JP2010059012A - 光学ガラス - Google Patents

Abstract

【課題】より高い屈折率を有すると共により成形性に優れた光学ガラスを提供する。
【解決手段】光学ガラスは、Ｂｉ₂Ｏ₃，Ｂ₂Ｏ₃,ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＺｎＯを含み、以下の条件式（１）および条件式（２）を満足する。但し、条件式（１），（２）において、Ｘは全体におけるＢｉ₂ Ｏ₃の含有率（重量％）であり、Ｙは全体におけるＢ₂ Ｏ₃の含有率（重量％）である。条件式（１）を満足することで結晶化が回避され、高い透明性が確保される。また、条件式（２）の下限を上回ることでｄ線に対する屈折率Ｎｄが１．９以上となり、条件式（２）の上限を下回ることでガラス化し易くなる。Ｘ＋Ｙ≧７５……（１）２．５＜Ｘ／Ｙ＜１３……（２）
【選択図】なし

Description

本発明は、比較的低い温度での高精度なプレス成形に適した光学ガラスに関する。

近年、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子により画像情報を取り込むデジタルカメラやカメラ付携帯電話が急速に普及しつつある。特に最近では、高画質を達成するために画素数の大きな撮像素子が開発され、それに伴い撮像レンズに対しても高い光学性能が求められてきている。その一方で、小型化の要求も強まっている。

このような要求に応えるため、上記の撮像レンズとしては、高精度な寸法を有する金型によりプレス成形されたガラスのモールドレンズが採用されることが多い。このようなプレス成形によれば、研磨による成形に比べ、非球面を有する光学レンズや微小な寸法の光学レンズを容易かつ効率的に作製することができる。

ところで、このようなプレス成形は、原料となる光学ガラスの屈伏温度以上の高温で行われるので、熱や応力などの物理的負荷を大きく受ける金型は高い耐久性が必要とされる。当然ながら、光学ガラスの屈伏温度が高くなるほど金型への物理的負荷も増大するので、金型の長寿命化のためには光学ガラスの屈伏温度をできるだけ低く抑える必要がある。

その一方で、撮像レンズの小型化や広角化を進めるにあたり、光学ガラスの高屈折率化も強く求められている。

こうした背景から、高屈折率でありながら、比較的低い屈伏温度（およびガラス転移温度）を有する光学ガラスの開発がいくつかなされている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００６−１５１７５８号公報 特開２００７−７０１５６号公報 特開２００６−３２７９２６号公報 特開２００７−９９６１０号公報 特開２００７−１０６６２５号公報 特開２００７−１０６６２７号公報

しかしながら、最近では、撮像レンズの小型化および高性能化が著しく、光学ガラスのさらなる高屈折率化および加工容易性が求められている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、より高い屈折率を有すると共により成形性に優れた光学ガラスを提供することにある。

本発明の光学ガラスは、Ｂｉ₂ Ｏ₃ と、Ｂ₂ Ｏ₃ と、ＳｉＯ₂ と、Ａｌ₂ Ｏ₃ と、ＺｎＯとを含み、以下の条件式（１）および条件式（２）を満足するものである。但し、条件式（１），（２）において、Ｘは全体におけるＢｉ₂ Ｏ₃ の含有率（重量％）であり、Ｙは全体におけるＢ₂ Ｏ₃ の含有率（重量％）である。
Ｘ＋Ｙ≧７５ ……（１）
２．５＜Ｘ／Ｙ＜１３ ……（２）

本発明の光学ガラスでは、上記の各種材料を含み、かつ、条件式（１）および条件式（２）を満足しているので、高い屈折率が確保されると共に、プレス成形に適した性能（例えばプレス成形されたときに曇りなどの不具合が生じにくいなどの特性）が発揮される。具体的には、ｄ線に対して１．９を超える屈折率と、４５０℃を下回る低いガラス転移温度とが得られる。ＳｉＯ₂ およびＡｌ₂ Ｏ₃ を含むことで、ガラスの屈伏温度Ａｔから、それを５０℃程度上回る温度に至るまでの成形温度領域における耐失透性が向上する。

本発明の光学ガラスでは、Ｂｉ₂ Ｏ₃ の含有率が６０重量％以上９０重量％以下であり、Ｂ₂ Ｏ₃ の含有率が５重量％以上３０重量％以下であり、ＳｉＯ₂ の含有率が０より大きく５重量％以下であり、Ａｌ₂ Ｏ₃ の含有率が０．５重量％以上５重量％以下であり、ＺｎＯの含有率が０より大きく５重量％以下であるとよい。

また、本発明の光学ガラスでは、さらに、ＢａＯ、Ｌａ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ 、Ｎｂ₂ Ｏ₃ 、およびＳｂ₂ Ｏ₃ のうちの少なくとも１種を含むようにするとよい。その場合、ＢａＯの含有率は０重量％以上１５重量％以下であり、Ｌａ₂ Ｏ₃ の含有率は０重量％以上７重量％以下であり、ＴｉＯ₂ の含有率は０重量％以上５重量％以下であり、Ｎｂ₂ Ｏ₃ の含有率は０重量％以上５重量％以下であり、Ｓｂ₂ Ｏ₃ の含有率は０．０３重量％以上２重量％以下であるとよい。

本発明の光学ガラスによれば、高価な酸化ゲルマニウム（Ｇｅ）を含まずに、Ｂｉ₂ Ｏ₃ およびＢ₂ Ｏ₃ を主成分として条件式（１）および条件式（２）を満足するようにバランスよく含み、かつ、副成分としてＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ およびＺｎＯを含むようにしたので、屈折率を高めつつ屈伏温度（およびガラス転移温度）を低く抑えることができるうえ、プレス成形の際の失透をも防止することができる。このような光学ガラスであれば、比較的低い温度での成形が可能となるので、小型でありながら高い光学性能を有するモールドレンズの量産に好適である。また、本発明の光学ガラスは、従来使用されていた砒素（Ａｓ）や鉛（Ｐｂ）、あるいはテルル（Ｔｅ）などの環境有害物質を含んでいないので、環境保全の観点からも好ましいものである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本発明の光学ガラスは、例えばデジタルスチルカメラや銀塩カメラ、あるいは携帯電話用のモジュールカメラなどに搭載される撮像レンズに好適なものである。

この光学ガラスは、構成成分として酸化ビスマス（Ｂｉ₂ Ｏ₃ ）と、酸化硼素（Ｂ₂ Ｏ₃ ）と、酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）と、酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）と、酸化亜鉛（ＺｎＯ）とを含んでおり、かつ、以下の条件式（１）および条件式（２）を満足している。但し、ＸはＢｉ₂ Ｏ₃ の含有率（％）であり、ＹはＢ₂ Ｏ₃ の含有率（％）である。なお、本発明では、各成分の含有率（％）については全て「重量％」を意味する。

Ｘ＋Ｙ≧７５ ……（１）
２．５＜Ｘ／Ｙ＜１３ ……（２）

Ｂｉ₂ Ｏ₃およびＢ₂ Ｏ₃ は、この光学ガラスを構成する主成分である。条件式（１）を満足することで、結晶化を回避し、高い透明性を確保することができる。また、条件式（２）の下限を上回ることでｄ線に対する屈折率Ｎｄが１．９以上となり、条件式（２）の上限を下回ることでガラス化し易くなる。

Ｂｉ₂ Ｏ₃は、この光学ガラスの屈折率を高めつつ、屈伏温度Ｔｓ（およびガラス転移温度Ｔｇ）を低下させるのに有効な成分である。Ｂｉ₂ Ｏ₃ の含有率を全体の６０％以上９０％以下とすることで、高い屈折率と低い屈伏温度（およびガラス転移温度）とを両立させつつ、耐失透性を得ることができる。

Ｂ₂ Ｏ₃ は、この光学ガラスの骨格物質である。Ｂ₂ Ｏ₃ の含有率を全体の５％以上とすることで光学ガラスとしての構造が安定化し、３０％以下とすることで高屈折率を実現しやすくなる。

ＳｉＯ₂ は、成形温度領域（ガラスの屈伏温度Ａｔから、それを５０℃程度上回る温度に至るまでの温度領域）における結晶化を防ぐ作用を有する。ＳｉＯ₂ の含有率における好ましい範囲は０より大きく５％以下である。すなわち、この光学ガラスに僅かでもＳｉＯ₂ が含まれていれば上記の結晶化防止の機能が発揮される。また、５％以下の含有率とすることで、光学ガラスとしての溶解性が良好に保たれる。

Ａｌ₂ Ｏ₃ は、この光学ガラスの粘性を増すと共に結晶の成長を遅らせることで耐失透性を改善するように機能する。Ａｌ₂ Ｏ₃ の含有率を全体の０．５％以上５％以下とすることで、上記の機能を効果的に発揮することができる。

ＺｎＯは、この光学ガラスの溶解性を向上させる機能を発揮するものである。ＺｎＯの含有率は、全体の０．５％以上３％以下であるとよい。

この光学ガラスは、任意成分として、さらに酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ランタン（Ｌａ₂ Ｏ₃ ）、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）、酸化ニオブ（Ｎｂ₂ Ｏ₃ ）、および酸化アンチモン（Ｓｂ₂ Ｏ₃ ）のうちの少なくとも１種を含むようにしてもよい。

ＢａＯは、溶解性や構造上の安定性を得るために適宜添加される。このＢａＯは、製造段階において原料として添加する炭酸バリウム（ＢａＣｏ₃ ）または硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ₃ ）₂ ）が溶解時に分解して解離ガスを放出したあとに残存するものである。解離ガスは脱泡剤として機能する。ＢａＯの含有率は、全体の１５％以下であるとよい。

Ｌａ₂ Ｏ₃ は、この光学ガラスの分散を小さくする（すなわち、アッベ数を大きくする）効果をもたらす。過剰に添加すると加工時に失透が生じる傾向にあるので、その含有率を全体の７％以下とすることが望ましい。

ＴｉＯ₂ は、この光学ガラスにおける高屈折率を確保するための有効な成分であるうえ、Ｂｉ₂ Ｏ₃との共存により加工時の耐失透性を向上させるものである。また、ＴｉＯ₂ の含有率を全体の５％以下とすることで、良好な溶解性が得られる。

Ｎｂ₂ Ｏ₃ は、ＴｉＯ₂ と同様、この光学ガラスにおける屈折率を高める機能を発揮する。Ｎｂ₂ Ｏ₃ の含有率を全体の５％以下とすることで、良好な溶解性が得られる。

Ｓｂ₂ Ｏ₃ は、脱泡作用および消色作用を有するものである。Ｓｂ₂ Ｏ₃ の含有率は、０．０３％以上２％以下であるとよい。

この光学ガラスは、例えば次のように製造することができる。具体的には、まず、上記した各構成材料の原料粉末を所定の割合で混合して混合原料を得る。次に、この混合原料を所定の温度に加熱された坩堝に所定量ずつ投入し、坩堝の温度を維持しながら順次溶融させる（溶融処理）。さらに、坩堝の温度を維持しつつ、溶融した混合原料を所定時間に亘って攪拌したのち（攪拌処理）、所定時間、静止状態を保持することで泡を除去する（清澄処理）。最後に、坩堝の温度を維持した状態で攪拌しながら坩堝から流出させ、予め所定温度に加熱された鋳型に鋳込み、徐冷することにより本実施の形態の光学ガラスを得る。

さらに、この光学ガラスを用いてレンズを形成する場合には、次のように行う。まず、上記の光学ガラスを成形する光学素子の大きさや形状に応じて、所望の大きさや形状に加工し、プリフォームを形成する。次に、所望の形状に高精度に加工された金型によってプリフォームを挟み込み、プレス成形を行う。この際、プリフォームの軟化点近傍まで金型およびプリフォームの双方を昇温したのち加圧を行い、その加圧状態を維持しながらガラス転移点以下まで降温する。成形されたレンズを金型から取り出したのち、必要に応じてアニーリングを行うなど所定の工程を経ることによりレンズの製造が完了する。

このように、本実施の形態の光学ガラスによれば、上記した各成分を所定量ずつ含むようにしたので、より高い屈折率を確保しつつ、屈伏温度（およびガラス転移温度）を低くすることができる。具体的には、例えばｄ線に対する屈折率を１．９０以上としつつ、ガラス転移温度を４５０℃以下とすることができる。そのうえ、ガラスの屈伏温度の近傍の温度でプレス成形を行った場合であっても、それに伴う失透（いわゆる低温失透）を容易に回避することができる。また、この光学ガラスは、ナトリウム（Ｎａ）やカリウム（Ｋ）あるいはリチウム（Ｌｉ）などの１価のアルカリ金属の酸化物を含まないので、光学ガラスとしての構造が安定化し、成形時に曇りなどの外観不良が生じにくい。また、Ｓｂ₂ Ｏ₃ を添加するようにすれば、実用上、支障となるような着色を回避することができる。

したがって、このような光学ガラスを用いることで、良好な光学特性を有するモールドレンズを、より効率的に製造することができる。さらに、この光学ガラスのプレス成形に用いる金型に加わる熱的な負荷を低減することができるので、金型の長寿命化に有利となる。さらに、この光学ガラスはヒ素（Ａｓ）、鉛（Ｐｂ）あるいはテルル（Ｔｅ）などの環境有害物質を含まないので、環境保全の観点からも好ましいものである。

次に、本発明における光学ガラスの具体的な実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例としての光学ガラスを構成する各成分およびその含有率（重量％）を示したものである（実施例１〜１１）。実施例１〜１１では、いずれも、Ｂｉ₂ Ｏ₃ の含有率が６０％以上９０％以下であり、Ｂ₂ Ｏ₃ の含有率が５％以上３０％以下であり、ＳｉＯ₂ の含有率が０より大きく５％以下であり、Ａｌ₂ Ｏ₃ の含有率が０．５％以上５％以下である。ここで、Ｂｉ₂ Ｏ₃ およびＢ₂ Ｏ₃ の含有率は、いずれも、上記した条件式（１）および条件式（２）の要件を満たしている。さらに、実施例１〜１１の光学ガラスは、０．５％以上３％以下の含有率のＺｎＯと、０％以上１５％以下の含有率のＢａＯと、０．０３％以上２％以下の含有率のＳｂ₂ Ｏ₃ とをそれぞれ含んでいる。また、実施例７〜１０には、Ｌａ₂ Ｏ₃ が０より大きく７％以下の含有率で含まれており、実施例８には３．０％のＴｉＯ₂ が含まれており、実施例３には３．０％のＮｂ₂ Ｏ₃ が含まれている。なお、図１に示した本実施例における各構成要素の含有率は、Ｓｂ₂ Ｏ₃ を除く全ての構成要素の合計重量を１００％として算出した数値で表したものである。

図１は、さらに、実施例１〜１１の光学ガラスにおける各種の特性値を示している。具体的には、実施例１〜１１の光学ガラスについて、ｄ線に対する屈折率ｎｄ，ガラス転移点Ｔｇ（℃），失透テスト（１）および失透テスト（２）における失透の有無をそれぞれ示す。なお、失透テスト（１），（２）は、それぞれ以下のようにして行う。具体的には、各実施例の光学ガラスを粉砕してガラス粒子とし、そのガラス粒子を所定温度（失透テスト（１）では８００℃〜１０００℃、失透テスト（２）では４５０℃〜５５０℃）の雰囲気中に３０分間放置したのち、室温まで冷却する。冷却されたガラスを偏光顕微鏡によって観察し、曇りの有無や微結晶の有無を確認する。

また、比較例１〜５として、それぞれ、条件式（１）および条件式（２）の少なくとも一方を満たさない光学ガラス、またはＳｉＯ₂ およびＡｌ₂ Ｏ₃ のうちの少なくとも１種の含有率が所定の範囲から外れた光学ガラスを作製した。詳細には、比較例１，４は条件式（２）を外れるものであり、比較例２はＡｌ₂ Ｏ₃ の含有率が高すぎるものであり、比較例３はＳｉＯ₂ の含有率が高すぎるものであり、比較例５は条件式（１）を外れるものである。それらの比較例１〜５の各成分および各特性値について図２に示す。

図１に示した各数値データから明らかなように、実施例１〜１１では、１．９０を超える高い屈折率ｎｄを確保しつつ、４５０℃を下回るガラス転移点Ｔｇとすることができた。そのうえ、失透も生じなかった。一方、比較例１，２では、いずれも失透が生じてしまった。また、比較例３では、ＳｉＯ₂ の含有率が高すぎたため、十分に溶解することができず、溶け残りがみられた。さらに、比較例４，５では、失透は生じなかったものの、屈折率ｎｄが１．９に達しなかった。

これらの結果から、本実施例の成分を有する光学ガラスは、屈折率ｎｄおよびガラス転移温度Ｔｇのバランスが非常に良好であるうえ、加工に伴う失透が生じにくい、実用性に優れたものであることがわかった。すなわち、本実施例の光学ガラスは、比較的低い温度において高精度なプレス成形が可能であり、より高い光学性能を有するレンズの構成材料として好適なものであることが確認できた。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、光学ガラスの成分は、上記各実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

本発明の光学ガラスの実施例における各成分およびその含有率、ならびに各種特性値を示す説明図である（実施例１〜１１）。 比較例としての光学ガラスにおける各成分およびその含有率、ならびに各種特性値を示す説明図である（比較例１〜５）。

Claims (4)

1. 酸化ビスマス（Ｂｉ₂ Ｏ₃ ）と、
   酸化硼素（Ｂ₂ Ｏ₃ ）と、
   酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）と、
   酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）と、
   酸化亜鉛（ＺｎＯ）と
   を含み、以下の条件式（１）および条件式（２）を満足する
   ことを特徴とする光学ガラス。
   Ｘ＋Ｙ≧７５ ……（１）
   ２．５＜Ｘ／Ｙ＜１３ ……（２）
   （但し、Ｘは酸化ビスマスの含有率（重量％）であり、Ｙは酸化硼素の含有率（重量％）である。）
2. 前記酸化ビスマスの含有率は６０重量％以上９０重量％以下であり、
   前記酸化硼素の含有率は５重量％以上３０重量％以下であり、
   前記酸化珪素の含有率は０より大きく５重量％以下であり、
   前記酸化アルミニウムの含有率は０．５重量％以上５重量％以下であり、
   前記酸化亜鉛の含有率は０．５重量％以上３重量％以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の光学ガラス。
3. さらに、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ランタン（Ｌａ₂ Ｏ₃ ）、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）、酸化ニオブ（Ｎｂ₂ Ｏ₃ ）、および酸化アンチモン（Ｓｂ₂ Ｏ₃ ）のうちの少なくとも１種を含む
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の光学ガラス。
4. 前記酸化バリウムの含有率は０重量％以上１５重量％以下であり、
   前記酸化ランタンの含有率は０重量％以上７重量％以下であり、
   前記酸化チタンの含有率は０重量％以上５重量％以下であり、
   前記酸化ニオブの含有率は０重量％以上５重量％以下であり、
   前記酸化アンチモンの含有率は０．０３重量％以上２重量％以下である
   ことを特徴とする請求項３記載の光学ガラス。

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