JP2005035881A

JP2005035881A - 光学ガラス

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Publication number: JP2005035881A
Application number: JP2004187371A
Authority: JP
Inventors: Thorsten Doehring; ドエーリンクトルステン; Ina Mitra; ミトライナ
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: FR2857659B1; RU2004121615A; CN100593022C; JP4309314B2; RU2375316C2; FR2857659A1; US20050014626A1; JP2009001488A; US20080139376A1; CN1576254A; US7754630B2; US7524782B2; DE10333399B3; JP4966271B2

Abstract

【課題】大きな寸法の、レンズ、プリズム、鏡などの光透過性部品の製造を可能にし、光学的に均一な高品質な部品の製造を経済的に可能にする、光学ガラスを提供する。
【解決手段】35〜70重量%のSiO₂、17〜35重量%のAl₂O₃、3〜17重量%のP₂O₅、0〜6重量%のLi₂O、0.5〜4重量%のMgO、0.5〜3重量%のZnO、最大1重量%のCaO、最大0.5重量%のBaO、0.5〜6重量%のTiO₂、0.5〜3重量%のZrO₂、0〜1重量%のNa₂O、0〜1重量%のK₂O、最大1重量%の清澄剤(As₂O₃、SP₂O₃)および最大500ppmのその他不純物を含み、厚さが100ミリメートルまたはそれ以上のレンズなどの大きな透過型光学機器の製造のための光学ガラス。ガラス組成はガラスセラミックZerodur(登録商標)の組成と同じものでありうるが、この組成は費用効率の高い方法で大きな透過型光学機器の製造を可能とし、He-Neレーザーの範囲において最大の透過率を有し、約3・10^-6/KのCTEを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学ガラス、特に相当な大きさまたは相当な体積の光透過性部品の製造に各々適した光学ガラスに関する。

従来技術の光学ガラスは、所望のスペクトル域および好ましいアッベ数で優れた均質性、優れた透過性を提供するが、大きいサイズ、例えば各々直径0.5mもしくは1mまたは厚さ50mm、100mm、もしくはそれ以上の、レンズ、プリズムおよびウィンドウなどの光透過性部品の製造は、実用を検討するとほとんど不可能である。
精度の高い天文鏡、特に凸型の副鏡の研磨品質を試験するには、通常、干渉計の試験器具に、しばしば標準レンズ、いわゆるマトリクスをこの目的のために利用する。この目的には、例えば少なくとも1表面が非球面に強く成形加工されている両凸レンズが一般的である。ここに、脈理の数および屈折率の均一性に関してこれらのレンズの材料に厳しい要件がある。膨張係数の低い材料を利用するのが好ましい。さらに、この点で、一般に利用される633nmのレーザー波長で可能な限り高い透過性が求められる。

現在まで、このような適用にはBK7またはFK5などの光学ガラスが利用されている。しかし、各々直径1〜1.5mまたは厚さ100〜150mmのレンズなど、極めて大きな光学部品の製造は、それに加えて少なくとも経済的に実現可能な方法では不可能であった。
独国特許発明第1 596 860号明細書独国特許発明第1 902 432号明細書

従って、本発明の目的は、各々横方向の最大サイズが少なくとも0.5mもしくは1mの、または厚さが少なくとも50mmもしくは100mmの、レンズ、プリズム、鏡などの光透過性部品の製造を可能にし、光学的に均一な高品質な部品の製造を経済的に可能にする、光学ガラスを提供することである。さらに、個々のガラスはできる限り低い熱膨張係数を有し、光学的な可視領域で十分な真の透過率を有するべきである。

さらに、このような光学ガラスの使用および大きなサイズの光透過性部品の製造のための方法を開示する。

本発明によれば、本目的は以下の組成(重量%)を有する光学ガラスによって達せられる。
SiO₂: 35〜75重量%
Al₂O₃: 17〜35重量%
B₂O₃: 0〜5重量%
P₂O₅: 1〜17重量%
SnO₂+ZrO₂+TiO₂: 0.1〜8重量%
Na₂O+K₂O+Cs₂O+Li₂O: 0.1〜8重量%
CaO+MgO+SrO+BaO+ZnO: 0.1〜8重量%
Sb₂O₃、As₂O₃、SnO₂、CeO₂、
硫酸塩またはハロゲン化合物
などの清澄剤（泡切剤）: ≦2重量%（2重量%以下）
V₂O₅、Cr₂O₃、MnO、Fe₂O₃、CoO、
NiOおよびその他の不純物などの
着色酸化物: ≦1重量%（1重量%以下）
これによって、本発明の目的は十分に達せられる。

本発明の光学ガラスにより、大きい寸法の光透過性部品の製造、例えば直径1.5mまたはそれ以上のレンズの製造が可能となる。本発明の光学ガラスにより、鋳造（キャスティング）法を用いてこのような大きな光学部品の製造が経済的に可能となる。光学ガラスはバッチ式溶融装置にて溶融し、制御された方法で冷却し、その後機械的に加工、特に切断、研削、ラップ仕上げまたは磨き仕上げしてレンズ、プリズムおよびウィンドウなどの大きなサイズの光透過性部品を製造するのが好ましい。

特に、このような光学ガラスは、大きな非球面鏡、または鏡のセグメントのための試験光学機器の製造、例えば少なくとも1表面が非球面に強く成形加工され、直径が1.5m以上の両凸レンズの製造に好適である。
類似のガラス組成が上記特許文献１または上記特許文献２から既に知られているが、これはZerodur(登録商標)という商標のもとで出願人により販売されているガラスセラミックの製造のための原料ガラスに関する。

しかし、このようなガラスセラミックは、結晶の含有物によって分散点が多く生じるため、透過が大きくマイナスに損なわれ、特に大きな部品への適用が不可能になることから、光学ガラスとしては好適でない。
本願での「光学ガラス」とは、可視スペクトル域において可能な限り透過率が高く、概ね不均質および応力のない光透過性部品に特に好適な透明ガラスをいうものと理解される。よって本発明の光学ガラスは、既知の従来技術のガラスセラミックからは自明ではない。というのも当業者はこのような組成を光学ガラスのためのものとして意図しないからである。このようなガラスセラミックの製造のための原料（ベース）ガラスは必要な純度を有さず、標準的に、光学ガラスとしての適用には障害となりうる、若干黄色がかった色合いをしている。

本発明の好ましい発展によれば、光学ガラスは以下の組成を有する。
SiO₂ 35〜70重量%
Al₂O₃ 17〜35重量%
P₂O₅ 3〜17重量%
Li₂O 2〜6重量%
MgO 0.5〜4重量%
ZnO 0.5〜3重量%
CaO ≦1重量%（1重量%以下）
BaO ≦0.5重量%（0.5重量%以下）
TiO₂ 0.1〜6重量%
ZrO₂ 0.1〜3重量%
Na₂O 0〜1重量%
K₂O 0〜1重量%
As₂O₃ ≦1重量%（1重量%以下）
Sb₂O₃ ≦1重量%（1重量%以下）
その他不純物 ≦0.5重量%（0.5重量%以下）
本発明のさらに有利な発展によれば、光学ガラスは以下の組成を有する。

SiO₂ 50〜60重量%
Al₂O₃ 20〜30重量%
P₂O₅ 3〜12重量%
Li₂O 3〜4重量%
MgO 0.5〜2.5重量%
ZnO 0.5〜3重量%
CaO ＜1重量%（1重量%未満）
BaO ＜0.5重量%（0.5重量%未満）
TiO₂ 1.5〜3.5重量%
ZrO₂ 1〜2.5重量%
Na₂O 0〜1重量%
K₂O 0〜1重量%
As₂O₃+ Sb₂O₃ ≦1重量%（1重量%以下）
その他不純物 ≦0.2重量%（0.2重量%以下）
特に、このような組成範囲で特に有利な透過率が達せられる。

透過率をさらに改善するために、着色剤である不純物、貴金属およびハロゲン化物、特にFe₂O₃、PbO、Pt、Rh、Cl^-、およびF^-をそれぞれ最大500ppmに保つことが好ましい。
さらに、本発明の光学ガラスはFe₂O₃含量が最大120ppm、好ましくは80ppmであるのが好ましい。
また、これは、大きな厚さ、特に所望の光学範囲、および、特にサンプル波長範囲633nmにおいて、十分な真の透過率を保証するために有利である。

本発明の光学ガラスは、0℃から50℃の範囲で熱膨張係数が最大4.1・10^-6/K、好ましくは最大3.5・10^-6/K、特に好ましくは約3・10^-6/Kであるのが好ましい。
この低い熱膨張係数のため、本発明の光学ガラスは大きなサイズの光透過性部品の製造に特に好適である。すなわち、熱膨張係数における差異が小さいために、熱膨張係数が通常≧4.4・10^-6/K（4.4・10^-6/K以上）である従来技術の光学ガラスと比較して、応力および破壊の発生が著しく低減される。よって、特に温度偏差により生じる像の歪みも減少する。

本発明の光学ガラスは、屈折率n_dが1.42≦n_d≦1.63の範囲、好ましくは1.47≦n_d≦1.58の範囲であるのが好ましい。
さらに、本発明の光学ガラスは、アッベ数ν_dが53≦ν_d≦63の範囲、好ましくは57.1≦ν_d≦59.1の範囲であるのが好ましい。よって、本発明の光学ガラスは、アッベ図においてクラウンガラスの領域にあるが、異なる化学組成を有する。

本発明の光学ガラスの長さ100mmの試験体に対する真の透過率は、波長範囲500nm〜750nmで少なくとも0.55、波長範囲550nm〜750nmで少なくとも0.7、および波長範囲600nm〜750nmで少なくとも0.8である。
本発明の光学ガラスは波長範囲600nm〜750nmでその真の透過率が最大となるのが好ましい。

大きい寸法の光透過性部品の製造方法に関して、本発明の目的は上記の組成を有するガラスを、好ましくはバッチ溶融装置にて溶融し、制御可能に冷却し、その後機械的に加工、特に切断、研削、ラップ仕上げおよび磨き仕上げすることにより解決される。
当然のことながら、前述の特徴は、所定の組み合わせだけでなくその他の組み合わせまたは単独で、本発明の範囲を逸脱することなく適用される。

本発明のさらなる特徴および利点は、図面を参照しながら以下の好ましい実施形態の説明から理解できる。

以下の組成
SiO₂ 57.2重量%
Al₂O₃ 25.3重量%
P₂O₅ 6.5重量%
Li₂O 3.4重量%
MgO 1.0重量%
ZnO 1.4重量%
Na₂O 0.2重量%
K₂O 0.4重量%
As₂O₃ 0.5重量%
TiO₂ 2.3重量%
ZrO₂ 1.8重量%
のガラスを、特に純粋な出発原料および坩堝材料を用いて、不純物、特に着色不純物、貴金属およびハロゲン化物をそれぞれ最大500ppmに保って溶融した。FeO₂O₃含量は約80ppmであった。

溶融は約1500℃〜1600℃にて実施し、清澄（リファイニング）には温度を約1600℃まで上げた。均質化の間、温度を約1400℃まで下げた。直径約1.5mのレンズの成形および作製には、溶融物を1200℃に予熱しておいた独立した型に注入した。その後、ガラス転移温度Tgより高い温度までの冷却をできる限り迅速に、例えば、数時間以内に約700℃の冷却を実施した。このように、冷却段階での結晶化を最小限に抑えた。その後の第2段階で室温までの冷却を、割れおよび応力を避けるため十分に小さい冷却速度で制御して実施し、この目的を達するため、ガラス塊の直径に応じて最大1.0K/分、この場合約0.1K/分の冷却速度を用いた。

このようなガラス塊は、機械的に加工して、そこから光透過性部品、例えば少なくとも１つの非球面に強く成形された表面を有し、直径が1.5mの両凸レンズを製造することができる。このように製造されたガラス塊について熱膨張係数(CTE)を測定すると、0℃〜50℃の範囲では3.02・10^-6/Kであり、-30℃〜70℃の範囲では2.97・10^-6/Kであった。
この光学ガラスの密度は2452.7kg/m³であった。

ガラス転移温度Tgは約675℃であることが分かった。屈折率n_dは1.526であり、そのときのアッベ数ν_dは58.12であった。
本発明の、長さ100mmの試験体について測定された真の透過率を、図1に波長に応じて示す(真の透過率は透過率に比べてより純粋な物質特性である。なぜなら透過率に含まれる試験体の入射時および出射時の反射損失が真の透過率では除外されているからである。)。

比較のため、図1では従来技術によるガラスセラミックZerodur(登録商標)からなる長さ100mmのもう1つの試験体の真の透過率も、波長に応じて示す。
本発明のガラスは、600nm〜750nmの範囲で、厚さ100mmであってさえも真の透過率が0.8を越え、従って、特に、一般に用いられるHe-Neレーザーの633nmの波長範囲で真の透過率は概ね最大値を有することが分かる。これに対して、ガラスセラミックZerodur(登録商標)は対象となるスペクトル域での真の透過率は相当に小さいが、それは以外では同じ構成を有する。特に、厚さが500mmまで、またはそれ以上であるようなより大きな寸法を意図するのであれば、本発明のガラスの優位性は明白である。なぜなら真の透過率は厚さが増加すると指数関数的に減少するからである。

大きな天体望遠鏡の試験光学機器としての好ましい適用とは別に、天体カメラおよび補正光学系のレンズ、ならびに各々大きな寸法の望遠鏡のプリズムなどのさらなる適用も考えられる。

波長毎の、本発明のガラスの真の透過率と同一組成のガラスセラミックZerodur(登録商標)の真の透過率との比較を示している。

Claims

SiO₂: 35〜75重量%
Al₂O₃: 17〜35重量%
B₂O₃: 0〜5重量%
P₂O₅: 1〜17重量%
SnO₂+ZrO₂+TiO₂: 0.1〜8重量%
Na₂O+K₂O+Cs₂O+Li₂O: 0.1〜8重量%
CaO+MgO+SrO+BaO+ZnO: 0.1〜8重量%
Sb₂O₃、As₂O₃、SnO₂、CeO₂、
硫酸塩またはハロゲン化合物
などの清澄剤: ≦2重量%（2重量%以下）
V₂O₅、Cr₂O₃、MnO、Fe₂O₃、CoO、
NiOおよびその他の不純物などの
着色酸化物: ≦1重量%（1重量%以下）
を含む、光学ガラス。
SiO₂ 35〜70重量%
Al₂O₃ 17〜35重量%
P₂O₅ 3〜17重量%
Li₂O 2〜6重量%
MgO 0.5〜4重量%
ZnO 0.5〜3重量%
CaO ≦1重量%（1重量%以下）
BaO ≦0.5重量%（0.5重量%以下）
TiO₂ 0.1〜6重量%
ZrO₂ 0.1〜3重量%
Na₂O 0〜1重量%
K₂O 0〜1重量%
As₂O₃ ≦1重量%（1重量%以下）
Sb₂O₃ ≦1重量%（1重量%以下）
その他不純物 ≦0.5重量%（0.5重量%以下）
を含む、請求項１に記載の光学ガラス。
SiO₂ 50〜60重量%
Al₂O₃ 20〜30重量%
P₂O₅ 3〜12重量%
Li₂O 3〜4重量%
MgO 0.5〜2.5重量%
ZnO 0.5〜3重量%
CaO ＜1重量%（1重量%未満）
BaO ＜0.5重量%（0.5重量%未満）
TiO₂ 1.5〜3.5重量%
ZrO₂ 1〜2.5重量%
Na₂O 0〜1重量%
K₂O 0〜1重量%
As₂O₃+ Sb₂O₃ ≦1重量%（1重量%以下）
その他不純物 ≦0.2重量%（0.2重量%以下）
からなる、請求項１または２に記載の光学ガラス。
着色剤、貴金属およびハロゲン化物、特に、Fe₂O₃、PbO、Pt、Rh、Cl^-、およびF^-をそれぞれ最大500ppm含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の光学ガラス。
Fe₂O₃を最大で、120ppm、好ましくは約80ppm含む、請求項１ないし４のいずれかに記載の光学ガラス。
熱膨張係数が、0℃〜50℃の範囲で、最大4.1・10^-6/K、好ましくは最大3.5・10^-6/K、特に好ましくは約3・10^-6/Kである、請求項１ないし５のいずれかに記載の光学ガラス。
屈折率n_dが1.42≦n_d≦1.63の範囲、好ましくは1.47≦n_d≦1.58の範囲である、請求項１ないし６のいずれかに記載の光学ガラス。
アッベ係数ν_dが53≦ν_d≦63の範囲、好ましくは57.1≦ν_d≦59.1の範囲である、請求項１ないし７のいずれかに記載の光学ガラス。
波長範囲500ナノメートル〜750ナノメートルでの真の透過率が、長さ100ミリメートルの試験体に対して少なくとも0.55である、請求項１ないし８のいずれかに記載の光学ガラス。
波長範囲550ナノメートル〜750ナノメートルでの真の透過率が、長さ100ミリメートルの試験体に対して少なくとも0.7である、請求項９に記載の光学ガラス。
波長範囲600ナノメートル〜750ナノメートルでの真の透過率が、長さ100ミリメートルの試験体に対して少なくとも0.8である、請求項９に記載の光学ガラス。
波長範囲600ナノメートル〜750ナノメートルでその真の透過率が最大となる、請求項９ないし１１のいずれかに記載の光学ガラス。
光透過性部品の製造、特に最大の厚さが少なくとも50ミリメートル、好ましくは少なくとも100ミリメートルのレンズ、プリズムまたはウィンドウの製造のための、光学ガラスの使用。
望遠鏡、特に非球面鏡、またはそのセグメントのための試験光学機器の製造のための請求項１３に記載の光学ガラスの使用。
光透過性部品の製造方法、特に最大の厚さが少なくとも50ミリメートル、好ましくは少なくとも100ミリメートルのレンズ、プリズムまたはウィンドウの製造方法であって、請求項１ないし１２のいずれかに記載のガラスを、好ましくはバッチ式溶融装置にて溶融し、制御された方法で、続いて機械的に制御された方法で冷却し、その後機械的に加工、特に切断、研削、ラップ仕上げまたは磨き仕上げする、方法。