JP2023542723A - 光学ガラス - Google Patents
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Abstract
本発明は、重量%で以下の成分を含む、光学ガラスを提供する：SiO2：25～45%、ZrO2：2～15%、Nb2O5：35～60%、Li2O：1～10%、Na2O：2～15%、K2O：0～10%。適量のSiO2とアルカリ金属酸化物などの成分を添加することにより、本発明の光学ガラスが優れた耐失透性を有し、Nb2O5、ZrO2などの屈折率の高い酸化物成分を添加することにより、高屈折率高分散の光学ガラスを得、合理的な成分設計により、本発明の光学ガラスが比較的低い相対部分分散を有する。【選択図】なし
Description
本発明は、光学ガラスに関し、特に耐失透性に優れた高屈折率高分散光学ガラスに関するものである。
焦点距離が長く、視野が大きく、精度の高い光学系において、二次スペクトルは結像品質に影響する主な要素であり、二次スペクトルの補正は、長焦点距離光学系の設計における特別な問題であり、比較的解決しにくい問題でもある。光学系における二次スペクトルの補正は、ガラス材料の選択に大きく依存する。高屈折率、高分散、低相対部分分散（Pg,F）のガラスは結合レンズに応用する際に二次スペクトルを除去し、光学系を簡略化し、最適化し、結像品質を向上させるのに有利である。
二次プレス法は、製造コストが低く、生産の難易度が低く、大量生産が容易であるなどの利点があり、ガラス素子の製造に広く応用されている。二次プレス法は、ガラス材料を金型に入れて軟化点以上に加熱し、加圧することでガラス材料を所定の形状にプレスする生産方式である。このような生産方式は、ガラスを転移温度より100～200℃高い温度で加熱する必要があり、この状態下で、ガラスはすでに一定の流動性があり、優れた耐失透性を持っていなければ、二次プレス加工中に失透して廃棄するリスクがある。特許文献１は、比較的低い相対部分分散を持つ光学ガラスを開示しており、その成分として、重量%で5.0%以上55.0%以下のB2O3と15%以上60%以下の希土類酸化物を含む。この光学ガラスは耐失透性が低く、二次プレス加工中に失透するリスクが高い。
本発明が解決しようとする技術的課題は、耐失透性に優れ、比較的低い相対部分分散を持つ高屈折率高分散光学ガラスを提供することである。
本発明が技術的課題を解決するために採用する技術方案は次のとおりである。
重量%で以下の成分を含む、光学ガラス： SiO2：25～45%、ZrO2：2～15%、Nb2O5：35～60%、Li2O：1～10%、Na2O：2～15%、K2O：0～10%である。
重量%で以下の成分を含む、光学ガラス： SiO2：25～45%、ZrO2：2～15%、Nb2O5：35～60%、Li2O：1～10%、Na2O：2～15%、K2O：0～10%である。
さらに、重量%で以下の成分を含む、前記光学ガラス： B2O3：0～10%、及び/又はAl2O3：0～5%、及び/又はLa2O3：0～10%、及び/又はGd2O3：0～10%、及び/又はY2O3：0～10%、及び/又はYb2O3：0～10%、及び/又はBaO：0～10%、及び/又はSrO：0～10%、及び/又はCaO：0～10%、及び/又はMgO：0～5%、及び/又はZnO：0～10%、及び/又はTiO2：0～10%、及び/又はWO3：0～10%、及び/又はBi2O3：0～5%、及び/又はTa2O5：0～5%、及び/又はSb2O3：0～1%である。
重量%で以下の成分からなる、光学ガラス： SiO2：25～45%、ZrO2：2～15%、Nb2O5：35～60%、Li2O：1～10%、Na2O：2～15%、K2O：0～10%、B2O3：0～10%、Al2O3：0～5%、La2O3：0～10%、Gd2O3：0～10%、Y2O3：0～10%、Yb2O3：0～10%、BaO：0～10%、SrO：0～10%、CaO：0～10%、MgO：0～5%、ZnO：0～10%、TiO2：0～10%、WO3：0～10%、Bi2O3：0～5%、Ta2O5：0～5%、Sb2O3：0～1%である。
さらに、重量%で以下の成分を含み、以下の9つの状況の1つ以上を満たす、前記光学ガラス：
1) B2O3+Al2O3は0～12%；
2) Re2O3は0～15%；
3) ROは0～10%；
4) SiO2+ZrO2は30～55%；
5) Nb2O5+ZrO2は40～70%；
6) TiO2+WO3+Bi2O3は0～10%；
7) Rn2Oは6～20%；
8) (SiO2+ZrO2)/Rn2Oは1.5～8.0；
9) ZrO2/Rn2Oは0.1～2.3，
前記Re2O3はLa2O3、Gd2O3、Y2O3の合計含有量、ROはBaO、SrO、CaO、MgOの合計含有量、Rn2OはLi2O、Na2O、K2Oの合計含有量である。
1) B2O3+Al2O3は0～12%；
2) Re2O3は0～15%；
3) ROは0～10%；
4) SiO2+ZrO2は30～55%；
5) Nb2O5+ZrO2は40～70%；
6) TiO2+WO3+Bi2O3は0～10%；
7) Rn2Oは6～20%；
8) (SiO2+ZrO2)/Rn2Oは1.5～8.0；
9) ZrO2/Rn2Oは0.1～2.3，
前記Re2O3はLa2O3、Gd2O3、Y2O3の合計含有量、ROはBaO、SrO、CaO、MgOの合計含有量、Rn2OはLi2O、Na2O、K2Oの合計含有量である。
さらに、重量%で以下の成分を含む、前記光学ガラス： SiO2：28～42%、及び/又はZrO2：3～12%、及び/又はNb2O5：38～57%、及び/又はLi2O：2～8%、及び/又はNa2O：4～13%、及び/又はK2O：0.5～8%、及び/又はB2O3：0～5%、及び/又はAl2O3：0～2%、及び/又はLa2O3：0～5%、及び/又はGd2O3：0～5%、及び/又はY2O3：0～5%、及び/又はYb2O3：0～5%、及び/又はBaO：0～5%、及び/又はSrO：0～5%、及び/又はCaO：0～8%、及び/又はMgO：0～3%、及び/又はZnO：0～5%、及び/又はTiO2：0～7%、及び/又はWO3：0～5%、及び/又はTa2O5：0～2%、及び/又はSb2O3：0～0.5%である。
さらに、重量%で以下の成分を含み、以下の9つの状況の1つ以上を満たす、前記光学ガラス：
1) B2O3+Al2O3は0～6%；
2) Re2O3は0～8%；
3) ROは0～8%；
4) SiO2+ZrO2は33～52%；
5) Nb2O5+ZrO2は45～65%；
6) TiO2+WO3+Bi2O3は0～7%；
7) Rn2Oは10～18%；
8) (SiO2+ZrO2)/Rn2Oは1.8～6.5；
9) ZrO2/Rn2Oは0.2～1.8，
前記Re2O3はLa2O3、Gd2O3、Y2O3の合計含有量、ROはBaO、SrO、CaO、MgOの合計含有量、Rn2OはLi2O、Na2O、K2Oの合計含有量である。
1) B2O3+Al2O3は0～6%；
2) Re2O3は0～8%；
3) ROは0～8%；
4) SiO2+ZrO2は33～52%；
5) Nb2O5+ZrO2は45～65%；
6) TiO2+WO3+Bi2O3は0～7%；
7) Rn2Oは10～18%；
8) (SiO2+ZrO2)/Rn2Oは1.8～6.5；
9) ZrO2/Rn2Oは0.2～1.8，
前記Re2O3はLa2O3、Gd2O3、Y2O3の合計含有量、ROはBaO、SrO、CaO、MgOの合計含有量、Rn2OはLi2O、Na2O、K2Oの合計含有量である。
さらに、重量%で以下の成分を含む、前記光学ガラス： SiO2：30～40%；及び/又はZrO2：4～10%；及び/又はNb2O5：41～54%；及び/又はB2O3：0～3%；及び/又はLi2O：3～6%；及び/又はNa2O：5～12%；及び/又はK2O：1～6%；及び/又はBaO：0～2%；及び/又はCaO：0～5%；及び/又はZnO：0～2%；及び/又はTiO2：0～4%；及び/又はSb2O3：0～0.1%である。
さらに、重量%で以下の成分を含み、以下の7つの状況の1つ以上を満たす、前記光学ガラス：
1) ROは0～5%；
2) SiO2+ZrO2は36～49%；
3) Nb2O5+ZrO2は50～60%；
4) TiO2+WO3+Bi2O3は0～4%；
5) Rn2Oは12～16%；
6) (SiO2+ZrO2)/Rn2Oは2.0～5.0；
7) ZrO2/Rn2Oは0.3～1.3，
前記ROはBaO、SrO、CaO、MgOの合計含有量、Rn2OはLi2O、Na2O、K2Oの合計含有量である。
1) ROは0～5%；
2) SiO2+ZrO2は36～49%；
3) Nb2O5+ZrO2は50～60%；
4) TiO2+WO3+Bi2O3は0～4%；
5) Rn2Oは12～16%；
6) (SiO2+ZrO2)/Rn2Oは2.0～5.0；
7) ZrO2/Rn2Oは0.3～1.3，
前記ROはBaO、SrO、CaO、MgOの合計含有量、Rn2OはLi2O、Na2O、K2Oの合計含有量である。
さらに、B2O3を含まない、及び/又はAl2O3を含まない、及び/又はLa2O3を含まない、及び/又はGd2O3を含まない、及び/又はY2O3を含まない、及び/又はYb2O3を含まない、及び/又はMgOを含まない、及び/又はSrOを含まない、及び/又はWO3を含まない、及び/又はBi2O3を含まない、及び/又はTa2O5を含まない、及び/又はRe2O3を含まない、前記Re2O3はLa2O3、Gd2O3、Y2O3の合計含有量である、前記光学ガラス。
さらに、前記光学ガラスの屈折率ndが1.74～1.82、好ましくは屈折率ndが1.76～1.80であり、アッべ数νdが25～32、好ましくはアッべ数νdが27～30である。
さらに、前記光学ガラスの相対部分分散Pg,F≦0.6497-0.001703×νd、好ましくはPg,F≦0.6477-0.001703×νd、及び/又は前記光学ガラスのλ5が360nm以下、好ましくはλ5が350nm以下である。
上記の光学ガラスで製造される、ガラスプリフォーム。
上記の光学ガラス又は上記のガラスプリフォームで製造される、光学素子。
上記の光学ガラス、及び/又は上記の光学素子を含む、光学機器。
本発明の有益な効果は、以下の通りである。適量のSiO2及びアルカリ金属酸化物等の成分を添加することにより、光学ガラスは優れた耐失透性を有し、Nb2O5、ZrO2などの屈折率の高い酸化物成分を添加することにより、高屈折率高分散を有する光学ガラスを得、合理的な成分設計により、ガラスは低相対部分分散を有する。
以下、本発明にかかる光学ガラスの実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内で適宜変形して実施することが可能である。さらに、適宜省略はあるものの、記載を繰り返すことによって本発明の主旨が限定されるものではない。以下では、本発明の光学ガラスを単にガラスと称することもある。
Ｉ.光学ガラス
以下に、本発明の光学ガラスの成分の範囲について説明する。本明細書において、各成分の含有量および合計含有量は、特に指定のない限り、重量パーセント（wt%）で表すものとする。すなわち、各成分の含有量、合計含有量は、酸化物組成物に換算するガラス物質の総重量に対する重量パーセントで表すことである。ここでいう「酸化物組成物に換算した」とは、本発明の光学ガラスの組成物の原料として用いた酸化物、錯塩、水酸化物等が溶融時に分解して酸化物に変換された場合の酸化物物質の総重量を100%とした場合のことである。
以下に、本発明の光学ガラスの成分の範囲について説明する。本明細書において、各成分の含有量および合計含有量は、特に指定のない限り、重量パーセント（wt%）で表すものとする。すなわち、各成分の含有量、合計含有量は、酸化物組成物に換算するガラス物質の総重量に対する重量パーセントで表すことである。ここでいう「酸化物組成物に換算した」とは、本発明の光学ガラスの組成物の原料として用いた酸化物、錯塩、水酸化物等が溶融時に分解して酸化物に変換された場合の酸化物物質の総重量を100%とした場合のことである。
具体的には、本明細書に記載されている数値範囲には、上限値および下限値が含まれ、「以上」および「以下」には端点値、ならびに範囲に含まれるすべての整数および分数が含まれ、範囲が限定されている場合に記載されている具体的な値に限定されるものではない。本明細書で「及び/又は」と呼ばれるものは包括的であり、例えば「A及び/又はB」は、Aのみ、Bのみ、またはAとBの両方を意味する。
＜必須成分とオプション成分＞
SiO2はガラスネットワークを生成する成分であり、ガラスの化学的安定性と耐候性を高め、ガラスの耐失透性を維持することができ、SiO2の含有量が25%未満であれば、上記の効果を達成することが困難である。従って、本発明においては、SiO2の含有量の下限値が25%であり、好ましくはSiO2の含有量の下限値が28%、より好ましくはSiO2の含有量の下限値が30%である。 SiO2の含有量が45%を超えると、ガラスが溶けにくくなり、本発明が期待する屈折率を得ることが困難になる。従って、SiO2の含有量の上限値が45%、好ましくは上限値が42%、より好ましくは上限値が40%である。
SiO2はガラスネットワークを生成する成分であり、ガラスの化学的安定性と耐候性を高め、ガラスの耐失透性を維持することができ、SiO2の含有量が25%未満であれば、上記の効果を達成することが困難である。従って、本発明においては、SiO2の含有量の下限値が25%であり、好ましくはSiO2の含有量の下限値が28%、より好ましくはSiO2の含有量の下限値が30%である。 SiO2の含有量が45%を超えると、ガラスが溶けにくくなり、本発明が期待する屈折率を得ることが困難になる。従って、SiO2の含有量の上限値が45%、好ましくは上限値が42%、より好ましくは上限値が40%である。
B2O3は、ガラスの溶融難易度を低下させながら、ガラスの高温粘度と転移温度を低下させることができる。ただし、本発明において、B2O3が[BO3]配位状態にある場合、ガラスの相対部分分散が高くなる。従って、ガラスの相対部分分散が低いことを保証するために、本発明においては、B2O3の含有量が10%以下、好ましくは5%以下、より好ましくは3%以下、さらに好ましくはB2O3を含まないことである。
Al2O3はガラスの耐候性を向上させることができるが、ガラスの溶融温度と高温粘度を高め、さらに生産の難易度を高めることである。Al2O3の含有量が5%を超えると、ガラスの溶融性が悪くなり、耐失透性が低下する傾向が見られる。従って、本発明においては、Al2O3の含有量が0～5%、好ましくは0～2%、より好ましくはAl2O3を含まないことである。
本発明のいくつかの実施形態において、B2O3とAl2O3の合計含有量B2O3+Al2O3を12%以下に制御することにより、ガラスの相対部分分散を設計範囲内に維持するのに有利であり、好ましくはB2O3+Al2O3が0～6%である。
La2O3は高屈折率低分散の成分であり、ガラスに用いることでガラスの相対部分分散を大幅に下げることができるが、その含有量が高すぎると、ガラスの分散が低下し、本発明が期待する高屈折率高分散の光学特性を実現することが困難である。従って、本発明においては、La2O3の含有量が10%以下、好ましくは含有量が5%以下、より好ましくはLa2O3を含まないことである。
Gd2O3は高屈折率低分散の成分であり、ガラスに用いることでガラスの相対部分分散を下げる役割を果たすが、高価でガラス中でのGd2O3の使用を制限している。従って、Gd2O3の含有量は0～10%、好ましくは0～5%、より好ましくはGd2O3を含まないことである。
Y2O3はガラスの溶融性を改善し、ガラスの耐候性を向上させることができるが、その含有量が高すぎると、ガラスの分散が低下し、本発明が期待する高屈折率高分散の光学特性を実現することができない。従って、Y2O3の含有量は0～10%、好ましくは0～5%、より好ましくはY2O3を含まないことである。
La2O3、Gd2O3とY2O3は、ガラスに用いることで屈折率を高め、相対部分分散を下げる役割を果たすことができるが、含有量が多すぎると、本発明が期待する高屈折率高分散の光学特性を実現することが困難である。従って、本発明においては、La2O3、Gd2O3、Y2O3の合計含有量Re2O3が好ましくは0～15%、より好ましくはRe2O3が0～8%、さらに好ましくはRe2O3を含まないことである。
Yb2O3は、ガラスに用いることでガラスの屈折率を高めることができるが、近赤外領域では顕著な吸収ピークがあり、光学素子として使用する際に透過光線のスペクトル構成を変え、さらに画像の還元効果に影響を与える。従って、Yb2O3の含有量範囲が0～10%、好ましくは0～5%に限定され、より好ましくはYb2O3を含まないことである。
BaOの原料コストは安価で入手しやすく、ガラスに用いることでガラスの屈折率をよく向上させることができる。ただし、BaOはガラスの密度を下げるのに不利であり、また、BaO含有量が多すぎると、ガラスの耐候性が急速に低下する。従って、BaOの含有量が0～10%、好ましくは0～5%、より好ましくは0～2%に限定される。
適量のSrOは、ガラスの耐候性を高め、ガラスの密度を下げることができるが、SrOは高価なものであり、含有量が高ければガラスの製造コストが上昇するので、SrOの含有量が0～10%、好ましくは0～5%に限定され、より好ましくはSrOを含まないことである。
CaOは、ガラスの硬度、機械的強度と耐候性を高めることができ、さらに重要なことに、BaOとSrOよりもCaOはガラスの密度を下げるのに有利であり、また、CaOは生産工程における光学定数の制御と調整にも有利である。ただし、CaOの含有量が多すぎると、ガラスの溶融が困難になり、生産工程で溶融池にカルシウムに富む硬いシェルを形成しやすくなる。従って、CaOの含有量が0～10%、好ましくは0～8%、より好ましくは0～5%に限定される。
MgOは、ガラスの耐候性を高めるのに役立つが、含有量が高いとガラスの屈折率が設計要件を満たさなくなり、ガラスの耐失透性と安定性が低下し、ガラスのコストが急速に上昇する。従って、MgOの含有量が0～5%、好ましくは0～3%に限定され、より好ましくはMgOを含まないことである。
BaO、SrO、CaO、MgOは、いずれもアルカリ土類金属酸化物に属し、本発明において、優れた耐失透性と機械的強度を得るために、アルカリ土類金属酸化物の合計含有量ROは、好ましくは0～10%、より好ましくは0～8%、さらに好ましくは0～5%範囲内に制御される。
ZnOは、ガラスの耐酸安定性を改善し、ガラスの耐候性を向上させ、ガラスの転移温度を低下させることができるが、その含有量が高すぎると、溶融中に白金容器への浸食を増加させ、溶融炉の耐用年数を低下させる場合がある。従って、本発明のガラスにおいては、ZnOの含有量が0～10%、好ましくは0～5%、より好ましくは0～2%である。
ZrO2は、ガラスの耐候性を改善し、ガラスの耐失透性を向上させる作用がある。また、ZrO2はガラスに用いることでガラスの相対部分分散を大幅に下げることができる。ただし、本系ガラスにおけるZrO2の溶解度は高くなく、含有量が多すぎるとかえってガラス系外に遊離し、結晶核を形成し、さらにガラスの耐失透性を下げる。従って、本発明においては、ZrO2の含有量が2～15%、好ましくは3～12%、より好ましくは4～10%である。
SiO2とZrO2は、ガラスの耐候性を向上させることができるが、本発明において、SiO2とZrO2が溶融しにくい2つの成分でもある。発明者らが大量の実験研究を重ねた結果、いくつかの実施形態において、SiO2とZrO2の合計含有量SiO2+ZrO2が30～55%である場合、ガラスは優れた耐候性を得ることができ、良好な生産性も実現できることを見出した。従って、好ましくはSiO2+ZrO2が30～55%、より好ましくはSiO2+ZrO2が33～52%、さらに好ましくはSiO2+ZrO2が36～49%である。
Nb2O5は、本発明のガラスの必要な成分であり、ガラスが高屈折率高分散と低相対部分分散特性を有することを保証する重要な成分である。本発明者らが鋭意実験研究を重ねた結果、アッベ数が25～32の場合、Nb2O5はガラスの相対部分分散への寄与はアッベ数への寄与とほぼ一致し、すなわち、ガラス中のNb2O5の成長に伴い、ガラスの相対部分分散偏差値（ΔPg,F）はほとんど変化しないことを見出した。従って、本発明においては、Nb2O5の含有量が35～60%、好ましくは38～57%、より好ましくは41～54%である。
Nb2O5とZrO2は、本発明の低相対部分分散性能を維持する重要な成分であり、本発明のいくつかの実施形態において、Nb2O5とZrO2の合計含有量Nb2O5+ZrO2が40～70%範囲内に制御される場合、ガラスの屈折率、分散と相対部分分散は設計要件をよく満たすことができる。従って、好ましくはNb2O5+ZrO2が40～70%、より好ましくは45～65%、さらに好ましくは50～60%である。
TiO2はガラスの屈折率と分散を高め、ガラスの耐失透性を改善することができる。ただし、TiO2をガラスに用いるとPg,Fが急激に上昇し、ガラス中のTiO2含有量が10%を超えると、ガラスのPg,F特性が設計要件を満たさなくなる。従って、TiO2の含有量が0～10%、好ましくは0～7%、より好ましくは0～4%である。
WO3はガラスの屈折率と分散を高めることができるが、ガラスのPg,Fが急激に上昇すると同時に、ガラスの光透過率が低下することもある。従って、本発明においては、WO3の含有量が0～10%、好ましくは0～5%、より好ましくはWO3を含まないことである。
Bi2O3は、ガラスの屈折率と分散を高めることができるが、ガラスのPg,Fを急激に上昇させる特性もある。また、Bi2O3は、溶融中に白金容器への腐食が比較的深刻であるため、その含有量が5%以内に限定され、好ましくはBi2O3を含まないことである。
TiO2、WO3とBi2O3のいずれも、ガラスの屈折率と分散を高めることができるが、ガラスのPg,Fを急激に上昇させるものでもある。従って、本発明においては、TiO2、WO3とBi2O3の合計含有量TiO2+WO3+Bi2O3が0～10%、より好ましくはTiO2+WO3+Bi2O3が0～7%、さらに好ましくはTiO2+WO3+Bi2O3が0～4%である。
Ta2O5は高屈折率高分散成分であり、ガラスのPg,F値を下げることができ、同時にTa2O5はガラスの耐失透性を改善し、ガラスの安定性を向上させることができる。ただし、高価な原料コストがTa2O5の使用を大きく制限している。従って、本発明においては、Ta2O5の含有量が0～5%、好ましくは0～2%、より好ましくはTa2O5を含まないことである。
Li2Oはアルカリ金属酸化物であり、本発明においてガラス生産の難易度を下げる重要な成分である。Li2Oは溶融助剤として使用でき、ガラスの溶融難易度を下げることができる。また、Li2Oはガラスの高温粘度と転移温度を下げ、ガラスの生産と加工を容易にすることができる。本発明者らが鋭意実験研究を重ねた結果、ガラスにLi2Oを添加することにより、Li2Oの蓄積効果を利用して、ガラスの耐候性を向上させることができることを見出した。ただし、Li2Oの含有量が多すぎると、ガラスの耐酸安定性が低下する。従って、本発明のガラスにおいて、Li2Oの含有量が1～10%、好ましくは2～8%、より好ましくは3～6%である。
Na2OとK2Oもガラスの溶融温度と高温粘度を下げ、ガラス生産の難易度を下げることができるが、Li2Oの蓄積効果に比べて、Na2OとK2Oはガラスのシリコンネットワーク構造を破壊し、ガラスのPg,Fを増大させる欠点がある。従って、本発明のガラスにおいては、Na2Oの含有量が2～15%、好ましくは4～13%、より好ましくは5～12%であり、K2Oの含有量が0～10%、好ましくは0.5～8%、より好ましくは1～6%である。
Li2O、Na2OとK2Oはすべてアルカリ金属酸化物であり、ガラス生産の難易度を下げることができるが、含有量が多すぎると、ガラスの化学安定性が低下する。従って、本発明においては、好ましくはLi2O、Na2OとK2Oの合計含有量Rn2Oが6～20%、より好ましくは10～18%、さらに好ましくは12～16%範囲内に制御される。
発明者らが大量の実験研究を重ねた結果、アルカリ金属酸化物Rn2OはSiO2とZrO2の溶融を促進し、ガラス溶融の難易度を下げることができることを見出した。さらに、SiO2とZrO2の合計含有量SiO2+ZrO2とRn2Oの含有量との比(SiO2+ZrO2)/Rn2Oが1.5～8.0である場合、ガラスが優れた溶融性能と耐失透性を得ることができ、好ましくは(SiO2+ZrO2)/Rn2Oが1.8～6.5、より好ましくは(SiO2+ZrO2)/Rn2Oが2.0～5.0である。
ケイ酸塩ガラスネットワーク構造はZrO2に対する担持能力が高くなく、ZrO2の含有量が高すぎると、溶融中に析出して結石を形成しやすくなる。発明者らが大量の実験研究を重ねた結果、いくつかの実施形態において、アルカリ金属酸化物Rn2Oはケイ酸塩ガラスのZrO2に対する担持能力を向上させることができ、ZrO2の含有量とRn2Oの含有量との比ZrO2/Rn2Oが0.1～2.3である場合、本発明のガラス系のZrO2に対する担持能力を向上させ、ガラスの化学安定性を高めることができることを見出した。好ましくはZrO2/Rn2Oが0.2～1.8、より好ましくはZrO2/Rn2Oが0.3～1.3である。
Sb2O3は、ガラスの清澄効果を高めるため、本発明において清澄剤として使用することができ、その含有量範囲が0～1%、好ましくは0～0.5%、より好ましくは0～0.1%である。
＜含まれるべきでない成分＞
本発明のガラスにおいては、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ag及びMo等の遷移金属の酸化物は、単独又は複合的に少量に含まれる場合でも、ガラスが着色され、可視光領域における特定の波長が吸収され、本発明の可視光透過効果を弱めるので、特に可視光領域の波長透過率を要求する光学ガラスは、実際には含まないことが好ましい。
本発明のガラスにおいては、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ag及びMo等の遷移金属の酸化物は、単独又は複合的に少量に含まれる場合でも、ガラスが着色され、可視光領域における特定の波長が吸収され、本発明の可視光透過効果を弱めるので、特に可視光領域の波長透過率を要求する光学ガラスは、実際には含まないことが好ましい。
Th、Cd、Tl、Os、Be及びSeの酸化物は、近年、有害な化学物質として使用を制御する傾向にあり、ガラスの製造工程だけでなく、加工工程及び完成品の処置に至るまで、環境保護への取り組みが必要である。そのため、環境への影響を重視する場合は、不可避な混入以外は、それらを含まないことが好ましい。これにより、光学ガラスは実際に環境を汚染する物質を含まなくなる。したがって、本発明の光学ガラスは、特殊な環境措置を講じなくても、製造、加工及び廃棄が可能である。
環境に配慮するため、本発明の光学ガラスはAs2O3とPbOを含まないことである。As2O3は気泡を除去し、ガラスの着色を防止する効果があるが、As2O3を添加すると、ガラスの溶融炉、特に白金溶融炉への白金浸食を増大させ、より多くの白金イオンがガラスに入り、白金溶融炉の耐用年数に悪影響を与える。PbOは、ガラスの高屈折率と高分散性を顕著に高めることができるが、PbOとAs2O3はいずれも環境汚染を引き起こす物質である。
本明細書に記載されている「加えない」、「含まない」、「0%」という用語は、この成分を本発明のガラスの原料として意図的に添加しなかったことを意味する。しかし、ガラスを製造するための原料及び/又は設備として、意図的に添加されていない不純物や成分が、最終的なガラス中に少量または微量に存在することがあり、それらも本発明の特許の対象となる。以下では、本発明の光学ガラスの特性について説明する。
＜屈折率とアッべ数＞
ガラス材料の屈折率（nd）とアッベ数（νd）は、GB/T 7962.1-2010に規定された方法に従って試験されている。
いくつかの実施形態において、本発明の光学ガラスの屈折率(nd)は1.74～1.82、好ましくは1.76～1.80である。
いくつかの実施形態において、本発明の光学ガラスのアッべ数(νd)は25～32、好ましくは27～30である。
ガラス材料の屈折率（nd）とアッベ数（νd）は、GB/T 7962.1-2010に規定された方法に従って試験されている。
いくつかの実施形態において、本発明の光学ガラスの屈折率(nd)は1.74～1.82、好ましくは1.76～1.80である。
いくつかの実施形態において、本発明の光学ガラスのアッべ数(νd)は25～32、好ましくは27～30である。
＜相対部分分散＞
光学ガラスの相対部分分散(Pg,F)の計算式：Pg,F=(ng-nF)/(nF-nC)。ここで、ng、nFとnCは、『GB/T 7962.1－2010』に規定された方法に従って試験されている。
いくつかの実施形態において、本発明の光学ガラスの相対部分分散(Pg,F)≦0.6497-0.001703×νd、好ましくはPg,F≦0.6477-0.001703×νdである。
光学ガラスの相対部分分散(Pg,F)の計算式：Pg,F=(ng-nF)/(nF-nC)。ここで、ng、nFとnCは、『GB/T 7962.1－2010』に規定された方法に従って試験されている。
いくつかの実施形態において、本発明の光学ガラスの相対部分分散(Pg,F)≦0.6497-0.001703×νd、好ましくはPg,F≦0.6477-0.001703×νdである。
＜透過率＞
ガラスの透過率(λ5)は、ガラスの短波透過を測定するために用いられる。具体的な試験方法は、両面を研磨した10 mm厚の試料を分光光度計上に置いてガラスの透過状況を試験し、λ5は、ガラス透過率が5%に達したときの対応する波長を指す。
いくつかの実施形態において、本発明の前記光学ガラスのλ5が360nm以下、好ましくは350nm以下である。
ガラスの透過率(λ5)は、ガラスの短波透過を測定するために用いられる。具体的な試験方法は、両面を研磨した10 mm厚の試料を分光光度計上に置いてガラスの透過状況を試験し、λ5は、ガラス透過率が5%に達したときの対応する波長を指す。
いくつかの実施形態において、本発明の前記光学ガラスのλ5が360nm以下、好ましくは350nm以下である。
＜耐失透性＞
光学ガラスの耐失透性試験方法は以下の通りである。試料をTg+230℃のマッフル炉に入れて15分間保温した後に取り出し、室温で冷却し、両面研磨した後、試料内の1立方センチメートル当たりの析出粒子数(A)を観察する。
いくつかの実施形態において、本発明の前記光学ガラス析出粒子数(A)は5個以下、好ましくは2個以下、より好ましくは0個である。
光学ガラスの耐失透性試験方法は以下の通りである。試料をTg+230℃のマッフル炉に入れて15分間保温した後に取り出し、室温で冷却し、両面研磨した後、試料内の1立方センチメートル当たりの析出粒子数(A)を観察する。
いくつかの実施形態において、本発明の前記光学ガラス析出粒子数(A)は5個以下、好ましくは2個以下、より好ましくは0個である。
［製造方法］
本発明の光学ガラスの製造方法は次のとおりである。本発明のガラスは、錯塩(炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩)、水酸化物、酸化物を原料として、従来の原料と工程で製造され、常法により配合した後、調製された炉材を1250～1450℃の溶解炉に投入して溶融する。その後、清澄化、撹拌、均一化して、気泡や未溶解物のない均質な溶融ガラスを得、この溶融ガラスを金型に入れて鋳造し、焼きなましする。当業者であれば、実際の必要に応じて、原料、製法およびプロセスパラメータを適宜選択することができる。
本発明の光学ガラスの製造方法は次のとおりである。本発明のガラスは、錯塩(炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩)、水酸化物、酸化物を原料として、従来の原料と工程で製造され、常法により配合した後、調製された炉材を1250～1450℃の溶解炉に投入して溶融する。その後、清澄化、撹拌、均一化して、気泡や未溶解物のない均質な溶融ガラスを得、この溶融ガラスを金型に入れて鋳造し、焼きなましする。当業者であれば、実際の必要に応じて、原料、製法およびプロセスパラメータを適宜選択することができる。
ＩＩ.ガラスプリフォーム及び光学素子
研磨加工や熱プレス成形、精密プレス成形などのプレス成形手段を用いて、作製された光学ガラスからガラスプリフォームを作製することができる。すなわち、研削や研磨などの機械加工により光学ガラスから光学プリフォームを作製するか、光学ガラスからプレス成形用のブランクを作製し、このブランクを熱プレス成形した後、研磨して光学プリフォームを作製し、又は研磨して作製したブランクを精密プレス成形して光学プリフォームを作製することができる。なお、光学プリフォームの製造手段は上記手段に限定されない。
研磨加工や熱プレス成形、精密プレス成形などのプレス成形手段を用いて、作製された光学ガラスからガラスプリフォームを作製することができる。すなわち、研削や研磨などの機械加工により光学ガラスから光学プリフォームを作製するか、光学ガラスからプレス成形用のブランクを作製し、このブランクを熱プレス成形した後、研磨して光学プリフォームを作製し、又は研磨して作製したブランクを精密プレス成形して光学プリフォームを作製することができる。なお、光学プリフォームの製造手段は上記手段に限定されない。
上記のように、本発明の光学ガラスは、各種光学素子及び光学設計に有用であり、特に本発明の光学ガラスからブランクを形成し、このブランクを用いて熱プレス成形、精密プレス成形等を行い、レンズ、プリズム等の光学素子を作製することが好ましい。
本発明の光学プリフォーム及び光学素子は、いずれも上記本発明の光学ガラスから形成されている。本発明の光学プリフォームは、光学ガラスが備えている優れた特性を有し、本発明の光学素子は、光学ガラスが備えている優れた特性を有し、光学的価値の高いさまざまなレンズ、プリズム等の光学素子を提供することができる。
レンズの例としては、レンズ表面が球面または非球面の凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズなどのさまざまなレンズが挙げられる。
レンズの例としては、レンズ表面が球面または非球面の凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズなどのさまざまなレンズが挙げられる。
ＩＩＩ.光学機器
本発明の光学ガラスにより形成された光学素子は、写真撮影装置、車載装置、撮像装置、表示装置及びモニタ装置などの光学機器を作製することができる。
本発明の光学ガラスは高屈折率高分散と低相対部分分散性能を備えるので、特に長焦点レンズと高精細交換レンズに適す。
本発明の光学ガラスにより形成された光学素子は、写真撮影装置、車載装置、撮像装置、表示装置及びモニタ装置などの光学機器を作製することができる。
本発明の光学ガラスは高屈折率高分散と低相対部分分散性能を備えるので、特に長焦点レンズと高精細交換レンズに適す。
＜＜実施例＞＞
＜光学ガラス実施例＞
本発明の技術的解決策をさらに明確に説明するために、以下の非限定的な実施例を提供する。
本実施例は、上記した光学ガラスの製造方法を用いて、表1～表4に示す組成を有する光学ガラスを得るものである。また、各ガラスの特性を本発明に記載の試験方法により測定し、その結果を表1～表4に表した。
＜光学ガラス実施例＞
本発明の技術的解決策をさらに明確に説明するために、以下の非限定的な実施例を提供する。
本実施例は、上記した光学ガラスの製造方法を用いて、表1～表4に示す組成を有する光学ガラスを得るものである。また、各ガラスの特性を本発明に記載の試験方法により測定し、その結果を表1～表4に表した。
＜ガラスプリフォーム実施例＞
光学ガラスの実施例1～40で得られたガラスを、研磨加工や熱プレス成形、精密プレス成形などのプレス成形手段を用いて、凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズなどのさまざまなレンズ、プリズムなどのプリフォームを作製する。
光学ガラスの実施例1～40で得られたガラスを、研磨加工や熱プレス成形、精密プレス成形などのプレス成形手段を用いて、凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズなどのさまざまなレンズ、プリズムなどのプリフォームを作製する。
＜光学素子実施例＞
上記光学プリフォームの実施例で得られたプリフォームを焼き戻しし、屈折率などの光学特性が所望の値に達するように、ガラス内部のひずみを低減しながら屈折率を微調整する。
次に、各プリフォームを研削し、研磨し、凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズなどのさまざまなレンズ、プリズムを作製する。得られた光学素子の表面には反射防止膜を塗布することもできる。
上記光学プリフォームの実施例で得られたプリフォームを焼き戻しし、屈折率などの光学特性が所望の値に達するように、ガラス内部のひずみを低減しながら屈折率を微調整する。
次に、各プリフォームを研削し、研磨し、凹メニスカスレンズ、凸メニスカスレンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズなどのさまざまなレンズ、プリズムを作製する。得られた光学素子の表面には反射防止膜を塗布することもできる。
＜光学機器実施例＞
上記光学素子の実施例で製造された光学素子は、光学設計により、1つまたは複数の光学素子を用いて光学部品または光学コンポーネントを形成することにより、撮像装置、センサ、顕微鏡、医薬技術、デジタル投影、通信、光学通信技術／情報伝送、自動車分野における光学／照明、フォトリソグラフィ技術、エキシマレーザ、ウエハ、コンピュータチップ及びこのような回路及びチップを含む集積回路及び電子デバイスに用いることができる。
上記光学素子の実施例で製造された光学素子は、光学設計により、1つまたは複数の光学素子を用いて光学部品または光学コンポーネントを形成することにより、撮像装置、センサ、顕微鏡、医薬技術、デジタル投影、通信、光学通信技術／情報伝送、自動車分野における光学／照明、フォトリソグラフィ技術、エキシマレーザ、ウエハ、コンピュータチップ及びこのような回路及びチップを含む集積回路及び電子デバイスに用いることができる。
Claims (14)
- 重量%で以下の成分を含む、光学ガラス：
SiO2：25～45%、ZrO2：2～15%、Nb2O5：35～60%、Li2O：1～10%、Na2O：2～15%、K2O：0～10%。 - 重量%で以下の成分をさらに含む、請求項１に記載の光学ガラス：
B2O3：0～10%、及び/又はAl2O3：0～5%、及び/又はLa2O3：0～10%、及び/又はGd2O3：0～10%、及び/又はY2O3：0～10%、及び/又はYb2O3：0～10%、及び/又はBaO：0～10%、及び/又はSrO：0～10%、及び/又はCaO：0～10%、及び/又はMgO：0～5%、及び/又はZnO：0～10%、及び/又はTiO2：0～10%、及び/又はWO3：0～10%、及び/又はBi2O3：0～5%、及び/又はTa2O5：0～5%、及び/又はSb2O3：0～1%。 - 重量%で以下の成分からなる、光学ガラス：
SiO2：25～45%、ZrO2：2～15%、Nb2O5：35～60%、Li2O：1～10%、Na2O：2～15%、K2O：0～10%、B2O3：0～10%、Al2O3：0～5%、La2O3：0～10%、Gd2O3：0～10%、Y2O3：0～10%、Yb2O3：0～10%、BaO：0～10%、SrO：0～10%、CaO：0～10%、MgO：0～5%、ZnO：0～10%、TiO2：0～10%、WO3：0～10%、Bi2O3：0～5%、Ta2O5：0～5%、Sb2O3：0～1%。 - 重量%で以下の成分を含み、以下の9つの状況の1つ以上を満たす、請求項1～3のいずれか一項に記載の光学ガラス：
1) B2O3+Al2O3は0～12%；
2) Re2O3は0～15%；
3) ROは0～10%；
4) SiO2+ZrO2は30～55%；
5) Nb2O5+ZrO2は40～70%；
6) TiO2+WO3+Bi2O3は0～10%；
7) Rn2Oは6～20%；
8) (SiO2+ZrO2)/Rn2Oは1.5～8.0；
9) ZrO2/Rn2Oは0.1～2.3，
前記Re2O3はLa2O3、Gd2O3、Y2O3の合計含有量、ROはBaO、SrO、CaO、MgOの合計含有量、Rn2OはLi2O、Na2O、K2Oの合計含有量である。 - 重量%で以下の成分を含む、請求項1～3のいずれか一項に記載の光学ガラス： SiO2：28～42%、及び/又はZrO2：3～12%、及び/又はNb2O5：38～57%、及び/又はLi2O：2～8%、及び/又はNa2O：4～13%、及び/又はK2O：0.5～8%、及び/又はB2O3：0～5%、及び/又はAl2O3：0～2%、及び/又はLa2O3：0～5%、及び/又はGd2O3：0～5%、及び/又はY2O3：0～5%、及び/又はYb2O3：0～5%、及び/又はBaO：0～5%、及び/又はSrO：0～5%、及び/又はCaO：0～8%、及び/又はMgO：0～3%、及び/又はZnO：0～5%、及び/又はTiO2：0～7%、及び/又はWO3：0～5%、及び/又はTa2O5：0～2%、及び/又はSb2O3：0～0.5%。
- 重量%で以下の成分を含み、以下の9つの状況の1つ以上を満たす、請求項1～3のいずれか一項に記載の光学ガラス：
1) B2O3+Al2O3は0～6%；
2) Re2O3は0～8%；
3) ROは0～8%；
4) SiO2+ZrO2は33～52%；
5) Nb2O5+ZrO2は45～65%；
6) TiO2+WO3+Bi2O3は0～7%；
7) Rn2Oは10～18%；
8) (SiO2+ZrO2)/Rn2Oは1.8～6.5；
9) ZrO2/Rn2Oは0.2～1.8，
前記Re2O3はLa2O3、Gd2O3、Y2O3の合計含有量、ROはBaO、SrO、CaO、MgOの合計含有量、Rn2OはLi2O、Na2O、K2Oの合計含有量である。 - 重量%で以下の成分を含む、請求項1～3のいずれか一項に記載の光学ガラス：
SiO2：30～40%；及び/又はZrO2：4～10%；及び/又はNb2O5：41～54%；及び/又はB2O3：0～3%；及び/又はLi2O：3～6%；及び/又はNa2O：5～12%；及び/又はK2O：1～6%；及び/又はBaO：0～2%；及び/又はCaO：0～5%；及び/又はZnO：0～2%；及び/又はTiO2：0～4%；及び/又はSb2O3：0～0.1%。 - 重量%で以下の成分を含み、以下の7つの状況の1つ以上を満たす、請求項1～3のいずれか一項に記載の光学ガラス：
1) ROは0～5%；
2) SiO2+ZrO2は36～49%；
3) Nb2O5+ZrO2は50～60%；
4) TiO2+WO3+Bi2O3は0～4%；
5) Rn2Oは12～16%；
6) (SiO2+ZrO2)/Rn2Oは2.0～5.0；
7) ZrO2/Rn2Oは0.3～1.3，
前記ROはBaO、SrO、CaO、MgOの合計含有量、Rn2OはLi2O、Na2O、K2Oの合計含有量である。 - 前記成分がB2O3を含まない、及び/又はAl2O3を含まない、及び/又はLa2O3を含まない、及び/又はGd2O3を含まない、及び/又はY2O3を含まない、及び/又はYb2O3を含まない、及び/又はMgOを含まない、及び/又はSrOを含まない、及び/又はWO3を含まない、及び/又はBi2O3を含まない、及び/又はTa2O5を含まない、及び/又はRe2O3を含まない、前記Re2O3はLa2O3、Gd2O3、Y2O3の合計含有量である、請求項1～3のいずれか一項に記載の光学ガラス。
- 前記光学ガラスの屈折率ndが1.74～1.82、好ましくは屈折率ndが1.76～1.80、アッべ数νdが25～32、好ましくはアッべ数νdが27～30である、請求項1～3のいずれか一項に記載の光学ガラス。
- 前記光学ガラスの相対部分分散Pg,F≦0.6497-0.001703×νd、好ましくはPg,F≦0.6477-0.001703×νd、及び/又は前記光学ガラスのλ5が360nm以下、好ましくはλ5が350nm以下である、請求項1～3のいずれか一項に記載の光学ガラス。
- 請求項1～11のいずれ一項に記載の光学ガラスを用いて製造される、ガラスプリフォーム。
- 請求項1～11のいずれ一項に記載の光学ガラス、又は請求項12に記載のガラスプリフォームを用いて製造される、光学素子。
- 請求項1～11のいずれ一項に記載の光学ガラス、及び/又は請求項13に記載の光学素子を含む、光学機器。
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