y
2O3、Sc2O3の合計含有量(ΣLn2O3)を12〜3
2%とすることが上記理由により好ましい。
転移温度を低下させ、屈折率の調整にも欠かせない必須
成分であるが、2%未満では、上記の期待された効果が
得られないのに対し、35%を超えて導入すると、分散
も大きくなり、失透に対する安定性も悪化し、化学的耐
久性も低下するので、その導入量は2〜35%の範囲が
好ましい。より好ましくは5〜32%の範囲である。
比べ、大幅な屈折率の低下及び化学的耐久性の低下を伴
うことが無く、ガラスの転移温度を大幅に低下させる成
分である。特に少量で導入する場合、その効果が大き
く、ガラスの熱的な物性を調整するための有効な成分で
ある。しかし、0.5%未満ではLi2Oの添加効果が
薄いのに対し、15%より多くのLi2Oを導入する
と、ガラスの失透に対する安定性が急激に低下し、液相
温度も上昇するので、その導入量は0.5〜15%の範
囲が好ましい。より好ましくは1〜12%、さらに好ま
しくは2〜12%の範囲である。
度を低下させる成分であるため、その合量ZnO+Li
2Oを10モル%以上とすることが好ましく、15モル
%以上とすることがさらに好ましい。
使われる。少量のZrO2を導入することにより、ガラ
スの屈折率を低下させずに、高温粘性や失透に対する安
定性を改善する効果があるため、少量のZrO2を導入
することが望ましい。しかし、0.5%未満ではZrO
2の添加効果が得られないに対し、15%を超えて多く
導入すると、液相温度が急激に上昇し、失透に対する安
定性も悪化するので、その導入量は、0.5〜15%の
範囲が好ましい。より好ましくは1〜10%の範囲であ
る。
使われる。少量のTa2O5を導入することにより、ガラ
スの屈折率を低下させずに、高温粘性や失透に対する安
定性を改善する効果があるため、少量のZrO2を導入
することが望ましい。しかし、0.2%未満でTa2O5
の添加効果が得られないに対し、10%を超えて多く導
入すると、液相温度が急激に上昇し、分散も大きくなる
ため、その導入量は、0.2〜10%の範囲が好まし
い。より好ましくは1〜8%の範囲である。
し、屈折率を向上させるために適宜導入される成分であ
るが、その導入量が15%を超えると、分散が大きくな
り、必要な低分散特性が得られなくなるため、その導入
量は15%以下が好ましい。より好ましくは、12%以
下である。
分散の成分として使用され、少量導入する場合、ガラス
の安定性を高め、化学的耐久性を向上させるが、8%よ
り多く導入するとガラスの失透に対する安定性を大きく
損ない、転移温度や屈伏点温度を上昇させる欠点がある
ため、その導入量をそれぞれ8%以下に抑えることが好
ましい。より好ましくは7%以下である。
するために適宜導入される成分であるが、その導入量が
8%を超えると、分散が大きくなり、必要な低分散特性
が得られなくなるため、その導入量は8%以下が好まし
い。より好ましくは5%以下である。
定化させ、SiO2よりも高屈折率を与える成分であ
り、高屈折率を達成させる場合に適宜導入される。しか
し、高価であり、分散を大きくするため、その使用量は
8%以下が好ましい。また、Sb2O3、PbOおよびL
u2O3に関しては、前記光学ガラスIにおいて説明した
とおりである。
とにより、上記好ましい理由として示された性質、特性
を有する光学ガラスが得られるが、中でもより好ましい
組成範囲は、B2O3 20〜37%、SiO2 5〜2
0%、La2O3 7〜18%、Gd2O3 6〜18%、
ZnO 5〜32%、Li2O 1〜12%、ZrO21
〜10%、Ta2O5 1〜8%、WO3 0〜12%、
Y2O3 0〜7%、Yb2O3 0〜7%、Nb2O5 0
〜5%、BaO 0〜7%、GeO2 0〜8%および
Sb2O3 0〜1%を含み、La2O3とGd2O3の合計
含有量が12〜32%で、La2O3/ΣLn2O3が0.
45〜0.66である。特に好ましい組成範囲は、B2
O3 20〜37%、SiO2 5〜20%、La2O3
7〜18%、Gd2O3 7〜18%、ZnO 5〜32
%、Li2O 2〜12%、ZrO2 1〜10%、Ta
2O5 1〜8%、WO3 0〜12%、Y2O3 0〜7
%、Yb2O3 0〜7%、Nb2O5 0〜5%、BaO
0〜7%、GeO20〜8%およびSb2O3 0〜1
%を含み、La2O3とGd2O3の合計含有量が12〜3
2%で、La2O3/ΣLn2O3が0.45〜0.66で
ある。
組成範囲、特に好ましい組成範囲において、ガラスの所
望の光学特性を得つつ、安定性を保つため上記の成分の
合計量を少なくとも95%以上に含有することが肝要で
あるが、物性調整のために、合計量で5%以下のNa2
O、K2O、CaO、SrO、TiO2、Al2O3、Ga
2O3、などのその他の成分を導入してもよい。
い組成範囲において、B2O3、SiO2、ZnO、Li2
O、La2O3、Gd2O3、ZrO2、Ta2O5、WO3、
Y2O3、Yb2O3の合計含有量が95%以上であること
がより好ましく、99%以上であることがさらに好まし
く、100%であることが一層好ましい。
II)は、カドミウムなどの環境上問題となる元素、ト
リウムなどの放射性元素、ヒ素などの有毒な元素を含ま
ないことが望ましい。また、ガラス溶融時の揮発などの
問題からフッ素も含まないことが望ましい。
は、例えば、常法により原料化合物を調合し、溶解、清
澄、撹拌、均一化することにより製造することができ
る。また、本発明の光学ガラス(I、II、III)が
得られるガラス融液を40×70×15mmのカーボン
製の金型に流し、ガラスの転移点温度まで放冷してか
ら、ガラスの転移温度で1時間アニールした後、室温ま
で放冷したガラス中に、顕微鏡で観察できる結晶は析出
しない。このように、本発明の光学ガラス(I、II、
III)の安定性は優れている。なお、本発明の光学ガ
ラスは、可視光領域で透明であり、レンズやプリズム、
その他の光学素子に好適なものである。
I)よりなる精密プレス成形用プリフォームおよびその
製造方法について説明する。精密プレス成形用プリフォ
ームとは加熱して精密プレス成形に供する予め成形され
たガラス素材のことである。先に説明したように、精密
プレス成形は、光学機能面をプレス成形によって形成
し、研削、研磨加工を施さずに最終製品である光学素子
を作製する。したがって、精密プレス成形品の光学機能
面以外の部分に研削、研磨などの除去加工を施さない場
合、プリフォームの重量は最終製品の重量に等しくする
(精密プレス成形品の重量も前記重量と等しい。)。目
的とする精密プレス成形品の重量を基準にしたとき、プ
リフォームの重量が小さすぎると精密プレス成形時にガ
ラスがプレス成形型の成形面に充分充填されず、所望の
面精度が得られなかったり、成形品の厚みが所望の厚み
よりも薄くなるなどの問題が生じる。また、プリフォー
ムの重量が大きすぎると、余分なガラスがプレス成形型
間の隙間に入り込んで成形バリを生じたり、成形品の厚
みが所望の厚みより厚くなるなどの問題が生じる。した
がって、精密プレス成形用プリフォームの重量は、プレ
ス成形後に光学機能面などを研削、研磨などによって仕
上げる一般的なプレス成形用のガラス素材よりも精密に
管理する必要がある。さらに、精密プレス成形用プリフ
ォームの場合、プリフォームの表面がプレス成形品の表
面として最終製品に残るため、プリフォームの表面には
キズや汚れなどがないことが要求される。
の製造方法としては、溶融ガラスを流出して、所望重量
の溶融ガラス塊を分離し、その溶融ガラス塊をプリフォ
ームに成形する方法(以下、熱間成形法という)、ある
いは溶融ガラスを型に鋳込み、成形したものを冷却し、
得られたガラス塊を所望の大きさに機械加工する方法
(以下、冷間加工法という)などがある。
た、例えば1000〜1400℃程度の温度、0.1〜
5dPa・s程度の粘度を示す溶融ガラスを用意し、3
〜60dPa・s程度の粘度になるように温度調整して
流出ノズルあるいは流出パイプから排出し、プリフォー
ムに成形する。温度調整の方法としては、流出ノズル、
流出パイプの温度を制御する方法を例示できる。流出ノ
ズル、流出パイプの材質としては白金または白金合金が
望ましい。具体的な成形方法としては、溶融ガラスを流
出ノズルから所望重量の溶融ガラス滴として滴下し、そ
れを受け部材によって受けてプリフォームに成形する方
法、同じく所望重量の溶融ガラス滴を前記流出ノズルよ
り液体窒素などに滴下してプリフォームを成形する方
法、白金または白金合金製の流出パイプより溶融ガラス
流を流下させ、溶融ガラス流の先端部を受け部材で受
け、溶融ガラス流のノズルと受け部材の間にくびれ部を
形成した後、くびれ部にて溶融ガラス流を分離して受け
部材に所望重量の溶融ガラス塊を受けてプリフォームに
成形する方法などがある。溶融ガラスを滴下する場合、
ガラスの粘度としては3〜30dPa・sが好ましく、
溶融ガラスを溶融ガラス流として流下する場合は、ガラ
スの粘度としては2〜60dPa・sが好ましい。
の形状を考慮して決めればよいが、好適な形状としては
球状、楕円球状などを例示することができる。また、熱
間成形はガラスが軟化温度以上の温度にあるときにプリ
フォームの表面が形成されるので、滑らかな表面を得や
すい。特に、溶融ガラス塊を成形型などの上で風圧によ
り浮上させながらプリフォームに成形したり、液体窒素
などの常温、常圧下では気体の物質を冷却して液体にし
た媒体中に溶融ガラス滴を入れてプリフォームに成形す
る方法では、キズ、汚れ、表面の変質などがない滑らか
な表面、例えば自由表面を有するプリフォームを容易に
作製することができる。
うに溶融、清澄、均質化した溶融ガラスを鋳型などに流
し込み、ガラスブロック状に成形、徐冷し、歪みを低減
した後、切断などの機械加工により所望の寸法あるいは
重量のガラス塊を作製し、表面を平滑にする工程を行っ
てプリフォームを得る。
ス成形して光学素子を作製する方法について説明する。
精密プレス成形では、予め成形面を所望の形状に高精度
に加工されたプレス成形型を用いるが、成形面には、プ
レス時のガラスの融着を防止するため、離型膜を形成し
てもよい。精密プレス成形は、成形型成形面の酸化など
による損傷を防止するため、窒素ガスなどの非酸化性ガ
ス雰囲気中で行うことも含め、公知の方法を用いること
ができる。
(I、II、III)よりなる球面レンズ、非球面レン
ズ、マイクロレンズ、レンズアレイ、マイクロレンズア
レイなどの各種レンズ、プリズム、ポリゴンミラーなど
の光学素子を光学機能面に機械加工を施すことなしに作
製することができる。
説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではない。 実施例1〜58 表1〜表6に示すガラス組成になるように、原料として
それぞれ相当する酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、水
酸化物など、例えば、SiO2、H3BO3、La2O3、
ZnO、ZnCO3、ZrO2、Li2CO3などを用いて
250〜300g秤量し、十分に混合して調合バッチと
成し、これを白金るつぼに入れ、1200〜1450℃
に保持した電気炉中において、攪拌しながら空気中で2
〜4時間ガラスの溶融を行った。溶融後、ガラス融液を
40×70×15mmのカーボン製の金型に流し、ガラ
スの転移点温度まで放冷してから直ちにアニール炉に入
れ、ガラスの転移温度範囲で約1時間アニールした後、
炉内で室温まで放冷し光学ガラスを得た。得られた光学
ガラス中には、顕微鏡で観察できる結晶は析出しなかっ
た。
法により測定した。その結果を表1〜表6に示す。 (1)屈折率(nd)及びアッベ数(νd) Tg−Ts間の温度で保持した光学ガラスを、降温速度
を−30℃/hrにして得られた光学ガラスについて測
定した。 (2)転移温度(Tg)及び屈伏点温度(Ts) 理学電機株式会社の熱機械分析装置により昇温速度を4
℃/minとして測定した。
2O3、Gd2O3、ZnO、Li2O、ZrO2、Ta2O5
を含み、ガラス転移温度が630℃以下であり、屈折率
ndおよびアッベ数νdが、関係式 1.80<nd≦1.90 35<νd≦50 nd≧2.025−(0.005×νd) をいずれも満たす精密プレス成形用光学ガラスを得るこ
とができる。
ス成形用プリフォームを次のようにして作製した。ま
ず、上記光学ガラスが得られる溶融ガラスを溶融、清
澄、均質化することにより用意し、温度調整された白金
合金製の流出ノズルから受け部材に滴下し、受け部材の
凹部において、この凹部の底部に設けられたガス噴出口
より上方に向けてガスを噴出しながら、受けた溶融ガラ
ス滴を浮上、回転させて球状のプリフォームに成形した
(方法1)。得られたプリフォームの重量は目的とする
最終製品の重量と一致しており、失透することなく、表
面は滑らかでキズ、汚れ、変質などの欠陥がないもので
あった。
ら溶融ガラス滴を液体窒素に滴下して同じく球状のプリ
フォームを成形した(方法2)。このプリフォームも上
記方法と同様、失透することなく、重量精度が高い、表
面が滑らかで欠陥のないものであった。
溶融ガラス流として流下させ、下端部を受け型で受け、
流下する溶融ガラス流の途中にくびれを作り、くびれよ
りも下のガラスの重量が所定値に達したときに、くびれ
た部分において溶融ガラス流が分離されて、分離した前
記重量の溶融ガラス塊を受け型を用いてプリフォームに
成形した(方法3)。このプリフォームも上記方法と同
様、失透することなく、重量精度が高い、表面が滑らか
で欠陥のないものであった。
学ガラスよりなる球状のプリフォームを加熱し、図2に
示すプレス装置を用い、精密プレス成形(非球面精密プ
レス)することにより非球面レンズを得た。
る。上記プリフォーム4を、非球面形状を有するSiC
製の下型2及び上型1の間に静置したのち、石英管11
内を窒素雰囲気としてヒーター12に通電して石英管1
1内を加熱した。成形金型内部の温度をガラスの屈伏点
温度+20〜80℃となる温度に設定し、同温度を維持
しつつ、押し棒13を降下させて上型1を押して成形鋳
型内の被成形ガラス塊をプレス成形した。成形圧力を8
Mpa、成形時間を30秒としたプレスの後、成形圧力
を低下させ、非球面プレス成形されたガラスの成形物を
下型2及び上型1と接触させたままの状態でガラスの転
移温度−30℃の温度までに徐冷し、次いで室温まで急
冷した。その後非球面レンズに成形されたガラスを成形
金型から取り出し、形状の測定および外観検査を行っ
た。得られた非球面レンズは、きわめて精度の高いレン
ズであった。なお、図2において、符号3は案内型(胴
型)、9は支持棒、10は支持台、14は熱伝対であ
る。
よって成形された実施例1〜58の各種光学ガラスより
なるプリフォームを用い、精密プレス成形により非球面
レンズを得た。得られた非球面レンズは、上記レンズと
同様、きわめて精度の高いレンズであった。本実施例で
用いたプリフォームはいずれも球状で直径が2〜30m
mのものであるが、プリフォームの形状、寸法は作製し
ようとする精密プレス成形品の形状等により適宜、決め
ればよい。
形型を用いれば、他のレンズ、あるいはプリズム、ポリ
ゴンミラーなどの光学素子を作製することもできる。得
られた光学素子の光学機能面には必要に応じて反射防止
膜あるいは高反射膜などの光学多層膜を形成することも
できる。
学機能面に研削や研磨などの機械加工を必要としない、
例えば超精密非球面レンズなどの光学素子の製造に用い
られる高屈折率特性かつ低分散特性を兼ね備えた精密プ
レス成形用光学ガラスを提供することができる。
りなる精密プレス成形用プリフォームおよびその製造方
法、ならびに上記光学ガラスよりなる光学素子および上
記プリフォームを用いて精密プレス成形により非球面レ
ンズなどの光学素子を量産性よく作製する光学素子の製
造方法を提供することができる。
dおよびアッベ数νdの領域を示すグラフである。
概略断面図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 必須成分としてB2O3、SiO2、La2
O3、Gd2O3、ZnO、Li2O、ZrO2およびTa2
O5を、任意成分としてSb2O3 0〜1モル%を含む
とともに、PbOおよびLu2O3を実質上含まず、かつ
ガラス転移温度が630℃以下であり、屈折率ndおよ
びアッベ数νdが、関係式 1.80<nd≦1.90 35<νd≦50 nd≧2.025−(0.005×νd) をいずれも満たすことを特徴とする精密プレス成形用光
学ガラス。 - 【請求項2】 必須成分としてB2O3、SiO2、La2
O3、Gd2O3、ZnO、Li2O、ZrO2およびTa2
O5を、任意成分としてSb2O3 0〜1モル%を含む
とともに、PbOおよびLu2O3を実質上含まず、かつ
ガラス転移温度が630℃以下であり、屈折率ndが
1.85よりも大きく、アッベ数νdが35よりも大き
いことを特徴とする精密プレス成形用光学ガラス。 - 【請求項3】 モル%表示で、必須成分としてB2O3
15〜40%、SiO2 3〜25%、La2O3 5〜
20%、Gd2O3 5〜20%、ZnO 2〜35%、
Li2O 0.5〜15%、ZrO2 0.5〜15%お
よびTa2O50.2〜10%を含むとともに、任意成分
としてWO3 0〜15%、Y2O30〜8%、Yb2O3
0〜8%およびSb2O3 0〜1%並びにNb2O5、
BaOおよびGeO2を含み、前記成分の合計含有量が
95%以上であって、PbOおよびLu2O3を実質上含
まず、かつガラス転移温度が630℃以下であり、屈折
率ndおよびアッベ数νdが、関係式 1.80<nd≦1.90 35<νd≦50 nd≧2.025−(0.005×νd) をいずれも満たすことを特徴とする精密プレス成形用光
学ガラス。 - 【請求項4】 La2O3、Gd2O3、Yb2O3、Y2O3
およびSc2O3の合計含有量が12〜32モル%であ
り、かつ前記合計含有量に対するLa2O3の含有量のモ
ル%分率が0.35〜0.66である請求項1、2また
は3に記載の精密プレス成形用光学ガラス。 - 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれか1項に記載
の光学ガラスからなる精密プレス成形用プリフォーム。 - 【請求項6】 請求項1ないし4のいずれか1項に記載
の光学ガラスからなる光学素子。 - 【請求項7】 請求項1ないし4のいずれか1項に記載
の光学ガラスからなる溶融ガラスを、流出パイプより流
出して所定重量の溶融ガラスを分離し、前記分離された
所定重量の溶融ガラスを、該ガラスが軟化状態にある間
に成形することを特徴とする精密プレス成形用プリフォ
ームの製造方法。 - 【請求項8】 光学ガラスからなるプリフォームを加
熱、軟化して精密プレス成形により光学素子を製造する
に当たり、前記プリフォームとして、請求項5に記載の
プリフォームまたは請求項7に記載の方法により作製さ
れたプリフォームを用いることを特徴とする光学素子の
製造方法。
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