JP3995641B2 - 光学ガラス、プレス成形用被成形ガラス体、光学素子およびその製造方法 - Google Patents

光学ガラス、プレス成形用被成形ガラス体、光学素子およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、光学ガラス、プレス成形用被成形ガラス体、光学素子およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、高屈折率、高分散特性を有し、かつ着色の少ない光学ガラス、該光学ガラスからなるプレス成形用被成形ガラス体と光学素子、および上記光学素子の製造方法に関するものである。
近年、高屈折率、高分散特性を有する光学ガラスの需要が益々高まっている。このようなガラスとして、リン酸塩系のガラス組成をベースにTiOなどの高屈折率を付与する成分を比較的多量に導入した光学ガラスが知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記ガラスは、リン酸塩系のガラス組成をベースにTiOなどの高屈折率を付与する成分を比較的多量に導入しており、その結果ガラスが着色しやすく、着色度の面で問題があった。したがって、上記特許文献1においては、光学ガラスの熱処理を行うことで、着色の改善を試みているが、この場合、熱処理工程を必要とし、操作が煩雑になるのを免れない上、ガラス全体を均一な着色度にするのが難しいという問題がある。
特開平6−345481号公報
本発明は、このような事情のもとで、高屈折率、高分散特性を有し、かつ着色の少ない光学ガラス、該光学ガラスからなるプレス成形用被成形ガラス体と光学素子、および上記光学素子の製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、特定の組成を有し、かつ光線透過率が50%になる波長がある値以下である光学ガラスにより、その目的を達成し得ることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
(1)ガラス成分として、質量%表示で、Pを10〜32%、Nbを27〜65%、BaOを10〜30%、Bを0〜12%、TiOを0%超20%以下、LiOとNaOとKOを合計量で0%以上10%未満の割合で含むと共に、Sbを外割で0%超1%以下の割合で含み、かつ屈折率(nd)が1.86以上、アッベ数(νd)が24以下、光線透過率が50%になる波長が420nm以下であることを特徴とする光学ガラス、
(2)質量%表示で、LiOを0〜3%、NaOを0〜9%、KOを0〜9%の割合で含む上記(1)に記載の光学ガラス、
(3)質量%表示で、さらに、CaOを0〜6%、SrOを0〜6%、ZnOを0〜6%、SiOを0〜4%、ZrOを0〜4%の割合で含む上記(1)または(2)に記載の光学ガラス、
(4)質量%表示で、TiOを0.5〜19%の割合で含む上記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(5)質量%表示で、Pを12〜28%、Nbを32〜63%、TiOを2〜18%の割合で含む上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(6)P、Nb、BaO、B、TiO、NaO、KO、ZnO、SiOを合計量で95質量%以上の割合で含む上記(1)〜(5)のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(7)Sbを外割で0.01〜0.7質量%の割合で含む上記(1)〜(6)のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(8)Sbを外割で0.01〜0.5質量%の割合で含む上記(7)に記載の光学ガラス、
(9)屈折率(nd)が1.9028以上である上記(1)〜(8)のいずれか1項に記載の光学ガラス
(10)液相温度が1150℃以下である上記(1)〜()のいずれか1項に記載の光学ガラス、
11)上記(1)〜(10)のいずれか1項に記載の光学ガラスからなり、プレス成形に供されることを特徴とするプレス成形用被成形ガラス体、
12)上記(1)〜(10)のいずれか1項に記載の光学ガラスからなることを特徴とする光学素子、
13)上記(11)に記載のプレス成形用被成形ガラス体を、加熱、軟化してプレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法、
を提供するものである。
本発明によれば、高屈折率および高分散特性を有し、かつ着色の少ない光学ガラス、該光学ガラスからなる光学素子をプレス成形によって得るためのプレス成形用被成形ガラス体、並びに上記光学ガラスからなる光学素子およびその製造方法を提供することができる。
まず、本発明の光学ガラスについて説明する。
本発明の光学ガラスは、ガラス成分として、質量%表示で、Pを10〜32%、Nbを27〜65%、BaOを10〜30%、Bを0〜12%、TiOを0%超20%以下、LiOとNaOとKOを合計量で0%以上10%未満の割合で含むと共に、Sbを外割で0%超1%以下の割合で含み、かつ光線透過率が50%になる波長が420nm以下のガラスである。
ここで光線透過率とは、10.0±0.1mmの厚さに研磨された互いに平行な面を有するガラス試料を用い、前記研磨された面に対して垂直方向から光を入射して得られる分光透過率のことである。上記研磨は測定波長域の波長に対し、表面粗さが十分小さい状態に平滑化されていることを意味する。上記分光透過率は波長280〜700nmの範囲で測定される。光線透過率が5%になる波長をλ5とすると、λ5から波長を長くしていくと光線透過率が増加し、70%以上に達すると波長700nmまで70%以上の高透過率を保つ。
上記組成範囲において1.86以上と極めて高い屈折率(nd)を得ることができるが、高屈折率成分がP含有ガラス中に存在すると、その成分が還元されて短波長側に吸収が現れる。この吸収を低減し、上記光線透過率を得るにはSbの添加が不可欠である。しかし、Sbの添加量が多くなるとSbの光吸収によってガラスが着色してしまう。そのため、Sbの添加量は上記範囲に制限されている。Sbの好ましい添加量は、外割で0.01〜0.7質量%、より好ましくは0.01〜0.5質量%である。なお、外割添加量とは、Sb以外のガラス成分の合計量に対する添加量のことである。
本発明の光学ガラスは、PbO、Asを含まない。PbOはガラスの屈折率を増加させるが、環境影響上問題のある物質であり、Asは脱泡効果が高く、ガラスの着色防止効果も高いが、環境影響上問題のある物質である。したがって、本発明ではこれらの物質をガラスから排除する。
本発明の光学ガラスにおける各成分およびその含有量の限定理由を以下に説明する。なお、各含有量は質量%表示により示してある。
は燐酸塩ガラスにおいてガラス形成成分として欠かせない成分である。燐酸塩ガラスは珪酸塩ガラスと比べて低い温度でガラスを熔解することができ、可視域の透過率が高いという特徴をもつ。そのためPは少なくとも10%は必要である。逆に32%を超えると高屈折率特性が得られなくなる。そのためPの含有量は10〜32%の範囲に限定される。好ましいPの含有量は12〜30%、さらに好ましくは12〜28%の範囲である。
Nbは目的とする高屈折率・高分散特性を得るために不可欠な成分であり、またガラスの化学的耐久性を上げる効果のある成分である。Nbが27%未満であると目的とする高屈折率・高分散特性が得られなくなり、65%を超えるとガラスの耐失透性が悪くなる。このためNbは27〜65%の範囲に限定される。好ましいNbの含有量は30〜64%の範囲であり、さらに好ましくは32〜63%の範囲である。
BaOは目的とする高屈折率・高分散特性を得るために不可欠な成分である。また屈折率を高める成分でありながら、多量の導入によっても着色度を悪化させにくい成分であるため、その含有量を10〜30%とする。好ましい含有量は14〜28%である。
TiOは目的とする高屈折率・高分散特性を得るために有効な成分であり、またガラスの化学的耐久性を上げる効果が非常に強い成分である。TiOが20%を超えるとガラスの耐失透性が悪くなり、ガラスの着色度が非常に悪くなる。このためTiOの量を0%超20%以下とする。好ましいTiOの含有量は0.5〜19%の範囲であり、さらに好ましくは2〜18%の範囲である。
LiO、NaO、KOは適量添加することでガラスの熔融温度を下げガラスの液相温度(LT)を下げることができる。しかし、LiO+NaO+KOの合計含有量が10%以上になると目的とする高屈折率特性が得られなくなる。そのため、LiO+NaO+KOの合計含有量は10%未満の範囲に限定される。
LiOの好ましい含有量は0〜3%、NaOの好ましい含有量は0〜9%、KOの好ましい含有量は0〜9%である。アルカリ金属酸化物としてはNaOのみ、KOのみ、NaOおよびKOの導入が好ましく、KOのみ、NaOおよびKOの導入がより好ましく、NaOおよびKOの導入がさらに好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、任意成分であるCaO、SrO、ZnOは適量を添加することにより、ガラスの液相温度(LT)を下げ、耐失透性を良くする効果が大きな成分である。しかし、CaO、SrO、ZnOが過剰に導入されると、目的とする高屈折率・高分散特性が得にくくなる。このためCaO、SrOおよびZnOの含有量は、それぞれ0〜6%の範囲、0〜6%の範囲及び0〜6%の範囲にすることが好ましい。
は適量添加することにより耐失透性が良くなる特徴を持つ。特にP、NbとTiOを含む光学ガラスにBを適量添加すると極めて耐失透性が良くなる。ただし12%を超えると高屈折率特性が得られなくなる。そのためBの含有量は0〜12%の範囲に限定される。好ましいBの含有量は0〜8%である。
本発明の光学ガラスにおいて、SiO、ZrOを任意成分として導入することもできる。SiO、ZrOとも少量の添加により着色をより低減し、耐失透性を改善する働きをする。ただし、過剰導入により目的とする高屈折率特性が得にくくなるため、SiOの含有量を0〜4%、ZrOの含有量を0〜4%にすることが好ましい。より好ましい量は、SiOが0〜2%、ZrOが0〜2%である。
さらにLa、Y、Gd、Ta、WO、MgO、CsO等の成分も、本発明の目的を損なわない程度であれば添加可能である。
上記各成分における好ましい含有量を任意に組合せることができ、その組合せに対して上記Sbの好ましい量を添加することができる。
以下、好ましい組成範囲を例示する。その範囲は、上記本発明の組成範囲内にあって、P 12〜30%、Nb 30〜64%、BaO 14〜28%、TiO 0.5〜19%、LiO 0〜3%、NaO 0〜9%、KO 0〜9%、CaO 0〜6%、SrO 0〜6%、ZnO 0〜6%、B 0〜8%であり、その中にあってさらに好ましい範囲は、P 12〜28%、Nb 32〜63%、TiO 2〜18%である。
なお、上記諸要求を満たす上からP、Nb、BaO、B、TiO、NaO、KO、ZnO、SiOの合計量を95%以上とすることが好ましく、98%以上とすることがより好ましく、99%以上とすることがさらに好ましく、100%とすることが特に好ましい。
このような組成の光学ガラスによって屈折率(nd)が1.86以上、好ましくは1.86〜1.96、アッベ数(νd)が24以下、好ましくは24〜18の光学恒数を有するガラスを実現することができる。
さらに、本発明の光学ガラスとしては、液相温度が1150℃以下のものが望ましい。このような高温域における安定性を備えることにより、熔融状態のガラスを成形する際の成形性をより向上させることができる。
また、本発明の光学ガラスによれば、熔融ガラスを成形する際のガラス粘性が成形に適した範囲になるため、優れた高温成形性を有する光学ガラスを提供することもできる。
このような組成の本発明の光学ガラスは、以下のようにして製造することができる。
本発明の光学ガラスを製造するためのガラス原料としては、Pについては正燐酸(HPO)、メタリン酸、五酸化二燐等を用い、他の成分については炭酸塩、硝酸塩、酸化物等を適宜用いることが可能である。ただし、ガラスの着色をより低減する上から、Pを導入する原料としてメタリン酸が好ましい。ガラスの着色はガラス中の水分量に関係すると思われる。ガラス中に取り込まれる水分量が比較的少ないメタリン酸原料の使用が上記観点から有利である。
これらの原料を所望の割合に秤取し混合して、調合原料とし、これを1000〜1200℃程度に加熱した熔解炉に投入し、熔解清澄後、攪拌し、均一化してから鋳型に鋳込み徐冷することにより、本発明の光学ガラスを得ることができる。
その際、熔解炉の雰囲気に酸素を加え、酸素分圧を高めてもよい。また熔解炉に酸素ガスのような酸化性ガスを吹きこんでバブリングしてもよい。このようにして上記透過率特性の優れた高屈折率ガラスを製造することができる。
次に本発明のプレス成形用被成形ガラス体とそれを製造する方法について説明する。
プレス成形用被成形ガラス体はプレス成形に供されるガラス体であり、目的とするプレス成形品の質量にほぼ等しい質量をもち、本発明の光学ガラスからなる。
まず十分清澄、均質化された熔融ガラスを流出パイプから連続して流出し、鋳型に流し込む。鋳型に流し込まれて板状に広がった熔融ガラスは冷えて固化し板状ガラスになる。成形された板状ガラスを鋳型から連続して引き出し、一定幅と厚みを有する板状ガラスが得られる。このガラスをアニールした後、所望の寸法に切断してカットピースと呼ばれるガラス片を複数個作製する。そしてカットピースにバレル研磨などの加工を施してプレス成形品の質量に調整し、プレス成形用被成形ガラス体を得る。
別の方法としては、流出する熔融ガラスから所定量の熔融ガラス塊を分離して成形型で受け、ガラス塊に成形してプレス成形用被成形ガラス体を得る方法もある。この方法でもガラス塊にバレル研磨などの加工を施してプレス成形用被成形ガラス体に仕上げるようにしてもよい。
次に、本発明の光学素子とその製造方法について説明する。
本発明の光学素子は上記光学ガラスからなるものである。本発明の光学素子としては、レンズ、プリズム、光学基板などを例示することができ、レンズとしては球面レンズ、非球面レンズ、レンズアレイなどの各種レンズを例示することができる。特に、本発明の光学ガラスは屈折率が高いので、デジタルスチールカメラ用撮像レンズ、デジタルビデオカメラ用撮像レンズ、携帯電話付属カメラの撮像レンズ、ノート型パーソナルコンピュータ付属カメラの撮像レンズ、投光レンズなどの液晶プロジェクタなどのプロジェクタ内蔵レンズなどに好適である。
本発明の光学素子の製造方法は、上記プレス成形用被成形ガラス体を加熱、軟化してプレス成形することを特徴とするものである。本発明の光学素子の製造方法としては、滑らかな表面を有するプレス成形用被成形ガラス体を加熱、軟化し、窒素、窒素と水素の混合ガスなどの非酸化性雰囲気中でプレス成形型を用いて精密プレス成形する方法、大気中でプレス成形用被成形ガラス体を加熱、軟化し、プレス成形型を用いてプレス成形し、プレス成形品に研削、研磨加工を施して光学素子を作製する方法などを例示することができる。
本発明のプレス成形用被成形ガラス体、光学素子はいずれも着色の少ない光学ガラスからなるため着色が少なく、その上、屈折率が高く、高分散特性を有することから、利用価値の高いものとなる。
次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
なお、光学ガラスの物性は、以下に示す方法により測定した。
(1)屈折率(nd)およびアッベ数(νd)
1時間当たり、30℃の降温速度で冷却して得られた光学ガラスについて測定した。
(2)液相温度(LT)
50mlの白金製坩堝に光学ガラスを入れ、蓋を付けて炉内に2時間保持し、冷却後、ガラス内部を100倍の顕微鏡で観察した際の結晶の有無から求めた。
(3)λ50
明細書本文記載の方法に従って測定した分光透過率において、透過率50%の波長をλ50として求めた。
実施例1〜12
表1、表2に示す組成になるように、一般的な方法により、実施例1〜12および比較例1、2の光学ガラスを作製した。すなわち、原料としてはPは正燐酸(HPO)、メタリン酸又は五酸化二燐等を用い、他の成分については炭酸塩、硝酸塩等を用い、これらの原料を所望の割合に秤取し、混合して調合原料とし、これを1000〜1200℃に加熱した熔解炉に投入し、熔解、清澄後、攪拌し、均一化してから鋳型に鋳込み徐冷することにより光学ガラスを得た。なお、熔融雰囲気中の酸素分圧は大気中における酸素分圧よりも高くしてもよいし、熔解炉中の熔融ガラスに酸素ガスを吹きこんでもよい。
得られた光学ガラスの光学的性能を表1、表2に示す。
Figure 0003995641
Figure 0003995641
表1、表2より、実施例1〜12の光学ガラスは、λ50が420nm以下であって、屈折率ndが1.86以上の高屈折率を有し、アッベ数νdが24〜18の高分散特性を有する。また液相温度が1150℃以下であり、軟化点付近で30分保持しても失透がなく耐失透性に優れている。
比較例1、2
実施例1〜12と同様にして、表3に示す組成の光学ガラスを作製し、その光学的性能を表3に示した。
Figure 0003995641
比較例1はSbを含まないので着色が強まり、λ50が長波長側にシフトしている。比較例2は少ないBaOで所要の光学特性を得ているため、着色が強まり、λ50が長波長側にシフトしている。
実施例13
次に熔融ガラスを一定流速で流出し、鋳型に流し込んで実施例1〜12の各光学ガラスからなるガラス板を成形した。このガラス板をアニールした後、所定寸法に切断してカットピースを作製した。次いで複数個のカットピースにバレル研磨を施して目的とするプレス成形品の質量に調整した。このようにして得たプレス成形用被成形ガラス体の表面全体に粉末離型剤を均一に塗布し、大気中で加熱、軟化してプレス成形型を用いて目的とするレンズに近似する形状にプレス成形した。
このようにして得られたプレス成形品をアニールした後、研削、研磨して実施例1〜12の各ガラスからなるレンズを製造した。このようにして得られたレンズは目視によっても着色が少ないものであった。
本実施例はレンズを例にしたものであるが、その他光学素子、例えばプリズムや光学基板等も同様に行うことができる。
本発明の光学ガラスは、高屈折率、高分散特性を有し、かつ着色が少なく、プレス成形用被成形ガラス体および各種光学素子に好適に用いられる。

Claims (13)

  1. ガラス成分として、質量%表示で、Pを10〜32%、Nbを27〜65%、BaOを10〜30%、Bを0〜12%、TiOを0%超20%以下、LiOとNaOとKOを合計量で0%以上10%未満の割合で含むと共に、Sbを外割で0%超1%以下の割合で含み、かつ屈折率(nd)が1.86以上、アッベ数(νd)が24以下、光線透過率が50%になる波長が420nm以下であることを特徴とする光学ガラス。
  2. 質量%表示で、LiOを0〜3%、NaOを0〜9%、KOを0〜9%の割合で含む請求項1に記載の光学ガラス。
  3. 質量%表示で、さらに、CaOを0〜6%、SrOを0〜6%、ZnOを0〜6%、SiOを0〜4%、ZrOを0〜4%の割合で含む請求項1または2に記載の光学ガラス。
  4. 質量%表示で、TiOを0.5〜19%の割合で含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラス。
  5. 質量%表示で、Pを12〜28%、Nbを32〜63%、TiOを2〜18%の割合で含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学ガラス。
  6. 、Nb、BaO、B、TiO、NaO、KO、ZnO、SiOを合計量で95質量%以上の割合で含む請求項1〜5のいずれか1項に記載の光学ガラス。
  7. Sbを外割で0.01〜0.7質量%の割合で含む請求項1〜6のいずれか1項に記載の光学ガラス。
  8. Sbを外割で0.01〜0.5質量%の割合で含む請求項7に記載の光学ガラス。
  9. 屈折率(nd)が1.9028以上である請求項1〜8のいずれか1項に記載の光学ガラス。
  10. 液相温度が1150℃以下である請求項1〜いずれか1項に記載の光学ガラス。
  11. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の光学ガラスからなり、プレス成形に供されることを特徴とするプレス成形用被成形ガラス体。
  12. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の光学ガラスからなることを特徴とする光学素子。
  13. 請求項11に記載のプレス成形用被成形ガラス体を、加熱、軟化して
    プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
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