JP5088320B2 - 透光性セラミック、ならびに光学部品および光学装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レンズ等の光学部品の材料として有用な透光性セラミック、ならびにそれを用いた光学部品および光学装置に関するものである。
従来より、光学装置に搭載するレンズ等の光学部品の材料としては、ガラス、プラスチック、単結晶、セラミックなどが用いられている。
近年、光学材料には、アッベ数が大きいことが求められている。アッベ数が大きい光学材料を、特に可視光の広い波長範囲を扱う撮像系光学機器、たとえばカメラやビデオカメラといった撮像系光学機器のレンズ材として用いると、色収差補正や球面収差補正において有利である。
一般的な光学材料として、特許文献１にイットリウム−アルミニウム−ガーネット（以下、「ＹＡＧ」と記す。）からなる単結晶が知られている。
しかしながら、単結晶は製造コストが高く、また生産性が低いという問題があったため、セラミック（以下、「多結晶」のものを「セラミック」と言う。）からなる光学材料が望まれる。
特許文献２には、Ｂａ（Ｍｇ，Ｔａ）Ｏ3系ペロブスカイトを主成分とする透光性セラミックが開示されている。この材料系では、Ｓｎおよび／またはＺｒでＭｇおよび／またはＴａの一部を置換することにより、屈折率やアッベ数等の光学特性を変化させることができる。しかしながら、この材料系でもアッベ数が不足している。
そこで、アッベ数の高いＹＡＧからなる光学材料を、セラミックで作製する試みがなされており、特許文献３に開示されている。
しかしながら、特許文献３に記載のＹＡＧセラミックにおいては、透光性を得るのに、真空中における焼成、または還元雰囲気中における焼成が必要である。そのため製造コストが高く、かつ安定した特性を得るのが難しいという問題がある。
また、特許文献３に記載のＹＡＧセラミックにおいては、アッベ数や屈折率といった光学特性を幅広く調整するのが難しく、光学部品または光学装置の設計自由度が低くなるという問題がある。
特開平６−１３５８００号公報 特開２００４−７５５１２号公報 特開平６−１０７４５６号公報
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高いアッベ数を有し、かつ製造コストが低く、光学特性の安定な透光性セラミックを提供しようとすることにある。
また、本発明の他の目的は、上記の透光性セラミックを用いて構成された光学部品、およびこの光学部品を用いた光学装置を提供しようとすることにある。
本発明に係る透光性セラミックは、波長が６３３ｎｍである可視光の、試料厚み０．４ｍｍにおける直線透過率（以下、特に断りがない限り、単に「直線透過率」と言う。）が２０％以上であって、一般式：Ｙ3ＡｌＶＯＷ（４.４≦ｖ≦５.４、ｗは電気的中性を保つための正の数である。）で表されるガーネット型化合物を主成分とし、かつ、Ｙ3ＡｌＶＯＷにおいて、Ａｌの一部または全部がＧａで置換されることを特徴とする。
本発明に係る透光性セラミックにおいて、上記ガーネット型化合物からなる主成分は、（Ｙ，Ｇｄ）3ＡｌＶＯＷ（４.４≦ｖ≦５.４、ｗは電気的中性を保つための正の数である。また、Ｙを必ず含む。）であってもよい。
ＡｌのＧａによる置換量は、３０〜９０モル％であることが好ましい。
本発明は、さらに、前述した透光性セラミックからなる光学部品、およびこの光学部品が搭載されている光学装置にも向けられる。
本発明に係る透光性セラミックによれば、アッベ数が３５以上と非常に大きいため、特に可視光の広い波長範囲を扱う撮像系光学機器、たとえばカメラやビデオカメラといった撮像系光学機器のレンズ材として用いると、色収差補正や球面収差補正において有利である。
また、本発明に係る透光性セラミックによれば、Ｇａ置換により焼結性が向上するため、焼成時の雰囲気を真空や還元雰囲気にする必要がなく、煩雑な製造工程が不要となる。したがって、製造コストを低くし、かつ光学特性を安定化することができる。
さらに、本発明に係る透光性セラミックによれば、Ｇａ置換および／またはＧｄ置換の組成変性により、アッベ数や屈折率を大きく変化させることができるため、光学部品や光学装置の設計の自由度を高めることができる。
本発明に係る透光性セラミックを用いて構成される光学部品の第１の例としての両凸レンズ１０を示す断面図である。 本発明に係る透光性セラミックを用いて構成される光学部品の第２の例としての両凹レンズ１１を示す断面図である。 本発明に係る透光性セラミックを用いて構成される光学部品の第３の例としてのメニスカスレンズ１２を示す断面図である。 本発明に係る透光性セラミックを用いて構成される光学部品の第４の例としての光路長調整板１３を示す断面図である。 本発明に係る透光性セラミックを用いて構成される光学部品の第５の例としての球状レンズ１４を示す断面図である。 本発明に係る透光性セラミックを用いて構成された光学部品を搭載した光学装置の一例としての光ピックアップ９を図解的に示す正面図である。 本発明に係る透光性セラミックを用いて構成された光学部品を搭載した光学装置の一例としてのガウスタイプのレンズ光学系２０を図解的に示す側面図である。
符号の説明
１ 記録媒体
２ 対物レンズ
３ ハーフミラー
４ コリメータレンズ
５ 半導体レーザ
６ 集光レンズ
７ 受光素子
８ レーザ光
９ 光ピックアップ
１０ 両凸レンズ
１１ 両凹レンズ
１２ メニスカスレンズ
１３ 光路長調整板
１４ 球状レンズ
２０ ガウスタイプのレンズ光学系
２１〜２７ レンズ
本発明に係る透光性セラミックは、その主結晶相がＹ3ＡｌＶＯＷで表されるガーネット構造からなり、Ｙサイト元素とＡｌサイト元素と酸素のモル比が３：５：１２に近い比となっている。２０％以上の直線透過率を得るためには、ｖの範囲は４.４〜５.４であることが必要である。
本発明に係る透光性セラミックは、Ａｌサイトの一部または全部がＧａで置換されることを特徴とする。このＧａ置換により、ＹＡＧセラミックの焼成時における焼結性が向上する。したがって、真空や、水素導入による還元雰囲気などの特殊な雰囲気下で焼成する必要はない。すなわち、大気中における焼成でも構わない。望ましくは、酸素分圧が９０％以上の雰囲気下で焼成することが好ましい。
また、Ｇａ置換により、アッベ数と屈折率が大きく変化する。Ｇａ置換量が増加すると、アッベ数は低下するが、それでも３５以上であるため実用上は問題ない。アッベ数が低下する代わりに屈折率が増加し、光学部品の小型化が促進される。
Ｇａ置換量が３０〜９０モル％の範囲であるとき、焼結性が特に向上し、直線透過率を５０％以上と高くすることが可能である。
さらに、本発明に係る透光性セラミックにおいて、そのＹサイトの一部がＧｄで置換されることも好ましい。Ｇｄ置換により、アッベ数と屈折率がさらに変化する。Ｇｄ置換量が増加するとアッベ数は低下するが、それでも３５以上であるため実用上は問題ない。アッベ数が低下する代わりに屈折率が増加し、光学部品の小型化が促進される。
また、本発明に係る透光性セラミックには、本発明の目的を損なわない範囲で、製造上不可避的に混入し得る不純物が含まれていてもよい。たとえば原料として用いる酸化物もしくは炭酸塩に含まれる不純物や作製工程中で混入する不純物として、Ｆｅ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、ＷＯ3、Ｂｉ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ5、Ｐ2Ｏ5およびＣｕＯ、ならびに希土類元素酸化物などが挙げられる。
次に、本発明に係る透光性セラミックを製造する方法の一例について説明する。
まず、Ｙ、Ａｌ、ＧａおよびＧｄの各々の酸化物等の素原料が用意され、所定量秤量して混合し、仮焼することによってセラミック原料が得られる。素原料は酸化物に限らず、水酸化物や炭酸塩でも構わない。また、セラミック原料の製造方法はこのような固相法に限られるわけではない。ただ、本発明に係る透光性セラミックによれば、Ｇａ置換により焼結性が向上しているため、製造コストの高い湿式法をあえて用いる必要はない。
透光性セラミックを製造するため、セラミック原料粉末を所定形状に成形してなる未焼成のセラミック成形体が用意され、そして、このセラミック成形体が焼成される。このときの雰囲気は、真空下やＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ）等の減圧・加圧雰囲気下である必要はなく、常圧の大気中で構わない。望ましくは、透光性を向上させるため、酸素濃度を９０％以上にすることが好ましい。
また、セラミック成形体の焼成時、このセラミック成形体を、セラミック原料粉末と実質的に同組成の同時焼成用組成物に接触させることが、透光性をさらに向上させる上で好ましい。同時焼成用組成物とは、たとえば、上記セラミック成形体と同じ組成となるように調整した原料を仮焼し、粉砕して得られた粉末である。この同時焼成用組成物により、上記セラミック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。したがって、焼成工程は、同時焼成用組成物の粉末に未焼成のセラミック成形体を埋め込んだ状態で実施されることが好ましい。同時焼成用組成物は、粉末に限らず、成形体または焼結体であってもよい。
なお、同時焼成用組成物は、上記セラミック成形体のためのセラミック原料粉末と同じ組成を有することが好ましいが、実質的に同組成であればよい。同時焼成用組成物が未焼成のセラミック成形体のためのセラミック原料粉末と実質的に同組成であるとは、同一の構成元素を含んだ同等の組成系であることを意味し、全く同一の組成比率でなくてもよい。また、同時焼成用組成物は、必ずしも透光性を与え得る組成を有していなくてもよい。
本発明に係る透光性セラミックは、レンズ等の光学部品に用いることができ、たとえば、図１ないし図５にそれぞれ示すような両凸レンズ１０、両凹レンズ１１、メニスカスレンズ１２、光路長調整板１３、および球状レンズ１４に利用することができる。
また、このような光学部品を搭載した光学装置について、光ピックアップを例にとり、説明する。光ピックアップの中でも、波長の異なる複数の光を１つの光学系でまかなうものがあり、アッベ数の高い光学材料が求められることがある。
図６に示すように、光ピックアップ９は、コンパクトディスクやミニディスク等の記録媒体１に対して、コヒーレントな光であるレーザ光８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。
このような光ピックアップ９においては、光源としての半導体レーザ５からのレーザ光８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からの入射光を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、その進行方向を反射によりたとえば約９０度変更するものである。
また、光ピックアップ９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、また、記録媒体１からの反射光を効率良くハーフミラー３に向かって送るためのものでもある。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。
さらに、光ピックアップ９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、反射光からの情報を再生するための受光素子７が設けられている。
このように構成される光ピックアップ９において、本発明に係る透光性セラミックは、たとえば、対物レンズ２、ハーフミラー３、コリメータレンズ４および集光レンズ６の各素材として有利に用いることができる。
さらに、光学装置の別の例として、一眼レフカメラ用の光学系について説明する。
図７に示すように、一眼レフカメラ用の光学系として広く用いられるガウスタイプのレンズ光学系２０は、７枚のレンズ２１〜２７から構成される。特に互いに絞り２８を挟んで配置されるレンズ２２とレンズ２５とに本発明に係る高アッベ数の透光性セラミックを用いると、色収差補正を精度良く行なうことが可能になる。
［実験例］
次に、本発明に係る透光性セラミックを実験例に基づいて説明する。
原料として、各々高純度のＹ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3およびＧｄ2Ｏ3の各粉末を準備した。そして、組成式：（Ｙ1-xＧｄx）3（Ａｌ1-yＧａy）vＯw（ｗは電気的中性を保つための正の数）で表される、表１に示す各試料が得られるように、各原料粉末を秤量し、ボールミルで２０間湿式混合した。この混合物を乾燥させたのち、１３００℃で３時間仮焼し、仮焼粉体を得た。
次に、上記仮焼粉体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、エチルセルロースを用いた。
次に、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１９６ＭＰａの圧力で押圧してプレス成形することにより、直径３０ｍｍおよび厚さ２ｍｍの円板状の未焼成のセラミック成形体を得た。
次に、上記未焼成のセラミック成形体を、そこに含まれるセラミック原料粉末と同組成の粉末中に埋め込んだ。この埋め込まれた成形体を焼成炉に入れ、大気雰囲気中で加熱し、脱バインダ処理を行なった。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１５７５〜１６７５℃において、焼成雰囲気中の酸素濃度を約９５体積％にまで上昇させた。ここで、最高温度については、材料組成により最適な温度が適宜選択され、たとえば試料番号７の試料の場合は１６７５℃であった。この焼成温度および酸素濃度を維持し、２０時間焼成して焼結体を得た。なお、焼成時の全圧は１気圧とした。
このようして得られた焼結体をＸ線回折で構造を評価したところ、ほぼガーネット構造の単相となっていた。この焼結体を鏡面加工し、厚さ０.４ｍｍの円板状に仕上げて透光性セラミックの試料とした。
上記の試料のそれぞれについて、可視光領域、より具体的には、波長λが６３３ｎｍにおける直線透過率を測定した。これら直線透過率の測定には、島津製作所製分光光度計（ＵＶ−２５００）を用いた。
また、上記の試料のそれぞれについて、屈折率を測定した。屈折率の測定には、Ｍｅｔｒｉｃｏｎ社製プリズムカプラー（ＭＯＤＥＬ２０１０）を用いた。プリズムカプラーにて４０９ｎｍ、５３２ｎｍ、８３３ｎｍの屈折率を測定し、これら３波長の屈折率の値を用いて、波長と屈折率の関係式：式１より定数ａ、ｂおよびｃを算出し、波長と屈折率の関係を求めた。
式１：ｎ＝ａ／λ4＋ｂ／λ2＋ｃ
（ｎは屈折率、λは波長、ａ，ｂ，ｃは定数）
この式からアッベ数（νd）算出に必要な３波長（Ｆ線：４８６.１３ｎｍ、ｄ線：５８７.５６ｎｍ、Ｃ線：６５６.２７ｎｍ）での屈折率を求め、アッベ数の定義式：式２からアッベ数を算出した。
式２： νd＝（ｎd−１）／（ｎF−ｎC）
（ｎd、ｎFおよびｎCは、それぞれ、ｄ線、Ｆ線およびＣ線における屈折率）
以上のようにして求めた屈折率ｎd、アッベ数νdおよび直線透過率を表１に示す。
Figure 0005088320
表１において、試料番号に＊を付したものは、本発明の範囲から外れたものである。
本発明の範囲内の試料２〜１３および１６〜２０によれば、表１に示すように、アッベ数νdが３５以上であった。また、十分な透光性が得られた。
特に、Ｇａの置換量ｙが０.３〜０.９の範囲にある試料４〜１０では、直線透過率が５０％以上と高い値を示した。
これらに対して、Ｇａ置換量ｙが０である試料１では、十分に焼結が進まなかったため、屈折率とアッベ数は評価できたものの、実用性に堪える透光性が得られなかった。
また、試料１４、１５、２１、２２および２３は、ｖが４.４〜５.４の範囲から外れたため、異相が出現し、実用性に堪える透光性が得られなかった。
なお、本発明の範囲内にある試料７について、λ＝５８７.５６ｎｍ（ｄ線）におけるＴＥモードおよびＴＭモードでの各屈折率を測定したところ、両者とも１.８９５となった。このように、ＴＥモードおよびＴＭモードでの各屈折率が互いに同じ値であることから、複屈折が生じていないことがわかる。

Claims (5)

  1. 波長が６３３ｎｍである可視光の、試料厚み０.４ｍｍにおける直線透過率が２０％以上であって、
    一般式：Ｙ3ＡｌＶＯＷ（４.４≦ｖ≦５.４の条件を満足し、ｗは電気的中性を保つための正の数である。）で表されるガーネット型化合物を主成分とし、かつ、前記Ｙ3ＡｌＶＯＷにおいて、Ａｌの一部または全部がＧａで置換されていることを特徴とする、透光性セラミック。
  2. 波長が６３３ｎｍである可視光の、試料厚み０.４ｍｍにおける直線透過率が２０％以上であって、
    一般式：（Ｙ，Ｇｄ）3ＡｌＶＯＷ（４.４≦ｖ≦５.４の条件を満足し、ｗは電気的中性を保つための正の数であり、Ｙを必ず含む。）で表されるガーネット型化合物を主成分とし、かつ、前記（Ｙ，Ｇｄ）3ＡｌＶＯＷにおいて、Ａｌの一部または全部がＧａで置換されていることを特徴とする、透光性セラミック。
  3. 前記Ａｌの３０〜９０モル％がＧａで置換されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の透光性セラミック。
  4. 請求項１または２に記載の透光性セラミックからなる光学部品。
  5. 請求項４に記載の光学部品が搭載されている光学装置。
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