JP2013082623A - 光学ガラス、プレス成形用ガラスゴブおよび光学素子とその製造方法ならびに光学素子ブランクの製造方法 - Google Patents
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- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
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Abstract
【解決手段】質量%表示で、
SiO2およびB2O3を合計で5〜32%、
La2O3、Gd2O3およびY2O3を合計で45〜65%、
ZnOを0.5〜10%、
TiO2およびNb2O5を合計で1〜20%、
ZrO2を0〜15%、
Ta2O5 を0〜12%、
GeO2を0〜5%、
含み、
B2O3の含有量に対するSiO2の含有量の質量比(SiO2/B2O3)が0.3〜1.0、La2O3、Gd2O3およびY2O3の合計含有量に対するGd2O3およびY2O3の合計含有量の質量比(Gd2O3+Y2O3)/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)が0.05〜0.6であり、
屈折率ndが1.90〜2.0、アッベ数νdが32〜38、かつ着色度λ70が430nm以下であることを特徴とする光学ガラス。
【選択図】なし
Description
(1) 質量%表示で、
SiO2およびB2O3を合計で5〜32%、
La2O3、Gd2O3およびY2O3を合計で45〜65%、
ZnOを0.5〜10%、
TiO2およびNb2O5を合計で1〜20%、
ZrO2を0〜15%、
WO3を0〜2%、
Yb2O3を0〜20%、
Li2O、Na2OおよびK2Oを合計で0〜10%、
MgO、CaO、SrOおよびBaOを合計で0〜10%、
Ta2O5を0〜12%、
GeO2を0〜5%、
Bi2O3を0〜10%、
Al2O3を0〜10%、
含み、
B2O3の含有量に対するSiO2の含有量の質量比(SiO2/B2O3)が0.3〜1.0、La2O3、Gd2O3およびY2O3の合計含有量に対するGd2O3およびY2O3の合計含有量の質量比(Gd2O3+Y2O3)/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)が0.05〜0.6であり、
屈折率ndが1.89〜2.0、アッベ数νdが32〜38、かつ着色度λ70が430nm以下であることを特徴とする光学ガラス、
(2) SiO2を2〜15%、
B2O3を6〜30%、
含む上記(1)に記載の光学ガラス、
(3) La2O3を25〜65%、
Gd2O3を0〜25%、
Y2O3を0〜20%、
含む上記(1)項または(2)項に記載の光学ガラス、
(4) TiO2を0.1〜15%、
Nb2O5を0.1〜15%、
含む上記(1)項〜(3)項のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(5) ZrO2を0.5〜15%含む上記(1)項〜(4)項のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(6) Ta2O5の含有量が0〜10%である上記(1)項〜(5)項のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(7) Geフリーガラスである上記(1)項〜(6)項のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(8) 液相温度が1300℃以下である上記(1)項〜(7)項のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(9) ガラス転移温度が710℃以下である上記(1)項〜(8)項のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(10) 上記(1)項〜(9)項のいずれか1項に記載の光学ガラスからなるプレス成形用ガラスゴブ、
(11) 上記(1)項〜(9)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、
(12) 研削、研磨により光学素子に仕上げられる光学素子ブランクの製造方法において、
上記(10)項に記載のプレス成形用ガラスゴブを加熱、軟化してプレス成形することを特徴とする光学素子ブランクの製造方法、
(13) 研削、研磨により光学素子に仕上げられる光学素子ブランクの製造方法において、
ガラス原料を熔融し、得られた熔融ガラスをプレス成形し、上記(1)項〜(9)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ブランクを作製することを特徴とする光学素子ブランクの製造方法、
(14) 上記(12)項または(13)項に記載の方法により光学素子ブランクを作製し、該光学素子ブランクを研削、研磨することを特徴とする光学素子の製造方法、
(15) 上記(10)項に記載のガラスゴブを加熱し、精密プレス成形する光学素子の製造方法、
を提供するものである。
まず、本発明の光学ガラスについて説明する。
本発明は、ガラス成分の中でも特に高価なTa2O5およびGeO2導入量を低減、制限した高屈折率低分散光学ガラスを提供することを目的とするものであるが、耐失透性を維持しつつ高屈折率低分散特性を付与するには、単にTa2O5やGeO2の量を削減するだけでは、ガラス化しなかったり、生産過程でガラスが失透して使い物にならなくなってしまう。こうした問題を回避しつつ、Ta2O5やGeO2の導入量を削減するには、高屈折率付与成分の配分が重要である。
本発明は、こうした知見に基づき、上記発明の目的を達成したものである。
SiO2およびB2O3を合計で5〜32%、
La2O3、Gd2O3およびY2O3を合計で45〜65%、
ZnOを0.5〜10%、
TiO2およびNb2O5を合計で1〜20%、
ZrO2を0〜15%、
WO3を0〜2%、
Yb2O3を0〜20%、
Li2O、Na2OおよびK2Oを合計で0〜10%、
MgO、CaO、SrOおよびBaOを合計で0〜10%、
Ta2O5を0〜12%、
GeO2 を0〜5%、
Bi2O3を0〜10%、
Al2O3を0〜10%、
含み、
B2O3の含有量に対するSiO2の含有量の質量比(SiO2/B2O3)が0.3〜1.0、La2O3、Gd2O3およびY2O3の合計含有量に対するGd2O3およびY2O3の合計含有量の質量比(Gd2O3+Y2O3)/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)が0.05〜0.6であり、
屈折率ndが1.89〜2.0、アッベ数νdが32〜38、かつ着色度λ70が430nm以下であることを特徴とする。
本発明の光学ガラスの組成範囲の限定理由について説明するが、特記しない限り、各成分の含有量、合計含有量は質量%にて表示する。
SiO2、B2O3は、ともに網目形成酸化物であり、ガラス安定性の維持に必要な必須成分である。SiO2のB2O3の合計含有量が5%未満であるとガラス安定性の維持が困難となり、ガラス製造中に失透しやすくなり、上記合計含有量が32%を超えると屈折率が低下するため、SiO2とB2O3の合計含有量は5〜32%とする。SiO2とB2O3の合計含有量の好ましい範囲は5〜30%、より好ましい範囲は7〜28%、さらに好ましい範囲は9〜25%、一層好ましい範囲は12〜23%である。
また、環境影響に配慮し、As、Pb、U、Th、Te、Cdも導入しないことが好ましい。
本発明の光学ガラスの屈折率ndは1.89〜2.0である。上記光学ガラスでレンズを作製する場合、屈折率が高いほうが、同じ焦点距離のレンズを作製するにしても、レンズ面のカーブを緩くする(曲率半径の絶対値を大きくする)ことができ、レンズの作製が容易になる、あるいは収差の補正が容易になるなどの効果を得ることができる。また、複数のレンズを組み合わせて撮像光学系や投射光学系を構成する場合、光学系をコンパクトにすることもできる。
nd≧2.55−0.02×νd ・・・ (2)
nd≧2.56−0.02×νd ・・・ (3)
nd≧2.57−0.02×νd ・・・ (4)
nd≧2.58−0.02×νd ・・・ (5)
nd≧2.59−0.02×νd ・・・ (6)
ここで、(1)式〜(6)式で定められる各範囲と屈折率ndの好ましい下限を組み合わせると、本発明の範囲において、
nd≧2.54−0.02×νd (ただし、νd>32.5) かつ
nd≧1.89 (ただし、νd≦32.5)
で定められる範囲が好ましく、
nd≧2.55−0.02×νd (ただし、νd>33.0) かつ
nd≧1.89 (ただし、νd≦33.0)
で定められる範囲がより好ましく、
nd≧2.56−0.02×νd (ただし、νd>33.5) かつ
nd≧1.89 (ただし、νd≦33.5)
で定められる範囲がさらに好ましく、
nd≧2.57−0.02×νd (ただし、νd>34.0) かつ
nd≧1.89 (ただし、νd≦34.0)
で定められる範囲が一層好ましく、
nd≧2.58−0.02×νd (ただし、νd>34.5) かつ
nd≧1.89 (ただし、νd≦34.5)
で定められる範囲がより一層好ましく、
nd≧2.59−0.02×νd (ただし、νd>35.0) かつ
nd≧1.89 (ただし、νd≦35.0)
で定められる範囲がなお一層好ましい。
nd≦2.68−0.02×νd ・・・ (8)
nd≦2.67−0.02×νd ・・・ (9)
ここで、(7)式〜(9)式で定められる各範囲と屈折率ndの好ましい上限を組み合わせると、本発明の範囲において、
nd≦2.69−0.02×νd (ただし、νd>34.5) かつ
nd≦2.0 (ただし、νd≦34.5)
で定められる範囲が好ましく、
nd≦2.68−0.02×νd (ただし、νd>34.0) かつ
nd≦2.0 (ただし、νd≦34.0)
で定められる範囲がより好ましく、
nd≦2.67−0.02×νd (ただし、νd>33.5) かつ
nd≦2.0 (ただし、νd≦33.5)
で定められる範囲がさらに好ましい。
本発明の光学ガラスの着色度λ70は430nm以下である。着色度λ70は、互いに平行で、光学研磨された2つの対向する平面を有する厚さ10±0.1mmのガラスを用い、280nmから700nmまでの波長域での分光透過率を測定し、透過率70%を示す波長に相当する。ここで、分光透過率あるいは透過率とは、ガラスの上記表面に対して垂直に強度Iinの光を入射し、ガラスを透過して一方の平面から強度Ioutの光が出射する場合において、Iout/Iinによって表される量であり、ガラスの上記平面における表面反射損失も含まれた透過率である。
なお、λ70以外の着色度としてはλ80、λ5もある。λ80は透過率80%を示す波長、λ5は透過率5%を示す波長である。
高屈折率ガラス、特に高屈折率低分散ガラスは、熔融ガラス成形時の失透を防止するため、全般的に熔融ガラス流出、成形時の温度を高くする。そのため、流出、成形時の粘性が非常に低く、高品質のガラスを高い生産性のもとに製造することが難しい。
本発明の光学ガラスは、複数の高屈折率付与成分をバランスよく導入し、特定の高屈折率付与成分の含有量が突出して多くならないようにしている。また、ZnOを必須成分として導入しているため、高屈折率低分散ガラスとしてはガラス転移温度を低く抑えることができる。
ガラス転移温度の下限はガラス組成から自ずと制限されるが、目安として650℃以上と考えればよい。
本発明の光学ガラスは、ガラスを再加熱して成形する際の耐失透性にも優れている。本発明の光学ガラスの好ましいものでは、ガラス試料を600℃〜800℃で、10分間ガラスを保持し(一次熱処理)、その後820℃〜900℃に昇温し、当該温度にて10分間保持(二次熱処理)した後でもガラス内部に結晶の析出は認められない。図1は、後記する実施例1で得たガラスの一次熱処理および二次熱処理(再加熱)の温度とガラス内部に析出した結晶数密度の関係を示すものである。図1より、再加熱時の結晶数密度が極めて低く、耐失透性が極めて優れたガラスであることがわかる。なお、上記テストを行う場合、ガラス試料としては、切断、研磨により得たものが好ましく、例えば、大きさ15×15×15mmのものを用いることができる。なお、結晶析出の有無は、ガラス内部を100倍の光学顕微鏡で拡大観察することにより行うことができる。
このように、本発明の光学ガラスは耐失透性に優れているため、高品質なプレス成形品を成形できるプレス成形用ガラス素材の材料として好適である。
次に本発明の光学ガラスの製造方法について説明する。例えば、粉体状の化合物原料、すなわち、酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、水酸化物などを目的のガラス組成に対応して秤量、調合して得られる未ガラス化原料、あるいは、化合物原料を粗熔融(ラフメルト)して得られるカレット原料を目的のガラス組成に対応して秤量、調合したガラス化原料を用いて、白金合金製の熔融容器内に供給した後、これを加熱、熔融する。上記原料を完全に熔融して熔融ガラス(ガラス融液)を得た後、この熔融ガラスの温度を上昇させて清澄を行う。清澄した熔融ガラスを攪拌器を用いて攪拌、均質化し、ガラス流出パイプに連続供給、流出し、急冷、固化してガラス成形体を得る。
[プレス成形用ガラスコブ]
本発明のプレス成形用ガラスゴブは上記した本発明の光学ガラスからなることを特徴とする。ゴブの形状は、目的とするプレス成形品の形状に応じてプレス成形しやすい形状にする。また、ゴブの質量もプレス成形品に合わせて設定する。本発明においては、安定性の優れたガラスを使用しているので、再加熱、軟化してプレス成形してもガラスが失透しにくく、高品質の成形品を安定して生産することができる。
プレス成形用ガラスゴブの製造例は以下のとおりである。
次に本発明の光学素子について説明する。
本発明の光学素子は、上記した本発明の光学ガラスからなることを特徴とする。本発明の光学素子は、高屈折率低分散特性を有し、Ta2O5やGeO2などの高価な成分の含有量が少量またはゼロに抑えられているので、低コストにて光学的な価値の高い各種レンズ、プリズムなどの光学素子を提供することができる。
なお本発明の光学素子の光学機能面には、反射防止膜などの光線透過率を制御する膜を設けることもできる。
次に本発明の光学素子ブランクの製造方法について説明する。
本発明の光学素子ブランクの製造方法には、以下に示す2つの態様がある。
本発明の第1の光学素子ブランクの製造方法は、研削、研磨により光学素子に仕上げられる光学素子ブランクの製造方法において、上記した本発明のプレス成形用ガラスゴブを加熱、軟化してプレス成形することを特徴とする。
本発明の第2の光学素子ブランクの製造方法は、研削、研磨により光学素子に仕上げられる光学素子ブランクの製造方法において、ガラス原料を熔融し、得られた熔融ガラスをプレス成形し、上記した本発明の光学ガラスからなる光学素子ブランクを作製することを特徴とする。
第2の光学素子ブランクの製造方法もガラスを失透させずにブランクを生産することができる。また、透過光量が十分確保された光学素子を得るためのブランクを提供することもできる。
[光学素子の製造方法]
本発明の光学素子の製造方法は、2つの態様に大別することができる。
まず、表1〜表6に示す組成を有するガラスNo.1〜22が得られるように、原料として炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、水酸化物、酸化物、ホウ酸などを用い、各原料粉末を秤量して十分混合し、調合原料とし、この調合原料を白金製坩堝に入れて1200〜1400℃で1〜3時間、加熱、熔融し、清澄、撹拌して均質な熔融ガラスした。この熔融ガラスを予熱した鋳型に流し込んで急冷し、ガラス転移温度近傍の温度で2時間保持した後、徐冷してガラスNo.1〜22の各光学ガラスを得た。いずれのガラス中にも結晶の析出は認められなかった。
(1)屈折率ndおよびアッベ数νd
1時間あたり30℃の降温速度で冷却した光学ガラスについて測定した。
(2)ガラス転移温度Tg
熱機械分析装置を用いて、昇温速度4℃/分の条件下で測定した。
(3)液相温度LT
ガラスを所定温度に加熱された炉内に入れて2時間保持し、冷却後、ガラス内部を100倍の光学顕微鏡で観察し、結晶の有無から液相温度を決定した。
(4)液相温度における粘度
粘度JIS規格 Z8803、共軸二重円筒形回転粘度計による粘度測定方法により粘度を測定した。
(5)比重
アルキメデス法により測定した。
(6)λ70、λ80、λ5
互いに対向する2つの光学研磨された平面を有する厚さ10±0.1mmのガラス試料を用いて分光透過率を測定し、その結果から算出した。
(7)部分分散比Pg,F
屈折率nF、nc、ngを測定し、それらの結果から算出した。
次に実施例1のNo.1〜22の各光学ガラスからなるプレス成形用ガラスゴブを次のようにして作製した。
まず、上記各ガラスが得られるようにガラス原料を調合し、白金製坩堝に投入し、加熱、熔融し、清澄、撹拌して均質な熔融ガラスを得た。次に、熔融ガラスを流出パイプから一定流量で流出し、流出パイプの下方に水平に配置した鋳型に鋳込み、一定の厚みを有するガラス板を成形した。成形されたガラス板を鋳型側面に設けた開口部から水平方向へと連続して引き出し、ベルトコンベアにてアニール炉内へと搬送し、徐冷した。
徐冷したガラス板を切断あるいは割断してガラス片を作り、これらガラス片をバレル研磨してプレス成形用ガラスゴブにした。
実施例2と同様に熔融ガラスを流出パイプから流出し、成形型で流出する熔融ガラス下端を受けた後、成形型を急降下し、表面張力によって熔融ガラス流を切断し、成形型上に所望の量の熔融ガラス塊を得た。そして、成形型からガスを噴出してガラスに上向きの風圧を加え、浮上させながらガラス塊に成形し、成形型から取り出してアニールした。それからガラス塊をバレル研磨してプレス成形用ガラスゴブとした。
実施例3で得た各プレス成形用ガラスゴブの全表面に窒化ホウ素粉末からなる離型剤を均一に塗布した後、上記ゴブを図2に示す加熱スケジュールで加熱、軟化してプレス成形し、凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズなどの各種レンズ、プリズムのブランクを作製した。
実施例2と同様にして熔融ガラスを作り、熔融ガラスを窒化ホウ素粉末の離型剤を均一に塗布した下型成形面に供給し、下型上の熔融ガラス量が所望量になったところで熔融ガラス流を切断刃で切断した。
こうして下型上に得た熔融ガラス塊を上型と下型でプレスし、凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズなどの各種レンズ、プリズムのブランクを作製した。
実施例4、5で作製した各ブランクをアニールした。アニールによってガラス内部の歪を低減し、屈折率などの光学特性が所望の値になるようにする。
次に各ブランクを研削、研磨して凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズなどの各種レンズ、プリズムを作製した。得られた光学素子の表面には反射防止膜をコートしてもよい。
実施例2と同様にしてガラス板および円柱状ガラスを作製し、得られたガラス成形体をアニールして内部の歪を低減するとともに、屈折率などの光学特性が所望の値になるようした。
次にこれらガラス成形体を切断、研削、研磨して凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズなどの各種レンズ、プリズムのブランクを作製した。得られた光学素子の表面に反射防止膜をコートしてもよい。
実施例2で作製したガラスゴブを加熱、軟化し、プレス成形型を用いて精密プレス成形し、凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズなど各種非球面レンズを作製した。得られたレンズの表面に反射防止膜をコートしてもよい。
Claims (25)
- 質量%表示で、
SiO2およびB2O3を合計で5〜32%、
La2O3、Gd2O3およびY2O3を合計で51〜65%、
ZnOを0.5〜10%、
TiO2およびNb2O5を合計で1〜20%、
ZrO2を0〜15%、
Ta2O5 を0〜12%、
GeO2を0〜5%、
含み、
B2O3の含有量に対するSiO2の含有量の質量比(SiO2/B2O3)が0.3〜1.0、La2O3、Gd2O3およびY2O3の合計含有量に対するGd2O3およびY2O3の合計含有量の質量比(Gd2O3+Y2O3)/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)が0.05〜0.6であり、
屈折率ndが1.90〜2.0、アッベ数νdが32〜38、かつ着色度λ70が430nm以下であることを特徴とする光学ガラス。 - Li2O、Na2OおよびK2Oをいずれも含まない請求項1に記載の光学ガラス。
- La2O3の含有量が30〜60質量%である請求項1または2に記載の光学ガラス。
- 質量%表示で、
SiO2を2〜15%、
B2O3を6〜30%、
含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラス。 - 質量%表示で、
Gd2O3を0〜25%、
Y2O3を0〜20%、
含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学ガラス。 - 質量%表示で、
TiO2を0.1〜15%、
Nb2O5を0.1〜15%、
含む請求項1〜5のいずれか1項に記載の光学ガラス。 - ZrO2を0.5〜15質量%含む請求項1〜6のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- Ta2O5の含有量が0〜10質量%である請求項1〜7のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- Geフリーガラスである請求項1〜8のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- ZnOの含有量が1〜10質量%である請求項1〜9のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- B2O3の含有量に対するSiO2の含有量の質量比(SiO2/B2O3)が0.3〜0.9である請求項1〜10のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- La2O3、Gd2O3およびY2O3の合計含有量に対するGd2O3およびY2O3の合計含有量の質量比(Gd2O3+Y2O3)/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)が0.1〜0.5である請求項1〜11のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- Gd2O3とY2O3の合計含有量に対するGd2O3の含有量の質量比(Gd2O3)/(Gd2O3+Y2O3)が0.1〜1である請求項1〜12のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 着色度λ70が425nm以下である請求項1〜13のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 液相温度が1300℃以下である請求項1〜14のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- ガラス転移温度が710℃以下である請求項1〜15のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- ガラス転移温度が650℃以上である請求項1〜16のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- ガラス転移温度が681℃以上である請求項1〜17のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 比重が4.94〜5.24である請求項1〜18のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 請求項1〜19のいずれか1項に記載の光学ガラスからなるプレス成形用ガラスゴブ。
- 請求項1〜19のいずれか1項に記載の光学ガラスからなる光学素子。
- 研削、研磨により光学素子に仕上げられる光学素子ブランクの製造方法において、
請求項20に記載のプレス成形用ガラスゴブを加熱、軟化してプレス成形することを特徴とする光学素子ブランクの製造方法。 - 研削、研磨により光学素子に仕上げられる光学素子ブランクの製造方法において、
ガラス原料を熔融し、得られた熔融ガラスをプレス成形し、請求項1〜19のいずれか1項に記載の光学ガラスからなる光学素子ブランクを作製することを特徴とする光学素子ブランクの製造方法。 - 請求項22または23に記載の方法により光学素子ブランクを作製し、該光学素子ブランクを研削、研磨することを特徴とする光学素子の製造方法。
- 請求項20に記載のプレス成形用ガラスゴブを加熱し、精密プレス成形する光学素子の製造方法。
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