JPWO2019082616A1 - 光学ガラス、光学部材およびウェアラブル機器 - Google Patents
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Abstract
高屈折率なガラスであって、その強度を従来に比べてさらに向上させ、製品特性が良好な光学ガラスを提供する。屈折率(nd)が1.55以上の光学ガラスであって、前記光学ガラスの仮想温度(Tf)とガラス転移温度(Tg)との差(Tf−Tg)が0℃以上である光学ガラス、この光学ガラスを用いた光学部材およびウェアラブル機器。この光学ガラスのクラック発生荷重Lは350mN以上であることが好ましい。
Description
本発明は、光学ガラス、光学部材およびウェアラブル機器に関する。
ウェアラブル機器、例えばプロジェクター付きメガネ、眼鏡型やゴーグル型ディスプレイ、仮想現実拡張現実表示装置、虚像表示装置などに用いられるガラスとしては、画像の広角化、高輝度・高コントラスト化、導光特性向上、回折格子の加工容易性などの面から、高屈折率であることが求められる。また、従来、車載用カメラ、ロボット用視覚センサーなどの用途に、小型で撮像画角の広い撮像ガラスレンズが用いられており、このような撮像ガラスレンズに対しては、より小型で広い範囲を撮影するために、高屈折率であることが求められる。
車載用カメラやロボットは、高速移動するあるいは過酷な環境で使用されることが想定されるため、車載用カメラ等に搭載される撮像ガラスレンズは、一般的なカメラの撮像レンズよりも、極めて高強度であることが必要とされる。例えば、車載用カメラは、自動車の走行に伴う衝撃や風圧、走行により跳ね上げられた砂塵による損傷や侵食等が生じないことが求められる。
ウェアラブル機器の場合もユーザーが誤って落としたり、皮脂や砂ぼこり等の汚れを拭いたり、といったシーンが想定されるため、車載カメラ用のレンズと同様に、搭載される導光板や回折格子付きガラス、メガネレンズには、高強度のガラスが求められる。
このような高屈折率の光学ガラスとしては、クラックイニシエーションロード(CIL)や破壊靭性を良好なものとした光学ガラス(例えば、特許文献1参照)等が知られている。
また、仮想温度を高めることで、強度を改善したガラス基板が知られている(例えば、特許文献2,3参照)。
しかしながら、特許文献1には、主にガラス組成を考慮することによって強度を改善した光学ガラスが記載されている。また、特許文献2〜3は、情報記録媒体用であって屈折率が低く、光学ガラス用途ではない。
一般に、光学ガラス用途とするためには、その特性を確保することから、ガラスを緻密に、かつ、歪みのないガラスとするため精密徐冷によって製造され、その光学ガラスの仮想温度はガラス転移温度よりも低いものとなっていた。
本発明は、上述のような課題を解消するためになされ、高屈折率なガラスであって、その強度を従来に比べてさらに向上させ、製品特性が良好な光学ガラスの提供を目的とする。
本発明の光学ガラスは、屈折率(nd)が1.55以上の光学ガラスであって、前記光学ガラスの仮想温度(Tf)とガラス転移温度(Tg)との差(Tf−Tg)が0℃以上であることを特徴とする。
また、本発明の光学部材およびウェアラブル機器は、本発明の光学ガラスを用いたことを特徴とする。
本発明の光学ガラスによれば、高屈折率で、かつ、強度の高い光学ガラスを提供できる。したがって、この光学ガラスを用いることで、光学部材およびウェアラブル機器は、落下等による破損を抑制した製品とできる。
以下、本発明の光学ガラス、光学部材およびウェアラブル機器の実施形態について説明する。
本実施形態である光学ガラスは、上記のように所定の屈折率(nd)を有し、かつ、当該光学ガラスの仮想温度(Tf)とガラス転移温度(Tg)とが所定の関係を満たしたものであり、これら各特性について順番に説明する。
本実施形態の光学ガラスは1.55以上の高い屈折率(nd)を有する。屈折率(nd)が1.55以上であるので、本実施形態の光学ガラスは、ウェアラブル機器に用いる光学ガラスとして画像の広角化、高輝度・高コントラスト化、導光特性向上、回折格子の加工容易性などの面で好適である。また車載用カメラ、ロボット用視覚センサーなどの用途に用いられる小型で撮像画角の広い撮像ガラスレンズとしては、より小型で広い範囲を撮影するために好適である。この屈折率(nd)は好ましくは、1.60以上であり、より好ましくは1.65以上、さらに好ましくは1.68以上であり、さらに好ましくは1.72以上、さらに好ましくは1.74以上、さらに好ましくは1.76以上、さらに好ましくは1.78以上、特に好ましくは1.80以上である。
一方で屈折率(nd)が大きすぎるガラスは密度が高くなりやすく、また失透温度も高くなりやすい傾向があり、屈折率(nd)は好ましくは2.20以下、より好ましくは2.00以下、さらに好ましくは1.90以下、さらに好ましくは1.86以下、さらに好ましくは1.84以下、さらに好ましくは1.82以下、さらに好ましくは1.81以下、特に好ましくは1.80以下である。
また、本実施形態の光学ガラスは、その仮想温度(Tf)とガラス転移温度(Tg)との差(Tf−Tg)が0℃以上である。このような関係を満たすようにすることで、ガラスの構造をより疎なものとし、光学ガラスに何らかの衝撃が加わってもガラスの構造が緻密化することでその衝撃を吸収しやすくなる。その結果、製品としたときに、落下等による破損を抑制できる(強度が向上した)光学ガラスが得られる。
Tf−Tg≧0の光学ガラスは、仮想温度に関係する(Tg+100℃)から(Tg−150℃)付近までの温度域での冷却速度を2℃/分以上とすればよい。好ましくは、5℃/分以上、より好ましくは10℃/分以上、さらに好ましくは20℃/分以上、さらに好ましくは50℃/分以上、さらに好ましくは75℃/分以上、特に好ましくは100℃/分以上である。特に上限は決める必要はないが、例えば、500℃/分以下とすればよい。この冷却速度を調整することで光学ガラスの仮想温度を調整できる。
Tf−Tg≧0の光学ガラスは、仮想温度に関係する(Tg+100℃)から(Tg−150℃)付近までの温度域での冷却速度を2℃/分以上とすればよい。好ましくは、5℃/分以上、より好ましくは10℃/分以上、さらに好ましくは20℃/分以上、さらに好ましくは50℃/分以上、さらに好ましくは75℃/分以上、特に好ましくは100℃/分以上である。特に上限は決める必要はないが、例えば、500℃/分以下とすればよい。この冷却速度を調整することで光学ガラスの仮想温度を調整できる。
なお、従来の光学ガラスは、その製造過程において、精密徐冷により徐冷し、固化して製品とするため、そのTfは低くなり、Tgよりも低くなることが一般的であった。本実施形態においては、そのTfについて検討したところ、これをTg以上とすること、すなわち、光学ガラスのTfとTgとの差(Tf−Tg)を0℃以上とすることで、光学ガラス自体の強度を向上でき、落下等による破損を抑制できることを見出した。この差(Tf−Tg)は5℃以上が好ましく、10℃以上がより好ましく、15℃以上がさらに好ましく、20℃以上がさらに好ましく、25℃以上がさらに好ましく、30℃以上がさらに好ましく、40℃以上がさらに好ましく、50℃以上が特に好ましい。強度向上の効果を得るために、この差(Tf−Tg)の上限を敢えて設定する必要はないが、この差(Tf−Tg)が100℃以下であればガラスの冷却速度を低く抑えられ、ガラスの反りや板厚偏差が改善する。このガラスの反りや板厚偏差の改善も必要になる場合、この差(Tf−Tg)は70℃以下が好ましく、50℃以下がより好ましく、40℃以下がさらに好ましく、30℃以下が特に好ましい。
ガラスは、高温では粘性が低く液体状であり、このときのガラスの構造は粗の状態であり、冷却していくとガラスの構造は密になりながら固化する。このガラスの構造変化は、ガラスがその温度において最も安定な状態に移ろうとすることにより起こる。ところが、ガラスの冷却速度が大きいと、ガラスの構造が、その温度に対応する密な構造になる前に固化してしまい、高温側の状態でガラスの構造が固定されてしまう。この固化したガラスの構造に相当する温度を仮想温度という。すなわち、Tfは、全く同一組成のガラスであっても、その製造過程における熱処理によって異なる。このように、その熱処理に応じてガラスの構造が異なり、その物理的性質も異なることとなる。
このTfは、熱量測定方法や熱収縮の測定など公知の測定方法により求めることができる。本明細書において、実際に行ったTfの測定方法は実施例で詳細に説明する。
また、この光学ガラスのTgは、例えば、熱膨張法等の公知の方法によって求めることができる。
そして、本実施形態の光学ガラスのTgは、800℃以下が好ましい。本実施形態の光学ガラスを、上記した範囲のTgとすると、プレス成型およびリドロー成形における成形性が良好である。このTgは、より好ましくは760℃以下であり、さらに好ましくは720℃以下、さらにより好ましくは680℃以下、特に好ましくは640℃以下である。
また、本実施形態の光学ガラスのTgは、500℃以上が好ましい。本実施形態の光学ガラスを、上記した範囲のTgとすると、Tg付近の冷却速度を速くしやすく仮想温度を高くすることが容易になる。このTgは、より好ましくは520℃以上であり、さらに好ましくは540℃以上、さらにより好ましくは560℃以上、特に好ましくは580℃以上である。
さらに、本実施形態の光学ガラスは、上記の特性を満たすことで強度を向上させる観点から、以下の特性を有していることが好ましい。
本実施形態の光学ガラスのヤング率(E)は、60GPa以上が好ましい。このような特性を有すると、薄いガラス板としてウェアラブル機器に用いた際や、レンズとして車載用カメラ、ロボット用視覚センサーなどに用いられた場合に、たわみが少ないという利点がある。
ガラスのたわみ量を少なくする観点で、このEは、より好ましくは70GPa以上であり、さらに好ましくは80GPa以上、よりさらに好ましくは85GPa以上、特に好ましくは90GPa以上である。また、本実施形態の光学ガラスのヤング率(E)は、140GPa以下であれば、高い仮想温度を得るために速い冷却速度で冷却した場合に割れにくくなる。ガラスを割れにくくするという観点では、このEは、より好ましくは120GPa以下であり、さらに好ましくは100GPa以下、よりさらに好ましくは95GPa以下、特に好ましくは90GPa以下である。
また、本実施形態の光学ガラスの50〜350℃における熱膨張係数(α)は、50(×10−7/K)以上が好ましい。本実施形態の光学ガラスは、上記した範囲のαとすると、周辺部材との膨張マッチングが良好である。このαは、より好ましくは60(×10−7/K)以上であり、さらに好ましくは70(×10−7/K)以上であり、さらにより好ましくは80(×10−7/K)以上であり、特に好ましくは90(×10−7/K)以上である。
また、本実施形態の光学ガラスのαは、150(×10−7/K)以下が好ましい。本実施形態の光学ガラスは、上記した範囲のαとすると、冷却時の割れが起こりにくくなるため冷却速度を上昇できる。その結果、光学ガラスのTfとTgとの差(Tf−Tg)を0℃以上とする、すなわちガラスのTfをTgに比して高くすることが可能になり、ガラスの構造をより疎なものとし、光学ガラスに何らかの衝撃が加わってもガラスの構造が緻密化することでその衝撃を吸収しやすくなる。その結果、光学ガラス自体の強度を向上し、落下等による破損を抑制できる。このαは、より好ましくは120(×10−7/K)以上であり、さらに好ましくは110(×10−7/K)以下であり、さらにより好ましくは100(×10−7/K)以下であり、特に好ましくは95(×10−7/K)以下である。
本実施形態の光学ガラスは、最大厚さが2.0mm以下であれば、冷却速度を速くしやすく仮想温度を高くすることが容易になる。この厚さは、より好ましくは1.5mm以下であり、さらに好ましくは1.0mm以下であり、よりさらに好ましくは0.8mm以下であり、特に好ましくは0.6mm以下である。冷却速度を早くし仮想温度を高くするためには、厚さの下限を敢えて設定する必要はないが、最大厚さが0.01mm以上であれば、光学ガラスの自重によるたわみを抑えられる。この厚さは、より好ましくは0.1mm以上であり、さらに好ましくは0.3mm以上であり、よりさらに好ましくは0.5mm以上、特に好ましくは0.7mm以上である。
本実施形態の光学ガラスはガラス板の形状であることが好ましく、ガラス板である場合においては、その一の主表面の面積は、8cm2以上が好ましい。この面積が8cm2以上であれば、多数の光学素子を配置でき生産性が向上する。この面積はより好ましくは30cm2以上であり、さらに好ましくは170cm2以上であり、よりさらに好ましくは300cm2以上であり、特に好ましくは1000cm2以上である。一方で面積が6500cm2以下であればガラス板の取り扱いが容易になり、ガラス板の取り扱い時や加工時の破損を抑制できる。この面積はより好ましくは4500cm2以下であり、さらに好ましくは4000cm2以下であり、よりさらに好ましくは3000cm2以下であり、特に好ましくは2000cm2以下である。
また、本実施形態の光学ガラスの一の主表面の表面粗さRaは、2nm以下が好ましい。この範囲のRaとすると、一の主表面にインプリント技術等を用いて所望形状のナノ構造を形成でき、また所望の導光特性が得られる。このRaは、より好ましくは1.7nm以下であり、さらに好ましくは1.4nm以下、さらにより好ましくは1.2nm以下、特に好ましくは1.0nm以下である。ここで、表面粗さRaは、JIS B0601(2001年)で定義された算術平均粗さである。本明細書では、10μm×10μmの異なる3つのエリアを、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて測定した結果を平均した値である。
本実施形態の光学ガラスは、ガラス板の断面における屈折率の最大値と最小値との差(Δn)は5.0×10−5以下が好ましい。
本明細書において、ガラス板の断面とは、ガラス板の一の主表面から他の主表面までの板厚方向に切断して露出した断面を指し、後述するΔnの測定における、成形体から所定の大きさで切り出したサンプルを、さらに研磨して得られる測定試料の研磨された側面を指す。
本明細書において、ガラス板の断面とは、ガラス板の一の主表面から他の主表面までの板厚方向に切断して露出した断面を指し、後述するΔnの測定における、成形体から所定の大きさで切り出したサンプルを、さらに研磨して得られる測定試料の研磨された側面を指す。
Δnの測定は公知の方法、例えば、透過型二光束干渉顕微鏡を用いて、以下の手順で測定できる。
〔Δnの測定方法〕
<測定試料の準備>
光学ガラスを板状の成形体として得て、この成形体から、幅30mm、奥行10mmのサンプル(板厚はそのまま)を、成形体とサンプルの重心(G1)位置が一致し、かつ成形体の長辺方向がサンプルの幅方向と平行となるように切り出す(図1参照)。切り出したサンプルを図2に示したが、その幅方向に伸びる2つの側面をそれぞれA面、B面とする。
<測定試料の準備>
光学ガラスを板状の成形体として得て、この成形体から、幅30mm、奥行10mmのサンプル(板厚はそのまま)を、成形体とサンプルの重心(G1)位置が一致し、かつ成形体の長辺方向がサンプルの幅方向と平行となるように切り出す(図1参照)。切り出したサンプルを図2に示したが、その幅方向に伸びる2つの側面をそれぞれA面、B面とする。
次に、研削砥石としてダイヤモンドホイールを使用してサンプルのA面及びB面を研削する。この研削は、表1に示すように、A面及びB面の研削量、ダイヤモンドホイールのメッシュサイズを変更しながら、1段階から4段階まで順番に4段階で行う。
続いて、ダイヤモンドスラリーを用いて研削後のサンプルのA面、B面を鏡面研磨し、測定試料を得る。このときの研磨量は10μm以上であり、ダイヤモンドスラリーは、例えば、メッシュサイズ#14000の単結晶ダイヤモンドを0.1質量%含有するスラリーを用いる。
本発明の一実施態様におけるガラス板の断面は、上記手順に従って得られた測定試料のA面またはB面に対応する。
<Δnの測定>
Δnの測定には、透過型二光束干渉顕微鏡を用いる。後述する実施例では、(株)溝尻光学工業所製透過型二光束干渉顕微鏡(TDシリーズ)を使用し、測定波長は546nm(光源:キセノンランプ、単色フィルター:546nm)を用い、空間分解能は9.1μm×9.1μm(CCDカメラ4画素分)で、測定試料の板厚方向のΔnを以下のように測定した。
Δnの測定には、透過型二光束干渉顕微鏡を用いる。後述する実施例では、(株)溝尻光学工業所製透過型二光束干渉顕微鏡(TDシリーズ)を使用し、測定波長は546nm(光源:キセノンランプ、単色フィルター:546nm)を用い、空間分解能は9.1μm×9.1μm(CCDカメラ4画素分)で、測定試料の板厚方向のΔnを以下のように測定した。
微小な屈折率差を測定する際には、測定精度を悪化させるおそれのある要因を除外する必要がある。たとえば、装置周辺の温度変動の抑制、振動の防止、外光(例えば照明)の遮断を行うことが必要である。
また、使用する対物レンズによって、測定精度が異なる場合や、測定面内で精度の分布をもつ場合がある。そのため、光路上に何もない状態で位相差分布(平面傾き補正)を測定し、測定面内の最大値と最小値の差が1/100λ以下(5nm以下)となるように平面傾き補正を行う。
そして、奥行方向が光路となるように測定試料を置き、上述の条件(平面傾き補正)で位相差分布を測定する。測定試料の奥行(A面からB面までの長さ)はマイクロメータで測定し、位相差分布から屈折率分布(=位相差分布/奥行)を算出する。この奥行は、A面の重心(G2)での長さとした。
鏡面研磨されたA面においてA面の重心(G2)を通り主表面に垂直な線(板厚方向)に沿って屈折率分布を算出し、その最大値と最小値の差をΔnとする。
鏡面研磨されたA面においてA面の重心(G2)を通り主表面に垂直な線(板厚方向)に沿って屈折率分布を算出し、その最大値と最小値の差をΔnとする。
上記Δnが5.0×10−5以下であると、本実施形態の光学ガラスは、ウェアラブル機器に用いる導光板として使用した際に画像の鮮明化、高輝度・高コントラスト化、導光特性向上、回折格子の加工容易性などで好適である。この屈折率の最大値と最小値の差は、より好ましくは3.0×10−5以下である。さらに好ましくは2.0×10−5以下、さらに好ましくは1.0×10−5以下、特に好ましくは0.5×10−5以下である。
また、上記のように得られた測定試料の断面においては、次のように屈折率指標値Nを算出することができる。すなわち、この測定試料の断面において、下記式(1)を用いて屈折率指標値Nが算出でき、算出される屈折率指標値Nの最大値(Nmax)と最小値(Nmin)の差が5.0×10−3以下であることが好ましい。なお、この屈折率指標値Nは、式(1)に示しているように、その組成(含有酸化物の濃度)に依存するものである。
N=ASi×CSi+AAl×CAl+APt×CPt+AZr×CZr …(1)
(ただし、式中、CSi:SiO2の濃度(モル%)、CAl:Al2O3の濃度(モル%)、CPt:PtO2の濃度(モル%)、CZr:ZrO2の濃度(モル%)、ASi=1.4、AAl=1.4、APt=5.0、AZr=2.0、である。)
(ただし、式中、CSi:SiO2の濃度(モル%)、CAl:Al2O3の濃度(モル%)、CPt:PtO2の濃度(モル%)、CZr:ZrO2の濃度(モル%)、ASi=1.4、AAl=1.4、APt=5.0、AZr=2.0、である。)
この屈折率指標値Nは、上記Δnを測定するために得た測定試料のA面において、A面の重心(G2)を通り主表面に垂直な線(板厚方向)に沿って、板厚方向に等分した区画ごとに、上記位相差分布の光路と同様の方向に電子線を照射し、数値を測定(図2参照)し、得られる値である。なお、区画の数は最小20であり、分解能を上げるために任意に増やすことができる。また、CSi、CAl、CPtおよびCZrは、電子線マイクロアナライザ(EPMA)により元素ごとに測定した値を、各酸化物のモル%濃度に換算した数値である。また、ASi、AAl、APtおよびAZrは、それぞれ各酸化物の屈折率指標値Nを算出するための補正値である。
Nの最大値と最小値の差が5.0×10−3以下であると、本実施形態の光学ガラスは、ウェアラブル機器に用いる導光板として使用した際に画像の鮮明化、高輝度・高コントラスト化、導光特性向上、回折格子の加工容易性などの面で好適である。この屈折率の最大値と最小値の差は、好ましくは3.0×10−3以下である。より好ましくは2.0×10−3以下、さらに好ましくは1.0×10−3以下、特に好ましくは5.0×10−4以下である。
また、本実施形態の光学ガラスは、クラック発生荷重Lが350mN以上であることが好ましい。ここで、本実施形態におけるクラック発生荷重は次の方法によって得ることができる。
湿度30%、温度25℃に保持された恒温恒湿槽内において、荷重10、25、50、100、200gに設定したビッカース圧子をガラス表面(光学研磨面)に15秒間打ち込み、その15秒後に圧痕の4隅から発生するクラックの数をカウント(1つの圧痕につき最大4とする)する。これを各荷重にて20回繰り返し(すなわち、圧子を20回打ち込み)、総クラック数を計数した後、総クラック発生数/80にてクラック発生率を求める。得られたクラック発生率を荷重に対してプロットし,シグモイド関数を最小二乗法によりフィッティングした際のクラック発生率が50%となる荷重をクラック発生荷重Lとする。
そして、本実施形態の光学ガラスは、そのクラック発生荷重Lが、上記光学ガラスと同一組成であって、溶融後、精密徐冷して得られたガラスのクラック発生荷重L0と比較したときの差(L−L0)が、98mN以上が好ましく、150mN以上がより好ましく、200mN以上がさらに好ましく、250mN以上がさらに好ましく、300mN以上が特に好ましい。
ここで、クラック発生荷重L0は、上記光学ガラスと同一組成であって、溶融後、精密徐冷して得られたガラスに対し、上記クラック発生荷重Lの算出と同様の試験を行って得られる値である。
なお、ここで精密徐冷は、光学ガラスをボックス型電気炉に入れてTg+30℃(ガラス転移温度よりも30℃高い温度)まで昇温し、一時間保持後、プログラム制御により0.1℃/分の冷却速度でTg−150℃(ガラス転移温度よりも150℃低い温度)まで冷却し、その後は自然放冷するものとする。
なお、ここで精密徐冷は、光学ガラスをボックス型電気炉に入れてTg+30℃(ガラス転移温度よりも30℃高い温度)まで昇温し、一時間保持後、プログラム制御により0.1℃/分の冷却速度でTg−150℃(ガラス転移温度よりも150℃低い温度)まで冷却し、その後は自然放冷するものとする。
[ガラス成分]
次に、本実施形態の光学ガラスが含有し得る各成分の組成範囲の一実施形態について詳細に説明する。本明細書において、各成分の含有量は、特に断りのない限り、酸化物基準のガラス母組成の全質量に対する質量%で示す。ここでガラス母組成は、Sb2O3およびSnO2を除いた成分である。
次に、本実施形態の光学ガラスが含有し得る各成分の組成範囲の一実施形態について詳細に説明する。本明細書において、各成分の含有量は、特に断りのない限り、酸化物基準のガラス母組成の全質量に対する質量%で示す。ここでガラス母組成は、Sb2O3およびSnO2を除いた成分である。
本実施形態の光学ガラスにおける高屈折率かつ光透過率が良好であって、さらに溶解性が高いという特性を満たす母組成としては、例えば、酸化物基準の質量%表示で、ガラス形成成分として、SiO2、B2O3およびP2O5からなる群から選ばれる少なくとも1種を5〜80質量%、修飾酸化物としてMgO、CaO、SrO、BaO、ZnO、Li2O、Na2O、K2O、Cs2O、Ln2O3(LnはY、La、Gd、YbおよびLuからなる群から選ばれる少なくとも1種である。)からなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化物を合計で5〜70質量%、中間酸化物としてAl2O3、TiO2、ZrO2、WO3、Bi2O3、TeO2、Ta2O5、Nb2O5からなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化物を合計で0〜50質量%、を含有する組成が挙げられる。
このような光学ガラスの組成としては、具体的には、(1)La−B系、(2)SiO2系、(3)P2O5系の光学ガラスが挙げられる。なお、ガラス組成における含有量の説明で、単に「%」「ppm」との表記は、特に説明をしている場合を除き「質量%」「質量ppm」を意味する。
(1)La−B系としては、例えば、母組成の合計を100%としたとき、La2O3を5〜70%、B2O3を5〜70%含有するガラスが例示できる。
La2O3成分を5%以上含有することで、所望の高屈折率にでき、且つ分散を小さく(アッベ数を大きく)できる。従って、La2O3成分の含有量は、好ましくは10%、より好ましくは15%、さらに好ましくは20%、さらに好ましくは30%を下限とする。
他方で、La2O3成分の含有量を70%以下にすることで、ガラスの溶融性の低下を抑えられ、ガラスの耐失透性を高められる。従って、La2O3成分の含有量は、好ましくは60%、より好ましくは50%、さらに好ましくは40%、さらに好ましくは30%を上限とする。
B2O3は、ガラス形成成分であり、B2O3の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、5〜70%が好ましい。
B2O3成分を5%以上含有することで、ガラスの耐失透性を高められ、且つガラスの分散を小さくできる。従って、B2O3成分の含有量は、好ましくは10%、より好ましくは20%、さらに好ましくは35%を下限とする。
他方で、B2O3成分の含有量を70%以下にすることで、より大きな屈折率を得易くでき、化学的耐久性の悪化を抑えられる。従って、B2O3成分の含有量は、好ましくは60%、より好ましくは50%、さらに好ましくは40%、さらに好ましくは30%を上限とする。
MgOは任意成分である。MgOの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜20%が好ましい。MgO成分を含有することで、ガラスの機械的強度を向上できる。MgOの含有量は、より好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは8%以上である。MgOの含有量が20%以下であれば失透温度を低くし、好ましい製造特性が得られる。MgOの含有量は、より好ましくは15%以下であり、さらに好ましくは10%以下であり、さらに好ましくは5%以下であり、特に好ましくは3%以下である。
CaOは任意成分である。CaOの含有量は、母組成の合計100%としたとき、0〜30%が好ましい。CaO成分を含有することで、ガラスの化学的耐久性を向上できる。CaOの含有量は、より好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは10%以上である。CaOの含有量が30%以下であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。CaOの含有量は、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、さらに好ましくは10%以下であり、特に好ましくは5%以下である。
SrOは任意成分である。SrOの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜30%が好ましい。SrO成分を含有することで、ガラスの屈折率を向上できる。SrOの含有量は、より好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは10%以上である。SrOの含有量が30%以下であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。SrOの含有量は、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、さらに好ましくは10%以下であり、特に好ましくは5%以下である。
BaOは任意成分である。BaOの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜40%が好ましい。BaO成分を含有することで、ガラスの屈折率を向上できる。BaOの含有量は、より好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは10%以上である。BaOの含有量が40%以下であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。BaOの含有量は、より好ましくは30%以下であり、さらに好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
ZnOは任意成分である。ZnOの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜30%が好ましい。ZnO成分を含有することで、ガラスの屈折率を向上できる。ZnOの含有量は、より好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは10%以上である。ZnOの含有量が30%以下であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。ZnOの含有量は、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、さらに好ましくは10%以下であり、特に好ましくは5%以下である。
Li2Oは任意成分である。Li2Oの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜15%が好ましい。Li2Oを含有させると、強度(Kc)およびクラック耐性(CIL)を向上できる。Li2Oの含有量は、より好ましくは0.5%以上であり、さらに好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは3%以上であり、特に好ましくは5%以上である。一方、Li2Oの含有量が15%以下であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。Li2Oの含有量は好ましくは10%以下であり、より好ましくは7%以下であり、さらに好ましくは5%以下であり、特に好ましくは4%以下である。
Na2Oは任意成分である。Na2Oの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜20%である。Na2Oの含有量が20%以下であれば良好なクラック耐性が得られる。Na2Oの含有量は、好ましくは15%以下であり、より好ましくは10%以下であり、さらに好ましくは7%以下であり、特に好ましくは5%以下である。本実施形態の光学ガラスがNa2Oを含有する場合、失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られ、その含有量は、好ましくは0.5%以上であり、より好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは2%以上であり、特に好ましくは3%以上である。
K2Oは任意成分である。K2Oの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜20%である。K2Oの含有量が20%以下であれば良好なクラック耐性が得られる。K2Oの含有量は、好ましくは15%以下であり、より好ましくは10%以下であり、さらに好ましくは7%以下である。本実施形態の光学ガラスがK2Oを含有する場合、失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。その含有量は、好ましくは0.5%以上であり、より好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは2%以上であり、特に好ましくは3%以上である。
また、本実施形態の光学ガラスにおいては、任意成分としてアルカリ金属成分(Li2O+Na2O+K2O)を含有できる。Li2O+Na2O+K2Oの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜20%である。Li2O+Na2O+K2Oが2%以上であれば、ガラスの粘性がlogη=2となる温度T2が低くなり易く、溶解温度が低くなり着色を抑えられる。Li2O+Na2O+K2Oは、好ましくは4%以上であり、より好ましくは6%以上であり、さらに好ましくは8%以上であり、特に好ましくは10%以上である。また、Li2O+Na2O+K2Oの含有量を20%以下にすることで失透温度を下げ好ましい製造特性が得られる。Li2O+Na2O+K2Oの含有量は、好ましくは15%以下であり、より好ましくは10%以下であり、さらに好ましくは8%以下であり、特に好ましくは6%以下である。
本実施形態の光学ガラスにおいて、アルカリ金属成分(Li2O、Na2O、K2O)のなかでも、Li2Oは、ガラスの強度を向上させる成分であるが、その量が多いとT2が低くなり易く失透し易くなる。そこで、本実施形態の光学ガラスでは、酸化物基準の質量%による比の値で、Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)は0.45以下が好ましい。Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)を0.45以下とすることで、T2が高くなりやすく、失透し難くなりガラスの易成形性が向上する。Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)は、より好ましくは0.4以下であり、さらに好ましくは0.35以下であり、特に好ましくは0.3以下である。
Cs2Oは任意成分である。Cs2Oの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜20%である。Cs2Oの含有量が0%超であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。本実施形態の光学ガラスがCs2Oを含有する場合、その含有量は、好ましくは0.5%以上であり、より好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは2%以上であり、特に好ましくは3%以上である。一方、Cs2Oの含有量が20%以下であれば良好なクラック耐性が得られる。Cs2Oの含有量は、好ましくは15%以下であり、より好ましくは10%以下であり、さらに好ましくは7%以下である。
Ln2O3(LnはY、La、Gd、YbおよびLuからなる群から選ばれる少なくとも1種である。)は任意成分である。Ln2O3の合量としての含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜55%である。Ln2O3を含有させると、ガラスの屈折率を向上できる。Ln2O3の合量としての含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは5%以上であり、さらに好ましくは10%以上であり、特に好ましくは15%以上である。
また、Ln2O3の含有量が55%以下であれば失透温度を低くできる上、原料コストを下げられる。そのため、合量としての含有量は、好ましくは55%以下であり、より好ましくは25%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
Al2O3は任意成分である。Al2O3の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜55%以下である。Al2O3を含有させると、ガラスの強度を高めるとともにガラスの安定性を向上できる。Al2O3の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは8%以上である。
また、Al2O3の含有量が55%以下であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。Al2O3の含有量は、好ましくは15%以下であり、よりAl2O3の含有量10%以下であり、さらにAl2O3の含有量8%以下であり、特にAl2O3の含有量5%以下である。
TiO2は任意成分である。TiO2の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜55%である。TiO2を含有させると、ガラスの屈折率を高めるとともにガラスの安定性を向上できる。TiO2の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは5%以上であり、さらに好ましくは10%以上であり、特に好ましくは15%以上である。
また、TiO2の含有量が55%以下であれば失透温度が低くなり、ガラスの着色を抑えられる。TiO2の含有量は、好ましくは35%以下であり、より好ましくは25%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
ZrO2は任意成分である。ZrO2の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜55%である。ZrO2を含有させると、ガラスの屈折率を高めるとともに化学耐久性を向上できる。ZrO2の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは5%以上であり、さらに好ましくは10%以上であり、特に好ましくは15%以上である。
また、ZrO2の含有量が55%以下であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。ZrO2の含有量は、好ましくは30%以下であり、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
WO3は任意成分である。WO3の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜55%である。WO3を含有させると、ガラスの屈折率を向上できる。WO3の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは10%以上である。
また、WO3の含有量が55%以下であれば失透温度が低くなり、ガラスの着色を抑えられる。WO3の含有量は、好ましくは30%以下であり、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
Bi2O3は任意成分である。Bi2O3の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜55%である。Bi2O3を含有させる、ガラスの屈折率を向上できる。Bi2O3の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは5%以上であり、特に好ましくは10%以上である。
また、Bi2O3の含有量が55%以下であれば失透温度が低くなり、ガラスの着色を抑えられる。Bi2O3の含有量は、好ましくは35%以下であり、より好ましくは25%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
TeO2は任意成分である。TeO2の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜30%である。TeO2を含有させると、ガラスの屈折率を向上できる。TeO2の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは5%以上であり、さらに好ましくは10%以上であり、特に好ましくは15%以上である。
また、TeO2の含有量が55%以下であれば失透温度を低くできる上、原料コストを下げられる。TeO2の含有量は、好ましくは30%以下であり、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
Ta2O5は任意成分である。Ta2O5の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜30%である。Ta2O5を含有させると、ガラスの屈折率を向上できる。Ta2O5の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは5%以上であり、さらに好ましくは10%以上であり、特に好ましくは15%以上である。
また、Ta2O5の含有量が30%以下であれば失透温度を低くできる上、原料コストを下げられる。Ta2O5の含有量は、好ましくは25%以下であり、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
Nb2O5は任意成分である。Nb2O5の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜55%である。Nb2O5を含有させると、ガラスの屈折率を向上できる。Nb2O5の含有量は、好ましくは5%以上であり、より好ましくは10%以上であり、さらに好ましくは15%以上であり、特に好ましくは30%以上である。
また、Nb2O5の含有量が55%以下であれば失透温度を低くできる上、原料コストを下げられる。Nb2O5の含有量は、好ましくは35%以下であり、より好ましくは25%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
(2)SiO2系としては、例えば、SiO2を10〜70%含有し、高屈折率成分としてNb2O5、Ta2O5、Li2O、SrO、BaO、TiO2、ZrO2、WO3、Bi2O3、TeO2およびLn2O3(LnはY、La、Gd、YbおよびLuからなる群から選ばれる少なくとも1種である。)からなる群から選ばれる少なくとも1種を1%以上含有するガラスが例示できる。
SiO2は、ガラス形成成分である。SiO2の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、10〜70%である。SiO2の含有量が10%以上で、ガラスの粘性がlogη=2となる温度T2を好ましい範囲にし、ガラスに高い強度とクラック耐性を付与し、ガラスの安定性および化学的耐久性を向上できる。SiO2の含有量は、好ましくは15%以上であり、より好ましくは20%以上であり、さらに好ましくは25%以上である。一方、SiO2の含有量が70%以下で、高い屈折率を得るための成分を含有できる。SiO2の含有量は、好ましくは60%以下であり、より好ましくは50%以下であり、さらに好ましくは40%以下である。
Nb2O5は、任意成分である。Nb2O5の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、5%以上とすることでガラスの屈折率を高めるとともに、アッベ数(vd)を小さくできる。Nb2O5の含有量は、より好ましくは15%以上であり、さらに好ましくは25%以上であり、特に好ましくは30%以上である。
また、Nb2O5の含有量が70%以下であれば失透温度を低くできる上、原料コストを下げられる。Nb2O5の含有量は、好ましくは60%以下であり、より好ましくは55%以下であり、さらに好ましくは50%以下である。
Ta2O5は任意成分である。Ta2O5の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜30%である。Ta2O5の含有量は、1%以上とすることで屈折率を向上できる。Ta2O5の含有量は、より好ましくは5%以上であり、さらに好ましくは10%以上であり、特に好ましくは15%以上である。
また、Ta2O5の含有量が30%以下であれば失透温度を低くできる上、原料コストを下げられる。Ta2O5の含有量は、好ましくは25%以下であり、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
また、本実施形態の光学ガラスにおいては、任意成分としてアルカリ金属成分(Li2O+Na2O+K2O)を含有できる。Li2O+Na2O+K2Oの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜20%である。Li2O+Na2O+K2Oが2%以上であれば、T2が低くなり易く、溶解温度が低くなり着色を抑えられる。Li2O+Na2O+K2Oの含有量は、好ましくは4%以上であり、より好ましくは6%以上であり、さらに好ましくは8%以上であり、特に好ましくは10%以上である。また、Li2O+Na2O+K2Oの含有量を20%以下にすることで失透温度を下げ、好ましい製造特性が得られる。Li2O+Na2O+K2Oの含有量は、好ましくは15%以下であり、より好ましくは10%以下であり、さらに好ましくは8%以下であり、特に好ましくは6%以下である。
本実施形態の光学ガラスにおいて、アルカリ金属成分(Li2O、Na2O、K2O)のなかでも、Li2Oは、ガラスの強度を向上させる成分であるが、その量が多いとT2が低くなり易く失透し易くなる。そこで、本実施形態の光学ガラスでは、酸化物基準の質量%による比の値で、Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)は0.45以下が好ましい。Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)を0.45以下とすることで、T2が高くなりやすく、失透し難くなりガラスの易成形性が向上する。Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)は、より好ましくは0.4以下であり、さらに好ましくは0.35以下であり、特に好ましくは0.3以下である。
Li2Oは任意成分である。Li2Oの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜15%が好ましい。Li2Oを含有させると、強度(Kc)およびクラック耐性(CIL)を向上できる。Li2Oの含有量は、より好ましくは0.5%以上であり、さらに好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは3%以上であり、特に好ましくは5%以上である。一方、Li2Oの含有量が15%以下であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。Li2Oの含有量は、好ましくは10%以下であり、より好ましくは7%以下であり、さらに好ましくは5%以下であり、特に好ましくは4%以下である。
SrOは任意成分である。SrOの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜30%が好ましい。SrO成分を含有することで、ガラスの屈折率を向上させることができる。SrOの含有量は、より好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは10%以上である。この含有量が30%以下であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。SrOの含有量は、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、さらに好ましくは10%以下であり、特に好ましくは5%以下である。
BaOは任意成分である。BaOの含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜50%が好ましい。BaO成分を含有することで、ガラスの屈折率を向上させることができる。より好ましくは1%以上であり、さらに好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは10%以上である。この含有量が50%以下であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。BaOの含有量は、より好ましくは35%以下であり、さらに好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
TiO2は任意成分である。TiO2の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜55%である。TiO2を含有させると、ガラスの屈折率を向上させ、ガラスの安定性を向上できる。TiO2の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは5%以上であり、さらに好ましくは10%以上であり、特に好ましくは15%以上である。
また、TiO2の含有量が55%以下であれば失透温度が低くなり、ガラスの着色を抑えられる。TiO2の含有量は、好ましくは35%以下であり、より好ましくは25%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
ZrO2は任意成分である。ZrO2の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜55%である。ZrO2を含有させると、ガラスの屈折率を向上させ、化学耐久性を向上できる。ZrO2の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは5%以上であり、さらに好ましくは10%以上であり、特に好ましくは15%以上である。
また、ZrO2の含有量が55%以下であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。ZrO2の含有量は、好ましくは30%以下であり、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
WO3は任意成分である。WO3の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜55%である。WO3を含有させると、ガラスの屈折率を向上できる。WO3の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは10%以上である。
また、WO3の含有量が55%以下であれば失透温度が低くなり、ガラスの着色を抑えられる。WO3の含有量は、好ましくは30%以下であり、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
Bi2O3は任意成分である。Bi2O3の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜55%である。Bi2O3を含有させると、ガラスの屈折率を向上できる。Bi2O3の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは5%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは10%以上である。
また、Bi2O3の含有量が55%以下であれば失透温度が低くなり、ガラスの着色を抑えられる。Bi2O3の含有量は、好ましくは35%以下であり、より好ましくは25%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
TeO2は任意成分である。TeO2の含有量は、母組成の合計を100%としたとき、0〜30%である。TeO2を含有させると、ガラスの屈折率を向上できる。TeO2の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは5%以上であり、さらに好ましくは10%以上であり、特に好ましくは15%以上である。
また、TeO2の含有量が55%以下であれば失透温度を低くできる上、原料コストを下げられる。TeO2の含有量は、好ましくは30%以下であり、より好ましくは20%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。
Ln2O3(LnはY、La、Gd、Yb、およびLuからなる群から選ばれる1種以上である。)を含有することで、ガラスの屈折率を向上できる。Ln2O3の含有量は、好ましくは1%以上であり、より好ましくは3%以上であり、さらに好ましくは5%以上であり、特に好ましくは10%以上である。一方、Ln2O3の含有量が、母組成の合計を100%としたとき、55%以下であれば失透温度が低くなり、好ましい製造特性が得られる。Ln2O3の含有量は、合計で、好ましくは35%以下であり、さらに好ましくは20%以下であり、特に好ましくは15%以下である。
(3)P2O5系としては、例えば、P2O5を10〜70質量%含有し、高屈折率成分としてNb2O5、Ta2O5、Li2O、SrO、BaO、TiO2、ZrO2、WO3、Bi2O3、TeO2およびLn2O3(LnはY、La、Gd、YbおよびLuからなる群から選ばれる少なくとも1種である。)からなる群から選ばれる少なくとも1種を1%以上含有するガラスが例示できる。
P2O5はガラスを構成するガラス形成成分であり、ガラスに製造可能な安定性を持たせ、ガラス転移温度と液相温度を小さくする作用が大きい。しかし、P2O5の含有量が、母組成の合計を100%としたとき、10%未満であると十分な効果が得られない。P2O5の含有量は、好ましくは15%以上、より好ましくは20%以上、さらに好ましくは30%以上、特に好ましくは40%以上である。また、P2O5の含有量が70%以下であれば、良好な化学的耐久性が得られる。P2O5の含有量は、好ましくは65%以下、より好ましくは60%以下、さらに好ましくは55%以下、特に好ましくは50%以下である。
なお、高屈折率成分については、上記(2)SiO2系と同一であるため、説明は省略する。
さらに本実施形態の光学ガラスには、Sb2O3およびSnO2のうちの少なくとも一種が含有されることが好ましい。これらは必須の成分ではないが、屈折率特性の調整、溶融性の向上、着色の抑制、透過率の向上、清澄、化学的耐久性の向上などの目的で添加できる。これらの成分を含有させる場合、それらの含有量は、合計で、好ましくは5%以下であり、より好ましくは3%以下であり、さらに好ましくは1%以下であり、特に好ましくは0.5%以下である。
[光学ガラスおよびガラス成形体の製造方法]
本実施形態の光学ガラスは、例えば以下のように製造される。
すなわち、まず、上記所定のガラス組成となるように原料を秤量し、均一に混合する。得られた原料混合物を、連続溶解炉に投入し、バーナーにより加熱して原料混合物を溶解し、脱泡、撹拌などにより均質化した後、連続溶解炉から流出させ、冷却し、固化させて本実施形態の光学ガラスが得られる。
本実施形態の光学ガラスは、例えば以下のように製造される。
すなわち、まず、上記所定のガラス組成となるように原料を秤量し、均一に混合する。得られた原料混合物を、連続溶解炉に投入し、バーナーにより加熱して原料混合物を溶解し、脱泡、撹拌などにより均質化した後、連続溶解炉から流出させ、冷却し、固化させて本実施形態の光学ガラスが得られる。
この冷却に際して、本実施形態では、光学ガラスのTfとTgとの差(Tf−Tg)が0℃以上となるように条件を設定する。このような関係を満たすようにするには、Tfを高くするように製造条件を調整すればよく、例えば、仮想温度に関係する(Tg+100℃)から(Tg−150℃)付近までの温度域の冷却速度を速くすればよい。冷却速度は、2℃/分以上が好ましい。
さらに、上記条件を満たせば、この光学ガラスは、溶融したガラスをフロート法、ロールアウト法といった公知の成型方法によって板状に成形することでガラス板とできる。また、例えばリヒートプレス成形や精密プレス成形等の手段を用いて、ガラス成形体を作製できる。すなわち、光学ガラスからモールドプレス成形用のレンズプリフォームを作製し、このレンズプリフォームに対してリヒートプレス成形を行った後で研磨加工を行ってガラス成形体を作製したり、例えば研磨加工を行って作製したレンズプリフォームに対して精密プレス成形を行ってガラス成形体を作製したりできる。なお、ガラス成形体を作製する手段は、これらの手段に限定されない。
また、溶融方法についても、上記連続溶融法が適しているが、それ以外にも、従来公知の方法により光学ガラスとしてもよい。例えば、原料を混合して得た混合物を白金坩堝、石英坩堝又はアルミナ坩堝に投入して粗溶融し、その後、金坩堝、白金坩堝、白金合金坩堝、強化白金坩堝又はイリジウム坩堝に入れて1200〜1400℃の温度範囲で2〜10時間溶融し、脱泡、撹拌などにより均質化して泡切れ等を行った後、金型に鋳込んで徐冷して光学ガラスにもできる。
このようにして作製されるガラス板やガラス成形体のような光学部材は、様々な光学素子に有用であるが、その中でも特に、(1)ウェアラブル機器、例えばプロジェクター付きメガネ、眼鏡型やゴーグル型ディスプレイ、仮想現実拡張現実表示装置、虚像表示装置などに使われる導光体、フィルターやレンズ等、(2)車載用カメラ、ロボット用視覚センサーに使われるレンズやカバーガラス等に好適に用いられる。車載用カメラのような過酷な環境に曝される用途であっても好適に用いられる。また、有機EL用ガラス基板,ウエハーレベルレンズアレイ用基板、レンズユニット用基板、エッチング法によるレンズ形成基板、光導波路といった用途にも好適に用いられる。
以上説明した本実施形態の光学ガラスは高屈折率かつ低密度であるとともに、製造特性が良好であり、ウェアラブル機器、車載用、ロボット搭載用、の光学ガラスとして好適である。
Si−Nb系のガラスを酸化物等の原料を用いて溶融し、ブロック状に成形した光学ガラスを得た。この光学ガラスを粉砕し、カレット原料とした。このカレット原料から例1〜例7のサンプルのための必要量を秤量し、それぞれ白金容器内に入れて、約1400℃で約5時間溶融、清澄、撹拌後、カーボン枠内に流しだし、表2中の保持温度(Tk)および保持時間で保持した。その後、表2中の冷却速度で、保持温度から常温(約25℃)まで冷却することで例1〜例7の板状の成形体とした。この板状成形体から厚さが0.5mm、幅30mm、奥行10mmのサンプルを作成した。例1〜例4は実施例、例5〜例7は比較例である。
[特性]
上記で得られた各サンプルについて、仮想温度(Tf)、ガラス転移温度(Tg)、熱膨張係数(α)、屈折率(nd)、クラック発生荷重、精密徐冷のクラック発生荷重、屈折率の最小値と最大値の差、屈折率指標値Nの最小値と最大値の差、を次のように測定した。得られた結果を表2に併せて示した。なお、空欄は未測定の特性である。
上記で得られた各サンプルについて、仮想温度(Tf)、ガラス転移温度(Tg)、熱膨張係数(α)、屈折率(nd)、クラック発生荷重、精密徐冷のクラック発生荷重、屈折率の最小値と最大値の差、屈折率指標値Nの最小値と最大値の差、を次のように測定した。得られた結果を表2に併せて示した。なお、空欄は未測定の特性である。
仮想温度(Tf):上記各例におけるサンプルと同一組成、同一形状の試験片を複数個作成し、赤外集光加熱炉に入れて、ガラスの構造が短時間で緩和する温度(例えば、ガラス転移温度+100℃以上)まで昇温、維持し、その後、上記加熱温度よりも低い温度であって、所定の保持温度(Tk)まで冷却し、このTkで1時間程度保持した後、室温まで急冷した(例えば、100℃/分程度の冷却速度)。
上記試験についてTkを異なる複数の温度(例えば、(Tg+60℃)、(Tg+30℃)、(Tg))で行い、そのとき得られるそれぞれのガラスの屈折率を測定した。さらに、各試験片をTkで2時間程度保持してから、上記と同様の冷却速度で急冷し、屈折率の変化がないことを確認した(TfがTkであることを確認した)。そして、屈折率の変化がないことを確認できたら、上記得られた各試験片のTfと屈折率との関係から検量線を作成した。屈折率の変化が見られた場合、屈折率が変化しなくなるまでTkでの保持時間を延長した。
次に、上記で得られた各例のサンプルについて、屈折率の測定を行い、上記で作成した検量線を用いてTfを求めた。
上記試験についてTkを異なる複数の温度(例えば、(Tg+60℃)、(Tg+30℃)、(Tg))で行い、そのとき得られるそれぞれのガラスの屈折率を測定した。さらに、各試験片をTkで2時間程度保持してから、上記と同様の冷却速度で急冷し、屈折率の変化がないことを確認した(TfがTkであることを確認した)。そして、屈折率の変化がないことを確認できたら、上記得られた各試験片のTfと屈折率との関係から検量線を作成した。屈折率の変化が見られた場合、屈折率が変化しなくなるまでTkでの保持時間を延長した。
次に、上記で得られた各例のサンプルについて、屈折率の測定を行い、上記で作成した検量線を用いてTfを求めた。
ガラス転移温度(Tg):示差熱膨張計(TMA)を用いて測定した値であり、JIS R3103−3(2001年)により求めた。
熱膨張係数(α):示差熱膨張計(TMA)を用いて30〜350℃の範囲における線熱膨張係数測定し、JIS R3102(1995年)により30〜350℃の範囲における平均線熱膨張係数を求めた。
屈折率(nd):各例で得られた成形体のガラスを一辺が30mm、厚さが10mmの三角形状プリズムに加工し、屈折率計(Kalnew社製、機器名:KPR−2000)により測定した。
クラック発生荷重:湿度30%、温度25℃に保持された恒温恒湿槽内において、荷重10、25、50、100、200gに設定したビッカース圧子をガラス表面(光学研磨面)に15秒間打ち込み、その15秒後に圧痕の4隅から発生するクラックの数をカウント(1つの圧痕につき最大4とする)した。これを各荷重にて20回繰り返し(すなわち、圧子を20回打ち込み)、総クラック数を計数した後、総クラック発生数/80にてクラック発生率を求めた。得られたクラック発生を荷重に対してプロットし,シグモイド関数を最小二乗法によりフィッティングした際のクラック発生率が50%となる荷重をクラック発生荷重とした。
精密徐冷のクラック発生荷重:サンプルとして、各例と同一組成の原料に対して、溶融後、精密徐冷して得られたガラスを用いた以外は、上記と同一の方法によりクラック発生荷重を求めた。
なお、ここで精密徐冷は、光学ガラスをボックス型電気炉に入れてTg+30℃(ガラス転移温度よりも30℃高い温度)まで昇温し、一時間保持後、プログラム制御により0.1℃/分の冷却速度でTg−150℃(ガラス転移温度よりも150℃低い温度)まで冷却し、その後は自然放冷して行った。
屈折率の最小値と最大値の差(Δn):上記詳細な説明で記載したように板状の成形体からサンプルを切り出し、側面を研磨して測定試料を作成した。測定試料A面における屈折率分布を算出し、最小値と最大値の差を求めた。
屈折率指標値Nの最小値と最大値の差:前記測定試料のA面において、A面の重心を通り主表面に垂直な方向に沿って、等分した区画ごとに数値を測定し、上記式(1)を用いて屈折率指標値Nを算出した。得られた各区画の屈折率指標値Nにおいて最小値と最大値の差を求めた。
上記各実施例(例1〜例4)の光学ガラスは、いずれも、屈折率(nd)が1.55以上と高屈折率である。また、これら光学ガラスは、(Tf−Tg)が0℃以上であり、強度を向上させられたものである。そのため、ウェアラブル機器や車載用カメラやロボット用視覚に用いられる光学ガラスに好適である。
一方、比較例である例5〜例7の光学ガラスは(Tf−Tg)が0℃以下のため、強度が低い。
上記カレット原料を用いて、例1と同じ条件で板状成形体を作成し、厚さ0.5mm、幅40mm、奥行25mmのサンプルを作成し、クラック発生荷重を測定したところ、850mNとなり、350mNを超える値となった。
一方、比較例である例5〜例7の光学ガラスは(Tf−Tg)が0℃以下のため、強度が低い。
上記カレット原料を用いて、例1と同じ条件で板状成形体を作成し、厚さ0.5mm、幅40mm、奥行25mmのサンプルを作成し、クラック発生荷重を測定したところ、850mNとなり、350mNを超える値となった。
以上より、本実施例の光学ガラスは、高屈折率であるとともに、強度を向上させたものであり、ウェアラブル機器、車載用、ロボット搭載用、等の光学ガラスとして好適である。
Claims (9)
- 屈折率(nd)が1.55以上の光学ガラスであって、
前記光学ガラスの仮想温度(Tf)とガラス転移温度(Tg)との差(Tf−Tg)が0℃以上であることを特徴とする光学ガラス。 - 前記光学ガラスのクラック発生荷重Lが350mN以上である請求項1に記載の光学ガラス。
- 前記光学ガラスのクラック発生荷重Lが、前記光学ガラスと同一組成であって、溶融後、0.1℃/分で徐冷して得られたガラスのクラック発生荷重L0よりも98mN以上大きい請求項1又は2に記載の光学ガラス。
- 前記光学ガラスの屈折率(nd)が1.74超である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 前記光学ガラスの最大厚さが2mm以下の板状またはレンズ状である請求項1ないし4のいずれか1項に記載の光学ガラス。
- 前記光学ガラスが、第1の主表面および第2の主表面とを有する主表面と、前記第1の主表面および前記第2の主表面とそれぞれ隣接するように形成された側面と、を備えており、前記主表面の少なくとも一方の算術平均粗さ(Ra)が2nm以下である請求項5の光学ガラス。
- 前記光学ガラスが板状であり、かつ前記主表面の少なくとも一方の面積が8cm2以上である請求項6記載の光学ガラス。
- 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の光学ガラスを用いたことを特徴とする光学部材。
- 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の光学ガラスを用いたことを特徴とするウェアラブル機器。
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