JP2012153558A - 光学ガラス - Google Patents

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Abstract

【課題】所望の光学特性を有し、かつ、耐失透性に優れ量産性に優れた光学ガラスを提供する。
【解決手段】屈折率(nd)が1.75〜1.95、アッベ数(νd)が15〜35のSiO−Nb−TiO系ガラスからなり、作業温度範囲(ΔT)=(100.5ポイズでの温度−液相温度)が20℃以上であることを特徴とする光学ガラス。ガラス組成として、質量%で、SiO 15〜45%、Nb 15〜40%(ただし、40%を含まない)、TiO 1〜30%を含有することが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、特にデジタルカメラやビデオカメラの光学レンズや光通信用レンズとして好適な光学ガラスに関する。
近年、デジタルカメラやビデオカメラの高性能化、具体的には、小型化、高倍率化、高精細化等がますます進んでいる。このような高性能化を達成するため、デジタルカメラやビデオカメラに使用される光学レンズ用ガラスには、高屈折率、高分散および異常分散等の特性が要求されることが多くなっている。
当該特性を満たすガラスとして、例えば、屈折率(nd)が1.78以上、アッベ数(νd)が30以下のSiO−Nb系ガラスが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このガラスは、高屈折率、高耐侯性等の特性を利用して光通信用レンズに使用することもできる。
デジタルカメラやビデオカメラ等に使用される光学レンズの作製方法として、一旦、溶融ガラスをインゴットに成形し、これから適当な大きさに切り出した硝材を研磨した後、モールドプレスする方法や、溶融ガラスをノズル先端から滴下して液滴状にする、いわゆる液滴成形により成形した硝材を研磨した後、あるいは研磨せずにモールドプレスする方法が知られている。
特開2009−179538号公報
従来のSiO−Nb系ガラスは失透性が強いため、その量産性に劣る傾向がある。特に、液滴成形での硝材の作製が困難であるという問題があった。
以上の課題に鑑み、本発明は、所望の光学特性を有し、かつ、耐失透性に優れ量産性に優れた光学ガラスを提供することを目的とする。
本発明は、屈折率(nd)が1.75〜1.95、アッベ数(νd)が15〜35のSiO−Nb−TiO系ガラスからなり、作業温度範囲(ΔT)=(100.5ポイズでの温度−液相温度)が20℃以上であることを特徴とする光学ガラスに関する。
本発明者の調査の結果、SiO−Nb系ガラスにおいて失透が発生する主な原因は、屈折率および分散を高めるための成分であるNbが多量に含有されていることにあることを突き止めた。そこで、SiO−Nb系ガラスのNbの一部をTiOで置換したSiO−Nb−TiO系ガラスであれば、屈折率および分散をあまり低下させずに失透を抑制できることがわかった。また、耐候性を向上させることが可能となり、製造工程や製品使用中に、物性の劣化や表面の変質が生じにくくなる。
なお、例えば液滴成形により硝材を作製する場合は、溶融ガラスをノズル先端から滴下させることから、ある程度の粘度が必要となる。すなわち、低粘度で溶融ガラスを滴下すると、溶融ガラスが連続流となり液滴を形成できなくなるため、液滴形成を行うためには、例えば100.5ポイズ程度以上のガラス粘度が必要となる。ところが、従来のSiO−Nb系ガラスは100.5ポイズ程度以上の高粘度で失透しやすいという問題があった。一方、本発明の光学ガラスは、作業温度範囲が20℃以上であることにより、特に液滴成形を好適に行うことができるという効果を奏する。
なお、本発明において、「SiO−Nb−TiO系ガラス」とは、SiO、Nb、TiOを必須成分として含有するガラスをいう。
第二に、本発明の光学ガラスは、ガラス組成として、質量%で、SiO 15〜45%、Nb 15〜40%(ただし、40%を含まない)、TiO 1〜30%を含有することが好ましい。
第三に、本発明の光学ガラスは、さらに、ガラス組成として、質量%で、LiO 0〜15%、NaO 0〜20%を含有することが好ましい。
第四に、本発明の光学ガラスは、さらに、ガラス組成として、質量%で、KO 0〜2%、RO 0〜20%(ただし、20%は含まない)(R=Li、Na、K)、R’O 0〜2%(R’=Mg、Ca、Sr、Ba)を含有し、PbO、As、CsO、GeO、Biを実質的に含有しないことが好ましい。
第五に、本発明は、ガラス組成として、質量%で、SiO 15〜45%、Nb 15〜40%(ただし、40%は含まない)、TiO 1〜30%、LiO 0〜15%、NaO 0〜20%、KO 0〜2%、RO 0〜20%(ただし、20%は含まない)(R=Li、Na、K)、R’O 0〜2%(R’=Mg、Ca、Sr、Ba)を含有し、PbO、As、CsO、GeO、Biを実質的に含有しないことを特徴とする光学ガラスに関する。
第六に、本発明の光学ガラスは、モールドプレス成形用であることが好ましい。
第七に、本発明の光学ガラスは、光通信用レンズに使用されることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、屈折率(nd)が1.75〜1.95、アッベ数(νd)が15〜35のSiO−Nb−TiO系ガラスからなり、作業温度範囲(ΔT)=(100.5ポイズでの温度−液相温度)が20℃以上であることを特徴とする。本発明において、各種特性を上記の通り限定した理由を以下に示す。
例えば、光学ガラスをレンズとして使用する場合、屈折率を高めるほどレンズを薄くすることが可能となり、光学デバイスを小型化するうえで有利となる。したがって、本発明の光学ガラスの屈折率は1.75以上、1.765以上、1.775以上、1.785以上、特に1.80以上であることが好ましい。一方、ガラスの屈折率を向上させるためには、Nb等のガラスを不安定にさせる成分を多く添加する必要があるため、ガラスの安定性を考慮して屈折率の上限を規定する必要がある。具体的には、本発明の光学ガラスの屈折率は1.95以下、特に1.90以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスのアッベ数は、高分散特性を達成するため、35以下、30以下、26以下、特に24以下であることが好ましい。なお、アッベ数は低いほど、光学設計上における他のレンズとの組み合わせでの色収差の低減に有利となるため好ましいが、屈折率が低下したり、ガラスが不安定になる傾向がある。そのため、本発明の光学ガラスのアッベ数は20以上、21以上、特に22以上であることが好ましい。
作業温度範囲が20℃以上、30℃以上、特に40℃以上であれば、プリフォームガラスを歩留まり良く製造することができる。作業温度範囲は大きい程よく、上限は特に限定されないが、現実的には300℃以下、特に200℃以下である。なお100.5ポイズに相当する温度は、液滴成形法における成形温度に該当する。なお、液滴成形は最もガラスが失透しやすい成形方法の一つとして知られていることから、100.5ポイズでの温度と液相温度の差ΔTが20℃以上であれば、液滴成形法を含むほぼすべての成形方法において、失透を生じることなく成形することが可能となると考えられる。
上記特性すべてを満足するガラスであれば、SiO−Nb−TiO系ガラスの組成は特に限定されない。なお、上記特性を有するSiO−Nb−TiO系ガラスを得るためには、下記の点を考慮して適切な組成を選択すればよい。
SiO−Nb−TiO系ガラスにおいて屈折率を高め、アッベ数を小さくするためには、NbやTiOの含有量を多くすればよい。またこれらの成分以外にも、Ta、ZrO、Y、WO等を添加すれば屈折率を高め、アッベ数を小さくすることが可能となる。
また、作業温度範囲を大きくするということは、ガラスの失透傾向を緩和することを意味しており、SiO−Nb−TiO系ガラスにおいては、SiO、B、TiOの各成分の含有量を多くすればよい。またこれらの成分以外にも、ZrO、Y、WO等を添加すれば作業温度範囲を大きくすることが可能である。
具体的には、本発明の光学ガラスは、ガラス組成として、質量%で、SiO 15〜45%、Nb 15〜40%(ただし、40%を含まない)、TiO 1〜30%を含有することが好ましい。上記組成範囲であれば、屈折率が1.75〜1.95、アッベ数が15〜35、作業温度範囲が20℃以上の特性を容易に達成することができる。
組成範囲を上記のように限定した理由を以下に述べる。なお、以下のガラス組成に関する説明において、「%」は特に断りのない限り「質量%」を意味する。
SiOはガラスの骨格を構成する成分であり、耐失透性を向上させ、作業温度範囲を大きくする効果を有する成分である。また、耐候性を向上させる効果もある。SiOの含有量は15〜45%、20〜40%、特に25〜37%であることが好ましい。SiOの含有量が45%を超えると屈折率が著しく低下したり、ガラス転移点が高くなりすぎる(例えば、700℃を超える)傾向がある。一方、SiOの含有量が15%より少ないと、ガラス化が困難になる傾向がある。
Nbは屈折率を高める成分である。Nb含有量は15〜40%(ただし、40%を含まない)、20〜39.5%、特に25〜39%であることが好ましい。Nbの含有量が40%以上であると、液相温度が上昇してガラスの安定性が低下する傾向がある。一方、Nbの含有量が15%より少ないと、1.75以上の屈折率が得られにくくなる。
TiOは屈折率を高める成分である。また、中間酸化物としてガラスを形成するため、耐失透性と化学的耐久性を向上させる効果もある。TiOの含有量は1〜30%、5〜25%、特に10〜20%であることが好ましい。TiOの含有量が30%を超えると、逆に失透傾向が強くなってガラス化が困難となる傾向がある。一方、TiOの含有量が1%より少ないと、化学的耐久性が著しく低下しやすくなる。
さらに、上記組成に加えて、LiO、NaO、KOといったアルカリ金属酸化物を添加することで、所望の屈折率、アッベ数、作業温度範囲を有するガラスを作製しやすくなる。なお、これらの成分は耐侯性を悪化させやすいため、一般に、SiO−Nb系ガラスに添加しにくい成分であるが、Nbの含有量を少なくした場合(例えば、40%未満)は、比較的多量含有させることができ、軟化点の低いガラスを設計しやすくなる。
LiOは分相を抑制し、ガラスの安定性を高めるための成分である。LiOの含有量は0〜15%、0.1〜10%、特に0.5〜5%であることが好ましい。LiOの含有量が15%を超えると、耐候性が著しく低下したり、屈折率が低下する傾向がある。
NaOは、LiOと同様に分相を抑制し、ガラスの安定性を高めるための成分である。NaOの含有量は0〜20%、0.1〜18%、0.5〜15%、特に1〜14%である。NaOの含有量が20%を超えると、耐候性が著しく低下したり、屈折率が低下する傾向がある。
Oは、LiOやNaOと同様に分相を抑制し、ガラスの安定性を高めるための成分である。KOの含有量は0〜2%、0.1〜1%、特に0.2〜0.5%であることが好ましい。KOの含有量が2%を超えると、耐候性が著しく低下したり、屈折率が低下する傾向がある。
なお、LiO、NaO、KOの合量は0〜20%、0.1〜18%、0.5〜15%、特に1〜14%であることが好ましい。これらの成分の合量が20%を超えると、耐候性が著しく低下したり、屈折率が低下する傾向がある。
さらに、上記成分に加えて、ZrO、WO、B、ZnO、Taを添加することができる。
ZrOは屈折率を高める成分である。また、中間酸化物としてガラスを形成するため、耐失透性と化学的耐久性を向上させる効果もある。ZrOの含有量は0〜15%、0.5〜10%、特に1〜8%であることが好ましい。ZrOの含有量が15%を超えると、逆に失透傾向が強くなってガラス化が困難となる傾向がある。
WOは屈折率を高める成分である。また、中間酸化物としてガラスを形成するため、耐失透性を向上させる効果もある。WOの含有量は0〜15%、0.5〜10%、特に1〜8%であることが好ましい。WOの含有量が15%を超えると、逆に失透傾向が強くなってガラス化が困難となる傾向がある。また、紫外域透過率が低下したり、プレス金型との親和性が増大し、モールドプレス成形した場合に金型と融着しやすくなる傾向がある。
はガラスの骨格成分であり、耐失透性を向上させる効果がある。また、アッベ数を高めたり、軟化点を低下させる効果も有する。さらに、モールドプレス成形した場合において、金型との融着抑制にも効果がある。Bの含有量は0〜30%、1〜20%、特に5〜15%であることが好ましい。Bの含有量が30%を超えると、ガラスの化学的耐久性が低下し、耐候性が著しく悪化する傾向がある。
ZnOは屈折率および化学的耐久性を高め、軟化点を低下させる成分である。ZnOの含有量は0〜20%、0.5〜15%、特に1〜10%であることが好ましい。ZnOの含有量が20%を超えると、逆に失透傾向が強くなってガラス化が困難となる傾向がある。
Taは、屈折率、化学的耐久性、耐失透性を高める効果がある。Taの含有量は0〜20%、0.5〜15%、特に1〜10%であることが好ましい。Taの含有量が20%を超えると、逆に失透傾向が強くなってガラス化が困難となる傾向がある。また、コストが高くなる傾向がある。
また上記以外にも、種々の成分を添加することが可能である。例えば、清澄剤および消色剤としてSbを添加することができる。なおガラスに対する過度の着色を避けるために、Sbの含有量は1%以下であることが好ましい。
MgO、CaO、SrO、BaOといったアルカリ土類金属酸化物は、耐侯性の低下や液相温度の上昇が著しいため、その含有量は2%以下、特に1%以下であることが好ましく、含有しないことがさらに好ましい。
PbO、CsO、As、GeO、Biは、環境への負荷が大きく、ガラスへの着色が懸念されるため、実質的に含有しない(具体的には、各々0.1質量%未満)ことが好ましい。
なお、La、Ce、Gd、Yb等は、コストが高くなりやすくなるため、含有しないことが好ましい。
なお、既述の特性以外に、本発明の光学ガラスは低ガラス転移点を満たすことが好ましい。それにより、モールドプレス成形時の金型との融着を抑制でき、量産性を向上させることができる。また、ガラス転移点が低いほど、モールドプレス成形時にガラス成分が揮発しにくくなり、成形精度の低下や金型の劣化または汚染といった問題が生じにくくなる。具体的には、本発明の光学ガラスのガラス転移点は、630℃以下、特に600℃以下であることが好ましい。
次に本発明の光学ガラスを用いてデジタルカメラやビデオカメラ等に使用される光学レンズを作製する方法を説明する。
まず所望の組成を有するように調合したガラス原料を溶融し、溶融ガラスとする。次に溶融ガラスをノズル先端から滴下して液滴状に成形(液滴成形)して硝材を得る。さらに成形した硝材を研磨した後、あるいは研磨することなくモールドプレスし、所定形状のレンズを得る。なお、液滴成形を行う代わりに、溶融ガラスをインゴットに成形し、これから適当な大きさに切り出した硝材を研磨した後、モールドプレスする方法を採用することもできる。
なお、本発明の光学ガラスから作製された光学レンズは、金属部品とアセンブリされたレンズキャップとして使用することもできる。
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
表1〜3は本発明の実施例(試料No.1〜22)および比較例(試料No.23、24)を示している。
各試料は次のようにして調製した。まず表に示す組成になるようにガラス原料を調合し、白金ルツボを用いて1400℃で2時間溶融した。溶融後、溶融ガラスをカーボン板上に流し出し、更にアニール後、各測定に適した試料を作製した。
得られた試料について、屈折率(nd)、アッベ数(νd)、ガラス転移点(Tg)、液滴成形の成形温度(Tw)、液相温度(Tl)、作業温度範囲(ΔT)を測定した。結果を表1〜3に示す。
屈折率は、ヘリウムランプのd線(587.6nm)に対する測定値で示した。
アッベ数はヘリウムランプのd線の屈折率と水素ランプのF線(486.1nm)、同じく水素ランプのC線(656.3nm)の屈折率の値を用い、アッベ数={(nd−1)/(nF−nC)}の式から算出した。
ガラス転移点は、日本工業規格R−3102およびISO7991に基づいたガラスの線膨張係数の測定法によって測定した。
作業温度範囲は次のようして求めた。まず白金球引上げ法により100.5ポイズに相当する温度を求め、成形温度とした。また、297〜500μmの粉末状になるようガラス試料を粉砕、分級してから白金製のボートに投入し、温度勾配を有する電気炉に24時間保持した後、空気中で放冷し、光学顕微鏡で失透の析出位置を求めることで液相温度を測定した。このようにして得られた成形温度と液相温度の差を作業温度範囲とした。
表1〜3から明らかなように、本発明の実施例であるNo.1〜22の各試料は、屈折率が1.7766〜1.8793、アッベ数が22.2〜25.7と所望の光学特性を有していた。また、ガラス転移点が588℃以下と低く、モールドプレス成形に好適である。さらに、作業温度範囲が51℃以上であり、作業性に優れていることがわかる。
一方、比較例であるNo.23の試料は作業温度範囲が12℃と小さく、作業性に劣っていた。また、No.24の試料は屈折率が1.7401と低く、所望の範囲を満たしていなかった。また、ガラス転移点が840℃と高く、モールドプレス成形に適していなかった。
本発明の光学ガラスは、モールドプレス成形用硝材や研磨加工用硝材として、CD、MD、DVDその他各種光ディスクシステムの光ピックアップレンズ、ビデオカメラ、デジタルカメラ、その他一般のカメラの撮影用レンズや光通信レンズ等に好適である。

Claims (7)

  1. 屈折率(nd)が1.75〜1.95、アッベ数(νd)が15〜35のSiO−Nb−TiO系ガラスからなり、作業温度範囲(ΔT)=(100.5ポイズでの温度−液相温度)が20℃以上であることを特徴とする光学ガラス。
  2. ガラス組成として、質量%で、SiO 15〜45%、Nb 15〜40%(ただし、40%を含まない)、TiO 1〜30%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。
  3. さらに、ガラス組成として、質量%で、LiO 0〜15%、NaO 0〜20%を含有することを特徴とする請求項2に記載の光学ガラス。
  4. さらに、ガラス組成として、質量%で、KO 0〜2%、RO 0〜20%(ただし、20%は含まない)(R=Li、Na、K)、R’O 0〜2%(R’=Mg、Ca、Sr、Ba)を含有し、PbO、As、CsO、GeO、Biを実質的に含有しないことを特徴とする請求項2または3に記載の光学ガラス。
  5. ガラス組成として、質量%で、SiO 15〜45%、Nb 15〜40%(ただし、40%は含まない)、TiO 1〜30%、LiO 0〜15%、NaO 0〜20%、KO 0〜2%、RO 0〜20%(ただし、20%は含まない)(R=Li、Na、K)、R’O 0〜2%(R’=Mg、Ca、Sr、Ba)を含有し、PbO、As、CsO、GeO、Biを実質的に含有しないことを特徴とする光学ガラス。
  6. モールドプレス成形用であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の光学ガラス。
  7. 光通信用レンズに使用されることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の光学ガラス。
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