JPWO2013081027A1 - 光学ガラス、光学素子、および光学機器 - Google Patents

Abstract

光学ガラスであって、前記光学ガラスの全量に対して、ＳｉＯ２：９質量％以上１８質量％以下、Ｂ２Ｏ３：３質量％以上１０質量％以下、ＢａＯ：２０質量％以上４０質量％以下、Ｎａ２Ｏ：０．５質量％以上５質量％以下、Ｋ２Ｏ：１質量％以上３質量％以下、ＺｒＯ２：１質量％以上６質量％以下、ＴｉＯ２：２２質量％以上２８質量％以下、Ｎｂ２Ｏ５：８質量％以上１３質量％以下、を含む。

Description

本発明は、例えばカメラなどの光学機器に用いられる光学素子に使用可能な光学ガラス、光学素子、および光学機器に関する。
本願は、２０１１年１２月２日に出願された特願２０１１−２６５２８８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、光学機器の高機能化が進み、レンズ等の光学素子にも高い性能が要求されている。このため、例えば高屈折率かつ高分散等の特性を有する光学素子に適した光学ガラスが求められている（例えば特許文献１を参照）。

特開２００７−２５４１９７号公報

しかしながら、従来の光学ガラスでは、高屈折率化を図るための成分調整によって失透安定性が低下することがあった。また、高分散を得るための成分調整によって、ガラスが着色しやすくなることがあった。
本発明の態様は、高屈折率かつ高分散であり、失透安定性に優れ、しかも着色の問題が生じない光学ガラス、光学素子、および光学機器を提供することを目的とする。

本発明の一態様である光学ガラスは、全量に対して、ＳｉＯ_２：９質量％以上１８質量％以下、Ｂ_２Ｏ_３：３質量％以上１０質量％以下、ＢａＯ：２０質量％以上４０質量％以下、Ｎａ_２Ｏ：０．５質量％以上５質量％以下、Ｋ_２Ｏ：１質量％以上３質量％以下、ＺｒＯ_２：１質量％以上６質量％以下、ＴｉＯ_２：２２質量％以上２８質量％以下、Ｎｂ_２Ｏ_５：８質量％以上１３質量％以下を含む。
上記光学ガラスは、Ａｌ_２Ｏ_３：１質量％以下、ＣａＯ：４質量％以下、ＺｎＯ：５質量％以下、Ｌａ_２Ｏ_３：１質量％未満を含んでもよい。
上記光学ガラスは、希土類元素を酸化物換算の合計量で１質量％未満含んでも良い。ここで希土類元素にはＬａ、Ｇｄ、Ｙ、Ｙｂ、Ｓｃ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕが含まれる。
上記光学ガラスは、前記の希土類元素を実質的に含有しなくてもよい。ここで希土類元素を実質的に含有しないとは、不純物として不可避的に含有される濃度を超えて、ガラス組成物の実質的な構成成分として含有されないことを意味する。
上記光学ガラスは、前記屈折率（ｎｄ）が１．８５以上１．９１以下、アッベ数（νｄ）が２３．５以上２６．０以下であってもよい。
上記光学ガラスは、前記光学ガラスの全量に対して、Ｓｂ_２Ｏ_３：１質量％以下を含有しても良い。
上記光学ガラスは、前記光学ガラスの全量に対して、ＷＯ_３：１質量％以下を含有しても良い。
本発明の別の態様である光学素子は、前記光学ガラスを母材とする。
本発明の別の態様である光学機器は、前記光学素子を備える。

本発明の態様によれば、高屈折率かつ高分散な光学ガラス、光学素子、および光学機器を提供することができる。

本発明の光学ガラスの一実施形態を用いた光学素子を備えた撮像装置の斜視図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の光学ガラスは、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、ＢａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、およびＮｂ_２Ｏ_５を必須成分として含む。
各成分の含有率は、光学ガラスの全量に対して、ＳｉＯ_２が９質量％以上１８質量％以下、Ｂ_２Ｏ_３が３質量％以上１０質量％以下、ＢａＯが２０質量％以上４０質量％以下、Ｎａ_２Ｏが０．５質量％以上５質量％以下、Ｋ_２Ｏが１質量％以上３質量％以下、ＺｒＯ_２が１質量％以上６質量％以下、ＴｉＯ_２が２２質量％以上２８質量％以下、Ｎｂ_２Ｏ_５が８質量％以上１３質量％以下である。
本実施形態の光学ガラスは、前記必須成分に加え、任意成分として、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＺｎＯ、Ｌａ_２Ｏ_３のうち１または２以上を含んでも良い。

各成分の含有率は、光学ガラスの全量に対して、Ａｌ_２Ｏ_３が１質量％以下、ＣａＯが４質量％以下、ＺｎＯが５質量％以下、Ｌａ_２Ｏ_３が１質量％未満である。
各成分の含有率は酸化物基準で示す。酸化物基準の表記は、本実施形態の光学ガラスの原料として使用される酸化物、複合塩、金属弗化物などが、熔融時に全て分解され酸化物へ変化すると仮定した場合に、組成物全体に対する各成分の当該生成酸化物の質量％を表すものである。

ＳｉＯ_２は、含有率を９質量％以上１８質量％以下とすることによって、失透安定性を高め、かつ成形性を良好にし、しかも光学ガラスの着色を防止できる。また、高屈折率化を図ることができる。
ＳｉＯ_２含有率は、１１質量％以上１６質量％以下とすることができる。
ＳｉＯ_２含有率は、低すぎれば光学ガラスの失透が起こりやすくなることがある。また、ガラスの溶融時の粘性が低下して成形が困難となることがある。また、ＳｉＯ_２含有率が高すぎれば、光学ガラスが着色しやすくなることがある。また、高屈折率とすることが難しくなることがある。

Ｂ_２Ｏ_３は、含有率を３質量％以上１０質量％以下とすることによって、失透安定性を高め、かつ成形性を良好にできる。また、高屈折率化を図ることができる。また、Ｂ_２Ｏ_３含有率を前記範囲とすることによって、光学ガラスの着色性を改善できる可能性がある。
Ｂ_２Ｏ_３の含有率は、低すぎれば溶融性が悪化するとともにガラスが失透し易くなり、高すぎれば高屈折率化が容易でなくなることがある。また溶融時の粘性が低下して成形が容易でなくなることがある。

Ａｌ_２Ｏ_３は、ガラスの耐失透性および化学的耐久性の向上に有効な成分であり、含有率１質量％を上限として配合することができる。Ａｌ_２Ｏ_３の添加によって、光学ガラスの着色性を改善できる可能性がある。Ａｌ_２Ｏ_３は含有率１重量％を越えると光学ガラスの耐失透性に影響が及ぶことがある。Ａｌ_２Ｏ_３含有率は、０．６質量％以下とすることができる。

ＢａＯは、優れた融材としての作用があり、その含有率を２０質量％以上４０質量％以下とすることによって、失透安定性を向上させ、かつガラスを着色することなく屈折率を高めることができる。
ＢａＯの含有率は、低すぎれば前記効果が充分発揮されないことがある。ＢａＯの含有率は、高すぎれば光学ガラスの化学的耐久性に影響が及ぶことがある。また、失透安定性が低下することがある。

ＣａＯは、ガラスの比重を軽くし、かつ化学的耐久性および失透安定性を向上させる効果を有し、含有率４質量％を上限として配合することができる。また、ＣａＯ含有率の調整によって、光学ガラスの着色性を改善できる可能性がある。ＣａＯは含有率４重量％を越えると溶融性および失透安定性が低下することがある。ＣａＯ含有率は、１質量％以上２．４質量％以下とすることができる。

ＺｎＯは、ガラスの溶融性を向上させる効果を有し、またプレス成形温度を低下させプレス型の劣化を防ぐなどの効果が期待できる。ＺｎＯは含有率５質量％を上限として配合することができる。ＺｎＯの含有率が５重量％を越えると失透安定性が低下することがある。ＺｎＯ含有率は、１．４質量％以下とすることができる。

Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏは、いずれもガラスの溶融性を向上させるのに有用である。
Ｎａ_２Ｏの含有率は、０．５質量％以上５質量％以下とすることによって、ガラス溶融性を向上させるとともに、プレス成形温度を低下させプレス型の劣化を防ぐなどの効果が期待できる。Ｎａ_２Ｏ含有率は０．５質量％以上３質量％以下とすることができる。
Ｎａ_２Ｏの含有率は、低すぎれば前記効果が得られず、高すぎれば化学的耐久性の低下、プレス時や溶融時の揮発量増大、溶融時の粘性の低下により成形性が低下する、あるいは失透安定性が低下することがある。

Ｋ_２Ｏの含有率は、１質量％以上３質量％以下とすることによって、ガラス溶融性を向上させるとともに、プレス成形温度を低下させ、プレス型の劣化を防ぐなどの効果が期待できる。
Ｋ_２Ｏの含有率は、低すぎれば前記効果が得られず、高すぎれば化学的耐久性の低下、プレス時や溶融時の揮発量増大、溶融時の粘性の低下により成形性が低下する、あるいは失透安定性が低下することがある。Ｋ_２Ｏ含有率は１質量％以上１．５質量％以下とすることができる。
Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏは、合計含有率を１．５質量％以上８質量％以下とすることができる。

Ｌａ_２Ｏ_３は、屈折率を高めるとともに、失透安定性を向上させる効果を有し、含有率を１質量％未満として配合することができる。
Ｌａ_２Ｏ_３の含有率が高すぎれば溶融性が悪化し、失透が起こりやすくなる。Ｌａ_２Ｏ_３は、実質的に含まれていなくてもよい。

ＺｒＯ_２は、屈折率および分散を高める効果があり、その含有率を１質量％以上６質量％以下とすることによって、ガラスを着色することなく屈折率および分散を高めることができる。
ＺｒＯ_２の含有率が低すぎると屈折率および分散を高める効果が低くなり、高すぎれば溶融性が悪化するとともに、失透安定性が低下することがある。ＺｒＯ_２含有率は３．６質量％以上６質量％以下とすることができる。

ＴｉＯ_２は、ガラスの屈折率および分散を高める効果を有し、含有率を２２質量％以上２８質量％以下とすることによって、ガラスを着色することなくガラスの屈折率および分散を高め、かつ失透安定性を良好にすることができる。
ＴｉＯ_２含有率は、低すぎれば屈折率および分散を高める効果が充分には発揮されないことに加え、失透安定性が低下することがある。また、ＴｉＯ_２含有率は高すぎると、ガラスが着色し易くなることがある。

Ｎｂ_２Ｏ_５は、含有率を８質量％以上１３質量％以下とすることによって、ガラスの屈折率及び分散を高め、かつ失透安定性を向上させることができる。Ｎｂ_２Ｏ_５は、光学ガラスの着色性にも影響を与える可能性がある。
Ｎｂ_２Ｏ_５の含有率は低すぎれば屈折率および分散を高める効果が充分には発揮されず、高すぎれば失透安定性が低下することがある。Ｎｂ_２Ｏ_５含有率は８質量％以上１０.５質量％以下とすることができる。

本実施形態の光学ガラスは、任意成分として、Ｓｂ_２Ｏ_３を含んでも良い。
Ｓｂ_２Ｏ_３の含有率は、光学ガラスの全量に対し１質量％以下（例えば０．１質量％以下）とすることができる。
本実施形態の光学ガラスは、任意成分として、ＷＯ_３を含んでも良い。
ＷＯ_３は、ガラスの屈折率及び分散を高め、かつ失透安定性を向上させる効果を有する。ＷＯ_３の含有率は、光学ガラスの全量に対し１質量％以下（例えば０.１質量％以下）とすることができる。

本実施形態の光学ガラスは、任意成分として、Ｌｉ_２Ｏ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＭｇＯ、ＳｒＯ、Ｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３のうち１または２以上を含んでも良い。
Ｌｉ_２Ｏは、溶融性を向上させるのに有用で、またプレス成形温度を低下させプレス型の劣化を防ぐなどの効果が期待できる。
Ｔａ_２Ｏ_５は、ガラスの屈折率を高め、かつ化学的耐久性を向上させる効果を有する。
ＭｇＯおよびＳｒＯは、ガラスの光学恒数値の調整に有用である。
Ｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３はいずれもガラスの化学的耐久性を向上させ、かつガラスを着色することなく屈折率を高める効果を有する。
Ｌｉ_２Ｏは３質量％以下、Ｔａ_２Ｏ_５は３質量％以下、ＭｇＯは１０質量％以下、ＳｒＯは１０質量％以下、Ｙ_２Ｏ_３は１質量％以下、Ｇｄ_２Ｏ_３は１質量％以下、Ｙｂ_２Ｏ_３は１質量％以下とすることができる。

本実施形態の光学ガラスには、Ａｓ_２Ｏ_３を脱泡剤として添加することもできる。脱泡剤の添加量は、例えば光学ガラスの全量に対し、０．５質量％以下である。

本実施形態の光学ガラスは、希土類元素を実質的に含有しないか、又は希土類元素を酸化物換算の総量で１質量％未満を含む構成とすることができる。本実施形態のガラス組成によれば、希土類元素を実質的に含有しないか又は少量しか含有しない場合であっても、高屈折率かつ高分散で透過率や耐失透性に優れた光学ガラスが得られるので、希土類元素を使用することによる原料コストの上昇や原料入手の不安定性という問題を回避することができる。

本実施形態の光学ガラスは、前記構成を有し、かつ屈折率（ｎｄ）が１．８５以上１．９１以下、アッベ数（νｄ）が２３．５以上２６．０かつである高屈折率高分散光学ガラスである。

本実施形態の光学ガラスは、その他必要に応じて、清澄、着色、消色や光学恒数値の微調整などの目的で、公知の清澄剤や着色剤、フッ素化合物、Ｐ_２Ｏ_５などの成分を前記ガラス組成に適量添加することができる。

本実施形態における光学ガラスは、通常の方法で製造することができ、例えば、酸化物、炭酸塩、硝酸塩などの原料を目標組成となるように調合し、１１００〜１４００℃にて溶融させて、攪拌して均一化し、泡切れを行った後、金型に流し成形する製造方法を採用できる。
前記原料は、不純物の含有量が少ない高純度品を使用することができる。例えば、ＳｉＯ_２原料、ＢａＯ原料、ＴｉＯ_２原料のうち１または２以上として高純度品を使用することができる。高純度品とは、その成分を９９．８５質量％以上含むものである。
高純度品の使用によって、不純物量が少なくなる結果、例えば波長４１０ｎｍ以下の光の内部透過率を高くできる。例えば、波長４１０ｎｍ以下の光の内部透過率を８０％またはそれ以上とすることができる。

図１は、本実施形態における光学ガラスを母材とするレンズ４（光学素子）を備えた撮像装置１（光学機器）を示している。
この撮像装置１は、いわゆるデジタル一眼レフカメラであり、この撮像装置１は、カメラボディ２のレンズマウント（不図示）にレンズ鏡筒３が着脱自在に取り付けられ、このレンズ鏡筒３のレンズ４を通した光がカメラボディ２の背面側に配置されたマルチチップモジュール７のセンサチップ（固体撮像素子）５上に結像される。このセンサチップ５は、いわゆるＣＭＯＳイメージセンサ等のベアチップである。
マルチチップモジュール７は、例えばセンサチップ５がガラス基板６上にベアチップ実装されたＣＯＧ（Chip On Glass）タイプのモジュールである。
撮像装置はデジタル一眼レフカメラに限られず、その他のレンズ交換式カメラやコンパクトカメラ、工業用カメラ、スマートフォン用カメラモジュール等の撮像手段を備えた種々の光学機器が含まれる。
光学機器としては、撮像装置に限らず、プロジェクタ、カメラ用交換レンズ、顕微鏡、各種レーザ機器等を挙げることができる。光学素子としては、レンズに限らず、プリズムを挙げることができる。

本実施形態によれば、希土類元素を多量に使用せずに高屈折率化および高分散化を図ることができる。高価な希土類元素の使用量を抑えることができるため、製造コスト低減が可能となる。
本実施形態によれば、前記各成分を含有させることによって、失透安定性を高め、かつ着色を防止できる。さらには、内部透過率を良好にすることができる。

以下に本実施形態の組成例を示すが、本実施形態はこれら組成例に限定されるものではない。
酸化物、炭酸塩、硝酸塩などの原料を表１に示す組成比となるように所定の割合で調合し、坩堝にて１２００〜１４００℃で加熱熔解し、成形、徐冷して光学ガラスの成形品を得た。
表１〜表３に、各成分の酸化物基準の構成割合を質量％で示す。
光学ガラスのｄ線に対する屈折率（ｎｄ）およびアッベ数（νｄ）を測定した。
光学ガラスの失透および着色の有無を調べた。また、光学ガラスを熱間プレス加工（７６０℃）した際の失透（プレス時失透）の有無を、７６０℃３０分間の等温保持試験により調べた。結果を併せて表１〜表３に示す。

組成例９では、希土類元素（Ｌａ_２Ｏ_３）の添加によって高い屈折率（ｎｄ）が得られたが、失透が生じた。
これに対し、本発明の一態様である組成例１では、希土類元素を使用しないが、失透を起こさせずに高屈折率化および高分散化が可能となった。４０質量％を越えるＢａＯを配合した組成例１０では、失透安定性が低下した。
このように、本発明の態様のガラス組成を採用することによって、希土類元素（Ｌａ_２Ｏ_３など）を使用せずに高屈折率化および高分散化を実現することができた。前記組成の採用により、高価な希土類元素の使用量を抑えることができるため、製造コスト低減が可能となる。
Ｂ_２Ｏ_３含有率が前記範囲を外れる組成例１１〜１３、およびＣａＯ含有率が前記範囲を外れる組成例１４では、組成例１に比べて失透安定性が低くなった。

組成例１〜８は、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、またはＺｎＯの含有率が前記範囲を外れる組成例１６〜１８に比べ、失透安定性に優れていた。
ＳｉＯ_２含有率が高い組成例１９ではガラスの着色の問題が生じ、ＳｉＯ_２含有率が低い組成例２０では失透の問題が生じたが、組成例１〜８では、着色を生じさせずに失透安定性を高めることができた。
また、組成例１〜８は、ＴｉＯ_２含有率が低い組成例２１に比べて失透安定性が優れていた。

（組成例２２、２３）
組成例２２では、組成例１〜８を参考にして成分を微調整した光学ガラスを作製し、内部透過率が８０％となる光の波長を調べた。各成分の原料には通常純度品を用いた。前記光の波長は４２０ｎｍであった。
組成例２３では、ＳｉＯ_２、ＢａＯ、ＴｉＯ_２の原料として高純度品を使用すること以外は組成例２２と同様にして光学ガラスを作製し、内部透過率が８０％となる光の波長を調べたところ、前記光の波長は４０２ｎｍであった。
高純度品とは、当該成分を９９．８５質量％以上含むものである。
組成例２２、２３の結果より、原料（ＳｉＯ_２、ＢａＯ、ＴｉＯ_２）として高純度品を使用することにより、内部透過率を改善できたことがわかる。

１・・・撮像装置（光学機器）、４・・・レンズ（光学素子）。

Claims (7)

1. 光学ガラスであって、前記光学ガラスの全量に対して、
   必須成分として、
   ＳｉＯ_２：９質量％以上１８質量％以下、
   Ｂ_２Ｏ_３：３質量％以上１０質量％以下、
   ＢａＯ：２０質量％以上４０質量％以下、
   Ｎａ_２Ｏ：０．５質量％以上５質量％以下、
   Ｋ_２Ｏ：１質量％以上３質量％以下、
   ＺｒＯ_２：１質量％以上６質量％以下、
   ＴｉＯ_２：２２質量％以上２８質量％以下、
   Ｎｂ_２Ｏ_５：８質量％以上１３質量％以下、
   を含むことを特徴とする光学ガラス。
2. 任意成分として、
   Ａｌ_２Ｏ_３：１質量％以下、
   ＣａＯ：４質量％以下、
   ＺｎＯ：５質量％以下、
   Ｌａ_２Ｏ_３：１質量％未満、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学ガラス。
3. 任意成分として、希土類元素を酸化物換算の合計量で１質量％未満含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光学ガラス。
4. 希土類元素を実質的に含有しないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学ガラス。
5. 屈折率（ｎｄ）が１．８５以上１．９１以下、アッベ数（νｄ）が２３．５以上２６．０以下であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の光学ガラス。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の光学ガラスを母材とすることを特徴とする光学素子。
7. 請求項６に記載の光学素子を備えたことを特徴とする光学機器。

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