JP4471961B2 - レンズおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、フツリン酸塩ガラスからなるレンズおよびその製造方法に関する。さらに詳しくいえば、本発明は、精密プレス成形により成形型の成形面を転写することにより形成されてなる、光学機能面と位置決め基準面とを有するフツリン酸塩ガラスからなるレンズ、およびプリフォームの精密プレス成形により、前記レンズを効率よく製造する方法に関するものである。
低分散ガラスは色収差補正用の光学系を構成するレンズなどに使用されている。低分散ガラスの代表的なものは特許文献1に記載されているようなフツリン酸塩ガラスである。
フツリン酸塩ガラス製のレンズは上記のように利用価値の高いものであるが、レンズの光学機能面を非球面化することによって、よりコンパクトな光学系を実現することができる。このような非球面レンズの製造には精密プレス成形法が適している。
精密プレス成形法は、非球面レンズに限らず、研磨によって光学機能面を仕上げる研磨法では製造が困難なレンズを優れた生産性のもとに量産可能な方法である。
ところで、精密プレス成形法でレンズを製造する場合、レンズの概観形状と光学機能面を精密プレス成形で形成し、光学機能面の周辺部は研削してレンズに仕上げる方法がとられている。この周辺部の研削加工は芯取りと呼ばれ、コバと呼ばれる部分がレンズの光軸に平行になるように仕上げる加工である。
芯取りの際には、光学機能面を固定治具で保持してコバを削るが、その際、精密プレス成形可能なフツリン酸塩ガラス製のレンズでは、ガラスの硬度が低いため光学機能面に傷が入りやすいという問題があった。
特開平6−191876号公報
本発明は、前記の従来技術が有する問題を解決し、光学機能面を有すると共に、該光学機能面に損傷を与えることのない、固定具に位置決め固定する際の位置決め基準面を有するフツリン酸塩ガラスからなるレンズ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、光学機能面および位置決め基準面のいずれの面とも、精密プレス成形により成形型の成形面を転写することにより形成された転写面であるレンズが、その目的に適合し得ること、そして、このレンズは、フツリン酸塩ガラスからなるプリフォームを、加熱、軟化し、成形型を用いて精密プレス成形することにより、製造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) フツリン酸塩ガラスからなるレンズであって、光学機能面と、当該レンズを固定具に位置決め固定する際の位置決め基準面(光軸方向の方向決めも含む)とを有し、前記の光学機能面および位置決め基準面のいずれの面とも、精密プレス成形により成形型の成形面を転写することにより形成されてなる転写面であることを特徴とするレンズ、
(2) 全表面が、精密プレス成形により成形型の成形面を転写することにより形成された転写面からなるか、または、前記転写面と自由表面からなる上記(1)項に記載のレンズ、
(3) フツリン酸塩ガラスがカチオン成分として1カチオン%以上のLiを含む上記(1)または(2)項に記載のレンズ、
(4) フツリン酸塩ガラスのガラス転移温度が500℃以下である上記(1)〜(3)項のいずれか1項に記載のレンズ、
(5) フツリン酸塩ガラスからなるレンズの製造方法において、前記ガラスからなるプリフォームを加熱、軟化し、成形型を用いて精密プレス成形することにより、該成形型の成形面を転写して、光学機能面および当該レンズを固定具に位置決め固定する際の位置決め基準面を形成することを特徴とするレンズの製造方法、
(6) フツリン酸塩ガラスがカチオン成分として1カチオン%以上のLiを含む上記(5)項に記載のレンズの製造方法、
(7) フツリン酸塩ガラスのガラス転移温度が500℃以下である上記(5)または(6)項に記載のレンズの製造方法、および
(8) 全表面が熔融状態のガラス表面を固化して形成された面であるプリフォームを使用する上記(5)〜(7)項のいずれか1項に記載のレンズの製造方法、
を提供するものである。
本発明によれば、光学機能面を有すると共に、該光学機能面に損傷を与えることのない、固定具に位置決め固定する際の位置決め基準面を有するフツリン酸塩ガラスからなるレンズ、およびその製造方法を提供することができる。
本発明のレンズは、フツリン酸塩ガラスからなるレンズであって、光学機能面と、当該レンズを固定具に位置決め固定する際の位置決め基準面(光軸方向の方向決めも含む)とを有し、前記の光学機能面および位置決め基準面のいずれの面とも、精密プレス成形により成形型の成形面を転写することにより形成されてなる転写面であることを特徴とする。
ここで光学機能面とは、制御対象の光線が通過し得る面、すなわち、光線を屈折させる面のことである。
フツリン酸塩ガラスは光学ガラスの中でも硬度が小さい部類に属する。その上、精密プレス成形に好適なガラスはガラス転移温度が比較的低くなければならない。フツリン酸塩ガラスは精密プレス成形時にガラス表面において成形型成形面との反応が生じやすい。そのため、精密プレス成形時の温度が高いと上記反応により光学機能面に発泡が生じ、生産歩留まりが低下しやすい。
このような問題を解決するため、ガラス転移温度を低くする工夫を行うが、そうするとガラスの硬度がより低下して芯取り時の固定により光学機能面に傷が入りやすくなってしまう。精密プレス成形時の発泡を防止しても、芯取り時に光学機能面を傷つけてしまうとレンズの機能を損なってしまうことになる。
一方、精密プレス成形可能なガラス転移温度が低いフツリン酸塩ガラスは、精密プレス成形可能な温度範囲が比較的広い(プレス成形温度を多少高めに設定しても発泡しない。)ため、ガラスの粘性を低めに設定し、精密プレス成形によって成形型内の空間にガラスを十分押し広げることができる。そのため、光学機能面だけではなく、光学機能面の周囲に存在する非光学機能面も成形型の成形面を転写、成形することにより、精密に成形することができる。本発明においては、この非光学機能面を位置決め基準面に用いる。
上記位置決め基準面は、光学系を構成するための固定具にレンズを位置決め固定するときの基準面である。例えば、複数のレンズの光軸を一直線上に並べる場合、各レンズの位置決め基準面を固定具に当接して固定すればよい。位置決め基準面として、固定具における光軸方向のレンズの位置を決めるための基準面と光軸に対して垂直方向の位置を決めるための基準面を有するレンズが望ましい。このようなレンズを用いればレンズ同士の間隔が正確な距離になるように固定具に固定することもできるし、先に述べた各レンズの光軸が一直線上になるようにレンズを配列、固定することもできる。
このレンズのメリットとしては、光学機能面に加傷のおそれがないこと、光学機能面と位置決め基準面を一度の精密プレス成形で形成することが可能なこと、そのため、レンズの光軸と位置決め基準面の位置、角度を正確に設定することが可能になることなどが挙げられる。
なお、上記レンズとしては、全表面が、精密プレス成形により成形型の成形面を転写、形成された転写面からなるか、または、転写面と自由表面からなるレンズが好ましい。全表面が転写面と自由表面からなるレンズでは、転写面同士が交わる稜や稜同士が交わる角部が自由表面であることが望ましい。このような構成は、レンズを固定具に装着する際、レンズの欠けを防止したり、レンズの稜や角部が固定具を削ることにより生じる発塵を防止することができる。
さらに上記レンズは研削面が存在しない、すなわち、研削傷が存在しないので、機械的強度が高いというメリットもある。
[フツリン酸塩ガラス]
本発明のレンズを構成するフツリン酸塩ガラスとしては、カチオン成分としてLiを含むものや、ガラス転移温度が500℃以下のものを挙げることができる。
フツリン酸塩ガラス中のLi成分の量は1カチオン%以上であることがガラス転移温度を低くする上から望ましい。
次に、前記ガラスの具体例について説明する。
<光学ガラスI>
第1の例(光学ガラスIという。)としては、必須のカチオン成分として、P5+およびAl3+と、Mg2+、Ca2+、Sr2+およびBa2+から選ばれる2価カチオン成分(R2+)を2種以上と、Liとを含み、カチオン%表示にて、P5+ 10〜45%、Al3+ 5〜30%、Mg2+ 0〜20%、Ca2+ 0〜25%、Sr2+
0〜30%、Ba2+ 0〜33%、Li 1〜30%、Na 0〜10%、K
0〜10%、Y3+ 0〜5%、B3+ 0〜15%、を含有するとともに、FとO2−の合計量に対するFの含有量のモル比F/(F+O2−)が0.25〜0.85であり、屈折率(nd)が1.40〜1.58、アッベ数(νd)が67〜90であるフツリン酸塩ガラスを挙げることができる。
光学ガラスIとしては、2価カチオン成分(R2+)としてCa2+、Sr2+およびBa2+のうち2種以上を含むものが好ましい。
また、2価カチオン成分(R2+)であるMg2+、Ca2+、Sr2+およびBa2+の合計含有量が1カチオン%以上であるものが好ましく、Mg2+、Ca2+、Sr2+およびBa2+の含有量がそれぞれ1カチオン%以上であるものがより好ましい。
以下、上記光学ガラスIの組成について詳述するが、各カチオン成分の割合をモル比をベースにしたカチオン%で表示するとともに、各アニオン成分の割合もモル比をベースにしたアニオン%で表示するものとする。
光学ガラスIは、FとO2−の合計量に対するFの含有量のモル比が、好ましくはF/(F+O2−)が0.50〜0.85でアッベ数(νd)が75〜90程度である光学ガラスIaと、モル比F/(F+O2−)が、好ましくは0.25〜0.50未満でアッベ数(νd)が67〜75未満程度である光学ガラスIbとに大別され、これらの光学ガラスIa、Ibを得る上での各カチオン成分の好ましい含有範囲は光学ガラスIaと光学ガラスIbとでは異なる。
5+はガラスのネットワークフォーマーとして重要なカチオン成分であり、10%未満ではガラスの安定性が低下し、45%超ではP5+は酸化物原料で導入する必要があるため酸素比率が大きくなり目標とする光学特性を満たさない。したがって、その量を10〜45%とすることが好ましい。光学ガラスIaを得る場合のP5+の好ましい範囲は10〜40%、より好ましい範囲は10〜35%、さらに好ましい範囲は12〜35%、より一層好ましい範囲は20〜35%、なお一層好ましい範囲は20〜30%である。また、光学ガラスIbを得る場合のP5+の好ましい範囲は25〜45%、より好ましい範囲は25〜40%、さらに好ましい範囲は30〜40%である。なお、P5+の導入にあたっては、PClを使用することは、白金を侵食しまた揮発も激しいため安定な製造の妨げになるため適当でなく、リン酸塩として導入することが好ましい。
Al3+はフツリン酸塩ガラスの安定性を向上させる成分であり、5%未満では安定性が低下し、また30%超ではガラス転移温度(Tg)及び液相温度(LT)が大きく上昇するため、成形温度が上昇し成形時の表面揮発による脈理が強く生じるため均質なガラス成形体、特にプレス成形用プリフォームができなくなる。したがって、その量を5〜30%とすることが好ましい。光学ガラスIaを得る場合のAl3+の好ましい範囲は7〜30%、より好ましい範囲は8〜30%、さらに好ましい範囲は10〜30%、より一層好ましい範囲は15〜25%である。また、光学ガラスIbを得る場合のAl3+の好ましい範囲は5〜20%、より好ましくは5〜12%である。
2価カチオン成分(R2+)であるMg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+の導入は安定性の向上に寄与するが、これらのうち2種以上、より好ましくはCa2+、Sr2+およびBa2+のうち2種以上を導入する。2価カチオン成分(R2+)の導入効果をより高める上から、Mg2+、Ca2+、Sr2+およびBa2+の合計含有量を1カチオン%以上とすることが好ましい。またそれぞれの上限値を超えて導入すると安定性は急激に低下する。Ca2+、Sr2+は比較的多量に導入できるが、Mg2+、Ba2+は多量の導入は特に安定性を低下させる。しかしBa2+は低分散を保ちつつ高屈折率を実現できる成分であるため安定性を損なわない範囲で多く導入するのが好ましい。したがって、Mg2+の量は0〜20%とすることが好ましいが、光学ガラスIaを得る場合は、Mg2+の量を好ましくは1〜20%、より好ましくは3〜17%、さらに好ましくは3〜15%、より一層好ましくは5〜15%、特に好ましくは5〜10%とし、光学ガラスIbを得る場合は、Mg2+の量を好ましくは0〜15%、より好ましくは0〜12%、さらに好ましくは1〜10%とする。
また、Ca2+の量は0〜25%とすることが好ましいが、光学ガラスIaを得る場合は、Ca2+の量を好ましくは1〜25%、より好ましくは3〜24%、さらに好ましくは3〜20%、より一層好ましくは5〜20%、特に好ましくは5〜16%とし、光学ガラスIbを得る場合は、Ca2+の量を好ましくは0〜15%とし、より好ましくは1〜10%とする。
さらに、Sr2+の量は0〜30%とすることが好ましいが、光学ガラスIaを得る場合は、Sr2+の量を好ましくは1〜30%、より好ましくは5〜25%、さらに好ましくは7〜25%、より一層好ましくは8〜23%、なお一層好ましくは9〜22%、特に好ましくは10〜20%とし、光学ガラスIbを得る場合は、Sr2+の量を好ましくは0〜15%、より好ましくは1〜15%、さらに好ましくは1〜10%とする。
Ba2+の量は0〜33%とすることが好ましいが、光学ガラスIaを得る場合は、Ba2+の量を好ましくは0〜30%、より好ましくは0〜25%、さらに好ましくは1〜25%、より一層好ましくは1〜20%、なお一層好ましくは3〜18%、さらに一層好ましくは5〜15%、特に好ましくは8〜15%とし、光学ガラスIbを得る場合は、Ba2+の量を好ましくは0〜30%、より好ましくは10〜30%、さらに好ましくは15〜30%、より一層好ましくは15〜25%とする。
Liは安定性を損なわずにガラス転移温度(Tg)を下げる重要な成分であるが、1%未満ではその効果は十分でなく、30%超ではガラスの耐久性を損ない同時に加工性も低下する。したがって、その量を1〜30%とすることが好ましく、より好ましくは2〜30%、さらに好ましくは3〜30%、より一層好ましくは4〜30%とする。光学ガラスIaを得る場合は、Liの量を好ましくは4〜25%、より好ましくは5〜25%、さらに好ましくは5〜20%とし、光学ガラスIbを得る場合は、Liの量を好ましくは5〜30%、より好ましくは10〜25%とする。
Na、KはそれぞれLiと同様にガラス転移温度(Tg)を低下させる効果があるが、同時に熱膨張率をLiに比べてより大きくする傾向がある。またNaF、KFは水に対する溶解度がLiFに比べて非常に大きいことから耐水性の悪化ももたらすため、Na、Kの量をそれぞれ0〜10%とすることが好ましい。光学ガラスIa、Ibの何れのガラスにおいても、Na、Kの好ましい範囲はともに0〜5%であり、それぞれ導入しないのがより好ましい。
3+はガラスの安定性、耐久性を向上させる効果があるが、5%超では安定性が逆に悪化し、ガラス転移温度(Tg)も大きく上昇するため、その量を0〜5%とすることが好ましい。光学ガラスIaを得る場合は、Y3+の量を好ましくは0〜3%、より好ましくは0.5〜3%とし、光学ガラスIbを得る場合は、Y3+の量を好ましくは0〜4%、より好ましくは0〜3%、さらに好ましくは0.5〜3%とする。
3+はガラス化成分なのでガラスを安定化させる効果があるが、過剰の導入は耐久性の悪化を招きまたB3+の増加に伴い、ガラス中のO2−も増加するため目標とする光学特性を達成しにくくなることから、その量を0〜15%とすることが好ましい。ただし、BFとして溶解中に揮発しやすく、脈理の原因となるため、光学ガラスIa、Ibの何れのガラスにおいても、その量を0〜10%とすることが好ましく、0〜5%とすることがより好ましい。ガラスの揮発性低減を優先する場合は、0〜0.5%とすることが好ましく、導入しないことがより好ましい。
なお、高品質な光学ガラスを安定して製造する上から、光学ガラスIa、Ibの何れのガラスにおいても、P5+、Al3+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、LiおよびY3+の合計量をカチオン%で95%超とすることが好ましく、98%超とすることがより好ましく、99%超とすることがさらに好ましく、100%とすることがより一層好ましい。
光学ガラスIは、上記したカチオン成分以外にTi、Zr、Zn、La、Gdなどのラ
ンタノイドなどをカチオン成分として所要の特性を損なわない範囲で含有することができる。
また、Si4+をガラスを安定化させる目的で導入することができるが、熔解温度が低いために過剰に導入すると熔け残りを生じさせたり、熔解時に揮発が多くなり製造安定性を損なうことになる。したがって、光学ガラスIa、Ibの何れのガラスにおいても、Si4+の量を0〜10%とすることが好ましく、0〜8%とすることがより好ましく、0〜5%とすることがさらに好ましい。
アニオン成分の割合としては、所望の光学特性を実現しつつ、優れた安定性を有する光学ガラスを得るために、FとO2−の合計量に対するFの含有量のモル比F/(F+O2−)を0.25〜0.85とすることが好ましいが、光学ガラスIaにおいては0.50〜0.85とすることが好ましく、光学ガラスIbにおいては0.25〜0.50未満とすることが好ましく、より好ましくは0.27〜0.45、さらに好ましくは0.3〜0.45とする。また、光学ガラスIa、Ibのいずれにおいても、アニオン中におけるFとO2−の合計量を100%にすることが好ましい。
光学ガラスIは、その屈折率(nd)が1.40〜1.58程度であり、アッベ数(νd)が67〜90程度、好ましくは70〜90である。また、光学ガラスIaにおいては、上記アッベ数(νd)が75〜90程度、好ましくは78〜89であり、光学ガラスIbにおいては、上記アッベ数(νd)が67〜75未満程度である。
光学ガラスIは、着色剤を添加する場合を除いて、可視光域において高い透過率を示す。光学ガラスIは、両面が平坦かつ互いに平行な厚さ10mmの試料に、前記両面に対して垂直方向から光を入射したときの波長400nm〜2000nmにおける透過率(試料表面における反射損失を除く)が、通常80%以上、好ましくは95%以上の光透過率特性を示す。
光学ガラスIは、Liを所定量含むため、そのガラス転移温度(Tg)は、通常470℃以下、好ましくは430℃以下となる。
また、光学ガラスIは、アルカリ金属イオンのうちLiを積極的に含有させたため、熱膨張率が比較的小さく、また比較的優れた耐水性を示す。この性質は、ガラスを研磨して精密プレス成形用プリフォームを作製する際、ガラス表面を滑らかで高品質に仕上げる上で好都合である。
光学ガラスIは優れた耐水性、化学的耐久性を示すので、表面が変質しにくく、長期にわたり表面が曇らないレンズを得ることができる。
光学ガラスIによれば、ガラス熔解温度を、光学ガラスIと同等の光学恒数を有しLiを含まないガラスに比べて50℃程度低下することができるので、熔解時の容器からの白金溶け込みによるガラスの着色、泡の混入、脈理といった不具合も低減、解消することができる。
フツリン酸塩ガラスは一般的に流出時の粘度が高く、流出する熔融ガラスから所望質量の熔融ガラス塊を分離して成形する際、分離部分でガラスが細い糸を引き、その糸状部分が成形したガラス塊表面に残って突起を形成するなどの不具合が生じる。流出粘度を低下させてこのような不具合を解消しようとするとガラスの流出温度を上昇させなければならず、前述のようにガラス表面からフッ素の揮発を助長し、脈理が著しくなるという問題が生じる。
光学ガラスIはこのような問題を解消するため、熔融ガラスの成形に適した温度を低下させるため、所定の粘度を示す温度が、従来のフツリン酸塩ガラスよりも低くなるようにガラス組成を決定している。ガラス転移温度は熔融ガラスの成形温度よりも遥かに低い温度ではあるが、ガラス転移温度が低いガラスは上記成形温度も低くできるので、成形時の糸引き、脈理などの問題を低減、解消するには、ガラス転移温度が上記範囲になるようにガラス組成を調整する。
また、ガラス転移温度を低くすることにより、プリフォームのプレス成形、特に精密プレス成形におけるガラスの加熱温度を低下させることができ、ガラスとプレス成形型との反応が緩和されたり、プレス成形型の寿命を延ばすことができるなどの効果を得ることもできる。
したがって、光学ガラスIは、プレス成形用のガラス素材、特に精密プレス成形用のガラス素材として好適である。
なお、光学ガラスIは、リン酸塩原料、フッ化物原料などを使用し、これら原料を秤量、調合して白金合金製の熔融容器に供給し、加熱、熔融し、清澄、均質化し、パイプから流出、成形して得ることができる。
<光学ガラスII>
次に、第2の例(光学ガラスIIという。)について説明する。
光学ガラスIIとしては、フツリン酸塩ガラスであって、30dPa・sの粘度を示す温度が700℃以下のガラスを挙げることができる。
光学ガラスIIにおいても、1〜30カチオン%のLiを含むガラスが好ましく、2〜30カチオン%のLiを含むガラスがより好ましく、3〜30カチオン%のLiを含むガラスがさらに好ましく、4〜30カチオン%のLiを含むガラスがより一層好ましい。
光学ガラスIIも、2価カチオン成分(R2+)であるMg2+、Ca2+、Sr2+およびBa2+の一種または二種以上を含むことが望ましく、Mg2+、Ca2+、Sr2+およびBa2+の合計含有量が1カチオン%以上であるものが好ましく、Mg2+、Ca2+、Sr2+およびBa2+の含有量がそれぞれ1カチオン%以上であるものがより好ましい。さらに、Mg2+、Ca2+、Sr2+およびBa2+の二種以上を含むことがより望ましい。具体的にはMg2+とCa2+を含むガラス、Sr2+とBa2+を含むガラス、Ca2+とSr2+を含むガラス、Mg2+とBa2+を含むガラス、Mg2+とSr2+を含むガラス、Ca2+とBa2+を含むガラス、Mg2+、Ca2+およびSr2+を含むガラス、Mg2+、Ca2+およびBa2+を含むガラス、Mg2+、Sr2+およびBa2+を含むガラス、Ca2+、Sr2+およびBa2+を含むガラス、Mg2+、Ca2+、Sr2+およびBa2+を含むガラスが好ましい。
上記の各ガラスでは、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+のいずれを含む場合でも各2価カチオン成分の含有量を0.5カチオン%以上とすることが好ましく、1カチオン%以上とすることがより好ましい。このような組成によりガラスの安定性を高めることができる。
光学ガラスIIの好ましいガラス組成および光学恒数は、光学ガラスIのガラス組成および光学恒数と共通する。したがって、光学ガラスIIにおける好適なガラス成分の種類、そ
の含有量、光学恒数、その他の特性も、上述した光学ガラスIのガラス成分の種類、その含有量、光学恒数、その他の特性と共通する。なお、光学ガラスIIは、光学ガラスIの各ガラス成分の種類およびその含有量に関する要件を必ずしも全て満たさなくてもよいが、光学ガラスIを構成するガラス成分の種類およびその含有量に関するいずれかの要件を満たすことが好ましく、すべての要件を満たすことがより好ましい。
光学ガラスIIによれば、熔融ガラスの成形時の糸引き、脈理などの問題が解消される。
上記成形時の糸引きは、プリフォーム成形温度(流出直後のガラスの温度)を高くしてガラスの粘度を低下すれば解消できる。一方、成形時の脈理を低減、防止するには、プリフォーム成形温度を低くしたほうがよい。従来のフツリン酸塩ガラスでは、これら2つの要求を満たすことが困難であった。しかし、本発明者等は、糸引きを防止できるプリフォーム成形温度(流出直後のガラスの温度)の下限が、30dPa・sの粘度を示す温度に相当することを見出し、上記粘度を示す温度が700℃以下の光学ガラスを提供することにより、糸引きを防止しつつ、脈理発生を低減し防止することを可能とした。
なお、光学ガラスIにおいても30dPa・sの粘度を示す温度が700℃以下のガラスが好ましく、光学ガラスI、IIともに、30dPa・sの粘度を示す温度が680℃以下であるガラスがより好ましい。
[精密プレス成形用プリフォームとその製造方法]
本発明で用いる精密プレス成形用プリフォームの第1の態様(プリフォームIという。)は、上述した光学ガラスからなるプリフォームである。
ここで精密プレス成形用プリフォームとは、プレス成形品の質量と等しい質量のガラスを、精密プレス成形に適した形状に予め成形したものである。
例えばレンズなどのように回転対称軸を一つ有し、この対称軸のまわりの任意の回転角に対して対称なプレス成形品を作製する場合は、プリフォームの形状も回転対称軸を一つ有し、この対称軸のまわりの任意の回転角に対して対称なもの、あるいは球状とすることが好ましい。また、精密プレス成形の際にプレス成形型の成形面とプリフォーム表面の間に雰囲気ガスが閉じ込められた状態でプレス成形が行われ、プレス成形品の形状精度が低下しないように、プリフォーム表面の曲率をプレス成形型の成形面の曲率を考慮して決めることが望ましい。この精密プレス成形用プリフォームを使用する際は、精密プレス成形時にガラスがプレス成形型内に十分広がるようにするための機能を有する公知の各種膜や離型性を高めるための公知の各種膜をプリフォーム全表面に形成してもよい。
また、本発明で用いる精密プレス成形用プリフォームの第2の態様(プリフォームIIという。)は、ガラス転移温度が450℃以下のフツリン酸塩光学ガラスからなるプリフォームである。本発明で用いるプリフォームIIにおいて、ガラス転移温度は440℃以下であることが好ましく、430℃以下であることがより好ましく、420℃以下であることがさらに好ましく、410℃以下であることがより一層好ましく、400℃以下であることがなお一層好ましい。
フツリン酸塩ガラスは全般的にガラス転移温度が低いガラスであるが、その中にあってもプリフォームIIを構成するフツリン酸塩ガラスは、特にガラス転移温度が低いガラスである。これまで、フツリン酸塩ガラスは全般的にガラス転移温度が低いガラスであるため、精密プレス成形には特に支障がないガラスと考えられていたが、精密プレス成形によりレンズを高い歩留まりで生産することは困難であった。何故ならば、一般的なフツリン酸塩ガラスのガラス転移温度は、460℃を超え600℃以下であるが、このようなフツリン酸塩ガラスは精密プレス成形に適した温度範囲が狭く、そのため、精密プレス成形時の
ガラスの温度が僅かに低くなるとガラスが割れてしまい、反対に僅かに温度が高くなるとガラスが発泡して高品質のレンズを得ることができなくなってしまうからである。
これに対し、当該プリフォームIIによれば、ガラス転移温度が450℃以下に抑えられているため、精密プレス成形時の温度設定範囲を広くとることができ、割れや発泡のないレンズを安定して生産することができる。
さらに、ガラス転移温度をより低温にすることにより、精密プレス成形後のアニールの温度を低く抑えることができる。アニール時の最適温度はガラス転移温度に対して-10〜-50℃の範囲で行うため、ガラス転移温度に連動して変わる。アニール温度が高い場合、精密プレス成形品の表面に存在するフッ素の一部が雰囲気中の酸素と置換して、レンズ表面の屈折率が僅かながら増加するが、この現象はアニール温度の高低によって左右されることになる。レンズに反射防止膜などの光学多層膜を形成する場合、ガラスの光学特性に合わせて光学多層膜を最適に設計しても上記表面層の屈折率変化によって実際の光学多層膜のコーティングは最適なものからずれてしまう。
しかし、当該プリフォームIIを使用することにより、アニール温度を低下することができ、上記フッ素と酸素の置換を抑制し、レンズ表面の屈折率が変化しないようにできるので、ガラスの光学特性を基に光学多層膜の設計を最適なものとすることができる。さらにプリフォームIIを使用することにより精密プレス成形時の温度を低下することができるから、精密プレス成形前のプリフォームの昇温、精密プレス成形後のガラス成形品の降温に要する時間を短縮化でき、生産性を向上することもできる。当該プリフォームIIにおいて、ガラス転移温度を450℃以下に抑えるには、ガラス成分としてLiカチオンを導入することが好ましく、その導入量を1〜30カチオン%とすることがより好ましい。また、FとO2−の合計量に対するFの含有量のモル比F/(F+O2−)が0.25〜0.85となるようにアニオン成分の配分を決めることが望ましい。また、当該プリフォームIIを構成するフツリン酸塩光学ガラスは、上記光学ガラスIの構成成分に関するいずれかの要件を有するものが好ましく、すべての要件を有するものがより好ましい。
プリフォームIIは、プリフォームIの構成を有するもの、すなわち上記光学ガラスからなるものであることが好ましい。
また、プリフォームI、IIの全表面は、熔融状態のガラスを固化して形成された面であることが好ましい。
プリフォームI、IIを、厚さ10mmに換算して波長370〜700nmの全域で外部透過率が80%以上となる透過率特性を有するフツリン酸塩ガラスにより構成することにより、無色透明なレンズを精密プレス成形により製造することができる。
次に本発明で用いる精密プレス成形用プリフォームの製造方法について説明する。
本発明で用いるプレス成形用プリフォームの製造方法の第1の態様(プリフォームの製法Iという。)においては、パイプから熔融ガラスを流出して、所望質量の熔融ガラス塊を分離し、該ガラス塊をガラスが冷却する過程で上述の光学ガラスからなるプリフォームに成形する。
熔融ガラスは通電加熱方式あるいは高周波誘導加熱方式、またはこれら2つの加熱方式を組合わせた加熱法により、所定温度に加熱した白金合金製あるいは白金製のパイプから一定流量で連続して流出させる。流出した熔融ガラスからプリフォーム1個分の質量、あるいはプリフォーム1個分の質量に後述する除去分の質量を加えた質量の熔融ガラス塊を
分離する。熔融ガラス塊の分離にあたっては、切断痕が残らないように、切断刃の使用を避けることが望ましく、例えば、パイプの流出口から熔融ガラスを滴下させたり、流出する熔融ガラス流先端を支持体により支持し、目的質量の熔融ガラス塊が分離できるタイミングで支持体を急降下して熔融ガラスの表面張力を利用して熔融ガラス流先端から熔融ガラス塊を分離する方法を用いることが好ましい。
なお、30dPa・sの粘度を示す温度が700℃以下のガラスでは、ガラスの流出温度を700℃以下にしても上記熔融ガラス塊の分離において、糸引き現象は見られない。
分離した熔融ガラス塊は、プリフォーム成形型の凹部上においてガラスが冷却する過程で所望形状に成形する。その際、プリフォーム表面にシワができたり、カン割れと呼ばれるガラスの冷却過程における破損を防止するため、凹部上でガラス塊に上向きの風圧を加え浮上させた状態で成形することが好ましい。
プリフォームに外力を加えても変形しない温度域にまでガラスの温度が低下してから、プリフォームをプリフォーム成形型から取り出して、徐冷する。
なお、ガラス表面からのフッ素の揮発を低減するため、ガラス流出、プリフォーム成形を乾燥雰囲気中(露点が-50℃以下の乾燥雰囲気)で行うことが好ましい。
上述した光学ガラスは脈理が生じにくいが、プリフォーム表面にわずかに脈理が生じる場合、脈理はプリフォーム表面層に局在しているので、エッチングや研磨加工により上記表面層を除去し、脈理のない光学的に高度に均質なプリフォームに仕上げることもできる。
上記エッチングを行う場合、酸またはアルカリのエッチング液にプリフォームを浸漬したり、プリフォーム表面に満遍なくエッチング液をかけてプリフォーム全表面の表面層を除去する。エッチングの後、プリフォームを洗浄、乾燥させる。
研磨加工により表面層を除去する場合もプリフォーム全表面にわたり表面層を除去することが望ましい。研磨加工は球状のプリフォームあるいは平坦な面を有するプリフォームに好適であり、エッチングは形状によらず様々な形状に対応することができる。
エッチング、研磨いずれの場合も、除去するガラス質量を目的とするプリフォーム質量に加えた質量の熔融ガラス塊を分離し、表面層の除去後に目的質量になるようにすることが望ましい。
本発明で用いる精密プレス成形用プリフォームの製造方法の第2の態様(プリフォームの製法IIという。)においては、熔融ガラスを成形してガラス成形体を作製し、該ガラス成形体を機械加工して上述の光学ガラスからなるプリフォームを製造する。
プリフォームの製法Iにおいてプリフォームの全表面を研磨加工によって除去する方法も、ガラス成形体を機械加工するプリフォームの製法IIに相当する。ここでは、プリフォームの製法Iで説明した以外の方法について説明する。
まず、熔融ガラスを連続してパイプから流出し、パイプ下方に配置した鋳型に流し込む。鋳型には、平坦な底部と底部を三方から囲む側壁を備え、一方の側面が開口したものを使用する。開口側面および底部を両側から挟む側壁部は互いに平行に対向し、底面の中央がパイプの鉛直下方に位置するように、また底面が水平になるように鋳型を配置、固定して鋳型内に流し込まれる熔融ガラスを側壁で囲まれた領域内に均一な厚みになるように広
げ、冷却後に鋳型側面の開口部から一定の速度で水平方向にガラスを引き出す。引き出したガラス成形体はアニール炉内へと送られ、アニールされる。このようにして一定の幅と厚みを有する上述の光学ガラスからなる板状ガラス成形体を得る。
次に、板状ガラス成形体を切断あるいは割断してカットピースと呼ばれる複数のガラス片に分割し、これらガラス片を研削、研磨して目的質量のプレス成形用プリフォームに仕上げる。
また別の方法としては、円柱状の貫通孔を有する鋳型を貫通孔の中心軸が鉛直方向を向くようにパイプの鉛直下方に配置、固定する。このとき、貫通孔の中心軸がパイプの鉛直下方に位置するよう鋳型を配置することが好ましい。そして、パイプから鋳型貫通孔内に熔融ガラスを一定流量にて流し込んで貫通孔内にガラスを充填し、固化したガラスを貫通孔の下端開口部から一定速度で鉛直下方に引き出し、徐冷して、円柱棒状のガラス成形体を得る。このようにして得られたガラス成形体をアニールした後、円柱棒状の中心軸に対して垂直な方向から切断あるいは割断して複数のガラス片を得る。次にガラス片を研削、研磨して所望質量のプレス成形用プリフォームに仕上げる。
プリフォームの製法I、IIとも高品質かつ質量精度の高いプリフォームを作製することができるので、精密プレス成形用のプリフォームを製造する方法として好適である。
[レンズとその製造方法]
本発明のレンズは、上述のフツリン酸塩ガラスからなり、上記精密プレス成形により成形型の成形面を転写することにより、光学機能面と、当該レンズを固定具に位置決め固定する際の位置決め基準面とを有するレンズである。
このように精密プレス成形により、光学機能面と共に、位置決め基準面を形成することにより、光学機能面を押さえてレンズを加工する必要がないので、精密プレス成形可能なフツリン酸塩ガラス製のレンズであっても、光学機能面への加傷を防ぐことができる。
本発明のレンズとしては、非球面レンズに限らず、球面レンズも含まれる。また、形状による分類では、凸メニスカスレンズ、両凸レンズ、平凸レンズ、凹メニスカスレンズ、両凹レンズ、平凹レンズといった形状のレンズを含む。
また光学機能面に回折によって光線を制御する微細パターンが設けられたレンズも本発明に含まれる。
用途の面からは撮像光学系を構成するレンズ、例えば、デジタルスチルカメラ用のレンズ、デジタルビデオカメラ用レンズ、一眼レフカメラの交換レンズなどや、携帯電話等のモバイル機器搭載カメラの撮像レンズ、車載カメラ用レンズ、光記録媒体のピックアップレンズ、コリメータレンズ、光通信用レンズなどを例示することができる。
携帯電話等のモバイル機器搭載レンズやピックアップレンズ、光通信用レンズは小型であるため芯取りが難しいという問題があるが、本発明のレンズによれば精密プレス成形で位置決め基準面も得られるため、上記小型レンズでも高精度に固定具に固定することができる。
レンズの光学機能面には反射防止膜などの光学多層膜や単層膜を形成してもよい。
次に、本発明のレンズの製造方法について説明する。
本発明のレンズの製造方法は、フツリン酸塩ガラスからなるレンズの製造方法において、前記ガラスからなるプリフォームを加熱、軟化し、成形型を用いて精密プレス成形することにより、該成形型の成形面を転写して、光学機能面と、該レンズを固定具に位置決め
固定する際の位置決め基準面を形成することを特徴とする。
精密プレス成形法自体は公知の技術であるので説明を省略する。上記方法により前述の本発明のレンズを製造することができる。この方法のメリットは先に述べた本発明のレンズのメリットと同様である。
また、使用するフツリン酸塩ガラス、製造対象として好適なレンズについても前述と同様である。
次に、代表的な形状の芯取りレスレンズとしては、図1(a)〜(d)に示すものを挙げることができる。
図1において、符号11、12はレンズ面、13a、13b、14は位置決め基準面である。
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。
ガラスの原料として、各ガラス成分に相当するリン酸塩、フッ化物などを使用し、表1−1、表1−2に示す組成を有するガラスとなるように前記原料を秤量し、十分混合した後、白金坩堝に投入して電気炉で850〜950℃の温度範囲で攪拌しながら大気中で1〜3時間かけて加熱熔解した。均質化、清澄されたガラス融液を40×70×15mmのカーボン製金型に鋳込んだ。鋳込んだガラスを転移温度まで放冷してから直ちにアニール炉に入れ、転移温度付近で1時間アニールし、アニール炉内で室温まで徐冷して、表1−1、表1−2に示す各光学ガラスを得た。
得られた各ガラスを顕微鏡によって拡大観察したところ、結晶の析出や原料の熔け残りは認められなかった。
得られた光学ガラスについて、屈折率(nd)、アッべ数(νd)、ガラス転移温度(Tg)、30dPa・sの粘度を示す温度を、以下のようにして測定した結果を表1−1、表1−2に示す。
(1)屈折率(nd)及びアッべ数(νd)
徐冷降温速度を-30℃/時にして得られた光学ガラスについて測定した。
(2)ガラス転移温度(Tg)
理学電機株式会社の熱機械分析装置(サーモ プラス TMA 8310)により昇温速度を4℃/分にして測定した。
(3)30dPa・sの粘度を示す温度
その測定方法は以下のとおりである。
JIS規格Z8803の粘度測定方法により、共軸二重回転円筒型回転粘度計(東京工業株式会社製、高温粘度測定装置RHEOTRONICII(改良型))を用いて測定した。30dPa・sの粘度を示す温度を求めるにあたり、ガラスの温度を変えて、それぞれの温度での粘度を測定し、粘度と温度の関係を示すグラフを作成し、このグラフを用いて、30dPa・sの粘度を示す温度を読み取る方法が簡便である。
Figure 0004471961
Figure 0004471961
表1−1、表1−2に示すように、いずれの光学ガラスも、所望の屈折率、アッベ数、
ガラス転移温度を有し、優れた低温軟化性、熔解性を示し、精密プレス成形用の光学ガラスとして好適なものであった。
次に表1−1、表1−2に示される各組成を有する、清澄、均質化した各熔融ガラスを、ガラスが失透することなく、安定した流出が可能な温度域に温度調整された白金合金製のパイプから一定の流量で流出させ、滴下又は支持体を用いて熔融ガラス流先端を支持した後、支持体を急降下してガラス塊を分離する方法にて目的とするプリフォームの質量の熔融ガラス塊を分離した。次いで、得られた各熔融ガラス塊をガス噴出口を底部に有する受け型に受け、ガス噴出口からガスを噴出してガラス塊を浮上しながら成形し、プレス成形用プリフォームを作製した。プリフォームの形状は、熔融ガラスの分離間隔を調整、設定することにより、球状や扁平球状とした。得られた各プリフォームの質量は設定値に精密に一致しており、いずれも表面が滑らかなものであった。
また別の方法として、成形した球状のプリフォームの全表面を公知の方法で研磨加工し、全表面層を除去して光学的に均質なプリフォームを得た。
また、別途、熔融ガラスを鋳型に鋳込んで板状ガラスや円柱棒状に成形し、アニールした後、これを切断して得たガラス片の表面を研削、研磨して、全表面が滑らかなプリフォームを得た。
上記のようにして得たプリフォームの質量が目的とするレンズの設定質量と正確に一致するかどうか検査し、正確に一致するもののみを精密プレス成形工程に使用する。
精密プレス成形では、まずプリフォームを、上型、下型および胴型からなるプレス成形型の下型と上型の間に設置した後、窒素雰囲気中でプレス成形型と一緒に加熱した。プレス成形型内部の温度を、成形されるガラスが10〜1010dPa・sの粘度を示す温度に設定し、同温度を維持しつつ、上型を降下させて成形型内にセットしたプリフォームをプレスした。プレスの圧力は8MPa、プレス時間は30秒とした。プレスの後、プレスの圧力を解除し、プレス成形されたガラス成形品を下型及び上型と接触させたままの状態で前記ガラスの粘度が1012dPa・s以上になる温度まで徐冷し、次いで室温まで急冷してガラス成形品を成形型から取り出し非球面レンズを得た。このとき、ガラスがプレス成形型を構成する型材間にはみ出さないようにプレスストロークを制御した。
こうして得た非球面レンズは、極めて高い面精度を有するものであり、外周面およびレンズ面の外縁面をレンズの位置決め基準面として使用できるものであった。
精密プレス成形により得られた非球面レンズには、必要に応じて反射防止膜を設けた。
本発明のレンズは、精密プレス成形により成形型の成形面を転写することにより形成されてなる、光学機能面と位置決め基準面とを有するフツリン酸塩ガラスからなるレンズであって、光学機能面を押さえてレンズを加工する必要がないので、光学機能面への加傷を防ぐことができる。
代表的な形状の芯取りレスレンズの断面図である。
符号の説明
11、12 レンズ面
13a、13b、14 位置決め基準面

Claims (16)

  1. フツリン酸塩ガラスからなるレンズであって、光学機能面と、当該レンズを固定具に位置決め固定する際の位置決め基準面(光軸方向の方向決めと光軸方向の該レンズの位置決めも含む)とを有し、前記の光学機能面および位置決め基準面のいずれの面とも、精密プレス成形により成形型の成形面を転写することにより形成されてなる転写面であること、前記フツリン酸塩ガラスが、カチオン%表示にて、P5+10〜45%、Al3+ 5〜30%、Mg2+ 0〜20%、Ca2+ 0〜25%、Sr2+0〜30%、Ba2+0〜33%(ただし、Mg2+、Ca2+、Sr2+およびBa2+から選ばれる2価カチオン成分(R2+)を2種以上を含む。)、Li1〜30%、Na 0〜10%、K0〜10%、Y3+ 0〜5%、B3+0〜15%、を含有するとともに、FとO2−の合計量に対するFの含有量のモル比F/(F+O2−)が0.25〜0.85であり、屈折率(nd)が1.40〜1.58、アッベ数(νd)が67〜90、ガラス転移温度(Tg)が430℃以下であることを特徴とするレンズ。
  2. フツリン酸塩ガラスからなるレンズであって、光学機能面と、当該レンズを固定具に位置決め固定する際の位置決め基準面(光軸方向の方向決めと光軸方向の該レンズの位置決めも含む)とを有し、前記の光学機能面および位置決め基準面のいずれの面とも、精密プレス成形により成形型の成形面を転写することにより形成されてなる転写面であること、前記フツリン酸塩ガラスが、カチオン%表示にて、P5+10〜45%、Al3+ 5〜30%、Mg2+ 0〜20%、Ca2+ 0〜25%、Sr2+0〜30%、Ba2+0〜33%(ただし、Mg2+、Ca2+、Sr2+およびBa2+から選ばれる2価カチオン成分(R2+)を2種以上を含む。)、Li1〜30%、Na 0〜10%、K0〜10%、Y3+ 0〜5%、B3+0〜15%、を含有するとともに、FとO2−の合計量に対するFの含有量のモル比F/(F+O2−)が0.25〜0.85であり、屈折率(nd)が1.40〜1.58、アッベ数(νd)が67〜90、30dPa・sの粘度を示す温度が700℃以下であることを特徴とするレンズ。
  3. 前記フツリン酸塩ガラスのガラス転移温度(Tg)が430℃以下である請求項2に記載のレンズ。
  4. 前記フツリン酸塩ガラスが、FとO2−の合計量に対するFの含有量のモル比F/(F+O2−)が0.50〜0.85、アッベ数(νd)が75〜90である請求項1〜3のいずれか1項に記載のレンズ。
  5. 前記フツリン酸塩ガラスがLiを8〜30カチオン%含む請求項4に記載のレンズ。
  6. 前記フツリン酸塩ガラスが、FとO2−の合計量に対するFの含有量のモル比F/(F+O2−)が0.25以上0.50未満、アッベ数(νd)が67以上75未満である請求項1〜3のいずれか1項に記載のレンズ。
  7. 前記フツリン酸塩ガラスがLiを10〜25カチオン%含む請求項6に記載のレンズ。
  8. 前記フツリン酸塩ガラスが、30dPa・sの粘度を示す温度が700℃以下であるガラスである請求項1、4〜のいずれか1項に記載のレンズ。
  9. 光軸に対して垂直方向の位置を決めるための基準面を有する請求項1〜のいずれか1項に記載のレンズ。
  10. 全表面が、精密プレス成形により成形型の成形面を転写することにより形成された転写面からなるか、または、前記転写面と自由表面からなる請求項1〜のいずれか1項に記載のレンズ。
  11. フツリン酸塩ガラスからなるレンズの製造方法において、前記ガラスからなるプリフォームを加熱、軟化し、成形型を用いて精密プレス成形することにより、該成形型の成形面を転写して、光学機能面および当該レンズを固定具に位置決め固定する際の位置決め基準面を形成し、請求項1〜10のいずれか1項に記載のレンズを作製することを特徴とするレンズの製造方法。
  12. 全表面が熔融状態のガラス表面を固化して形成された面であるプリフォームを使用する請求項11に記載のレンズの製造方法。
  13. 30dPa・sの粘度を示す温度が700℃以下となるフツリン酸ガラスを用いて、パイプから熔融ガラスを流出し、所望質量の熔融ガラス塊を分離し、該ガラス塊をガラスが冷却する過程でプリフォームに成形し、該プリフォームを加熱、軟化し、精密プレス成形する請求項11または12に記載のレンズの製造方法。
  14. フツリン酸塩ガラスからなるレンズの製造方法において、30dPa・sの粘度を示す温度が700℃以下となり、かつガラス転移温度(Tg)が450℃以下であるフツリン酸ガラスを用いて、パイプから熔融ガラスを流出し、所望質量の熔融ガラス塊を分離し、該ガラス塊をガラスが冷却する過程でプリフォームに成形し、前記プリフォームを加熱、軟化し、成形型を用いて精密プレス成形することにより、該成形型の成形面を転写して、光学機能面および当該レンズを固定具に位置決め固定する際の位置決め基準面(光軸方向の方向決めと光軸方向の該レンズの位置決めも含む)を形成し、請求項1〜10のいずれか1項に記載のレンズを作製することを特徴とするレンズの製造方法。
  15. 前記フツリン酸ガラスがカチオン成分として1〜30カチオン%のLi を含む請求項14に記載のレンズの製造方法。
  16. 光軸に対して垂直方向の位置を決めるための基準面を有するレンズを精密プレス成形する請求項14または15に記載のレンズの製造方法。
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