JP2014227336A

JP2014227336A - リン酸塩光学ガラス、精密プレス成形用プレキャスト、及び光学素子

Info

Publication number: JP2014227336A
Application number: JP2014105014A
Authority: JP
Inventors: 匡波; Bo Kuang
Original assignee: CDGM Glass Co Ltd
Current assignee: CDGM Glass Co Ltd
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2014-12-08
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: JP5972310B2; CN107540213A; CN104176933A

Abstract

【課題】屈折率が1.57〜1.62の範囲内であり、アッベ数が65〜70の範囲内であり、かつ、熱膨張係数が小さく、精密プレス成形に好適なリン酸塩光学ガラスを提供する。
【解決手段】本発明のリン酸塩光学ガラスは、32〜50 mol%のP₂O₅と、3〜20 mol%のB₂O₃と、12〜25 mol%のBaOと、0〜20mol%のSrOと、0〜8mol%のAl₂O₃と、0mol%超15mol%以下のLi₂Oと、0mol%超11mol%以下のMgOと、0〜15mol%のCaOと、0〜5mol%のGd₂O₃と、0〜5mol%のLa₂O₃と、0〜0.5mol%のSb₂O₃とを含有し、ZnOを含有しない。各成分の含有量を合理的に配分することにより、20〜300℃における熱膨張係数が110×10^-7/℃未満であり、転移温度が520℃未満であるリン酸塩光学ガラスを提供することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、精密プレス成形に用いて好適なリン酸塩光学ガラス、精密プレス成形用プレキャスト、及び光学素子に関する。

デジタルカメラ、及び撮影可能な携帯電話等の光学製品の普及に伴い、光学システムは絶えず小型化及び軽量化の方向に発展している。光学ガラスを精密プレス成形して製造される非球面レンズは、レンズの構造を簡素化させ、レンズ数を低減させる。そのため、非球面レンズに対する市場のニーズはますます高まっている。

中屈折率と低分散性とを有する光学ガラスは、光学製品の光学システムにおいて需要が比較的大きい。特に屈折率(nd)が1.57〜1.62の範囲内であり、アッベ数(Vd)が65〜70の範囲内である光学ガラスを用いた精密プレス成形用プレキャスト及び光学素子は、光学システムに好ましく利用される。しかしながら、従来、この種のガラスは熱膨張係数が大きいため、精密プレス成形工程において大きくガラス変形して、破損する恐れがある。

本発明は、屈折率が1.57〜1.62の範囲内であり、アッベ数が65〜70の範囲内であり、かつ、熱膨張係数が小さく、精密プレス成形に好適なリン酸塩光学ガラスを提供することを目的とする。
本発明はまた、上記リン酸塩光学ガラスからなる精密プレス成形用プレキャスト、及び上記光学特性と優れた耐候性とを有する光学素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、32〜50 mol%のP₂O₅と、3〜20 mol%のB₂O₃と、12〜25 mol%のBaOと、0〜20mol%のSrOと、0〜8mol%のAl₂O₃と、0mol%超15mol%以下のLi₂Oと、0mol%超11mol%以下のMgOと、0〜15mol%のCaOと、0〜5mol%のGd₂O₃と、0〜5mol%のLa₂O₃と、0〜0.5mol%のSb₂O₃とを含有し、ZnOを含有しないリン酸塩光学ガラスを提供する。

本発明のリン酸塩光学ガラスは、32〜50mol%のP₂O₅ と、3〜20mol%のB₂O₃と、12〜25mol%のBaOと、0〜20mol%のSrOと、0〜8mol%のAl₂O₃と、0 mol%超15mol%以下のLi₂Oと、0 mol%超11mol%以下のMgOと、0〜15mol%のCaOと、0〜5mol%のGd₂O₃と、0〜5mol%のLa₂O₃と、0〜0.5mol%のSb₂O₃と、0〜10mol%のNa₂Oと、0〜5mol% のK₂Oとを含有することが好ましい。

P₂O₅の含有量が35〜40mol%であることが好ましい。
BaOの含有量が15〜20mol%であることが好ましい。
MgOの含有量が5〜11mol%であることが好ましい。
CaOの含有量が0〜8mol%であることが好ましい。
MgOとCaOとの合計含有量が11mol%未満であることが好ましい。
B₂O₃ の含有量が5〜15mol%であることが好ましい。
La₂O₃の含有量が0〜2mol%であることが好ましい。
Li₂Oの含有量が5〜15mol%であることが好ましい。
Gd₂O₃の含有量が0.1〜3mol%であることが好ましい。

本発明のリン酸塩光学ガラスは、屈折率が1.57〜1.62の範囲内であり、アッベ数が65〜70の範囲内であることが好ましい。
本発明のリン酸塩光学ガラスは、20〜300℃における熱膨張係数が110×10^-7/℃未満であることが好ましい。
本発明のリン酸塩光学ガラスは、転移温度が520℃未満であることが好ましい。

本発明の精密プレス成形用プレキャストは、上記の本発明のリン酸塩光学ガラスからなる。
本発明の光学素子は、上記の本発明のリン酸塩光学ガラスからなる。

本発明によれば、各成分の含有量を合理的に配分することにより、屈折率が1.57〜1.62の範囲内であり、アッベ数が65〜70の範囲内であり、かつ、20〜300℃における熱膨張係数(α)が110×10^-7/℃未満であり、転移温度が520℃未満であるリン酸塩光学ガラスを提供することができる。

屈折率が1.57〜1.62の範囲内であり、アッベ数が65〜70の範囲内であり、優れた熱膨張係数を有する光学ガラスを得るための、光学ガラスの各成分の配合設計の理由は以下の通りである。
なお、本明細書では特に明記しない限り、各成分の含有量はmol%表示とする。

P₂O₅は本発明のガラスのネットワーク構造を形成するための必須成分であり、ガラスの安定性及び粘性を向上させることができる。但し、その含有量が50%超ではガラス屈折率は低下し、含有量が32%未満ではガラス化傾向の増加によりガラスは不安定になる。従って、本発明のガラスにおいて、P₂O₅の含量は32〜50%であり、好ましくは35〜40%である。

B₂O₃は本発明のガラスの必須成分であり、ガラスの安定性と溶融性能を向上させることができる。但し、その含有量が過少ではガラスの低分散性に影響する。上記効果を達成するため、B₂O₃の含有量は3%以上が好ましいが、B₂O₃が過剰ではガラスの熱安定性に影響する。従って、B₂O₃の含有量は3〜20%であり、好ましくは5〜15%であり、より好ましくは10〜15%である。

本発明のガラスにおいて、Li₂Oは必須成分であり、ガラスの転移温度とプレス成形温度を低下させることができる。但し、Li₂Oが過剰では、ガラスの耐候性と安定性が悪化し、ガラスの分散性が高くなる。従って、Li₂Oの含有量は0mol%超15mol%以下であり、好ましくは5〜15%であり、より好ましくは9〜14%である。

Na₂O及びK₂Oは、耐ガラス化性能を向上させ、ガラス転移温度、降伏点、及び液相温度を低下させることができる。ガラスの高温溶融性能の改善のために、任意成分として用いることができる。但し、その含有量が過剰では、ガラスの安定性が悪化し、耐候性が悪化し、屈折率が低下する。従って、本発明のガラスにおいて、Na₂Oの含有量は0〜10%であり、K₂Oの含有量は0〜5%である。Na₂O及びK₂Oは用いないことが好ましい。

BaOは本発明のガラスの必須成分であり、ガラスの屈折率と安定性を効果的に向上させることができ、特に耐候性向上の成分として有効である。但し、BaOが過剰では、ガラスの失透安定性が悪化し、ガラスの転移温度が上昇し、かつ低分散性が損なわれる。従って、本発明のガラスにおいて、BaOの含有量は12〜25%であり、好ましくは15〜20%である。

SrOもガラスの屈折率向上に有効な成分であり、かつガラスの耐候性を向上させることができる。但し、SrOが過剰では、ガラスの安定性が悪化し、液相温度が上昇する。従って、本発明のガラスにおいて、SrOの含有量は0〜20%であり、好ましくは5〜15%であり、より好ましくは7〜12%である。

本発明は低分散性のガラスを実現するために、BaO、SrO、MgO、及びCaO等の低分散性に有利な成分を用いるが、BaO及び／又はSrOのみを用いる場合には低分散性の実現は容易ではない。また、ZnOはガラスの分散性を増大させる不利な作用があるため、本発明のガラスでは用いない。
本発明者は研究を通じて、２価の成分として、BaO又はSrOに加えてMgOとCaOとのうち少なくとも１種を適量添加することにより、低分散性を実現できることを見出している。特に、必須成分としてMgOを用いることで、低分散性と同時に、ガラスの安定性及び耐候性を向上させることができる。但し、MgOの含有量が11%を超える場合、ガラスの熱安定性が悪くなる。そのため、MgOの含有量は0%超11%以下であり、好ましくは5〜11%である。

CaOは、ガラスの高温溶融安定性の改善のために任意成分として用いることができる。但し、その含有量が15%を超えると、ガラスの屈折率が低下し、化学安定性が悪くなる。そのため、CaOの含有量は0〜15%であり、好ましくは0〜8%である。

発明者は研究を通じてさらに、ガラスの低分散性及び耐候性を確保するために、本発明のガラス中のMgOとCaOとの合計含有量は11%未満が好ましいことを見出している。CaOは用いないことが好ましい。

Al₂O₃は本発明のガラスの必須成分ではないが、ガラスの耐候性向上の有効成分として用いることができる。但し、その含有量が8%を超えると、ガラスの転移温度又は降伏点が上昇し、ガラスの安定性及び高温溶融性能が悪化し、ガラスの屈折率が低下する。従って、その含有量は0〜8%であり、好ましくは0〜6%であり、より好ましくは0〜5%である。

Gd₂O₃は、本発明のガラスの屈折率を向上させるために、任意成分として用いることができる。但し、Gd₂O₃が過剰では、ガラスの失透傾向が増大し、ガラスが不安定になる。従って、Gd₂O₃含有量は0〜5%であり、好ましくは0.1〜3%である。

本発明のガラスにおいて、Sb₂O₃はガラス溶融時の清澄剤として添加することができる。その含有量は0〜0.5%であり、好ましくは0〜0.1%であり、より好ましくは0〜0.05%である。

本発明のガラスは、好ましくはP₂O₅、B₂O₃、Al₂O₃、Li₂O、MgO、BaO、SrO、Gd₂O₃、及びSb₂O₃を含み、これら成分の合計含有量は好ましくは95%超であり、より好ましくは98%超であり、特に好ましくは99%超であり、最も好ましくは100%である。

本発明の目的を損なわない範囲内で、Na₂O、K₂O、CaO、La₂O_3、Y₂O₃、Yb₂O₃、ZrO₂、Ta₂O₅、Bi₂O₃、WO₃、及びTiO₂のうちの１種又は２種以上を添加することができる。これらの中で、La₂O₃は任意成分であり、ガラスの安定性を悪化させ、溶融性能を低下させるため、その含有量は0〜8%であり、好ましくは0〜2%であり、特に好ましくは0％である。

本発明のガラスの屈折率(nd)は1.57〜1.62であり、好ましくは1.58〜1.61であり、特に好ましくは1.59〜1.60である。本発明のガラスのアッベ数(Vd)は65〜70であり、好ましくは66〜69であり、特に好ましくは67〜68である。
本発明のガラスの組成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、上記特性を充足するよう適宜決定される。各成分を上記の好ましい設計思想内で配合することで、高屈折率と低分散性とを有するガラスを提供できる。

光学ガラスの屈折率(nd)、アッベ数(Vd)、転移温度(Tg)、熱膨張係数(α)、及び比重は、以下の方法により測定される。

(1)屈折率(nd)とアッベ数(Vd)
屈折率とアッベ数は、GB/T 7962.11-2010（無色光学ガラスの屈折率と拡散係数の試験方法）に規定の方法に準拠して測定される。

(2)転移温度(Tg)
光学ガラスは、ある温度範囲において固体状態から塑性状態に徐々に変化する。転移温度(Tg)とは、ガラス試料を室温から流動温度(Ts)まで加熱したとき、低温領域と高温領域の直線部分の延長線の交点に対応する温度である。転移温度は、GB/T 7962.16-2010に規定の方法に準拠して測定される。

(3) 熱膨張係数(α)
熱膨張係数(α)とは、ある温度範囲内で温度が1℃上昇するときのガラスの単位長さの伸び率を言う。本明細書における熱膨張係数(α)は、20〜300℃の範囲内において、GB/T7962.16-2010に規定の方法に準拠して測定されるデータの平均値である。

(4)比重
光学ガラスの比重は、20℃における単位体積の質量である。光学ガラスの比重は、GB/T7962.20-2010に規定の方法に準拠して測定される。単位はg/cm³にて表示する。

本発明のガラスにおいて、転移温度(Tg)は好ましくは520℃未満であり、より好ましくは510℃未満であり、特に好ましくは500℃未満である。かかる低温軟化性能によって、比較的低温で精密プレス成形を実施できる。本発明のガラスにおいては、転移温度(Tg)が上記範囲内となるよう、各成分の配合量を適切に決定する。

本発明のガラスにおいて、20〜300℃における熱膨張係数(α)は好ましくは110×10^-7/℃未満であり、より好ましくは107×10^-7/℃未満であり、特に好ましくは104×10^-7/℃未満である。本発明のガラスにおいて、熱膨張係数(α) が上記範囲内となるよう、各成分の配合量を適切に決定する。

本発明のガラスにおいて、比重は好ましくは3.45（g/cm³）未満であり、より好ましくは3.36（g/cm³）未満であり、特に好ましくは3.32（g/cm³）未満である。

本発明の精密プレス成形用のプレキャストは、上記の本発明のリン酸塩光学ガラスからなり、精密プレス成形製品と同様な品質を有するガラス製品である。製品の形状に応じて、プレキャストは適切な形状に成形され、球状及び回転楕円体等の形状にできる。プレキャストは、精密プレス成形に適した粘度まで加熱され、精密プレス成形される。

本発明の光学素子は、上記の本発明のリン酸塩光学ガラスからなる光学素子である。光学素子を構成するガラスは上記特徴を有する。本発明の光学素子は、必要とされる光学特性と優れた熱膨張係数とを有するため、長期に渡って高い信頼性を効果的に維持することができる。

本発明の光学素子としては、球面レンズ、非球面レンズ、及びマイクロレンズ等の各種レンズ、回析格子、回析格子付きレンズ、レンズアレイ、及びプリズム等が挙げられる。本発明の光学素子としては、上記の本発明のプレキャストの加熱と軟化、及び精密プレス成形を経て製造される素子が好ましい。

本発明の光学素子には必要に応じて、反射防止膜、全反射膜、及び部分反射膜等の光学フィルムを設けることができる。

以下の実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
表１〜表３に、各実施例のガラスの組成、屈折率(nd)、アッベ数(Vd)、転移温度(Tg)、熱膨張係数（α）、及び比重（ρ）を示す。
これら実施例のガラスにおいては、各成分の原料として、対応する酸化物、水酸化物、リン酸塩、メタリン酸塩、炭酸塩、又は硝酸塩を用いた。
本発明のリン酸塩光学ガラスは、以下の工程にて製造した。
上記原料を計量し、充分に混合した後、白金るつぼに入れ、1050〜1200℃の温度で溶融させ、撹拌して均質化させ、冷却し、適切な温度に予熱された鋳型に注入し、得られたキャストガラスを転移温度まで冷却し、これをそのままアニール炉に入れて、室温になるまでゆっくり冷却させて、本発明のリン酸塩光学ガラスを得た。

Claims

32〜50 mol%のP₂O₅と、3〜20 mol%のB₂O₃と、12〜25 mol%のBaOと、0〜20mol%のSrOと、0〜8mol%のAl₂O₃と、0mol%超15mol%以下のLi₂Oと、0mol%超11mol%以下のMgOと、0〜15mol%のCaOと、0〜5mol%のGd₂O₃と、0〜5mol%のLa₂O₃と、0〜0.5mol%のSb₂O₃とを含有し、ZnOを含有しないリン酸塩光学ガラス。
32〜50mol%のP₂O₅ と、3〜20mol%のB₂O₃と、12〜25mol%のBaOと、0〜20mol%のSrOと、0〜8mol%のAl₂O₃と、0 mol%超15mol%以下のLi₂Oと、0 mol%超11mol%以下のMgOと、0〜15mol%のCaOと、0〜5mol%のGd₂O₃と、0〜5mol%のLa₂O₃と、0〜0.5mol%のSb₂O₃と、0〜10mol%のNa₂Oと、0〜5mol% のK₂Oとを含有する、
請求項１に記載のリン酸塩光学ガラス。
P₂O₅の含有量が35〜40mol%である、請求項１又は２に記載のリン酸塩光学ガラス。
BaOの含有量が15〜20mol%である、請求項１又は２に記載のリン酸塩光学ガラス。
MgOの含有量が5〜11mol%である、請求項１又は２に記載のリン酸塩光学ガラス。
CaOの含有量が0〜8mol%である、請求項１又は２に記載のリン酸塩光学ガラス。
MgOとCaOとの合計含有量が11mol%未満である、請求項１又は２に記載のリン酸塩光学ガラス。
B₂O₃ の含有量が5〜15mol%である、請求項１又は２に記載のリン酸塩光学ガラス。
La₂O₃の含有量が0〜2mol%である、請求項１又は２に記載のリン酸塩光学ガラス。
Li₂Oの含有量が5〜15mol%である、請求項１又は２に記載のリン酸塩光学ガラス。
Gd₂O₃の含有量が0.1〜3mol%である、請求項１又は２に記載のリン酸塩光学ガラス。
屈折率が1.57〜1.62の範囲内であり、アッベ数が65〜70の範囲内である、請求項１〜１１のいずれかに記載のリン酸塩光学ガラス。
20〜300℃における熱膨張係数が110×10^-7/℃未満である、請求項１〜１１のいずれかに記載のリン酸塩光学ガラス。
転移温度が520℃未満である、請求項１〜１１のいずれかに記載のリン酸塩光学ガラス。
請求項１〜１４のいずれかに記載のリン酸塩光学ガラスからなる精密プレス成形用プレキャスト。
請求項１〜１４のいずれかに記載のリン酸塩光学ガラスからなる光学素子。