JP2014043390A - 光学ガラス、それを用いたガラスプリフォーム、光学部品、及び光学機器 - Google Patents

光学ガラス、それを用いたガラスプリフォーム、光学部品、及び光学機器 Download PDF

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Abstract

【課題】高い屈折率と低い分散性のある精密モールドプレス用光学ガラス、当該光学ガラスから構成されるガラスプリフォーム、光学部品、及び光学機器を提供する。
【解決手段】本発明の精密モールドプレス用光学ガラスは、その重量パーセントの構成にはSiOを1〜10%、Bを10〜25%、Laを15〜35%、Gdを10〜35%、ZnOを1〜20%を含み、さらに、LaF、GdFおよびYFの中の少なくとも1種を含有する。その屈折率は1.75〜1.82で、アッベ数は45〜52である。
【選択図】なし

Description

本発明は、光学ガラス、当該光学ガラスを用いたガラスプリフォーム、光学部品、及び光学機器に関する。
ここ数年来、各種のオプトエレクトロニクス機器が日増しに小型化、高性能と多機能化が追求されていることに従い、光学系で使用するレンズなどの光学部品も小型化・軽量化が要求されている。非球面光学素子によって球面収差を除去すれば光学部品の数量を削減できるので、光学設計で、非球面光学素子を利用することは既に主流になっている。
非球面成型においてよく利用する方法は、精密モールドプレス成型である。精密モールドプレス成型では、製品の形が予め形成された高精密鋳型を使用し、一定の温度と圧力の下でガラスプリフォームを成型することにより、所望の光学機能面を持つ最終的な形状のガラス製品を得る。
特開2002−128539号公報
精密モールドプレス成型技術を利用して製造される非球面レンズは、通常再び研磨し光沢加工を行う必要はないため、コスト削減と生産性向上に効果がある。
しかし、精密モールドプレス成型を行うに際して、高精密のモールド表面をガラスの成型品に転写するために、高温の下でガラスプリフォームを加圧し成型しなければならない。成型鋳型は高温の中に暴露され、しかも高い圧力が与えられるため、たとえ保護雰囲気の中であったとしても、鋳型の表面は依然として酸化しやすい。
精密モールドプレス成型の過程で高価で高精度の鋳型を頻繁に替えるとなると、低コストと高生産効率の目的を実現できなくなる。鋳型の実用寿命を延長し、高温環境による成型鋳型の損傷を軽減するため、できる限りモールドプレスを行う際の温度を低下させなければならない。そのため、できるだけ低い転移温度(Tg)を持つ光学ガラスを開発することは、光学材料の開発者らの目標になった。
以上要するに、光学ガラス業界で、光学設計の有効性の観点から見ると、高い屈折率、低い分散性、低い転移温度を持つ、精密モールドプレス成型に適した光学ガラスが大変必要になる。
特許文献1(特開2002−128539号公報)に高い屈折率と低い分散性がある光学ガラスは公開されているが、当該ガラスにはZnOもしくはFなど効果的にガラス化の転移温度を低下させる成分が含有されていない。また、それらの成分の含有量が少量であるため、当該ガラスのガラス化の転移温度(Tg)は高く、モールドプレス成型に適しない。
本発明は、高い屈折率と低い分散性を有する精密モールドプレス用光学ガラス、当該光学ガラスから構成されるガラスプリフォーム、光学部品、及び光学機器を提供することを課題としている。
本発明の光学ガラスは、
屈折率は1.75〜1.82で、
アッベ数は45〜52で、
必須成分として、重量パーセントで、SiOを1〜10%、Bを10〜25%、Laを15〜35%、Gdを10〜35%、ZnOを1〜20%含有し、
さらに、LaF、GdFおよびYFからなる群の中の少なくとも1種を含有する
ことを特徴とする。
上述の光学ガラスは、
成分の構成として、重量パーセントで、SiOを1〜10%、Bを10〜25%、Laを15〜35%、Gdを10〜35%、LaFを0〜15%、GdFを0〜12%、YFを1〜10%、Taを0〜10%、ZnOを1〜20%、ZrOを0〜10%、LiOを0〜5%、Sbを0〜1%含有した
ことを特徴としてもよい。
本発明の光学ガラスは、
成分の構成として、重量パーセントで、SiOを1〜10%、Bを10〜25%、Laを15〜35%、Gdを10〜35%、LaFを0〜15%、GdFを0〜12%、YFを1〜10%、Taを0〜10%、ZnOを1〜20%、ZrOを0〜10%、LiOを0〜5%、Sbを0〜1%含有した
ことを特徴とする。
さらに、上述の光学ガラスは、
重量パーセントで、SiOは4〜10%である
ことを特徴としてもよい。
また、上述の光学ガラスは、
重量パーセントで、Laは20〜30%、Gdは15〜30%である
ことを特徴としてもよい。
さらに、上述の光学ガラスは、
重量パーセントで、Bは12〜22%である
ことを特徴としてもよい。
また、上述の精密モールドプレス用光学ガラスは、
重量パーセントで、Taを1〜5%、ZrOを1〜5%含有する
ことを特徴としてもよい。
さらに、上述の光学ガラスは、
重量パーセントで、LaFを5〜13%含有する
ことを特徴としてもよい。
また、上述の光学ガラスは、
重量パーセントで、(LaF+GdF+YF)は5〜27%である
ことを特徴としてもよい。
さらに、上述の光学ガラスは、
重量パーセントで、YFを3〜8%含有する
ことを特徴としてもよい。
また、上述の光学ガラスは、
重量パーセントで、ZnOは3〜12%である
ことを特徴としてもよい。
さらに、上述の光学ガラスは、
重量パーセントで、LiOを0.5〜3%含有する
ことを特徴としてもよい。
また、上述の光学ガラスは、
LiOおよびZnOの少なくとも一方と、Fを含む成分と、が含有されており、
(LiO+ZnO)/Fが0.5〜4であること
を特徴としてもよい。
さらにまた、上述の光学ガラスは、
ガラスの転移温度が590℃以下である
ことを特徴としてもよい。
本発明のガラスプリフォームは、
上述の光学ガラスを用いたことを特徴とする。
また、本発明の光学部品は、
上述の光学ガラスを用いたことを特徴とする。
さらにまた、本発明の光学機器は、
上述の光学ガラスを用いたことを特徴とする。
本発明の有利な効果は下記の通りである。
希土類元素と結合する形でFを導入することにより、本発明が要求する低い分散性に達すると同時に、ガラスの均一性と一貫性を向上させる効果がある。合理的にLiO、ZnOおよびFの組合せの割合を設計することで効果的に本発明のガラスの安定性と、ガラスの品質のレベルを向上させ、本発明のガラスの転移温度を低下させ、モールドプレス成型に役立つ効果がある。本発明は合理的な成分を設計することで屈折率が1.75〜1.82、アッベ数が45〜52、ガラスの転移温度が590℃以下、密度が5.2以下且つ化学安定性Dが1級に達する精密モールドプレス用光学ガラスを得ることができる。
以下本発明の光学ガラスのそれぞれの成分を説明するが、別に説明がない限り、それぞれの成分含有量の比率は重量パーセントで表示する。
SiOは、ガラスを形成する網目形成体酸化物で、一定量のSiOを加入することでガラスの高温粘度を増大し、ガラスの耐失透性を向上させる効果がある。SiOは、本発明の光学ガラスの必須成分である。その含有量が1%より低いと、効果は十分ではないが、その含有量が10%より高いと、ガラスの溶融性は悪化し、泡は取り除きにくい。そのため、SiOの含有量を1〜10%に限定する。より好ましい含有量は4〜10%、最適な含有量は6〜9%である。
も、ガラスを形成する網目形成体酸化物で、特に高い屈折率と低い分散性を持つランタン系光学ガラスの中で、Bは、安定したガラスを得るための主な成分である。Bは、本発明の光学ガラスの必須成分である。B含有量が10%より低いと、性質が安定的なガラスを得にくく、耐失透性が理想的ではない。しかし、B含有量が25%より高いと、ガラスの屈折率が設計目標に達することができない上、ガラスの化学安定性も降下する。そのため、Bの含有量を10〜25%に限定する。より好ましい含有量は12〜22%、最適な含有量は15〜20%である。
Laは、高い屈折率と低い分散性を持つ光学ガラスの主な成分で、ガラスの屈折率を増大するが、明らかにガラスの分散性を高めない。Laは、本発明の光学ガラスの必須成分である。本発明の構成において、BとLaとが共に存在することにより、有効にガラスの耐失透性と、ガラスの化学安定性を向上させることができる。Laの含有量が15%より低いと、以上の効果はないが、その含有量が35%を上回ると、ガラスの結晶性能は悪化する。そのため、その含有量を15〜35%に限定する。より好ましい含有量は20〜30%、最適な含有量は20〜28%である。
Gdは、ガラスの屈折率を増大するが、明らかにガラスの分散性を高めない。ガラスの耐失透性と、ガラスの化学安定性を向上させる効果がある。Gdは、本発明の光学ガラスの必須成分である。一定量のGdとLaを混合して溶かすことで、ガラスの耐失透性を向上させる効果がある。Gd含有量が10%より低いと、その効果は明らかではないが、含有量が35%を上回ると、かえってガラスの耐失透性を悪化する。このため、Gdの含有量を10〜35%に限定する。より好ましい含有量は15〜30%、最適な含有量は20〜27%である。
は、LaF、GdF、YFなどの希土類フッ化物の形で取り入れられる。Fは、本発明の光学ガラスの必須成分であり、LaF、GdFおよびYFのうちの少なくとも一つが本発明の光学ガラスに含まれる。LaFとGdFとは有効にガラスの光学定数を調節することができるが、その含有量が高すぎると製造が難しくなり、耐失透性が減少する。このため、LaFの好ましい含有量は0〜15%、GdFの好ましい含有量は0〜12%である。YFはガラスの中で効果的にガラスの光学定数を調節することができ、LaF、GdF3に比べて、YFはコストが低い。しかも本発明が必要とするFを最も安定的に取り入れることができるという利点がある。しかし、その含有量が低すぎると上述の効果はなく、含有量が高すぎるとガラスの耐失透性に悪い影響を与える。そのため、YF含有量の範囲は1〜10%で、好ましい範囲は3〜8%である。その上、本発明者らは多数の実験を通じて、LaF+GdF+YFの合計含有量が5〜27%であると、有利な効果は更に明らかで、より好ましい合計含有量の範囲は7〜24%、最適な合計含有量は8〜15%であることを発見した。
本発明において、好ましいF含有量の範囲は2〜7%である。F含有量が2%より低いと、低い分散性には達しにくい。その含有量が7%より高いと、ガラス成形の難度は増大し、成型されたガラスの塊にストライプが生じやすいうえ、ガラスの均一性と一貫性に悪い影響を与える。なお、F含有量は、Fを含むフッ化物の重量に、原子量から計算された、フッ化物の質量に占めるFの質量の割合を乗じることにより計算される。
ZrOは、ガラスの粘着度、硬度および化学安定性を向上させ、さらに、ガラスの熱膨張係数を低減することに効果がある。ZrOは、本発明の光学ガラスの任意成分である。ZrOの含有量が10%を上回ると、ガラスが溶けにくく、失透しやすい上、ガラスの化学安定性は悪化する。そのため、ZrOの好ましい含有量は0〜10%、より好ましい含有量は1〜5%である。
Taは、光学ガラスの高い屈折率と低い分散性の特性を与える成分で、効果的にガラスの安定性を向上させることができる。Taは、本発明の光学ガラスの任意成分である。Taの含有量が高くなると、ガラスのコストは増加する。そのため、Taの好ましい含有量は0〜10%、より好ましい含有量は1〜5%である。
ZnOは、ガラスの転移温度を低下させる効果がある。ZnOは、本発明の光学ガラスの必須成分である。本発明者らは、本発明の構成において、適量にZnOを取り入れることにより、ガラスの耐失透性を向上させること、高い屈折率と低い分散性の成分La、Gdの取り入れ量を増加すること、そのうえ必要な光学定数に達しつつガラスの溶融温度を低下させることができる優れた効果がある。しかし、その含有量が1%以下だと、発明の効果はないが、もしその含有量が20%を上回るならば、ガラスの耐失透性と化学安定性は悪化する。そのため、ZnOの好ましい含有量は1〜20%、より好ましい含有量は3〜12%であることを、発明者は見出した。
RO成分は、効果的にガラスの光学定数を調整することができる。RO成分は、本発明の光学ガラスの任意成分である。その中、RO成分は、BaO、CaOとSrOの中の1種あるいは多種である。そのため、ROの好ましい含有量を8%以下に限定し、より好ましい含有量は5%で、最適なのはR0を含有しないものである。
LiOは、効果的にガラスの転移温度とガラス製造時の溶解温度を低下させることができると同時に、ガラスの密度を低下させる有利な効果がある。LiO成分は、本発明の光学ガラスの任意成分である。しかし、その含有量が0.3%以下であると、効果は明らかではない。一方、含有量が高すぎるとガラスの耐失透性を悪化させ、光学定数は目標に達しにくい。そのため、LiOの好ましい含有量は0〜5%、より好ましい含有量は0.5〜3%である。
本発明者らは積極的な研究を通じて、Li0、ZnOおよびFのよりよい組み合わせにより、
高い屈折率と低い分散性という目標光学定数に達すること、
効果的にガラスの転移温度を低下させることができるだけではなく、大いにガラスの化学安定性を改善すること、
ガラスの溶解温度を低下させること、さらに、
効果的にFの揮発を削減させることができ、それによって高い品質のガラス材料を得られること
を見出した。
(Li0+ZnO)/Fの値は0.5〜4であると上述の発明効果を得ることができる。より好ましい比率は1.5〜3、最適な比率は1.8〜2.5である。
必要に応じ、ガラス溶解の際にガラスの清澄剤としてSbを加えることができる。その含有量は、普通は0〜1%で、含有量が高すぎると極めて大きく白金の器皿を損傷する。
以下本発明の精密モールドプレス用光学ガラスの性能を説明する。
その中、屈折率(nd)の値は、(−2℃/h)〜(−6℃/h)でアニールした値で、屈折率とアッベ数は「GB/T 7962.1―1987 無色光学ガラステスト法 屈折率と分散係数」によってテストされる。
転移温度(Tg)は、「GB/T 7962.16−1987無色光学ガラステスト法 線膨張係数、転移温度と緩み温度」によってテストする。すなわち、一定の温度範囲内に、温度は1℃上昇するごとに、テストされる見本の膨張カーブの上に、低温区域と高温区域の直線部分を延長し交差させ、その交点が対応する温度は転移温度である。
密度は「GB/T 7962.20−1987無色光学ガラステスト法 密度のテスト法」によってテストする。
耐水効果安定性D(粉末法)は、GB/T 17129のテスト法に基づいて、下記の計算式によって計算する。
=(B−C)/(B−A)*100
計算式の中で、
は、ガラスの浸出パーセント(%)
Bは、フィルタとテスト・サンプルの質量(g)
Cは、フィルタと浸食後のテスト・サンプルの質量(g)
Aは、フィルタの質量(g)
である。
計算で得た浸出パーセントによって、光学ガラスの耐水効果安定性Dを、下表のように、6種類に分ける。
Figure 2014043390
光学ガラスの短波透過スペクトル特性は着色度(λ80/λ)で表示する。サンプルの厚さは10mm±0.1mmである。λ80とはガラスの透過率が80%に達する際の波長で、λとはガラスの透過率が5%に達する際の波長である。そして、波長は10nmを単位に表示する。
以下本発明の精密モールドプレス用光学ガラスの実施例を説明する。注意する必要があるのは、これらの実施例は本発明の保護範囲を制限していない。
表2〜表4の中で示す光学ガラス(実施例1〜30)は、表2〜表4に示した各実施例の比率によって重量を量って、光学ガラス用の一般的な原料、例えば酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩およびフッ化物を混合して製造されたガラスである。これらの原料は、混合されてから、白金坩堝に入れられて、1100−1300℃の温度内で2−5時間溶解されて、清澄と均質化のための攪拌を行った後で、溶けたものを鋳型の内で成型され、そしてアニールされる。
本発明の実施例(1〜30)の構成と屈折率(nd)、アッベ数(vd)、ガラスの転移温度(Tg)、密度(ρ)、耐水効果安定性(D)および着色度(λ80/λ)の結果を表2〜表4の中で表示している。これら表の中で、それぞれ成分の構成は、重量パーセントで表示する。空白は0(ゼロ)%を意味する。
Figure 2014043390
Figure 2014043390
Figure 2014043390
上述の実施例から見ると、本発明の実施例が提供する光学ガラスの屈折率は1.75〜1.82、アッベ数は45〜52、Tgは590℃以下、密度は5.2以下で、化学安定性Dは1級まで達し、精密モールドプレスに適用できることが分かった。

Claims (17)

  1. 屈折率は1.75〜1.82で、
    アッベ数は45〜52で、
    必須成分として、重量パーセントで、SiOを1〜10%、Bを10〜25%、Laを15〜35%、Gdを10〜35%、ZnOを1〜20%含有し、
    さらに、LaF、GdFおよびYFからなる群の中の少なくとも1種を含有する
    ことを特徴とする光学ガラス。
  2. 請求項1に記載した光学ガラスであって、
    成分の構成として、重量パーセントで、SiOを1〜10%、Bを10〜25%、Laを15〜35%、Gdを10〜35%、LaFを0〜15%、GdFを0〜12%、YFを1〜10%、Taを0〜10%、ZnOを1〜20%、ZrOを0〜10%、LiOを0〜5%、Sbを0〜1%含有した
    ことを特徴とする光学ガラス。
  3. 成分の構成として、重量パーセントで、SiOを1〜10%、Bを10〜25%、Laを15〜35%、Gdを10〜35%、LaFを0〜15%、GdFを0〜12%、YFを1〜10%、Taを0〜10%、ZnOを1〜20%、ZrOを0〜10%、LiOを0〜5%、Sbを0〜1%含有した
    ことを特徴とする光学ガラス。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラスであって、
    重量パーセントで、SiOは4〜10%である
    ことを特徴とする光学ガラス。
  5. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラスであって、
    重量パーセントで、Laは20〜30%、Gdは15〜30%である
    ことを特徴とする光学ガラス。
  6. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラスであって、
    重量パーセントで、Bは12〜22%である
    ことを特徴とする光学ガラス。
  7. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラスであって、
    重量パーセントで、Taを1〜5%、ZrOを1〜5%含有する
    ことを特徴とする光学ガラス。
  8. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラスであって、
    重量パーセントで、LaFを5〜13%含有する
    ことを特徴とする光学ガラス。
  9. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラスであって、
    重量パーセントで、(LaF+GdF+YF)は5〜27%である
    ことを特徴とする光学ガラス。
  10. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラスであって、
    重量パーセントで、YFを3〜8%含有する
    ことを特徴とする光学ガラス。
  11. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラスであって、
    重量パーセントで、ZnOは3〜12%である
    ことを特徴とする光学ガラス。
  12. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラスであって、
    重量パーセントで、LiOを0.5〜3%含有する
    ことを特徴とする光学ガラス。
  13. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラスであって、
    LiOおよびZnOの少なくとも一方と、Fを含む成分と、が含有されており、
    (LiO+ZnO)/Fが0.5〜4であること
    を特徴とする光学ガラス。
  14. 請求項1〜13のいずれか1項に記載の光学ガラスであって、
    ガラスの転移温度が590℃以下である
    ことを特徴とする光学ガラス。
  15. 請求項1〜14のいずれか1項に記載の光学ガラスを用いたことを特徴とするガラスプリフォーム。
  16. 請求項1〜14のいずれか1項に記載の光学ガラスを用いたことを特徴とする光学部品。
  17. 請求項1〜14のいずれか1項に記載の光学ガラスを用いたことを特徴とする光学機器。
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