JP4314787B2 - Translucent ceramics and optical components and optical elements using the same - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高屈折率、高光透過率の常誘電体であって、光学部品として有用な透光性セラミックス、およびそれを用いた光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光ピックアップ等の光学素子に搭載する光学部品の材料としては、例えば特開平５−１０７４６７号公報や特開平９−２４５３６４号公報に記載されているように、ガラスまたはプラスチック、あるいはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）等の単結晶が用いられている。
【０００３】
ガラスやプラスチックは、光透過率が高く、所望の形状への加工が容易であることから、レンズ等の光学部品に用いられている。また、ＬｉＮｂＯ3の単結晶は、その電気化学特性と複屈折を利用して、光導波路等の光学部品に用いられている。このような光学部品を用いた光ピックアップ等の光学素子では、さらなる小型化や薄型化が要求されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したガラスやプラスチックでは、その屈折率が１．９未満であることから、それらを用いた光学部品や光学素子において小型化や薄型化に限界がある。また、プラスチックは吸湿性を有しており、そのうえ、屈折率が低く、複屈折を生じるため、入射光を効率よく透過、集光させるうえで問題があった。さらに、ＬｉＮｂＯ3等の単結晶は、屈折率は高いものの（ｎ＝２．３）、複屈折を生じるため、レンズ等の光学部品には用いることができず、用途が限定されてしまう。
【０００５】
そこで、本発明においては、複屈折を生じない光学特性に優れた透光性セラミックスおよびそれを用いた光学素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本件発明は上述の課題を解決するものであり、第１の発明は、一般式ＡvＢ2Ｏ5+v（但し、ＡはＺｎ，Ｃａ，Ｍｇから選ばれる少なくとも１種であり、ＢはＮｂ，Ｔａから選ばれる少なくとも１種であり、ｖは０．９５≦ｖ≦１．０５の範囲内の数値である。）で表される組成を有し、常誘電体であり、かつ、多結晶体であり、λ＝６３３ｎｍにおける試料厚さ０．２ｍｍの直線透過率が２０％以上であり、屈折率が２．０以上であることを特徴とする透光性セラミックスである。
【０００９】
また、本件第２の発明は、本件第１の発明にかかる透光性セラミックスからなることを特徴とする光学部品である。
【００１０】
また、本件第３の発明は、本件第２の発明にかかる光学部品が搭載されていることを特徴とする光学素子である。
【００１１】
ここで、常誘電体とは、電界が印加されても誘電率が変化しないという特性を有するものである。本発明の透光性セラミックスは、常誘電体であり、かつ多結晶体であるため、複屈折を生じない。したがって、レンズ等の光学部品に容易に適用できる。
【００１２】
また、本発明の透光性セラミックスは、２０％以上の高い直線透過率と２．０以上の高い屈折率を有する。このため、比較的小さな外形寸法で所望の光学特性を発揮することができる。
【００１３】
また、本発明の光学素子においては、上述の高い光学特性を有する透光性セラミックスが光学部品として用いられているため、光学素子の小型化、薄型化を実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例にかかる透光性セラミックスを製造する手順を説明する。
【００１５】
まず、原料として、高純度のＺｎＯ，ＭｇＯ，ＣａＣＯ3，Ｎｂ2Ｏ5およびＴａ2Ｏ5を準備した。そして、一般式ＡvＢ2Ｏ5+vで表される、表１に示す各試料が得られるように、各原料を秤量し、ボールミルで１６時間湿式混合した。この混合物を乾燥させた後、１０００〜１２００℃で３時間焼成し、仮焼物を得た。
【００１６】
この仮焼物を水および有機バインダとともにボールミルに入れ、１６時間湿式粉砕した。有機バインダとしては、例えばエチルセルロースが用いられる。エチルセルロース以外でも、セラミックス成形体用の結合剤としての機能を備え、かつ焼結工程において焼結温度に達する前に、例えば５００℃程度で大気中の酸素と反応して炭酸ガスや水蒸気等にガス化して消失するものであれば、有機バインダとして用いることができる。
【００１７】
上記粉砕物を乾燥させた後、５０メッシュの網（篩）を通して造粒し、得られた粉末を２０００ｋｇ／ｃｍ2の圧力でプレス成形することにより、直径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの円板状の成形体を得た。
【００１８】
次に、上記成形体を同組成粉末中に埋め込んだ。ここで、同組成粉末とは、上記成形体と同じ組成となるように調製した原料を仮焼し、粉砕して得られたものである。この同組成粉末により、上記成形体中の揮発成分が焼成時に揮発することを抑制することができる。なお、同組成粉末は、上記成形体と同じ組成を有することが好ましいが、同等の組成系であれば、全く同一の組成でなくともよい。また、必ずしも透光性を備えるものでなくともよい。
【００１９】
上記同組成粉末中に埋め込んだ成形体を焼成炉に入れ、大気雰囲気中で加熱し、脱バインダを行った。引き続き、昇温しながら炉内に酸素を注入し、最高温度域の１３５０℃において、焼成雰囲気の酸素濃度を約９８％まで上昇させた。この焼成温度および酸素濃度を維持し、上記成形物を４時間焼成して焼結体を得た。なお、焼成時の全圧は１気圧以下とした。
【００２０】
こうして得られた焼結体を鏡面加工し、厚さ０．２ｍｍの円板状に仕上げて透光性セラミックスの試料とした。
【００２１】
上記試料のそれぞれについて、可視光領域（λ＝６３３ｎｍ）における直線透過率および屈折率を測定した。この直線透過率の測定には、島津製分光光度計（ＵＶ−２００Ｓ）を用いた。また、屈折率の測定には、Ｍｅｔｒｉｃｏｎ社製プリズムカプラー（ＭＯＤＥＬ２０１０）を用いた。
【００２２】
上述の直線透過率および屈折率の測定結果を表１に示す。表１において、試料番号に＊印を付したものは本発明の範囲外のものであり、いずれも透光性を示さなかったもの、あるいは、透光成性を示すものの、直線透過率が２０％未満のものである。＊印のない試料は、本発明の透光性セラミックスであり、いずれも直線透過率が２０％以上、屈折率は２．１以上とそれぞれ高い値となっている。
【００２３】
【表１】
表１に示す試料のうち、高い直線透過率が得られた試料番号５，１０，１５について、λ＝６３３ｎｍにおけるＴＥモードおよびＴＭモードでの屈折率を測定した結果を表２に示す。表２において、各試料についてＴＥモードおよびＴＭモードでの屈折率が、それぞれ同じ値であることから、各試料に複屈折が生じていないことが分かる。
【００２５】
【表２】
また、試料番号５に対して、鋳込み成形による０．０５０８メートル角の成形体を１３５０℃で焼成して焼結体を得た。表３は、この試料番号５の鋳込み成形による焼結体およびプレス成形による焼結体の直線透過率および屈折率を対比したものである。表３において、両者の直線透過率および屈折率は、それぞれ同等の値である。このように、本発明の組成を有する透光性セラミックスによれば、成形法に関わらず高い直線透過率および屈折率が得られることが分かる。
【００２７】
【表３】
上述のように、本実施例にかかる透光性セラミックスは、直線透過率および屈折率において高い値を示し、複屈折も生じないため、光学部品への利用が望める。例えば、図１に示すような両凸レンズ１０、または両凹レンズ１１、あるいは光路長調整板１２、さらには球状レンズ１３等の素材として好適である。
【００２９】
このような光学部品を搭載した光学素子として、光ピックアップを例に取り、説明する。
【００３０】
光ピックアップは、図２に示すように、コンパクトディスクやミニディスクといった記録媒体１に対して、コヒーレントな光であるレーザ光を照射し、その反射光から記録媒体１に記録された情報を再生するものである。
【００３１】
このような光ピックアップにおいては、光源としての半導体レーザ素子５からのレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズ４が設けられ、その平行光の光路上にハーフミラー３が設けられている。このハーフミラー３は、コリメータレンズ４からの入射光は通して直進させるが、記録媒体１からの反射光については、反射光の進行方向を例えば約９０度の反射により変更するものである。
【００３２】
また、光ピックアップには、ハーフミラー３からの入射光を記録媒体１の記録面上に集光するための対物レンズ２が設けられている。この対物レンズ２は、記録媒体１からの反射光を効率よくハーフミラー３に対して出射するものでもある。反射光が入射されたハーフミラー３では、反射により位相が変化することで、上記反射光の進行方向が変更される。
【００３３】
さらに、光ピックアップには、変更された反射光を集光するための集光レンズ６が設けられている。そして、反射光の集光位置に、反射光から情報を再生するための受光素子７が設けられている。
【００３４】
このように構成される光ピックアップにおいて、対物レンズ２の素材として、本発明にかかる透光性セラミックスを用いることができる。この透光性セラミックスは屈折率が大きいため、光ピックアップの小型化や薄型化が可能であり、開口を増加させることができる。
【００３５】
なお、本実施例においては、本発明の透光性セラミックスを対物レンズ２に用いた場合について説明したが、他の光学部品、例えば、コリメータレンズ４または集光レンズ６、あるいはハーフミラー３に用いることもできる。
【００３６】
また、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で適宜、変更を加えることができる。例えば、原料の形態は酸化物もしくは炭酸塩に限定されるものではなく、焼結体とした段階で所望の特性が得られる原料であればよい。また、焼成雰囲気について、上記実施例の約９８％という酸素濃度の値は、使用した実験設備の条件下において最も好ましい値である。この条件下においては、９０％以上の酸素濃度が確保できれば、所望の特性を備えた焼結体が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の透光性セラミックスは、常誘電体であり、かつ多結晶体であるため、複屈折を生じない。したがって、レンズ等の光学部品に容易に適用できる。
【００３８】
また、本発明の透光性セラミックスは、２０％以上の高い直線透過率と２．０以上の高い屈折率を有する。このため、比較的小さな外形寸法で所望の光学特性を発揮することができる。
【００３９】
本発明の光学素子においては、上述の高い光学特性を有する透光性セラミックスが光学部品として用いられているため、光学素子の小型化、薄型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の透光性セラミックスからなる光学部品の説明図であり、（ａ）は両凸レンズを示し、（ｂ）は両凹レンズを示し、（ｃ）は光路長調整板を示し、（ｄ）は球状レンズを示す。
【図２】本発明の透光性セラミックスからなる光学部品を搭載した光学素子の一実施例（光ピックアップ）を示す説明図である。
【符号の説明】
２ 対物レンズ（光学部品）
１０ 両凸レンズ（光学部品）
１１ 両凹レンズ（光学部品）
１２ 光路長調整板（光学部品）
１３ 球状レンズ（光学部品）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a translucent ceramic that is a paraelectric material having a high refractive index and a high light transmittance and is useful as an optical component, and an optical element using the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a material of an optical component mounted on an optical element such as an optical pickup, as described in, for example, JP-A-5-107467 and JP-A-9-245364, glass or plastic, or niobic acid is used. Single crystals such as lithium (LiNbO 3 ) are used.
[0003]
Glass and plastic are used for optical components such as lenses because they have high light transmittance and can be easily processed into a desired shape. A single crystal of LiNbO 3 is used for optical parts such as an optical waveguide by utilizing its electrochemical characteristics and birefringence. Optical elements such as optical pickups using such optical components are required to be further reduced in size and thickness.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Since the refractive index of the glass or plastic described above is less than 1.9, there is a limit to the reduction in size and thickness of optical components and optical elements using them. In addition, plastic has a hygroscopic property, and also has a low refractive index and birefringence, and thus has a problem in efficiently transmitting and collecting incident light. Furthermore, although a single crystal such as LiNbO 3 has a high refractive index (n = 2.3), it generates birefringence, so it cannot be used for optical parts such as lenses, and its application is limited.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide a translucent ceramic excellent in optical characteristics that does not cause birefringence and an optical element using the same.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above-mentioned problems, and the first invention is a general formula A v B 2 O 5 + v (where A is at least one selected from Zn, Ca and Mg, and B is nb, at least one selected from Ta, v is have a composition represented by a numeric value in the range of 0.95 ≦ v ≦ 1.05.), a paraelectric, and multi A translucent ceramic, which is a crystal and has a linear transmittance of 20% or more and a refractive index of 2.0 or more at a sample thickness of 0.2 mm at λ = 633 nm .
[0009]
Further, the second invention of the present application is an optical component comprising the translucent ceramic according to the first invention of the present application.
[0010]
The third invention of the present application is an optical element in which the optical component according to the second invention of the present invention is mounted.
[0011]
Here, the paraelectric material has a characteristic that the dielectric constant does not change even when an electric field is applied. Since the translucent ceramic of the present invention is a paraelectric material and a polycrystalline material, birefringence does not occur. Therefore, it can be easily applied to optical components such as lenses.
[0012]
The translucent ceramic of the present invention has a high linear transmittance of 20% or more and a high refractive index of 2.0 or more. For this reason, desired optical characteristics can be exhibited with a relatively small external dimension.
[0013]
In the optical element of the present invention, since the above-described translucent ceramics having high optical characteristics are used as an optical component, the optical element can be reduced in size and thickness.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A procedure for manufacturing a translucent ceramic according to an embodiment of the present invention will be described.
[0015]
First, high-purity ZnO, MgO, CaCO 3 , Nb 2 O 5 and Ta 2 O 5 were prepared as raw materials. And each raw material was weighed so that each sample shown in Table 1 represented by the general formula A v B 2 O 5 + v could be obtained, and wet mixed in a ball mill for 16 hours. This mixture was dried and then calcined at 1000 to 1200 ° C. for 3 hours to obtain a calcined product.
[0016]
This calcined product was placed in a ball mill together with water and an organic binder, and wet pulverized for 16 hours. For example, ethyl cellulose is used as the organic binder. Other than ethyl cellulose, it has a function as a binder for ceramic molded bodies and reacts with oxygen in the atmosphere at, for example, about 500 ° C. before it reaches the sintering temperature in the sintering process. As long as it disappears as a result, it can be used as an organic binder.
[0017]
After the pulverized product is dried, it is granulated through a mesh of 50 mesh (sieving), and the obtained powder is press-molded at a pressure of 2000 kg / cm 2 to form a disc-like shape having a diameter of 30 mm and a thickness of 2 mm. A molded body was obtained.
[0018]
Next, the molded body was embedded in the same composition powder. Here, the same composition powder is obtained by calcining and pulverizing a raw material prepared so as to have the same composition as the molded body. With this same composition powder, it is possible to suppress volatilization of the volatile components in the molded body during firing. The same composition powder preferably has the same composition as that of the molded body, but may not have the same composition as long as it is an equivalent composition system. Moreover, it does not necessarily need to have translucency.
[0019]
The molded body embedded in the same composition powder was put into a firing furnace and heated in an air atmosphere to remove the binder. Subsequently, oxygen was injected into the furnace while raising the temperature, and the oxygen concentration in the firing atmosphere was increased to about 98% at the maximum temperature range of 1350 ° C. The fired temperature and oxygen concentration were maintained, and the molded product was fired for 4 hours to obtain a sintered body. The total pressure during firing was 1 atm or less.
[0020]
The sintered body thus obtained was mirror-finished and finished into a disk shape having a thickness of 0.2 mm to obtain a translucent ceramic sample.
[0021]
For each of the above samples, the linear transmittance and refractive index in the visible light region (λ = 633 nm) were measured. A Shimadzu spectrophotometer (UV-200S) was used for the measurement of the linear transmittance. In addition, a prism coupler (MODEL 2010) manufactured by Metricon was used for the measurement of the refractive index.
[0022]
Table 1 shows the measurement results of the above-described linear transmittance and refractive index. In Table 1, the sample numbers marked with an asterisk (*) are out of the scope of the present invention, and none of them exhibited translucency or translucency, but the linear transmittance was 20 %. Samples without * are the translucent ceramics of the present invention, and each has a high linear transmittance of 20% or higher and a refractive index of 2.1 or higher.
[0023]
[Table 1]
Of the samples shown in Table 1, Table 2 shows the results of measuring the refractive index in TE mode and TM mode at λ = 633 nm for
[0025]
[Table 2]
Further, with respect to Sample No. 5 to obtain a sintered body by sintering a compact of 0.0508 m square by molding narrowing cast at 1350 ° C.. Table 3 compares the linear transmittance and refractive index of the sintered body obtained by casting molding of Sample No. 5 and the sintered body obtained by press molding . In Table 3, the linear transmittance and the refractive index of both are equivalent values. Thus, according to the translucent ceramics having the composition of the present invention, it can be seen that high linear transmittance and refractive index can be obtained regardless of the forming method.
[0027]
[Table 3]
As described above, the translucent ceramic according to the present example shows a high value in linear transmittance and refractive index, and birefringence does not occur. For example, it is suitable as a material for a
[0029]
An optical pickup will be described as an example of an optical element on which such an optical component is mounted.
[0030]
As shown in FIG. 2, the optical pickup irradiates a recording medium 1 such as a compact disc or a minidisc with laser light, which is coherent light, and reproduces information recorded on the recording medium 1 from the reflected light. Is.
[0031]
In such an optical pickup, a collimator lens 4 for converting laser light from a semiconductor laser element 5 as a light source into parallel light is provided, and a half mirror 3 is provided on the optical path of the parallel light. The half mirror 3 allows the incident light from the collimator lens 4 to pass straight, but the reflected light from the recording medium 1 changes the traveling direction of the reflected light by, for example, reflection of about 90 degrees.
[0032]
Further, the optical pickup is provided with an objective lens 2 for condensing incident light from the half mirror 3 on the recording surface of the recording medium 1. The objective lens 2 also emits reflected light from the recording medium 1 to the half mirror 3 efficiently. In the half mirror 3 on which the reflected light is incident, the traveling direction of the reflected light is changed by changing the phase by reflection.
[0033]
Further, the optical pickup is provided with a condensing lens 6 for condensing the changed reflected light. And the light receiving element 7 for reproducing | regenerating information from reflected light is provided in the condensing position of reflected light.
[0034]
In the optical pickup configured as described above, the translucent ceramic according to the present invention can be used as the material of the objective lens 2. Since this translucent ceramic has a high refractive index, it is possible to reduce the size and thickness of the optical pickup and increase the opening.
[0035]
In the present embodiment, the case where the light-transmitting ceramic of the present invention is used for the objective lens 2 has been described. However, it is used for other optical components such as the collimator lens 4 or the condensing lens 6 or the half mirror 3. You can also.
[0036]
Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately modified within the scope of the claims. For example, the form of the raw material is not limited to oxides or carbonates, and any raw material can be used as long as desired characteristics can be obtained at the stage of forming a sintered body. In addition, for the firing atmosphere, an oxygen concentration value of about 98% in the above example is the most preferred value under the conditions of the experimental equipment used. Under this condition, if an oxygen concentration of 90% or more can be secured, a sintered body having desired characteristics can be obtained.
[0037]
【The invention's effect】
Since the translucent ceramic of the present invention is a paraelectric material and a polycrystalline material, birefringence does not occur. Therefore, it can be easily applied to optical components such as lenses.
[0038]
The translucent ceramic of the present invention has a high linear transmittance of 20% or more and a high refractive index of 2.0 or more. For this reason, desired optical characteristics can be exhibited with a relatively small external dimension.
[0039]
In the optical element of the present invention, the above-described translucent ceramic having high optical characteristics is used as an optical component, so that the optical element can be reduced in size and thickness.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of an optical component made of a translucent ceramic of the present invention, (a) shows a biconvex lens, (b) shows a biconcave lens, (c) shows an optical path length adjusting plate, (D) shows a spherical lens.
FIG. 2 is an explanatory view showing an example (optical pickup) of an optical element on which an optical component made of a translucent ceramic of the present invention is mounted.
[Explanation of symbols]
2 Objective lens (optical component)
10 Biconvex lens (optical component)
11 Biconcave lens (optical component)
12 Optical path length adjustment plate (optical component)
13 Spherical lens (optical component)
Claims (3)
常誘電体であり、かつ、多結晶体であり、
λ＝６３３ｎｍにおける試料厚さ０．２ｍｍの直線透過率が２０％以上であり、屈折率が２．０以上であることを特徴とする透光性セラミックス。General formula A v B 2 O 5 + v (where A is at least one selected from Zn, Ca and Mg, B is at least one selected from Nb and Ta, and v is 0.95 ≦ v is a number in the range of ≦ 1.05.) it has a composition represented by,
It is a paraelectric material and a polycrystalline material,
A light-transmitting ceramic, characterized in that a linear transmittance at a sample thickness of 0.2 mm at λ = 633 nm is 20% or more and a refractive index is 2.0 or more .
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