JP5357429B2 - 光学ガラス、プレス成形用ガラス素材および光学素子とその製造方法ならびに光学素子ブランクの製造方法 - Google Patents
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Description
(1) 質量%表示で、
SiO2 12〜40%、
Nb2O5 15%以上42%未満、
TiO2 2%以上12%未満
(ただし、質量比Nb2O5/TiO2が1.25超である)、
Li2O 0.1〜20%、
Na2O 0.1〜15%、
K2O 0.1〜25%、
任意成分として、
B2O3 0〜10%、
ZrO2 0〜20%、
WO3 0〜22%、
CaO 0〜17%、
SrO 0〜13%、
BaO 0〜20%
(ただし、CaO、SrOおよびBaOの合計含有量が0〜25%である)、
ZnO 0〜13%、
La2O3 0〜3%、
Gd2O3 0〜3%、
Y2O3 0〜3%、
Yb2O3 0〜3%、
Ta2O5 0〜10%、
GeO2 0〜3%、
Bi2O3 0〜10%、
Al2O3 0〜10%、
を含み、Nb2O5およびTiO2の合計含有量が35〜65%、Li2O、Na2OおよびK2Oの合計含有量が1〜30%であり、屈折率ndが1.82以上1.87未満、アッベ数νdが20〜30、ΔPg,Fが0.016以下、液相温度が1200℃以下であることを特徴とする光学ガラス、
(2) 外割りでSb2O3が0〜2%、SnO2が0〜2%添加されている上記(1)項に記載の光学ガラス、
(3) 部分分散比Pg,Fが0.580〜0.620である上記(1)項または(2)項に記載の光学ガラス、
(4) ガラス転移温度が600℃未満である上記(1)項〜(3)項のいずれか1項に記載の光学ガラス、
(5) 上記(1)項〜(4)項のいずれか1項に記載の光学ガラスからなるプレス成形用ガラス素材、
(6) 上記(1)項〜(4)項のいずれか1項に記載の光学ガラスから光学素子、
(7) 上記(5)項に記載のガラス素材を加熱、軟化してプレス成形する光学素子ブランクの製造方法、
(8) 熔融ガラスをプレス成形型に供給してプレス成形する光学素子ブランクの製造方法において、
上記(1)項〜(4)項のいずれか1項に記載の光学ガラスが得られるように調合したガラス原料を加熱、熔融して得られた熔融ガラスをプレス成形することを特徴とする光学素子ブランクの製造方法、
(9) 上記(7)項または(8)項に記載の方法で作製した光学素子ブランクを研削、研磨する光学素子の製造方法、
(10) 上記(5)項に記載のプレス成形用ガラス素材を加熱し、プレス成形型を用いて精密プレス成形する光学素子の製造方法、
(11) プレス成形型にガラス素材を導入し、該成形型とガラス素材を一緒に加熱する上記(10)項に記載の光学素子の製造方法、
(12) ガラス素材を加熱し、予熱したプレス成形型に導入して精密プレス成形する上記(10)項に記載の光学素子の製造方法、
を提供するものである。
まず、本発明の光学ガラスについて説明する。
一般に、高分散ガラスは正の異常分散を示すが、高分散特性を維持しつつ、部分分散比Pg,Fを小さく抑え、部分分散比Pg,F−アッベ数νd図における標準線(ノーマルライン)に部分分散特性を近づけることができれば、低分散ガラスからなるレンズと組み合わせることによって、高次の色収差補正用として非常に有効な光学ガラス材料を提供することができる。
このような知見に基づき、各成分量を最適化し、本発明を完成させた。
SiO2 12〜40%、
Nb2O5 15%以上42%未満、
TiO2 2%以上18%未満
(ただし、Nb2O5/TiO2が0.6超である)、
Li2O 0.1〜20%、
Na2O 0.1〜15%、
K2O 0.1〜25%、
を含み、アッベ数νdが20〜30、部分分散比Pg,Fが0.580〜0.620、ΔPg,Fが0.016以下、液相温度が1200℃以下であることを特徴とする。
Pg,F(0)=0.6483−(0.0018×νd)
ΔPg,F=Pg,F−Pg,F(0)
=Pg,F+(0.0018×νd)−0.6483
なお、本明細書において、特記しない限り各成分の含有量、合計含有量は質量%にて表示するとともに、前記量の比率も質量比で表示する。
第1の態様は、任意成分として、
B2O3 0〜10%、
ZrO2 0〜20%、
WO3 0〜22%、
CaO 0〜17%、
SrO 0〜13%、
BaO 0〜20%
(ただし、CaO、SrOおよびBaOの合計含有量が0〜25%である)、
ZnO 0〜13%、
La2O3 0〜3%、
Gd2O3 0〜3%、
Y2O3 0〜3%、
Yb2O3 0〜3%、
Ta2O5 0〜10%、
GeO2 0〜3%、
Bi2O3 0〜10%、
Al2O3 0〜10%、
を含み、Nb2O5およびTiO2の合計含有量が35〜65%、Li2O、Na2OおよびK2Oの合計含有量が1〜30%であり、屈折率ndが1.82以上1.87未満である光学ガラスである。
B2O3 0〜10%、
ZrO2 0〜20%、
WO3 0〜20%、
CaO 0〜13%、
SrO 0〜13%、
BaO 0〜20%
(ただし、CaO、SrOおよびBaOの合計含有量が0〜25%である)、
ZnO 0〜13%、
La2O3 0〜3%、
Gd2O3 0〜3%、
Y2O3 0〜3%、
Yb2O3 0〜3%、
Ta2O5 0〜10%、
GeO2 0〜3%、
Bi2O3 0〜10%、
Al2O3 0〜10%、
を含み、Nb2O5およびTiO2の合計含有量が30〜60%、K2Oの合計含有量が0.1〜15%、Li2O、Na2OおよびK2Oの合計含有量が1〜25%であり、屈折率ndが1.87〜1.90である光学ガラスである。
SiO2は、ガラスの網目形成酸化物であり、ガラス安定性、熔融ガラスの成形性を維持する上で必要な必須成分である。その含有量が12%未満であるとガラス安定性が低下し、化学的耐久性が悪化する。また、熔融ガラス成形時のガラスの粘性が低くなりすぎ、成形性が低下してしまう。一方、その含有量が40%を越えると液相温度、ガラス転移温度が上昇し、耐失透性や熔融性が悪化も悪化する。また所要のアッべ数νdの実現も困難になる。したがって、SiO2の含有量は12〜40%とする。SiO2の含有量の好ましい範囲は15〜35%、より好ましい範囲は18〜33%、さらに好ましい範囲は20〜30%、一層好ましい範囲は22〜28%である。
B2O3は、ガラスの網目形成酸化物であり、熔融性を向上させ、液相温度を低下させる働きをするほか、低分散性を実現する上でも有効な成分である。しかし、10%を超えて導入すると屈折率が低下し、化学的耐久性も悪化するため、B2O3の含有量は0〜10%とする。B2O3の含有量の好ましい範囲は0〜8%、より好ましい範囲は0〜7%、さらに好ましい範囲は0〜6%、一層好ましい範囲は0〜5%である。
次に本発明のプレス成形用ガラス素材について説明する。
本発明のプレス成形用ガラス素材は、上記した本発明の光学ガラスからなることを特徴とするものである。
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。)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。
・貴金属(白金、白金合金)
・酸化物(Si、Al、Zr、La、Yの酸化物など)
・窒化物(B、Si、Alの窒化物など)
・炭素含有膜
があげられる。炭素含有膜としては、炭素を主成分とするもの(膜中の元素含有量を原子%で表したとき、炭素の含有量が他の元素の含有量よりも多いもの)が望ましい。具体的には、炭素膜や炭化水素膜などを例示することができる。炭素含有膜の成膜法としては、炭素原料を使用した真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の公知の方法や、炭化水素などの材料ガスを使用した熱分解などの公知の方法を用いればよい。その他の膜については、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ゾルゲル法等を用いて成膜することが可能である。
第1の作製例は、熔融ガラスから所定重量の熔融ガラス塊を分離、冷却して、当該熔融ガラス塊と等しい質量を有するプリフォームを成形する方法である。例えば、ガラス原料を熔融、清澄、均質化して均質な熔融ガラスを用意し、温度調整された白金または白金合金製の流出ノズルあるいは流出パイプから流出する。小型のプリフォームや球状のプリフォームを成形する場合は、熔融ガラスを流出ノズルから所望質量の熔融ガラス滴として滴下し、それをプリフォーム成形型によって受けてプリフォームに成形する。あるいは、同じく所望質量の熔融ガラス滴を流出ノズルより液体窒素などに滴下してプリフォームを成形する。中大型のプリフォームを作製する場合は、流出パイプより熔融ガラス流を流下させ、熔融ガラス流の先端部をプリフォーム成形型で受け、熔融ガラス流のノズルとプリフォーム成形型の間にくびれ部を形成した後、プリフォーム成形型を真下に急降下して、熔融ガラスの表面張力によってくびれ部にて熔融ガラス流を分離し、受け部材に所望質量の熔融ガラス塊を受けてプリフォームに成形する。
次に本発明の光学素子について説明する。本発明の光学素子は、上記した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。
次に本発明の光学素子ブランクの製造方法について説明する。
本発明の第1の光学素子ブランクの製造方法は、上記した本発明のプレス成形用ガラス素材を加熱、軟化してプレス成形する方法である。前述のように、ガラス素材の表面に窒化ホウ素などの粉末状離型剤を均一に塗布し、耐熱性皿に載せて加熱軟化炉内に入れ、ガラスが軟化するまで加熱した後、プレス成形型に導入してプレス成形する。次にプレス成形品を型から取り出し、アニールして歪を除くとともに屈折率などの光学特性が所望の値になるように光学特性の調整を行う。
次に本発明の光学素子の製造方法について説明する。
本発明の第1の光学素子の製造方法は、上記した本発明の方法で作製した光学素子ブランクを研削、研磨することを特徴とする。研削、研磨は公知の方法を用いればよい。
(実施例1)
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、水酸化物などを用い、原料を秤量し、十分に混合して調合原料とし、これを白金坩堝に入れ、加熱、熔融した。熔融後、熔融ガラスを鋳型に流し込み、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することにより、ガラスNo.1〜17の光学ガラスを得た。表1のガラスNo.1〜17は第1の態様のガラスであり、表2のガラスNo.12〜17は第2の態様のガラスである(但し、ガラスNo.13は、TiO 2 含有量16.70質量%が補正後の請求項1におけるTiO 2 含有量の上限12質量%を超えるので参考例のガラスである)。
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請特性を表3に示す。
(1)屈折率nd、ng、nF、ncおよびアッベ数νd
降温速度−30℃/時間で降温して得られたガラスについて、日本光学硝子工業会規格の屈折率測定法により、屈折率nd、ng、nF、nc、アッベ数νdを測定した。
(2)液相温度LT
ガラスを所定温度に加熱された炉内に入れて2時間保持し、冷却後、ガラス内部を100倍の光学顕微鏡で観察し、結晶の有無から液相温度を決定した。
(3)ガラス転移温度Tg
示差走査熱量計(DSC)により、昇温速度10℃/分として測定した。
(4)部分分散比Pg,F
屈折率ng、nF、ncから算出した。
(5)部分分散比のノーマルラインからの偏差ΔPg,F
部分分散比Pg,Fおよびアッベ数νdから算出されるノーマルライン上の部分分散比Pg,F(0)から算出した。
特許文献1の実施例1〜13の組成になるように同文献に記載されている方法でガラスを熔解したところ、実施例1、2については熔融物を撹拌中に失透し、実施例4〜13についてはガラス化しなかった。実施例3は熔融物を鋳型にキャストしてガラスが得られたものの、内部に結晶の析出が認められた。
実施例1で作製した各光学ガラスが得られるように調合したガラス原料を熔融、清澄、均質化して熔融ガラスを作り、白金製のノズルから熔融ガラス滴を滴下してプリフォーム成形型で受け、風圧を加えて浮上させながら上記各種ガラスからなる球状のプリフォームに成形した。
また、上記熔融ガラスを白金製パイプから連続的に流出し、その下端部をプリフォーム成形型で受け、熔融ガラス流にくびれ部を作った後、プリフォーム成形型を真下に急降下して熔融ガラス流をくびれ部で切断し、プリフォーム成形型上に分離した熔融ガラス塊を受け、風圧を加えて浮上させながら上記各種ガラスからなるプリフォームに成形した。
実施例2で用意した熔融ガラスを連続的に流出して鋳型に鋳込み、ガラスブロックに成形した後、アニールし、切断して複数個のガラス片を得た。これらガラス片を研削、研磨して上記各種ガラスからなるプリフォームを作製した。
実施例2で用意した熔融ガラスを連続的に流出して鋳型に鋳込み、ガラスブロックに成形した後、アニールし、切断して複数個のガラス片を得た。これらガラス片をバレル研磨して上記各種ガラスからなるプレス成形用ガラスゴブを作製した。
実施例2、3で作製したプリフォームの表面に炭素含有膜をコートし、成形面に炭素系離型膜を設けたSiC製の上下型および胴型を含むプレス成形型内に導入し、窒素雰囲気中で成形型とプリフォームを一緒に加熱してプリフォームを軟化し、精密プレス成形して上記各種ガラスからなる非球面凸メニスカスレンズ、非球面凹メニスカスレンズ、非球面両凸レンズ、非球面両凹レンズの各種レンズを作製した。
実施例4で作製したガラスゴブの表面に窒化ホウ素からなる粉末状離型剤を均一に塗布してから大気中で加熱、軟化し、プレス成形型でプレス成形し、球面凸メニスカスレンズ、球面凹メニスカスレンズ、球面両凸レンズ、球面両凹レンズの各種レンズのブランクを作製した。このようにして上記各種ガラスからなるレンズブランクを作製した。
実施例2で用意した熔融ガラスを流出し、シアを用いて熔融ガラス流を切断して熔融ガラス塊を分離し、プレス成形型を用いてプレス成形し、球面凸メニスカスレンズ、球面凹メニスカスレンズ、球面両凸レンズ、球面両凹レンズの各種レンズのブランクを作製した。このようにして上記各種ガラスからなるレンズブランクを作製した。
実施例6、実施例7で作製したレンズブランクをアニールして歪を除くとともに屈折率を所望値に合わせた後、研削、研磨して球面凸メニスカスレンズ、球面凹メニスカスレンズ、球面両凸レンズ、球面両凹レンズの各種レンズを作製した。このようにして上記各種ガラスからなるレンズを作製した。
実施例2で用意した熔融ガラスを流出し、鋳型に鋳込んでガラスブロックを作製し、このブロックを切断、研削、研磨して各種球面レンズ、プリズムを作製した。
Claims (12)
- 質量%表示で、
SiO2 12〜40%、
Nb2O5 15%以上42%未満、
TiO2 2%以上12%未満
(ただし、質量比Nb2O5/TiO2が1.25超である)、
Li2O 0.1〜20%、
Na2O 0.1〜15%、
K2O 0.1〜25%、
任意成分として、
B2O3 0〜10%、
ZrO2 0〜20%、
WO3 0〜22%、
CaO 0〜17%、
SrO 0〜13%、
BaO 0〜20%
(ただし、CaO、SrOおよびBaOの合計含有量が0〜25%である)、
ZnO 0〜13%、
La2O3 0〜3%、
Gd2O3 0〜3%、
Y2O3 0〜3%、
Yb2O3 0〜3%、
Ta2O5 0〜10%、
GeO2 0〜3%、
Bi2O3 0〜10%、
Al2O3 0〜10%、
を含み、Nb2O5およびTiO2の合計含有量が35〜65%、Li2O、Na2OおよびK2Oの合計含有量が1〜30%であり、屈折率ndが1.82以上1.87未満、アッベ数νdが20〜30、ΔPg,Fが0.016以下、液相温度が1200℃以下であることを特徴とする光学ガラス。 - 外割りでSb2O3が0〜2%、SnO2が0〜2%添加されている請求項1に記載の光学ガラス。
- 部分分散比Pg,Fが0.580〜0.620である請求項1または2に記載の光学ガラス。
- ガラス転移温度が600℃未満である請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学ガラスからなるプレス成形用ガラス素材。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学ガラスから光学素子。
- 請求項5に記載のガラス素材を加熱、軟化してプレス成形する光学素子ブランクの製造方法。
- 熔融ガラスをプレス成形型に供給してプレス成形する光学素子ブランクの製造方法において、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学ガラスが得られるように調合したガラス原料を加熱、熔融して得られた熔融ガラスをプレス成形することを特徴とする光学素子ブランクの製造方法。 - 請求項7または8に記載の方法で作製した光学素子ブランクを研削、研磨する光学素子の製造方法。
- 請求項5に記載のプレス成形用ガラス素材を加熱し、プレス成形型を用いて精密プレス成形する光学素子の製造方法。
- プレス成形型にガラス素材を導入し、該成形型とガラス素材を一緒に加熱する請求項10に記載の光学素子の製造方法。
- ガラス素材を加熱し、予熱したプレス成形型に導入して精密プレス成形する請求項10に記載の光学素子の製造方法。
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