JP2687569B2 - 光学ガラスのイオン交換処理方法 - Google Patents
光学ガラスのイオン交換処理方法Info
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- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C21/00—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、屈折率分布を有する光学ガラス材料、特に
光軸方向に屈折率分布を有するレンズ用の光学ガラス材
料の製造方法に関する。
光軸方向に屈折率分布を有するレンズ用の光学ガラス材
料の製造方法に関する。
［従来の技術］ 通常、光学ガラスは均一な屈折率を有することが要求
される。しかし、近年になって制御されたプロフィール
の屈折率分布をもつ光学ガラス及びレンズが研究され、
実用化されているものもある。
される。しかし、近年になって制御されたプロフィール
の屈折率分布をもつ光学ガラス及びレンズが研究され、
実用化されているものもある。
屈折率分布を有する光学レンズには、 ・ 半径方向屈折率分布レンズ ・ 光軸方向屈折率分布レンズ ・ 球殻方向屈折率分布レンズ の三種がある。この中の、光軸方向屈折率分布レンズの
一例を第19図に示す。レンズ１の凸球面の頂点1Aから単
調に減少する屈折率分布をつけることにより、凸球面で
発生する球面収差をほぼ完全に補正することができる。
光軸方向屈折率分布の関数形としては、凸面頂点1Aの屈
折率をｎ0、凸面頂点を原点とする光軸に沿った厚さ方
向の長さを、z,kを正の定数として、第19図に示す様に
ｚの距離に於ける屈折率ｎ（ｚ）を、 ｎ（ｚ）＝ｎ0−kz ……（１）式 とすることにより、収差補正の効果は著しく発揮され
る。以下、（１）式の分布を直線状分布と呼ぶ。光学性
能に優れたレンズとするためには、その厚さ方向に直線
状もしくは直線状に近い分布を持つ屈折率分布ガラスを
作り、レンズ加工を行なう必要がある。さらに、第19図
に示す屈折率差Δｎは大きいほどレンズ設計時の自由度
が大きくなり収差補正に役立つため、Δｎはできるだけ
大きく取ることが望ましい。
一例を第19図に示す。レンズ１の凸球面の頂点1Aから単
調に減少する屈折率分布をつけることにより、凸球面で
発生する球面収差をほぼ完全に補正することができる。
光軸方向屈折率分布の関数形としては、凸面頂点1Aの屈
折率をｎ0、凸面頂点を原点とする光軸に沿った厚さ方
向の長さを、z,kを正の定数として、第19図に示す様に
ｚの距離に於ける屈折率ｎ（ｚ）を、 ｎ（ｚ）＝ｎ0−kz ……（１）式 とすることにより、収差補正の効果は著しく発揮され
る。以下、（１）式の分布を直線状分布と呼ぶ。光学性
能に優れたレンズとするためには、その厚さ方向に直線
状もしくは直線状に近い分布を持つ屈折率分布ガラスを
作り、レンズ加工を行なう必要がある。さらに、第19図
に示す屈折率差Δｎは大きいほどレンズ設計時の自由度
が大きくなり収差補正に役立つため、Δｎはできるだけ
大きく取ることが望ましい。
厚さ方向に屈折率分布を有するガラス材料の製造方法
としては、一価の陽イオンを含む平板状のガラス体をKN
O3,NaNO3,TlNO3等の溶融塩中に浸漬させて、Li+、Na+、
Ｋ+、Tl+等のイオンの濃度分布をガラス体中に形成させ
て、濃度分布に対応した屈折率分布を得るイオン交換法
が一般的に用いられている。
としては、一価の陽イオンを含む平板状のガラス体をKN
O3,NaNO3,TlNO3等の溶融塩中に浸漬させて、Li+、Na+、
Ｋ+、Tl+等のイオンの濃度分布をガラス体中に形成させ
て、濃度分布に対応した屈折率分布を得るイオン交換法
が一般的に用いられている。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、一価陽イオンの交換は拡散現象である
ことから、イオン交換法によって得られる屈折率分布は
第19図に示すような直線状とはならず、第20図に示す様
な ・ 上に凸の曲線状分布 ・ 下に凸の曲線状分布 ・ Ｓ字状の分布 のいずれかになることが多い。これらの屈折率分布を有
するガラス材をレンズ加工しても、良好に収差を補正す
ることが困難である。
ことから、イオン交換法によって得られる屈折率分布は
第19図に示すような直線状とはならず、第20図に示す様
な ・ 上に凸の曲線状分布 ・ 下に凸の曲線状分布 ・ Ｓ字状の分布 のいずれかになることが多い。これらの屈折率分布を有
するガラス材をレンズ加工しても、良好に収差を補正す
ることが困難である。
［問題点を解決するための手段］ 本発明者らの研究によると、ガラス体中の一価陽イオ
ン成分の組成と媒体中に含まれる一価陽イオン成分の組
成とが、ある一定の条件を満たす場合には、直線状に極
めて近い分布を持つ厚さ方向に屈折率分布を有するガラ
ス材料を作り形成させることができることが明らかにな
った。
ン成分の組成と媒体中に含まれる一価陽イオン成分の組
成とが、ある一定の条件を満たす場合には、直線状に極
めて近い分布を持つ厚さ方向に屈折率分布を有するガラ
ス材料を作り形成させることができることが明らかにな
った。
ガラス体中の一価陽イオン成分には屈折率を増大させ
る働きをなすものがあり、中でもTl2Oは特にその作用が
大きい。よって、大きな屈折率差を形成させるためには
Tl2Oの濃度分布を形成させるのが最も適した方法であ
る。
る働きをなすものがあり、中でもTl2Oは特にその作用が
大きい。よって、大きな屈折率差を形成させるためには
Tl2Oの濃度分布を形成させるのが最も適した方法であ
る。
Tl2O濃度の分布をイオン交換法によって形成させるに
は、 ・ ガラス体中のTl2O濃度を媒体中のTl+濃度より高く
して、ガラス表面のTl2O濃度を低くする。
は、 ・ ガラス体中のTl2O濃度を媒体中のTl+濃度より高く
して、ガラス表面のTl2O濃度を低くする。
・ ガラス体中のTl2O濃度を媒体中のTl+濃度より低く
して、ガラス表面のTl2O濃度を高くする。
して、ガラス表面のTl2O濃度を高くする。
の二方法がある。多量のTl2Oを含むガラスは不安定とな
るので後者がより適当な方法である。
るので後者がより適当な方法である。
次に、イオン交換処理前のガラス及び媒体が満たすべ
き条件について説明する。
き条件について説明する。
ガラス体中の一価陽イオン成分濃度の総和Ｍ2Ｏは大き
いほど、大きな屈折率差をつけることができる。よっ
て、 8mol％≦Ｍ2Ｏ≦30mol％ ……（２）式 とする。Ｍ2Ｏが80mol％未満であると充分な屈折率差を
取ることができない。また、Ｍ2Ｏが30mol％を越えるガ
ラスは化学的耐久性が悪くなる。
いほど、大きな屈折率差をつけることができる。よっ
て、 8mol％≦Ｍ2Ｏ≦30mol％ ……（２）式 とする。Ｍ2Ｏが80mol％未満であると充分な屈折率差を
取ることができない。また、Ｍ2Ｏが30mol％を越えるガ
ラスは化学的耐久性が悪くなる。
ガラス体にTl2O成分を含有させると、イオン交換処理
によって得られる屈折率差が縮小するので不利である。
しかし、本発明者らの研究によると、Tl2O成分である程
度ガラス体に含ませることによって屈折率分布の直線性
を改善することができる。屈折率分布の直線性を良くす
るためには、ガラス体中にTl2Oを ０≦ＮTl≦0.4 ……（３）式 の範囲で含ませることが極めて有効である。しかし、Ｎ
Tlの値が大きくなると屈折率差が小さくなると共に、比
較的高価なTl2Oの使用量が増加するという問題が生じる
ため、ＮTlは0.3以下であることがより望ましい。
によって得られる屈折率差が縮小するので不利である。
しかし、本発明者らの研究によると、Tl2O成分である程
度ガラス体に含ませることによって屈折率分布の直線性
を改善することができる。屈折率分布の直線性を良くす
るためには、ガラス体中にTl2Oを ０≦ＮTl≦0.4 ……（３）式 の範囲で含ませることが極めて有効である。しかし、Ｎ
Tlの値が大きくなると屈折率差が小さくなると共に、比
較的高価なTl2Oの使用量が増加するという問題が生じる
ため、ＮTlは0.3以下であることがより望ましい。
Tl2O以外の一価陽イオン成分としては、Na2O、Ｋ
2Ｏ、Li2O等を主体とする。なかでもＫ2Ｏ成分を多くす
るとガラス体のTg（ガラス転移温度）が高くなる。従っ
てイオン交換処理温度も高くすることができるためにイ
オン交換処理に要する時間を短くすることができるとい
う利点がある。
2Ｏ、Li2O等を主体とする。なかでもＫ2Ｏ成分を多くす
るとガラス体のTg（ガラス転移温度）が高くなる。従っ
てイオン交換処理温度も高くすることができるためにイ
オン交換処理に要する時間を短くすることができるとい
う利点がある。
一価陽イオン成分以外のガラス構造の骨格を成す成分
については、一般的な珪酸塩、硼酸塩、燐酸塩等を主体
とするものを用いる。
については、一般的な珪酸塩、硼酸塩、燐酸塩等を主体
とするものを用いる。
イオン交換の媒体としては、硝酸塩、硫酸塩、塩化物
等の溶融塩を用いることができるが、中でもガラスの侵
食が少ない硝酸塩（たとえばTlNO3、NaNO3,KNO3の混
塩）が適している。混塩中のTlNO3の割合を多くすると
屈折率差を大きくすることができる。しかし、TlNO3の
割合が多すぎると屈折率分布の直線性が悪化すると共
に、TlNO3の分解反応が著しくなり、問題となる。よっ
て、TlNO3の濃度は、 0.01≦ＭTl≦0.1 ……（５）式 が適当である。ＭTlの価が0.1を越えると上記の問題点
が著しくなる。
等の溶融塩を用いることができるが、中でもガラスの侵
食が少ない硝酸塩（たとえばTlNO3、NaNO3,KNO3の混
塩）が適している。混塩中のTlNO3の割合を多くすると
屈折率差を大きくすることができる。しかし、TlNO3の
割合が多すぎると屈折率分布の直線性が悪化すると共
に、TlNO3の分解反応が著しくなり、問題となる。よっ
て、TlNO3の濃度は、 0.01≦ＭTl≦0.1 ……（５）式 が適当である。ＭTlの価が0.1を越えると上記の問題点
が著しくなる。
硝酸塩の分解反応とガラスの侵食を少なくするために
は、KNO3の割合を大きくする必要があるため、 0.78≦ＭK≦0.99 ……（６）式 とするのが好ましい。またKNO3とTlNO3の混塩にNaNO3を ０≦ＭNa≦0.12 （７）式 の範囲で加えることにより、屈折率分布の直線性を改善
することができる場合もある。
は、KNO3の割合を大きくする必要があるため、 0.78≦ＭK≦0.99 ……（６）式 とするのが好ましい。またKNO3とTlNO3の混塩にNaNO3を ０≦ＭNa≦0.12 （７）式 の範囲で加えることにより、屈折率分布の直線性を改善
することができる場合もある。
［作用］ 上記条件のイオン交換処理を行なった平板状のガラス
中に形成される屈折率分布は、表面から深さ方向に向け
てほぼ直線的である。
中に形成される屈折率分布は、表面から深さ方向に向け
てほぼ直線的である。
［実施例］ 以下、本発明を図面に示した実施例に基づいて詳細に
説明する。
説明する。
第21図に示す様に、容積約1000mlの蓋付きステンレス
製容器３に硝酸塩を入れて、電気炉中で加熱して溶融塩
４とした。この溶融塩４中に、予熱済みの平板状ガラス
（50×60×3mm）５を浸漬させて一定の温度下でイオン
交換処理を行なった。平板状ガラス５はステンレス製の
保持金具により垂直に立てた状態を保った。イオン交換
の終了した平板状ガラス５は溶融塩４より取り出し、徐
冷後水で洗浄した。平板状ガラス５の屈折率分布は以下
の様にして測定した。
製容器３に硝酸塩を入れて、電気炉中で加熱して溶融塩
４とした。この溶融塩４中に、予熱済みの平板状ガラス
（50×60×3mm）５を浸漬させて一定の温度下でイオン
交換処理を行なった。平板状ガラス５はステンレス製の
保持金具により垂直に立てた状態を保った。イオン交換
の終了した平板状ガラス５は溶融塩４より取り出し、徐
冷後水で洗浄した。平板状ガラス５の屈折率分布は以下
の様にして測定した。
・ 平板状ガラスを大きさ５×5mmの小片（20個程度）
に切断する ・ 各小片の表面（片側）を、それぞれ異なった厚さ
（たとえば０μｍ、20μｍ、40μｍ……）だけ削る ・ 削った表面を研磨し、屈折率計で屈折率（λ＝587.
6nm）を測定する 実施例 実施例１〜実施例16について、平板状ガラス体のイオ
ン交換処理前の組成とＮTlの値を第１表に示す。また、 ・ 溶融塩の組成 ・ イオン交換時の温度 ・ イオン交換処理時間 ・ ガラス体のイオン交換処理前の屈折率ｎd ・ イオン交換処理後の屈折率差Δｎ をそれぞれ第２表に示す。（第22図参照）イオン交換処
理後の屈折率分布は第１図〜第16図にそれぞれ示す様に
直線状に近く、光軸方向屈折率分布レンズ用のガラス材
料として用いることができる。
に切断する ・ 各小片の表面（片側）を、それぞれ異なった厚さ
（たとえば０μｍ、20μｍ、40μｍ……）だけ削る ・ 削った表面を研磨し、屈折率計で屈折率（λ＝587.
6nm）を測定する 実施例 実施例１〜実施例16について、平板状ガラス体のイオ
ン交換処理前の組成とＮTlの値を第１表に示す。また、 ・ 溶融塩の組成 ・ イオン交換時の温度 ・ イオン交換処理時間 ・ ガラス体のイオン交換処理前の屈折率ｎd ・ イオン交換処理後の屈折率差Δｎ をそれぞれ第２表に示す。（第22図参照）イオン交換処
理後の屈折率分布は第１図〜第16図にそれぞれ示す様に
直線状に近く、光軸方向屈折率分布レンズ用のガラス材
料として用いることができる。
比較例 比較例１および比較例２について、平板状ガラス体の
イオン交換処理前の組成とイオン交換条件を第１表、第
２表に示す。比較例１および比較例２は、それぞれ実施
例13と実施例10と同じガラス組成を有するが、媒体中の
ＭTlが本発明の範囲から外れている。すなわち、両比較
例は共にＭTlの価が0.12であり、本発明における条件 0.01≦ＭTl≦0.1 を満たしていない。
イオン交換処理前の組成とイオン交換条件を第１表、第
２表に示す。比較例１および比較例２は、それぞれ実施
例13と実施例10と同じガラス組成を有するが、媒体中の
ＭTlが本発明の範囲から外れている。すなわち、両比較
例は共にＭTlの価が0.12であり、本発明における条件 0.01≦ＭTl≦0.1 を満たしていない。
比較例１および比較例２の屈折率分布を第17図、第18図
にそれぞれ示す。屈折率分布は直線状から大きくはずれ
ているため、光軸方向屈折率分布レンズ用のガラス材料
として不適当である。
にそれぞれ示す。屈折率分布は直線状から大きくはずれ
ているため、光軸方向屈折率分布レンズ用のガラス材料
として不適当である。
［発明の効果］ 本発明によれば、イオン交換処理によって良好な直線
状分布を有する光軸方向屈折率分布材を製作することが
できる。よって、本発明は光学性能に優れた光軸方向屈
折率分布レンズの製造に大きく貢献するものである。
状分布を有する光軸方向屈折率分布材を製作することが
できる。よって、本発明は光学性能に優れた光軸方向屈
折率分布レンズの製造に大きく貢献するものである。
第１図〜第16図は本発明実施例１〜実施例16における屈
折率分布を示す図、第17図と第18図は本発明外の比較例
１と比較例２における屈折率分布を示す図、第19図は光
軸方向屈折率分布レンズの一例を説明する図、第20図は
光軸方向屈折率分布レンズ用のガラス材料としては不適
当な屈折率分布を示す図、第21図はイオン交換処理装置
を説明する図、第22図は第２表におけるｎd，Δｎを説
明する図である。第１図〜第18図における光の波長は58
7.6nmである。 １……光軸方向屈折率分布レンズ ２……電気炉 ３……容器 ４……溶融塩 ５……平板状ガラス体
折率分布を示す図、第17図と第18図は本発明外の比較例
１と比較例２における屈折率分布を示す図、第19図は光
軸方向屈折率分布レンズの一例を説明する図、第20図は
光軸方向屈折率分布レンズ用のガラス材料としては不適
当な屈折率分布を示す図、第21図はイオン交換処理装置
を説明する図、第22図は第２表におけるｎd，Δｎを説
明する図である。第１図〜第18図における光の波長は58
7.6nmである。 １……光軸方向屈折率分布レンズ ２……電気炉 ３……容器 ４……溶融塩 ５……平板状ガラス体
フロントページの続き (72)発明者 遠山 実 大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11 号 日本板硝子株式会社内 (72)発明者 赤沢 旭 大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11 号 日本板硝子株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−201042（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】光軸方向に屈折率分布を有するレンズ用の
ガラス材料を製造する方法において、少なくとも一種類
の一価の陽イオン成分を含む平板状ガラス体を、少なく
ともT1イオンとＫイオンを含む媒体と接触させてイオン
交換を行うときに、以下の条件を満足することを特徴と
する光軸方向屈折率分布レンズ用の光学ガラス材料の製
造方法。 8mol％≦Ｍ2Ｏ≦30mol％ ０≦ＮTl≦0.4 0.01≦ＭTl≦0.1 （ただし、Ｍ2Ｏはイオン交換処理前のガラス体組成中
に含まれる一価の陽イオン成分の総和を表し、ＮTlはＭ
2Ｏの中で、Tl2Ｏの占める割合を表す。また、ＭTlは上
記媒体中に含まれる一価の陽イオンＭ+の総和をＭTOTAL
として、ＭMOTALの中で表し、Tl+が占める割合を表
す。） - 【請求項２】請求項第１項に記載の光軸方向屈折率分布
レンズ用の光学ガラス材料の製造方法において、さらに
以下の条件を満足する光軸方向屈折率分布レンズ用の光
学ガラス材料の製造方法。 ０≦ＮTl≦0.3 0.78≦ＭK≦0.99 ０≦ＭNa≦0.12 （ただし、ＭK、ＭNaは、 ＭK:MTOTALの中で、Ｋ+が占める割合 ＭNa:MTOTALの中で、Na+が占める割合をそれぞれ表
す。）
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1092152A JP2687569B2 (ja) | 1989-04-12 | 1989-04-12 | 光学ガラスのイオン交換処理方法 |
| DE19904011969 DE4011969C2 (de) | 1989-04-12 | 1990-04-12 | Verfahren zum Ionenaustausch optischer Gläser |
| FR9004745A FR2645849B1 (fr) | 1989-04-12 | 1990-04-12 | Procede pour conduire l'echange d'ion du verre optique |
| US07/744,830 US5139557A (en) | 1989-04-12 | 1991-08-13 | Method of performing an ion exchange of optical glass |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1092152A JP2687569B2 (ja) | 1989-04-12 | 1989-04-12 | 光学ガラスのイオン交換処理方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02271936A JPH02271936A (ja) | 1990-11-06 |
| JP2687569B2 true JP2687569B2 (ja) | 1997-12-08 |
Family
ID=14046450
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1092152A Expired - Fee Related JP2687569B2 (ja) | 1989-04-12 | 1989-04-12 | 光学ガラスのイオン交換処理方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2687569B2 (ja) |
| DE (1) | DE4011969C2 (ja) |
| FR (1) | FR2645849B1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| JP2002311212A (ja) * | 2001-04-13 | 2002-10-23 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | 光軸方向屈折率分布型レンズの加工方法、同方法で作製した光軸方向屈折率分布型レンズ、及び同レンズを用いたコリメータ |
| JP2004292215A (ja) * | 2003-03-26 | 2004-10-21 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | 光学ガラスおよび、該光学ガラスを用いた光学素子および、該光学素子を用いた光学機器 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4922898B1 (ja) * | 1969-03-17 | 1974-06-12 | ||
| JPS57188431A (en) * | 1981-05-12 | 1982-11-19 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Optical glass containing thallium |
| JPS638239A (ja) * | 1986-06-25 | 1988-01-14 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | 発散性光伝送体の製造方法 |
| JPH0791090B2 (ja) * | 1986-12-05 | 1995-10-04 | 日本板硝子株式会社 | ガラス体のイオン交換処理方法 |
| JPS63201042A (ja) * | 1987-02-17 | 1988-08-19 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | イオン交換による光学素子の製造方法 |
| JP2547434B2 (ja) * | 1988-03-07 | 1996-10-23 | 日本板硝子株式会社 | 屈折率分布ガラス体の製造方法 |
-
1989
- 1989-04-12 JP JP1092152A patent/JP2687569B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1990
- 1990-04-12 FR FR9004745A patent/FR2645849B1/fr not_active Expired - Lifetime
- 1990-04-12 DE DE19904011969 patent/DE4011969C2/de not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02271936A (ja) | 1990-11-06 |
| FR2645849B1 (fr) | 1993-05-28 |
| DE4011969A1 (de) | 1990-10-18 |
| FR2645849A1 (fr) | 1990-10-19 |
| DE4011969C2 (de) | 2001-10-31 |
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