CN1733637B - 包层玻璃组合物、折射率分布型棒透镜及其制造方法 - Google Patents

包层玻璃组合物、折射率分布型棒透镜及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种包层玻璃组合物，是构成具有芯部/包层构造的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒的包层的包层玻璃组合物，所述包层玻璃组合物在以摩尔％表示时含有：SiO245～65％、TiO20.5～10％、B2O30～15％、Al2O30～7％、Bi2O30.1～10％、Li2O0～5％、Na2O5～30％、K2O0～10％、MgO0～15％、CaO0～10％、SrO0～10％、BaO0.5～10％、Li2O+Na2O+K2O5～35％、MgO+CaO+SrO+BaO2～20％、Li2O+Na2O+K2O+MgO+CaO+SrO+BaO7～50％、Cs2O0～10％、ZnO0～10％、Y2O30～7％、Nb2O50～7％、In2O30～7％、La2O30～7％、Ta2O50～10％、ZrO20～7％、Cs2O+ZnO+Y2O3+Nb2O5+In2O3+La2O3+ZrO2+Ta2O50～15％、Sb2O30～1％。

Description

包层玻璃组合物、折射率分布型棒透镜及其制造方法
技术领域
本发明涉及构成具有芯部/包层构造的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒的包层的玻璃组合物(包层玻璃组合物)、和使用它的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒。本发明还涉及由上述母玻璃棒形成的折射率分布型棒透镜及其制造方法、以及具备上述棒透镜的棒透镜阵列以及图像处理装置。
背景技术
折射率分布型棒透镜(以下简单称为“棒透镜”)是在其断面内具有从中心部到周边部的折射率分布的棒形状的光学元件。上述棒透镜具有即使在其两端面平坦的情况下也能显示成像作用等透镜作用、微小径的透镜的制作容易等很多特长。活用这些特长并对上述棒透镜进行阵列化的棒透镜阵列，作为图像处理装置(例如，LED阵列打印机、液晶快门打印机等图像形成装置、或者传真机、扫描仪等图像读取装置)的光学系统中的成像透镜，被广泛使用。
折射率分布型棒透镜通常通过向折射率分布型棒透镜用母玻璃棒(以下简单称为“母玻璃棒”)赋予折射率分布而形成，而作为母玻璃棒的制作方法，考虑到为使生产性良好，广泛应用直接纺丝法(连续纺丝法)。如图10所示，在直接纺丝法中，通过将根据需要进行了脱泡处理(澄清处理)了的熔融玻璃101投入到由加热器102保温的坩锅103之中，在位于坩锅103下端部的管嘴104内逐渐冷却的同时，从管嘴104的下端流出，进行热延伸，从而连续形成直径0.1mm～4mm程度的母玻璃棒(纤维)105。在该方法中，可以将母玻璃棒105的纺丝速度(形成速度)设为数十m/分，而且还能将熔融玻璃连续地投入到坩锅103中，因此能提高母玻璃棒的生产性。
但是，在直接纺丝法中，存在当在管嘴104内渐渐冷却熔融玻璃101时容易产生玻璃的失透现象的缺陷。尤其是不含铅(代表性组成是PbO)的熔融玻璃，在通过使用坩锅的直接纺丝法进行纺丝时容易失透。
为抑制这样的纺丝时的失透，例如在特公平8—13691号公报中公开了向熔融玻璃中加入BPO4、Al2(PO3)3等添加物的方法。
此外，例如在特公平5—72337号公报中公开了，通过使用由内坩锅113以及外坩锅114构成的双重坩锅115的直接纺丝法(双重纺丝法)，形成具有由芯部116和覆盖芯部116的包层117构成的结构(芯部/包层构造)的母玻璃棒118的方法(参照图11)。其中，在内坩锅113内以熔融状态收容有构成芯部116的芯部玻璃组合物111，在外坩锅114内以熔融状态收容有构成包层117的包层玻璃组合物112。通过从位于双重坩锅115的下端部的管嘴119流出各个玻璃组合物而形成母玻璃棒118，并且形成的母玻璃棒118能由辊120连续引出。在这里，如果包层玻璃组合物112是不容易产生失透的玻璃组成，则在直接纺丝法中即使在容易产生失透的温度区域，也能防止芯部玻璃组合物111和管嘴119的接触，从而能防止芯部玻璃组合物111的失透，抑制纺丝时的母玻璃棒108整体的失透现象。
特开2004—151682号公报中公开了不容易产生失透的包层玻璃组合物的一例。具体地说，上述文献公开了由以下组成构成(实质上除了包含TiO2和La2O3双方的情况)的包层玻璃组合物，
是实质上不包含PbO的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒的包层玻璃组合物，
其实质上不含PbO：
以摩尔％表示时，实质上是
SiO2                     45～65％
Na2O                     3～30％
K2O                      0～10％
MgO                      0～15％
BaO                      0～20％
Na2O+K2O                 3～35％
MgO+BaO                  0～25％
B2O3                     0～15％
ZnO                0～10％
TiO2               0～10％
Y2O3               0～7％
ZrO2               0～7％
Nb2O5              0～7％
In2O3              0～7％
La2O3              0～7％
Ta2O5              0～10％
B2O3+ZnO+TiO2+Y2O3+ZrO2+Nb2O5+In2O3+La2O3+Ta
O5                 0～20％：
发明内容
本发明鉴于以上的事实，其目的在于提供一种采用双重纺丝法形成具有与至今为止的包层玻璃组合物不同的组成的母玻璃棒时，能够抑制芯部玻璃组合物的失透，从而抑制母玻璃棒整体的失透的、耐失透性优良的包层玻璃组合物。
本发明的另一个目的在于提供使用上述本发明的包层玻璃组合物的母玻璃棒、棒透镜、棒透镜阵列、图像处理装置、以及上述棒透镜的制造方法。
本发明的包层玻璃组合物，是构成具有芯部/包层构造的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒的包层的包层玻璃组合物，其特征是：
所述包层玻璃组合物在以摩尔％表示时含有：
SiO2                45～65％
TiO2                0.5～10％
B2O3                0～15％
Al2O3               0～7％
Bi2O3               0.1～10％
Li2O                0～5％
Na2O                5～30％
K2O                 0～10％
MgO                 0～15％
CaO                              0～10％
SrO                              0～10％
BaO                              0.5～10％
Li2O+Na2O+K2O                     5～35％
MgO+CaO+SrO+BaO                   2～20％
Li2O+Na2O+K2O+MgO+CaO+SrO+BaO      7～50％
Cs2O                             0～10％
ZnO                              0～10％
Y2O3                             0～7％
Nb2O5                            0～7％
In2O3                            0～7％
La2O3                            0～7％
Ta2O5                            0～10％
ZrO2                             0～7％
Cs2O+ZnO+Y2O3+Nb2O5+In2O3+La2O3+ZrO2+Ta2O5
                                 0～15％
Sb2O3                            0～1％
并且，从
MgO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
CaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
SrO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
BaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
中选择的至少两个以上的值是0.1以上，
实质上不含铅；
折射率为1.56～1.68范围。
本发明的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，是具有芯部/包层构造的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：
构成包层的包层玻璃组合物是上述本发明的包层玻璃组合物，
构成芯部的芯部玻璃组合物是具有与所述包层玻璃组合物不同的组成。
本发明的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，是具有芯部/包层构造的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：
构成包层的包层玻璃组合物是上述本发明的包层玻璃组合物，
构成芯部的芯部玻璃组合物在以摩尔％表示时包含：
SiO2                  40～65％
TiO2                  1～10％
B2O3                  0～20％
Al2O3                 0～10％
Li2O                  5～12％
Na2O                  5～15％
MgO                   0～16％
CaO                   0～15％
SrO                   0.1～12％
BaO                   0.1～12％
SiO2+TiO2+B2O3+Al2O3    50～70％
Li2O+Na2O              10～27％
Li2O/Na2O              0.7～2
MgO+CaO+SrO+BaO        5～36％
Cs2O                  0～3％
ZnO                   0～8％
Y2O3                  0～5％
Nb2O5                 0～5％
ln2O3                 0～5％
La2O3                 0～5％
Ta2O5                 0～5％
SnO2                  0～1％
Sb2O3                 0～1％
As2O3                 0～1％
并且从CaO、SrO以及BaO的含有率中选择的至少两个值是0.1～15摩尔％：
并且从
MgO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
CaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
SrO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
BaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
中选择的至少两个以上的值是0.1以上：
实质上不含铅。
本发明的折射率分布型棒透镜，是对于上述本发明的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，通过离子交换法赋予折射率分布而获得的棒透镜。
本发明的棒透镜阵列，具备两个以上的上述本发明的折射率分布型棒透镜，所述棒透镜以所述棒透镜的光轴方向大致相互平行的方式排列以及一体化。
本发明的图像处理装置，具备上述本发明的棒透镜阵列，所述棒透镜阵列构成成像光学系统。
本发明的折射率分布型棒透镜的制造方法，如下所述，即，在双重坩锅中的外侧的坩锅(外坩锅)中收容有具有以下(A)所示组成的包层玻璃组合物的熔融体(处于熔融状态的包层玻璃组合物：熔融包层玻璃组合物)，在所述双重坩锅中的内侧的坩锅(内坩锅)中收容有具有以下(B)所示组成的芯部玻璃组合物的熔融体(处于熔融状态的芯部玻璃组合物：熔融芯部玻璃组合物)，通过双重纺丝法，形成具有芯部/包层构造的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，对于所述形成的母玻璃棒，通过采用浸渍在含钠的熔融盐中的离子交换法，向所述母玻璃棒赋予折射率分布，
其中，(A)所述包层玻璃组合物在以摩尔％表示时含有：
SiO2                45～65％
TiO2                0.5～10％
B203                0～15％
Al2O3                0～7％
Bi2O3                0.1～10％
Li2O                 0～5％
Na2O                 5～30％
K2O                  0～10％
MgO                                   0～15％
CaO                                   0～10％
SrO                                   0～10％
BaO                                   0.5～10％
Li2O+Na2O+K2O                          5～35％
MgO+CaO+SrO+BaO                        2～20％
Li2O+Na2O+K2O+MgO+CaO+SrO+BaO           7～50％
Cs2O                                  0～10％
ZnO                                   0～10％
Y2O3                                  0～7％
Nb2O5                                 0～7％
In2O3                                 0～7％
La2O3                                 0～7％
Ta2O5                                 0～10％
ZrO2                                  0～7％
Cs2O+ZnO+Y2O3+Nb2O5+In2O3+La2O3+ZrO2+Ta2O5
                                      0～15％
Sb2O3                                 0～1％
并且，从
MgO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
CaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
SrO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
BaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
中选择的至少两个以上的值是0.1以上，
实质上不含铅；
折射率为1.56～1.68范围，
(B)所述芯部玻璃组合物在以摩尔％表示时含有：
SiO2                                  40～65％
TiO2                                  1～10％
B2O3                                  0～20％
Al2O3                              0～10％
Li2O                               5～12％
Na2O                               5～15％
MgO                                0～16％
CaO                                0～15％
SrO                                0.1～12％
BaO                                0.1～12％
SiO2+TiO2+B2O3+Al2O3                 50～70％
Li2O+Na2O                           10～27％
Li2O/Na2O                           0.7～2
MgO+CaO+SrO+BaO                     5～36％
Cs2O                               0～3％
ZnO                                0～8％
Y2O3                               0～5％
Nb2O5                              0～5％
ln2O3                              0～5％
La2O3                              0～5％
Ta2O5                              0～5％
SnO2                               0～1％
Sb2O3                              0～1％
As2O3                              0～1％
并且从CaO、SrO以及BaO的含有率中选择的至少两个值是0.1～15摩尔％，
并且从MgO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
CaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
SrO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
BaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
中选择的至少两个以上的值是0.1以上：
实质上不含铅。
附图说明
图1A是表示本发明的母玻璃棒的一例的示意图。
图1B是将图1A所示的母玻璃棒从与其光轴方向垂直的面切断的断面图。
图2是示意性表示本发明的母玻璃棒的径向的折射率状态的一例的图。
图3是用于说明形成本发明的母玻璃棒的双重纺丝法的一例的部分断面图。
图4是用于说明形成本发明的棒透镜的离子交换法的原理的示意图。
图5是示意性表示本发明的棒透镜的径向上的折射率分布的一例的图。
图6是表示本发明的棒透镜阵列的一例的立体图。
图7是示意性表示本发明的图像处理装置的一例的断面图。
图8是表示本发明的图像处理装置的另一例的示意图。
图9是表示图8的图像处理装置中的写入头的示意图。
图10是用于说明一般的直接纺丝法的部分断面图。
图11是用于说明一般的双重纺丝法的断面图。
具体实施方式
在以下说明中，对同一部件附上了相同符号，且有时省略了重复的说明。
[关于本发明的包层玻璃组合物]
本发明的包层玻璃组合物具有良好的耐失透性。因此在形成具有芯部/包层构造的母玻璃棒时，能够抑制芯部玻璃组合物的失透，从而能抑制形成的母玻璃棒整体的失透。该效果在芯部玻璃组合物实质上不含铅且具有容易失透的组成的情况下也能获得。即，根据本发明的包层玻璃组合物，能够稳定形成由实质上不含铅的玻璃组合物构成的母玻璃棒。
(耐失透性)
本发明的包层玻璃组合物，在通常的600～1000℃范围的温度中保持120小时的条件下也没有发现失透，并在由双重纺丝法形成母玻璃棒时，能大致防止形成的母玻璃棒的失透。其中，“没有发现失透”是指，在耐失透性评价试验(详细情况参照实施例)中，对于将熔融状态下的玻璃组合物在规定条件下保持之后进行固化而获得的玻璃，使用光学显微镜进行观察(放大倍数100倍程度)时，在该玻璃中观察不到失透物(失透相)的状态。玻璃组合物中的这样特性称为“具有耐失透性”。
(组成)
关于本发明的包层玻璃组合物，说明组成的限定理由。在以下叙述中，组成用％表示时都是摩尔％。
(SiO2)
SiO2是形成玻璃的网眼构造的必要成分。当SiO2的含有率不足45％时很难形成玻璃组合物，当超过65％时熔融温度变得过高，很难形成实用的玻璃组合物。
(TiO2)
TiO2是形成玻璃的网眼构造的必要成分，具有增大玻璃组合物的折射率的作用。如果TiO2含有率不足0.5％，则不能充分获得增大上述折射率的作用，而如果超过10％则容易产生失透现象。
(B2O3)
B2O3是具有协助包层玻璃组合物的玻璃化的作用的任意成分。如果B2O3含有率超过15％则熔融时B2O3的挥发量增大，对构成制造装置的耐火物侵蚀变强烈。当SiO2的含有率为50％以下的情况下，有时B2O3是必须要含有的。
(Al2O3)
Al2O3是任意成分，可以含有7％以下。
(Bi2O3)
Bi2O3是降低熔融温度，具备增大玻璃组合物的折射率的作用的必要成分。如果从与芯部组合物之间的匹配观点出发，如果包层玻璃组合物中的碱土类金属氧化物的含有量过大，则包层玻璃组合物容易失透。因此在本发明的包层玻璃组合物中，抑制碱土类金属氧化物的含有率的同时，作为降低其熔融温度的成分，含有Bi2O3。在本说明书中，碱土类金属是包含镁(Mg)。
如果Bi2O3的含有率不足0.1％则不能充分获得上述作用，如果超过10％则容易产生失透且比重会变得过大。Bi2O3的含有率优选0.5～5％，其下限更优选1.5％、尤其优选2％。
(Li2O)
Li2O是具有降低熔融温度的作用的任意成分。在本发明的包层玻璃组合物中，可以包含5％以下，其中优选不足5％的含有率、更优选3％以下的含有率。如果Li2O的含有率超过5％，则化学耐久性降低，容易产生失透现象。
(Na2O)
Na2O是具有降低熔融温度的作用的必须成分。如果Na2O的含有率不足5％则熔融温度变得过高，如果超过30％则化学性耐久性降低。Na2O的含有率优选10～27％。
(K2O)
K2O是具有降低熔融温度的作用的任意成分。如果K2O的含有率超过10％，则化学性耐久性降低。
(Li2O+Na2O+K2O)
在本发明的包层玻璃组合物中，通过将碱金属氧化物的含有率的合计：X1：(Li2O+Na2O+K2O)控制在35％以下，抑制实用上的耐气候性降低。合计X1优选10～27％，其上限更优选21％。其中，在本说明书中，由于将Cs2O考虑为后述的其他成分，因此从碱金属氧化物中排除Cs2O。
(MgO)
MgO是具有降低熔融温度的作用的任意成分。如果MgO的含有率超过15％，则容易产生失透。
(CaO)
CaO是具有降低熔融温度的作用的任意成分。如果CaO的含有率超过10％，则容易产生失透。
(SrO)
SrO是具有降低熔融温度且增大玻璃组合物的折射率的作用的任意成分。如果SrO的含有率超过10％，则容易产生失透。
(BaO)
BaO是具有降低熔融温度且增大玻璃组合物的折射率的作用的必要成分。如果BaO的含有率不足0.5％则不能充分获得上述作用，如果超过10％，则容易产生失透，此外比重会变得过大。
(碱土类金属氧化物)
这些碱土类金属氧化物一方面具有降低熔融温度的效果，另一方面如果其含有率过高则容易产生失透。因此，在本发明的包层玻璃组合物中，含有两种以上碱土类金属氧化物。其目的在于，如果同时含有两种以上碱土类金属氧化物，则能增大降低熔融温度的作用，其结果能够降低碱土类金属氧化物的含有率的合计X2：(MgO+CaO+SrO+BaO)。
即，在本发明的包层玻璃组合物中，从
MgO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
CaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
SrO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
BaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
中选择的至少两个以上的值是0.1以上。
合计X2是2～20％，而为进一步提高耐失透性，优选2～17％，更优选2～12％、尤其优选2～11％。
此外，为进一步提高耐失透性，除了MgO的碱土类金属氧化物的含有率是合计X3：(CaO+SrO+BaO)优选2～7％，更优选2～6％、尤其优选2～5％。
(碱金属氧化物+碱土类金属氧化物)
在本发明的包层玻璃组合物中，为确保耐失透性，碱金属氧化物和碱土类金属氧化物的含有量的合计X4：(Li2O+Na2O+K2O+MgO+CaO+SrO+BaO)控制为7～50％。合计X4优选7～35％。
(其他成分)
在本发明的包层玻璃组合物中，还可以将Cs2O、ZnO、Y2O3、Nb2O5、In2O3、La2O3、Ta2O5以及ZrO2在上述组成的范围内包含。这些成分具有增大玻璃组合物的折射率的作用。
这些成分的含有率的合计X5：(Cs2O+ZnO+Y2O3+Nb2O5+In2O3+La2O3+Ta2O5+ZrO2)，为保持耐失透性而控制在0～15％。
在本发明的包层玻璃组合物中，可以含有作为来源于澄清剂的成分的Sb2O3，其含有率通常是0～1％。
(铅)
在本发明的包层玻璃组合物中，实质上不含铅(作为代表性组成是PbO)。由于覆盖有本发明的包层玻璃组合物的芯部玻璃组合物实质上也不含铅，因此利用上述包层玻璃组合物形成的母玻璃棒以及由上述母玻璃棒形成的棒透镜以及棒透镜阵列也实质上不含铅。其中，在本说明书中的“实质上不包含”是指含有率不足0.1摩尔％。
因此，本发明的母玻璃棒、棒透镜、棒透镜阵列等都符合各国的环境规定标准，例如符合在EU的有害物质使用规定“RoHs:Restrictions of use ofcertain Hazardous Substances”或者“WEEE:Waste Electrical and ElectronicEquipment”等中铅规定。
(折射率)
本发明的包层玻璃组合物的折射率n2是1.56～1.68的范围，容易与适于棒透镜的芯部玻璃组合物匹配。根据与包层玻璃组合物进行组合的芯部玻璃组合物的折射率n1与上述折射率n2的折射率差△n的值的不同，其程度也有差异，但是，能够抑制使用上述包层玻璃组合物形成的棒透镜中的杂散光。
(着色成分)
本发明的包层玻璃组合物，作为着色成分还可以包含从Fe、Co、Ni、Mn、Cr以及Cu中选择的至少一种元素的氧化物。当含有着色成分的情况下，通过着色成分的光吸收作用，能够进一步抑制使用本发明的包层玻璃组合物形成的棒透镜中的杂散光。
这些着色成分氧化物在包层玻璃组合物中的含有率的合计X6优选在5摩尔％以下。如果该合计X6超过5摩尔％，则容易产生失透。
作为着色成分包含的金属氧化物基本上是，不直接有助于从母玻璃棒形成棒透镜时的离子交换的金属元素的氧化物。一般在玻璃组合物中，其密度、粘度、热膨胀率等物性与着色成分的含有率成比例变化。此外，如果着色成分的含有率过大，则在基于双重纺丝法的纺丝工序中，容易产生玻璃组合物的失透。因此，着色成分的含有率最好在能够将作为目标的波长的光以规定比例吸收的范围内尽可能小。此外，为了将作为棒透镜的折射率分布尽量接近于抛物状分布，也应该将着色成分的含有率尽可能减少。
考虑到以上情况，作为着色成分适合使用Co的氧化物(CoO)以及Fe的氧化物(Fe2O3)。
当作为着色成分含有CoO的情况下，玻璃组成物由Co2+离子的作用，强烈吸收波长域520～680nm的光。由于上述吸收量与CoO的含有率成比例增大，因此CoO的含有率越大，去除入射到包层的不有助于成像的光成分的效果越大。但是，出于上述理由，将CoO的含有率设为0.2～2摩尔％。
当在向棒透镜的入射光的光源中使用白色光的情况下，必须要考虑去除可视光整体的波长域的光，而如果仅含有CoO，则波长500nm以下的光的吸收能不充分。作为吸收波长500nm以下的光的着色成分，使用Fe的氧化物(3价)。Fe3+强烈吸收波长域380～460nm的光。出于上述理由，Fe2O3的含有率设为0.2～5摩尔％。
由此，通过使Co2+离子和Fe3+离子共存于包层玻璃组合物中，能够有效去除可视光整体的波长域的光。
Ni的氧化物(NiO)吸收位于基于CoO的吸收波长域和基于Fe2O3的吸收波长域之间的波长域的光(420～500nm)。因此，也可以将NiO与CoO和Fe2O3共存。如果NiO的含有率过大，则容易产生失透，因此其含有率最好尽量小，这里设为2摩尔％以下。
Cr、Mn以及Cu的氧化物吸收波长500nm以下的光。例如，Cr的氧化物(Cr2O3)强烈吸收与Fe2O3吸收的光大致相同波长域的380～430nm的光，其吸收能比Fe2O3更大。但是，由Cr2O3的影响，包层玻璃组合物、尤其是含锂的包层玻璃组合物中容易产生失透，因此Cr2O3的含有率设为2摩尔％以下。
Mn的氧化物(MnO)在玻璃组合物中以Mn3+存在的情况下，强烈吸收波长域440～500nm的光。但是，当MnO与Fe2O3共存的状态下，是以Mn2+的形式存在，因此不能获得上述的吸收效果。因此，MnO可以包含至含有率2摩尔％为止，但在与Fe2O3共存的状态下，作为着色成分的作用降低。
Cu的氧化物(CuO)能够强烈吸收波长600nm以上的光。出于上述理由，CuO的含有率设为2摩尔％以下。
在本发明的包层玻璃组合物中，除了上述各成分以外，例如还可以分别不足0.5摩尔％的范围含有源于以熔融时的脱泡(澄清)为目的的澄清剂的成分即As2O3、SO3、SnO2、源于氟化合物的F等、或者、源于工业玻璃原料的杂质等各种成分。
[关于本发明的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒]
图1A是表示本发明的母玻璃棒的一例的示意图，图1B是将图1A所示的母玻璃棒1从与其光轴方向(＝长轴方向)垂直的方向(径向)切断的断面图。如图1A和图1B所示，母玻璃棒1具有包层3覆盖芯部2的构造(芯部/包层构造)。在这里，构成包层3的包层玻璃组合物是上述的本发明的包层玻璃组合物，而该母玻璃棒1是已抑制制造时的失透的发生的生产性优良的母玻璃棒。此外，通过对包层玻璃组合物和构成芯部2的芯部玻璃组合物之间的折射率差进行控制，包层玻璃组合物根据需要含有上述着色成分，能够形成抑制了杂散光的棒透镜。在图1A和图B中，在芯部2和包层3之间显示了明显的边界线，但在实际的母玻璃棒1中不一定能通过目视确认上述边界线。
(芯部玻璃组合物)
构成芯部2的芯部玻璃组合物具有上述组成即可。芯部玻璃组合物实质上不含铅，作为在形成棒透镜时形成折射率分布的物质，含有Li2O。由这样的芯部玻璃组合物获得的折射率分布型棒透镜中，也依赖于组合的包层玻璃组合物、或者由从母玻璃棒1形成棒透镜时的离子交换的条件，但是可以将其开口角设为8～18度，尤其可以将开口角设为10～14度。
在本发明的芯部玻璃组合物中，与包层玻璃组合物的情况相同地，除了上述各成分以外，例如还可以分别不足0.5摩尔％的范围含有源于以熔融时的脱泡(澄清)为目的的澄清剂的成分SO3、源于氟化合物的F等、或者、源于工业玻璃原料的杂质等各种成分。
(芯部和包层的折射率差△n)
图2是示意性表示本发明的母玻璃棒1的径向的折射率状态的一例的图。在母玻璃棒1中，芯部2的折射率(芯部玻璃组合物的折射率)n1和包层3的折射率(包层玻璃组合物的折射率)n2之间的差△n(△n＝n1—n2)优选是—0.03～0.04的范围。在此情况下，当作成棒透镜时，可以形成降低基于芯部2和包层3的界面的折射率差引起的反射且抑制了杂散光的棒透镜。该杂散光抑制效果可通过包层玻璃组合物包含上述着色成分而变得更大。
折射率差△n更优选—0.03～0.026的范围，尤其优选—0.03～0.02的范围。
(线径)
母玻璃棒1的线径没有特别限定，通常是100μm～4.0mm的范围。当母玻璃棒1的线径例如超过400μm的情况下，通过用蚀刻方法对母玻璃棒1的侧面进行粗面化或者去除包层3，能够形成进一步抑制杂散光的棒透镜。另一方面，当母玻璃棒1的线径为400μm以下的情况下，考虑到强度问题，很难进行这样的蚀刻处理。但是，在本发明的母玻璃棒中，包层玻璃组合物和芯部玻璃组合物匹配容易，且根据需要使包层玻璃组合物包含着色成分，不一定进行时刻处理也能形成抑制了杂散光的棒透镜。即，母玻璃棒1的线径不一定限定在400μm以下，但如果上述线径为400
μm以下，则能够进一步发挥使用本发明的包层玻璃组合物的效果。此外，当母玻璃棒1的线径为400μm以下的情况下，由该母玻璃棒形成的棒透镜的线径也成为400μm以下。
(芯部以及包层的尺寸)
芯部2的直径通常是0.3mm～1.1mm的范围，包层3的厚度通常使5μm～100μm的范围。
(制造方法)
母玻璃棒1可通过一般的双重纺丝法形成，即例如可以使用如图3所示的具备内坩锅51以及外坩锅52的双重坩锅53。图3所示的双重坩锅53在内坩锅51以及外坩锅52的下端部具备从外坩锅53连续形成的管嘴54，在内坩锅51中配置有对收容在内坩锅51中的熔融玻璃组合物进行搅拌的搅拌器(stirrer)55。
在这里，在内坩锅51中投入并收容处于熔融状态的芯部玻璃组合物(熔融芯部玻璃组合物)4，在外坩锅52中投入并收容处于熔融状态的包层玻璃组合物(熔融包层玻璃组合物)5。根据需要，还可以投入进行了脱泡处理(澄清处理)的熔融玻璃组合物。接着，通过从管嘴54的下端部引出熔融芯部玻璃组合物4和熔融包层玻璃组合物5并纺丝，形成具有芯部/包层构造的母玻璃棒1。其中，收容在内坩锅51熔融芯部玻璃组合物4，作为形成棒透镜时构成折射率分布的物质含有Li2O。此外，还可以通过将半熔融或者固化后状态的玻璃组合物投入到各坩锅中之后，在坩锅内加热、熔融，从而在各坩锅收容熔融玻璃组合物。
在双重纺丝法中，通过对熔融包层玻璃组合物和熔融芯部玻璃组合物的液面差、相对于管嘴54的熔融玻璃组合物的液面高度、管嘴54的温度等，控制芯部2的直径和/或包层3的厚度。
—关于本发明的折射率分布型棒透镜—
本发明的折射率分布型棒透镜是对上述本发明的母玻璃棒通过采用离子交换法赋予折射率分布而获得的棒透镜。因此，本发明的棒透镜的生产性优良，而且伴随着杂散光的抑制，能够形成光学特性(例如，在实施例中后述的MTF值)优良的棒透镜。此外，由于是实质上不含铅的棒透镜，因此能够在维持一定程度的开口角的同时使色散很小，适用于全彩图像处理中。
离子交换法可以采用一般方法，例如如图4所示，可以在收容于容器61(例如不锈钢制)中的含钠熔融盐(例如硝酸钠的熔融盐)62中浸渍母玻璃棒1。此时，熔融盐62的温度优选保持在构成母玻璃棒1的玻璃组合物的玻璃化温度附近。通过将母玻璃棒1浸渍在熔融盐62中，母玻璃棒1中的Li离子(图4中的X)和熔融盐62中的Na离子(图中的Y)交换，使得在母玻璃棒1的径向形成Li的组成分布，从而被赋予折射率分布。即，本发明的棒透镜是通过对上述本发明的母玻璃棒进行Li离子和Na离子的离子交换而赋予折射率分布的棒透镜。形成的棒透镜的形状与母玻璃棒1的形状一样。
图5是示意性表示本发明的棒透镜的折射率分布的一例的图。如图5所示，对于本发明的棒透镜11从其径向观察时，形成随着从中央部到周缘部，折射率相对降低的折射率分布。该折射率分布与棒透镜11的径向上的Li分布相对应。
—关于本发明的棒透镜阵列以及图像处理装置—
图6表示本发明的棒透镜阵列的一例。图6所示的棒透镜阵列21具备两个以上的棒透镜11，各棒透镜11以棒透镜11的光轴方向相互大致平行的方式排列，并与一对的FRP基板22和黑色树脂23一体化。这样的棒透镜阵列21通过以下方式形成，即，在一方的FRP基板22的表面大致平行排列两个以上的棒透镜11，用另一方的FRP基板22夹持棒透镜11之后，用黑色树脂43填充一对FRP基板22之间的空间，使整体一体化，再对棒透镜11的断面进行研磨，最终形成。
本发明的棒透镜阵列的构造以及构成不限定于图6所示的例子。使用于构成棒透镜阵列的各部分中的材料等，只要是与棒透镜阵列中一般使用的材料相同即可。
在图7中，作为本发明的图像处理装置的一例，表示了图像读取装置的一例。如图7所示的图像读取装置31是扫描仪，其在筐体32内具备线状照明体33、由玻璃板构成的原稿台34、棒透镜阵列21、以及受光元件36。棒透镜阵列21配置在当在原稿台34上配置了原稿时从线状照明体33朝原稿35照射并在原稿35的表面反射的光入射到受光元件36的光路37上。棒透镜阵列21构成将上述反射的光用受光元件36成像的成像光学系统。
在图8中，作为本发明的图像处理装置的另一例，表示了图像形成装置的例子。图8所示的图像形成装置41是光打印机，它是如下的装置，即，用写入头(光写入头)42对感光辊筒43使光曝光而形成图像(潜影)，并将形成的图像定影在用纸44上。在这里，如图9所示，写入头42具备本发明的棒透镜阵列21和发光元件阵列45，棒透镜阵列21形成将从发光元件阵列45发射的光曝光于感光辊筒43上的成像光学系统(更详细地说，棒透镜阵列21构成其焦点位于感光辊筒43的表面的正像等倍光学系统)。
如图8所示的光打印机，具有与一般的光打印机相同的构成，并利用与一般的光打印机相同的机构，在用纸44上形成图像。具体地说，在圆筒状的感光滚筒43的表面形成由无定形Si等具有光传导性的材料(感光体)构成的感光层。最初用带电器46使旋转的感光辊筒43的表面相同地带电。接着用写入头42向感光辊筒43的感光层照射与形成的图像对应的点像的光，对感光层中的照射了光的区域的带电进行中和，在感光层形成潜影。接着用显影器47向感光层附着色料调色剂，则色料调色剂按照感光层的带电状态，附着在感光层中的形成潜影的部分上。接着用转印器48将附着的色料调色剂转印在从暗盒输送来的用纸44上之后，用定影器49对纸44加热，则色料调色剂在用纸44上定影而形成图像。另一方面，结束转印的感光辊筒43，由削去灯50在整个区域中和带电，并用清扫器40去除残留在感光层上的色料调色剂。
本发明的棒透镜阵列21除了图7～图9所示的例子之外，还能适用于任意的图像处理装置中。例如，作为使用了棒透镜阵列21的图像处理装置，可举出LED阵列打印机、液晶快门打印机等图像形成装置、传真机、扫描仪等图像读取装置等。
(实施例)
以下根据实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明并不限定于以下所示的实施例。
(耐失透性评价试验)
将改变组成的包层玻璃组合物制成8种类(实施例样品1～2、以及比较例样品1～6)，并对各样品的耐失透性进行了评价。
最初，以成为如表1和表2所示的各组成的方式混合玻璃原料，进行熔融后，使之固化，获得包层玻璃组合物。接着，将获得的包层玻璃组合物粉碎成粒径1mm程度，并用乙醇充分清洗粉碎后的组合物之后，均匀收容在舟皿(boat)(白金制：长度200mm、宽度12mm、深度8mm)。接着，对舟皿在1400℃以上加热40分钟，均匀熔融被收容的包层玻璃组合物之后，在保持在600～1000℃温度范围的梯度炉中保持120小时。此后，对整体冷却、固化，用放大率100倍的光学显微镜确认固化后的包层玻璃组合物中是否有失透物(失透相)，从而评价了耐失透性。当在梯度炉中经过120小时之前确认大量失透物的情况下，在确认的时点取出玻璃组合物，与上述相同地用光学显微镜观察了失透的产生状况。其中，在梯度炉中的保持温度为600℃～700℃、700℃～800℃、以及800℃～1000℃的各温度范围，对各个失透性进行了评价。
如表1和表2所示，对于比较例样品2～6，在梯度炉中的保持温度为600℃～700℃、700℃～800℃、以及800℃～1000℃的全部条件下确认了失透物。与之相对，在实施例样品1～2以及比较例样品1中，在上述所有温度条件下都没有确认失透物。对此认为是，在比较例样品2～6中，通过碱土类金属氧化物的含有率超过20摩尔％、包含的碱土类金属氧化物的种类是一种、和/或、不含Bi2O3，使得与实施例样品1～2以及比较例样品1相比，耐失透性劣化了。
此外，对评价耐失透性前(粉碎前)的各包层玻璃组合物进行折射率评价的结果发现，如表1和表2所示，包含Bi2O3的实施例样品1～2与不包含Bi2O3的比较例样品相比，具有折射率变高的倾向。如果在耐失透性优良的样品间比较，则与不含Bi2O3的比较例样品1的折射率不足1.56相比，实施例样品1～2的折射率是1.58以上。其中，在作为着色成分含有Fe2O3以及CoO的样品中，在含有着色成分的状态下很难测定折射率，因此另外制作了除了不含着色成分之外、成分的相对的摩尔比相同的样品，对该样品测定了折射率。
(基于双重纺丝法的纺丝试验)
接着，对确认为耐失透性优良的实施例样品1～2以及比较例样品1、以及作为耐失透性拙劣的样品的代表的比较例样品2，使用图3所示的双重坩锅进行了纺丝试验，形成了如图1A所示的具有芯部/包层构造的母玻璃棒，评价了其纺丝状态。
在母玻璃棒的纺丝中，作为包层玻璃组合物使用了上述各样品。与各样品组合的芯部玻璃组合物，使用了具有如表1和表2所示的组成的芯部玻璃组合物。芯部玻璃组合物使用了预先以成表1和表2所示的各组成的方式混合玻璃原料并将其熔融后再固化的芯部玻璃碎玻璃。
将各个玻璃组合物熔融后收容在各坩锅中，进行了纺丝试验。纺丝的母玻璃棒的线径在实施例样品2中是400μm、在其他样品中是300μm。
其结果，在作为包层玻璃组合物使用实施例样品1～2以及比较例样品1的情况下，能够进行连续7天以上的纺丝。与之相对，在使用比较例 样品2的情况下，纺丝开始后经过1天之前产生了失透，很难继续进行一天以上的纺丝。对此认为，是由于比较例样品2中的碱土类金属氧化物的含有率为20摩尔％以上，在纺丝中产生失透，所以很难稳定地进行纺丝。另外，通过使用X线显微分析仪(EPMA)分析生成的失透物的结果发现，上述失透物由包含作为碱土类金属元素的Ba和/或Sr、以及Si的失透相构成。
表1和表2中表示了在各样品中使用的芯部玻璃组合物的折射率。在进行纺丝试验的所有样品中，与各样品组合的芯部玻璃组合物的折射率是1.591～1.592的范围。
(棒透镜阵列的制作、以及MTF值评价试验)
接着，向由纺丝试验形成的母玻璃棒，通过如图4所示的离子交换法赋予了折射率分布，形成了棒透镜。离子交换法是通过以下方法进行，即，将形成的母玻璃棒浸渍在保持为500℃附近的硝酸钠熔融盐中，对玻璃组合物中的Li离子和熔融盐中的Na离子进行交换。
接着，使用由离子交换法形成的棒透镜，制作了如图6所示的棒透镜阵列。从使用实施例样品1～2以及比较例样品1而形成的母玻璃棒通过上述离子交换法获得线径大致均匀的棒透镜，能够制作棒透镜阵列，但使用比较例样品2形成的母玻璃棒由于能看到线径不均且无法形成线径一致的多个棒透镜，因此很难制作棒透镜阵列。
接着，对于形成的棒透镜阵列，对MTF(Modulation Transfer Function)值进行了评价。MTF值是将物体和由棒透镜获得的像的对比(contrast)的比作为空间频率的函数表示的值，而该MTF值越接近100％，能形成越忠实于原来物体(原画)的像，并表示能发挥高的分辨率。在MTF值评价中，将网格图形的空间频率设为12Lp/mm，并在测定光中使用了将白色光用干涉滤波器调整为470nm、530nm以及660nm的光。表1和表2表示了网格图形的评价机结果。
如表1和表2所示，使用比较例样品1形成的棒透镜阵列中，MTF值是50％以下，而与之相对，在使用实施例样品1～2形成的棒透镜阵列中，显示了MTF值60％以上的优良的值。关于MTF值提高的原因考虑如下，即，在实施例样品1～2中，通过含有Bi2O3，使包层玻璃组合物的折射率为1.58以上且使△n的值为0.012以下，因此能够抑制杂散光，使MTF值变高。
此外，对于使用实施例样品1形成的棒透镜，将线径设为600μm，对表面进行蚀刻处理而粗面化的结果，同样获得了MTF值60％以上的值。
[表1]
Figure S05185988720050727D000231
[表2]
Figure S05185988720050727D000241

Claims (15)

1.一种具有芯部/包层构造的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：
构成包层的包层玻璃组合物是下述的包层玻璃组合物，
所述包层玻璃组合物在以摩尔％表示时含有：
SiO2               45～65％
TiO2               0.5～10％
B2O3               0～15％
Al2O3              0～7％
Bi2O3              0.1～10％
Li2O               0～5％
Na2O               5～30％
K2O                0～10％
MgO                0～15％
CaO                0～10％
SrO                0～10％
BaO                0.5～10％
Li2O+Na2O+K2O                        5～35％
MgO+CaO+SrO+BaO                       2～20％
Li2O+Na2O+K2O+MgO+CaO+SrO+BaO                 7～50％
Cs2O               0～10％
ZnO                0～10％
Y2O3               0～7％
Nb2O5              0～7％
In2O3              0～7％
La2O3              0～7％
Ta2O5              0～10％
ZrO2              0～7％
Cs2O+ZnO+Y2O3+Nb2O5+In2O3+La2O3+ZrO2+Ta2O5
                   0～15％
Sb2O3              0～1％
并且，从
MgO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
CaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
SrO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
BaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
中选择的至少两个以上的值是0.1以上，
实质上不含铅；
折射率为1.56～1.68范围，
构成芯部的芯部玻璃组合物在以摩尔％表示时包含：
SiO2           40～65％
TiO2            1～10％
B2O3            0～20％
Al2O3           0～10％
Li2O            5～12％
Na2O            5～15％
MgO             0～16％
CaO             0～15％
SrO             0.1～12％
BaO             0.1～12％
SiO2+TiO2+B2O3+Al2O3               50～70％
Li2O+Na2O                          10～27％
Li2O/Na2O                          0.7～2
MgO+CaO+SrO+BaO                    5～36％
Cs2O            0～3％
ZnO             0～8％
Y2O3            0～5％
Nb2O5           0～5％
In2O3           0～5％
La2O3           0～5％
Ta2O5           0～5％
SnO2            0～1％
Sb2O3           0～1％
As2O3           0～1％
并且从CaO、SrO以及BaO的含有率中选择的至少两个值是0.1～15摩尔％，
并且从
MgO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
CaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
SrO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
BaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
中选择的至少两个以上的值是0.1以上，
实质上不含铅。
2.如权利要求1所述的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：
所述包层玻璃组合物中，作为着色成分还含有从Fe、Co、Ni、Mn、Cr以及Cu中选择的至少一种元素的氧化物。
3.如权利要求2所述的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：
所述着色成分的含有率是5摩尔％以下。
4.如权利要求1所述的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：
所述包层玻璃组合物在600℃～1000℃的范围的温度、保持120小时的条件下具有耐失透性。
5.如权利要求1所述的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：
所述包层玻璃组合物中，Bi2O3的含有率是0.5～5摩尔％。
6.如权利要求1所述的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：
所述包层玻璃组合物中，MgO、CaO、SrO以及BaO的含有率的合计是2～17摩尔％。
7.如权利要求6所述的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：
所述包层玻璃组合物中，MgO、CaO、SrO以及BaO的含有率的合计是2～12摩尔％。
8.如权利要求1所述的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：
所述包层玻璃组合物中，CaO、SrO以及BaO的含有率的合计是2～7摩尔％。
9.如权利要求8所述的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：
所述包层玻璃组合物中，CaO、SrO以及BaO的含有率的合计是2～6摩尔％。
10.如权利要求1所述的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：
所述芯部玻璃组合物的折射率n1和所述包层玻璃组合物的折射率n2之间的差Δn是-0.03～0.04的范围，其中Δn＝n1-n2。
11.如权利要求1所述的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，其特征是：线径是400μm以下。
12.一种折射率分布型棒透镜，其特征是：
是对于权利要求1所述的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，通过离子交换法赋予折射率分布而获得。
13.一种棒透镜阵列，其特征是：
具备两个以上的权利要求12所述的折射率分布型棒透镜，
所述棒透镜以所述棒透镜的光轴方向大致相互平行的方式排列并一体化。
14.一种图像处理装置，其特征是：
具备权利要求13所述的棒透镜阵列，
所述棒透镜阵列构成成像光学系统。
15.一种折射率分布型棒透镜的制造方法，其特征是：
在双重坩锅的外侧的坩锅中，收容具有以下(A)所示组成的包层玻璃组合物的熔融体，
在所述双重坩锅的内侧的坩锅中，收容具有以下(B)所示组成的芯部玻璃组合物的熔融体，
通过双重纺丝法，形成具有芯部/包层构造的折射率分布型棒透镜用母玻璃棒，
对于所述形成的母玻璃棒，通过采用浸渍在含钠的熔融盐中的离子交换法，向所述母玻璃棒赋予折射率分布，
其中，
(A)所述包层玻璃组合物在以摩尔％表示时含有：
SiO2             45～65％
TiO2             0.5～10％
B2O3             0～15％
Al2O3            0～7％
Bi2O3            0.1～10％
Li2O             0～5％
Na2O             5～30％
K2O              0～10％
MgO              0～15％
CaO              0～10％
SrO              0～10％
BaO              0.5～10％
Li2O+Na2O+K2O              5～35％
MgO+CaO+SrO+BaO            2～20％
Li2O+Na2O+K2O+MgO+CaO+SrO+BaO          7～50％
Cs2O        0～10％
ZnO         0～10％
Y2O3        0～7％
Nb2O5       0～7％
In2O3       0～7％
La2O3       0～7％
Ta2O5       0～10％
ZrO2        0～7％
Cs2O+ZnO+Y2O3+Nb2O5+In2O3+La2O3+ZrO2+Ta2O5
            0～15％
Sb2O3       0～1％
并且，从
MgO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
CaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
SrO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
BaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
中选择的至少两个以上的值是0.1以上，
实质上不含铅；
折射率为1.56～1.68范围，
(B)所述芯部玻璃组合物在以摩尔％表示时含有：
SiO2       40～65％
TiO2        1～10％
B2O3        0～20％
Al2O3       0～10％
Li2O        5～12％
Na2O        5～15％
MgO         0～16％
CaO         0～15％
SrO         0.1～12％
BaO         0.1～12％
SiO2+TiO2+B2O3+Al2O3           50～70％
Li2O+Na2O                      10～27％
Li2O/Na2O                      0.7～2
MgO+CaO+SrO+BaO                5～36％
Cs2O        0～3％
ZnO         0～8％
Y2O3        0～5％
Nb2O5       0～5％
In2O3       0～5％
La2O3       0～5％
Ta2O5       0～5％
SnO2        0～1％
Sb2O3       0～1％
As2O3       0～1％
并且从CaO、SrO以及BaO的含有率中选择的至少两个值是0.1～15摩尔％，
并且从
MgO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
CaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
SrO/(MgO+CaO+SrO+BaO)、
BaO/(MgO+CaO+SrO+BaO)
中选择的至少两个以上的值是0.1以上，
实质上不含铅。
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