JP4744795B2 - 精密プレス成形用プリフォームおよびその製造方法並びに光学素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
レンズ機能も光学素子を非球面レンズとすれば球面レンズのみを使用する光学系よりもより少ない部品点数で良好な光学性能を得ることができる。
しかし、これまでの近赤外線吸収ガラスは、CCD撮像素子に要求されている400nm付近での高い透過率を得るために、砒素を導入したり、多量のP2O5を導入したり、フッ素を導入したりしていたため、精密プレス成形用ガラスとしては不適当であった。
また、多量のP2O5を含むガラスは耐候性に劣るなどの問題を有している。したがって、このようなガラスで精密プレス成形用プリフォームを作り、プリフォームを保管しておくと表面状態が悪化し、光学素子を精密プレス成形するための素材としては不適当なものとなってしまう。
(1)モル%表示で、P2O5 25〜45%、CuO 0.5〜10%、B2O3 0〜10%、Al2O3 0〜10%、Li2O 2〜30%、Na2O 0〜25%、K2O 0〜15%(ただし、Li2O、Na2OおよびK2Oの合計量が3〜40%)、BaO 3〜45%、ZnO 0%超〜30%、MgO 0〜20%、CaO 0〜20%、SrO 0〜20%、Bi2O3 0〜10%、La2O3 0〜5%、Gd2O3 0〜5%、Y2O3 0〜5%を含み、上記成分の合計量が98%以上であり、PbO、As 2 O 3 を含まず、ZnO含有量に対するBaO含有量のモル比率(BaO/ZnO)が1より大きく、ガラス転移温度が381℃以下、液相温度が900℃以下、厚さ1mmにおいて波長400nmにおける外部透過率が80%以上、波長1200nmにおける外部透過率が10.4%以下であるガラスからなることを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム、
(2)厚さ1mmにおいて波長400nmにおける外部透過率が80〜90%、波長700nmにおける外部透過率が0.1〜18%、波長1200nmにおける外部透過率が1〜10.4%、波長400〜600nmにおいて外部透過率が極大になる透過率特性を備えたガラスからなる上記(1)に記載の精密プレス成形用プリフォーム、
(3)熔融ガラスから一定質量の熔融ガラス塊を分離、成形し、上記(1)または(2)に記載の精密プレス成形用プリフォームを作製す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、
(4)上記(1)または(2)に記載の精密プレス成形用プリフォームを精密プレス成形して作製してなる光学素子、
(5)上記(3)項に記載の方法により作製された精密プレス成形用プリフォームを精密プレス成形して作製してなる光学素子、
(6)精密プレス成形品であって、モル%表示で、P2O5 25〜45%、CuO 0.5〜10%、B2O3 0〜10%、Al2O3 0〜10%、Li2O 2〜30%、Na2O 0〜25%、K2O 0〜15%(ただし、Li2O、Na2OおよびK2Oの合計量が3〜40%)、BaO 3〜45%、ZnO 0%超〜30%、MgO 0〜20%、CaO 0〜20%、SrO 0〜20%、Bi2O3 0〜10%、La2O3 0〜5%、Gd2O3 0〜5%、Y2O3 0〜5%を含み、上記成分の合計量が98%以上であり、PbO、As 2 O 3 を含まず、ZnO含有量に対するBaO含有量のモル比率(BaO/ZnO)が1より大きく、ガラス転移温度が381℃以下、液相温度が900℃以下、厚さ1mmにおいて波長400nmにおける外部透過率が80%以上、波長1200nmにおける外部透過率が10.4%以下であるガラスからなることを特徴とする光学素子、
(7)非球面レンズ、球面レンズ、レンズアレイ、ローパスフィルター、回折格子のいずれかの光学素子であって、近赤外線吸収機能を有する上記(4)〜(6)項のいずれか1項に記載の光学素子、
(8)上記(1)または(2)に記載の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型により精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法、
(9)上記(3)項に記載の方法により作製された精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型により精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法、
(10)プレス成形型に精密プレス成形用プリフォームを導入し、前記プレス成形型と精密プレス成形用プリフォームをともに加熱して精密プレス成形を行う上記(8)または(9)項に記載の光学素子の製造方法、および
(11)プレス成形型に予熱された精密プレス成形用プリフォームを導入し、精密プレス成形を行う上記(8)または(9)項に記載の光学素子の製造方法、
を提供するものである。
また、本発明によれば、前記プリフォームより精密プレス成形して得られる光学素子、ならびにその光学素子の製造方法を提供することができる。
したがって、近赤外線吸収特性などを有する非球面レンズ、球面レンズ、レンズアレイなどの各種光学素子が得られるので、固体撮像素子の光学系をより少ない部品点数で構成することができ、撮像機器の小型軽量化に有効である。また精密プレス成形によって上記光学素子を製造することができるので、非球面レンズ、レンズアレイ、ローパスフィルター付きレンズ、マイクロレンズなど機械加工では手間とコストがかかる光学素子を容易にかつ低コストで製造することも可能になる。
[精密プレス成形用プリフォームおよびその製造方法]
本発明の精密プレス成形用プリフォームには、プリフォームIとプリフォームIIの2つの態様がある。
(プリフォームI)
本発明の第1の精密プレス成形用プリフォーム(プリフォームI)は、モル%表示で、P2O5 25〜45%、CuO 0.5〜10%、B2O3 0〜10%、Al2O3 0〜10%、Li2O 2〜30%、Na2O 0〜25%、K2O 0〜15%(ただし、Li2O、Na2OおよびK2Oの合計量が3〜40%)、BaO 3〜45%、ZnO 0〜30%、MgO 0〜20%、CaO 0〜20%、SrO 0〜20%、Bi2O3 0〜10%、La2O3 0〜5%、Gd2O3 0〜5%、Y2O3 0〜5%を含み、上記成分の合計量が98%以上であるガラスからなることを特徴とする。
上記組成範囲設定の理由は次のとおりである。
P2O5はガラスの網目構造を構成する主成分であり、安定した操業とガラス形成に必須な成分である。その含有量が25%未満では、ガラスの熱安定性が低下し、また耐候性も低下する。一方、45%を超えると、熔融ガラスの粘性が高くなり、以下に説明する任意成分Bi2O3、Nb2O5、WO3の導入が困難となる。また、熔融ガラスからプリフォーム1個の質量に相当する熔融ガラス塊を分離し、ガラスが冷却するまでにプリフォームに成形する熱間プリフォーム成形ができなくなる恐れがある。したがって、その導入量は25〜45%とする。好ましくは27〜42%の範囲である。なお、質量%表示によるさらに好ましい範囲は65質量%未満であり、より一層好ましい範囲は60質量%以下であり、59質量%以下がなお一層好ましい範囲である。
アルカリ金属酸化物R2OとしてLi2Oだけを含有させるときの失透傾向を緩和させるため、Na2OとK2Oから選ばれる少なくとも一種を含有させることが好ましい。
なお、プリフォームならびに得られる光学素子の耐候性を改善するため、ZnO含有量に対するBaO含有量のモル比率(BaO/ZnO)の値を1よりも大きくすることが好ましい。
この他に、ガラスの耐候性を向上させるため、Yb2O3を0〜2%導入することもできるし、Lu2O3を0〜2%導入することもできる。またCeO2も0〜2%導入することもできる。
また、ガラスの光学特性を調整するためにNb2O5、WO3をそれぞれ0〜2%導入することもできる。
なお、上記ガラスは、PbO、As2O3及びフッ素を含まないことが望ましい。その理由は前記のとおりである。
また毒性のあるTl、Cd、Crも除外すべき成分であり、非酸化性雰囲気中の精密プレス成形時に還元して金属として析出する恐れのあるAg酸化物なども導入しないことが好ましい。
上記組成としては、P2O5、CuO、B2O3、Al2O3、Li2O、Na2O、K2O、BaO、ZnOが共存するものが特に好ましく、これら成分の合計量が100%のものが最も好ましい。
(プリフォームII)
本発明の第2の精密プレス成形用プリフォーム(プリフォームII)は、CuO、アルカリ金属酸化物、BaOおよびZnOを含み、ZnO含有量に対するBaO含有量のモル比率(BaO/ZnO)が1より大きい燐酸塩ガラスからなることを特徴とする。
なお、アルカリ金属酸化物としてはLi2Oを導入することが好ましく、Li2OおよびNa2Oを導入することがより好ましく、Li2O、Na2OおよびK2Oを導入し、これらの合計量をアルカリ金属酸化物の含有量に等しくすることが望ましい。
さらに、プリフォームIと同様、B2O3を導入したり、Al2O3を導入することが好ましい。
なお、プリフォームIIにおいても、清澄剤としてSb2O3を添加することができる。その場合、好ましい添加量はプリフォームIの場合と同じである。なお、上記ガラスが、PbO、As2O3、フッ素、Tl、Cd、Cr、Ag酸化物を含まないことが好ましい点もプリフォームIと同様である。
(プリフォームIおよびIIの共通点)
次にプリフォームIとIIの共通点について説明する。以下、プリフォームIとIIをまとめて単にプリフォームと呼ぶことにする。
ここで外部透過率とは、ガラスの互いに平行な2つの平面状の光学研磨面の一方の面に対し、所定波長の光を垂直に入射し、他方の面から出射させた際の入射光強度に対する出射光強度の比(出射光強度/入射光強度)×100である。
また、屈折率(nd)が1.52〜1.7、アッベ数(νd)が42〜70の範囲であるガラスからなることが好ましい。
全表面が熔融状態のガラスが固化して形成されたプリフォームや全表面が自由表面からなるプリフォームは、前記のとおり、全表面が滑らかかつ清浄で微細な研磨痕がないので、精密プレス成形用として非常に優れたものである。
なお、プリフォーム表面には精密プレス成形時にプリフォーム表面とプレス成形型表面の潤滑性を向上させるための膜やプレス成形型との融着を防止するための離型膜を設けてもよい。このような膜としては、炭素含有膜や自己組織化膜を例示することができる。炭素含有膜としては蒸着炭素膜や水素化炭素膜などを例示することができる。これらの膜はプリフォームの全表面、あるいはプレス成形型に接する面に設けることが望ましい。
本発明のプリフォームの製造方法では、例えば白金合金製の流出パイプから一定速度で熔融ガラスを流出し、先に説明した滴下法や降下切断法によって質量精度の高いプリフォームを成形することができる。浮上成形によってプリフォームを成形することが好ましいことは前記のとおりである。
[光学素子とその製造方法]
本発明の光学素子には、第1の光学素子、第2の光学素子および第3の光学素子の3つの態様がある。
上記ガラスによって光学素子を形成する理由は、前述のプリフォームIについての説明と同じである。
上記ガラスによって光学素子を形成する理由は、前述のプリフォームIIについての説明と同じである。
上記光学素子はいずれも近赤外線吸収特性を有することが望ましい。そのため、プリフォームIやIIが備える光透過特性を有することが望ましい。
上記光学素子としては、非球面レンズ、球面レンズ、レンズアレイ、マイクロレンズ、ローパスフィルター、回折格子などを例示できるが、ローパスフィルター機能を有する非球面レンズ、ローパスフィルター機能を有する球面レンズ、回折格子付きレンズのような複合機能を有する光学素子であってもよい。
さらに、近赤外線吸収機能を有することにより、固体撮像素子、例えばCCD型撮像素子やMOS型撮像素子の色補正用光学素子として有効である。
なお光学素子の表面には反射防止膜などの多層膜や単層膜を設けることもできる。
高温状態のプレス成形型は非酸化性ガス雰囲気中で取り扱う。その理由はプレス成形型の成形面が酸化によって損傷するのを避けるためである。プレス成形型の成形面にはガラスとの融着を防止するための離型膜が設けられている。離型膜としては炭素膜、白金合金膜などの貴金属合金膜や貴金属膜などが使用される。これらの膜が酸化によって損傷すると、損傷箇所でガラスの融着が起きたり、光学素子の面精度が低下するなどの問題が生じる。窒素、窒素と水素の混合ガス、アルゴン、その他の不活性ガスといった非酸化性ガス雰囲気下で精密プレス成形を行うことにより上記問題を回避することができる。
プレス成形型の材質は公知のものでよく、超硬合金、炭化珪素などの耐熱性材料を使用することができる。
また、第2の態様では、プレス成形後、ガラスの粘度が1012dPa・s以上になってから成形品を型から取り出すことが望ましい。また、プリフォームを浮上しながら加熱し、プレス成形型に導入することが好ましい。プリフォームはガラスが、好ましくは109dPa・s以下、より好ましくは105.5〜109dPa・sの粘度を示す温度にまで予熱してからプレス成形型に導入することが望ましい。さらに、プレス開始と同時又はプレスの途中からガラスの冷却を開始することが望ましい。一方、プレス成形型の加熱温度は、プリフォームを構成するガラスが109〜1012dPa・sの粘度を示す温度にすることが好ましい。ただし、第2の態様においてはプレス成形型の加熱温度よりもプリフォームの加熱温度を高くすることが望ましい。
型から取り出された成形品は必要に応じてアニールし、プリフォーム表面に膜を付けた場合にはその膜を除去する。
さらに必要に応じて心取り加工を施し、光学機能面に機械的な形状加工を施すことなく本発明の光学素子のような近赤外線吸収特性を備えた各種光学素子を作ることができる。
実施例1
ガラスの原料として、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、燐酸塩、弗化物、水酸化物などを用いて表1に示した組成のガラスが得られるように、所定の割合に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、900〜1100℃で攪拌しながら空気中で1〜4時間熔融を行った。熔融後、清澄、均質化した熔融ガラスを40×70×15mmのカーボンの金型に流し、ガラス転移温度付近まで放冷してから直ちにアニール炉に入れ、ガラス転移温度付近で約1時間アニールして炉内で室温まで放冷した。得られた光学ガラスを光学顕微鏡で観察したところ結晶の析出は認められなかった。
この光学ガラスの400nm、700nm、1200nmにおける外部透過率(T400、T700、T1200)、最大外部透過率(Tmax)、λ50、ガラス転移温度(Tg)を表2に示す。
(1)ガラス転移温度(Tg)及び屈伏点(Ts)
理学電機株式会社の熱機械分析装置により昇温速度を4℃/分にして測定した。
(2)外部透過率(T400、T1200、T700、λ50)
1.0±0.1mmの厚さに研磨したガラスを用いて、280nmから1200nmまでの波長域での分光透過率(表面反射損失を含む)を測定した。また、透過率について、波長400nm、700nm、1200nmでの透過率をそれぞれT400、T700、T1200で表し、上記波長域において外部透過率が50%になる波長のうち長波長側の波長をλ50で表した。
なお、表1および表2のNo.1〜16のガラスのヘーズ値は、0.04未満(4%未満)であり、No.17のガラスのヘーズ値は、0.05〜0.065(5%〜6.5%)であった。
また、降下切断法により熔融ガラス塊を分離し、浮上成形することにより設定質量100mgから10gのプリフォームを質量精度±2%以内で成形することができる。
実施例2
図2は、精密プレス成形装置の概略断面図であって、この図2に示す精密プレス成形装置の下型2及び上型1の間に実施例1のプリフォーム4を設置し、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。プレス成形型内部の温度をガラスの屈伏点より20〜60℃高くなる温度に設定し、同温度を維持しつつ、押し棒13を降下させて上型1を押して型内のプリフォーム4を精密プレス成形した。なお成形圧力は8MPa、成形時間は30秒とした。プレスの後、成形圧力を低下させ、成形品を下型2及び上型1と接触させたままの状態でガラス転移温度より30℃低いの温度までに徐冷し、次いで室温まで急冷して成形型から取り出した。得られた非球面レンズは、きわめて精度の高い光学レンズであった。図3に、実施例1のNo.9プリフォームを構成するガラスの厚さ1mmでの外部透過率曲線のチャートを示す。なお、図2において、3は案内型、9は支持棒、10は支持台、14は熱電対である。
2 下型
3 案内型
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
21 熔融ガラス
22 ガラス滴
23 プリフォーム成形型
Claims (11)
- モル%表示で、P2O5 25〜45%、CuO 0.5〜10%、B2O3 0〜10%、Al2O3 0〜10%、Li2O 2〜30%、Na2O 0〜25%、K2O 0〜15%(ただし、Li2O、Na2OおよびK2Oの合計量が3〜40%)、BaO 3〜45%、ZnO 0%超〜30%、MgO 0〜20%、CaO 0〜20%、SrO 0〜20%、Bi2O3 0〜10%、La2O3 0〜5%、Gd2O3 0〜5%、Y2O3 0〜5%を含み、上記成分の合計量が98%以上であり、PbO、As 2 O 3 を含まず、ZnO含有量に対するBaO含有量のモル比率(BaO/ZnO)が1より大きく、ガラス転移温度が381℃以下、液相温度が900℃以下、厚さ1mmにおいて波長400nmにおける外部透過率が80%以上、波長1200nmにおける外部透過率が10.4%以下であるガラスからなることを特徴とする精密プレス成形用プリフォーム。
- 厚さ1mmにおいて波長400nmにおける外部透過率が80〜90%、波長700nmにおける外部透過率が0.1〜18%、波長1200nmにおける外部透過率が1〜10.4%、波長400〜600nmにおいて外部透過率が極大になる透過率特性を備えたガラスからなる請求項1に記載の精密プレス成形用プリフォーム。
- 熔融ガラスから一定質量の熔融ガラス塊を分離、成形し、請求項1または2に記載の精密プレス成形用プリフォームを作製す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または2に記載の精密プレス成形用プリフォームを精密プレス成形して作製してなる光学素子。
- 請求項3に記載の方法により作製された精密プレス成形用プリフォームを精密プレス成形して作製してなる光学素子。
- 精密プレス成形品であって、モル%表示で、P2O5 25〜45%、CuO 0.5〜10%、B2O3 0〜10%、Al2O3 0〜10%、Li2O 2〜30%、Na2O 0〜25%、K2O 0〜15%(ただし、Li2O、Na2OおよびK2Oの合計量が3〜40%)、BaO 3〜45%、ZnO 0%超〜30%、MgO 0〜20%、CaO 0〜20%、SrO 0〜20%、Bi2O3 0〜10%、La2O3 0〜5%、Gd2O3 0〜5%、Y2O3 0〜5%を含み、上記成分の合計量が98%以上であり、PbO、As 2 O 3 を含まず、ZnO含有量に対するBaO含有量のモル比率(BaO/ZnO)が1より大きく、ガラス転移温度が381℃以下、液相温度が900℃以下、厚さ1mmにおいて波長400nmにおける外部透過率が80%以上、波長1200nmにおける外部透過率が10.4%以下であるガラスからなることを特徴とする光学素子。
- 非球面レンズ、球面レンズ、レンズアレイ、ローパスフィルター、回折格子のいずれかの光学素子であって、近赤外線吸収機能を有する請求項4〜6のいずれか1項に記載の光学素子。
- 請求項1または2に記載の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型により精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
- 請求項3に記載の方法により作製された精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型により精密プレス成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
- プレス成形型に精密プレス成形用プリフォームを導入し、前記プレス成形型と精密プレス成形用プリフォームをともに加熱して精密プレス成形を行う請求項8または9に記載の光学素子の製造方法。
- プレス成形型に予熱された精密プレス成形用プリフォームを導入し、精密プレス成形を行う請求項8または9に記載の光学素子の製造方法。
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