JP2018012631A - 光学ガラス、プリフォーム材及び光学素子 - Google Patents
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Abstract
Description
具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
B2O3成分を10.0%以上55.0%以下、
La2O3成分を5.0%以上30.0%以下
含有し、
モル和(Nb2O5+WO3)が10.0%未満であり、
1.70以上1.90以下の屈折率(nd)を有し、30以上50以下のアッベ数(νd)を有する光学ガラス。
SiO2成分 0〜25.0%
ZnO成分 0〜45.0%
ZrO2成分 0〜15.0%
Y2O3成分 0〜25.0%
である(1)記載の光学ガラス。
Nb2O5成分 0〜10.0%未満
WO3成分 0〜10.0%未満
Gd2O3成分 0〜4.0%未満
Yb2O3成分 0〜4.0%未満
Ta2O5成分 0〜5.0%未満
TiO2成分 0〜40.0%未満
MgO成分 0〜10.0%
CaO成分 0〜10.0%
SrO成分 0〜10.0%
BaO成分 0〜25.0%
Li2O成分 0〜10.0%
Na2O成分 0〜10.0%
K2O成分 0〜10.0%
P2O5成分 0〜10.0%
GeO2成分 0〜10.0%
Al2O3成分 0〜15.0%
Ga2O3成分 0〜15.0%
Bi2O3成分 0〜15.0%
TeO2成分 0〜15.0%
SnO2成分 0〜3.0%
Sb2O3成分 0〜1.0%
であり、
上記各金属元素の1種又は2種以上の酸化物の一部又は全部と置換した弗化物のFとしての含有量が0〜15.0モル%である(1)又は(2)記載の光学ガラス。
RO成分(式中、RはMg、Ca、Sr、Baからなる群より選択される1種以上)のモル和が25.0%以下であり、
Rn2O成分(式中、RnはLi、Na、Kからなる群より選択される1種以上)のモル和が10.0%以下である(1)から(6)のいずれか記載の光学ガラス。
本発明の光学ガラスを構成する各成分の組成範囲を以下に述べる。本明細書中において、各成分の含有量は、特に断りがない場合、全て酸化物換算組成の全モル数に対するモル%で表示されるものとする。ここで、「酸化物換算組成」は、本発明のガラス構成成分の原料として使用される酸化物、複合塩、金属弗化物等が熔融時に全て分解され酸化物へ変化すると仮定した場合に、当該生成酸化物の総モル数を100モル%として、ガラス中に含有される各成分を表記した組成である。
B2O3成分は、希土類酸化物を多く含む本発明の光学ガラスでは、ガラス形成酸化物として必須の成分である。特に、B2O3成分の含有量を10.0%以上にすることで、ガラスの耐失透性を高め、且つガラスのアッベ数を高められる。従って、B2O3成分の含有量は、好ましくは10.0%以上、より好ましくは15.0%超、さらに好ましくは19.0%超、さらに好ましくは20.0%超とする。
一方、B2O3成分の含有量を55.0%以下にすることで、より大きな屈折率を得易くでき、且つ化学的耐久性の悪化を抑えられる。従って、B2O3成分の含有量は、好ましくは55.0%以下、より好ましくは51.0%未満、さらに好ましくは47.0%未満、さらに好ましくは42.0%未満とする。
B2O3成分は、原料としてH3BO3、Na2B4O7、Na2B4O7・10H2O、BPO4等を用いることができる。
一方、La2O3成分の含有量を30.0%以下にすることで、ガラスの安定性を高めることで失透を低減でき、アッベ数の必要以上の上昇を抑えられる。また、ガラス原料の熔解性を高められる。従って、La2O3成分の含有量は、好ましくは30.0%以下、より好ましくは25.0%未満、さらに好ましくは20.0%未満とする。
La2O3成分は、原料としてLa2O3、La(NO3)3・XH2O(Xは任意の整数)等を用いることができる。
他方で、SiO2成分の含有量を25.0%以下にすることで、ガラス転移点の上昇を抑えられ、且つ屈折率の低下を抑えられる。従って、SiO2成分の含有量は、好ましくは25.0%、より好ましくは22.0%未満、さらに好ましくは20.0%未満、さらに好ましくは18.0%未満とする。
SiO2成分は、原料としてSiO2、K2SiF6、Na2SiF6等を用いることができる。
他方で、ZnO成分の含有量を45.0%以下にすることで、ガラスの屈折率の低下を抑えられ、且つ、過剰な粘性の低下による失透を低減できる。従って、ZnO成分の含有量は、好ましくは45.0%以下、より好ましくは40.0%未満、さらに好ましくは35.0%未満とする。
ZnO成分は、原料としてZnO、ZnF2等を用いることができる。
他方で、ZrO2成分の含有量を15.0%以下にすることで、ZrO2成分の過剰な含有による失透を低減できる。従って、ZrO2成分の含有量は、好ましくは15.0%以下、より好ましくは12.0%未満、さらに好ましくは10.0%未満、さらに好ましくは6.9%未満とする。
ZrO2成分は、原料としてZrO2、ZrF4等を用いることができる。
他方で、Y2O3成分の含有量を25.0%以下にすることで、ガラスの屈折率の低下を抑えられ、且つガラスの安定性を高められる。また、ガラス原料の熔解性の悪化を抑えられる。従って、Y2O3成分の含有量は、好ましくは25.0%以下、より好ましくは20.0%未満、さらに好ましくは10.0%未満、さらに好ましくは8.0%未満とする。
Y2O3成分は、原料としてY2O3、YF3等を用いることができる。
他方で、Nb2O5成分の含有量を10.0%未満にすることで、ガラスの材料コストを抑えられる。また、Nb2O5成分の過剰な含有による失透を低減でき、且つ、ガラスの可視光(特に波長500nm以下)に対する透過率の低下を抑えられる。また、これによりアッベ数の低下を抑えられる。従って、Nb2O5成分の含有量は、好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは2.0%未満、さらに好ましくは1.4%未満、さらに好ましくは1.0%未満、さらに好ましくは0.5%未満、さらに好ましくは0.1%未満とする。特に材料コストを低減させる観点では、Nb2O5成分を含有しないことが最も好ましい。
Nb2O5成分は、原料としてNb2O5等を用いることができる。
他方で、WO3成分の含有量を10.0%未満にすることで、ガラスの材料コストを抑えられる。また、WO3成分によるガラスの着色を低減して可視光透過率を高められる。従って、WO3成分の含有量は、好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満、さらに好ましくは0.5%未満、さらに好ましくは0.1%未満とする。特に材料コストを低減させる観点では、WO3成分を含有しないことが最も好ましい。
WO3成分は、原料としてWO3等を用いることができる。
しかしながら、Gd2O3成分及びYb2O3成分は原料価格が高く、その含有量が多いと生産コストが高くなるため、Nb2O5成分やWO3成分等を低減することによる効果が減殺される。また、Gd2O3成分やYb2O3成分の含有を低減させることで、ガラスのアッベ数の上昇を抑えられる。従って、Gd2O3成分及びYb2O3成分の含有量は、それぞれ好ましくは4.0%未満、より好ましくは2.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満、さらに好ましくは0.5%未満、さらに好ましくは0.1%未満とする。特に材料コストを低減させる観点では、これらの成分を含有しないことが最も好ましい。
Gd2O3成分及びYb2O3成分は、原料としてGd2O3、GdF3、Yb2O3等を用いることができる。
しかしながら、Ta2O5成分は原料価格が高く、その含有量が多いと生産コストが高くなるため、Nb2O5成分やWO3成分等を低減することによる効果が減殺される。また、Ta2O5成分の含有量を5.0%未満にすることで、原料の熔解温度が低くなり、原料の熔解に要するエネルギーが低減されるため、光学ガラスの製造コストも低減できる。従って、Ta2O5成分の含有量は、好ましくは5.0%未満、より好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満、さらに好ましくは0.5%未満、さらに好ましくは0.1%未満とする。特に材料コストを低減させる観点では、Ta2O5成分を含有しないことが最も好ましい。
Ta2O5成分は、原料としてTa2O5等を用いることができる。
他方で、TiO2成分の含有量を40.0%未満にすることで、TiO2成分の過剰な含有による失透を低減でき、ガラスの可視光(特に波長500nm以下)に対する透過率の低下を抑えられる。また、これによりアッベ数の低下を抑えられる。従って、TiO2成分の含有量は、好ましくは40.0%未満、より好ましくは35.0%未満、さらに好ましくは30.0%未満、さらに好ましくは26.0%未満、さらに好ましくは23.0%未満、さらに好ましくは20.0%未満とする。
TiO2成分は、原料としてTiO2等を用いることができる。
このうち、MgO成分、CaO成分及びSrO成分の含有量をそれぞれ10.0%以下にすることで、屈折率の低下を抑えることができ、且つこれらの成分の過剰な含有による失透を低減できる。従って、MgO成分、CaO成分及びSrO成分の含有量は、好ましくは10.0%以下、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。
また、BaO成分の含有量を25.0%以下にすることでも、所望の屈折率を得易くでき、且つこれらの成分の過剰な含有による失透を低減できる。従って、BaO成分の含有量は、好ましくは25.0%以下、より好ましくは20.0%未満、さらに好ましくは15.0%未満とする。
MgO成分、CaO成分、SrO成分及びBaO成分は、原料としてMgCO3、MgF2、CaCO3、CaF2、Sr(NO3)2、SrF2、BaCO3、Ba(NO3)2、BaF2等を用いることができる。
他方で、Li2O成分、Na2O成分及びK2O成分のそれぞれ10.0%以下にすることで、ガラスの屈折率を低下し難くし、且つガラスの失透を低減できる。また、特にLi2O成分の含有量を低減させることで、ガラスの粘性が高められるため、ガラスの脈理を低減できる。従って、Li2O成分、Na2O成分及びK2O成分の含有量は、それぞれ好ましくは10.0%以下、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満、さらに好ましくは0.5%未満、さらに好ましくは0.1%未満とする。
Li2O成分、Na2O成分及びK2O成分は、原料としてLi2CO3、LiNO3、Li2CO3、Na2CO3、NaNO3、NaF、Na2SiF6、K2CO3、KNO3、KF、KHF2、K2SiF6等を用いることができる。
他方で、P2O5成分の含有量を10.0%以下にすることで、ガラスの化学的耐久性、特に耐水性の低下を抑えられる。従って、P2O5成分の含有量は、好ましくは10.0%以下、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満とする。
P2O5成分は、原料としてAl(PO3)3、Ca(PO3)2、Ba(PO3)2、BPO4、H3PO4等を用いることができる。
しかしながら、GeO2は原料価格が高く、その含有量が多いと生産コストが高くなるため、Gd2O3成分やTa2O5成分等を低減することによる効果が減殺される。従って、GeO2成分の含有量は、好ましくは10.0%以下、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満、さらに好ましくは0.1%未満とする。材料コストを低減させる観点で、GeO2成分を含有しなくてもよい。
GeO2成分は、原料としてGeO2等を用いることができる。
他方で、Al2O3成分及びGa2O3成分の含有量をそれぞれ15.0%以下にすることで、ガラスの液相温度を下げて耐失透性を高められる。従って、Al2O3成分及びGa2O3成分の含有量は、好ましくは15.0%以下、より好ましくは10.0%未満、さらに好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満とする。
Al2O3成分及びGa2O3成分は、原料としてAl2O3、Al(OH)3、AlF3、Ga2O3、Ga(OH)3等を用いることができる。
他方で、Bi2O3成分の含有量を15.0%以下にすることで、ガラスの液相温度を下げて耐失透性を高められる。従って、Bi2O3成分の含有量は、好ましくは15.0%以下、より好ましくは10.0%未満、さらに好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。
Bi2O3成分は、原料としてBi2O3等を用いることができる。
他方で、TeO2は白金製の坩堝や、熔融ガラスと接する部分が白金で形成されている熔融槽でガラス原料を熔融する際、白金と合金化しうる問題がある。従って、TeO2成分の含有量は、好ましくは15.0%以下、より好ましくは10.0%未満、さらに好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。
TeO2成分は、原料としてTeO2等を用いることができる。
他方で、SnO2成分の含有量を3.0%以下にすることで、熔融ガラスの還元によるガラスの着色や、ガラスの失透を低減できる。また、SnO2成分と熔解設備(特にPt等の貴金属)の合金化が低減されるため、熔解設備の長寿命化を図れる。従って、SnO2成分の含有量は、好ましくは3.0%以下、より好ましくは1.0%未満、さらに好ましくは0.5%未満、さらに好ましくは0.1%未満とする。
SnO2成分は、原料としてSnO、SnO2、SnF2、SnF4等を用いることができる。
他方で、Sb2O3量が多すぎると、可視光領域の短波長領域における透過率が悪くなる。従って、Sb2O3成分の含有量は、好ましくは1.0%以下、より好ましくは0.5%未満、さらに好ましくは0.3%未満とする。
Sb2O3成分は、原料としてSb2O3、Sb2O5、Na2H2Sb2O7・5H2O等を用いることができる。
しかし、F成分の含有量、すなわち上述した各金属元素の1種又は2種以上の酸化物の一部又は全部と置換した弗化物のFとしての合計量が15.0%を超えると、F成分の揮発量が多くなるため、安定した光学恒数が得られ難くなり、均質なガラスが得られ難くなる。また、アッベ数が必要以上に上昇する。
従って、F成分の含有量は、好ましくは15.0%以下、より好ましくは10.0%未満、さらに好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満とする。
F成分は、原料として例えばZrF4、AlF3、NaF、CaF2等を用いることで、ガラス内に含有することができる。
特に、このモル比を0.13以上にすることで、失透を低減して量産に耐える安定なガラスを得易くできる。従って、モル比SiO2/B2O3は、好ましくは0.13以上、より好ましくは0.15以上、さらに好ましくは0.18以上、さらに好ましくは0.20超、さらに好ましくは0.24超とする。
他方で、このモル比を1.50以下にすることで、ガラス転移点の上昇を抑えられる。従って、モル比SiO2/B2O3は、好ましくは1.50以下、より好ましくは1.30以下、さらに好ましくは1.20未満、さらに好ましくは1.00未満、さらに好ましくは0.80未満、さらに好ましくは0.70未満とする。
特に、このモル比を0.10以上にすることで、ガラス原料の熔解性を高められ、より安定なガラスを得易くできる。従って、モル比ZnO/(La2O3+Y2O3)は、好ましくは0.10、より好ましくは0.15、さらに好ましくは0.20、さらに好ましくは0.24、さらに好ましくは0.27、さらに好ましくは0.32、さらに好ましくは0.35を下限とする。
他方で、このモル比を4.00以下にすることで、液相温度を低くでき、且つ、ガラス転移点の必要以上の低下による失透を低減できる。従って、モル比ZnO/(La2O3+Y2O3)は、好ましくは4.00、より好ましくは3.50、さらに好ましくは3.00を上限とする。
特に、この和を5.0%以上にすることで、ガラスの屈折率及びアッベ数が高められるため、所望の屈折率及びアッベ数を有するガラスを得易くすることができる。従って、Ln2O3成分のモル和は、好ましくは5.0%以上、より好ましくは8.0%超、さらに好ましくは11.0%超とする。
他方で、この和を40.0%以下にすることで、ガラスの液相温度が低くなるため、ガラスの失透を低減できる。また、アッベ数の必要以上の上昇を抑えられる。従って、Ln2O3成分のモル和は、好ましくは40.0%以下、より好ましくは35.0%未満、さらに好ましくは30.0%未満、さらに好ましくは27.0%未満とする。
次に、本発明の光学ガラスに含有すべきでない成分、及び含有することが好ましくない成分について説明する。
本発明の光学ガラスは、例えば以下のように作製される。すなわち、上記原料を各成分が所定の含有量の範囲内になるように均一に混合し、作製した混合物を白金坩堝に投入し、ガラス原料の熔解難易度に応じて電気炉で1100〜1500℃の温度範囲で2〜5時間熔解させて攪拌均質化した後、適当な温度に下げてから金型に鋳込み、徐冷することにより作製される。
本発明の光学ガラスは、高屈折率及び高アッベ数(低分散)を有することが好ましい。特に、本発明の光学ガラスの屈折率(nd)は、好ましくは1.70、より好ましくは1.72、さらに好ましくは1.74を下限とする。この屈折率(nd)は、1.90を上限とするが、好ましくは1.88、より好ましくは1.85を上限としてもよい。また、本発明の光学ガラスのアッベ数(νd)は、好ましくは30、より好ましくは31、さらに好ましくは32を下限とする。このアッベ数(νd)は、好ましくは50を上限とするが、好ましくは48、より好ましくは45を上限としてもよい。
このような高屈折率を有することで、光学素子の薄型化を図っても大きな光の屈折量を得ることができる。また、このような低分散を有することで、単レンズとして用いたときに光の波長による焦点のずれ(色収差)を小さくできる。そのため、例えば高分散(低いアッベ数)を有する光学素子と組み合わせて光学系を構成した場合に、その光学系の全体として収差を低減させて高い結像特性等を図ることができる。
このように、本発明の光学ガラスは、光学設計上有用であり、特に光学系を構成したときに、高い結像特性等を図りながらも、光学系の小型化を図ることができ、光学設計の自由度を広げることができる。
特に、本発明の光学ガラスは、ガラスの透過率で表すと、厚み10mmのサンプルで分光透過率80%を示す波長(λ80)は、好ましくは550nm、より好ましくは520nm、さらに好ましくは500nmを上限とする。
また、本発明の光学ガラスにおける、厚み10mmのサンプルで分光透過率5%を示す最も短い波長(λ5)は、好ましくは400nm、より好ましくは380nm、さらに好ましくは360nmを上限とする。
これらにより、ガラスの吸収端が紫外領域又はその近傍になり、可視光に対するガラスの透明性が高められるため、この光学ガラスを、レンズ等の光を透過させる光学素子に好ましく用いることができる。
これにより、光学ガラスが700℃以下のガラス転移点を有することで、ガラスがより低い温度で軟化するため、光学ガラスをプレス成形に用いた場合であっても、より低い温度でガラスをプレス成形し易くできる。従って、本発明の光学ガラスのガラス転移点は、好ましくは700℃以下、より好ましくは650℃以下、さらに好ましくは630℃以下とする。
他方で、光学ガラスのガラス転移点は、500℃以上としてもよい。これにより、ガラスの安定性が高められて結晶化が起こり難くなるため、ガラス作製時やプレス成形時の失透を低減でき、これによりプレス成形に好適なガラスを得られる。従って、本発明の光学ガラスのガラス転移点は、好ましくは500℃以上、より好ましくは530℃以上、さらに好ましくは550℃以上としてもよい。
なお、本発明の光学ガラスの屈伏点は特に限定されないが、好ましくは500℃、より好ましくは550℃、さらに好ましくは600℃を下限としてもよい。
本発明の光学ガラスの比重は、日本光学硝子工業会規格JOGIS05−1975「光学ガラスの比重の測定方法」に基づいて測定する。
作製された光学ガラスから、例えば研磨加工の手段、又は、リヒートプレス成形や精密プレス成形等のモールドプレス成形の手段を用いて、ガラス成形体を作製することができる。すなわち、光学ガラスに対して研削及び研磨等の機械加工を行ってガラス成形体を作製したり、光学ガラスからモールドプレス成形用のプリフォームを作製し、このプリフォームに対してリヒートプレス成形を行った後で研磨加工を行ってガラス成形体を作製したり、研磨加工を行って作製したプリフォームや、公知の浮上成形等により成形されたプリフォームに対して精密プレス成形を行ってガラス成形体を作製したりすることができる。なお、ガラス成形体を作製する手段は、これらの手段に限定されない。
また、本発明の実施例の光学ガラスは、屈伏点(At)が800℃以下、より詳細には670℃以下であった。
また、本発明の実施例の光学ガラスは、いずれも比重が5.00以下、より詳細には4.50以下であった。
また、実施例の光学ガラスは、平均線膨張係数(α)が100×10−7K−1以下、より詳細には80×10−7K−1以下であった。
Claims (10)
- モル%で、
B2O3成分を10.0%以上55.0%以下、
La2O3成分を5.0%以上30.0%以下
含有し、
モル和(Nb2O5+WO3)が10.0%未満であり、
1.70以上1.90以下の屈折率(nd)を有し、30以上50以下のアッベ数(νd)を有する光学ガラス。 - モル%で、
SiO2成分 0〜25.0%
ZnO成分 0〜45.0%
ZrO2成分 0〜15.0%
Y2O3成分 0〜25.0%
である請求項1記載の光学ガラス。 - モル%で、
Nb2O5成分 0〜10.0%未満
WO3成分 0〜10.0%未満
Gd2O3成分 0〜4.0%未満
Yb2O3成分 0〜4.0%未満
Ta2O5成分 0〜5.0%未満
TiO2成分 0〜40.0%未満
MgO成分 0〜10.0%
CaO成分 0〜10.0%
SrO成分 0〜10.0%
BaO成分 0〜25.0%
Li2O成分 0〜10.0%
Na2O成分 0〜10.0%
K2O成分 0〜10.0%
P2O5成分 0〜10.0%
GeO2成分 0〜10.0%
Al2O3成分 0〜15.0%
Ga2O3成分 0〜15.0%
Bi2O3成分 0〜15.0%
TeO2成分 0〜15.0%
SnO2成分 0〜3.0%
Sb2O3成分 0〜1.0%
であり、
上記各金属元素の1種又は2種以上の酸化物の一部又は全部と置換した弗化物のFとしての含有量が0〜15.0モル%である請求項1又は2記載の光学ガラス。 - モル比SiO2/B2O3が0.13以上1.50以下である請求項1から3のいずれか記載の光学ガラス。
- モル和Ta2O5+Nb2O5+WO3+Gd2O3+Yb2O3が10.0%未満である請求項1から4のいずれか記載の光学ガラス。
- モル比ZnO/(La2O3+Y2O3)が0.10以上4.00以下である請求項1から5のいずれか記載の光学ガラス。
- Ln2O3成分(式中、LnはLa、Gd、Y、Yb、Luからなる群より選択される1種以上)のモル和が5.0%以上40.0%以下であり、
RO成分(式中、RはMg、Ca、Sr、Baからなる群より選択される1種以上)のモル和が25.0%以下であり、
Rn2O成分(式中、RnはLi、Na、Kからなる群より選択される1種以上)のモル和が10.0%以下である請求項1から6のいずれか記載の光学ガラス。 - 請求項1から7のいずれか記載の光学ガラスからなるプリフォーム材。
- 請求項1から7のいずれか記載の光学ガラスからなる光学素子。
- 請求項8又は9に記載の光学素子を備える光学機器。
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