JP4124749B2 - 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、光学素子およびその製造方法 - Google Patents
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、光学素子およびその製造方法 Download PDFInfo
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Description
形状精度の高いガラス製光学素子を高い生産性のもとに供給する方法として、精密プレス成形法が知られているが、TaSF17やNbSF32といった従来のガラスはいずれもガラス転移温度が高く、精密プレス成形には適さない。
また、本発明は、上記第1の目的を達成する光学ガラス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を提供することを第2および第3の目的とする。
さらに本発明は、上記第1の目的を達成する光学ガラスよりなる光学素子およびその製造方法を提供することを第4および第5の目的とする。
(1)モル%表示で、
B2O3 15〜45%、
La2O3 5〜20%、
Gd2O3 1〜20%、
ZnO 10〜45%、
WO3 0〜15%、
Ta2O5 0〜10%、
Nb2O5 0〜10%、
TiO2 0〜20%、
SiO2 0〜20%、
Li2O 0〜15%、
Na2O 0〜10%、
K2O 0〜10%、
MgO 0〜10%、
CaO 0〜10%、
SrO 0〜10%、
BaO 0〜10%、
Y2O3 0〜8%、
Yb2O3 0〜8%
(ただし、La2O3、Gd2O3、Y2O3およびYb2O3の合計量が10〜30%)、
ZrO2 0〜10%、
Bi2O3 0〜10%、
Sb2O3 0〜1%
を含み、屈折率(nd)が1.86超、アッベ数(νd)が35未満かつガラス転移温度(Tg)が630℃以下であることを特徴とする光学ガラス、
(2)モル%表示で、WO 3 1〜15%およびTiO 2 1〜20%を含む、上記(1)に記載の光学ガラス、
(3)モル%表示で、La 2 O 3 6〜19%およびGd 2 O 3 1〜18%を含む上記(1)または(2)に記載の光学ガラス、
(4)モル%表示で、B 2 O 3 18〜43%、La 2 O 3 6〜19%、Gd 2 O 3 1〜18%およびZnO 12〜43%を含む上記(1)〜(3)のいずれかに記載の光学ガラス、
(5)モル%表示で、B 2 O 3 20〜40%、La 2 O 3 7〜18%、Gd 2 O 3 1〜16%およびZnO 15〜40%を含む上記(1)〜(4)のいずれかに記載の光学ガラス、
(6)WO 3 、Ta 2 O 5 、Nb 2 O 5 、TiO 2 の合計量が10重量%超である上記(1)〜(5)のいずれかに記載の光学ガラス、
(7)B 2 O 3 とSiO 2 の合計量に対するB 2 O 3 の量のモル比(B 2 O 3 /(B 2 O 3 +SiO 2 ))が0.80〜1.00である上記(1)〜(6)のいずれかに記載の光学ガラス、
(8)上記(1)〜(7)のいずれかに記載の光学ガラスよりなることを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム、
(9)パイプより流出する熔融ガラスから所定重量の熔融ガラス塊を分離し、前記ガラス塊を成形して上記(1)〜(7)のいずれかに記載の光学ガラスよりなるプリフォームを作製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、
(10)熔融ガラスからガラスブロックを成形し、前記ガラスブロックを加工して上記(1)〜(7)のいずれかに記載の光学ガラスよりなるプリフォームを作製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、
(11)上記(1)〜(7)のいずれかに記載の光学ガラスよりなることを特徴とする光学素子、
(12)上記(8)に記載のプリフォームを加熱し、精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法、
(13)上記(9)または(10)に記載の方法により作製されたプリフォームを加熱し、精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法、
(14)プレス成形型とプリフォームを一緒に加熱し、前記成形型によりプリフォームを精密プレス成形することを特徴とする上記(12)または(13)に記載の光学素子の製造方法、および
(15)予熱されたプレス成形型に、前記成形型と別に予熱されたプリフォームを導入して精密プレス成形することを特徴とする上記(12)または(13)に記載の光学素子の製造方法
を提供するものである。
本発明の光学ガラスは、3つの態様の光学ガラスからなり、第1の態様の光学ガラスは、必須成分としてB2O3、La2O3、Gd2O3、ZnOを含み、屈折率(nd)が1.86超、アッベ数(νd)が35未満かつガラス転移温度(Tg)が630℃以下であることを特徴とする。
第1の態様のガラスは上記必須成分を含むことにより、屈折率(nd)が1.86超、好ましくは1.861以上、アッベ数(νd)が35未満、好ましくは25〜35未満という光学特性を有し、かつ高いガラス安定性、精密プレス成形に好適なガラス転移温度(Tg)が630℃以下、好ましくは620℃以下、より好ましくは600℃未満という低温軟化性を有している。
第2の態様の光学ガラスは、上記第1の態様の光学ガラスに含まれるものであって、モル%表示で、
B2O3 15〜45%、
La2O3 5〜20%、
Gd2O3 1〜20%、
ZnO 10〜45%、
WO3 0〜15%、
Ta2O5 0〜10%、
Nb2O5 0〜10%、
TiO2 0〜20%、
SiO2 0〜20%、
Li2O 0〜15%、
Na2O 0〜10%、
K2O 0〜10%、
MgO 0〜10%、
CaO 0〜10%、
SrO 0〜10%、
BaO 0〜10%、
Y2O3 0〜8%、
Yb2O3 0〜8%
(ただし、La2O3、Gd2O3、Y2O3およびYb2O3の合計量が10〜30%)、
ZrO2 0〜10%、
Bi2O3 0〜10%、
Sb2O3 0〜1%
を含み、屈折率(nd)が1.86超、アッベ数(νd)が35未満かつガラス転移温度(Tg)が630℃以下である光学ガラスである。
B2O3はネットワーク形成のための必須成分であるが、過剰導入によって屈折率(nd)が低下するため15〜45%導入する。その導入量は、18〜43%が好ましく、20〜40%が特に好ましい。
Gd2O3も高屈折率、低分散特性を付与するための必須成分であるが、過剰導入によりガラス安定性が低下するので1〜20%導入する。先にも説明したようにGd2O3はLa2O3と共存することにより単独で導入したときよりもガラス安定性を向上できるという効果がある。その導入量は、1〜18%が好ましく、1〜16%が特に好ましい。
WO3は屈折率、ガラス安定性を向上させて液相温度を低下させる働きをする。ただし、過剰導入によりガラス安定性が低下するとともにガラスが着色する。したがって、WO3の導入量は0〜15%であり、好ましくは1〜15%、特に好ましくは2〜13%とする。
Nb2O5も屈折率を高める成分であるが過剰導入により、ガラス安定性が低下し、液相温度が上昇するので0〜10%導入する。その導入量は、0〜8%が好ましく、0〜7%が特に好ましい。
なお、屈折率を高める上から、WO3、Ta2O5、Nb2O5、TiO2の合計量を好ましくは10重量%超、より好ましくは11重量%以上、特に好ましくは12重量%以上とする。
なお、アッベ数(νd)35未満の範囲でガラスに求められる諸条件を満たしつつより一層の高屈折率化を図るためには、B2O3とSiO2の合計量に対するB2O3の量のモル比(B2O3/(B2O3+SiO2))を0.80〜1.00とすることが好ましく、0.82〜1.00とすることが特に好ましい。
Na2O、K2Oは熔融性を改善させる働きがあるが、過剰導入により屈折率やガラス安定性が低下するため、それぞれの導入量を0〜10%とする。導入量は、好ましくは0〜8%、特に好ましくは0〜6%である。
BaOは屈折率を高める働きをするが過剰導入により、ガラス安定性が低下するため、その導入量を0〜10%とする。導入量は0〜8%が好ましく、0〜6%が特に好ましい。
なお、高屈折率を付与しつつガラス安定性を損なわないようにする上から、ガラス中の希土類酸化物の合計量を10〜30モル%とすることが好ましい。ただし、Lu2O3は高価な成分なので、使用しないことが好ましい。なお、La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3の合計量は所要の光学恒数と安定性を付与する上から10〜30%とするが、11〜28%が好ましく、12〜24%が特に好ましい。
なお、ガラス安定性を維持しつつ、高屈折率化を図る上から、WO3、Ta2O5、Nb2O5、TiO2およびZrO2の合計量を2〜40モル%とすることが好ましく、5〜35モル%が特に好ましい。
なお、発明の目的を達成しつつ、上記性質をより良好にする上から、上記各成分に清澄剤を加えた合計量を95%超とすることが好ましく、98%超とすることがより好ましく、99%超とすることがさらに好ましく、100%とすることがより一層好ましい。
清澄剤としてはSb2O3、As2O3などを例示できるが、環境への影響に配慮するとAs2O3の使用は避けるべきである。Sb2O3の好ましい量は0〜1%である。
この他、PbOは環境への影響、非酸化性雰囲気中で精密プレス成形する時に還元してプレス成形型の成形面に付着することから導入をさけるべきである。
また、ガラスを着色して特定波長域の光吸収機能を付与する場合は別にして、Cu、Fe、Cdなどを導入しないことが望ましい。
B2O3 15〜45%、
La2O3 5〜20%、
Gd2O3 1〜20%、
ZnO 10〜45%、
WO3 0〜15%、
Ta2O5 0〜10%、
Nb2O5 0〜10%、
TiO2 0〜20%、
SiO2 0〜20%、
Li2O 0〜15%、
Na2O 0〜10%、
K2O 0〜10%、
MgO 0〜10%、
CaO 0〜10%、
SrO 0〜10%、
BaO 0〜10%、
Y2O3 0〜8%、
Yb2O3 0〜8%
(ただし、La2O3、Gd2O3、Y2O3およびYb2O3の合計量が10〜30%)、
ZrO2 0〜0.5%未満、
Bi2O3 0〜10%、
Sb2O3 0〜1%
を含み、屈折率(nd)が1.86超、アッベ数(νd)が35〜39.5未満かつガラス転移温度(Tg)が630℃以下であることを特徴とする。
従って、本発明の第3の態様の光学ガラスの、ZrO2以外の各酸化物の組成範囲限定の理由は、本発明の第2の態様の光学ガラスにおける記載を参照してもらうこととし、ここではZrO2の組成範囲限定の理由についてのみ述べると、以下のとおりである。
ZrO2は高屈折率高分散特性を付与する成分の一つであるが、同時に液相温度を高くするという働きもする。
そのため、アッベ数(νd)35未満の範囲では、ZrO2の導入量を0.5モル%未満とするのが好ましく、導入しないことがより好ましい。
本発明の第1〜第3の態様の光学ガラスは、いずれも精密プレス成形用プリフォームおよび光学素子の製造のために好ましく用いられる。
本発明の精密プレス成形用プリフォーム(以下、プリフォームという)は、上記第1、第2または第3の態様の光学ガラスからなるものである。
プリフォームは、プレス成形品に等しい重量のガラス製成形体であり、プレス成形品の形状に応じて適当な形状に成形されているが、その形状として、球状、回転楕円体状などを例示することができる。プリフォームは、プレス成形可能な粘度になるよう、加熱してプレス成形に供される。
上記プリフォームには、必要に応じて離型膜などの薄膜を表面に備えていてもよい。離型膜としては炭素含有膜、自己組織化膜などを例示することができる。また、所要の光学恒数を有する光学素子のプレス成形に使用可能である。
本発明のプリフォームの製造方法は、2つの方法があり、第1のプリフォームの製造方法は、パイプより流出する熔融ガラスから所定重量の熔融ガラス塊を分離し、前記ガラス塊を成形して上記本発明の第1、第2または第3の態様の光学ガラスよりなるプリフォームを作製することを特徴とするものである。
この方法では、プリフォームを熔融状態のガラスが冷却する過程で成形するが、ガラスが固化した後に機械加工することなしにプリフォームとして使用可能な状態にすることができる。この方法によれば、切断、研削、研磨などの機械加工が不要という利点がある。また表面が滑らかなプリフォームを成形することもできる。さらに全表面が熔融状態のガラスが固化して形成された面であるため、滑らかで研磨による微細な傷や潜傷も存在しない表面を得ることもできる。
この方法において、熔融ガラスを鋳型に流し込んで上記光学ガラスからなるガラス成形体を成形し、このガラス成形体に機械加工を加えて所望重量のプリフォームとしてもよい。機械加工を加える前にガラスが破損しないよう、ガラスをアニールすることにより十分除歪処理を行うことが好ましい。
本発明の光学素子は、上記本発明の第1、第2または第3の態様の光学ガラスよりなることを特徴とするものである。本発明によれば、第1〜第3の態様の光学ガラスが備える光学特性により各種光学素子を提供することができる。このような光学素子としては、球面レンズ、非球面レンズ、マイクロレンズなどの各種のレンズ、回折格子、回折格子付のレンズ、レンズアレイ、プリズムなどを例示することができる。
なお、この光学素子には必要に応じて、反射防止膜、全反射膜、部分反射膜、分光特性を有する膜などの光学薄膜を設けることもできる。
本発明の光学素子の製造方法は、上記プリフォームを加熱し、精密プレス成形することを特徴とするものである。
本発明の光学素子の製造方法によれば、いずれも上記光学特性を有する光学素子を作製できるとともに、ガラスの転移温度(Tg)が低く、プレス成形温度を低くできるので、プレス成形型の成形面へのダメージが軽減され、成形型の寿命を延ばすことができる。またプリフォームを構成するガラスが高い安定性を有するので、再加熱、プレス工程においてもガラスの失透を効果的に防止することができる。さらに、ガラス熔解から最終製品を得る一連の工程を高生産性のもとに行うことができる。
精密プレス成形では、プレス成形型の成形面を良好な状態に保つため成形時の雰囲気を非酸化性ガスにすることが望ましい。非酸化性ガスとしては窒素、窒素と水素の混合ガスなどが好ましい。
(精密プレス成形1)
この方法は、プレス成形型とプリフォームを一緒に加熱し、前記成形型によりプリフォームをプレスすることを特徴とするものである。
この精密プレス成形1において、プレス成形型と前記プリフォームの温度をともに、プリフォームを構成するガラスが106〜1012dPa・Sの粘度を示す温度に加熱して精密プレス成形を行うことが好ましい。
また前記ガラスが1012dPa・S以上、より好ましくは1014dPa・S以上、さらに好ましくは1016dPa・S以上の粘度を示す温度にまで冷却してから精密プレス成形品をプレス成形型から取り出すことが望ましい。
上記の条件により、プレス成形型成形面の形状をガラスにより精密に転写することができるとともに、精密プレス成形品を変形することなく取り出すこともできる。
この方法は、予熱されたプレス成形型に、前記成形型と別に予熱されたプリフォームを導入して精密プレス成形することを特徴とするものである。
この精密プレス成形2によれば、前記プリフォームをプレス成形型に導入する前に予め加熱するので、サイクルタイムを短縮化しつつ、表面欠陥のない良好な面精度の光学素子を製造することができる。
なおプレス成形型の予熱温度をプリフォームの予熱温度よりも低く設定することが好ましい。このようにプレス成形型の予熱温度を低くすることにより、前記型の消耗を低減することができる。
また、前記プリフォームを浮上しながら予熱することが好ましく、さらに前記プリフォームを構成するガラスが105.5〜109dPa・S、より好ましくは105.5dPa・S以上109dPa・S未満の粘度を示す温度に予熱することがさらに好ましい。
またプレス開始と同時又はプレスの途中からガラスの冷却を開始することが好ましい。
なおプレス成形型の温度は、前記プリフォームの予熱温度よりも低い温度に調温させるが、前記ガラスが109〜1012dPa・Sの粘度を示す温度を目安にすればよい。
この方法において、プレス成形後、前記ガラスの粘度が1012dPa・S以上にまで冷却してから離型することが好ましい。
精密プレス成形された光学素子はプレス成形型より取り出され、必要に応じて徐冷される。成形品がレンズなどの光学素子の場合には、必要に応じて表面に光学薄膜をコートしてもよい。
ガラスの原料として、各ガラス成分に相当する酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩などを使用し、ガラス化した後に表1〜表3に示す組成となるように前記原料を秤量し、十分混合した後、白金坩堝に投入して電気炉で1200〜1250℃の温度範囲で攪拌しながら大気中で2〜4時間かけて加熱熔解した。均質化、清澄されたガラス融液を40×70×15mmのカーボン製金型に鋳込んだ。鋳込んだガラスを転移温度まで放冷してから直ちにアニール炉に入れ、転移温度付近で1時間アニールし、アニール炉内で室温まで徐冷して各光学ガラスを得た。
得られた各ガラスを顕微鏡によって拡大観察したところ、結晶の析出や原料の熔け残りは認められなかった。
(1)屈折率(nd)及びアッべ数(νd)
徐冷降温速度を−30℃/時にして得られた光学ガラスについて測定した。
(2)ガラス転移温度(Tg)、屈伏点(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℃/分にして測定した。
上記のようにして得た全表面は熔融状態のガラスが固化して形成されたものであるプリフォームや表面を研磨したプリフォームを、図1に示すプレス装置を用いて精密プレス成形して非球面レンズを得た。具体的にはプリフォーム4を、上型1、下型2および胴型3からなるプレス成形型の下型2と上型1の間に設置した後、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11内を加熱した。プレス成形型内部の温度を成形されるガラスが108〜1010dPa・Sの粘度を示す温度に設定し、同温度を維持しつつ、押し棒13を降下させて上型1を押して成形型内にセットされたプリフォームをプレスした。プレスの圧力は8MPa、プレス時間は30秒とした。プレスの後、プレスの圧力を解除し、プレス成形されたガラス成形品を下型2及び上型1と接触させたままの状態で前記ガラスの粘度が1012dPa・S以上になる温度まで徐冷し、次いで室温まで急冷してガラス成形品を成形型から取り出し非球面レンズを得た。得られた非球面レンズは、極めて高い面精度を有するレンズであった。
精密プレス成形により得られた非球面レンズには、必要に応じて反射防止膜を設けた。
精密プレス成形により得られた非球面レンズには必要に応じて反射防止膜を設けた。
2・・・下型
3・・・胴型
4・・・プリフォーム
11・・・石英管
12・・・ヒーター
13・・・押し棒
Claims (15)
- モル%表示で、
B2O3 15〜45%、
La2O3 5〜20%、
Gd2O3 1〜20%、
ZnO 10〜45%、
WO3 0〜15%、
Ta2O5 0〜10%、
Nb2O5 0〜10%、
TiO2 0〜20%、
SiO2 0〜20%、
Li2O 0〜15%、
Na2O 0〜10%、
K2O 0〜10%、
MgO 0〜10%、
CaO 0〜10%、
SrO 0〜10%、
BaO 0〜10%、
Y2O3 0〜8%、
Yb2O3 0〜8%
(ただし、La2O3、Gd2O3、Y2O3およびYb2O3の合計量が10〜30%)、
ZrO2 0〜10%、
Bi2O3 0〜10%、
Sb2O3 0〜1%
を含み、屈折率(nd)が1.86超、アッベ数(νd)が35未満かつガラス転移温度(Tg)が630℃以下であることを特徴とする光学ガラス。 - モル%表示で、WO 3 1〜15%およびTiO 2 1〜20%を含む請求項1に記載の光学ガラス。
- モル%表示で、La 2 O 3 6〜19%およびGd 2 O 3 1〜18%を含む請求項1または2に記載の光学ガラス。
- モル%表示で、B 2 O 3 18〜43%、La 2 O 3 6〜19%、Gd 2 O 3 1〜18%およびZnO 12〜43%を含む請求項1〜3のいずれかに記載の光学ガラス。
- モル%表示で、B 2 O 3 20〜40%、La 2 O 3 7〜18%、Gd 2 O 3 1〜16%およびZnO 15〜40%を含む請求項1〜4のいずれかに記載の光学ガラス。
- WO 3 、Ta 2 O 5 、Nb 2 O 5 、TiO 2 の合計量が10重量%超である請求項1〜5のいずれかに記載の光学ガラス。
- B 2 O 3 とSiO 2 の合計量に対するB 2 O 3 の量のモル比(B 2 O 3 /(B 2 O 3 +SiO 2 ))が0.80〜1.00である請求項1〜請求項6のいずれかに記載の光学ガラス。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の光学ガラスよりなることを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム。
- パイプより流出する熔融ガラスから所定重量の熔融ガラス塊を分離し、前記ガラス塊を成形して請求項1〜7のいずれかに記載の光学ガラスよりなるプリフォームを作製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。
- 熔融ガラスからガラスブロックを成形し、前記ガラスブロックを加工して請求項1〜7のいずれかに記載の光学ガラスよりなるプリフォームを作製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1〜7のいずれかに記載の光学ガラスよりなることを特徴とする光学素子。
- 請求項8に記載のプリフォームを加熱し、精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
- 請求項9または10に記載の方法により作製されたプリフォームを加熱し、精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
- プレス成形型とプリフォームを一緒に加熱し、前記成形型によりプリフォームを精密プレス成形することを特徴とする請求項12または13に記載の光学素子の製造方法。
- 予熱されたプレス成形型に、前記成形型と別に予熱されたプリフォームを導入して精密プレス成形することを特徴とする請求項12または13に記載の光学素子の製造方法。
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