JP5723542B2 - 光学ガラス、精密プレス成形用プリフォーム、光学素子とその製造方法 - Google Patents
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- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
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Description
[1]
カチオン%表示で、
Si4+ 1〜10%
B3+ 25〜40%、
Li+ 0〜10%、
Na+ 0〜5%、
K+ 0〜5%、
Mg2+ 0〜5%、
Ca2+ 0〜5%、
Sr2+ 0〜5%、
Ba2+ 0〜5%、
Zn2+ 10〜40%、
La3+ 10〜25%、
Gd3+ 1〜15%、
Y3+ 0〜5%、
Yb3+ 0〜5%、
Zr4+ 0〜3%、
Ti4+ 1〜15%、
Nb5+ 0〜5%、
Ta5+ 0〜5%、
W6+ 1〜20%、
Te4+ 0〜5%、
Ge4+ 0〜5%、
Bi3+ 0〜5%、
Al3+ 0〜5%、
を含み、
カチオン比(B3+/(B3++Si4+))が0.70〜0.96、
カチオン比(B3+/(La3++Gd3++Y3+))が1.0〜2.0、
チオン比((B3++Si4+)/(La3++Gd3++Y3+))が1.0〜3.0、
カチオン比(B3+/(Ti4++Nb5++Ta5++W6+))が0.8〜4.0、
カチオン比((B3++Si4+)/(Ti4++Nb5++Ta5++W6+))が1.5〜3.5、
カチオン比(Zn2+/(Zn2++Mg2++Ca2++Sr2++Ba2+))が0.8〜1.0、
カチオン比((La3++Gd3++Y3+)/(Ti4++Nb5++Ta5++W6+))が1.4〜3.0、
カチオン比Ti4+/W6+が0.4〜4.0、
カチオン比((Ti4++W6+)/(Ti4++Nb5++Ta5++W6+))が0.8〜1.0であり、
アッベ数νdが34.4であり、かつ屈折率ndが、νd≧31.6の範囲ではnd≧1.900であり、νd≦31.6の範囲ではnd≧−0.01νd+2.216である光学ガラス。
[2]
Nb5+およびTa5+の含有量が0カチオン%である[1]に記載の光学ガラス。
[3]
カチオン比(B3+/(La3++Gd3++Y3+))が1.2〜1.51である[1]または[2]に記載の光学ガラス。
[4]
Si4+の含有量が4〜5%である[1]〜[3]のいずれか1項に記載の光学ガラス。
[5]
ガラス転移温度が630℃未満ある[1]〜[4]のいずれか1項に記載の光学ガラス。
[6]
液相温度が1200℃以下である[1]〜[5]のいずれか1項に記載の光学ガラス。
[7]
液相温度が1050℃以下であり、かつ屈折率ndが1.90以上である[1]〜[5]のいずれか1項に記載の光学ガラス。
[8]
部分分散比Pg,Fが0.57〜0.62である[1]〜[7]のいずれか1項に記載の光学ガラス。
[9]
[1]〜[8]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。
[10]
[1]〜[8]のいずれか1項に記載の光学ガラスからなる光学素子。
[11]
[9]に記載の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型を用いて精密プレス成形する光学素子の製造方法。
Li+の含有量は、0〜8%が好ましく、0〜6%がより好ましく、0〜3%が一層好ましく、導入しないことがより一層好ましい。
カチオン%表示で、
Si4+ 3〜7%
B3+ 29〜38%、
Li+ 0%、
Na+ 0%、
K+ 0%、
Mg2+ 0%、
Ca2+ 0%、
Sr2+ 0%、
Ba2+ 0%、
Zn2+ 18〜32%、
La3+ 14〜18%、
Gd3+ 5〜10%、
Y3+ 0%、
Yb3+ 0%、
Zr4+ 0〜0.8%、
Ti4+ 4〜9%、
Nb5+ 0%、
Ta5+ 0%、
W6+ 4〜10%、
Te4+ 0%、
Ge4+ 0%、
Bi3+ 0%、
Al3+ 0%、
を含み、
カチオン比(B3+/(B3++Si4+))が0.80〜0.93、
カチオン比(B3+/(La3++Gd3++Y3+))が1.20〜1.51、
チオン比((B3++Si4+)/(La3++Gd3++Y3+))が1.4〜1.7、
カチオン比(B3+/(Ti4++Nb5++Ta5++W6+))が2.20〜2.62、
カチオン比((B3++Si4+)/(Ti4++Nb5++Ta5++W6+))が2.3〜3.0、
カチオン比(Zn2+/(Zn2++Mg2++Ca2++Sr2++Ba2+))が1.0、
カチオン比((La3++Gd3++Y3+)/(Ti4++Nb5++Ta5++W6+))が1.6〜2.1、
カチオン比Ti4+/W6+が0.4〜1.9、
カチオン比((Ti4++W6+)/(Ti4++Nb5++Ta5++W6+))が1.0である光学ガラス。
本発明の光学ガラスの屈折率ndは1.89以上、アッベ数νdは28〜36である。屈折率ndが1.89以上であることにより、本発明の光学ガラスを用いて撮像光学系やプロジェクターなどの投射光学系などの光学系をコンパクト化することができる。また、光学系のズーム比を大きくすることもできる。さらに、屈折率が高いため、所要の集光力を得るためのレンズの光学機能面の曲率の絶対値を小さくすることができる。光学機能面の曲率の絶対値を小さくすることができることにより、精密プレス成形に用いるプレス成形型の成形面の加工が容易になる。精密プレス成形時にガラスとプレス成形型の間に雰囲気ガスが閉じ込められ(一般にガストラップという。)、型への転写精度が低下するトラブルを低減することもできる。光学機能面を研削、研磨する場合も、加工が容易になる。また、光学機能面の曲率の絶対値を小さくできることにより、レンズの有効径を大きくすることもできる。
ndの上限は、nd≦−0.01νd+2.256((i)式)が好ましく、nd≦−0.01νd+2.252((ii)式)がより好ましく、nd≦−0.01νd+2.248((iii)式)が一層好ましく、nd≦−0.01νd+2.244((iv)式)がより一層好ましく、nd≦−0.01νd+2.240((v)式)がさらに好ましい。
好ましくは、νd≧31の範囲ではnd≧1.890、νd≦31の範囲ではnd≧−0.01νd+2.200であり、
より好ましくは、νd≧32の範囲ではnd≧1.890、νd≦32の範囲ではnd≧−0.01νd+2.210であり、
一層好ましくは、νd≧32.6の範囲ではnd≧1.890、νd≦32.6の範囲ではnd≧−0.01νd+2.216であり、
より一層好ましくは、νd≧31の範囲ではnd≧1.900、νd≦31の範囲ではnd≧−0.01νd+2.210であり、
さらに好ましくは、νd≧31.6の範囲ではnd≧1.900、νd≦31.6の範囲ではnd≧−0.01νd+2.216であり、
さらに一層好ましくは、νd≧31の範囲ではnd≧1.900、νd≦31の範囲ではnd≧−0.01νd+2.220である。
高屈折率低分散化に伴うガラス転移温度の上昇を抑えることは、プレス成形温度の上昇を抑え、プレス成形型とガラスの間の化学反応を助長させない上から、非常に重要である。本発明の光学ガラスにおける好ましい態様は、ガラス転移温度が630℃未満の光学ガラスである。630℃以上になると精密プレスに好ましくなく、下限を下回るとガラスの熱的安定性が悪化する。上記観点から、本発明におけるガラス転移温度の上限は、620℃以下が好ましく、610℃以下がより好ましい。ガラス転移温度の下限は、550℃以上が好ましく、560℃以上がより好ましく、570℃以上が一層好ましく、580℃以上がより一層好ましく、590℃以上がさらに好ましい。
本発明の光学ガラスは、熱的安定性に優れ、例えば、液相温度を1200℃以下にすることができる。そのため、ガラス原料の熔解を1300℃以下で行うことができ、熔解を行うルツボのガラスによる侵蝕を抑えることができる。その結果、ルツボを構成する白金などの物質が、侵蝕によってガラス中に混入し異物となったり、イオンとして溶け込んでガラスの着色を引き起こすなどの問題を回避することができる。
撮像光学系、投射光学系などで、高次の色収差補正を行うには、低分散ガラス製レンズと高分散ガラス製レンズの組合せが有効である。低分散ガラスとしては、部分分散比が小さいもののほうが、高次の色収差補正にはより効果的である。本発明の光学ガラスは、高屈折率低分散ガラスとしては部分分散比が小さく、Pg,Fの値は0.57〜0.62である。Pg,Fは、g線、F線、c線における各屈折率ng、nF、ncを用いて、
Pg,F=(ng−nF)/(nF−nc)
と表される。
部分分散比Pg,F−アッベ数νd図において、正常部分分散ガラスの基準となるノーマルライン上の部分分散比をPg,F(0)と表すと、Pg,Fはアッベ数νdを用いて、
Pg,F(0)=0.6483−(0.0018×nd)
ΔPg,Fは、上記ノーマルラインからの部分分散比Pg,Fの差であり、次式で表される。
ΔPg,F=Pg,F−Pg,F(0)
=Pg,F+(0.0018×νd)−0.6483
本発明の光学ガラスは、着色が極めて少なく、可視域の広い範囲にわたり、高い光透過性を示す。光学ガラスの着色の度合いは、着色度λ70、λ5などによって表される。着色度は、平行な一対の光学研磨された平面を備え、平面間の距離(厚み)が10mm±0.1mmのガラスに、上記平面に対して垂直方向から測定光を入射し、ガラスを透過した光の強度Ioutを入射光強度Iinで割った外部透過率(ガラス表面における反射損失も含まれる。)が、280nm〜700nmの波長域で70%となる波長をλ70、前記波長域で外部透過率が5%となる波長をλ5とする。
本発明の光学ガラスは、目的のガラス組成が得られるように、原料である酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、水酸化物などを秤量、調合し、十分に混合して混合バッチとし、熔融容器内で加熱、熔融し、脱泡、攪拌を行い均質かつ泡を含まない熔融ガラスを作り、これを成形することによって得ることができる。具体的には公知の熔融法を用いて作ることができる。
次に本発明の精密プレス成形用プリフォームについて説明する。
本発明の精密プレス成形用プリフォームは、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。
上記精密プレス成形用プリフォーム(以下、プリフォームという)は、精密プレス成形に供されるガラス塊を意味し、精密プレス成形品の質量に相当するガラス成形体である。
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。
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の酸化物など)
炭素含有膜
があげられる。
キズ、汚れ、シワ、表面の変質などがない滑らかな表面、例えば自由表面を有するプリフォームを製造するためには、プリフォーム成形型などの上で熔融ガラス塊に風圧を加えて浮上させながらプリフォームに成形したり、液体窒素などの常温、常圧下では気体の物質を冷却して液体にした媒体中に熔融ガラス滴を入れてプリフォームに成形する方法などが用いられる。
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の製造方法について説明する。
本発明の光学素子の製造方法は、上記した本発明の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型を用いて精密プレス成形する工程を備えることを特徴とする。
(実施例1)
表1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、表1に示す光学ガラスNo.1〜15(酸化物ガラス)を得た。
(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。
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。
株式会社リガク製の熱機械分析装置を用い、昇温速度を4℃/分にして測定した。
屈折率ng、nF、ncから算出した。
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。
アルキメデス法を用いて測定した。
分光光度計を用いて、分光透過率を測定して求めた。
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。
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。得られたプリフォームは光学的に均質な高品質のものであった。
実施例2、3で作製したプリフォームの表面に必要に応じてコーティングを施し、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。なお、精密プレス成形の各条件は前述の範囲で調整した。
実施例4で作製した各レンズを用いて、各レンズを内蔵する一眼レフカメラ用の交換レンズ各種を作製した。
さらに実施例4で作製した各レンズを用いて、コンパクトデジタルカメラの光学系各種を作製し、モジュール化した。さらにこれら光学系にCCDあるいはCMOSなどのイメージセンサーを取り付けモジュール化した。
Claims (11)
- カチオン%表示で、
Si4+ 1〜10%
B3+ 25〜40%、
Li+ 0〜10%、
Na+ 0〜5%、
K+ 0〜5%、
Mg2+ 0〜5%、
Ca2+ 0〜5%、
Sr2+ 0〜5%、
Ba2+ 0〜5%、
Zn2+ 10〜40%、
La3+ 10〜25%、
Gd3+ 1〜15%、
Y3+ 0〜5%、
Yb3+ 0〜5%、
Zr4+ 0〜3%、
Ti4+ 1〜15%、
Nb5+ 0〜5%、
Ta5+ 0〜5%、
W6+ 1〜20%、
Te4+ 0〜5%、
Ge4+ 0〜5%、
Bi3+ 0〜5%、
Al3+ 0〜5%、
を含み、
カチオン比(B3+/(B3++Si4+))が0.70〜0.96、
カチオン比(B3+/(La3++Gd3++Y3+))が1.0〜2.0、
チオン比((B3++Si4+)/(La3++Gd3++Y3+))が1.0〜3.0、
カチオン比(B3+/(Ti4++Nb5++Ta5++W6+))が0.8〜4.0、
カチオン比((B3++Si4+)/(Ti4++Nb5++Ta5++W6+))が1.5〜3.5、
カチオン比(Zn2+/(Zn2++Mg2++Ca2++Sr2++Ba2+))が0.8〜1.0、
カチオン比((La3++Gd3++Y3+)/(Ti4++Nb5++Ta5++W6+))が1.4〜3.0、
カチオン比Ti4+/W6+が0.4〜4.0、
カチオン比((Ti4++W6+)/(Ti4++Nb5++Ta5++W6+))が0.8〜1.0であり、
アッベ数νdが31.6〜34.4であり、かつ屈折率ndが1.900以上である光学ガラス。 - Nb5+およびTa5+の含有量が0カチオン%である請求項1に記載の光学ガラス。
- カチオン比(B3+/(La3++Gd3++Y3+))が1.2〜1.51である請求項1または2に記載の光学ガラス。
- Si4+の含有量が4〜5%である請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- ガラス転移温度が630℃未満ある請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 液相温度が1200℃以下である請求項1〜5のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 液相温度が1050℃以下である請求項1〜5のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 部分分散比Pg,Fが0.57〜0.62である請求項1〜7のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 請求項1〜8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。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の光学ガラスからなる光学素子。
- 請求項9に記載の精密プレス成形用プリフォームを加熱し、プレス成形型を用いて精密プレス成形する光学素子の製造方法。
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