JP4334523B2 - 光学ガラス、精密プレス成形用プリフォームとその製造方法および光学素子とその製造方法 - Google Patents
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Description
通常、精密プレス成形用の光学ガラスには、特許文献1で示されるようにガラス転移温度を低下させるために比較的多量のLi2Oが含まれている。しかしながら、ガラスがプレス成形温度またはプレス成形前後の高温の環境に曝される時間が長いような場合には、Liイオンの拡散係数が大きいため、Liに由来する表面でのクモリ・ヤケが発生しやすくなる。高温のガラス表面においてLiイオンが雰囲気中に含まれる炭素化合物や離型膜としてガラス表面に被覆されている炭素含有膜と反応するとLiの炭酸塩が生成される。炭酸塩が生成されることによりガラス表面近傍のLiイオン濃度が一時的に低下するが、Liイオンはガラス中で移動しやすいため、表面付近のLiイオン濃度低下を補うようにガラス内部のLiイオンがガラス表面へと移動し、ガラス表面における炭酸塩の生成が進むことになる。
(1) B2O3、La2O3およびZnOを含み、精密プレス成形のガラス素材として用いられる光学ガラスにおいて、モル%表示で、
B2O3 20〜60%、SiO2 0〜20%、ZnO 22〜42%、La2O3 5〜24%、Gd2O3 0〜20%(ただし、La2O3とGd2O3の合計量が10〜24%)、ZrO2 0〜10%、Ta2O5 0〜10%、WO3 0〜10%、Nb2O5 0〜10%、TiO2 0〜10%、Bi2O3 0〜10%、GeO2 0〜10%、Ga2O3 0〜10%、Al2O3 0〜10%、BaO 0〜10%、Y2O3 0〜10%およびYb2O3 0〜10%、
を含み、かつアッベ数(νd)が40以上で、実質的にリチウムを含まないことを特徴とする光学ガラス、
(2) リチウムの含有量がLi2O換算で0.5モル%未満である上記(1)項に記載の光学ガラス。
(3) 屈折率(nd)が1.79以上である上記(1)または(2)項に記載の光学ガラス、
(4) 上記(1)〜(3)項のいずれか1項に記載の光学ガラスからなる精密プレス成形用プリフォーム、
(5) 表面に炭素含有膜が被覆されている上記(4)項に記載の精密プレス成形用プリフォーム、
(6) 表面に炭素含有膜が被覆されたガラス製の精密プレス成形用プリフォームにおいて、前記ガラスが、転移温度(Tg)530℃以上であり、実質的にリチウムを含まないものであることを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム、
(7) 流出する熔融ガラスを分離して、冷却する過程でプリフォームに成形するガラス製の精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、前記ガラスが、上記(1)〜(3)項のいずれか1項に記載の光学ガラスであることを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法、
(8) 上記(1)〜(3)項のいずれか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、
(9) ガラス製の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型を使用して精密プレス成形する光学素子の製造方法において、上記(4)〜(6)項のいずれか1項に記載のプリフォームを使用することを特徴とする光学素子の製造方法、
(10) 精密プレス成形後、精密プレス成形品の表面に残存する炭素含有膜を酸化して除去する上記(9)項に記載の光学素子の製造方法、および
(11) ガラス製の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型を使用して精密プレス成形して精密プレス成形品を作製する工程を含む光学素子の製造方法において、
前記ガラスが実質的にリチウムを含まないものであること、前記プリフォームおよび/または精密プレス成形品を炭素化合物を含む雰囲気中で熱処理すること、および前記熱処理温度が前記ガラスの転移温度(Tg)より50℃低い温度よりも高いこと、
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。
その上、精密プレス成形時に使用するプレス成形型との離型性に優れた精密プレス成形用プリフォーム、ならびに前記プリフォームを使用した光学素子の製造方法を提供することもできる。
本発明の光学ガラスは、B2O3、La2O3およびZnOを含み、精密プレス成形のガラス素材として使用される光学ガラスにおいて、モル%表示で、
B2O3 20〜60%、SiO2 0〜20%、ZnO 22〜42%、La2O3 5〜24%、Gd2O3 0〜20%(ただし、La2O3とGd2O3の合計量が10〜24%)、ZrO2 0〜10%、Ta2O5 0〜10%、WO3 0〜10%、Nb2O5 0〜10%、TiO2 0〜10%、Bi2O3 0〜10%、GeO2 0〜10%、Ga2O3 0〜10%、Al2O3 0〜10%、BaO 0〜10%、Y2O3 0〜10%およびYb2O3 0〜10%、
を含み、かつアッベ数(νd)が40以上で、実質的にリチウムを含まないことを特徴とする。
νd≧−125×nd+268.75 (ただし、40≦νd<45) …(1)
nd≧1.79 (ただし、45≦νd≦50) …(2)
したがって、本発明のガラスとして、上記(1)式および(2)式にて示される範囲の光学特性を示すものがさらに好ましい。
次に本発明の精密プレス成形用プリフォーム(以下、単にプリフォームをいうことがある。)について説明する。本発明のプリフォームは、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が、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、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いて、制御対象の光を屈折したり、反射したり、回折したり、入出射させる面を意味し、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。
第1の態様(プリフォームIという)は、上記本発明の光学ガラスからなるものである。
本発明のプリフォームの製造方法は、流出する熔融ガラスを分離して、冷却する過程でプリフォームに成形するガラス製の精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、前記ガラスが、上記本発明の光学ガラスであることを特徴とする製造方法であり、プリフォームIやプリフォームIIの製造に好適なものである。
本発明の光学素子は、上記本発明の光学ガラスからなることを特徴とする。具体的には、非球面レンズ、球面レンズ、あるいは平凹レンズ、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。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。
第1の態様(光学素子の製法Iという)は、ガラス製の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型を使用して精密プレス成形する光学素子の製造方法において、前記のプリフォームIまたはプリフォームIIを使用することを特徴とする。光学素子の製法Iは、プリフォームを構成するガラスが実質的にLiを含まないので、ガラス外部の炭素とガラス中のLiイオンが反応してガラス表面にクモリやヤケが発生するのを防止することができ、表面状態が良好な光学素子を精密プレス成形により製造することができる。特にプリフォーム表面に炭素含有膜が存在していても、クモリやヤケの原因となる炭酸塩が生成されないため、炭素含有膜の被覆によって精密プレス成形時の離型性を高めるとともに、プレス成形時のガラスの伸びを良好にすることができる。
しかし、本発明によれば、炭酸塩生成のもう一つの原因であるガラス中のLiを抑制あるいは除去することにより、実用的な時間内での熱処理を可能にしつつ、ガラス表面のクモリやヤケを防止することができる。なお、光学素子の製法2において、好ましいプリフォームは上記プリフォームIあるいはプリフォームIIである。
(1)屈折率(nd)およびアッベ数(νd)
日本光学硝子工業会規格の屈折率測定法により、ガラス転移温度(Tg)―屈伏点(Ts)間の温度で保持し、降温速度−30℃/時間で降温して得られた光学ガラスについて、屈折率(nd)とアッベ数(νd)を測定した〔(株)島津デバイス製造(旧社名:カルニュー光学社)より販売されている「GMR−1」使用〕。
理学電機株式会社製の熱機械分析装置「TMA8510」により昇温速度を4℃/分、荷重98mNとして測定した。
表1および表2に示すガラス組成になるように、各成分を導入するための原料としてそれぞれ相当する酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、水酸化物など、例えば、H3BO3、La2O3、ZnO、ZnCO3、Gd2O3、ZrO2などを用いて250〜300g秤量し、十分に混合して調合バッチと成し、これを白金るつぼに入れ、1200〜1450℃に保持した電気炉中において、攪拌しながら空気中で2〜4時間ガラスの熔融を行った。熔融後、熔融ガラスを40×70×15mmのカーボン製の金型に流し、ガラスの転移温度まで放冷してから直ちにアニール炉に入れ、ガラスの転移温度範囲で約1時間アニール処理した後、炉内で室温まで放冷し光学ガラスを得た。得られた光学ガラス中には、顕微鏡で観察できる結晶は析出しなかった。
このようにして得られた光学ガラスの特性を表3および表4に示す。
表2に示すLi2Oを含むガラス組成を有する光学ガラスを、実施例1〜51と同様にして作製した。この光学ガラスの特性を表4に示す。
実施例1〜51の各ガラスを用いて、以下のようにしてプリフォームを作製した。
まず、電気炉内で1050〜1450℃に保持された熔融ガラス(ガラス粘度で4〜0.05dPa・sに相当する)を、1050℃(ガラス粘度で4dPa・sに相当する)に温度調節した白金合金製パイプから一定流速で連続して流下し、ガラスプリフォーム成形型で熔融ガラス流の先端を受け、所定重量の熔融ガラス塊が前記先端から分離するタイミングで成形型を熔融ガラス流の流下速度よりも十分大きな速度で降下し、熔融ガラス塊を分離した。なお、熔融ガラス滴下時のガラス粘度は、7dPa・sであった。
実施例52で作製した各ガラスプリフォームを、図1に示す、成形面に炭素含有膜(ダイヤモンド様カーボン膜)が設けられたSiC製の上型1及び下型2の間に配置した後、石英管11内を窒素雰囲気としてヒーター12に通電して石英管11内を加熱した。成形型内の温度を、被成形ガラスプリフォーム4の粘度が約105〜109dPa・sとなる温度とした後、この温度を維持しつつ、押し棒13を降下させて上型1を上方から押して成形型内の被成形ガラスプリフォーム4をプレスした。プレスの圧力は5〜15MPa、プレス時間は10〜300秒間とした。プレスの後、プレスの圧力を解除し、非球面プレス成形されたガラス成形体を上型1及び下型2と接触させたままの状態でガラス転移温度まで徐冷し、次いで室温付近まで急冷して非球面に成形されたガラスを成形型から取り出した。なお、図1において、符号3は案内型、10は支持台、9は支持棒、14は熱電対である。
比較例1で使用したガラスを用い、上記実施例52と同じ工程、同じ条件で非球面レンズを作製した。得られたレンズの表面を観察したところ、目視でクモリが認められ、光学顕微鏡による拡大観察によって粒子状の生成物が一面に発生しているのが認められた。
2 下型
3 案内型(胴型)
4 プリフォーム
9 支持棒
10 支持台
11 石英管
12 ヒーター
13 押し棒
14 熱電対
Claims (21)
- B2O3、La2O3およびZnOを含み、精密プレス成形のガラス素材として用いられる光学ガラスにおいて、モル%表示で、
B2O3 20〜60%、SiO2 0〜20%、ZnO 22〜42%、La2O3 5〜23%、Gd2O3 1〜19%(ただし、La2O3とGd2O3の合計量が10〜24%)、ZrO2 0〜10%、Ta2O5 0〜10%、WO3 0〜10%、Nb2O5 0〜10%、TiO2 0〜10%、Bi2O3 0〜10%、GeO2 0〜10%、Ga2O3 0〜10%、Al2O3 0〜10%、BaO 0〜10%、Y2O3 0〜10%およびYb2O3 0〜10%、
を含み、リチウムの含有量がLi2O換算で0.5モル%未満、全ガラス成分の合計含有量に対してSb2O3の添加量が0〜1重量%(ただし、TiO2の含有量が1〜35重量%かつCaOの含有量が1〜13重量%の範囲を除く。)であり、かつアッベ数(νd)が40以上45未満、屈折率(nd)が1.8098以上で、さらに屈折率(nd)とアッベ数(νd)とが下記(1)式を満たし、ガラス転移温度が630℃以下であることを特徴とする光学ガラス。
νd≧−125×nd+268.75 …(1) - La 2 O 3 を5〜22モル%、Gd2O3を2〜19モル%含む請求項1に記載の光学ガラス。
- B2O3を20〜56モル%含む請求項1または2に記載の光学ガラス。
- La2O3とGd2O3を合計で14.93〜24モル%含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- ZrO2を1.6〜10モル%含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- Ta2O5を0.77〜10モル%含む請求項1〜5のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- WO3を1.56〜10モル%含み、屈折率(nd)が1.8177以上である請求項1〜3、5、6のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- La2O3とGd2O3を合計で15.38〜24モル%含む請求項7に記載の光学ガラス。
- モル%表示で、
B2O3 20〜56%、La2O3 11.07〜22%、Gd2O3 2〜12.93%、La2O3とGd2O3の合計量が15.38〜24%、ZrO2 1.6〜10%、Ta2O5 0.77〜10%含み、屈折率(nd)が1.8177以上である請求項1に記載の光学ガラス。 - WO3を1.56〜10モル%含む請求項9に記載の光学ガラス。
- リチウムの含有量がLi2O換算で0.4モル%以下である請求項1〜10のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- リチウムの含有量がLi2O換算で0.1モル%以下である請求項1〜10のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- リチウムを含まない請求項1〜10のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- ガラス転移温度が620℃以下である請求項1〜13のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- PbOを含まない請求項1〜14のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 請求項1〜15のいずれか1項に記載の光学ガラスからなる精密プレス成形用プリフォーム。
- 表面に炭素含有膜が被覆されている請求項16に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
- 流出する熔融ガラスを分離して、冷却する過程でプリフォームに成形するガラス製の精密プレス成形用プリフォームの製造方法において、
前記ガラスが、請求項1〜15のいずれか1項に記載の光学ガラスであることを特徴とする精密プレス成形用プリフォームの製造方法。 - 請求項1〜15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。
- ガラス製の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型を使用して精密プレス成形する光学素子の製造方法において、請求項16または17に記載のプリフォームを使用することを特徴とする光学素子の製造方法。
- SiC製のプレス成形型を使用して精密プレス成形する請求項20に記載の光学素子の製造方法。
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