JP4691056B2 - 光学ガラス、精密プレス成形用プリフォーム及びその製造方法、光学素子及びその製造方法 - Google Patents
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Landscapes
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Description
B2O3 30〜45%
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La2O3 10〜20%
TiO2 1〜10%
ZnO 10〜30%
Li2O 3〜15%
WO3 0.1%以上かつ10%以下
Nb2O5 0〜15%
ZrO2 0〜10%
を含み、上記成分の合計量が98%以上であり、Ta2O5を含有せず、Y 2 O 3 の含有量が0%であり、Sb2O3を外割で0〜1.8質量%添加したガラスであり、かつ屈折率(nd)が1.81971〜1.87、アッベ数(νd)が30〜45の範囲であり、ガラス転移温度(Tg)が580℃以下であることを特徴とする光学ガラスである。
上記第一の態様の光学ガラスは、さらに、厚さ10mmに換算した波長280〜700nmにおける分光透過率が80%となる波長が440nm以下、かつ前記分光透過率が5%となる波長が350nm以下であるものでもある。
(1)第一の態様の光学ガラスよりなる精密プレス成形用プリフォーム。
(2)全表面が溶融状態のガラスが固化して形成されたものであることを特徴とする(1)に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
(3)全表面が自由表面からなることを特徴とする(1)又は(2)に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
(4)流出パイプから流出する溶融ガラス流から所要重量の溶融ガラスを分離して第一の態様の光学ガラスよりなる精密プレス成形用プリフォームを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。
(5)第一の態様の光学ガラスよりなる光学素子。
(6)(1)〜(3)のいずれかに記載の精密プレス成形用プリフォーム又は(4)に記載の製造方法により作製された精密プレス成形用プリフォームを精密プレス成形して得られる光学素子。
(7)精密プレス成形用プリフォームを加熱、軟化し、精密プレス成形してガラス製光学素子を作製する光学素子の製造方法において、
(1)〜(3)のいずれかに記載された精密プレス成形用プリフォーム又は(4)に記載の製造方法により作製された精密プレス成形用プリフォームを使用することを特徴とする光学素子の製造方法。
(8)精密プレス成形用プリフォームをプレス成形型に導入し、プリフォームとプレス成形型をともに加熱して精密プレス成形することを特徴とする(7)に記載の光学素子の製造方法。
(9)前記精密プレス用プリフォームは、プレス成形型に導入する前に、予め加熱されたものである(8)に記載の光学素子の製造方法。
(第一の態様)
本発明の第一の態様は、モル%表示で、
B2O3 30〜45%
SiO2 2〜15%
La2O3 10〜20%
TiO2 1〜10%
ZnO 10〜30%
Li2O 3〜15%
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ZrO2 0〜10%
を含み、上記成分の合計量が98%以上であり、Ta2O5を含有しせず、Y 2 O 3 の含有量が0%であり、Sb2O3を外割で0〜1.8質量%添加したガラスであり、かつ屈折率(nd)が1.81971〜1.87、アッベ数(νd)が30〜45の範囲であり、ガラス転移温度(Tg)が580℃以下であることを特徴とする光学ガラスである。
B2O3は、ガラスの網目構造を構成する成分であって、ガラスに低分散性を与え、軟化温度を低下させるために必要不可欠な成分である。その含有量が30%未満では、ガラス転移温度が高くなるとともに、所要の光学恒数を維持することできなくなるのに対し、45%を超えると、ガラスの耐久性や耐酸性が悪化してしまうおそれがある。よって、その含有量は30〜45%の範囲に制限される。より好ましくは32〜42%の範囲である。
また、環境影響などの観点から上記のヒ素化合物に加え、鉛化合物、カドミウム化合物などの有毒物質や、ウラン、トリウムなどの放射性物質も排除すべきである。
また、本態様の光学ガラスは、低コスト化のため、Ta2O5を含有しない。本態様の光学ガラスは、Ta2O5を含有しなくとも、前記組成とすることで、低Tgで精密プレスに適した光学ガラスを実現することができる。なお、Ta2O5を含有しないとは、ガラス原料としてタンタル化合物を使用しないということであって、不純物としての混入を排除するものではない。
このように本発明の光学ガラスは、可視波長域全域にわたって高い分光透過率を備えていることが好ましい。このような分光透過特性を有する光学ガラスは、着色が極めて少なく、無色透明なガラスであり、撮像光学系をはじめとする種々の光学素子の材料として好適である。
本態様は、ZnOとLi2Oが共存することにより、ガラスの比重を減少させることができる。さらに、両成分を共存させることによって、ガラス転移温度(Tg)を低下させること、及び分光透過特性を改善すること(着色の低減)ができる。
次に本発明の精密プレス成形用プリフォームについて説明する。
プレス成形用プリフォームとは、加熱、軟化してプレス成形に供するためのガラス成形体であり、プレス成形品の重量に応じた所要重量のガラスからなる。形状はプレス成形に適するよう成形されており、球状、偏平球状、回転楕円体などを例示することができる。
好ましい形状としては、回転対称軸を一つ備え、前記回転対称軸を含む断面において角や窪みがない滑らかな輪郭線をもつもの、例えば上記断面において短軸が回転対称軸に一致する楕円を輪郭線とするものを挙げることができる。また、図2に示すように、前記断面におけるプリフォームの輪郭線上の点と回転対称軸上にあるプリフォームの重心Gを結ぶ線と、前記輪郭線上の点において輪郭線に接する接線とのなす角の一方の角の角度をθとしたとき、前記点が、回転対称軸上の点aから出発して輪郭線上を移動するときに、θが90°から単調増加し、続いて単調減少した後、単調増加して輪郭線が回転対称軸と交わる他方の点bにおいて90°になる形状が更に好ましい。前記回転対称軸を含む任意の断面において、角度θが上記のようになることが望ましい。
ここで、「精密プレス成形」とは、前述の通り、モールドオプティクス成形法とも呼ばれ、プレス成形によって光学機能面の形状を形成する方法である。プリフォーム表面は、後述する熔融ガラス塊を直接プリフォームに成形する場合は、自由表面であることが望ましく、機械加工によって作製する場合は、光学研磨面とすることが望ましい。
なお、「全表面が熔融状態のガラスが固化して形成された面」とは、成形のための金型と接触して金型表面が転写された箇所があっても良いのに対し、「全表面が自由表面」とは、金型と接触して金型表面が転写された箇所がないことを意味する。
精密プレス成形では、プリフォームの表面が最終製品である光学素子表面として残る場合が多く、そのため、加工痕があると光学素子表面付近の欠陥となってしまうおそれがある。しかし、熱間プリフォーム成形によれば表面近傍にも欠陥のないプリフォームを作ることができるので、生産性よく高品質の光学素子を精密プレス成形によって提供することができる。
上記の各プリフォームの重量は、40mg〜10gの範囲であることが望ましい。更に、球状のプリフォームの場合は、プリフォームの重量は、40mg〜700mgであることが好ましく、100mg〜400mgであることがより好ましい。回転対称軸を1つ有するプリフォームの場合は、プリフォームの重量は、300mg〜10gであることが好ましい。
本発明の光学素子は、第一の態様の光学ガラスよりなる光学素子、あるいは、上記精密プレス成形用プリフォームを精密プレス成形して得られる光学素子である。光学素子としては、レンズ(非球面レンズ、球面レンズ、シリンドリカルレンズ、ロッド状レンズなど)、レンズアレイ、プリズム、回折格子、各種光学基板などを例示できる。なお、これら光学素子には必要に応じて反射防止膜、部分反射膜、全反射膜などの光学薄膜を形成してもよい。
前記製法において、精密プレス成形用プリフォームをプレス成形型に導入した後、プリフォームとプレス成形型をともに加熱する温度は、プリフォームを構成するガラスが106〜1012dPaSの粘度を示す温度であることが好ましい。また前記ガラスが1012dPaS以上、より好ましくは1014dPaS以上、さらに好ましくは1016dPaS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。
精密プレス成形用プリフォームをプレス成形型に導入した後、プリフォームとプレス成形型をともに加熱する温度は、前記プリフォームの予熱温度よりも低くすることが好ましい。このように、プレス成形型への導入前に、プリフォームを予め加熱しておくことにより、精密プレス成形用プリフォームをプレス成形型に導入した後、プリフォームとプレス成形型をともに加熱する温度を低く抑えることができるので、プレス成形型の消耗を低減することができる。
このようにして、レンズ(非球面レンズ、球面レンズ、シリンドリカルレンズ、ロッド状レンズなど)、レンズアレイ、プリズム、回折格子、各種光学基板などを製造することができる。
また、レンズの形状としては、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズ、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形状のものが得られる。
(実施例1〜19、参考例20〜22、実施例23〜32)
表1に示す組成が得られるよう、B2O3、SiO2、La2O3、TiO2、ZnO、Li2O、WO3、Nb2O5、ZrO2、Y2O3、CaOなどのガラス成分の原料として各々相当する酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、弗化物、水酸化物などを所定の割合で250〜300g秤量し、十分に混合して調合バッチとし、これを白金るつぼに入れ、1200〜1250℃で攪拌しながら空気中2〜4時間ガラスの溶解を行った。熔融後、ガラス融液を40×70×15mmのカーボンの金型に流し、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時間アニールして炉内で室温まで放冷した。得られたガラスは顕微鏡で観察できる結晶が析出しなかった。
(1)屈折率(nd)及びアッべ数(νd)
徐冷降温速度を−30℃/h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)
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。
(3)分光透過率(λ80、λ5)
10±0.1mmの厚さに研磨したガラスを用いて、280nmから700nmまでの波長域での分光透過率(表面反射損失を含む)を測定した。また、着色度については透過率80%と5%を示す波長をそれぞれλ80、λ5で表す。なお、λ80、λ5の有効数字は2桁とする。
(4)比重
比重は、アルキメデス法を用いて測定した。
実施例1〜19、参考例20〜22、実施例23〜32と同じ組成のガラスが得られる脱泡清澄、均質化された溶融ガラスを溶解した。次いで、この溶融ガラスを一定流量のもと、連続的に白金合金製の耐熱パイプを通して、その先端から受け型に滴下し、受け型から放出されるガスによる風圧を加え、浮上させながら球状にプリフォームに成形した。なお、パイプ先端から溶融ガラス滴は一定間隔で次々と滴下するので、これを複数の受け型を用いて順次、受けて成形した。このようにして実施例1〜19、参考例20〜22、実施例23〜32に対応するガラスからなる所要重量の球状プリフォームを作製した。
同様にして、流出パイプから上記溶融ガラス流を一定スピードにおいて連続的に流出し、その溶融ガラス流先端部を受け型で受け、先端部と流出パイプの間の溶融ガラス流にくびれ部を形成した後、受け型をパイプから引き離して、くびれ部より溶融ガラス流先端部を分離した。そして、分離した溶融ガラス塊を上記方法と同じように浮上させながら球状のプリフォームに成形した。複数の受け型を用意し、この受け型を順次用いて連続流出する溶融ガラスから多量のプリフォームを成形する方法は上記方法と同じである。
これらの方法により、直径2〜30mmの球状プリフォームを製造することができた。これらプリフォームの重量は揃っており、内部、表面とも良好なものであった。また、上記各プリフォームの全表面は溶融状態のガラスが固化して形成されたものであり、清浄かつ滑らかであり、自由表面からなるものであった。またプリフォームの全表面にわたり傷、失透、脈理などの欠陥は認められなかった。
これにより、上記方法は精密プレス成形用プリフォームの製造方法として好適であることが示された。
次に、実施例33において作製されたプレス成形用プリフォームを加熱、軟化して、図1に示すプレス装置を用いて精密プレス成形し、非球面レンズを得た。具体的には、レンズ形状を反転した非球面形状を有する下型2及び上型1の間にプリフォームを静置したのち、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11内を加熱した。成形型内部の温度をガラス転移温度(Tg)より50〜100℃高い温度に設定し、同温度を維持しつつ、押し棒13を降下させて上型1を押して成形型内のプリフォームをプレス成形した。プレス条件は、成形圧力を8MPa、成形時間を30秒とした。プレスの後、成形圧力を低下させ、プレス成形し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ガラス転移温度(Tg)よりも30℃程度低い温度まで徐冷し、次いで室温まで急冷して非球面レンズに成形されたガラスを成形鋳型から取り出した。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り、分光透過率特性も良好なものであった。
なお、上記精密プレス成形はプリフォームをプレス成形型に導入し、プリフォームとプレス成形型をともに加熱してから行ったものであるが、プリフォームを、成形型に導入する前に予め加熱してもよい。
また、本発明の精密プレス成形用プリフォーム及びその製造方法によれば、上記光学恒数を有する光学素子をプレス成形により製造するためのプリフォーム及びその製造方法を提供することができる。また、高価なタンタルを導入しないため、安価なプリフォームを安定して提供することができる。
さらに、本発明の光学素子及びその製造方法によれば、上記光学ガラス及びプリフォームの有する特性、特長を活かしつつ、良好な分光透過率特性を有する光学素子及びその製造方法を提供することができる。また、タンタルを含まないガラス材料を使用するので、安価な光学素子を安定して提供することができる。
Claims (11)
- モル%表示で、
B2O3 30〜45%
SiO2 2〜15%
La2O3 10〜20%
TiO2 1〜10%
ZnO 10〜30%
Li2O 3〜15%
WO3 0.1%以上かつ10%以下
Nb2O5 0〜15%
ZrO2 0〜10%
を含み、上記成分の合計量が98%以上であり、Ta2O5を含有せず、Y 2 O 3 の含有量が0%であり、Sb2O3を外割で0〜1.8質量%添加したガラスであり、かつ屈折率(nd)が1.81971〜1.87、アッベ数(νd)が30〜45の範囲であり、ガラス転移温度(Tg)が580℃以下であることを特徴とする光学ガラス。 - 厚さ10mmに換算した波長280〜700nmにおける分光透過率が80%となる波長が440nm以下、かつ前記分光透過率が5%となる波長が350nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の光学ガラス。
- 請求項1または2に記載の光学ガラスよりなる精密プレス成形用プリフォーム。
- 全表面が溶融状態のガラスが固化して形成されたものであることを特徴とする請求項3に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
- 全表面が自由表面からなることを特徴とする請求項3又は4に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
- 流出パイプから流出する溶融ガラス流から所要重量の溶融ガラスを分離して請求項1または2に記載の光学ガラスよりなる精密プレス成形用プリフォームを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1または2に記載の光学ガラスよりなる光学素子。
- 請求項3〜5のいずれか1項に記載の精密プレス成形用プリフォーム又は請求項6に記載の製造方法により作製された精密プレス成形用プリフォームを精密プレス成形して得られる光学素子。
- 精密プレス成形用プリフォームを加熱、軟化し、精密プレス成形してガラス製光学素子を作製する光学素子の製造方法において、
請求項3〜5のいずれか1項に記載された精密プレス成形用プリフォーム又は請求項6に記載の製造方法により作製された精密プレス成形用プリフォームを使用することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 精密プレス成形用プリフォームをプレス成形型に導入し、プリフォームとプレス成形型をともに加熱して精密プレス成形することを特徴とする請求項9に記載の光学素子の製造方法。
- 前記精密プレス用プリフォームは、プレス成形型に導入する前に、予め加熱されたものである請求項10に記載の光学素子の製造方法。
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