JP2022167990A - 光学ガラス、プリフォーム及び光学素子 - Google Patents
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Abstract
Description
θg,F=(ng-nF)/(nF-nC)・・・・・・(1)
さらに、近年使用される車載用レンズや交換レンズ等、様々な環境下で使用されることが多いため、ヤケの生じない光学ガラスが求められている。
SiO2成分を20.0~60.0%、
Nb2O5成分を10.0~50.0%、
K2O成分を0.1超~15.0%
含有し、
部分分散比(θg,F)がアッベ数(νd)との間で、(-0.00256×νd+0.637)≦(θg,F)≦(-0.00256×νd+0.684)の関係を満たし、表面法耐候性が級1又は2である光学ガラス。
TiO2成分 0~10.0%
B2O3成分 0~20.0%
Li2O成分 0~15.0%
Na2O成分 0~15.0%
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)の質量和が5.0%以上30.0%以下である(1)に記載の光学ガラス。
ZrO2成分 0~20.0%
MgO成分 0~10.0%
CaO成分 0~10.0%
SrO成分 0~10.0%
BaO成分 0~10.0%
ZnO成分 0~25.0%
La2O3成分 0~10.0%
Gd2O3成分 0~10.0%
Y2O3成分 0~10.0%
Yb2O3成分 0~10.0%
Ta2O5成分 0~10.0%
WO3成分 0~10.0%
P2O5成分 0~10.0%
GeO2成分 0~10.0%
Al2O3成分 0~10.0%
Ga2O3成分 0~10.0%
Bi2O3成分 0~10.0%
TeO2成分 0~5.0%
SnO2成分 0~5.0%
Sb2O3成分 0~1.0%
である(1)又は(2)記載の光学ガラス。
Ln2O3成分(式中、LnはY、La、Gd、Ybからなる群より選択される1種以上)の質量和が15.0%以下である(1)から(4)のいずれか記載の光学ガラス。
SiO2成分、Nb2O5成分及びK2O成分を含有するガラスにおいて、所望の範囲内の高い屈折率や低いアッベ数(高い分散)と、低い部分分散比を有するガラスを得ることができ、特にK2O成分を含有することにより、所望の光学定数の調整が容易になり、部分分散比(θg,F)を小さく保ったまま、ヤケの発生を低減させることができる。
そのため、所望の高い屈折率(nd)及び低いアッベ数(νd)を有しながら、部分分散比(θg,F)が小さく光学系の色収差の低減に有用であり、化学的耐久性、特に表面法耐候性の良好な光学ガラスを得ることができる。
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。本明細書中で特に断りがない場合、各成分の含有量は、全て酸化物換算組成のガラス全質量に対する質量%で表示されるものとする。ここで、「酸化物換算組成」とは、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質量を100質量%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。
SiO2成分は、安定なガラス形成を促し、液相温度を下げることができるため、光学ガラスとして好ましくない失透(結晶物の発生)を低減する必須成分である。
特に、SiO2成分の含有量を20.0%以上にすることで、部分分散比を大幅に高めることなく、耐失透性に優れたガラスを得られる。また、化学的耐久性を高められ、失透や着色を低減できる。従って、SiO2成分の含有量は、好ましくは20.0%、より好ましくは23.0%、さらに好ましくは25.0%、さらに好ましくは27.0%を下限とする。
他方で、SiO2成分の含有量を60.0%以下にすることで、屈折率が低下し難くなることで所望の高屈折率を得易くでき、且つ、部分分散比の上昇を抑えられる。また、これによりガラス原料の熔解性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60.0%、より好ましくは55.0%、さらに好ましくは50.0%、さらに好ましくは48.0%、さらに好ましくは45.0%、最も好ましくは43.0%を上限とする。
SiO2成分は、原料としてSiO2、K2SiF6、Na2SiF6等を用いることができる。
特に、Nb2O5成分の含有量を10.0%以上にすることで、目的の光学恒数まで屈折率を高くして本発明の範囲の成分内で調整することで異常分散性を小さくすることができる。従って、Nb2O5成分の含有量は、好ましくは10.0%、より好ましくは15.0%、さらに好ましくは20.0%、さらに好ましくは23.0%を下限とする。
他方で、Nb2O5成分の含有量を50.0%以下にすることで、ガラスの材料コストを低減できる。また、ガラス製造時における熔解温度の上昇を抑制し、且つNb2O5成分の過剰な含有による失透を低減できる。さらに、ガラスの化学的耐久性の悪化も改善させることができる。従って、Nb2O5成分の含有量は、好ましくは50.0%、より好ましくは45.0%、さらに好ましくは43.0%、さらに好ましくは41.5%を上限とする。
Nb2O5成分は、原料としてNb2O5等を用いることができる。
特に、K2O成分の含有量を0.1%超含有することで、ガラス中のヤケを効果的に改善させることができる。従って、K2O成分の含有量は、好ましくは0.1%超、より好ましくは0.3%超、元も好ましくは0.5%超とする。
他方で、K2O成分の含有量を15.0%以下にすることで、部分分散比の上昇を抑えられ、失透を低減でき、且つ化学的耐久性を悪化し難くできる。従って、K2O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8.0%未満とする。
K2O成分は、原料としてK2CO3、KNO3、KF、KHF2、K2SiF6等を用いることができる。
他方で、TiO2成分の含有量を10.0%以下にすることで、ガラスの着色を低減でき、内部透過率を高められる。また、これにより部分分散比が上昇し難くなるため、ノーマルラインに近い所望の低い部分分散比を得易くできる。また、これにより化学的耐久性の悪化を抑えられる。従って、TiO2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%以下、さらに好ましくは3.0%未満、最も好ましくは1.0%未満とする。特に、ガラスの異常分散性を小さくする観点では、実質的に含まないことが望ましい。
TiO2成分は、原料としてTiO2等を用いることができる。
他方で、B2O3成分の含有量を20.0%以下にすることで、屈折率の低下を抑えられ、且つ部分分散比の上昇を抑えられる。さらにガラスの化学的耐久性も悪化を改善させることができる。従って、B2O3成分の含有量は、好ましくは20.0%、より好ましくは18.0%、さらに好ましくは15.0%、さらに好ましくは12.0%を上限とする。
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。
他方で、Li2O成分の含有量を15.0%以下にすることで、屈折率の低下を抑えられ、化学的耐久性を悪化し難くでき、且つ過剰な含有による失透を低減できる。
従って、Li2O成分の含有量は、好ましくは15.0%以下、より好ましくは13.0%以下、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。
Li2O成分は、原料としてLi2CO3、LiNO3、LiF等を用いることができる。
他方で、Na2O成分の含有量を15.0%以下にすることで、屈折率の低下を抑えられ、化学的耐久性を悪化し難くでき、且つ過剰な含有による失透を低減できる。
従って、Na2O成分の含有量は、好ましくは15.0%以下、より好ましくは13.0%以下、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。
Na2O成分は、原料としてNa2CO3、NaNO3、NaF、Na2SiF6等を用いることができる。
他方で、Rn2O成分を30.0%以下とすることで、ガラス中の粘性を固くして、成形性を改善することができる。従って、好ましくは30.0%、より好ましくは25.0%、さらに好ましくは20.0%、さらに好ましくは17.0%を上限とする。
他方で、ZrO2成分の含有量を20.0%以下にすることで、失透を低減でき、且つ、より均質なガラスを得易くできる。従って、ZrO2成分の含有量は、好ましくは20.0%、より好ましくは18.0%、さらに好ましくは15.0%、さらに好ましくは13.0%、さらに好ましくは10.0%を上限とする。
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、MgO成分の含有量を10.0%以下にすることで、屈折率の低下を抑制しつつ、失透を低減できる。従って、MgO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。
MgO成分は、原料としてMgO、MgCO3、MgF2等を用いることができる。
他方で、CaO成分の含有量を10.0%以下にすることで、屈折率の低下やアッベ数の上昇、部分分散比の上昇を抑えられ、且つ失透を低減できる。また、これにより化学的耐久性の悪化を抑えられる。従って、CaO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。
CaO成分は、原料としてCaCO3、CaF2等を用いることができる。
特に、SrO成分の含有量を10.0%以下にすることで、化学的耐久性の悪化を抑えられる。従って、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。
SrO成分は、原料としてSr(NO3)2、SrF2等を用いることができる。
特に、BaO成分の含有量を10.0%以下にすることで、屈折率の低下やアッベ数の上昇、部分分散比の上昇を抑えられ、且つ失透を低減できる。従って、BaO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。
BaO成分は、原料としてBaCO3、Ba(NO3)2等を用いることができる。
他方で、ZnO成分の含有量を25.0%以下にすることで、失透や着色を低減しつつ、化学的耐久性を高められる。従って、ZnO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%以下、より好ましは13.0%未満、さらに好ましくは10.0%未満とする。
特に、La2O3成分、Gd2O3成分、Y2O3成分及びYb2O3成分のそれぞれの含有量を10.0%以下にすることで、アッベ数の上昇を抑えられ、失透を低減でき、且つ材料コストを低減できる。従って、La2O3成分、Gd2O3成分、Y2O3成分及びYb2O3成分のそれぞれの含有量は、好ましくは10.0%、より好ましくは5.0%、さらに好ましくは3.0%を上限とし、さらに好ましくは1.0%未満とする。
La2O3成分、Gd2O3成分、Y2O3成分及びYb2O3成分は、原料としてLa2O3、La(NO3)3・XH2O(Xは任意の整数)、Y2O3、YF3、Gd2O3、GdF3、Yb2O3等を用いることができる。
他方で、Ta2O5成分の含有量を10.0%以下にすることで、希少鉱物資源であるTa2O5成分の使用量が減り、且つガラスがより低温で熔解し易くなるため、ガラスの生産コストを低減できる。また、これによりTa2O5成分の過剰な含有によるガラスの失透を低減できる。従って、Ta2O5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。特にガラスの材料コストを低減させる観点では、Ta2O5成分を含有しなくてもよい。
Ta2O5成分は、原料としてTa2O5等を用いることができる。
他方で、WO3成分の含有量を10.0%以下にすることで、ガラスの部分分散比を上昇し難くでき、且つ、ガラスの着色を低減して内部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%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。
WO3成分は、原料としてWO3等を用いることができる。
一方で、P2O5成分の含有量を10.0%以下にすることで、P2O5成分の過剰な含有による失透を低減できる。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、さらに好ましくは1.0%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。
他方で、GeO2成分の含有量を10.0%以下にすることで、高価なGeO2成分の使用量が低減されるため、ガラスの材料コストを低減できる。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%未満とする。
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成分のそれぞれの含有量を10.0%以下にすることで、Al2O3成分やGa2O3成分の過剰な含有による失透を低減できる。従って、Al2O3成分及びGa2O3成分のそれぞれの含有量は、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。
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10.0%以下にすることで、部分分散比を上昇し難くでき、且つ、ガラスの着色を低減して内部透過率を高めることができる。従って、Bi2O3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。
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成分の含有量を5.0%以下にすることで、ガラスの着色を低減して内部透過率を高めることができる。また、高価なTeO2成分の使用を低減することで、より材料コストの安いガラスを得られる。従って、TeO2成分の含有量は、好ましくは5.0%以下、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。
一方で、SnO2成分の含有量を1.0%以下にすることで、溶融ガラスの還元によるガラスの着色や、ガラスの失透を生じ難くすることができる。また、SnO2成分と溶解設備(特にPt等の貴金属)との合金化が低減されるため、溶解設備の長寿命化を図ることができる。従って、SnO2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0.1%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。
Sb2O3成分は、原料としてSb2O3、Sb2O5、Na2H2Sb2O7・5H2O等を用いることができる。
従って、この質量和は、好ましくは50.0%超、より好ましくは53.0%以上、さらに好ましくは54.0%以上、さらに好ましくは58.0%以上としてもよい。
他方で、この質量和は、好ましくは90.0%以下、より好ましくは85.0%未満、さらに好ましくは81.0%未満、さらに好ましくは76.0%未満としてもよい。
他方で、RO成分の質量和は、ガラス原料の熔解性を高め、且つ失透を低減する観点から、好ましくは0%超、より好ましくは1.0%以上、さらに好ましくは2.0%以上を下限としてもよい。
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、石英坩堝又はアルミナ坩堝に投入して粗溶融した後、金坩堝、白金坩堝、白金合金坩堝又はイリジウム坩堝に入れて1000~1400℃の温度範囲で3~5時間溶融し、攪拌均質化して泡切れ等を行った後、900~1100℃の温度に下げてから仕上げ攪拌を行って脈理を除去し、金型に鋳込んで徐冷することにより作製される。
本発明の光学ガラスは、高い屈折率と所定の範囲のアッベ数を有する。
本発明の光学ガラスの屈折率(nd)は、好ましくは1.60、より好ましくは1.63、さらに好ましくは1.65を下限とする。この屈折率の上限は、好ましくは1.78、より好ましくは1.77、さらに好ましくは1.76とする。
本発明の光学ガラスのアッベ数(νd)は、好ましくは28、より好ましくは29、さらに好ましくは30を下限とする。他方で、本発明の光学ガラスのアッベ数(νd)は、好ましくは47、より好ましくは45、さらに好ましくは43、さらに好ましくは42、さらに好ましくは41を上限とする。
このような屈折率及びアッベ数を有する本発明の光学ガラスは光学設計上有用であり、特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るため、光学設計の自由度を広げることができる。
より具体的には、本発明の光学ガラスの部分分散比(θg,F)は、 また、本発明の光学ガラスの部分分散比(θg,F)は、アッベ数(νd)との間で、(-0.00256×νd+0.637)≦(θg,F)≦(-0.00256×νd+0.684)の関係を満たすことが好ましい。
従って、本発明の光学ガラスでは、部分分散比(θg,F)及びアッベ数(νd)が、θg,F≧(-0.00256×νd+0.637)の関係を満たすことが好ましく、θg,F≧(-0.00256×νd+0.647)の関係を満たすことがより好ましく、θg,F≧(-0.00256×νd+0.657)の関係を満たすことがさらに好ましい。
他方で、本発明の光学ガラスでは、部分分散比(θg,F)及びアッベ数(νd)が、θg,F≦(-0.00256×νd+0.684)の関係を満たすことが好ましく、θg,F≦(-0.00256×νd+0.681)の関係を満たすことがより好ましく、θg,F≦(-0.00256×νd+0.677)の関係を満たすことがさらに好ましい。
これにより、低い部分分散比(θg,F)を有する光学ガラスが得られるため、この光学ガラスから形成される光学素子を、光学系の色収差の低減に役立てられる。
(θg,F)を取ったときの、一般的なガラスの部分分散比(θg,F)とアッベ数(νd)の関係は、ノーマルラインよりも傾きの大きな曲線で表される。上述の部分分散比(θg,F)及びアッベ数(νd)の関係式では、ノーマルラインよりも傾きの大きな直線を使ってこれらの関係を規定することで、一般的なガラスよりも部分分散比(θg,F)の小さなガラスを得られることを表している。
ここで、表面法耐候性とは、以下の試験方法を用いて行う。
試験片として30mm×30mm×3mmの研磨面を有する試料を使用して、60℃相対湿度95%の恒温恒湿槽の中で96時間曝した後、50倍の顕微鏡で研磨面を観察しヤケの状態を観察する。判定基準は、96時間試験した試料を照度1500ルックスで観察したときに全くヤケが認められないものを級1、100ルックスで観察したときにヤケが認められず1500ルックスで認められるものを級2、100ルックスで観察したときにヤケが認められるものを級3とした。なお、級3については新たに50℃相対湿度85%の恒温恒湿槽の中で6時間曝した後、50倍の顕微鏡で研磨面を観察し、1500ルックスでヤケが認められるものを級4とした。ヤケが認められない場合は級3のままとした。
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)が、好ましくは420nm以下、より好ましくは400nm以下、さらに好ましくは380nm以下である。
また、本発明の光学ガラスは、厚み10mmのサンプルで分光透過率5%を示す波長(λ5)が、好ましくは365nm以下、より好ましくは345nm以下、さらに好ましくは330nm以下である。
これにより、ガラスの吸収端が紫外領域の近傍に位置するようになり、可視域におけ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学素子の材料として好ましく用いることができる。
作製された光学ガラスから、例えば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できる。すなわち、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、例えば研磨加工を行って作製し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。
なお、本測定に用いたガラスは、徐冷降温速度を-25℃/hrとして、徐冷炉にて処理を行ったものを用いた。
試験片として30mm×30mm×3mmの研磨面を有する試料を使用して、60℃相対湿度95%の恒温恒湿槽の中で96時間曝した後、50倍の顕微鏡で研磨面を観察しヤケの状態を観察する。判定基準は、96時間試験した試料を照度1500ルックスで観察したときに全くヤケが認められないものを級1、100ルックスで観察したときにヤケが認められず1500ルックスで認められるものを級2、100ルックスで観察したときにヤケが認められるものを級3とした。なお、級3については新たに50℃相対湿度85%の恒温恒湿槽の中で6時間曝した後、50倍の顕微鏡で研磨面を観察し、1500ルックスでヤケが認められるものを級4とした。ヤケが認められない場合は級3のままとした。
そのため、本発明の光学ガラスは、表面法耐候性に優れており、いわゆるヤケの生じ難い光学ガラスであることが明らかになった。
また、本発明の実施例の光学ガラスは、いずれもアッベ数(νd)が28以上、より詳細には30以上であった。また、本発明の実施例の光学ガラスは、アッベ数(νd)が47以下、より詳細には46以下であり、所望の範囲内であった。
また、本発明の実施例の光学ガラスは、λ5(透過率5%時の波長)がいずれも365nm以下、より詳細には345nm以下、さらに詳細には340nm以下であった。
よって、本発明の実施例の光学ガラスは、可視光に対する透過率が高く着色し難いことが明らかになった。
Claims (7)
- 酸化物換算組成の質量%で、
SiO2成分を20.0~48.0%、
B2O3成分を0~9.26%、
Nb2O5成分を32.45~50.0%、
K2O成分を0.1超~15.0%、
Li2O成分を0~8.0%未満、
ZrO2成分を1.0%超10.0%以下
CaO成分を0~3%、
Ta2O5成分を1.0%未満、
WO3成分を5.0%未満、
含有し、
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)の質量和が12.0%以上20.0%以下、
Ln2O3成分(式中、LnはY、La、Gd、Ybからなる群より選択される1種以上)の質量和が5.0%未満であり、
1.60以上1.78以下の屈折率(nd)と28以上47以下のアッベ数(νd)を有し、
部分分散比(θg,F)がアッベ数(νd)との間で、(-0.00256×νd+0.637)≦(θg,F)≦(-0.00256×νd+0.684)の関係を満たし、表面法耐候性が級1又は2である光学ガラス。 - 酸化物換算組成の質量%で、
TiO2成分0~10.0%
Na2O成分0~15.0%
であり、
である請求項1に記載の光学ガラス。 - 酸化物換算組成の質量%で、
MgO成分 0~10.0%
SrO成分 0~10.0%
BaO成分 0~10.0%
ZnO成分 0~25.0%
La2O3成分0~3.0%
Gd2O3成分0~3.0%
Y2O3成分0~3.0%
Yb2O3成分0~3.0%
P2O5成分0~10.0%
GeO2成分0~10.0%
Al2O3成分0~10.0%
Ga2O3成分0~10.0%
Bi2O3成分0~10.0%
TeO2成分0~5.0%
SnO2成分0~5.0%
Sb2O3成分0~1.0%
である請求項1又は2記載の光学ガラス。 - SiO2成分及びNb2O5成分の含有量の和が50.0%超である請求項1から3のいずれか記載の光学ガラス。
- 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)の質量和が30.0%以下である請求項1
から4 のいずれか記載の光学ガラス。 - 請求項1から5のいずれか記載の光学ガラスからなる研磨加工用及び/又は精密プレス成形用のプリフォーム。
- 請求項1から5のいずれか記載の光学ガラスからなる光学素子。
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