JP5813233B2

JP5813233B2 - 光学ガラス、プレス成形用プリフォーム、及び光学素子

Info

Publication number: JP5813233B2
Application number: JP2014528841A
Authority: JP
Inventors: 匡波
Original assignee: CHENGDU GUANG MING GUANG DIAN GLASS CO., LTD.
Current assignee: CHENGDU GUANG MING GUANG DIAN GLASS CO., LTD.
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: WO2013034081A1; JP2014527019A; CN102424523B; CN102424523A

Description

本発明は、光学ガラス、プレス成形用プリフォーム、及び光学素子に関する。具体的に言って、高屈折率低分散光学ガラス、当該光学ガラスを用いたプレス成形用プリフォーム、及び当該光学ガラスを用いた光学素子に関する。

高屈折率低分散光学ガラス、特に屈折率が1.88以上、アッベ数が37以上である光学ガラスは光学設計の上で多く応用されている。しかし、一般的に光学ガラスの透過率は屈折率と密接に関連している。屈折率が高くなるにつれて、透過率はますます悪くなり、ガラスの着色はますます悪くなる。

そのほか、ガラス素子を精密プレス成形するには、通常、高温の条件で行わなければならない。そのため、鋳型の表面が酸化、腐食するなどの問題がよく発生し、ローコストの量産ができない。このため、精密プレス成形には、低い転移温度（Ｔｇ）を有するガラスが可能な限り使用される。また、酸、水に強く抵抗しなければならない。

本発明は、屈折率が1.88以上、アッベ数が37以上であり、透過率が優れており、転移温度が低く、精密モールドプレス成形に適する光学ガラス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、重量パーセントで、1%＜SiO₂＜10%、B₂O₃を10〜20％、La₂O₃を25〜35％、Gd₂O₃を10〜20％、０＜Lu₂O₃＜5％含有し、さらに、La₂O₃/（La₂O₃+ Gd₂O₃+ Lu₂O₃）＜0.67、Ta₂O₅を10〜20% 、ZnOを8〜15%、LiO₂を0.1〜2%、ZrO₂を0.5〜8%、WO₃を5〜15%、TiO₂を0.1〜3% 、Sb₂O₃を0〜0.2%含有することを特徴とする。

さらに、上述の光学ガラスは、重量パーセントで、SiO₂は2〜6%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、B₂O₃は12〜15%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、La₂O₃は27〜32%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、Gd₂O₃は13〜17%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、0＜Lu₂O₃＜2%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、0.60＜La₂O₃/（La₂O₃+ Gd₂O₃+ Lu₂O₃）＜0.67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、ZnOは10〜13%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、LiO₂は0.2〜1%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、ZrO₂は1〜6%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、WO₃は8〜13%であることを特徴としてもよい。

本発明のプレス成形用プリフォームは、上述の光学ガラスを用いたことを特徴とする。

また、本発明の光学素子は、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。
本発明は高屈折率低分散光学ガラスとして、La₂O₃、Gd₂O₃、Lu₂O₃の含有量を調整することにより、高屈折率と生産安定性を持つガラスを調製することができる。La₂O₃/（La₂O₃+ Gd₂O₃+ Lu₂O₃）の比率をコントロールことにより、求める光学定数に達し、透過率を有効的に高めることができる。ZnOの導入により、ガラスの転移温度を低下させ、更にガラスの化学的安定性を高めることができる。少量のLiO₂の導入により、有効的にガラスの転移温度を低下させることができる。適量のWO₃の導入により、透過率をよく改善させることができる。本発明の光学ガラスは、屈折率が1.88以上、アッベ数が37以上、透過率がよく、λ₇₀が385nm以下、ガラスの転移温度が610℃以下、精密モールドプレス成形に適し、そして光学システームと光学設備のイメージングを満足させるものである。

次に本発明の実施例について詳細に説明する。もちろん、下記で説明する実施例は本発明の一部であり、全部の実施例ではない。本発明の実施例に基づいて、当該技術分野の通常の技術者が創造的労働をしない前提で獲得したその他の実施例は、すべて本発明の保護範囲に属する。

本発明の光学ガラスに含まれるSiO₂成分は、ガラスの安定性を向上させ、有効的にガラスの液相粘度を調節し、ガラスの析晶性能を改善させることができる。SiO₂の含有量が低すぎれば、上記の効果がよくない。SiO₂の含有量が高すぎれば、ガラスの溶融性は悪く、転移温度は高くなる。そのため、SiO₂の含有量の範囲は１％よりも多く１０％未満、好ましくは1％よりも多く8％未満、さらに好ましくは2%〜6%に限定する。

ガラスのネットワーク構造を形成する有効な酸化物として、B₂O₃は高屈折率低分散光学ガラスを調製する必須成分である。B₂Oは、有効的にガラスの溶融性を改善させ、溶融温度と粘性流の温度を低減させることができる。B₂O₃の含有量が高すぎれば、求める高屈折率を満足させない。含有量が低すぎれば、ガラスが安定しない。そのため、B₂O₃の含有量は少なくとも10%である。そして、B₂O₃の含有量が20%よりも多い場合は屈折率が低くなり、本発明に求めるガラスを調製できない。そのため、B₂O₃の含有量は10〜20%、好ましくは11〜18%、さらに好ましくは12〜15%に限定する。

La₂O₃は高屈折率低分散光学ガラスを調製する重要な成分で、その含有量の範囲は25〜35%である。その含有量が25%以下になる時、屈折率と低分散性が低くなり、35%以上になる時、耐失透性が低くなり、安定的にガラスを調製できない。そのため、好ましくは27〜32%、さらに好ましくは28〜32%に限定する。

Gd₂O₃はまたガラスの屈折率を高め、低分散を保つ成分で、適量のGd₂O₃を添加すると、高屈折率低分散ガラスの耐失透性を改善することができる。その含有量が低すぎれば、上述の効果はよくなく、特に求めるアッベ数を満足させない。その含有量が高すぎれば、耐失透性はかえって悪くなる。そのため、Gd₂O₃の含有量の範囲は10〜20%で、好ましくは13〜17%に限定する。

そのほか、Lu₂O₃もガラスの屈折率を高め、アッベ数を増大する成分である。しかし、その含有量が高すぎれば、耐失透性は悪化し、ガラスの比重は大きくなる。同時に、Lu₂O₃は高価な希土類酸化物であるため、その含有量の範囲は0％よりも多く5%未満、好ましくは0%よりも多く2%未満に限定する。

本発明者らは積極的な研究を通じて、La₂O₃、Gd₂O₃とLu₂O₃三種類の高屈折率の希土類酸化物を同時にガラスの中に添加した時、有効的に高屈折率低分散酸化物がガラスでの安定的な溶解度を増加することを見いだした。特にそれらの含有量の割合を調整することにより、La₂O₃/（La₂O₃+ Gd₂O₃+ Lu₂O₃）＜0.67を限定し、好ましくは0.60よりも大きく0.67未満に限定すると、ガラスの屈折率(nd)が1.88以上、アッベ数は37以上に達し、その上、ガラスの透過率がよく、安定的に量産することができる。上述の効果は0％よりも多く2%未満のLu₂O₃を添加した後更に良好であることを見出した。

Ta₂O₅は高屈折率ガラスを調製する成分で、またガラスの耐失透性を明らかに高めることができる。しかし、その含有量が高すぎれば、ガラスのアッベ数が小さくなり、しかも貴重な金属酸化物であるため、その使用量の範囲は10〜20%、好ましくは10.5〜15%に限定する。

ZnOは、有効的にガラスの転移温度を低下させ、また高屈折率低分散光学ガラスを得るための必要成分で、ガラスの耐失透性を改善しその粘性流の温度を下げることができ、またガラスの化学的安定性を高め、結晶化を抑えることができる。その含有量は8%以上に達しなければならない。そうでなければガラスの溶融性が悪くなり、かつ化学的安定性は悪化する。また、その含有量は15%以下にコントロールしなければならない。そうでなければ本発明に求める最終製品を調製することができない。そのため、その含有量の範囲は8〜15%、好ましくは10〜13%に限定する。

少量のLi₂Oは、有効的にガラスの転移温度（Tg）を低下させ、ガラスの溶融性を改善することができる。しかし、使用量が多すぎれば、ガラスの屈折率を低下させ、安定性も低下する。そのため、その含有量の範囲は0.1〜2%、好ましくは0.2〜1%に限定する。

適量のZrO₂は、ガラスの耐失透性を改善し、有効的にガラスの高温粘度を低下させ、化学的安定性を高めることができる。そのため、ZrO₂の含有量は少なくとも0.5%で、そうでなければその効果がよくない。その含有量は8%以下にコントロールしなければならない。そうでなければガラスが結晶化しやすくなる。そのため、その含有量の範囲は0.5〜8%、好ましくは1〜6%、さらに好ましくは2〜5%に限定する。

WO₃はガラスの屈折率を高め、ガラスの析晶性能を改善する効果を持つので、適量のWO₃は可視光線の短波長域の光線透過率を改善することができる。しかし、本発明の中で、WO₃の含有量は15%よりも多くなると、透過率はかえって悪くなり、ガラスの析晶性能は悪くなる。そのため、WO₃の含有量の範囲は5〜15%、好ましくは8〜13%に限定する。

本発明の中で、少量のTiO₂はWO₃に取って代わると、ガラスの屈折率が高くなり、分散比が低くなる。しかし、TiO₂とWO₃が共存する時、その含有量は3%よりも多くなると、ガラスの透過率は悪化する。そのため、TiO₂の含有量の範囲は0.1〜3%、好ましくは0.5〜2%に限定する。

ガラスが溶融する時、Sb₂O₃は脱泡の役割を果たす。しかし、その含有量が高すぎれば、可視光線の短波長域の透過率は悪くなる。そのため、Sb₂O₃の含有量の上限は0.2%、好ましくは0.1%、さらに好ましくは0.05%に限定する。

本発明の通り、以下のプロセスによって光学ガラスを調製する。
上述の各成分の酸化物、水酸化物、炭酸塩あるいは硝酸塩を原料にして、十分に混合した後プラチナ製るつぼの内に入れて、1200〜1400℃好ましくは1250〜1350℃の条件で溶解し、透明化し、均質化した後、溶融ガラスが得られる。以上の溶融ガラスを1100℃以下に下がった後、予熱した金属型の内に流し込み、600℃の条件で、金属型の内の溶融ガラスをゆっくりとアニールして、光学ガラスを作製する。

以下の方法の通り光学ガラスの性能をテストする。
屈折率（nd）とアッベ数（υd）は−30℃/hのアニールした値で、『GB/T 7962.1-1987』が提供した無色光学ガラスの屈折率と分散比のテスト方法によってその屈折率とアッベ数をテストする。

ガラスを厚さが10mm±0.1 mmであるサンプルに作成した後、透過率が70%になる時の波長λ70をテストする。

転移温度（Tg）は『GB/T7962.16―1987無色光学ガラスのテスト方法線膨張係数、転移温度と降伏点温度』によってテストする。つまり、固定範囲で温度が1℃ごとに上がる時、サンプルの膨張曲線の上に、低温領域と高温領域の直線を延ばし、その交差した交点が対応した温度である。

テストによって、本発明の光学ガラスは以下の性能を持っている。たとえば、屈折率は1.88以上、アッベ数は37以上、透過率が70%になる時の波長λ70は385nm以下、転移温度は610℃以下である。

本発明の光学ガラスは高屈折率低分散の光学定数、良好な透過率と低い転移温度を特徴とする。具体的に、屈折率の範囲は1.88以上で、好ましくは1.88〜1.90である。アッベ数の範囲は37以上で、好ましくは37〜40で、さらに好ましくは37〜38である。透過率が70%になる時の波長λ70は385nm以下である。転移温度は610℃以下で、好ましくは605℃以下で、もっと好ましくは602℃以下である。

本発明の光学ガラスは圧力成形用ガラスプリフォームとして利用することができる。あるいは直接的に溶融ガラスを圧力成形することができる。ガラスプリフォームとしての調製方法および熱成形方法は特別な制限がないで、普通の調製方法および成形方法を使うことができる。

その他、本発明の光学ガラスで造ったガラスプリフォームをプレス加工し、光学素子を調製することができる。あるいは直接的に溶融、軟化した光学ガラスをプレス加工し、光学部品を調製することができる。

その他、光学部品は、また両凸、両凹、平凸、平凹、凹凸などのレンズ、反射鏡、プリズム、回折格子などとして利用することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限られない。
以下のプロセスの通り、表1〜2に示した成分によって光学ガラスを調製する。
表1〜2が実施例のガラス成分を示す。上述の各成分の酸化物、炭酸塩、硝酸塩、水酸化物を原料にして、ガラス化後の表1〜2の分量のように量って、十分に混合した後プラチナ製るつぼの内に入れて、1250〜1350℃の条件で溶解し、透明化し、均質化した後、溶融ガラスが得られる。以上の溶融ガラスを1100℃以下に下がった後、予熱した金属型の内に流し込み、600℃の条件で、金属型の内の溶融ガラスをアニールして、光学ガラスを作製する。

光学ガラスの性能をテストした結果は表1〜2の通りである。表1〜2は本発明の実施例によって調製した光学ガラスの性能パラメーターである。

表1〜2によると、本発明の光学ガラスは高屈折率、良好な透過率と良好な化学的安定性を備えることが分かる。

Claims

成分の構成として、重量パーセントで、1%＜SiO₂＜10%、B₂O₃を10〜20%、La₂O₃を25〜35%、Gd₂O₃を10〜20%、0＜Lu₂O₃＜5%、かつ、0.60＜La₂O₃/（La₂O₃+ Gd₂O₃+ Lu₂O₃）＜0.67、Ta₂O₅を10〜20%、ZnOを8〜15%、LiO₂を0.1〜2%、ZrO₂を0.5〜8%、WO₃を5〜15%、TiO₂を0.1〜3%、Sb₂O₃を0〜0.2%含有した
ことを特徴とする光学ガラス。
重量％で、SiO₂を2〜6%含有することを特徴とする請求項1に記載の光学ガラス。
重量％で、B₂O₃を12〜15%含有することを特徴とする請求項1に記載の光学ガラス。
重量％で、La₂O₃を27〜32%含有することを特徴とする請求項1に記載の光学ガラス。
重量％で、Gd₂O₃を13〜17%含有することを特徴とする請求項1に記載の光学ガラス。
重量％で、0＜Lu₂O₃＜2%を含有することを特徴とする請求項1に記載の光学ガラス。
重量％で、ZnOを10〜13%含有することを特徴とする請求項1に記載の光学ガラス。
重量％で、LiO₂を0.2〜1%含有することを特徴とする請求項1に記載の光学ガラス。
重量％で、ZrO₂を1〜6%含有することを特徴とする請求項1に記載の光学ガラス。
重量％で、WO₃を8〜13%含有す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1〜10のいずれかに記載した光学ガラスを用いたことを特徴とするプレス成形用プリフォーム。
請求項1〜10のいずれかに記載した光学ガラスを用いたことを特徴とする光学素子。