JP2011027992A

JP2011027992A - 光学部品およびその製造方法

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Publication number: JP2011027992A
Application number: JP2009173476A
Authority: JP
Inventors: Kyo Nanba; 亨難波; Tetsuya Suzuki; 哲也鈴木; Toshiaki Takano; 利昭高野; Tomokazu Tokunaga; 知一徳永
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2011-02-10
Also published as: US8174770B2; US20110019286A1

Abstract

【課題】薄いレンズに適したガラスの組成を明らかにするとともに、そのガラスを用いて製造したレンズ（光学部品）を提供する。
【解決手段】光学部品としての凹レンズ１は、重量％表示で、Ｂ₂Ｏ₃を２０〜２２％、Ｌａ₂Ｏ₃を３０〜４０％、ＺｎＯを１９〜２５％含むガラスでできている。凹レンズ１の中心部の厚さｔ₁は０．５ｍｍ以下であるとともに、中心部の厚さｔ₁に対する外径Ｗの比（Ｗ／ｔ₁）が２４以上である。この凹レンズ１は、プレス成形法によって好適に製造できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学部品およびその製造方法に関する。

ＤＳＣ（digital still camera）やＤＶＣ（digital video camera）用のガラスレンズは、プレス成形法によって製造されている。プレス成形法によれば、非球面形状を有するガラスレンズを安価に製造できる。

高い形状精度を有するレンズを製造するために、プレス成形法では、成形型に非常に高い面精度および面粗度が要求されるとともに、ガラスが成形型に融着しないことが重要となる。成形型からのガラス（成形されたレンズ）の離型性を向上させるために、次のような提案がなされている。特許文献１には、易蒸発成分濃度がガラス母体より減少した表層部をガラス母体表面に設けることによって、成形型の面精度と面粗度を高く保つ技術が開示されている。特許文献２には、ガラスプリフォームの表面に炭素膜を形成することによって、成形型へのガラスの融着を防止する技術が開示されている。

なお、本明細書中で「融着」とは、ガラスの一部が成形型に付着し残渣として成形型の表面に残る現象、あるいはガラスの成形体（レンズ）が成形型に貼り付く現象のことを指す。薄いレンズの成形では、どちらの現象も起こり得る。

特開昭６２−２０７７２８号公報特開平８−２１７４６８号公報

近年、ＤＳＣやＤＶＣに代表される撮像光学系の小型化に対する要望が益々高まってきている。撮像光学系の小型化のために、レンズの薄肉化を進める必要がある。具体的には、中心部の厚さが０．５ｍｍ以下の凹レンズや外周部（コバ部）の厚さが０．５ｍｍ以下の凸レンズといった、非常に薄いレンズの量産技術を確立する必要がある。

しかし、薄いレンズを従来のプレス成形法で製造するのは非常に難しい。成形時にレンズの薄い部分に荷重が集中的に加わるため、成形型へのガラスの融着が顕在化する。ガラスが成形型に融着すると、完成品としてのレンズの形状精度が悪くなるだけでなく、ガラスの残渣が成形型に付着することによって成形型の面精度が損なわれ、同じ成形型を使用し続けることが困難となる。特許文献１や２に示されている方法は、成形型へのガラスの融着の防ぐのに一定の効果があるが、その効果は依然として不十分である。さらに、特許文献１や２の方法では、様々な前処理が必要となるため、工程数の増加やコストの増加等の問題も出てくる。

本発明は、薄いレンズに適したガラスの組成を明らかにするとともに、そのガラスを用いて製造したレンズ（光学部品）を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、
重量％表示で、Ｂ₂Ｏ₃を２０〜２２％、Ｌａ₂Ｏ₃を３０〜４０％、ＺｎＯを１９〜２５％含むガラスでできており、
中心部の厚さｔ₁が０．５ｍｍ以下かつ前記中心部の厚さｔ₁に対する外径Ｗの比（Ｗ／ｔ₁）が２４以上の凹レンズ、または、外周部の最大厚さが０．５ｍｍ以下の凸レンズとして構成された、光学部品を提供する。

他の側面において、本発明は、
光学部品を製造するためのガラスでできた予備成形体を成形型内に供給する工程と、
前記成形型を型締めする工程と、
前記予備成形体を加熱および加圧することによって前記成形型の表面形状を前記予備成形体に転写する工程と、
成形された前記光学部品を取り出すために前記成形型を型開きする工程とを含み、
前記ガラスが、重量％表示で、Ｂ₂Ｏ₃を２０〜２２％、Ｌａ₂Ｏ₃を３０〜４０％、ＺｎＯを１９〜２５％含み、
前記光学部品は、中心部の厚さｔ₁が０．５ｍｍ以下かつ前記中心部の厚さｔ₁に対する外径Ｗの比（Ｗ／ｔ₁）が２４以上の凹レンズ、または、外周部の最大厚さが０．５ｍｍ以下の凸レンズとして構成されている、光学部品の製造方法を提供する。

本発明者らは、成形型へのガラスの融着のしやすさと、ガラスの組成との間に相関があることを突き止めた。すなわち、上記範囲の成分を有するガラスを用いることにより、成形型へのガラスの融着を防止でき、薄いレンズをプレス成形法で安定して製造可能となる。本発明によれば、特別な前処理も不要なので、工程数の増加やコストの増加等の問題も生じない。本発明が提供するレンズにより、ＤＳＣ等の撮像光学系を小型化できる。

本発明の一実施形態に係る光学部品（凹レンズ）の上面図および断面図本発明の他の実施形態に係る光学部品（凸レンズ）の上面図および断面図レンズの製造方法を示す工程図

図１に示すように、本発明の一実施形態に係るレンズ１は、凹面１ａおよび凸面１ｂを有する凹レンズとして構成されている。レンズ１は、いわゆる非球面レンズであるとともに、メニスカス形状を有している。メニスカス形状を有するレンズとは、一方の面が凸で他方の面が凹である三日月型のレンズのことである。メニスカスレンズには、中心部よりも外周部が厚い凹メニスカスレンズと、外周部よりも中心部が厚い凸メニスカスレンズとがある。図１に示すレンズ１は凹メニスカスレンズである。

レンズ１は、小型の光学機器に好適なもので、例えば１０〜２０ｍｍの範囲の外径Ｗを有する。レンズ１の中心部は、例えば０．１〜０．５ｍｍの範囲の厚さｔ₁を有する。中心部の厚さt₁に対する外径Ｗの比（Ｗ／ｔ₁）は、例えば２４以上である。比（Ｗ／ｔ₁）の上限に特に制限はないが、例えば２００である。

図２に示すように、本発明の他の実施形態に係るレンズ２は、２つの凸面２ａおよび２ｂを有する両凸レンズとして構成されている。レンズ２もいわゆる非球面レンズである。レンズ２は、また、薄肉の外周部２ｃ（コバ部）を有している。外周部２ｃは、レンズ２を光学機器の筐体に固定するために用いられる部分であって、光線の経路とならない部分である。レンズ１と同様に、レンズ２も小型の光学機器に好適なものであり、例えば１０〜２０ｍｍの範囲の外径Ｗを有する。レンズ２の外周部２ｃは、例えば０．１〜０．５ｍｍの範囲の最大厚さｔ₂を有する。

次に、レンズ１の製造方法を説明する。本実施形態に係る製造方法では、成形型を用いたプレス成形法（いわゆる精密ガラス成形法）を採用している。まず、レンズ１の製造に用いる予備成形体を準備する。具体的には、所定の組成を有する光学ガラスを研削や研磨によってレンズ１の近似形状に加工することによって予備成形体を得る。

薄いレンズをプレス成形法で製造する場合、成形型へのガラスの融着を防止することが重要である。後述する実施例より明らかにされるように、成形型へのガラスの融着のしやすさと、ガラスの組成との間には相関がある。すなわち、重量％表示で、Ｂ₂Ｏ₃を２０〜
２２％、Ｌａ₂Ｏ₃を３０〜４０％、ＺｎＯを１９〜２５％含むガラスを使用すれば、成形型へのガラスの融着を効果的に防止できる。

また、レンズ１（またはレンズ２）の製造のためのガラスは、例えば、１．７９〜１．８３の範囲の屈折率（ｎｄ）と、３９〜４３の範囲のアッベ数（νｄ）とを有している。高い屈折率のガラスは、レンズの薄肉化に有利である。高いアッベ数のガラスによれば、クリアな画像を得ることが可能である。

上記要求を満たすガラスの組成の詳細な一例を以下に記す。下記値は重量％で表されている。

ＳｉＯ₂：３〜６％、好ましくは５〜６％
Ｂ₂Ｏ₃：２０〜２２％、好ましくは２０〜２１％
Ｌｉ₂Ｏ：０〜２％、好ましくは０〜１％
ＺｎＯ：１９〜２５％、好ましくは２０〜２４％
ＺｒＯ₂：３〜５％、好ましくは３〜４％
ＴｉＯ₂：０〜２％、好ましくは０〜１％
Ｎｂ₂Ｏ₅：２〜７％、好ましくは５〜７％
Ｌａ₂Ｏ₃：３０〜４０％、好ましくは３４〜４０％
Ｔａ₂Ｏ₃：０〜１０％、好ましくは０〜４％
ＷＯ₃：０〜７％、好ましくは０〜２％

次に、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、予備成形体１０をプレス成形する。プレス成形には、上型３、下型４、胴型５、上ヘッド６および下ヘッド７を備えた成形装置を使用できる。成形装置において、上型３の上に上ヘッド６が設けられ、下型４を支持するように下ヘッド７が設けられている。上ヘッド６には、加熱および加圧機構が設けられている（図示省略）。同様に、下ヘッド７にも加熱機構が設けられている。

上型３は、凸面部３ａと、凸面部３ａの周囲の支持部３ｂとを含む。凸面部３ａは予備成形体１０の凹面に接する部分であり、支持部３ｂは予備成形体１０の外周部に接する環状部分である。上型３、下型４および胴型５によって成形されたレンズ１が設計通りの光学特性を有するように、上型３および下型４の各表面が所望の精度および形状に加工されている。場合によっては胴型５の表面も所望の精度および形状に加工されている。

上型３、下型４および胴型５は、典型的には、ＷＣ等の超硬合金でできている。超硬合金は、強度の面で優れているので成形型の材料として好ましい。また、上型３、下型４および胴型５は、ステンレス鋼等の金属でできた基材と、その基材の表面を被覆するめっき層（例えば無電解ニッケルめっき層）とで作られていてもよい。さらに、上型３、下型４および胴型５の表面には、離型性や耐食性の向上を目的とする離型膜が形成されていてもよい。

まず、図３（ａ）に示すように上型３、下型４および胴型５によって構成された成形型内に予備成形体１０を供給する。

次に、図３（ｂ）に示すように、上ヘッド６を下降させることによって、上型３、下型４および胴型５を型締めする。そして、この状態で上ヘッド６および下ヘッド７の加熱機構を作動させ、予備成形体１０を所定温度まで加熱する。この所定温度は、例えば、使用するガラスのガラス転移温度（Ｔｇ）または屈伏温度（Ａｔ）よりも少し高い温度（例えばＴｇまたはＡｔよりも２０〜４０℃高い温度）である。また、予備成形体１０が所定温度に到達するのに数分間（例えば５分間）が費やされる程度の昇温速度で加熱を行なうとよい。

予備成形体１０が所定温度に到達した後、図３（ｃ）に示すように、上ヘッド６をゆっくり下降させることによって上型３に圧力を加える。上ヘッド６からの圧力が上型３を介して予備成形体１０に加わり、予備成形体１０が徐々に変形する。これにより、上型３および下型４の各表面形状が予備成形体１０に転写される。予備成形体１０に加えるべき圧力は、例えば５０〜３００ｋｇｆである。

予備成形体１０がレンズ１の形に変形したら、上ヘッド６による加圧を停止する。そして、その状態を上記所定温度で１分間程度保つ。その後、上ヘッド６および下ヘッド７の加熱機構をオフにし、上ヘッド６を下降させた状態でレンズ１をガラス転移温度まで冷却する。レンズ１にひずみ等の不具合が生じるのを避けるため、数分程度（例えば５分程度）かけて徐冷するのが好ましい。

最後に、図３（ｄ）に示すように、成形されたレンズ１を取り出すために、上ヘッド６および上型３を開く。なお、図３（ａ）〜（ｄ）の各工程は、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気のような不活性雰囲気で行うことができる。不活性雰囲気中での成形は、成形型の酸化を抑制できるため成形型の寿命にとって好ましい。

図１を参照して説明した凹メニスカスレンズ１は、一般に、従来の球面レンズや凸メニスカスレンズ等に比べ、凹面１ａの傾斜が急峻である。そのため、ガラスが成形型に融着しやすい。したがって、本実施形態のように、融着の生じにくい組成を有するガラスを凹メニスカスレンズの材料として選ぶことが特に有効である。もちろん、そのようなガラスは、凸面を２つ組み合わせたレンズである両凸レンズ（図２）、凹面を２つ組み合わせたレンズである両凹レンズ、片面が平面であるようなレンズである平凸レンズおよび平凹レンズにとっても有意である。

表１に示す組成および光学定数を有するガラスを用い、図３を参照して説明したプレス成形法により、図１に示す形状を有する凹メニスカスレンズを製造した。具体的には、各ガラスを用い、中心部の厚さｔ₁を０．９ｍｍ、０．７ｍｍ、０．５ｍｍおよび０．３ｍｍに設定した４種類の凹メニスカスレンズをそれぞれ連続で２０個製造し、成形型へのガラスの融着の有無を調べた。全てのレンズについて、外径Ｗを１４ｍｍ、凹面の近似曲率を４ｍｍ、凸面の近似曲率を２８０ｍｍに設定した。プレス成形は、窒素雰囲気中で行った。成形時のガラスの加熱温度は６００℃、加圧力は１５０ｋｇｆに設定した。結果を表１に示す。

表１において、連続で２０個製造したときに、融着が起こらなかった場合の成形評価を丸印、融着が起こったものが１〜３個の場合の成形評価を三角印、融着が起こったものが４個以上の場合の成形評価を×印で表している。

ガラスＮｏ．１を使用した場合、中心部の厚さを０．５ｍｍ以下と薄くしてもガラスが成形型に融着せず、所望の形状の凹メニスカスレンズを安定して成形できた。ガラスＮｏ．２を使用した場合、中心部の厚さが０．３ｍｍのレンズで若干の融着が生じたが、概ね良好な結果が得られた。これに対し、ガラスＮｏ．３を使用した場合、中心部の厚さが０．７ｍｍ以下の領域で成形型へのガラスの融着が相当の割合で発生し、安定した成形を行えなかった。

ガラスＮｏ．１〜Ｎｏ．３を用いて凹メニスカスレンズを成形した後の成形型の表面をそれぞれＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ）で分析したところ、Ｂ、ＬａおよびＺｎに基づくピークが観察された。つまり、ガラスに含まれているＢ、ＬａおよびＺｎが成形型の表面に存在していた。Ｂ、ＬａおよびＺｎの存在量は、ガラスＮｏ．１、ガラスＮｏ．２およびガラスＮｏ．３の順番で多かった。このことから、ガラスが適量のＢ、ＬａおよびＺｎを含んでいる場合、これらの成分が成形型の表面に飛散ないし拡散することで離型作用がもたらされ、成形型へのガラスの融着が起こりにくくなると考えられる。

以上の結果から、重量％表示で、Ｂ₂Ｏ₃を２０〜２２％、Ｌａ₂Ｏ₃を３０〜４０％、ＺｎＯを１９〜２５％含むガラスを使用することで、成形型へのガラスの融着を防止できると言える。Ｂ₂Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃およびＺｎＯの好ましい含有率は、それぞれ、２０〜２１％、３４〜４０％および２０〜２４％である。なお、これらの成分が多ければ多いほど融着防止効果が高まるようにも思われるが、所望の光学定数を得ることが困難となることや、ガラスの失透を生じさせる可能性がある。具体的には、Ｂ₂Ｏ₃が多すぎると、屈折率を所望の範囲に調整することが困難になる。Ｌａ₂Ｏ₃が多すぎると、ガラスが失透しやすくなる。ＺｎＯが多すぎると、屈折率およびアッベ数を所望の範囲に調整することが困難になる。したがって、各成分を上記範囲内とすべきである。そして、このような組成のガラスを用いることで、中心部の厚さｔ₁が０．５ｍｍ以下かつ中心部の厚さｔ₁に対する外径Ｗの比（Ｗ／ｔ₁）が２４以上の凹レンズをプレス成形法により高い歩留まりで製造可能となる。成形型へのガラスの融着を防止できれば、成形型の面精度および面粗度も高く維持できる。これにより、成形型のメンテナンスの回数を減らすことができ、ひいては高い生産性を達成できる。

なお、凹レンズと同様の傾向が図２に示す凸レンズを成形する場合にも見られた。すなわち、外周部２ｃが薄ければ薄いほど、成形型へのガラスの融着が生じやすかったが、ガラスＮｏ．１およびＮｏ．２を使用することで、外周部２ｃの最大厚さｔ₂が０．５ｍｍ以下の凸レンズを安定して成形できた。

本発明の光学部品（光学レンズ）は、ＤＳＣ、ＤＶＣ、携帯電話用カメラ、プロジェクションテレビ、光ピックアップ等の光学機器に好適に使用できる。

１凹メニスカスレンズ（光学部品）
１ａ凹面
１ｂ凸面
２両凸レンズ（光学部品）
２ａ，２ｂ凸面
２ｃ外周部

Claims

重量％表示で、Ｂ₂Ｏ₃を２０〜２２％、Ｌａ₂Ｏ₃を３０〜４０％、ＺｎＯを１９〜２５％含むガラスでできており、
中心部の厚さｔ₁が０．５ｍｍ以下かつ前記中心部の厚さｔ₁に対する外径Ｗの比（Ｗ／ｔ₁）が２４以上の凹レンズ、または、外周部の最大厚さが０．５ｍｍ以下の凸レンズとして構成された、光学部品。
前記ガラスが、１．７９〜１．８３の範囲の屈折率（ｎｄ）と、３９〜４３の範囲のアッベ数（νｄ）とを有する、請求項１に記載の光学部品。
前記光学部品はプレス成形法によって製造されたものである、請求項１または２に記載の光学部品。
光学部品を製造するためのガラスでできた予備成形体を成形型内に供給する工程と、
前記成形型を型締めする工程と、
前記予備成形体を加熱および加圧することによって前記成形型の表面形状を前記予備成形体に転写する工程と、
成形された前記光学部品を取り出すために前記成形型を型開きする工程とを含み、
前記ガラスが、重量％表示で、Ｂ₂Ｏ₃を２０〜２２％、Ｌａ₂Ｏ₃を３０〜４０％、ＺｎＯを１９〜２５％含み、
前記光学部品は、中心部の厚さｔ₁が０．５ｍｍ以下かつ前記中心部の厚さｔ₁に対する外径Ｗの比（Ｗ／ｔ₁）が２４以上の凹レンズ、または、外周部の最大厚さが０．５ｍｍ以下の凸レンズとして構成されている、光学部品の製造方法。