JP2022068028A - 光学ガラス、精密プレス成形用プリフォーム、及び光学素子 - Google Patents

光学ガラス、精密プレス成形用プリフォーム、及び光学素子 Download PDF

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Abstract

【課題】軽量で、温度による光学特性の変化が小さい上、化学的耐久性及び低温成形性に優れる低分散の光学ガラスを提供する。【解決手段】モル％で、Ｂ２Ｏ３：０％以上１５％以下、Ｐ２Ｏ５：２５％以上４０％以下、但し、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の合計：３５％以上４５％以下、Ａｌ２Ｏ３：０％以上１０％以下、Ｌｉ２Ｏ：５％以上１５％以下、Ｎａ２Ｏ：０％以上１５％以下、Ｋ２Ｏ：０％以上５％以下、ＭｇＯ：０％以上３５％以下、ＣａＯ：０％以上３５％以下、但し、ＭｇＯ及びＣａＯの合計：２０％以上、ＺｎＯ：０％以上５％以下、ＺｒＯ２：０％以上３％以下、Ｙ２Ｏ３：０％以上３％以下、Ｌａ２Ｏ３：０％以上３％以下、及びＧｄ２Ｏ３：０％以上３％以下、を含む組成を有し、且つ、ＳｒＯ及びＢａＯを含まない、ことを特徴とする、光学ガラスである。【選択図】なし

Description

本発明は、光学ガラス、精密プレス成形用プリフォーム、及び光学素子に関する。
屈折率（ｎｄ）１．５０～１．６０、アッベ数（νｄ）６０～７０付近の光学恒数を有するガラス（いわゆる低分散ガラス）は、該ガラスを用いて作られる光学素子が色収差の補正に有用であるため、様々な光学デバイスに使用されている。また、近年は、車載カメラやドローン空撮用カメラ等といった屋外での使用が想定された光学デバイスの需要の高まりにより、光学素子に対しても、そのような使用環境に適した特性が求められている。かかる特性の一つとして、温度による光学特性の変化が小さいことが挙げられる。更に、当該ガラスには、自動車やドローン等のエネルギー効率向上の観点から、軽量であることも要求される。
ここで、上述した光学恒数を満たす低分散ガラスとして、例えば、特許文献１，２には、Ｐ２Ｏ５及びＬｉ２Ｏを含み、且つ、ＳｒＯ及びＢａＯの少なくともいずれかを含む光学ガラスが開示されている。
特開２００６－０５２１１９号公報 特開２０１１－２４１１２８号公報
しかしながら、本発明者が検討したところ、特許文献１，２に記載の光学ガラスは、温度による光学特性の変化の低減と、十分な軽量化とを両立することができないことが判明し、少なくともこの点で改良の余地があった。
加えて、上述した光学恒数を満たす低分散ガラスは、信頼性の観点から、化学的耐久性に優れるとともに、量産化及び低コスト化の観点から、低温での成形性に優れることも肝要である。
そこで、本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、軽量で、温度による光学特性の変化が小さい上、化学的耐久性及び低温成形性に優れる低分散の光学ガラスを提供することを目的とする。また、本発明は、上記の光学ガラスを用いた精密プレス成形用プリフォーム及び光学素子を提供することを目的とする。
本発明者は、前記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、リン酸塩ガラスの、特にＳｒＯ及びＢａＯを含まない組成において、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の合計含有量を所定範囲内とし、更にＭｇＯ及びＣａＯの合計含有量を所定量以上とし、加えてＬｉ２Ｏを所定の割合で含ませることにより、上記所望の光学ガラスを、高い生産性のもとで作製することができることを見出した。
即ち、本発明の光学ガラスは、モル％で、
Ｂ２Ｏ３：０％以上１５％以下、
Ｐ２Ｏ５：２５％以上４０％以下、
但し、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の合計：３５％以上４５％以下、
Ａｌ２Ｏ３：０％以上１０％以下、
Ｌｉ２Ｏ：５％以上１５％以下、
Ｎａ２Ｏ：０％以上１５％以下、
Ｋ２Ｏ：０％以上５％以下、
ＭｇＯ：０％以上３５％以下、
ＣａＯ：０％以上３５％以下、
但し、ＭｇＯ及びＣａＯの合計：２０％以上、
ＺｎＯ：０％以上５％以下、
ＺｒＯ２：０％以上３％以下、
Ｙ２Ｏ３：０％以上３％以下、
Ｌａ２Ｏ３：０％以上３％以下、及び
Ｇｄ２Ｏ３：０％以上３％以下
を含む組成を有し、且つ、
ＳｒＯ及びＢａＯを含まない、ことを特徴とする。かかる本発明の光学ガラスは、軽量で、温度による光学特性の変化が小さい上、化学的耐久性及び低温成形性に優れる低分散の光学ガラスである。
本発明の光学ガラスは、屈折率（ｎｄ）が１．５０以上１．６０以下であり、アッベ数（νｄ）が６０以上７０以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、比重が２．９０以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、相対屈折率の温度係数（０℃／２０℃、波長５８７．６ｎｍ）の絶対値が２．０×１０－６℃－１以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、ＪＯＧＩＳ０７－２０１９に準拠して測定される化学的耐久性（表面法）のランク（ＤＷ）が１又は２であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、ガラス転移温度（Ｔｇ）が５００℃以下であり、屈伏温度（Ａｔ）が５４０℃以下であることが好ましい。
本発明の精密プレス成形用プリフォームは、上述した光学ガラスを素材として用いたことを特徴とする。
本発明の光学素子は、上述した光学ガラスを素材として用いたことを特徴とする。
本発明によれば、軽量で、温度による光学特性の変化が小さい上、化学的耐久性及び低温成形性に優れる低分散の光学ガラスを提供することができる。また、本発明によれば、上記の光学ガラスを用いた精密プレス成形用プリフォーム及び光学素子を提供することができる。
以下、本発明を、実施形態を用いて具体的に説明する。
（光学ガラス）
本発明の一実施形態の光学ガラス（以下、「本実施形態の光学ガラス」と称することがある。）は、モル％で、
Ｂ２Ｏ３：０％以上１５％以下、
Ｐ２Ｏ５：２５％以上４０％以下、
但し、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の合計：３５％以上４５％以下、
Ａｌ２Ｏ３：０％以上１０％以下、
Ｌｉ２Ｏ：５％以上１５％以下、
Ｎａ２Ｏ：０％以上１５％以下、
Ｋ２Ｏ：０％以上５％以下、
ＭｇＯ：０％以上３５％以下、
ＣａＯ：０％以上３５％以下、
但し、ＭｇＯ及びＣａＯの合計：２０％以上、
ＺｎＯ：０％以上５％以下、
ＺｒＯ２：０％以上３％以下、
Ｙ２Ｏ３：０％以上３％以下、
Ｌａ２Ｏ３：０％以上３％以下、及び
Ｇｄ２Ｏ３：０％以上３％以下
を含む組成を有し、且つ、
ＳｒＯ及びＢａＯを含まない、ことを特徴とする。
なお、本実施形態の光学ガラスは、上述した成分以外のその他の成分（後述）を含んでもよい。但し、本実施形態の光学ガラスは、温度による光学特性の変化の低減（以下、光学安定性の向上ともいう）、並びに、高い軽量性、化学的耐久性、低温成形性及び低分散性をより確実にもたらす観点から、上述した成分（必須成分であるＰ２Ｏ５及びＬｉ２Ｏ、並びに、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、及びＧｄ２Ｏ３から選択される成分）のみからなる組成を有することが好ましい。
ここで、「上述した成分のみからなる」とは、当該成分以外の不純物成分が不可避的に混入する、具体的には、不純物成分の割合が０．２質量％以下である場合を包含することとする。
まず、本実施形態において、光学ガラスの組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。なお、成分に関する「％」表示は、特に断らない限り、モル％を意味するものとする。
＜Ｂ２Ｏ３＞
Ｂ２Ｏ３は、本実施形態の光学ガラスにおいて、ガラスの網目構造を形成する成分であり、また、ガラスに製造可能な安定性をもたらすとともに、ガラスの熔融性の向上に有効な成分である。しかし、その含有量が１５％を超えると、耐失透安定性が低下して、光学ガラスとしての基本品質が悪化する虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、Ｂ２Ｏ３の含有量を０％以上１５％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＢ２Ｏ３の含有量は、１４％以下であることが好ましく、１３％以下であることがより好ましい。
＜Ｐ２Ｏ５＞
Ｐ２Ｏ５は、本実施形態の光学ガラスにおいて、ガラスの網目構造を形成するとともに、ガラスに製造可能な安定性をもたらす必須成分である。しかし、その含有量が４０％を超えると、化学的耐久性が大幅に悪化する。一方、その含有量が２５％未満であると、耐失透安定性及び低温成形性が悪化する虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、Ｐ２Ｏ５の含有量を２５％以上４０％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＰ２Ｏ５の含有量は、２６％以上であることが好ましく、２７％以上であることがより好ましく、また、３９％以下であることが好ましく、３８％以下であることがより好ましい。
＜Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の合計＞
ここで、本実施形態の光学ガラスは、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の合計量が３５％以上４５％以下であることを要する。Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の合計量が４５％を超えると、化学的耐久性が大幅に悪化し、一方、３５％未満であると、耐失透安定性及び低温成形性が悪化する虞があるからである。また、同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＢ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の合計量は、３６％以上であることが好ましく、３７％以上であることがより好ましく、また、４４％以下であることが好ましく、４３％以下であることがより好ましい。
＜Ａｌ２Ｏ３＞
Ａｌ２Ｏ３は、本実施形態の光学ガラスにおいて、化学的耐久性の向上に有効な成分である。しかし、その含有量が１０％を超えると、耐失透安定性及び光学安定性が悪化する虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、Ａｌ２Ｏ３の含有量を０％以上１０％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＡｌ２Ｏ３の含有量は、９％以下であることが好ましく、８％以下であることがより好ましい。
＜Ｌｉ２Ｏ＞
Ｌｉ２Ｏは、本実施形態の光学ガラスにおいて、熔融性及び低温成形性の向上に有効であるとともに、光学安定性の向上に寄与する（特に、温度上昇に伴って屈折率が低下する傾向をもたらす）必須成分である。しかし、その含有量が１５％を超えると、耐失透安定性が低下して、光学ガラスとしての基本品質が悪化する虞がある。また、その含有量が５％未満であると、熔融性及び低温成形性を向上させる効果が十分に得られない虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、Ｌｉ２Ｏの含有量を５％以上１５％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＬｉ２Ｏの含有量は、６％以上であることが好ましく、７％以上であることがより好ましく、また、１４％以下であることが好ましく、１３％以下であることがより好ましい。
＜Ｎａ２Ｏ＞
Ｎａ２Ｏは、本実施形態の光学ガラスにおいて、熔融性及び低温成形性の向上に有効であるとともに、光学安定性の向上に寄与する（特に、温度上昇に伴って屈折率が低下する傾向をもたらす）成分である。しかし、その含有量が１５％を超えると、温度上昇に伴って屈折率が過度に低下する虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、Ｎａ２Ｏの含有量を０％以上１５％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＮａ２Ｏの含有量は、１４％以下であることが好ましく、１３％以下であることがより好ましい。
＜Ｋ２Ｏ＞
Ｋ２Ｏは、本実施形態の光学ガラスにおいて、熔融性及び低温成形性の向上に有効であるとともに、光学安定性の向上に寄与する（特に、温度上昇に伴って屈折率が低下する傾向をもたらす）成分である。しかし、その含有量が５％を超えると、耐失透安定性が低下して、光学ガラスとしての基本品質が悪化する虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、Ｋ２Ｏの含有量を０％以上５％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＫ２Ｏの含有量は、４％以下であることが好ましく、３％以下であることがより好ましい。
＜ＭｇＯ＞
ＭｇＯは、本実施形態の光学ガラスにおいて、化学的耐久性及び低分散性を向上させ、また、軽量化に有効な成分である。しかし、その含有量が３５％を超えると、ガラスの熔融性が悪化し、耐失透安定性が低下して、光学ガラスとしての基本品質が悪化する虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、ＭｇＯの含有量を０％以上３５％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＭｇＯの含有量は、３４％以下であることが好ましく、３３％以下であることがより好ましい。
＜ＣａＯ＞
ＣａＯは、本実施形態の光学ガラスにおいて、化学的耐久性及び耐失透安定性の向上に有効な成分である。しかし、その含有量が３５％を超えると、耐失透安定性及び低温成形性が悪化する虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、ＣａＯの含有量を０％以上３５％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＣａＯの含有量は、３４％以下であることが好ましく、３３％以下であることがより好ましい。
＜ＭｇＯ及びＣａＯの合計＞
ここで、本実施形態の光学ガラスは、ＭｇＯ及びＣａＯの合計量が２０％以上であることを要する。ＭｇＯ及びＣａＯの合計量が２０％未満であると、化学的耐久性が低下する虞があるからである。また、同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＭｇＯ及びＣａＯの合計量は、２２％以上であることが好ましく、２４％以上であることがより好ましく、２６％以上であることが更に好ましい。一方、耐失透安定性及び低温成形性をより良好に保持する観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＭｇＯ及びＣａＯの合計量は、６０％以下であることが好ましく、５５％以下であることがより好ましく、５３％以下であることが更に好ましく、５１％以下であることが一層好ましい。
＜ＺｎＯ＞
ＺｎＯは、本実施形態の光学ガラスにおいて、化学的耐久性の向上に有効な成分である。しかし、その含有量が５％を超えると、耐失透安定性及び低分散性が悪化する虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、ＺｎＯの含有量を０％以上５％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＺｎＯの含有量は、４％以下であることが好ましく、３％以下であることがより好ましい。
＜ＺｒＯ２＞
ＺｒＯ２は、本実施形態の光学ガラスにおいて、化学的耐久性の向上に有効な成分である。しかし、その含有量が３％を超えると、耐失透安定性及び低温成形性が悪化する虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、ＺｒＯ２の含有量を０％以上３％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＺｒＯ２の含有量は、２％以下であることが好ましく、１％以下であることがより好ましい。
＜Ｙ２Ｏ３＞
Ｙ２Ｏ３は、本実施形態の光学ガラスにおいて、化学的耐久性の向上に有効な成分である。しかし、その含有量が３％を超えると、耐失透安定性及び軽量性が悪化する虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、Ｙ２Ｏ３の含有量を０％以上３％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＹ２Ｏ３の含有量は、２％以下であることが好ましく、１％以下であることがより好ましい。
＜Ｌａ２Ｏ３＞
Ｌａ２Ｏ３は、本実施形態の光学ガラスにおいて、化学的耐久性の向上に有効な成分である。しかし、その含有量が３％を超えると、耐失透安定性及び軽量性が悪化する虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、Ｌａ２Ｏ３の含有量を０％以上３％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＬａ２Ｏ３の含有量は、２％以下であることが好ましく、１％以下であることがより好ましい。
＜Ｇｄ２Ｏ３＞
Ｇｄ２Ｏ３は、本実施形態の光学ガラスにおいて、化学的耐久性の向上に有効な成分である。しかし、その含有量が３％を超えると、耐失透安定性及び軽量性が悪化する虞がある。そのため、本実施形態の光学ガラスにおいては、Ｇｄ２Ｏ３の含有量を０％以上３％以下の範囲とした。同様の観点から、本実施形態の光学ガラスにおけるＧｄ２Ｏ３の含有量は、２％以下であることが好ましく、１％以下であることがより好ましい。
＜ＳｒＯ及びＢａＯ＞
ＳｒＯ及びＢａＯは、いずれも、温度上昇に伴って屈折率が低下する傾向をもたらし、更に、上述した成分を含有する本実施形態の光学ガラスにおいては、軽量性を悪化させる（比重を高める）虞があることが判明した。そこで、本実施形態の光学ガラスは、ＳｒＯ及びＢａＯを含まないものとした。
ここで、「ＳｒＯ及びＢａＯを含まない」とは、ＳｒＯ及びＢａＯを意図して含有させない、即ち、ＳｒＯ及びＢａＯを実質的に含有しないことを意味する。
＜その他の成分＞
本実施形態の光学ガラスは、目的を外れない限り、上述した成分以外のその他の成分を含んでもよい。その他の成分としては、例えば、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＷＯ３、Ｂｉ２Ｏ３等が挙げられる。但し、より確実に所望の効果を得る観点から、本実施形態の光学ガラスにおける上述のその他の成分の割合は、１０モル％以下であることが好ましく、５モル％以下であることがより好ましく、３モル％以下であることが更に好ましく、１モル％以下であることが一層好ましく、実質的に０モル％である（光学ガラスが上述した成分のみからなる組成を有する）ことが特に好ましい。
次に、本実施形態の光学ガラスの諸特性について説明する。
＜屈折率（ｎｄ）及びアッベ数（νｄ）＞
本実施形態の光学ガラスは、所望の低分散性を得る観点から、屈折率（ｎｄ）が１．５０以上１．６０以下であり、アッベ数（νｄ）が６０以上７０以下であることが好ましい。また、本実施形態の光学ガラスの屈折率（ｎｄ）は、１．５１以上であることがより好ましく、１．５２以上であることが更に好ましい。また、本実施形態の光学ガラスのアッベ数（νｄ）は、６１以上であることがより好ましく、６２以上であることが更に好ましい。
＜比重（Ｓ．ｇ）＞
本実施形態の光学ガラスは、所望の軽量性を得る観点から、比重（Ｓ．ｇ）が２．９０以下であることが好ましい。また、本実施形態の光学ガラスの比重は、２．８５以下であることがより好ましく、２．８０以下であることが更に好ましい。
＜相対屈折率の温度係数（０℃／２０℃、波長５８７．６ｎｍ）＞
本実施形態の光学ガラスは、所望の光学安定性を得る観点から、相対屈折率の温度係数（０℃／２０℃、波長５８７．６ｎｍ）の絶対値が２．０×１０－６℃－１以下であることが好ましい。また、本実施形態の光学ガラスの上記絶対値は、１．８×１０－６℃－１以下であることがより好ましく、１．６×１０－６℃－１以下であることが更に好ましい。
＜化学的耐久性＞
本実施形態の光学ガラスは、所望の化学的耐久性を得る観点から、ＪＯＧＩＳ０７－２０１９に準拠して測定される化学的耐久性（表面法）のランク（ＤＷ）が１又は２であることが好ましい。
＜ガラス転移温度（Ｔｇ）及び屈伏温度（Ａｔ）＞
本実施形態の光学ガラスは、所望の低温成形性を得る観点から、ガラス転移温度（Ｔｇ）が５００℃以下であり、屈伏温度（Ａｔ）が５４０℃以下であることが好ましい。また、本実施形態の光学ガラスのガラス転移温度（Ｔｇ）は、４９０℃以下であることがより好ましく、４８０℃以下であることが更に好ましい。また、本実施形態の光学ガラスの屈伏温度（Ａｔ）は、５３０℃以下であることがより好ましく、５２０℃以下であることが更に好ましい。
なお、上述した諸特性は、実施例に記載の手順により測定することができる。また、本実施形態の光学ガラスにおける上述した諸特性の調整は、例えば、上述した各成分の含有量を、所定の範囲内において適宜調節することにより行うことができる。
＜光学ガラスの製造方法＞
次に、本実施形態の光学ガラスの製造方法について説明する。
ここで、本実施形態の光学ガラスは、各成分の組成が上述した範囲を満足していればよく、その製造方法については特に限定されることなく、従来の製造方法に従って製造することができる。
例えば、まず、本実施形態の光学ガラスに含まれ得る各成分の原料として、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、リン酸塩などを所定の割合で秤量し、十分混合したものをガラス調合原料とする。次いで、この原料を、ガラス原料等と反応性のない熔融容器（例えば貴金属製の坩堝）に投入して、電気炉にて１０００～１３００℃に加熱して熔融し、適時撹拌する。次いで、電気炉で清澄、均質化してから、適当な温度に予熱した金型内に鋳込んだ後、電気炉内で徐冷して歪みを取り除くことで、本実施形態の光学ガラスを製造することができる。なお、ガラスの着色改善や脱泡のため、ごく少量（例えば、光学ガラス中において０．５質量％以下となるような量）のＳｂ２Ｏ３など、工業上周知の成分を加えることができる。
そして、本実施形態の光学ガラスは、後述の通り、精密プレス成形用プリフォーム及び光学ガラスの素材として用いることができる。
（精密プレス成形用プリフォーム）
以下、本発明の一実施形態の精密プレス成形用プリフォーム（以下、「本実施形態のプリフォーム」と称することがある。）を具体的に説明する。
ここで、精密プレス成形用プリフォーム（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐｒｅｓｓ－ｍｏｌｄｉｎｇ ｐｒｅｆｏｒｍ）は、周知の精密プレス成形法に用いられる予備成形されたガラス素材であり、即ち、加熱して精密プレス成形に供されるガラス予備成形体を意味する。
ここで、精密プレス成形とは、周知のようにモールドオプティクス成形とも呼ばれ、最終的に得られる光学素子の光学機能面を、プレス成形型の成形面を転写することにより形成する方法である。なお、光学機能面とは、光学素子における、制御対象の光を屈折したり、反射したり、回折したり、入出射させたりする面を意味し、例えば、レンズにおけるレンズ面などが、この光学機能面に相当する。
そして、本実施形態のプリフォームは、上述した光学ガラスを素材として用いたことを特徴とする。このように、本実施形態のプリフォームは、上述した光学ガラスを素材として用いているため、軽量で、温度による光学特性の変化が小さい上、化学的耐久性及び低温成形性に優れる。
なお、本実施形態のプリフォームは、所望の性能を得る観点から、本発明の光学ガラスについて既述した、各成分の組成に関する必須要件を満たすことが好ましく、本発明の光学ガラスについて既述した、好ましいとされる各種要件を満たすことがより好ましい。
本実施形態のプリフォームの作製方法としては、特に限定されない。ただし、本実施形態のプリフォームは、上記光学ガラスの優れた特質を活かして、次の作製方法により作製することが望ましい。
第１のプリフォームの作製方法（「プリフォーム製法Ｉ」とする。）は、素材としての光学ガラスを熔融し、得られた熔融ガラスを流出して熔融ガラス塊を分離し、該熔融ガラス塊を冷却する過程で、プリフォームに成形する方法である。
第２のプリフォームの作製方法（「プリフォーム製法ＩＩ」とする。）は、素材としての光学ガラスを熔融し、得られた熔融ガラスを成形してガラス成形体を作製し、該成形体を加工して、プリフォームを得る方法である。
プリフォーム製法Ｉ、ＩＩとも、素材としての光学ガラスから均質な熔融ガラスを得る工程を含む点において、共通する。この工程では、例えば、所望の特性が得られるように調合して製造した光学ガラス原料を白金製の熔融容器内に入れ、加熱、熔融、清澄、均質化を行って均質な熔融ガラスを用意し、温度調整された白金又は白金合金製の流出ノズル或いは流出パイプから流出することができる。なお、光学ガラス原料を粗熔解してカレットを作製し、このカレットを調合して加熱、熔融、清澄、均質化を行って均質な熔融ガラスを得、上記流出ノズル或いは流出パイプから流出するようにしてもよい。
ここで、小型のプリフォームや球状のプリフォームを作製する場合は、例えば、熔融ガラスを流出ノズルから所望質量の熔融ガラス滴として滴下し、それを金型等で受けてプリフォームに成形する方法を採用することができる。或いは、同じく所望質量の熔融ガラス滴を流出ノズルより液体窒素などに滴下してプリフォームを成形する方法を採用することができる。
一方、中大型のプリフォームを作製する場合は、例えば、流出パイプより熔融ガラス流を流下させ、熔融ガラス流の先端部をプリフォーム成形型等で受け、熔融ガラス流のノズルとプリフォーム成形型との間にくびれ部を形成した後、プリフォーム成形型を真下に急降下して、熔融ガラスの表面張力によってくびれ部にて熔融ガラス流を分離し、受け部材に所望質量の熔融ガラス塊を受けてプリフォームに成形する方法を採用することができる。
これらの方法は、いずれも、滴下法に分類される。そして、素材として用いる本実施形態の光学ガラスは融液の粘度が低いことから、好適に、これら滴下法を実施することが可能である。
なお、キズ、汚れ、シワ、表面の変質などがない滑らかな表面、例えば自由表面を有するプリフォームを得るためには、プリフォーム成形型などの上で熔融ガラス塊に風圧を加えて浮上させながらプリフォームに成形したり、液体窒素などの常温、常圧下では気体の物質を冷却して液体にした媒体中に熔融ガラス滴を入れてプリフォームに成形したりする方法などが用いられる。
ここで、熔融ガラス塊を浮上させながらプリフォームに成形する場合、熔融ガラス塊には、ガス（浮上ガスという）が吹きつけられ、上向きの風圧が加えられることになる。この際、熔融ガラス塊の粘度が低すぎると、浮上ガスがガラス中に入り込み、プリフォーム中に泡となって残ってしまう。しかし、熔融ガラス塊の粘度を３～６０ｄＰａ・ｓにすることにより、浮上ガスがガラス中に入り込むことなく、ガラス塊を浮上させることができる。
プリフォームに浮上ガスが吹き付けられる際に用いられるガスとしては、空気、Ｎ２ガス、Ｏ２ガス、Ａｒガス、Ｈｅガス、水蒸気等が挙げられる。また、風圧は、プリフォームが成形型表面等の固体と接することなく浮上できれば、特に制限はない。
プリフォームより製造される精密プレス成形品（例えば、光学素子）は、レンズのように回転対称軸を有するものが多いため、プリフォームの形状も回転対称軸を有する形状が望ましい。具体例としては、球或いは回転対称軸を一つ備えるものを示すことができる。回転対称軸を一つ備える形状としては、前記回転対称軸を含む断面において角や窪みがない滑らかな輪郭線をもつもの、例えば上記断面において短軸が回転対称軸に一致する楕円を輪郭線とするものなどがあり、球を扁平にした形状（球の中心を通る軸を一つ定め、前記軸方向に寸法を縮めた形状）を挙げることもできる。
プリフォーム製法Ｉでは、光学ガラスを塑性変形可能な温度域で成形するので、ガラス塊をプレス成形することによりプリフォームを得てもよい。その場合、プリフォームの形状を比較的自由に設定することができるので、目的とする精密プレス成形品の形状に近似させ、例えば、対向する面の一方を凸、他方を凹形状にしたり、両方を凹面にしたり、一方の面を平面、他方の面を凸面にしたり、一方の面を平面、他方の面を凹面にしたり、両面とも凸面にしたりすることができる。
プリフォーム製法ＩＩでは、例えば、熔融ガラスを鋳型に鋳込んで成形した後、成形体の歪をアニールによって除去し、切断又は割断して、所定の寸法、形状に分割し、複数個のガラス片を作製し、ガラス片を研磨して表面を滑らかにするとともに、所定の質量のガラスからなるプリフォームを得ることができる。このようにして作製したプリフォームの表面にも、炭素含有膜を被覆して使用することが好ましい。プリフォーム製法ＩＩは、研削、研磨を容易にすることができる球状のプリフォーム、平板状のプリフォームなどの製造に好適である。
いずれの製法においても、高品質なプリフォームを安定して製造することができ、また、光学素子の製造プロセス全体の量産性を高めることができる。
次に、精密プレス成形による光学素子等の成形品の量産性を更に高める上から、より好ましいプリフォームについて説明する。
本実施形態の光学ガラスは、ガラス素材の面から、優れた精密プレス成形性を提供するが、精密プレス成形におけるガラスの変形量を減少させることにより、精密プレス成形時のガラスと成形型の温度の低下、プレス成形に要する時間の短縮化、プレス圧力の低減などが可能になる。その結果、ガラスと成形型の成形面との反応性が低下し、精密プレス成形時に発生する上記不具合が低減され、量産性がより高まる。
ここで、プリフォームを精密プレス成形してレンズを作製する場合における好ましいプリフォームは、互いに反対方向を向く被プレス面（精密プレス成形時に対向する成形型成形面でプレスされる面）を有するプリフォームであり、更に２つの被プレス面の中心を貫く回転対称軸を有するプリフォームがより好ましい。こうしたプリフォームのうち、メニスカスレンズの精密プレス成形に好適なものは、被プレス面の一方が凸面、他方が凹面、平面、前記凸面より曲率が小さいと凸面のいずれかであるプリフォームである。
また、両凹レンズの精密プレス成形に好適なプリフォームは、被プレス面の一方が凸面、凹面、平面のいずれかであり、他方が凸面、凹面、平面のいずれかであるプリフォームである。
一方、両凸レンズの精密プレス成形に好適なプリフォームは、被プレス面の一方が凸面であり、他方が凸面又は平面であるプリフォームである。
いずれの場合においても、プリフォームは、精密プレス成形品の形状により近似する形状のプリフォームであることが好ましい。
なお、プリフォーム成形型を用いて熔融ガラス塊をプリフォームに成形する場合、前記成形型上のガラスの下面は、成形型における成形面の形状によって概ね定まる。一方、前記ガラスの上面は、熔融ガラスの表面張力とガラスの自重とによって定まる形状となる。ここで、精密プレス成形時におけるガラスの変形量を低減するには、プリフォーム成形型において成形中のガラスの上面の形状も制御する必要がある。熔融ガラスの表面張力とガラスの自重とによって定まるガラス上面の形状は、凸面状の自由表面となるが、上面を平面、凹面或いは前記自由表面よりも曲率が小さい凸面にするには、前記ガラス上面に圧力を加えることができる。具体的には、ガラス上面を所望形状の成形面を有する成形型でプレスしたり、ガラス上面に風圧を加えて所望形状に成形したりすることができる。なお、成形型でガラス上面をプレスする際、成形型の成形面に複数のガス噴出口を設け、これらガス噴出口からガスを噴出して成形面とガラス上面の間にガスクッションを形成し、ガスクッションを介してガラス上面をプレスしてもよい。或いは、上記自由表面よりも曲率の大きい面にガラス上面を成形したい場合は、ガラス上面を近傍に負圧を発生させて上面を盛り上げるように成形してもよい。
また、プリフォームは、精密プレス成形品の形状により近似する形状とするため、表面を研磨したプリフォームであることも好ましい。例えば、被プレス面の一方が平面又は球面の一部になるように研磨され、他方が球面の一部又は平面になるように研磨されたプリフォームが好ましい。ここで、球面の一部は凸面でも凹面でもよいが、凸面とするか凹面とするかは、上記のように精密プレス成形品の形状によって決めることが望ましい。
上記各プリフォームは、直径が１０ｍｍ以上のレンズの成形に好ましく用いることができ、直径が２０ｍｍ以上のレンズの成形により好ましく用いることができる。また、中心肉厚が２ｍｍを超えるレンズの成形にも好ましく用いることができる。
（光学素子）
以下、本発明の一実施形態の光学素子（以下、「本実施形態の光学素子」と称することがある）を具体的に説明する。
本実施形態の光学素子は、上述した光学ガラスを素材として用いたことを特徴とする。このように、本実施形態の光学素子は、上述した光学ガラスを素材として用いているため、軽量で、温度による光学特性の変化が小さい上、化学的耐久性に優れる。
なお、本実施形態の光学素子は、所望の性能を得る観点から、本実施形態の光学ガラスについて既述した、各成分の組成に関する必須要件を満たすことが好ましく、本実施形態の光学ガラスについて既述した、好ましいとされる各種要件を満たすことがより好ましい。
光学素子の種類は限定されないが、典型的なものとしては、非球面レンズ、球面レンズ、或いは平凹レンズ、平凸レンズ、両凹レンズ、両凸レンズ、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズなどのレンズ；マイクロレンズ；レンズアレイ；回折格子付きレンズ；プリズム；レンズ機能付きプリズム；などを例示することができる。光学素子として、好ましくは、凸メニスカスレンズ、凹メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズなどのレンズ、プリズム、回折格子を例示することができる。上記各レンズは非球面レンズであってもよいし、球面レンズであってもよい。表面には必要に応じて反射防止膜や波長選択性のある部分反射膜などを設けてもよい。
＜光学素子の製造方法＞
次に、本実施形態の光学素子の製造方法について説明する。
本実施形態の光学素子は、例えば、上記のプリフォームをプレス成形型を用いて精密プレス成形することにより、製造することができる。
ここで、精密プレス成形では、予め成形面を所望の形状に高精度に加工されたプレス成形型を用いることができるが、成形面には、プレス時のガラスの融着を防止しつつ、成形面に沿ってガラスの延びが良好になるようにするため、離型膜を形成してもよい。離型膜としては、貴金属（白金、白金合金）の膜、酸化物（Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｙの酸化物など）の膜、窒化物（Ｂ、Ｓｉ、Ａｌの窒化物など）の膜、炭素含有膜が挙げられる。炭素含有膜としては、炭素を主成分とするもの（膜中の元素含有量を原子％で表したとき、炭素の含有量が他の元素の含有量よりも多いもの）が望ましく、具体的には、炭素膜や炭化水素膜などを例示することができる。炭素含有膜の成膜法としては、炭素原料を使用した真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の公知の方法や、炭化水素などの材料ガスを使用した熱分解などの公知の方法を用いればよい。その他の膜については、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ゾルゲル法等を用いて成膜することが可能である。
また、プレス成形型並びにプリフォームの加熱及び精密プレス成形工程は、プレス成形型の成形面或いは前記成形面に好適に設けられた離型膜の酸化を防止するため、窒素ガス、或いは窒素ガスと水素ガスの混合ガスなどのような非酸化性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。非酸化性ガス雰囲気中では、プリフォームの表面を被覆する離型膜、特には炭素含有膜が酸化されずに、当該膜が、精密プレス成形された成形品の表面に残存することになる。この膜は、最終的には除去するべきものであるが、炭素含有膜等の離型膜を比較的容易に且つ完全に除去するには、精密プレス成形品を酸化性雰囲気、例えば大気中において加熱すればよい。炭素含有膜等の離型膜の除去は、精密プレス成形品が加熱により変形しないような温度で行うべきである。具体的には、炭素含有膜等の離型膜の除去は、ガラスの転移温度未満の温度範囲で行うことが好ましい。
なお、本実施形態の光学素子の製造方法としては、特に限定されず、以下に示す２つの製造方法が挙げられる。ここで、本実施形態の光学素子の製造においては、上記の精密プレス成形用プリフォームを、同一のプレス成形型を用いて精密プレス成形する工程を繰り返すことが、光学素子の量産の観点で好ましい。
第１の光学素子の製造方法（「光学素子製法Ｉ」とする。）は、プリフォームをプレス成形型に導入し、前記プリフォームとプレス成形型とを一緒に加熱して精密プレス成形し、光学素子を得る方法である。
第２の光学素子の製造方法（「光学素子製法ＩＩ」とする。）は、加熱したプリフォームを予熱したプレス成形型に導入し、精密プレス成形し、光学素子を得る方法である。
光学素子製法Ｉでは、成形面が精密に形状加工された対向した一対の上型と下型との間にプリフォームを供給した後、ガラスの粘度が１０５～１０９ｄＰａ・ｓ相当の温度まで成形型及びプリフォームの両者を加熱してプリフォームを軟化し、これを加圧成形することによって、成形型の成形面をガラスに精密に転写することができる。光学素子製法Ｉは、面精度、偏心精度など成形精度の向上が重視される場合に、推奨される方法である。
光学素子製法ＩＩでは、成形面が精密に形状加工された対向した一対の上型と下型との間に、予めガラスの粘度で１０４～１０８ｄＰａ・ｓに相当する温度に昇温したプリフォームを供給し、これを加圧成形することによって、成形型の成形面をガラスに精密に転写することができる。光学素子製法ＩＩは、生産性向上が重視される場合に、推奨される方法である。
加圧時の圧力及び時間は、ガラスの粘度などを考慮して適宜決定することができ、例えば、プレス圧力は約５～１５ＭＰａ、プレス時間は１０～３００秒とすることができる。プレス時間、プレス圧力などのプレス条件は成形品の形状、寸法に合わせて周知の範囲で適宜設定すればよい。
この後、成形型と精密プレス成形品を冷却し、好ましくは歪点以下の温度となったとこ
ろで、離型し、精密プレス成形品を取出す。なお、光学特性を精密に所望の値に合わせるため、冷却時における成形品のアニール処理条件、例えばアニール速度等を適宜調整してもよい。
なお、本実施形態の光学素子は、プレス成形工程を経なくても作製することはできる。例えば、均質な熔融ガラスを鋳型に鋳込んでガラスブロックを成形し、アニールして歪を除去するとともに、ガラスの屈折率が所望の値になるようにアニール条件を調整して光学特性の調整を行ったのち、次にガラスブロックを切断又は割断してガラス片を作り、更に研削、研磨して光学素子に仕上げることにより得ることができる。
以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明の光学ガラスを具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
各成分の原料として、それぞれに相当する酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩などを準備し、ガラス化した後に表１，２に示す組成となり且つ１００ｇとなるように、秤量し、十分混合して、調合原料を得た。この調合原料を白金坩堝に投入し、電気炉にて１０００～１３００℃で１～２時間熔融した。その後、適時撹拌し、均質化を図り、清澄してから適当な温度に予熱した金型内に鋳込んだ後、電気炉内で徐冷して歪みを取り除くことで、実施例及び比較例のそれぞれの光学ガラスを得た。それぞれの光学ガラスについて、以下に示す手順に従い、諸特性の評価を行った。結果を表１，２に示す。
＜耐失透安定性＞
光学ガラスのブロック（ガラスブロック）を目視にて観察し、失透物の有無を調べた。そして、以下の基準に従って、耐失透安定性を評価した。
○：失透物は確認されない
△：ガラス表面にのみ失透物が確認される
×：ガラス内部に失透物が確認される
＜屈折率（ｎｄ）及びアッベ数（νｄ）＞
日本工業規格のＪＩＳ Ｂ ７０７１－１：２０１８「光学ガラスの屈折率測定方法―第１部：最小偏角法」に準拠し、光学ガラスの屈折率（ｎｄ）及びアッベ数（νｄ）を測定した。
＜相対屈折率の温度係数（０℃／２０℃、波長５８７．６ｎｍ）＞
日本工業規格のＪＩＳ Ｂ ７０７２－１：２０２０「光学ガラスにおける相対屈折率の温度係数の測定方法―第１部：最小偏角法」に準拠し、光学ガラスの相対屈折率の温度係数を測定した。この値の絶対値が小さいほど、温度による光学特性の変化が小さいことを示す。
＜化学的耐久性＞
光学ガラスについて、日本光学硝子工業会規格のＪＯＧＩＳ０７－２０１９「光学ガラスの化学的耐久性の測定方法（表面法）」に準拠して測定し、級１～５のいずれに該当するかについて評価した。級の数値が小さいほど、化学的耐久性に優れることを示す。
＜比重（Ｓ．ｇ）＞
日本光学硝子工業会規格のＪＯＧＩＳ０５－２０１９「光学ガラスの比重の測定方法」に準拠し、光学ガラスの比重を測定した。比重の値が小さいほど、軽量性に優れることを示す。
＜ガラス転移温度（Ｔｇ）及び屈伏温度（Ａｔ）＞
日本光学硝子工業会規格のＪＯＧＩＳ０８－２０１９「光学ガラスの熱膨張の測定方法」に準拠し、光学ガラスのガラス転移温度（Ｔｇ）を測定した。また、上記の測定において、光学ガラス試料の伸びが停止し、収縮が始まる温度を、屈伏温度（Ａｔ）として確認した。ガラス転移温度（Ｔｇ）及び屈伏温度（Ａｔ）のいずれも、値が小さいほど、低温成形性に優れることを示す。
Figure 2022068028000001
Figure 2022068028000002
表１から、実施例の光学ガラスはいずれも、アッベ数（νｄ）が６０以上であることから、低分散性を有することが分かる。また、実施例の光学ガラスはいずれも、比重が２．９０以下であることから、軽量性を有することが分かる。また、実施例の光学ガラスはいずれも、相対屈折率の温度係数の絶対値が２．０×１０－６℃－１以下であることから、温度による光学特性の変化が小さいことが分かる。また、実施例の光学ガラスはいずれも、化学的耐久性の級が１又は２であることから、化学的耐久性に優れることが分かる。更に、実施例の光学ガラスはいずれも、ガラス転移温度（Ｔｇ）が５００℃以下、屈伏温度（Ａｔ）が５４０℃以下であることから、低温成形性に優れることが分かる。
これに対し、表２から、比較例１の光学ガラスは、耐失透安定性が低い。これは、Ｂ２Ｏ３の含有量が多すぎることによるものと考えられる。
また、比較例２の光学ガラスは、耐失透安定性が低く、また、ガラス転移温度（Ｔｇ）及び屈伏温度（Ａｔ）が高い。これは、Ｐ２Ｏ５の含有量が少なすぎることによるものと考えられる。
また、比較例３の光学ガラスは、化学的耐久性の級が３であり、化学的耐久性が低い。これは、Ｐ２Ｏ５の含有量が多すぎることによるものと考えられる。
また、比較例４の光学ガラスは、耐失透安定性が低く、また相対屈折率の温度係数の絶対値が大きい。これは、Ａｌ２Ｏ３の含有量が多すぎることによるものと考えられる。
また、比較例５の光学ガラスは、ガラス転移温度（Ｔｇ）及び屈伏温度（Ａｔ）が高い。これは、Ｌｉ２Ｏの含有量が少なすぎることによるものと考えられる。
また、比較例６の光学ガラスは、耐失透安定性が低い。これは、Ｌｉ２Ｏの含有量が多すぎることによるものと考えられる。
また、比較例７の光学ガラスは、相対屈折率の温度係数の絶対値が大きい。これは、Ｎａ２Ｏの含有量が多すぎることによるものと考えられる。
また、比較例８の光学ガラスは、耐失透安定性が低い。これは、ＭｇＯの含有量が多すぎることによるものと考えられる。
また、比較例９の光学ガラスは、耐失透安定性が低く、またガラス転移温度（Ｔｇ）及び屈伏温度（Ａｔ）が高い。これは、ＣａＯの含有量が多すぎることによるものと考えられる。
また、比較例１０の光学ガラスは、耐失透安定性が低く、また比重が高い。これは、Ｇｄ２Ｏ３の含有量が多すぎることによるものと考えられる。
また、比較例１１の光学ガラスは、耐失透安定性が低く、またガラス転移温度（Ｔｇ）及び屈伏温度（Ａｔ）が高い。これは、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の合計量が少なすぎることによるものと考えられる。
また、比較例１２の光学ガラスは、化学的耐久性の級が３であり、化学的耐久性が低い。これは、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の合計量が多すぎることによるものと考えられる。
また、比較例１３の光学ガラスは、化学的耐久性の級が３であり、化学的耐久性が低い。これは、ＭｇＯ及びＣａＯの合計量が少なすぎることによるものと考えられる。
また、比較例１４の光学ガラスは、比重が高い。これは、ＳｒＯを含有することによるものと考えられる。
また、比較例１５の光学ガラスは、比重が高い。これは、ＢａＯを含有することによるものと考えられる。
また、比較例１６の光学ガラスは、比重が高い。これは、ＳｒＯ及びＢａＯを含有することによるものと考えられる。
また、比較例１７の光学ガラスは、化学的耐久性の級が３であり、化学的耐久性が低く、また相対屈折率の温度係数の絶対値が大きく、更には比重が高い。これは、ＭｇＯ及びＣａＯの合計量が少なく、またＳｒＯ及びＢａＯを含有することによるものと考えられる。
本発明によれば、軽量で、温度による光学特性の変化が小さい上、化学的耐久性及び低温成形性に優れる低分散の光学ガラスを提供することができる。また、本発明によれば、上記の光学ガラスを用いた精密プレス成形用プリフォーム及び光学素子を提供することができる。

Claims (8)

  1. モル％で、
    Ｂ２Ｏ３：０％以上１５％以下、
    Ｐ２Ｏ５：２５％以上４０％以下、
    但し、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の合計：３５％以上４５％以下、
    Ａｌ２Ｏ３：０％以上１０％以下、
    Ｌｉ２Ｏ：５％以上１５％以下、
    Ｎａ２Ｏ：０％以上１５％以下、
    Ｋ２Ｏ：０％以上５％以下、
    ＭｇＯ：０％以上３５％以下、
    ＣａＯ：０％以上３５％以下、
    但し、ＭｇＯ及びＣａＯの合計：２０％以上、
    ＺｎＯ：０％以上５％以下、
    ＺｒＯ２：０％以上３％以下、
    Ｙ２Ｏ３：０％以上３％以下、
    Ｌａ２Ｏ３：０％以上３％以下、及び
    Ｇｄ２Ｏ３：０％以上３％以下
    を含む組成を有し、且つ、
    ＳｒＯ及びＢａＯを含まない、ことを特徴とする、光学ガラス。
  2. 屈折率（ｎｄ）が１．５０以上１．６０以下であり、アッベ数（νｄ）が６０以上７０以下である、請求項１に記載の光学ガラス。
  3. 比重が２．９０以下である、請求項１又は２に記載の光学ガラス。
  4. 相対屈折率の温度係数（０℃／２０℃、波長５８７．６ｎｍ）の絶対値が２．０×１０－６℃－１以下である、請求項１～３のいずれかに記載の光学ガラス。
  5. ＪＯＧＩＳ０７－２０１９に準拠して測定される化学的耐久性（表面法）のランク（ＤＷ）が１又は２である、請求項１～４のいずれかに記載の光学ガラス。
  6. ガラス転移温度（Ｔｇ）が５００℃以下であり、屈伏温度（Ａｔ）が５４０℃以下である、請求項１～５のいずれかに記載の光学ガラス。
  7. 請求項１～６のいずれかに記載の光学ガラスを素材として用いたことを特徴とする、精密プレス成形用プリフォーム。
  8. 請求項１～６のいずれかに記載の光学ガラスを素材として用いたことを特徴とする、光学素子。
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