JP6678557B2 - 光学ガラス、精密モールドプレス用プリフォーム及び光学素子 - Google Patents
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Description
モル%で、
P2O5:27%以上42%以下、
Li2O:1%以上33%以下、
Na2O:0%以上32%以下、
K2O:0%以上24%以下、
Nb2O5:8%超23%以下、
Al2O3:5%超14%以下、
ZnO:0%以上27%以下、
Bi2O3:0%以上4.5%未満、
WO3:0%以上10%以下、
TiO2:0%以上11%以下、
ZrO2:0%以上1.5%以下、
BaO:0%以上7%以下、
MgO:0%以上7%以下、
CaO:0%以上8%以下、
SrO:0%以上7%以下で、
Sb2O3:0%以上0.2%未満
の組成を有し、
Li2O、Na2O及びK2Oの合計の含有量が25%以上50%以下であり、
B2O3を含まず、
アッベ数(νd)が28以上40以下であり、且つ、屈折率(nd)が式(1):
1.72−0.0025×νd≦nd≦1.79−0.0025×νd・・・(1)
を満たし、
厚さ10mmにおける分光透過率80%を示す波長(λ80)が、425nm未満である、
ことを特徴とする。かかる光学ガラスは、中屈折率高分散性を有する上、可視光に対する透明性が高い。
以下、本発明の光学ガラスを具体的に説明する。
まず、本発明において、光学ガラスの組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
なお、成分に関する「%」表示は、特に断らない限り、モル%を意味するものとする。
本発明の光学ガラスにおいて、P2O5は、ガラスの形成に寄与するとともに、ガラスの溶融温度を下げて、ガラスの耐失透性を高めることができる、必須成分である。しかしながら、P2O5の含有量が42%を超えると、屈折率及び分散性の低下を招き、所望の高分散性が得られなくなり、一方、27%未満であると、耐失透性を向上させる効果が得られず、可視光に対する透明性を十分に高めることができない。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、P2O5の含有量を27%以上42%以下の範囲とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるP2O5の含有量は、28%以上であることが好ましく、また、40%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、アルカリ金属酸化物の一つであるLi2Oは、高温時におけるガラスの粘度を下げて溶融性を高めることができ、また、転移点(Tg)及び屈伏点(At)などを低下させるのに有効な、必須成分である。しかしながら、Li2Oの含有量が33%を超えると、化学的耐久性及び耐失透性が低下する虞があり、一方、1%未満であると、溶融性を高める効果が十分でなく、ガラスの着色の影響等により、可視光に対する透明性を十分に高めることができない。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、Li2Oの含有量を1%以上33%以下の範囲とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるLi2Oの含有量は、3%以上であることが好ましく、また、30%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、アルカリ金属酸化物の一つであるNa2Oは、上述したLi2Oと同様、高温時におけるガラスの粘度を下げて溶融性を高めることができ、また、転移点(Tg)及び屈伏点(At)などを低下させるのに有効な成分である。しかしながら、Na2Oの含有量が32%を超えると、化学的耐久性及び耐失透性が低下する虞がある。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、Na2Oの含有量を0%以上32%以下とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるNa2Oの含有量は、30%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、アルカリ金属酸化物の一つであるK2Oは、上述したLi2O及びNa2O程ではないものの、ガラスの溶融性を高めることができ、更に、上述したLi2O及びNa2O以上に、分散性を高めるのに有効な成分である。しかしながら、K2Oの含有量が24%を超えると、化学的耐久性及び耐失透性が低下する虞がある。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、K2Oの含有量を0%以上24%以下とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるK2Oの含有量は、22%以下であることが好ましい。
ここで、本発明の光学ガラスは、Li2O、Na2O及びK2Oの合計の含有量が25%以上50%以下であることを要する。これらのアルカリ金属酸化物の合計の含有量が25%未満であると、ガラスの溶融性を十分に高めることができず、ガラスの着色の影響等により、可視光に対する透明性を良好なものとすることができない。また、これらのアルカリ金属酸化物の合計の含有量が50%を超えると、化学的耐久性が低下する上、これらのアルカリ金属酸化物以外の成分によってもたらされる効果を十分に得ることができない。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるLi2O、Na2O及びK2Oの合計の含有量は、26%以上であることが好ましく、また、47%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、Nb2O5は、ガラスの屈折率及び分散性を高めることができる、必須成分である。しかしながら、Nb2O5の含有量が23%を超えると、所定のアッべ数(νd)と屈折率(nd)との関係性を満たすことができなくなるとともに、屈伏点(At)が過度に高くなる虞がある上、ガラスが着色し易くなり、短波長の可視光に対する透明性の悪化を抑制することが困難となる。一方、Nb2O5の含有量が8%以下であると、所望の高分散性を得ることができない。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、Nb2O5の含有量を8%超23%以下とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるNb2O5の含有量は、22%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、Al2O3は、耐失透性及び耐久性を高めることができるとともに、光学恒数(アッべ数(νd)及び屈折率(nd))の調整に有効な、必須成分である。しかしながら、Al2O3の含有量が14%を超えると、ガラスの耐失透性及び溶融性が著しく悪化し、ガラスの濃密な着色が発生する虞があり、一方、5%以下であると、所定のアッべ数(νd)と屈折率(nd)との関係性を満たすことができなくなって、ガラスの着色を十分に回避することができない虞がある。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、Al2O3の含有量を5%超14%以下とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるAl2O3の含有量は、12%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、ZnOは、ガラスの溶融性及び耐失透性を高めることができるとともに、屈折率及び分散性を高める効果を有する成分である。しかしながら、ZnOの含有量が27%を超えると、化学的耐久性及び耐失透性が低下するため、可視光に対する透明性が悪化する。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、ZnOの含有量を0%以上27%以下とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるZnOの含有量は、25%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、Bi2O3は、ガラスの屈折率及び分散性を高めるのに有効であるとともに、ガラスの溶融性を高めることができる成分である。しかしながら、Bi2O3の含有量が4.5%以上であると、ガラスが着色し易くなり、短波長の可視光に対する透明性の悪化を抑制することが困難となる。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、Bi2O3の含有量を0%以上4.5%未満とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるBi2O3の含有量は、4.0%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、WO3は、上述したBi2O3と同様、ガラスの屈折率及び分散性を高めるのに有効な成分である。しかしながら、WO3の含有量が10%を超えると、ガラスが着色し易くなり、短波長の可視光に対する透明性の悪化を抑制することが困難となる。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、WO3の含有量を0%以上10%以下とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるWO3の含有量は、9%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、TiO2は、上述したBi2O3及びWO3と同様、ガラスの屈折率及び分散性を高めるのに有効な成分である。特に、本発明の光学ガラスにおいて、TiO2による分散性を高める効果は、Nb2O5、Bi2O3及びWO3による効果とそれぞれ比べても、大きい。しかしながら、TiO2の含有量が11%を超えると、ガラスの溶融性が悪化し、ガラスが着色し易くなり、可視光に対する透明性を良好なものとすることができない。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、TiO2の含有量を0%以上11%以下とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるTiO2の含有量は、10%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、ZrO2は、屈折率及び化学的耐久性を高めることができる成分である。しかしながら、ZrO2の含有量が1.5%を超えると、著しく溶融性が悪化し、熔け残り及び可視光に対する透明性の悪化の原因となる。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、ZrO2の含有量を0%以上1.5%以下とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるZrO2の含有量は、1%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、BaOは、ガラスの溶融性及び耐失透性を高めることができる成分である。しかしながら、BaOの含有量が7%を超えると、耐久性が悪化して、製品としての光学ガラスに求められる品質を確保できなくなる虞がある。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、BaOの含有量を0%以上7%以下とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるBaOの含有量は、6%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、MgOは、ガラスの溶融性及び安定性を高めることができる成分である。しかしながら、MgOの含有量が7%を超えると、耐久性が悪化して、製品としての光学ガラスに求められる品質を確保できなくなる虞がある。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、MgOの含有量を0%以上7%以下とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるMgOの含有量は、6%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、CaOは、ガラスの溶融性及び安定性を高めることができる成分である。しかしながら、CaOの含有量が8%を超えると、耐久性が悪化して、製品としての光学ガラスに求められる品質を確保できなくなる虞がある。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、CaOの含有量を0%以上8%以下とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるCaOの含有量は、7%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、SrOは、ガラスの溶融性及び安定性を高めることができる成分である。しかしながら、SrOの含有量が7%を超えると、耐久性が悪化して、製品としての光学ガラスに求められる品質を確保できなくなる虞がある。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、SrOの含有量を0%以上7%以下とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるSrOの含有量は、6%以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、Sb2O3は、適量添加することによりガラスの脱泡作用及び清澄作用をもたらすとともに、Nb2O5、Bi2O3、WO3及びTiO2等が還元することによる着色の発生を抑制する効果を有する任意成分である。しかしながら、Sb2O3の含有量を0.2%以上にしたとしても、上述した効果は上がらない。そのため、本発明の光学ガラスにおいては、Sb2O3の含有量を0%以上0.2%未満とした。同様の観点から、本発明の光学ガラスにおけるSb2O3の含有量は、0.1%以下であることが好ましい。
なお、上述した成分を含有する光学ガラスにおいて、B2O3は、ガラスの化学的耐久性及び溶融性の向上に寄与しないこと、並びに、ホウ素の揮発による品質(光学恒数、及び可視光に対する透明性を含む)の悪化の虞や、成形性に悪影響を及ぼす虞があることが判明した。そこで、本発明においては、B2O3を含まないこととした。
本発明の光学ガラスは、モル%で、Al2O3の含有量をEとし、Nb2O5の含有量をFとし、Bi2O3の含有量をGとし、WO3の含有量をHとし、TiO2の含有量をIとしたときに、下記式(I):
1.0≦(F+G+H+I)/E≦4.0 ・・・(I)
を満たすことが好ましい。具体的にいうと、Al2O3の含有量に対するNb2O5、Bi2O3、WO3及びTiO2の合計の含有量の割合を1.0以上とすることで、高い溶融性を保持することができ、溶融温度の上昇が抑えられて、ガラスの着色、ひいては可視光に対する透明性の悪化の原因となるNb2O5、Bi2O3、WO3、TiO2等の成分の還元をより効果的に抑制することができる。また、Al2O3の含有量に対するNb2O5、Bi2O3、WO3及びTiO2の合計の含有量の割合を4.0以下とすることで、所定のアッべ数(νd)と屈折率(nd)との関係性を実現しつつ、ガラスの濃密な着色をより効果的に抑制することができる。
0.30≦(F+G+H+I)/A≦0.75・・・(II)
を満たすことが好ましい。具体的にいうと、P2O5の含有量に対するNb2O5、Bi2O3、WO3及びTiO2の合計の含有量の割合を0.30以上とすることで、屈折率及び分散性を高め、所定のアッべ数(νd)と屈折率(nd)との関係性をより確実に実現することができる。また、P2O5の含有量に対するNb2O5、Bi2O3、WO3及びTiO2の合計の含有量の割合を0.75以下とすることで、耐失透性の悪化をより効果的に抑制することができる。
0.25≦(F+G+H+I)/(B+C+D)≦0.65・・・(III)
を満たすことが好ましい。具体的にいうと、Li2O、Na2O及びK2Oの合計の含有量に対するNb2O5、Bi2O3、WO3及びTiO2の合計の含有量の割合を0.25以上とすることで、化学的耐久性及び耐失透性の悪化をより効果的に抑制することができる。また、Li2O、Na2O及びK2Oの合計の含有量に対するNb2O5、Bi2O3、WO3及びTiO2の合計の含有量の割合を0.65以下とすることで、高い溶融性を保持することができ、溶融温度の上昇が抑えられて、ガラスの濃密な着色、ひいては可視光に対する透明性の悪化をより効果的に抑制することができる。
次に、本発明の光学ガラスの物性等について説明する。
本発明の光学ガラスは、高分散性を有する。具体的にいうと、本発明の光学ガラスは、アッべ数(νd)が40以下であり、好ましくは39以下である。また、本発明の光学ガラスは、所定のアッべ数(νd)と屈折率(nd)との関係性を実現して可視光に対する透明性を高める観点から、アッべ数(νd)が28以上であり、好ましくは29以上である。光学ガラスのアッべ数(νd)が28未満であると、高分散性を有することはできるものの、屈折率(nd)も過度に高くなり、可視光に対する高い透明性を得ることができない。
本発明の光学ガラスは、中屈折率を有する。具体的にいうと、本発明の光学ガラスの屈折率(nd)は、上述したアッべ数(νd)の値を用い、式(1):
1.72−0.0025×νd≦nd≦1.79−0.0025×νd・・・(1)
を満たすことを要する。なお、図1に、アッベ数(νd)をx軸とし、屈折率(nd)をy軸とする直交座標系において、本発明の光学ガラスにおけるアッベ数(νd)及び屈折率(nd)の範囲を示している。
また、本発明の光学ガラスの屈折率(nd)は、アッべ数(νd)の値を用い、式(2):
1.725−0.0025×νd≦nd≦1.785−0.0025×νd・・・(2)
を満たすことが好ましい。これにより、中屈折率高分散性を有する上、可視光に対する透明性が高い光学ガラスを実現しつつ、光学設計における自由度をより広げることができる。
本発明の光学ガラスは、上述した通り、可視光に対する透明性が高い。具体的にいうと、本発明の光学ガラスは、厚さ10mmにおける分光透過率80%を示す波長(λ80)が、425nm未満である。このように、本発明の光学ガラスは、可視光に対する透明性が高いため、色消しレンズや大口径のレンズに好適に用いることができる。
また、本発明の光学ガラスは、厚さ10mmにおける分光透過率80%を示す波長(λ80)が、400nm未満であることが好ましい。これにより、ガラスの吸収端が紫外線領域に達し、可視光領域の全ての光を通すこととなり、透明性の高い明るいレンズ等の光学素子の材料として、好適に用いることができる。
なお、「厚さ10mmにおける分光透過率80%を示す波長」は、日本光学硝子工業会規格のJOGIS02−2003「光学ガラスの着色度の測定方法」に準拠して測定される値を指す。
本発明の光学ガラスは、屈伏点(At)が560℃以下であることが好ましい。光学ガラスの屈伏点(At)が560℃以下であれば、精密モールドプレスを600℃以下の温度で行うことができ、金型の劣化(具体的には、金型材料に使用される超硬合金等の劣化)を抑制することができる。同様の観点から、本発明の光学ガラスは、屈伏点(At)が550℃以下であることがより好ましい。
なお、光学ガラスの屈伏点(At)は、十分に歪の除かれた光学ガラスの熱膨張曲線において、見かけ上、ガラスの膨張が停止する温度を指す。
次に、本発明の光学ガラスの製造方法について説明する。
本発明の光学ガラスの製造方法としては、特に限定されることなく、従来の製造方法に従って製造することができる。
例えば、まず、本発明の光学ガラスに含まれ得る各成分の原料として、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩などを所定の割合で秤量し、十分混合したものをガラス調合原料とする。次いで、この原料を、ガラス原料等と反応性のない溶融容器(例えば貴金属坩堝)に投入して、電気炉にて1000〜1200℃に加熱して溶融しながら適時撹拌する。次いで、電気炉で清澄、均質化してから、適当な温度に予熱した金型に鋳込んだ後、電気炉内で徐冷して歪みを取り除くことで、本発明の光学ガラスを製造することができる。
以下、本発明の精密モールドプレス用プリフォームについて、具体的に説明する。
ここで、精密モールドプレス用プリフォーム(以下、単に「プリフォーム」と称することがある。)は、周知の精密プレス成形法に用いられる予備成形されたガラス素材であり、すなわち、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。
なお、本発明の精密モールドプレス用プリフォームは、所望の性能を得る観点から、本発明の光学ガラスについて既述した、各成分の組成並びに屈折率及びアッベ数に関する必須要件を満たすことが好ましく、本発明の光学ガラスについて既述した、好ましいとされる各種要件を満たすことがより好ましい。
一方、両凸レンズの精密プレス成形に好適なプリフォームは、被プレス面の一方が凸面であり、他方が凸面または平面であるプリフォームである。
以下、本発明の光学素子を具体的に説明する。
本発明の光学素子は、本発明の光学ガラスを素材として用いたことを特徴とする。このように、本発明の光学素子は、本発明の光学ガラスを素材として用いているため、中屈折率高分散性を有する上、可視光に対する透明性が高い。
なお、本発明の光学素子は、所望の性能を得る観点から、本発明の光学ガラスについて既述した、各成分の組成並びに屈折率及びアッベ数に関する必須要件を満たすことが好ましく、本発明の光学ガラスについて既述した、好ましいとされる各種要件を満たすことがより好ましい。
次に、本発明の光学素子の製造方法について説明する。
本発明の光学素子は、例えば、上記本発明のプリフォームをプレス成形型を用いて精密プレス成形することにより、製造することができる。
第2の光学素子の製造方法(「光学素子製法II」とする。)は、加熱したプリフォームを予熱したプレス成形型に導入し、精密プレス成形し、光学素子を得る方法である。
また、実施例1〜26の光学ガラスの屈折率及びアッべ数の測定結果を、図1の直交座標系にプロットした。
また、本発明に従う実施例1〜26の光学ガラスは、いずれも、屈伏点(At)が560℃以下であるため、金型の劣化を抑制して、精密モールドプレスを600℃以下の温度で行うことができることも分かる。
Claims (3)
- モル%で、
P2O5:27%以上42%以下、
Li2O:1%以上33%以下、
Na2O:0%以上32%以下、
K2O:0%以上24%以下、
Nb2O5:8%超23%以下、
Al2O3:5%超14%以下、
ZnO:0%以上27%以下、
Bi2O3:0%以上4.5%未満、
WO3:0%以上10%以下、
TiO2:0%以上11%以下、
ZrO2:0%以上1.5%以下、
BaO:0%以上7%以下、
MgO:0%以上7%以下、
CaO:0%以上8%以下、
SrO:0%以上7%以下で、
Sb2O3:0%以上0.2%未満
の組成を有し、
Li2O、Na2O及びK2Oの合計の含有量が25%以上50%以下であり、
B2O3を含まず、
アッベ数(νd)が28以上40以下であり、且つ、屈折率(nd)が式(1):
1.72−0.0025×νd≦nd≦1.79−0.0025×νd・・・(1)
を満たし、
厚さ10mmにおける分光透過率80%を示す波長(λ80)が、425nm未満である、
ことを特徴とする、光学ガラス。 - 請求項1に記載の光学ガラスを素材として用いたことを特徴とする、精密モールドプレス用プリフォーム。
- 請求項1に記載の光学ガラスを素材として用いたことを特徴とする、光学素子。
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