JPWO2004092087A1 - 光弾性定数が小さいガラス - Google Patents
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Abstract
酸化物換算の質量%で、P2O535〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを0.5%より多く含有し、鉛成分を含有せず、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上である光弾性定数が小さいガラス。
Description
本発明は、プリズム、レンズ等の光学素子に使用するのに適し、特に、偏光光学系の光学素子である偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を構成するプリズム及び基板等に使用するのに好適な光弾性定数が小さいガラスに関する。
近年、偏光を利用した光学系、すなわち偏光光学系は、液晶プロジェクタをはじめとして様々な分野において利用されている。例えば、偏光を空間的に変調する空間光変調素子や、S偏光とP偏光とを分離する偏光ビームスプリッタなどが液晶プロジェクタなどに利用されており、これらの偏光光学系においては、偏光特性をより高精度に制御することが望まれている。
偏光光学系中の光学素子のうち、偏光ビームスプリッタや空間光変調素子などの偏光特性の保持が要求される偏光制御素子のプリズムや基板等に、光学的異方性を有する部材を用いると、透過した主光線とこれに直交する異常光線との間の位相差(光路差)が材料を透過する前と比較して変化し、偏光特性が保持できなくなるので、それらの素子には光学的に等方性を有する部材を使用する必要がある。
十分にアニールされ、除歪された光学的等方性を有する従来の光学ガラスを偏光光学系中の偏光特性の保持が要求される光学素子に用いた場合でも、機械的応力や熱応力がそれらのガラスに加わったときに、ガラスの光弾性定数が大きいと光弾性効果による光学的異方性、すなわち複屈折性を示すようになり、その結果、所望の偏光特性が得難くなるという問題がある。上記機械的応力は、たとえば、熱膨張率がガラスのそれと異なる材料をガラスと接合したりすることにより生じ、また、上記熱応力は、たとえば、周辺機器の発熱や、透過光のエネルギーを吸収することによるガラス自体の発熱により生じる。これらの応力がガラスに加わることによりガラスが示す複屈折性の大きさは光路差で示すことができる。光路差をδ(nm)、ガラスの厚さをd(cm)、応力をF(Pa)とすると下記の式(1)が成り立ち、光路差が大きいほど複屈折量が大きい。
δ=β・d・F 式(1)
上記式(1)における比例定数(β)は光弾性定数と呼ばれており、その値はガラスの種類によって異なる。上記式(1)に示すとおり、ガラスに加わる応力(F)およびガラスの厚さ(d)が同じ場合、光弾性定数(β)の絶対値が小さいガラスほど光路差(δ)、すなわち複屈折量が小さい。
偏光光学系に用いる部材の光弾性定数の寄与に関する論述は、例えば、特開平7−306314号公報や特開平8−234179号公報や特開平9−127461号公報などに記述されているとおりである。より具体的な数値解析としては、例えば、特開2000−171770号公報に開示されているような下記の関係式(2)を満たす部材が偏光光学系に望まれる。式(2)の右辺は、熱応力による複屈折量を示す。
5.00×102≧K・α・E・∫(1−T)dλ/ρ/Cp 式(2)
ここで、Kは光弾性定数(nm/mm・mm2/N)、αは線熱膨張係数(10−6/K)、Eはヤング率(103N/mm2)、λは使用光の波長(nm)、Tは波長λにおける部材の内部透過率、ρは部材の比重(g/cm3)、Cpは部材の比熱(J/g・k)であり、式(2)中の積分範囲は、部材の主たる吸収波長帯([420nm]〜[500nm])である。
式(2)に示されるとおり、熱応力による複屈折量は、光弾性定数の絶対値がゼロに近いほど低減できることが明らかである。
また、光弾性定数には波長依存性があり、可視光領域(400nm〜750nm)全般に渡って一定ではない。よって、光弾性定数の可視領域での代表値である波長546nmにおける光弾性定数が小さくても波長依存性が大きいと、波長によって偏光特性にばらつきが生じる。例えば、特開平11−133528号公報に、偏光ビームスプリッタならびにプリズム構成部材用の透光性部材として開示されているようなPbO高含有のガラスは、光弾性定数の波長依存性が大きく、特に短波長になるほど光弾性定数が小さくなる波長依存性があり、400nm〜700nmの光弾性定数の変化量Δβは0.8×10−5nm・cm−1・Pa−1前後となる。そのようなガラスを、例えば、液晶プロジェクタにおける偏光ビームスプリッタとして使用した場合、緑色(G)光(波長550nm近傍)でβ=0.0×10−5nm・cm−1・Pa−1としても、青色(B)光(波長430nm近傍)や赤色(R)光(波長640nm近傍)では、βの絶対値は概算で0.4×10−5nm・cm−1・Pa−1程度となり、特にB光では屈折率が大きいため、複屈折による光路差が大きくなってしまうという問題がある。
PbOは、ガラスの光弾性定数を小さくする効果が大きい成分であるため、上述のような、偏光光学系を構成する光学部材に使用するための光弾性定数が小さいガラスとして、従来、前記特開平11−133528号に開示されているSiO2−PbO系のガラスの他に、例えば、特開平9−48631号公報には、PbO−SiO2+B2O3+Al2O3系の光学ガラス、特開平11−335135号公報には、P2O5−PbO系のガラスおよびP2O5−PbO−BaO系のガラスが開示されているが、これらのガラスは、いずれも、光弾性定数を小さくするためにPbOを大量に含有している。
しかし、鉛成分は環境負荷が高い成分であり、鉛成分を含有するガラスを製造、加工、廃棄するに際には、環境対策上の措置を講じる必要があり、そのためのコストを要するうえ、近年、鉛成分を含有するガラスに対する規制をさらに厳しくする動きがあるため、鉛成分(例えば、PbO、PbF2など)を含有するガラスは、実用上好ましくないという欠点がある。
特開平9−48633号公報には、光弾性定数が小さい、弗化物燐酸系の偏光光学系用光学ガラスが開示されているが、同号公報には、具体的なガラスの組成が一切開示されていない。
また、上述した、特開平11−335135号公報には、BaO成分がガラスの光弾性定数を小さくする効果を有することが記載されており、鉛成分を含有せず、かつ、光弾性定数が小さいガラスとして、上記特開平11−335135号公報、特開平11−199269号公報、特開2000−34132号公報および特開2002−128540号公報に、P2O5−BaO系のガラスが開示されているが、これらの公報中には、+0.32×10−5nm・cm−1・Pa−1より小さい光弾性定数(β)を有する実施例のガラスは開示されていない。
本発明の目的は、上記従来技術の実情を鑑み、鉛成分を含有せず、かつ、光弾性定数(β)が−0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲、または−0.15×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa− 1の範囲、または−0.10×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、1.60以上の屈折率(nd)を有し、光弾性定数(β)の波長依存性が小さく、プリズム、レンズ等の光学素子に使用するのに適し、特に、偏光光学系の光学素子である偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を構成するプリズム及び基板等に使用するのに好適な光弾性定数が小さいガラスを提供することにある。
偏光光学系中の光学素子のうち、偏光ビームスプリッタや空間光変調素子などの偏光特性の保持が要求される偏光制御素子のプリズムや基板等に、光学的異方性を有する部材を用いると、透過した主光線とこれに直交する異常光線との間の位相差(光路差)が材料を透過する前と比較して変化し、偏光特性が保持できなくなるので、それらの素子には光学的に等方性を有する部材を使用する必要がある。
十分にアニールされ、除歪された光学的等方性を有する従来の光学ガラスを偏光光学系中の偏光特性の保持が要求される光学素子に用いた場合でも、機械的応力や熱応力がそれらのガラスに加わったときに、ガラスの光弾性定数が大きいと光弾性効果による光学的異方性、すなわち複屈折性を示すようになり、その結果、所望の偏光特性が得難くなるという問題がある。上記機械的応力は、たとえば、熱膨張率がガラスのそれと異なる材料をガラスと接合したりすることにより生じ、また、上記熱応力は、たとえば、周辺機器の発熱や、透過光のエネルギーを吸収することによるガラス自体の発熱により生じる。これらの応力がガラスに加わることによりガラスが示す複屈折性の大きさは光路差で示すことができる。光路差をδ(nm)、ガラスの厚さをd(cm)、応力をF(Pa)とすると下記の式(1)が成り立ち、光路差が大きいほど複屈折量が大きい。
δ=β・d・F 式(1)
上記式(1)における比例定数(β)は光弾性定数と呼ばれており、その値はガラスの種類によって異なる。上記式(1)に示すとおり、ガラスに加わる応力(F)およびガラスの厚さ(d)が同じ場合、光弾性定数(β)の絶対値が小さいガラスほど光路差(δ)、すなわち複屈折量が小さい。
偏光光学系に用いる部材の光弾性定数の寄与に関する論述は、例えば、特開平7−306314号公報や特開平8−234179号公報や特開平9−127461号公報などに記述されているとおりである。より具体的な数値解析としては、例えば、特開2000−171770号公報に開示されているような下記の関係式(2)を満たす部材が偏光光学系に望まれる。式(2)の右辺は、熱応力による複屈折量を示す。
5.00×102≧K・α・E・∫(1−T)dλ/ρ/Cp 式(2)
ここで、Kは光弾性定数(nm/mm・mm2/N)、αは線熱膨張係数(10−6/K)、Eはヤング率(103N/mm2)、λは使用光の波長(nm)、Tは波長λにおける部材の内部透過率、ρは部材の比重(g/cm3)、Cpは部材の比熱(J/g・k)であり、式(2)中の積分範囲は、部材の主たる吸収波長帯([420nm]〜[500nm])である。
式(2)に示されるとおり、熱応力による複屈折量は、光弾性定数の絶対値がゼロに近いほど低減できることが明らかである。
また、光弾性定数には波長依存性があり、可視光領域(400nm〜750nm)全般に渡って一定ではない。よって、光弾性定数の可視領域での代表値である波長546nmにおける光弾性定数が小さくても波長依存性が大きいと、波長によって偏光特性にばらつきが生じる。例えば、特開平11−133528号公報に、偏光ビームスプリッタならびにプリズム構成部材用の透光性部材として開示されているようなPbO高含有のガラスは、光弾性定数の波長依存性が大きく、特に短波長になるほど光弾性定数が小さくなる波長依存性があり、400nm〜700nmの光弾性定数の変化量Δβは0.8×10−5nm・cm−1・Pa−1前後となる。そのようなガラスを、例えば、液晶プロジェクタにおける偏光ビームスプリッタとして使用した場合、緑色(G)光(波長550nm近傍)でβ=0.0×10−5nm・cm−1・Pa−1としても、青色(B)光(波長430nm近傍)や赤色(R)光(波長640nm近傍)では、βの絶対値は概算で0.4×10−5nm・cm−1・Pa−1程度となり、特にB光では屈折率が大きいため、複屈折による光路差が大きくなってしまうという問題がある。
PbOは、ガラスの光弾性定数を小さくする効果が大きい成分であるため、上述のような、偏光光学系を構成する光学部材に使用するための光弾性定数が小さいガラスとして、従来、前記特開平11−133528号に開示されているSiO2−PbO系のガラスの他に、例えば、特開平9−48631号公報には、PbO−SiO2+B2O3+Al2O3系の光学ガラス、特開平11−335135号公報には、P2O5−PbO系のガラスおよびP2O5−PbO−BaO系のガラスが開示されているが、これらのガラスは、いずれも、光弾性定数を小さくするためにPbOを大量に含有している。
しかし、鉛成分は環境負荷が高い成分であり、鉛成分を含有するガラスを製造、加工、廃棄するに際には、環境対策上の措置を講じる必要があり、そのためのコストを要するうえ、近年、鉛成分を含有するガラスに対する規制をさらに厳しくする動きがあるため、鉛成分(例えば、PbO、PbF2など)を含有するガラスは、実用上好ましくないという欠点がある。
特開平9−48633号公報には、光弾性定数が小さい、弗化物燐酸系の偏光光学系用光学ガラスが開示されているが、同号公報には、具体的なガラスの組成が一切開示されていない。
また、上述した、特開平11−335135号公報には、BaO成分がガラスの光弾性定数を小さくする効果を有することが記載されており、鉛成分を含有せず、かつ、光弾性定数が小さいガラスとして、上記特開平11−335135号公報、特開平11−199269号公報、特開2000−34132号公報および特開2002−128540号公報に、P2O5−BaO系のガラスが開示されているが、これらの公報中には、+0.32×10−5nm・cm−1・Pa−1より小さい光弾性定数(β)を有する実施例のガラスは開示されていない。
本発明の目的は、上記従来技術の実情を鑑み、鉛成分を含有せず、かつ、光弾性定数(β)が−0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲、または−0.15×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa− 1の範囲、または−0.10×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、1.60以上の屈折率(nd)を有し、光弾性定数(β)の波長依存性が小さく、プリズム、レンズ等の光学素子に使用するのに適し、特に、偏光光学系の光学素子である偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を構成するプリズム及び基板等に使用するのに好適な光弾性定数が小さいガラスを提供することにある。
本発明者等は、前記目的を達成するために鋭意試験研究を重ねた結果、特定組成範囲のP2O5−BaO系ガラスにTl2O成分を含有させることによって、鉛成分を含有することなく、非常に小さな光弾性定数を有するガラスが得られることを見出し、本発明をなすに至った。
すなわち、本発明は、酸化物換算の質量%で、P2O535〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを0.5%より多く含有し、鉛成分を含有せず、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さい第1のガラスを提供する。
また本発明は、酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを0.5%より多く含有し、鉛成分を含有せず、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.15×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa− 1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さい第2のガラスを提供する。
また本発明は、酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを0.5%より多く含有し、鉛成分を含有せず、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.10×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa− 1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さい第3のガラスを提供する。
また本発明は、酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを1%以上含有し、鉛成分を含有せず、A=(Tl2O−(B2O3+(Al2O3)2+CaO+Y2O3+Gd2O3+Nb2O5+MgO+Lu2O3+Bi2O3))÷Tl2Oで示される質量比A値が、0.50より大きく1.00以下の範囲であり、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.25×10− 5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さい第4のガラスを提供する。
また本発明は、酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを1%以上含有し、鉛成分を含有せず、A=(Tl2O−(B2O3+(Al2O3)2+CaO+Y2O3+Gd2O3+Nb2O5+MgO+Lu2O3+Bi2O3))÷Tl2Oで示される質量比A値が、0.50より大きく1.00以下の範囲であり、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.15×10− 5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さい第5のガラスを提供する。
また本発明は、酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを1%以上含有し、鉛成分を含有せず、A=(Tl2O−(B2O3+(Al2O3)2+CaO+Y2O3+Gd2O3+Nb2O5+MgO+Lu2O3+Bi2O3))÷Tl2Oで示される質量比A値が、0.50より大きく1.00以下の範囲であり、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.10×10− 5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さい第6のガラスを提供する。
本発明の他の側面においては、酸化物換算の質量%で、
Tl2O 0.5%より多く25%まで、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%
を含有し、さらに、
Al2O3 0 〜 3%、および/または、
B2O3 0 〜 5%未満、および/または、
La2O3 0 〜 6%、および/または、
Y2O3 0 〜 5%、および/または、
Gd2O3 0 〜 5%、および/または、
Nb2O5 0 〜 5%、および/または、
MgO 0 〜 1%未満、および/または、
CaO 0 〜 3%、および/または、
SrO 0 〜 15%、および/または、
Li2O 0 〜 3%、および/または、
Na2O 0 〜 3%、および/または、
K2O 0 〜 3%、および/または、
Cs2O 0 〜 5%、および/または、
Bi2O3 0 〜 5%、および/または、
Lu2O3 0 〜 5%、および/または、
Sb2O3 0 〜 4% を含有し、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が96%以下であり、上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする光弾性定数が小さい前記第1〜第3のガラスが提供される。
本発明の他の側面においては、酸化物換算の質量%で、
Tl2O 1%〜 25%、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%
を含有し、さらに、
Al2O3 0 〜 3%、および/または、
B2O3 0 〜 5%未満、および/または、
La2O3 0 〜 6%、および/または、
Y2O3 0 〜 5%、および/または、
Gd2O3 0 〜 5%、および/または、
Nb2O5 0 〜 5%、および/または、
MgO 0 〜 1%未満、および/または、
CaO 0 〜 3%、および/または、
SrO 0 〜 15%、および/または、
Li2O 0 〜 3%、および/または、
Na2O 0 〜 3%、および/または、
K2O 0 〜 3%、および/または、
Cs2O 0 〜 5%、および/または、
Bi2O3 0 〜 5%、および/または、
Lu2O3 0 〜 5%、および/または、
Sb2O3 0 〜 4%を含有し、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が、96%以下であり、上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする光弾性定数が小さい前記第1〜第6のガラスが提供される。
本発明の他の側面においては、酸化物換算の質量%で、
Tl2O 0.5%より多く25%まで、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%
を含有し、さらに、
Al2O3 0 〜 3%、および/または、
B2O3 0 〜 5%未満、および/または、
La2O3 0 〜 6%、および/または、
Y2O3 0 〜 5%、および/または、
Gd2O3 0 〜 5%、および/または、
Nb2O5 0 〜 5%、および/または、
MgO 0 〜 1%未満、および/または、
CaO 0 〜 3%、および/または、
SrO 0 〜 15%、および/または、
Li2O 0 〜 3%、および/または、
Na2O 0 〜 3%、および/または、
K2O 0 〜 3%、および/または、
Cs2O 0 〜 5%、および/または、
Bi2O3 0 〜 5%、および/または、
Lu2O3 0 〜 5%、および/または、
Sb2O3 0 〜 4% を含有し、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が93%以下であり、上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする光弾性定数が小さい前記第1〜第3のガラスが提供される。
本発明の他の側面においては、酸化物換算の質量%で、
Tl2O 1%〜 25%、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%
を含有し、さらに、
Al2O3 0 〜 3%、および/または、
B2O3 0 〜 5%未満、および/または、
La2O3 0 〜 6%、および/または、
Y2O3 0 〜 5%、および/または、
Gd2O3 0 〜 5%、および/または、
Nb2O5 0 〜 5%、および/または、
MgO 0 〜 1%未満、および/または、
CaO 0 〜 3%、および/または、
SrO 0 〜 15%、および/または、
Li2O 0 〜 3%、および/または、
Na2O 0 〜 3%、および/または、
K2O 0 〜 3%、および/または、
Cs2O 0 〜 5%、および/または、
Bi2O3 0 〜 5%、および/または、
Lu2O3 0 〜 5%、および/または、
Sb2O3 0 〜 4%を含有し、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が、93%以下であり、上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする光弾性定数が小さい前記第1〜第6のガラスが提供される。
本発明の他の側面においては、酸化物換算の質量%で、
Tl2O 0.5%より多く25%まで、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%、
Al2O3 0 〜 3%、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が93%以下、
B2O3 0 〜 5%未満、
La2O3 0 〜 6%、
Y2O3 0 〜 5%、
Gd2O3 0 〜 5%、
Nb2O5 0 〜 5%、
MgO 0 〜 1%未満、
CaO 0 〜 3%、
SrO 0 〜 15%、
Li2O 0 〜 3%、
Na2O 0 〜 3%、
K2O 0 〜 3%、
Cs2O 0 〜 5%、
Bi2O3 0 〜 5%、
Lu2O3 0 〜 5%、
Sb2O3 0 〜 4%、
上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする光弾性定数が小さい前記第1〜第3のガラスが提供される。
本発明の他の側面においては酸化物換算の質量%で、
Tl2O 1%〜 25%、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%、
Al2O3 0 〜 3%、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が、93%以下、
B2O3 0 〜 5%未満、
La2O3 0 〜 6%、
Y2O3 0 〜 5%、
Gd2O3 0 〜 5%、
Nb2O5 0 〜 5%、
MgO 0 〜 1%未満、
CaO 0 〜 3%、
SrO 0 〜 15%、
Li2O 0 〜 3%、
Na2O 0 〜 3%、
K2O 0 〜 3%、
Cs2O 0 〜 5%、
Bi2O3 0 〜 5%、
Lu2O3 0 〜 5%、
Sb2O3 0 〜 4%、
上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする光弾性定数が小さい前記第1〜第6のガラスが提供される。
本発明の他の側面においては、前記本発明により提供されるガラスであって波長644nmにおける光弾性定数(β)と、波長436nmにおける光弾性定数(β)との差の絶対値が0.1×10−5nm・cm−1・Pa−1以下であることを特徴とする光弾性定数が小さいガラスが提供される。
本発明の他の側面においては前記本発明により提供されるガラスであって10mm厚のガラスの反射損失を含む分光透過率が80%を示す波長が380nm以下であることを特徴とする光弾性定数が小さいガラスが提供される。
Tl2Oを含有するP2O5−BaO系ガラスである本発明の光弾性定数が小さいガラスは、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲、または−0.15×10−5nm・cm−1・Pa− 1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲、または−0.10×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であり、光弾性定数(β)の波長依存性も小さいため、プリズム、レンズ等の光学素子に使用するのに適しており、特に、偏光光学系の光学素子である偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を構成するプリズム及び基板等に使用するのに好適である。さらに、鉛成分を含有していないため、環境負荷が低く、環境対策上の措置に要するコストを大幅に低減できる効果も有する。
すなわち、本発明は、酸化物換算の質量%で、P2O535〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを0.5%より多く含有し、鉛成分を含有せず、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さい第1のガラスを提供する。
また本発明は、酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを0.5%より多く含有し、鉛成分を含有せず、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.15×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa− 1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さい第2のガラスを提供する。
また本発明は、酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを0.5%より多く含有し、鉛成分を含有せず、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.10×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa− 1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さい第3のガラスを提供する。
また本発明は、酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを1%以上含有し、鉛成分を含有せず、A=(Tl2O−(B2O3+(Al2O3)2+CaO+Y2O3+Gd2O3+Nb2O5+MgO+Lu2O3+Bi2O3))÷Tl2Oで示される質量比A値が、0.50より大きく1.00以下の範囲であり、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.25×10− 5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さい第4のガラスを提供する。
また本発明は、酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを1%以上含有し、鉛成分を含有せず、A=(Tl2O−(B2O3+(Al2O3)2+CaO+Y2O3+Gd2O3+Nb2O5+MgO+Lu2O3+Bi2O3))÷Tl2Oで示される質量比A値が、0.50より大きく1.00以下の範囲であり、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.15×10− 5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さい第5のガラスを提供する。
また本発明は、酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを1%以上含有し、鉛成分を含有せず、A=(Tl2O−(B2O3+(Al2O3)2+CaO+Y2O3+Gd2O3+Nb2O5+MgO+Lu2O3+Bi2O3))÷Tl2Oで示される質量比A値が、0.50より大きく1.00以下の範囲であり、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.10×10− 5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さい第6のガラスを提供する。
本発明の他の側面においては、酸化物換算の質量%で、
Tl2O 0.5%より多く25%まで、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%
を含有し、さらに、
Al2O3 0 〜 3%、および/または、
B2O3 0 〜 5%未満、および/または、
La2O3 0 〜 6%、および/または、
Y2O3 0 〜 5%、および/または、
Gd2O3 0 〜 5%、および/または、
Nb2O5 0 〜 5%、および/または、
MgO 0 〜 1%未満、および/または、
CaO 0 〜 3%、および/または、
SrO 0 〜 15%、および/または、
Li2O 0 〜 3%、および/または、
Na2O 0 〜 3%、および/または、
K2O 0 〜 3%、および/または、
Cs2O 0 〜 5%、および/または、
Bi2O3 0 〜 5%、および/または、
Lu2O3 0 〜 5%、および/または、
Sb2O3 0 〜 4% を含有し、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が96%以下であり、上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする光弾性定数が小さい前記第1〜第3のガラスが提供される。
本発明の他の側面においては、酸化物換算の質量%で、
Tl2O 1%〜 25%、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%
を含有し、さらに、
Al2O3 0 〜 3%、および/または、
B2O3 0 〜 5%未満、および/または、
La2O3 0 〜 6%、および/または、
Y2O3 0 〜 5%、および/または、
Gd2O3 0 〜 5%、および/または、
Nb2O5 0 〜 5%、および/または、
MgO 0 〜 1%未満、および/または、
CaO 0 〜 3%、および/または、
SrO 0 〜 15%、および/または、
Li2O 0 〜 3%、および/または、
Na2O 0 〜 3%、および/または、
K2O 0 〜 3%、および/または、
Cs2O 0 〜 5%、および/または、
Bi2O3 0 〜 5%、および/または、
Lu2O3 0 〜 5%、および/または、
Sb2O3 0 〜 4%を含有し、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が、96%以下であり、上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする光弾性定数が小さい前記第1〜第6のガラスが提供される。
本発明の他の側面においては、酸化物換算の質量%で、
Tl2O 0.5%より多く25%まで、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%
を含有し、さらに、
Al2O3 0 〜 3%、および/または、
B2O3 0 〜 5%未満、および/または、
La2O3 0 〜 6%、および/または、
Y2O3 0 〜 5%、および/または、
Gd2O3 0 〜 5%、および/または、
Nb2O5 0 〜 5%、および/または、
MgO 0 〜 1%未満、および/または、
CaO 0 〜 3%、および/または、
SrO 0 〜 15%、および/または、
Li2O 0 〜 3%、および/または、
Na2O 0 〜 3%、および/または、
K2O 0 〜 3%、および/または、
Cs2O 0 〜 5%、および/または、
Bi2O3 0 〜 5%、および/または、
Lu2O3 0 〜 5%、および/または、
Sb2O3 0 〜 4% を含有し、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が93%以下であり、上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする光弾性定数が小さい前記第1〜第3のガラスが提供される。
本発明の他の側面においては、酸化物換算の質量%で、
Tl2O 1%〜 25%、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%
を含有し、さらに、
Al2O3 0 〜 3%、および/または、
B2O3 0 〜 5%未満、および/または、
La2O3 0 〜 6%、および/または、
Y2O3 0 〜 5%、および/または、
Gd2O3 0 〜 5%、および/または、
Nb2O5 0 〜 5%、および/または、
MgO 0 〜 1%未満、および/または、
CaO 0 〜 3%、および/または、
SrO 0 〜 15%、および/または、
Li2O 0 〜 3%、および/または、
Na2O 0 〜 3%、および/または、
K2O 0 〜 3%、および/または、
Cs2O 0 〜 5%、および/または、
Bi2O3 0 〜 5%、および/または、
Lu2O3 0 〜 5%、および/または、
Sb2O3 0 〜 4%を含有し、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が、93%以下であり、上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする光弾性定数が小さい前記第1〜第6のガラスが提供される。
本発明の他の側面においては、酸化物換算の質量%で、
Tl2O 0.5%より多く25%まで、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%、
Al2O3 0 〜 3%、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が93%以下、
B2O3 0 〜 5%未満、
La2O3 0 〜 6%、
Y2O3 0 〜 5%、
Gd2O3 0 〜 5%、
Nb2O5 0 〜 5%、
MgO 0 〜 1%未満、
CaO 0 〜 3%、
SrO 0 〜 15%、
Li2O 0 〜 3%、
Na2O 0 〜 3%、
K2O 0 〜 3%、
Cs2O 0 〜 5%、
Bi2O3 0 〜 5%、
Lu2O3 0 〜 5%、
Sb2O3 0 〜 4%、
上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする光弾性定数が小さい前記第1〜第3のガラスが提供される。
本発明の他の側面においては酸化物換算の質量%で、
Tl2O 1%〜 25%、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%、
Al2O3 0 〜 3%、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が、93%以下、
B2O3 0 〜 5%未満、
La2O3 0 〜 6%、
Y2O3 0 〜 5%、
Gd2O3 0 〜 5%、
Nb2O5 0 〜 5%、
MgO 0 〜 1%未満、
CaO 0 〜 3%、
SrO 0 〜 15%、
Li2O 0 〜 3%、
Na2O 0 〜 3%、
K2O 0 〜 3%、
Cs2O 0 〜 5%、
Bi2O3 0 〜 5%、
Lu2O3 0 〜 5%、
Sb2O3 0 〜 4%、
上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする光弾性定数が小さい前記第1〜第6のガラスが提供される。
本発明の他の側面においては、前記本発明により提供されるガラスであって波長644nmにおける光弾性定数(β)と、波長436nmにおける光弾性定数(β)との差の絶対値が0.1×10−5nm・cm−1・Pa−1以下であることを特徴とする光弾性定数が小さいガラスが提供される。
本発明の他の側面においては前記本発明により提供されるガラスであって10mm厚のガラスの反射損失を含む分光透過率が80%を示す波長が380nm以下であることを特徴とする光弾性定数が小さいガラスが提供される。
Tl2Oを含有するP2O5−BaO系ガラスである本発明の光弾性定数が小さいガラスは、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲、または−0.15×10−5nm・cm−1・Pa− 1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲、または−0.10×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であり、光弾性定数(β)の波長依存性も小さいため、プリズム、レンズ等の光学素子に使用するのに適しており、特に、偏光光学系の光学素子である偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を構成するプリズム及び基板等に使用するのに好適である。さらに、鉛成分を含有していないため、環境負荷が低く、環境対策上の措置に要するコストを大幅に低減できる効果も有する。
以下、本発明について詳細に説明する。
なお、本明細書中において、「酸化物換算」とは、本発明のガラス構成部分の原料として使用される酸化物、複合塩、金属弗化物等が溶融時にすべて分解され酸化物へ変化すると仮定した場合において、ガラス中に含有される各成分を当該生成酸化物の質量に換算したものである。酸化物換算の質量%としてガラス組成を表わすときは当該生成酸化物の質量の総和を基準=100としている。
また、本明細書中において「各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量」とは、「本発明のガラス組成物中に存在しうるフッ素の含有量をF原子として計算した場合の質量」をxとし、「前記酸化物換算によって示される生成酸化物の質量の総和」をyとしたとき、x÷y×100で示される百分率で表わしたものである。
本発明の1つの態様において、プリズム、レンズ等の光学素子に使用するのに適し、特に、偏光光学系の光学素子である偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を構成するプリズム及び基板等に使用するのに好適なガラスを得るためには、波長546nmにおける光弾性定数(β)は、下限が−0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1であるのが好ましく、−0.15×10−5nm・cm−1・Pa−1であるのがより好ましく、−0.10×10−5nm・cm−1・Pa−1であるのが最も好ましく、上限が、+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1であるのが好ましく、+0.25×10−5nm・cm−1・Pa− 1であるのがより好ましく、+0.20×10−5nm・cm−1・Pa− 1であるのが最も好ましい。本発明において、波長546nmにおける光弾性定数(β)の所望の範囲とは上述の下限と上限をそれぞれ選択する事により得られる範囲である。
上述した波長546nmにおける光弾性定数(β)が所望の範囲であり、かつ、光学設計上、特に偏光制御素子の偏光膜作成に有効な1.60以上の屈折率(nd)を有する光弾性定数が小さいガラスを、例えば、レンズ、プリズム等の光学素子、偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子の基板やプリズム等に使用することによって、熱応力や機械的応力により生じる複屈折量が小さいレンズ、プリズム等の光学素子、偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を作製することができる。
また、上述した波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.10×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、かつ、光学設計上、特に偏光制御素子の偏光膜作成に有効な1.60以上の屈折率(nd)を有する光弾性定数が小さいガラスを、例えば、レンズ、プリズム等の光学素子、偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子の基板やプリズム等に使用することによって、熱応力や機械的応力により生じる複屈折量が非常に小さいレンズ、プリズム等の光学素子、偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を作成できるため、液晶プロジェクタ等の機内温度が高温になる装置のレンズ、プリズム等の光学素子、偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子の基板やプリズム等に使用するのに適している。
波長644nmにおける光弾性定数(β)と、波長436nmにおける光弾性定数(β)との差の絶対値が0.1×10−5nm・cm−1・Pa−1以下である本発明の光弾性定数が小さいガラスは、光の3原色である赤色(R)光(波長640nm近傍)、緑色(G)光(波長550nm近傍)および青色(B)光(波長430nm近傍)間における波長依存性が非常に小さいため、このガラスを、例えば、液晶プロジェクタ等のカラーの投射型表示装置の偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子の基板やプリズム等に使用すると、上記3原色における複屈折量の差がほとんど無く、上記3原色において設計どおりの偏光特性を保持する偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を作製できるという利点がある。
本発明の光弾性定数が小さいガラスにおいて、P2O5成分は、ガラス形成酸化物であるため、必須の成分であり、安定なガラスを形成するため、その量を35%以上とすることが好ましく、36%以上とすることがより好ましく、37%以上とすることが最も好ましい。その一方、光弾性定数(β)を低下させる他の成分を十分に含有させ、所望の光弾性定数(β)を得やすくするため、49%未満とすることが好ましく、45%までとすることがより好ましく、44%までとすることが最も好ましい。
本発明の光弾性定数が小さいガラスにおいて、BaO成分は、光弾性定数(β)を小さくする効果が大きいため、必須の成分である。所望の光弾性定数(β)を得やすくするには30%以上含有させることが好ましい。特に所望の光弾性定数を容易に得るにはBaO成分の下限は32%がより好ましく、34%が最も好ましい。また、BaO成分の上限は55%を越えるとガラス化範囲の限界に近づくため、より安定なガラスを得るには、55%までとすることが好ましく、54%までとすることがより好ましく、52%までとすることが最も好ましい。
Tl2O成分は、本発明において、光弾性定数を小さくする効果が非常に大きいことを見出した重要な成分であり、かつ、ガラスの溶融性や安定性を向上させ、屈折率を高める効果を有するため、本発明の光弾性定数が小さいガラスにおいて、必須の成分である。Tl2O成分を0.5%より多く含有させることにより、陽イオンとしては大きな分極率をもつタリウム(Tl)イオンがガラス中に導入されると、波長546nmにおける光弾性定数(β)が所望の範囲であり、かつ、光学設計上、特に偏光制御素子の偏光膜作成に有効な1.60以上の屈折率(nd)を有する光弾性定数が小さいガラスが得やすくなる。
上記光弾性定数が小さいガラスをより得やすくするためにはTl2O成分の下限は1%以上がより好ましく、2%以上が最も好ましい。
さらに光弾性定数の小さいガラスを得る上でTl2O成分を0.5%以上含有させ、下記式(3)で定義される質量比A値を、0.50より大きく1.00以下の範囲とすることが好ましく、Tl2O成分を1%以上含有させ、前記A値を0.50より大きく1.00以下の範囲とすることがより好ましく、Tl2O成分を2%以上含有させ、前記A値を0.50より大きく1.00以下の範囲とすることが最も好ましい。
A=(Tl2O−(B2O3+(Al2O3)2+CaO+Y2O3+Gd2O3+Nb2O5+MgO+Lu2O3+Bi2O3))÷Tl2O 式(3)
上記式(3)で、Tl2Oと示した量は、Tl2O成分の酸化物換算の含有質量%を意味し、他の酸化物についても同様である。
上記式(3)で示される質量比A値は、Tl2O成分の実効率を示すものであり、右辺の第二括弧内は、光弾性定数を大きくする酸化物の質量%の和である。光弾性定数を大きくする効果がある酸化物の中でも、特にAl2O3成分は、光弾性定数を増大する作用が大きいため、二乗で寄与する。右辺の第二括弧内の和が小さければ、Tl2O成分による光弾性定数低下効果が効率よく発揮され、逆に、右辺の第二括弧内の和が大きければ、Tl2O成分による光弾性定数低下効果を十分に得るために、Tl2O成分を多く含有させる必要があることを意味する。
すなわち、Tl2O成分を0.5%より多く含有させ、上記式(3)で定義される質量比A値を0.50より大きく1.00以下の範囲とすることにより(より好ましくはTl2O成分を1%以上含有させ、前記A値を0.50より大きく1.00以下の範囲とすることにより、最も好ましくはTl2O成分を2%以上含有させ、前記A値を0.50より大きく1.00以下の範囲とすることにより)、陽イオンとしては大きな分極率をもつタリウム(Tl)イオンがガラス中にさらに多く導入され、波長546nmにおける光弾性定数(β)が所望の範囲であり、かつ、光学設計上、特に偏光制御素子の偏光膜作成に有効な1.60以上の屈折率(nd)を有する光弾性定数が小さいガラスがより得やすくなる。
また、Tl2O成分の量が25%より多いとガラスが着色し、化学的耐久性が低下する傾向があるため、その量を25%までとすることが好ましく、より好ましくは23%までとし、21%までとすることが最も好ましい。
Al2O3成分は、光学定数を調整する効果、化学的耐久性及び機械的強度を向上させる効果や、平均線膨張係数を小さくする効果を得るために、任意に含有させることができる。しかし、Al2O3成分は光弾性定数を著しく大きくし、かつ、ガラスの安定性を低下させるため、3%より多く含有させることは好ましくない。より好ましくはAl2O3成分の含有量を2.5%以下とすることであり、また、光弾性定数が小さいガラスを得やすくするためには、含有させないことが最も好ましい。
所望の光弾性定数(β)および光学特性(屈折率など)を有するガラスを得やすくするためには、P2O5+BaO+Al2O3の合計量は、96%以下であることが好ましい。この合計量が96%より多いと、含有させうる他の成分の種類や含有量が限定されるため、ガラスを構成する成分を多成分にすることによってガラスを安定化させる効果が得にくくなり、生産性の悪化につながりやすく、また、Tl2O成分や、後述するLa2O3成分やSrO成分のような光弾性定数を小さくする効果をもつ成分を効果的に導入しにくくなり、所望の光弾性定数が得にくくなる。より生産性が良く、光弾性定数を小さくする効果をもつ成分を効果的に導入し、所望の光弾性定数を得やすくするためにはP2O6+BaO+Al2O3の合計量は、94%以下がより好ましく、93%以下が最も好ましい。
B2O3成分は、ガラスの溶融性や安定性を良好にする効果があり、特にLa2O3を含有させやすくなることから、必要に応じて含有させることが可能であるが、5%以上であると所望の光弾性定数(β)を得にくくなる。よって、5%未満とすることが好ましい。また、小さな光弾性定数をもつガラスを得やすくするためには、3%以下とすることがより好ましく、含有させないことが最も好ましい。
La2O3成分は、光弾性定数を小さくし、化学的耐久性や機械的強度を向上させる効果があるが、6%を超えると、ガラスの失透性を増大させる傾向がある。よって、上限を6%までとすることが好ましく、5%までとすることがより好ましく、4%までとすることが最も好ましい。
また、Y2O3、Gd2O3及びNb2O5の各成分は、屈折率を高める効果があるため、光学定数の調整に有用であり、また、化学的耐久性及び機械的強度を向上させる効果があるため、任意に含有させることができるが、過度に含有させると、光弾性定数を増大させるばかりでなく、ガラスの安定性を低下させるので、これら3成分の含有量は、それぞれ、5%までとすることが好ましく、3%までとすることがより好ましい。また、小さな光弾性定数をもつガラスを得やすくするためには、これら3成分の一種または二種以上を含有させないことが最も好ましい。
MgO成分は、光学定数を調整する効果、化学的耐久性及び機械的強度を向上させる効果や平均線膨張係数を小さくする効果を得るために、任意に含有させることができる。しかし、MgO成分は光弾性定数を大きくする作用があり、かつ、過度に含有させるとガラスの安定性が低下するため、1%未満とすることが好ましい。また、小さな光弾性定数をもつガラスを得やすくするためには、0.5%以下がより好ましく、含有させないことが最も好ましい。
CaO成分は、光学定数を調整する効果、化学的耐久性及び機械的強度を向上させる効果や平均線膨張係数を小さくする効果を得るために、任意に含有させることができる。しかし、CaO成分は、光弾性定数を大きくする作用があり、かつ、過度に含有させるとガラスの安定性が低下するため、3%までとすることが好ましく、2%までとすることがより好ましい。また、小さな光弾性定数をもつガラスを得やすくするためには、含有させないことが最も好ましい。
SrO成分は、BaO成分と同様に光弾性定数を小さくする成分であり、任意に含有させることが可能であるが、15%を越えるとガラスの安定性が著しく低下する。よって、15%までとすることが好ましく、13%までとすることがより好ましく、10%までとすることが最も好ましい。
Li2O、Na2OおよびK2Oの各成分は、ガラス原料の溶融促進や溶融ガラスを清澄する際の脱泡性を向上させる効果がある成分であり、必要に応じて、任意に含有させることが可能であるが、いずれの成分も含有量が3%を超えると、化学的耐久性を悪化させるため、これら3成分の含有量は、それぞれ、3%までとすることが好ましく、2.5%までとすることがより好ましく、2%までとすることが最も好ましい。
Cs2O成分は、光弾性定数を維持したまま屈折率を調整できる効果を有する任意添加成分であるが、過度に含有させるとガラスの安定性が悪化するため、上限は5%とすることが好ましく、4%までとすることがより好ましく、3%までとすることが最も好ましい。
Lu2O3成分は、屈折率調整効果、特に高屈折率化の効果を有するため、任意に含有させることができるが、光弾性定数を大きくする作用があるため、上限を5%とすることが好ましく、3%までとすることがより好ましい。また、小さな光弾性定数をもつガラスを得やすくするためには、含有させないことが最も好ましい。
Bi2O3成分は、屈折率調整効果、特に高屈折率化の効果を有するため、任意に含有させることができるが、光弾性定数を大きくする作用があり、加えて、少量の添加でもガラスの着色が顕著になるため、5%までとすることが好ましく、3%までとすることがより好ましい。また、小さな光弾性定数をもつガラスを得やすくするためには、含有させないことが最も好ましい。
Sb2O3成分は、ガラスを清澄及び均質化する効果を有することに加えて、屈折率を調整する効果及び光弾性定数を調整する効果を有するため任意に添加することができるが、ガラス原料を溶融する際に過度な発泡をおこすため、含有量を4%以下とすることが好ましく、より好ましい上限は3%以下であり、最も好ましい上限は2%以下である。
F(弗素)成分は、ガラスの溶融性を高めかつ脱泡を促進する効果があり、さらに、光弾性定数を小さくする効果があるが、多量に含有させると、所望の屈折率を得がたくなるうえ、弗素の揮発により脈理が生じやすくやすくなり、ガラスの特性変動も著しくなるため、上述した各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量は、5%を上限とすることが好ましく、4.5%を上限とすることがより好ましく、4%を上限とすることが最も好ましい。
なお、SiO2、ZrO2、ZnO、TeO2、Ta2O5、GeO2、Yb2O3、WO3およびTiO2成分は、本発明の効果を損なわない範囲で含有させることが可能であるが、所望の物性の実現及びガラスの安定性を考慮すると、SiO2、ZrO2、ZnO、TeO2、Ta2O6、GeO2、Yb2O3、WO3およびTiO2の各成分は、それぞれ、含有量を3%未満とすることが好ましく、2%未満とすることがより好ましく、含有させないことが最も好ましい。
さらに本発明の光学ガラスにおいては、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Eu、Nd、Sm、Tb、Dy、Er等の着色成分は、含有しない事が好ましい。ただし、ここでいう含有しないとは、不純物として混入される場合を除き、人為的に含有させないことを意味する。
ガラスを清澄及び均質化する効果を有する公知の脱泡剤である砒素成分(例えば、As2O3)は、鉛成分と同様に環境負荷が高い成分であることのほかに、P2O5−BaO系ガラスに含有させると、可視光領域(特に400〜550nm)の光線透過性を悪化させるため、含有させないことがより好ましい。
また、鉛成分は、上述のとおり、環境負荷が高い成分であり、鉛成分を含有するガラスを製造、加工、廃棄するに際には、環境対策上の措置を講じる必要があり、そのためのコストを要するうえ、近年、鉛成分を含有するガラスに対する規制をさらに厳しくする動きがあるため、本発明の光弾性定数が小さいガラスに鉛成分を含有させるべきではない。
また、10mm厚のガラスの反射損失を含む分光透過率が80%を示す波長が380nm以下である本発明の光弾性定数が小さいガラスは、可視光領域(400nm〜750nm)において、十分な光線透過性を有するため、多種多様な用途をもつ光学ガラスとして使用できるうえ、光吸収によるガラス自体の発熱を低減できるため、例えば、液晶プロジェクタのレンズやプリズムなどの光学素子に使用した場合、光学素子に生じる熱応力を小さくできるので光学素子に生じる複屈折量が小さくなり、優れた光学特性や偏光制御特性を得ることができるため好ましい。
次に、本発明の光弾性定数の小さいガラスにかかる実施例及び比較例について具体的に説明する。なお、本発明の光弾性定数の小さいガラスは、以下の実施例に限定されるものではない。
表1、表2に、本発明の光弾性定数が小さいガラスの好適な実施例(No.1〜No.16)の組成ならびに得られたガラスの屈折率(nd)、アッベ数(νd)、光弾性定数(β)及び10mm厚のガラスの反射損失を含む分光透過率が80%を示す波長(λ80)の数値を示した。
表1、表2に示した本発明にかかる実施例のガラスは、いずれも、リン酸化合物、酸化物,炭酸塩、硝酸塩、弗素化合物及び水酸化物等の通常の光学ガラス原料を用いて所定の割合で秤量混合した調合原料を石英ルツボに投入し、1100〜1300℃の電気炉で1〜2時間溶融し、その後、ガラス融液を白金坩堝に移して1200〜1300℃の電気炉で清澄、攪拌して均質化し(1〜2時間)、1000〜1200℃の範囲の適当な温度に下げてからガラス融液を金型に鋳込み、徐冷することにより得た。
また、表3に、従来の光弾性定数が小さいガラスの比較例(No.A〜No.H)の組成ならびに屈折率(nd)、アッベ数(νd)、光弾性定数(β)及び10mm厚のガラスの反射損失を含む分光透過率(外部透過率)が80%を示す波長(λ80)の再現実験値及び公報記載値(表3中、※1印を付点)を示した。
比較例No.Aは特開2000−34132号公報の実施例1のガラス、比較例No.Bは同号公報の実施例3のガラス、比較例No.Cは特開平11−199269号公報の実施組成例No.8のガラス、比較例No.Dは特開平11−335135号公報の実施例4のガラス、比較例No.Eは特開2002−128540号公報の実施例5のガラス、比較例No.Fは特開平11−133528号公報の試料No.6のガラス、比較例No.Gは特開2000−34132号公報の試料No.21のガラス、比較例No.Hは特開2002−128540号公報の試料No.9のガラスである。中でも、比較例No.A〜No.E、No.G、No.Hは、鉛成分を含まない光弾性定数の小さいガラスである。
特開2000−34132号公報、特開平11−335135号公報および特開2002−128540号公報では、He−Neレーザー(波長633nm)によって、これらの公載に記載されている実施例のガラスの光弾性定数(β)を求めているため、比較例No.A、比較例No.B、比較例No.D、比較例No.E、比較例No.G及び比較例No.Hの組成となるように、それぞれのガラスを作製し、比較例No.A、比較例No.B、比較例No.D、比較例No.E、比較例No.G及び比較例No.Hのガラスの波長436nm、546nmおよび644nmにおける光弾性定数(β)を求め、表2に示した。
また、特開平11−199269号公報には、同号公報の実施組成例のガラスの波長436nmおよび644nmにおける光弾性定数(β)が記載されていないため、比較例No.Cの組成となるように、ガラスを作製し、波長436nmおよび644nmにおける光弾性定数(β)を求め、表2に示した。
また、比較例No.Fについては、特開平11−133528号公報の図3から波長436nm、546nmおよび644nmにおける光弾性定数(β)値を読み取り表3に示した(表3中、※2印を付点)。
本発明の光弾性定数が小さいガラスの好適な実施例(No.1〜No.16)ならびに比較例No.A、比較例No.B、比較例No.D、比較例No.E、比較例No.G及び比較例No.Hの波長436nm、546nmおよび644nmにおける光弾性定数(β)は、ガラス試料(直径φ2.5cm、厚さ0.8cmの対面研磨品)の光透過厚、すなわち、前記式(1)における厚さ(d)を0.8cmとし、外部からガラス試料に一直線方向に圧縮荷重(F)を加え、それぞれg線(波長436nm)、e線(波長546nm)、C‘線(644nm)の光を透過させたときに生じた複屈折による光路差を測定することによって前記式(1)により求めた。また、比較例No.Cの波長436nmおよび644nmにおける光弾性定数(β)は、ガラス試料(直径φ2.5cm、厚さ0.8cmの対面研磨品)の光透過厚、すなわち、前記式(1)における厚さ(d)を0.8cmとし、外部からガラス試料に一直線方向に圧縮荷重(F)を加え、それぞれg線(波長436nm)、C‘線(644nm)の光を透過させたときに生じた複屈折による光路差を測定することによって前記式(1)により求めた。
表1、表2に示したとおり、本発明の光弾性定数が小さいガラスの好適な実施例(No.1〜No.16)のガラスは、いずれも、波長546nmにおける光弾性定数(β)の値が−0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲内であり、屈折率(nd)が1.60以上であり、644nmにおける光弾性定数(β)と436nmにおける光弾性定数(β)との差の絶対値が0.1×10−5nm・cm−1・Pa−1以下であり、10mm厚のガラスの反射損失を含む分光透過率が80%を示す波長(λ80)が380nm以下である。
また、本発明の光弾性定数が小さいガラスの好適な実施例のうち、Tl2Oを1%以上含有し、かつ、前記式(3)で定義される質量比A値が、0.50より大きく1.00以下の範囲である実施例(No.1〜No.4、No.7、No.9〜No.13、No.15およびNo.16)のガラスは、波長546nmにおける光弾性定数(β)が、−0.15×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲内であり、屈折率(nd)が1.60以上であり、644nmにおける光弾性定数(β)と436nmにおける光弾性定数(β)との差の絶対値が0.1×10−5nm・cm−1・Pa−1以下であり、10mm厚のガラスの反射損失を含む分光透過率が80%を示す波長(λ80)が380nm以下である。
比較例No.A〜No.E、No.GおよびNo.Hは、鉛成分を含有しないガラスとしては、比較的光弾性定数(β)が小さいと言えるが、光弾性定数(β)値が+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1以下ではなく、高精度に偏光制御を行う用途(例えば、液晶プロジェクタの偏光ビームスプリッタ等)には、十分であるとは言えない。
比較例No.A〜No.E、No.GおよびNo.Hのガラスと、本発明のガラスとの明確な違いは、ガラス中のTl2O成分の有無である。例えば、比較例No.A〜No.E、No.GおよびNo.Hと、本発明の実施例No.9、No.11、No.12およびNo.16とを比較すると、本発明の実施例No.9、No.11、No.12およびNo.16は、光弾性定数(β)を小さくする効果が高い事が知られているBaO成分の含有量が比較例No.A〜No.E、No.GおよびNo.Hよりも少ないが、比較例No.A〜No.E、No.GおよびNo.Hよりも小さな光弾性定数(β)を有しており、明らかに、Tl2O成分含有の効果によって、光弾性定数(β)が小さくなっていることが分かる。
比較例No.FのPbOを多く含有するケイ酸ガラスは、546nmにおける光弾性定数(β)は、ほぼ0×10−5nm・cm−1・Pa−1であるが、波長依存性が大きく、(Δβ≒0.5×10−5nm・cm−1・Pa−1)、特に短波長(436nm)の光弾性定数(β)の絶対値が約0.4×10−5nm・cm−1・Pa−1と大きい値を示し、短波長領域での複屈折量が増大し、実用上好ましくない。更に重大な問題は、光弾性定数(β)の波長依存性の観点から言って、例えば、比較例No.Fのガラスを用いて、可視光領域全般を透過するレンズやプリズムを作製した場合、透過波長によって生じる複屈折量が変化するため、設計した光学特性を可視光領域全般で均一に実現することができないので、複雑な光学設計を必要とするか、或いは、複数の光弾性定数(β)の波長依存性を持つガラスを組み合わせて光学系を作成しなくてはならない。また、大量のPbOを含有しており、環境負荷が非常に高いという欠点がある。
なお、本明細書中において、「酸化物換算」とは、本発明のガラス構成部分の原料として使用される酸化物、複合塩、金属弗化物等が溶融時にすべて分解され酸化物へ変化すると仮定した場合において、ガラス中に含有される各成分を当該生成酸化物の質量に換算したものである。酸化物換算の質量%としてガラス組成を表わすときは当該生成酸化物の質量の総和を基準=100としている。
また、本明細書中において「各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量」とは、「本発明のガラス組成物中に存在しうるフッ素の含有量をF原子として計算した場合の質量」をxとし、「前記酸化物換算によって示される生成酸化物の質量の総和」をyとしたとき、x÷y×100で示される百分率で表わしたものである。
本発明の1つの態様において、プリズム、レンズ等の光学素子に使用するのに適し、特に、偏光光学系の光学素子である偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を構成するプリズム及び基板等に使用するのに好適なガラスを得るためには、波長546nmにおける光弾性定数(β)は、下限が−0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1であるのが好ましく、−0.15×10−5nm・cm−1・Pa−1であるのがより好ましく、−0.10×10−5nm・cm−1・Pa−1であるのが最も好ましく、上限が、+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1であるのが好ましく、+0.25×10−5nm・cm−1・Pa− 1であるのがより好ましく、+0.20×10−5nm・cm−1・Pa− 1であるのが最も好ましい。本発明において、波長546nmにおける光弾性定数(β)の所望の範囲とは上述の下限と上限をそれぞれ選択する事により得られる範囲である。
上述した波長546nmにおける光弾性定数(β)が所望の範囲であり、かつ、光学設計上、特に偏光制御素子の偏光膜作成に有効な1.60以上の屈折率(nd)を有する光弾性定数が小さいガラスを、例えば、レンズ、プリズム等の光学素子、偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子の基板やプリズム等に使用することによって、熱応力や機械的応力により生じる複屈折量が小さいレンズ、プリズム等の光学素子、偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を作製することができる。
また、上述した波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.10×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、かつ、光学設計上、特に偏光制御素子の偏光膜作成に有効な1.60以上の屈折率(nd)を有する光弾性定数が小さいガラスを、例えば、レンズ、プリズム等の光学素子、偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子の基板やプリズム等に使用することによって、熱応力や機械的応力により生じる複屈折量が非常に小さいレンズ、プリズム等の光学素子、偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を作成できるため、液晶プロジェクタ等の機内温度が高温になる装置のレンズ、プリズム等の光学素子、偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子の基板やプリズム等に使用するのに適している。
波長644nmにおける光弾性定数(β)と、波長436nmにおける光弾性定数(β)との差の絶対値が0.1×10−5nm・cm−1・Pa−1以下である本発明の光弾性定数が小さいガラスは、光の3原色である赤色(R)光(波長640nm近傍)、緑色(G)光(波長550nm近傍)および青色(B)光(波長430nm近傍)間における波長依存性が非常に小さいため、このガラスを、例えば、液晶プロジェクタ等のカラーの投射型表示装置の偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子の基板やプリズム等に使用すると、上記3原色における複屈折量の差がほとんど無く、上記3原色において設計どおりの偏光特性を保持する偏光ビームスプリッタ、空間光変調素子などの偏光制御素子を作製できるという利点がある。
本発明の光弾性定数が小さいガラスにおいて、P2O5成分は、ガラス形成酸化物であるため、必須の成分であり、安定なガラスを形成するため、その量を35%以上とすることが好ましく、36%以上とすることがより好ましく、37%以上とすることが最も好ましい。その一方、光弾性定数(β)を低下させる他の成分を十分に含有させ、所望の光弾性定数(β)を得やすくするため、49%未満とすることが好ましく、45%までとすることがより好ましく、44%までとすることが最も好ましい。
本発明の光弾性定数が小さいガラスにおいて、BaO成分は、光弾性定数(β)を小さくする効果が大きいため、必須の成分である。所望の光弾性定数(β)を得やすくするには30%以上含有させることが好ましい。特に所望の光弾性定数を容易に得るにはBaO成分の下限は32%がより好ましく、34%が最も好ましい。また、BaO成分の上限は55%を越えるとガラス化範囲の限界に近づくため、より安定なガラスを得るには、55%までとすることが好ましく、54%までとすることがより好ましく、52%までとすることが最も好ましい。
Tl2O成分は、本発明において、光弾性定数を小さくする効果が非常に大きいことを見出した重要な成分であり、かつ、ガラスの溶融性や安定性を向上させ、屈折率を高める効果を有するため、本発明の光弾性定数が小さいガラスにおいて、必須の成分である。Tl2O成分を0.5%より多く含有させることにより、陽イオンとしては大きな分極率をもつタリウム(Tl)イオンがガラス中に導入されると、波長546nmにおける光弾性定数(β)が所望の範囲であり、かつ、光学設計上、特に偏光制御素子の偏光膜作成に有効な1.60以上の屈折率(nd)を有する光弾性定数が小さいガラスが得やすくなる。
上記光弾性定数が小さいガラスをより得やすくするためにはTl2O成分の下限は1%以上がより好ましく、2%以上が最も好ましい。
さらに光弾性定数の小さいガラスを得る上でTl2O成分を0.5%以上含有させ、下記式(3)で定義される質量比A値を、0.50より大きく1.00以下の範囲とすることが好ましく、Tl2O成分を1%以上含有させ、前記A値を0.50より大きく1.00以下の範囲とすることがより好ましく、Tl2O成分を2%以上含有させ、前記A値を0.50より大きく1.00以下の範囲とすることが最も好ましい。
A=(Tl2O−(B2O3+(Al2O3)2+CaO+Y2O3+Gd2O3+Nb2O5+MgO+Lu2O3+Bi2O3))÷Tl2O 式(3)
上記式(3)で、Tl2Oと示した量は、Tl2O成分の酸化物換算の含有質量%を意味し、他の酸化物についても同様である。
上記式(3)で示される質量比A値は、Tl2O成分の実効率を示すものであり、右辺の第二括弧内は、光弾性定数を大きくする酸化物の質量%の和である。光弾性定数を大きくする効果がある酸化物の中でも、特にAl2O3成分は、光弾性定数を増大する作用が大きいため、二乗で寄与する。右辺の第二括弧内の和が小さければ、Tl2O成分による光弾性定数低下効果が効率よく発揮され、逆に、右辺の第二括弧内の和が大きければ、Tl2O成分による光弾性定数低下効果を十分に得るために、Tl2O成分を多く含有させる必要があることを意味する。
すなわち、Tl2O成分を0.5%より多く含有させ、上記式(3)で定義される質量比A値を0.50より大きく1.00以下の範囲とすることにより(より好ましくはTl2O成分を1%以上含有させ、前記A値を0.50より大きく1.00以下の範囲とすることにより、最も好ましくはTl2O成分を2%以上含有させ、前記A値を0.50より大きく1.00以下の範囲とすることにより)、陽イオンとしては大きな分極率をもつタリウム(Tl)イオンがガラス中にさらに多く導入され、波長546nmにおける光弾性定数(β)が所望の範囲であり、かつ、光学設計上、特に偏光制御素子の偏光膜作成に有効な1.60以上の屈折率(nd)を有する光弾性定数が小さいガラスがより得やすくなる。
また、Tl2O成分の量が25%より多いとガラスが着色し、化学的耐久性が低下する傾向があるため、その量を25%までとすることが好ましく、より好ましくは23%までとし、21%までとすることが最も好ましい。
Al2O3成分は、光学定数を調整する効果、化学的耐久性及び機械的強度を向上させる効果や、平均線膨張係数を小さくする効果を得るために、任意に含有させることができる。しかし、Al2O3成分は光弾性定数を著しく大きくし、かつ、ガラスの安定性を低下させるため、3%より多く含有させることは好ましくない。より好ましくはAl2O3成分の含有量を2.5%以下とすることであり、また、光弾性定数が小さいガラスを得やすくするためには、含有させないことが最も好ましい。
所望の光弾性定数(β)および光学特性(屈折率など)を有するガラスを得やすくするためには、P2O5+BaO+Al2O3の合計量は、96%以下であることが好ましい。この合計量が96%より多いと、含有させうる他の成分の種類や含有量が限定されるため、ガラスを構成する成分を多成分にすることによってガラスを安定化させる効果が得にくくなり、生産性の悪化につながりやすく、また、Tl2O成分や、後述するLa2O3成分やSrO成分のような光弾性定数を小さくする効果をもつ成分を効果的に導入しにくくなり、所望の光弾性定数が得にくくなる。より生産性が良く、光弾性定数を小さくする効果をもつ成分を効果的に導入し、所望の光弾性定数を得やすくするためにはP2O6+BaO+Al2O3の合計量は、94%以下がより好ましく、93%以下が最も好ましい。
B2O3成分は、ガラスの溶融性や安定性を良好にする効果があり、特にLa2O3を含有させやすくなることから、必要に応じて含有させることが可能であるが、5%以上であると所望の光弾性定数(β)を得にくくなる。よって、5%未満とすることが好ましい。また、小さな光弾性定数をもつガラスを得やすくするためには、3%以下とすることがより好ましく、含有させないことが最も好ましい。
La2O3成分は、光弾性定数を小さくし、化学的耐久性や機械的強度を向上させる効果があるが、6%を超えると、ガラスの失透性を増大させる傾向がある。よって、上限を6%までとすることが好ましく、5%までとすることがより好ましく、4%までとすることが最も好ましい。
また、Y2O3、Gd2O3及びNb2O5の各成分は、屈折率を高める効果があるため、光学定数の調整に有用であり、また、化学的耐久性及び機械的強度を向上させる効果があるため、任意に含有させることができるが、過度に含有させると、光弾性定数を増大させるばかりでなく、ガラスの安定性を低下させるので、これら3成分の含有量は、それぞれ、5%までとすることが好ましく、3%までとすることがより好ましい。また、小さな光弾性定数をもつガラスを得やすくするためには、これら3成分の一種または二種以上を含有させないことが最も好ましい。
MgO成分は、光学定数を調整する効果、化学的耐久性及び機械的強度を向上させる効果や平均線膨張係数を小さくする効果を得るために、任意に含有させることができる。しかし、MgO成分は光弾性定数を大きくする作用があり、かつ、過度に含有させるとガラスの安定性が低下するため、1%未満とすることが好ましい。また、小さな光弾性定数をもつガラスを得やすくするためには、0.5%以下がより好ましく、含有させないことが最も好ましい。
CaO成分は、光学定数を調整する効果、化学的耐久性及び機械的強度を向上させる効果や平均線膨張係数を小さくする効果を得るために、任意に含有させることができる。しかし、CaO成分は、光弾性定数を大きくする作用があり、かつ、過度に含有させるとガラスの安定性が低下するため、3%までとすることが好ましく、2%までとすることがより好ましい。また、小さな光弾性定数をもつガラスを得やすくするためには、含有させないことが最も好ましい。
SrO成分は、BaO成分と同様に光弾性定数を小さくする成分であり、任意に含有させることが可能であるが、15%を越えるとガラスの安定性が著しく低下する。よって、15%までとすることが好ましく、13%までとすることがより好ましく、10%までとすることが最も好ましい。
Li2O、Na2OおよびK2Oの各成分は、ガラス原料の溶融促進や溶融ガラスを清澄する際の脱泡性を向上させる効果がある成分であり、必要に応じて、任意に含有させることが可能であるが、いずれの成分も含有量が3%を超えると、化学的耐久性を悪化させるため、これら3成分の含有量は、それぞれ、3%までとすることが好ましく、2.5%までとすることがより好ましく、2%までとすることが最も好ましい。
Cs2O成分は、光弾性定数を維持したまま屈折率を調整できる効果を有する任意添加成分であるが、過度に含有させるとガラスの安定性が悪化するため、上限は5%とすることが好ましく、4%までとすることがより好ましく、3%までとすることが最も好ましい。
Lu2O3成分は、屈折率調整効果、特に高屈折率化の効果を有するため、任意に含有させることができるが、光弾性定数を大きくする作用があるため、上限を5%とすることが好ましく、3%までとすることがより好ましい。また、小さな光弾性定数をもつガラスを得やすくするためには、含有させないことが最も好ましい。
Bi2O3成分は、屈折率調整効果、特に高屈折率化の効果を有するため、任意に含有させることができるが、光弾性定数を大きくする作用があり、加えて、少量の添加でもガラスの着色が顕著になるため、5%までとすることが好ましく、3%までとすることがより好ましい。また、小さな光弾性定数をもつガラスを得やすくするためには、含有させないことが最も好ましい。
Sb2O3成分は、ガラスを清澄及び均質化する効果を有することに加えて、屈折率を調整する効果及び光弾性定数を調整する効果を有するため任意に添加することができるが、ガラス原料を溶融する際に過度な発泡をおこすため、含有量を4%以下とすることが好ましく、より好ましい上限は3%以下であり、最も好ましい上限は2%以下である。
F(弗素)成分は、ガラスの溶融性を高めかつ脱泡を促進する効果があり、さらに、光弾性定数を小さくする効果があるが、多量に含有させると、所望の屈折率を得がたくなるうえ、弗素の揮発により脈理が生じやすくやすくなり、ガラスの特性変動も著しくなるため、上述した各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量は、5%を上限とすることが好ましく、4.5%を上限とすることがより好ましく、4%を上限とすることが最も好ましい。
なお、SiO2、ZrO2、ZnO、TeO2、Ta2O5、GeO2、Yb2O3、WO3およびTiO2成分は、本発明の効果を損なわない範囲で含有させることが可能であるが、所望の物性の実現及びガラスの安定性を考慮すると、SiO2、ZrO2、ZnO、TeO2、Ta2O6、GeO2、Yb2O3、WO3およびTiO2の各成分は、それぞれ、含有量を3%未満とすることが好ましく、2%未満とすることがより好ましく、含有させないことが最も好ましい。
さらに本発明の光学ガラスにおいては、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Eu、Nd、Sm、Tb、Dy、Er等の着色成分は、含有しない事が好ましい。ただし、ここでいう含有しないとは、不純物として混入される場合を除き、人為的に含有させないことを意味する。
ガラスを清澄及び均質化する効果を有する公知の脱泡剤である砒素成分(例えば、As2O3)は、鉛成分と同様に環境負荷が高い成分であることのほかに、P2O5−BaO系ガラスに含有させると、可視光領域(特に400〜550nm)の光線透過性を悪化させるため、含有させないことがより好ましい。
また、鉛成分は、上述のとおり、環境負荷が高い成分であり、鉛成分を含有するガラスを製造、加工、廃棄するに際には、環境対策上の措置を講じる必要があり、そのためのコストを要するうえ、近年、鉛成分を含有するガラスに対する規制をさらに厳しくする動きがあるため、本発明の光弾性定数が小さいガラスに鉛成分を含有させるべきではない。
また、10mm厚のガラスの反射損失を含む分光透過率が80%を示す波長が380nm以下である本発明の光弾性定数が小さいガラスは、可視光領域(400nm〜750nm)において、十分な光線透過性を有するため、多種多様な用途をもつ光学ガラスとして使用できるうえ、光吸収によるガラス自体の発熱を低減できるため、例えば、液晶プロジェクタのレンズやプリズムなどの光学素子に使用した場合、光学素子に生じる熱応力を小さくできるので光学素子に生じる複屈折量が小さくなり、優れた光学特性や偏光制御特性を得ることができるため好ましい。
次に、本発明の光弾性定数の小さいガラスにかかる実施例及び比較例について具体的に説明する。なお、本発明の光弾性定数の小さいガラスは、以下の実施例に限定されるものではない。
表1、表2に、本発明の光弾性定数が小さいガラスの好適な実施例(No.1〜No.16)の組成ならびに得られたガラスの屈折率(nd)、アッベ数(νd)、光弾性定数(β)及び10mm厚のガラスの反射損失を含む分光透過率が80%を示す波長(λ80)の数値を示した。
表1、表2に示した本発明にかかる実施例のガラスは、いずれも、リン酸化合物、酸化物,炭酸塩、硝酸塩、弗素化合物及び水酸化物等の通常の光学ガラス原料を用いて所定の割合で秤量混合した調合原料を石英ルツボに投入し、1100〜1300℃の電気炉で1〜2時間溶融し、その後、ガラス融液を白金坩堝に移して1200〜1300℃の電気炉で清澄、攪拌して均質化し(1〜2時間)、1000〜1200℃の範囲の適当な温度に下げてからガラス融液を金型に鋳込み、徐冷することにより得た。
また、表3に、従来の光弾性定数が小さいガラスの比較例(No.A〜No.H)の組成ならびに屈折率(nd)、アッベ数(νd)、光弾性定数(β)及び10mm厚のガラスの反射損失を含む分光透過率(外部透過率)が80%を示す波長(λ80)の再現実験値及び公報記載値(表3中、※1印を付点)を示した。
比較例No.Aは特開2000−34132号公報の実施例1のガラス、比較例No.Bは同号公報の実施例3のガラス、比較例No.Cは特開平11−199269号公報の実施組成例No.8のガラス、比較例No.Dは特開平11−335135号公報の実施例4のガラス、比較例No.Eは特開2002−128540号公報の実施例5のガラス、比較例No.Fは特開平11−133528号公報の試料No.6のガラス、比較例No.Gは特開2000−34132号公報の試料No.21のガラス、比較例No.Hは特開2002−128540号公報の試料No.9のガラスである。中でも、比較例No.A〜No.E、No.G、No.Hは、鉛成分を含まない光弾性定数の小さいガラスである。
特開2000−34132号公報、特開平11−335135号公報および特開2002−128540号公報では、He−Neレーザー(波長633nm)によって、これらの公載に記載されている実施例のガラスの光弾性定数(β)を求めているため、比較例No.A、比較例No.B、比較例No.D、比較例No.E、比較例No.G及び比較例No.Hの組成となるように、それぞれのガラスを作製し、比較例No.A、比較例No.B、比較例No.D、比較例No.E、比較例No.G及び比較例No.Hのガラスの波長436nm、546nmおよび644nmにおける光弾性定数(β)を求め、表2に示した。
また、特開平11−199269号公報には、同号公報の実施組成例のガラスの波長436nmおよび644nmにおける光弾性定数(β)が記載されていないため、比較例No.Cの組成となるように、ガラスを作製し、波長436nmおよび644nmにおける光弾性定数(β)を求め、表2に示した。
また、比較例No.Fについては、特開平11−133528号公報の図3から波長436nm、546nmおよび644nmにおける光弾性定数(β)値を読み取り表3に示した(表3中、※2印を付点)。
本発明の光弾性定数が小さいガラスの好適な実施例(No.1〜No.16)ならびに比較例No.A、比較例No.B、比較例No.D、比較例No.E、比較例No.G及び比較例No.Hの波長436nm、546nmおよび644nmにおける光弾性定数(β)は、ガラス試料(直径φ2.5cm、厚さ0.8cmの対面研磨品)の光透過厚、すなわち、前記式(1)における厚さ(d)を0.8cmとし、外部からガラス試料に一直線方向に圧縮荷重(F)を加え、それぞれg線(波長436nm)、e線(波長546nm)、C‘線(644nm)の光を透過させたときに生じた複屈折による光路差を測定することによって前記式(1)により求めた。また、比較例No.Cの波長436nmおよび644nmにおける光弾性定数(β)は、ガラス試料(直径φ2.5cm、厚さ0.8cmの対面研磨品)の光透過厚、すなわち、前記式(1)における厚さ(d)を0.8cmとし、外部からガラス試料に一直線方向に圧縮荷重(F)を加え、それぞれg線(波長436nm)、C‘線(644nm)の光を透過させたときに生じた複屈折による光路差を測定することによって前記式(1)により求めた。
また、本発明の光弾性定数が小さいガラスの好適な実施例のうち、Tl2Oを1%以上含有し、かつ、前記式(3)で定義される質量比A値が、0.50より大きく1.00以下の範囲である実施例(No.1〜No.4、No.7、No.9〜No.13、No.15およびNo.16)のガラスは、波長546nmにおける光弾性定数(β)が、−0.15×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲内であり、屈折率(nd)が1.60以上であり、644nmにおける光弾性定数(β)と436nmにおける光弾性定数(β)との差の絶対値が0.1×10−5nm・cm−1・Pa−1以下であり、10mm厚のガラスの反射損失を含む分光透過率が80%を示す波長(λ80)が380nm以下である。
比較例No.A〜No.E、No.GおよびNo.Hは、鉛成分を含有しないガラスとしては、比較的光弾性定数(β)が小さいと言えるが、光弾性定数(β)値が+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1以下ではなく、高精度に偏光制御を行う用途(例えば、液晶プロジェクタの偏光ビームスプリッタ等)には、十分であるとは言えない。
比較例No.A〜No.E、No.GおよびNo.Hのガラスと、本発明のガラスとの明確な違いは、ガラス中のTl2O成分の有無である。例えば、比較例No.A〜No.E、No.GおよびNo.Hと、本発明の実施例No.9、No.11、No.12およびNo.16とを比較すると、本発明の実施例No.9、No.11、No.12およびNo.16は、光弾性定数(β)を小さくする効果が高い事が知られているBaO成分の含有量が比較例No.A〜No.E、No.GおよびNo.Hよりも少ないが、比較例No.A〜No.E、No.GおよびNo.Hよりも小さな光弾性定数(β)を有しており、明らかに、Tl2O成分含有の効果によって、光弾性定数(β)が小さくなっていることが分かる。
比較例No.FのPbOを多く含有するケイ酸ガラスは、546nmにおける光弾性定数(β)は、ほぼ0×10−5nm・cm−1・Pa−1であるが、波長依存性が大きく、(Δβ≒0.5×10−5nm・cm−1・Pa−1)、特に短波長(436nm)の光弾性定数(β)の絶対値が約0.4×10−5nm・cm−1・Pa−1と大きい値を示し、短波長領域での複屈折量が増大し、実用上好ましくない。更に重大な問題は、光弾性定数(β)の波長依存性の観点から言って、例えば、比較例No.Fのガラスを用いて、可視光領域全般を透過するレンズやプリズムを作製した場合、透過波長によって生じる複屈折量が変化するため、設計した光学特性を可視光領域全般で均一に実現することができないので、複雑な光学設計を必要とするか、或いは、複数の光弾性定数(β)の波長依存性を持つガラスを組み合わせて光学系を作成しなくてはならない。また、大量のPbOを含有しており、環境負荷が非常に高いという欠点がある。
Claims (14)
- 酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを0.5%より多く含有し、鉛成分を含有せず、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さいガラス。
- 酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを0.5%より多く含有し、鉛成分を含有せず、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.15×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さいガラス。
- 酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを0.5%より多く含有し、鉛成分を含有せず、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.10×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さいガラス。
- 酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを1%以上含有し、鉛成分を含有せず、A=(Tl2O−(B2O3+(Al2O3)2+CaO+Y2O3+Gd2O3+Nb2O5+MgO+Lu2O3+Bi2O3))÷Tl2Oで示される質量比A値が、0.50より大きく1.00以下の範囲であり、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.25×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さいガラス。
- 酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを1%以上含有し、鉛成分を含有せず、A=(Tl2O−(B2O3+(Al2O3)2+CaO+Y2O3+Gd2O3+Nb2O5+MgO+Lu2O3+Bi2O3))÷Tl2Oで示される質量比A値が、0.50より大きく1.00以下の範囲であり、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.15×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さいガラス。
- 酸化物換算の質量%で、P2O5 35〜49%未満、BaO 30〜55%、Tl2Oを1%以上含有し、鉛成分を含有せず、A=(Tl2O−(B2O3+(Al2O3)2+CaO+Y2O3+Gd2O3+Nb2O5+MgO+Lu2O3+Bi2O3))÷Tl2Oで示される質量比A値が、0.50より大きく1.00以下の範囲であり、波長546nmにおける光弾性定数(β)が−0.10×10−5nm・cm−1・Pa−1〜+0.30×10−5nm・cm−1・Pa−1の範囲であり、屈折率(nd)が1.60以上であることを特徴とする光弾性定数が小さいガラス。
- 酸化物換算の質量%で、
Tl2O 0.5%より多く25%まで、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%
を含有し、さらに、
Al2O3 0 〜 3%、および/または、
B2O3 0 〜 5%未満、および/または
La2O3 0 〜 6%、および/または、
Y2O3 0 〜 5%、および/または、
Gd2O3 0 〜 5%、および/または、
Nb2O5 0 〜 5%、および/または、
MgO 0 〜 1%未満、および/または、
CaO 0 〜 3%、および/または、
SrO 0 〜 15%、および/または、
Li2O 0 〜 3%、および/または、
Na2O 0 〜 3%、および/または、
K2O 0 〜 3%、および/または、
Cs2O 0 〜 5%、および/または、
Bi2O3 0 〜 5%、および/または、
Lu2O3 0 〜 5%、および/または、
Sb2O3 0 〜 4% を含有し、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が96%以下であり、上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする請求項1〜請求項3に記載の光弾性定数が小さいガラス。 - 酸化物換算の質量%で、
Tl2O 1%〜 25%、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%
を含有し、さらに、
Al2O3 0 〜 3%、および/または、
B2O3 0 〜 5%未満、および/または、
La2O3 0 〜 6%、および/または、
Y2O3 0 〜 5%、および/または、
Gd2O3 0 〜 5%、および/または、
Nb2O5 0 〜 5%、および/または、
MgO 0 〜 1%未満、および/または、
CaO 0 〜 3%、および/または、
SrO 0 〜 15%、および/または、
Li2O 0 〜 3%、および/または、
Na2O 0 〜 3%、および/または、
K2O 0 〜 3%、および/または、
Cs2O 0 〜 5%、および/または、
Bi2O3 0 〜 5%、および/または、
Lu2O3 0 〜 5%、および/または、
Sb2O3 0 〜 4%を含有し、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が、96%以下であり、上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする請求項1〜請求項6に記載の光弾性定数が小さいガラス。 - 酸化物換算の質量%で、
Tl2O 0.5%より多く25%まで、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%
を含有し、さらに、
Al2O3 0 〜 3%、および/または、
B2O3 0 〜 5%未満、および/または、
La2O3 0 〜 6%、および/または、
Y2O3 0 〜 5%、および/または、
Gd2O3 0 〜 5%、および/または、
Nb2O5 0 〜 5%、および/または、
MgO 0 〜 1%未満、および/または、
CaO 0 〜 3%、および/または、
SrO 0 〜 15%、および/または、
Li2O 0 〜 3%、および/または、
Na2O 0 〜 3%、および/または、
K2O 0 〜 3%、および/または、
Cs2O 0 〜 5%、および/または、
Bi2O3 0 〜 5%、および/または、
Lu2O3 0 〜 5%、および/または、
Sb2O3 0 〜 4% を含有し、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が93%以下であり、上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする請求項1〜請求項3に記載の光弾性定数が小さいガラス。 - 酸化物換算の質量%で、
Tl2O 1%〜 25%、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%
を含有し、さらに、
Al2O3 0 〜 3%、および/または、
B2O3 0 〜 5%未満、および/または、
La2O3 0 〜 6%、および/または、
Y2O3 0 〜 5%、および/または、
Gd2O3 0 〜 5%、および/または、
Nb2O5 0 〜 5%、および/または、
MgO 0 〜 1%未満、および/または、
CaO 0 〜 3%、および/または、
SrO 0 〜 15%、および/または、
Li2O 0 〜 3%、および/または、
Na2O 0 〜 3%、および/または、
K2O 0 〜 3%、および/または、
Cs2O 0 〜 5%、および/または、
Bi2O3 0 〜 5%、および/または、
Lu2O3 0 〜 5%、および/または、
Sb2O3 0 〜 4%を含有し、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が、93%以下であり、上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする請求項1〜請求項6に記載の光弾性定数が小さいガラス。 - 酸化物換算の質量%で、
Tl2O 0.5%より多く25%まで、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%、
Al2O3 0 〜 3%、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が93%以下、
B2O3 0 〜 5%未満、
La2O3 0 〜 6%、
Y2O3 0 〜 5%、
Gd2O3 0 〜 5%、
Nb2O5 0 〜 5%、
MgO 0 〜 1%未満、
CaO 0 〜 3%、
SrO 0 〜 15%、
Li2O 0 〜 3%、
Na2O 0 〜 3%、
K2O 0 〜 3%、
Cs2O 0 〜 5%、
Bi2O3 0 〜 5%、
Lu2O3 0 〜 5%、
Sb2O3 0 〜 4%、
上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする請求項1〜請求項3に記載の光弾性定数が小さいガラス。 - 酸化物換算の質量%で、
Tl2O 1%〜 25%、
P2O5 35 〜 49%未満、
BaO 30 〜 55%、
Al2O3 0 〜 3%、
ただし、P2O5+BaO+Al2O3の合計量が、93%以下、
B2O3 0 〜 5%未満、
La2O3 0 〜 6%、
Y2O3 0 〜 5%、
Gd2O3 0 〜 5%、
Nb2O5 0 〜 5%、
MgO 0 〜 1%未満、
CaO 0 〜 3%、
SrO 0 〜 15%、
Li2O 0 〜 3%、
Na2O 0 〜 3%、
K2O 0 〜 3%、
Cs2O 0 〜 5%、
Bi2O3 0 〜 5%、
Lu2O3 0 〜 5%、
Sb2O3 0 〜 4%、
上記各金属元素の一種または二種以上の酸化物の一部または全部と置換した弗化物のFとしての合計量 0〜5%を含有し、鉛成分を含有しないことを特徴とする請求項1〜請求項6に記載の光弾性定数が小さいガラス。 - 波長644nmにおける光弾性定数(β)と、波長436nmにおける光弾性定数(β)との差の絶対値が0.1×10−5nm・cm−1・Pa−1以下であることを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載の光弾性定数が小さいガラス。
- 10mm厚のガラスの反射損失を含む分光透過率が80%を示す波長が380nm以下であることを特徴とする請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載の光弾性定数が小さいガラス。
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