KR101343708B1 - 비구면 렌즈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

비구면 렌즈는 콤팩트한 고기능 촬상 광학 유닛을 구성하기에 유용하고 정밀 프레스 성형에 의해 형성되는 고굴절 저분산성 광학 유리로 형성되며, 광학 유리는 1.83보다 높은 굴절율(nd)과 40 이상의 아베수(νd)를 갖고 mol%로서 20 내지 45 %의 B2O3, 5 내지 24 %의 La2O3 및 22 내지 42 %의 ZnO를 포함하지만 Li2O를 함유하지 않으며 그 표면에는 광학 박막이 형성되어 있다.
비구면 렌즈, 촬상 광학 유닛, 굴절율, 아베수, 광학 박막

Description

비구면 렌즈 및 그 제조 방법{ASPHERICAL LENS AND PROCESS FOR THE PRODUCTION THEREOF}
도1은 예1에 이용되는 정밀 프레스 성형 장치의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 상부 몰드 부재
2: 하부 몰드 부재
3: 슬리브
4: 유리재
9: 지지 로드
10: 지지상
11: 석영 튜브
13: 가압봉
14: 열전쌍
본 발명은 정밀 프레스 성형된 유리로 형성된 비구면 렌즈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 디지탈 카메라의 고성능화 경향에 따라 대형 개구율을 갖는 줌 렌즈에 대한 요구가 계속 증가하고 있다. 이에 따라 촬상 광학 시스템의 소형화가 요구된다. 이런 조건에 맞는 줌 렌즈로서 일본 특허 출원 2005-331641호에 개시된 바와 같은 촬상 광학 시스템이 제시된다.
상술한 촬상 광학 시스템은 대상물측에서 영상측 방향으로 부의 굴절성을 갖는 제1 렌즈 그룹, 정의 굴절성을 갖는 제2 렌즈 그룹 및 정의 굴절성을 갖는 제3 렌즈 그룹을 갖는다. 제1 렌즈 그룹은 부의 굴절력을 갖는 렌즈 및 정의 굴절력을 갖는 렌즈로 구성되고, 제2 렌즈 그룹은 정의 굴절력을 갖는 렌즈 및 부의 굴절력을 갖는 렌즈로 구성되고, 제3 렌즈 그룹은 정의 굴절력을 갖는 렌즈들로 구성된다. 상술한 촬상 광학 시스템은 소정 위치에 개방 조리개값(F-number)의 광 역류를 결정하기 위한 부재를 갖는다.
상술한 제1 렌즈 그룹에 초점을 두면, 부의 굴절성을 갖는 렌즈[이하, "렌즈(G11)"]는 1.83보다 큰 굴절율(nd)로 표시되는 높은 굴절성과 40 이상의 아베수(Abbe's number)(νd)로 표시되는 낮은 분산성을 갖는 유리로 형성되며, 양면이 비구면 형상인 오목 메니스커스 렌즈이다. 한편, 정의 굴절성을 갖는 렌즈[이하, "렌즈(G12)"]는 1.82 이상의 굴절율(nd)로 표시되는 높은 굴절성과 25 이하의 아베수(νd)로 표시되는 높은 분산성을 갖는 유리로 형성된 구형 볼록 메니스커스 렌즈 이다.
상술한 렌즈(G12)는 구형 렌즈이고 연마와 폴리싱에 의해 제조될 수 있다. 한편, 렌즈(G11)는 비구면 렌즈이므로, 광학 성형 방법으로도 지칭되는 정밀 프레스 성형 방법에 의해 제조하는 것이 바람직하다. 렌즈(G11)를 구성하는 유리는 정밀 프레스 성형에 적절한 저온 연화 특성을 갖도록 요구된다.
광학적 특성에 있어 이들 두 렌즈(G11, G12)는 소형화를 위해 고굴절성 유리로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 줌 렌즈에서 각 렌즈 그룹의 색수차를 보정하는 것이 바람직하다. 또한, 렌즈(G11)를 구성하는 유리와 렌즈(G12)를 구성하는 유리 간의 아베수 차이가 증가하면 색수차의 적절한 보정과 소형화 모두가 만족될 수 있다.
상술한 조건에 일치시키기 위해, 적어도 아베수(νd)가 40 이상인 유리로 렌즈(G11)를 제조하는 것이 요구된다. 렌즈(G12)는 상술한 바와 같이 1.82 이상의 굴절율(nd)과 25 이하의 아베수(νd)를 갖는 고굴절 고분산성 유리로 형성된다. 굴절율(nd)을 더욱 증가시키고 아베수(νd)를 더욱 감소시키기 위해, Nb2O5, TiO2 등과 같이 유리에 고굴절성과 고분산성을 부여하는 성분의 양을 증가하는 것이 필요할 것이다. 그러나, 이들은 유리의 채색성을 증가시켜 가시광 영역의 단파장측 상에서의 투과율을 감소시킬 수 있는 성분들이다. 줌 렌즈와 같이 많은 렌즈로 구성된 촬상 광학 시스템에는 각 렌즈의 투과율을 증가시키도록 요구됨으로써, 렌즈(G12)를 구성하는 유리의 아베수(νd)가 과도히 감소되지 않고 렌즈(G11)를 구성하는 유 리의 아베수(νd)가 40 이상으로 증가되는 방식으로 렌즈(G12)와 렌즈(G11) 간의 아베수 차이를 증가시키는 것이 바람직하다.
색상 보정이 CCD 또는 CMOS(예컨대, 디지탈 카메라 또는 디지탈 비디오 카메라)의 촬상 장치와 같이 렌즈(G12)의 채색성이 과도히 요구되지 않는 촬상 강학 시스템에 의해 촬상된 영상 데이터를 처리함으로써 수행될 때, 렌즈(G12)는 높은 굴절성과 낮은 분산성을 갖는 유리로 형성될 수 있다. 그러나, 이런 경우에도 렌즈(G11)를 구성하는 유리는 바람직하게는 1.83보다 높은 굴절율(nd)과 40 이상의 아베수(νd)로 표현되는 특성을 갖는다.
한편, 줌 렌즈에서, 줌 렌즈를 구성하는 렌즈의 수는 초점 길이가 고정된 촬상 광학 시스템에 비해 많다. 따라서, 반(anti)-반사막을 형성함으로써 각 렌즈의 표면 반사도를 낮은 수준으로 억제하는 것을 고려해야만 한다. 그러나, 렌즈(G11)가 반-반사막으로 피복될 경우, 반-반사막이 정밀 프레스 성형에 의해 제조된 유리 표면, 즉 비구면 광학 기능면에 대한 밀착성 문제와 그 내구성에 관한 문제가 야기될 수 있다.
본 발명은 상술한 문제를 극복하기 위해 이루어진 것으로 고굴절 저분산성 유리로 형성되며 콤팩트한 고성능 촬상 광학 시스템을 구성하기에 유용한 비구면 렌즈와 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
상술한 문제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은,
(1) 광학 유리를 정밀 프레스 성형하여 형성되는 비구면 렌즈이며, 1.83보다 높은 굴절율(nd)과 40 이상의 아베수(νd)를 갖고 mol%로서 20 내지 45 %의 B2O3, 5 내지 23 %의 La2O3, 1 내지 19%의 Gd2O3 및 22 내지 42 %의 ZnO를 포함하고, La2O3의 함유량과 Gd2O3의 함유량의 합계는 12 내지 24 %이며, Li2O는 함유하지 않는 광학 유리로 형성되며 그 표면에 광학 박막이 형성되는 비구면 렌즈와,
(2) 항목 (1)에 있어서, 상기 광학 유리는 선택적 성분으로서 0 내지 20 %의 SiO2, 0 내지 10 %의 ZrO2, 0 내지 10 %의 Ta2O5, 0 내지 10 %의 WO3, 0 내지 10 %의 Nb2O5, 0 내지 10 %의 TiO2, 0 내지 10 %의 Bi2O3, 0 내지 10 %의 GeO2, 0 내지 10 %의 Ga2O3, 0 내지 10 %의 Al2O3, 0 내지 10 %의 BaO, 0 내지 10 %의 Y2O3 및 0 내지 10 %의 Yb2O3를 함유하는 비구면 렌즈와,
(3) 항목 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 광학 유리는 640℃ 보다 낮은 유리 전이 온도를 갖는 비구면 렌즈와,
(4) 항목 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항목에 있어서, 비구면 렌즈는 대상물측에서 영상측으로 배열된 복수의 렌즈를 갖는 촬상 광학 시스템 내에서 대상물에 가장 근접하게 위치될 렌즈인 비구면 렌즈와,
(5) 광학 유리로 형성된 유리재를 가열하는 단계와 유리재를 정밀 프레스 성형하는 단계를 통해 비구면 렌즈를 제조하는 방법이며, 1.83보다 높은 굴절율(nd)과 40 이상의 아베수(νd)를 갖고 mol%로서 20 내지 45 %의 B2O3, 5 내지 23 %의 La2O3, 1 내지 19%의 Gd2O3 및 22 내지 42 %의 ZnO를 포함하고, La2O3의 함유량과 Gd2O3의 함유량의 합계는 12 내지 24 %이며, Li2O는 함유하지 않는 광학 유리로 형성된 유리재를 가열하는 단계와, 유리재를 정밀 프레스 성형하는 단계와, 그 표면에 광학 박막을 형성하는 단계를 포함하는 비구면 렌즈 제조 방법과,
(6) 상기 (5) 항목에 있어서, 정밀 프레스 성형에 의해 얻어진 비구면 렌즈는 어닐링된 후 비광학 기능면을 형성하도록 연마되거나 폴리싱되며, 비구면 렌즈가 세척된 후 광학 박막이 광학 기능면 상에 형성되는 비구면 렌즈 제조 방법과,
(7) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 따르는 비구면 렌즈 또는 상기 (5) 또는 (6) 항목에 따르는 방법에 의해 제조된 비구면 렌즈와, 1.82 이상의 굴절율(nd)과 25 이하의 아베수(νd)를 갖는 광학 유리로 형성되고 반-반사막을 갖는 정의 굴절력을 갖는 렌즈를 구비하고, 상기 비구면 렌즈는 부의 굴절력을 갖고 반-반사막을 구비하며, 정의 굴절력을 갖는 상기 렌즈와 상기 비구면 렌즈는 색 수차를 보정하도록 결합되는 렌즈 유닛과,
(8) 상기 (7)에 따른 렌즈 유닛을 포함하는 촬상 광학 유닛을 제공한다.
광학 유리로 형성된 유리재를 정밀 프레스 성형하여 제조된 비구면 렌즈에는 비구면 렌즈의 표면에 피복되는 반-반사막과 같은 광학 박막의 밀착성에 관련된 문제가 발생할 수 있다. 이 문제는 특정 유리를 정밀 프레스 성형하여 제조되는 렌즈에 발생한다.
본 발명자들은 상술한 문제를 연구하여 다음과 같은 점을 발견하였다.
상술한 문제는 정밀 프레스 성형에 의해 형성되는 렌즈 표면의 물리적 특성에 의해 야기되는 것으로 생각된다. 반-반사막으로 피복되기 전의 렌즈 표면에는 연막이나 황변이 발견되는 경우가 있다. 연막이나 황변과 같이 거의 인식할 수 없는 표면 변질은 렌즈 표면에 대한 광학 박막의 밀착성을 저하시키는 것으로 생각된다. 즉, 연막이나 황변을 갖지 않는 것처럼 보이는 렌즈의 경우도 밀착성 저하를 일으키는 것으로 생각된다.
연막이나 황변이 쉽게 발생하는 렌즈는 비교적 높은 유리 전이 온도를 갖는 유리로 형성되면서도 높은 굴절율을 갖고 정밀 프레스 성형을 허용하는 온도 범위에 있는 유리 전이 온도를 갖는다. 이런 유리는 그 굴절율을 증가시키고 그 유리 전이 온도를 감소시키기 위해 Li2O를 함유하고 유리 망상을 형성하기 위한 성분으로서 대량의 B2O3를 함유한다.
상술한 유리에 함유된 Li2O와 B2O3는 모두 고휘발성 성분으로서 고온에서 유리 표면으로부터 휘발된다. 정밀 프레스 성형 동안 가열 온도가 높은 경우, 휘발 현상은 보다 큰 정도로 발생하고 휘발된 성분은 렌즈 표면이나 프레스 몰드에 부착된다. 프레스 몰드가 반복해서 사용되는 경우, 휘발되어 몰드에 부착된 성분은 성형되고 있는 렌즈에 부착된다.
또한, 프레스 몰드 내측에서 보다 용이한 유리 확산을 보장하기 위한 탄소막이 유리재 표면에 피복되는 정밀 프레스 성형에서 휘발된 성분과 코팅의 탄소는 서로 반응해서 렌즈 표면의 연막을 일으킨다.
따라서, 상술한 문제를 극복하기 위해서는 유리로부터 Li2O를 배제하는 것이 효과적이다. 그러나, Li2O는 높은 굴절율을 유지함과 동시에 유리 전이 온도를 크게 감소시키는 효과를 갖는 성분이기 때문에, Li2O 대신 높은 굴절율을 유지함과 동시에 유리 전이 온도를 크게 감소시키도록 작용하는 ZnO를 도입하거나 첨가하는 것이 요구된다. 특히, 유리 전이 온도가 640 ℃ 이상인 경우에는, Li2O가 배제된 유리라 하더라도 정밀 프레스 성형 동안 많은 휘발 현상을 겪게 될 뿐만 아니라 프레스 몰드의 품질 저하가 증가됨으로써, 유리 전이 온도(Tg)가 640 ℃보다 낮아지도록 보장하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 유리 전이 온도의 증가를 방지하기 위해 적어도 22 mol%의 ZnO가 도입된다. 그러나, ZnO가 과도하게 도입될 경우, 콤팩트한 고성능 촬상 광학 시스템에 사용할 렌즈에 대한 40 이상의 아베수(νd)의 조건은 더 이상 만족될 수 없으며, 유리의 화학적 내구성은 악화되어 렌즈 표면의 특성을 손상시키고 광학 박막의 밀착성은 감소된다. 또한, 내실투성(devitrification resistance)도 감소되고 유리는 유리재의 형상화 동안 또는 정밀 프레스 성형 동안 불투명하게 되기 쉽다. 따라서, ZnO의 함량을 42 mol% 이하로 제한하도록 요구된다.
Li2O와 달리, B2O3는 유리 망상을 형성하기 위한 성분으로 유리의 성분에서 배제될 수 없으며, 적어도 20 mol%의 B2O3를 도입하도록 요구된다. 그러나, 휘발성을 감소시키기 위해 B2O3의 함량을 45 mol% 이하로 제한할 것이 요구된다.
La2O3는 유리의 실투에 대한 안정성과 낮은 분산성을 유지함과 동시에 굴절율 및 화학적 내구성을 증가시키기 위한 주요 성분이다. 적어도 5 mol%의 La2O3가 도입된다. La2O3가 과량으로 도입되면, 실투에 대한 유리의 안정성이 저하됨으로써, La2O3 성분의 상한은 24 mol% 이하로 제한된다.
이에 따라 본 발명이 완성되었다. 즉, 본 발명의 비구면 렌즈는 광학 유리를 정밀 프레스 성형함으로써 형성되되, 1.83보다 높은 굴절율(nd)과 40 이상의 아베수(νd)를 갖고 mol%로서 20 내지 45 %의 B2O3, 5 내지 24 %의 La2O3 및 22 내지 42 %의 ZnO를 포함하지만 Li2O를 함유하지 않는 광학 유리로 형성되며 그 표면에 광학 박막이 형성된 비구면 렌즈이다.
즉, 본 발명의 비구면 렌즈는 줌 기능을 갖는 콤팩트한 고성능 영상-감지 시스템용으로 최적화시키기 위해 정밀 프레스 성형에 의해 비구면 렌즈의 형태로 제조되는 렌즈이며, (렌즈가 계수될 때 대상물에 가장 가까운) 상술한 촬상 광학 시스템의 전방 단부에 위치될 부의 굴절력을 갖는 렌즈로서 적절한 성능을 렌즈에 부여하기 위해 1.83보다 높은 굴절율(nd)과 40 이상의 아베수(νd)에 의해 표현되는 광학적 특성을 갖는 광학 유리를 성형함으로써 형성된다. 그리고, 그 표면에는 표면 반사를 감소시키고 고스트(ghost)와 플래어(flare)를 방지하기 위해 반-반사막과 같은 광학 박막이 마련된다. 비구면 렌즈는 상술한 바와 같은 조성을 갖는 유리로부터 성형되기 때문에, 광학 박막은 밀착성이 개선되고 신뢰도가 높은 렌즈가 마련될 수 있다.
바람직하게는, 상술한 유리는 Li2O나 그 밖의 알칼리 금속 성분을 전혀 함유하지 않는다.
상술한 렌즈가 대상물측에서 영상측으로 복수의 렌즈가 배열된 구성을 갖는 영상-감지 시스템에서 대상물에 가장 근접하게 위치되는 렌즈로 사용될 때, 렌즈는 외기에 지속적으로 노출되거나 물방울이 튀겨진 상태에서 사용되며, 따라서 노출되지 않은 다른 렌즈에 비해 열악한 조건 하에서 사용된다. 따라서, 최전방 렌즈에서 기술적으로 중요한 사항은 렌즈 표면에 마련되는 광학 박막의 내구성을 유지하는 것이다.
본 발명의 비구면 렌즈는 바람직하게는 유리 전이 온도가 640 ℃보다 낮은 광학 유리로 형성된다. 그 이유는 상술한 바와 같다. 즉, 정밀 프레스 성형 동안 유리재와 프레스 몰드를 가열하기 위해 요구되는 온도의 과도한 증가는 유리로부터 휘발된 성분의 양이 증가될 수 없고 프레스 몰드의 악화가 촉진될 수 없도록 억제될 수 있다. 상술한 유리 전이 온도는 바람직하게는 630 ℃ 이하, 보다 바람직하게는 620 ℃ 이하, 더욱 바람직하게는 615 ℃ 이하이다.
본 발명의 비구면 렌즈는 특히 부의 굴절력을 갖는 렌즈[예컨대, 오목 메니스커스 렌즈, 이중 오목 렌즈 또는 평요(plano-concave) 렌즈]로서 특히 적절하다. 상술한 형태를 갖는 렌즈가 정밀 프레스 성형에 의해 제조될 때, 유리재는 프레스 몰드의 중심부에 위치되어 프레스 성형된다. 그리고, 유리재는 프레스 몰드에 의 해 에워싸인 공간(캐비티) 내로 가압되어 확산되며 중심부에 분포된 유리는 프레스 성형으로 인해 캐비티의 원주부 내에 대형의 부피 분포를 갖게 된다. 즉, 정의 굴절력을 갖는 렌즈[예컨대, 볼록 메니스커스 렌즈, 이중 볼록 렌즈 또는 평철(plano-convex) 렌즈]와 비교할 때, 부의 굴절력을 갖는 렌즈와 관련하여 유리가 정밀 프레스 성형 전에 갖는 유리 부피 분포와 유리가 정밀 프레스 성형 후에 갖는 유리 부피 분포 사이에는 큰 차이가 있다. 상술한 성형시, 유리의 연신 불량이 쉽게 발생함으로써, 정밀 프레스 성형 동안 가열 온도가 높은 수준으로 설정되는 경우가 있다. 이 경우, 유리 전이 온도가 정밀 프레스 성형이 허용되는 온도 범위의 상한에 아주 근접한 경우, 성형에 의해 부의 굴절력을 갖는 렌즈의 제조시 가열 온도가 적정 온도 범위를 넘는 경우가 발생한다. 그러나, 유리재의 유리 전이 온도가 상술한 범위로 제한될 때, 부의 굴절력을 갖는 렌즈라 하더라도 우수한 렌즈에는 어떤 문제가 있을 수 있다.
한편, 무-Li2O 유리의 유리 전이 온도가 과도하게 감소될 경우, 기대했던 광학적 특성을 얻기가 어려울 수 있거나 유리는 실투에 대한 안정성이 떨어지는 경우가 있다. 따라서, 유리 전이 온도의 하한은 바람직하게는 590 ℃ 이상, 보다 바람직하게는 595 ℃ 이상, 더욱 바람직하게는 600 ℃ 이상이다.
이하, 본 발명에 사용하기 위한 유리를 상세히 설명한다. 이하, %로 표시되는 유리 성분의 함량 또는 총 함량과 첨가제의 함량은 mol% 함량 또는 총함량을 의미하고 이하에서 함량비는 몰비를 의미한다.
B2O3는 이미 설명했다. B2O3의 함량은 20 내지 45 %, 바람직하게는 20 내지 43 %, 보다 바람직하게는 20 내지 40 %, 더욱 바람직하게는 22 내지 38 %, 한층 바람직하게는 24 내지 38 %이다.
La2O3는 이미 설명했다. La2O3의 함량은 5 내지 24 %, 바람직하게는 6 내지 23 %, 보다 바람직하게는 7 내지 22 %이다.
ZnO는 이미 설명했다. ZnO의 함량은 22 내지 42 %, 바람직하게는 23 내지 41 %이다.
La2O는 이미 설명한 이유로 인해 유리 성분으로서 도입되지 않지만, 이를 불순물 수준에서 완전히 배제할 필요는 없다.
또한, 이미 설명된 이유로 해서 Na2O, K2O 및 Cs2O를 도입하지 않는 것이 바람직하다. 정밀 프레스 성형에 의해 비구면 렌즈의 제조에 사용되는 유리재를 용융 유리 덩어리로부터 직접 형상화하는 방법에서, 유리의 알칼리 금속 성분은 휘발되어 줄무늬를 야기시키고 광학적 동질성이 저하되는 경우가 있다. 대조적으로, Li2O, Na2O, K2O 및 Cs2O 중 어느 것도 함유하지 않은 유리가 사용될 때, 실투와 줄무늬가 없는 유리재를 생성할 수 있고 고품위의 비구면 렌즈가 마련될 수 있다.
상술한 광학적 유리는 선택적 성분으로서 다음 성분을 함유할 수 있다.
La2O3와 같이, Gd2O3는 실투에 대한 안정성과 낮은 분산성을 악화시키지 않고도 유리의 굴절성과 화학적 내구성을 개선하는 성분이다. Gd2O3의 양이 20 %보다 많이 도입될 때, 실투에 대한 안정성이 저하되고 유리 전이 온도는 증가되고 정밀 프레스 성형은 악화되는 경향을 갖기 때문에 0 내지 20 %의 Gd2O3를 도입하는 것이 바람직하다. 높은 반사율을 부여함과 동시에 화학적 내구성을 개선하기 위해, 1 내지 19 %의 Gd2O3를 도입하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Gd2O3의 함량은 2 내지 18 %의 범위에 있다. 유리 안정성을 개선하기 위해서는 유리 성분으로서 La2O3와 Gd2O3가 공존하는 조성물이 바람직하다. 유리의 냉각 공정 동안 유리를 형상화하여 용융 유리로부터 특히 정밀 프레스 성형 유리재를 제조함에 있어 유리를 이용하고자 할 때, 그 형상화 공정 동안 유리의 실투를 방지하기 위해 상술한 바와 같은 유리 안정성을 보다 개선하는 것이 중요하다.
40 이상의 아베수(νd)를 유지함과 동시에 고굴절성 유리를 얻기 위해, La2O3와 Gd2O3의 총 함량은 바람직하게는 10 내지 24 %, 보다 바람직하게는 12 내지 23 %로 조절된다.
대량의 La2O3와 Gd2O3를 갖는 유리와 관련하여, SiO2는 유리의 액상 온도를 감소시키고 유리의 고온 점성을 개선하고 유리의 안정성을 크게 개선한다. 그러나, SiO2가 과도하게 도입되면, 유리의 굴절율은 감소되고 유리 전이 온도도 증가됨으로써, 유리의 정밀 프레스 성형은 어려워진다. 따라서, SiO2의 함량은 바람직하게는 0 내지 20 %, 보다 바람직하게는 0 내지 18 %로 조절된다.
ZrO2는 높은 굴절성과 낮은 분산성을 위한 성분으로서 이용되는 광학적 원소이다. ZrO2가 도입되면 ZrO2는 유리의 굴절율을 감소시키지 않고도 유리의 고온 점성과 실투에 대한 안정성을 개선하는 효과를 가져온다. 그러나, 10 %보다 많은 ZrO2가 도입되면, 액상 온도는 가파르게 증가되고 실투에 대한 안정성은 악화된다. 따라서, ZrO2의 함량은 바람직하게는 0 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0 내지 8 %이다.
Ta2O5는 높은 굴절성과 낮은 분산성을 위한 성분으로 이용되는 광학적 원소이다. Ta2O5가 소량 도입되면 Ta2O5는 유리의 굴절율을 감소시키지 않고도 고온 점성과 실투에 대한 안정성을 개선하는 효과를 가져온다. 그러나, Ta2O5가 10 %보다 많이 도입되면, 액상 온도는 가파르게 증가되고 분산성은 악화된다. 따라서, Ta2O5의 함량은 바람직하게는 0 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0 내지 8 %이다.
WO3는 유리의 안정성과 용융성을 개선하고 굴절율을 증가시키기 위해 요구되는 성분으로서 도입되는 성분이다. WO3의 함량이 10 %를 넘으면, 분산성은 증가됨으로써 요구되는 낮은 분산성이 더 이상 얻어질 수 없다. 따라서, 그 함량은 바람직하게는 0 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0 내지 8 %이다.
Nb2O5는 유리의 안정성을 유지함과 동시에 굴절율을 증가시키기 위한 선택적 성분이다. Nb2O5가 도입되면 분산성이 증가된다. Nb2O5의 함량은 바람직하게는 0 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0 내지 8 %이다.
TiO2는 광학 상수를 조절하기 위해 도입될 수 있는 광학 성분이다. 그러나, TiO2가 과도하게 도입될 경우, 분산성이 증가되고 의도했던 광학 상수는 더 이상 얻어질 수 없다. 따라서, TiO2의 함량은 0 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0 내지 8 %로 제한된다. 더욱 바람직하게는, TiO2를 도입하지 않는 것이다.
Bi2O3는 굴절율을 증가시키고 유리 안정성을 개선하도록 작용한다. Bi2O3가 과도하게 도입될 경우, 유리 안정성은 악화되고 액상 온도는 증가된다. 따라서, 그 함량은 바람직하게는 0 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0 내지 6 %이다.
GeO2는 굴절율을 증가시키고 유리 안정성을 개선하도록 작용하는 선택적 성분이다. GeO2의 함량은 바람직하게는 0 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0 내지 8 %이다. 그러나, GeO2는 다른 성분과 비교해서 너무 고가이기 때문에 GeO2를 도입하지 않는 것이 훨씬 바람직하다.
Ga2O3도 굴절율을 증가시키고 유리 안정성을 개선하도록 작용하는 성분이며, 그 함량은 바람직하게는 0 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0 내지 8 %이다. 그러나, Ga2O3는 다른 성분과 비교해서 너무 고가이기 때문에, Ga2O3를 도입하지 않는 것이 훨씬 바람직하다.
Al2O3는 유리의 고온 점성을 개선하고 액상 온도를 감소시키고 유리의 성형성을 개선하는 작용을 하며, 화학적 내구성도 개선하는 작용을 한다. Al2O3가 과도하게 도입될 때, 굴절율은 감소되고 실투에 대한 안정성도 감소된다. 따라서, 그 함량은 바람직하게는 0 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0 내지 8 %이다.
BaO는 높은 굴절성과 낮은 분산성을 위한 성분으로서 이용되는 선택적 성분이다. BaO는 소량 도입될 경우 유리의 안정성과 화학적 내구성을 개선한다. 10 %보다 많은 BaO가 도입될 때, 실투에 대한 화학적 안정성은 크게 손상되고 유리 전이 온도와 유리의 처짐 온도는 증가된다. BaO의 함량은 바람직하게는 0 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0 내지 8 %이다.
Y2O3와 Yb2O3는 고굴절성과 저분산성을 위한 성분으로서 이용되는 선택적 성분이다. Y2O3와 Yb2O3는 소량 도입될 경우 유리의 안정성과 화학적 내구성을 개선한다. 이들 원소가 과도하게 도입될 경우, 실투에 대한 유리의 안정성은 크게 손상되고 유리 전이 온도와 처짐 온도는 증가된다. 따라서, Y2O3의 함량은 바람직하게는 0 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0 내지 8 %이고, Yb2O3의 함량은 바람직하게는 0 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0 내지 8 %이다.
La2O3, Gd2O3, Y2O3 및 Yb2O3의 총 함량은 바람직하게는 10 내지 24 %로 조절된다.
또한, Sb2O3는 소포제 또는 정련제로서 요구될 때 첨가된다. 모든 유리 성 분의 총 함량에 대한 Sb2O3의 양이 1 중량%를 넘을 때, 프레스 몰드의 성형 표면은 정밀 프레스 성형 동안 손상될 수 있다. 모든 유리 성분의 총 함량에 대한 Sb2O3의 양은 바람직하게는 0 내지 1 중량%, 보다 바람직하게는 0 내지 0.5 중량%이다.
PbO는 유리 성분으로서 도입되기에 바람직하지 않은 것들 중 하나이다. PbO는 해로우며, 나아가 PbO를 함유한 유리로 형성된 유리재가 비산화 대기에서 정밀 프레스 성형되는 경우, 성형된 제품의 표면에 납이 침착됨으로써 렌즈의 투명도가 손상되고 침착된 금속 납이 프레스 몰드에 부착되는 문제를 일으킨다.
Lu2O3는 다른 성분들 보다 일반적인 광학 유리 성분으로서 덜 사용되는 것으로, 희소성이 높고 광학 유리용 원료로서는 고가인 관계로 Lu2O3를 도입하지 않는 것이 바람직하다. 상기 조성을 갖는 광학 유리는 Lu2O3를 도입하지 않고 정밀 프레스 성형에 적절한 유리재를 구현할 수 있다.
광학 유리는 카드뮴, 텔루르 등과 같이 환경 문제를 일으킬 가능성이 있는 원소들과, 토륨 등과 같은 방사성 원소들과, 비소 등과 같은 독성 원소들을 전혀 함유하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 광학 유리는 유리의 용융 동안 휘발과 같은 문제를 고려하여 붕소를 함유하지 않는 것이 바람직하다.
이하, 상술한 유리의 광학적 특성을 설명하기로 한다. 우선, 유리의 아베수(νd)는 상술한 바와 같이 40 이상이며 그 상한은 바람직하게는 재료로서 유리를 성형하기에 적절한 안정성을 유리에 부여하기 위해 50으로 제한된다. 상술한 유리 는 1.83 보다 높은 굴절율(nd), 보다 바람직하게는 1.84 이상의 고굴절율(nd), 더욱 바람직하게는 1.85 이상의 고굴절율(nd)을 갖는다.
굴절율(nd)의 상한은 특별히 제한되지 않지만, 굴절율(nd)은 유리 안정성을 유지하기 위해 보다 바람직하게는 1.90 이하로 조절된다.
상술한 광학 유리는 기대하는 유리 조성물을 얻기 위해 원료로서 산화물, 탄산염, 황산염, 질산염, 수산화물 등을 칭량하여 조성하고 이들을 완전히 혼합하여 혼합물 배치(batch)를 마련하고 용용 용기 내에서 혼합물 배치를 가열, 용융, 소포 및 교반하여 균질한 무기포 용융 유리를 마련하고 이를 유리재로 형상화함으로써 얻어질 수 있다. 구체적으로, 상술한 광학 유리는 공지된 용융법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 비구면 렌즈의 제조에 사용하기 위한 유리재는 예비 성형물(preform)이라고도 하며, 가열되어 정밀 프레스 성형될 예비 유리 형성재이다.
정밀 프레스 성형은 공지된 바와 같이 "광학체 성형"이라고도 하며 광학 소자의 광학 기능면이 프레스 몰드의 성형면의 형상을 전사함으로써 형성되는 방법이다. 광학 기능면은 제어될 대상물로서 광을 굴절, 반사, 회절시키거나 통과시키는 표면을 의미하며, 예컨대 렌즈의 렌즈 표면은 광학 기능면에 대응한다.
유리재의 표면은 바람직하게는 탄소 함유막으로 피복됨으로써 유리는 정밀 프레스 성형 동안 몰드 내에서 완전히 확산된다. 바람직하게는, 탄소 함유막은 주성분으로서 탄소로 구성된다(막의 원소 함량을 원자 %로 표시할 때 그 함량이 다른 원소의 함량보다 큰 탄소를 함유하는 막). 탄소 함유막의 특정 예로는 탄소막과 탄화수소막이 있다. 유리재 표면이 탄소 함유막으로 피복될 때, 정밀 프레스 성형 동안 유리와 성형면의 융착이 방지될 수 있다. 예컨대, 바람직하게는 흑연형 탄소막이 탄소 함유막으로서 이용될 수 있다. 탄소 함유막을 형성하기 위한 방법으로서, 진공 증기 증착법, 스퍼터링법, 이온 도금법 등과 같이 탄소재를 이용하는 공지된 방법이나 탄화수소와 같은 가스를 이용하는 열 증착법과 같이 공지된 방법이 이용될 수 있다.
탄소 함유막은 상술한 바와 같이 뛰어난 기능을 나타낸다. 그러나, Li2O를 함유한 유리가 정밀 프레스 성형되는 경우, Li2O는 렌즈 표면에 연막이나 황변을 일으키는 요인 중 하나이다. 연막이나 황변은 유리의 Li 이온과 막의 탄소가 고온 상태에서 반응하여 유리 표면에 탄산염을 생성하기 때문에 일어나는 것으로 생각된다. 본 발명의 렌즈는 Li2O가 없는 유리, 바람직하게는 알칼리 금속이 없는 유리로 형성됨으로써, 탄소 함유막이 유리 표면에 형성된 상태에서 정밀 프레스 성형이 수행되는 경우에도 성형된 물품 표면에서의 연막이나 황변의 발생은 방지될 수 있다.
렌즈 표면 상의 탄산염은 유리 표면의 막에 존재하는 탄소와 유리의 Li 이온 사이의 반응뿐만 아니라 Li 이온을 함유한 유리로 형성되는 유리재나 렌즈를 탄소 함유 대기에서 고온 상태로 둠으로써 생성된다. 예컨대, 탄산염은 탄소 함유막이 유리재(예비 성형물) 상에서 형성될 때 탄소 함유 대기에서 예비 성형물을 가열함으로써 생성될 수 있거나 렌즈가 탄소 함유 대기, 예컨대 대기에서 열처리될 때 생 성될 수도 있다. 그러나, 본 발명은 Li2O가 없는 유리를 이용하기 때문에, 상술한 처리가 수행되더라도 유리 표면 상에서의 연막이나 황변의 발생은 방지될 수 있고 렌즈 표면에 대한 광학 박막의 밀찰성은 개선될 수 있다.
정밀 프레스 성형에 의해 얻어진 렌즈에서, 광학 기능면을 감싸는 렌즈 원주부는 심취 공정(centering process)이나 모서리 공정(edging process)과 같은 여러 경우에 연마되거나 폴리싱된다. 비광학면을 폴리싱하는 상술한 단계 전에, 바람직하게는 렌즈는 변형을 감소시키도록 소둔됨으로써 연마나 폴리싱 동안 렌즈의 파손이 방지될 수 있다. Li2O를 함유하는 유리로 형성된 렌즈에서, Li염은 열처리 동안 열을 받아 그 광학 기능면에 부착됨으로써 광학 박막의 밀착성을 감소시킨다. 따라서, 본 발명은 그 비광학 기능면(광학 기능면 이외의 표면)이 연마 및/또는 폴리싱에 의해 형성되고 광학 기능면이 정밀 프레스 성형에 의해 형성되어 광학 박막이 마련되는 렌즈에 보다 효과적이다.
광학 박막은 반-반사막과 소정 파장의 광을 반사시키는 막을 포함한다. 막 구조와 관련하여 막은 단층막일 수 있거나 다층막일 수 있다.
반-반사막으로서 마그네슘 불화물, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 티탄 산화물, 탄탈 산화물 등과 같은 재료가 이용되며, 막 두께와 막 구성은 공지된 방법에 따라 설계되며, 증기 증착법 등과 같은 방법이 렌즈 표면에 소정의 막을 형성하기 위해 이용된다. 또한, 렌즈는 촬상 광학 시스템에 이용되기 때문에, 바람직하게는 다층 구조물이 막 구조물로 이용됨으로써 반-반사 효과가 전 체 가시광 영역에서 얻어질 수 있다.
이하, 본 발명에 의해 마련되는 비구면 렌즈의 제조 공정을 설명한다. 본 발명의 공정은 광학 유리로 형성된 유리재를 가열하는 단계와 유리재를 정밀 프레스 성형하는 단계를 거쳐 비구면 렌즈를 제조하는 공정에 있어서, 1.83보다 높은 굴절율(nd)과 40 이상의 아베수(νd)를 갖고 mol%로서 20 내지 45 %의 B2O3, 5 내지 24 %의 La2O3 및 22 내지 42 %의 ZnO를 포함하지만 Li2O를 함유하지 않는 광학 유리로 형성된 유리재를 가열하는 단계와, 유리재를 정밀 프레스 성형하는 단계와, 그 표면에 광학 박막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈 제조 방법이다.
본 발명에서 렌즈의 기능, 유리의 기능, 유리재, 바람직한 조성 및 특성, 정밀 프레스 성형, 광학 박막의 밀착성 개선에 대하여는 이미 설명된 바와 같다.
정밀 프레스 성형을 위한 프레스 몰드와 성형 조건은 공지된 조건등 중에서 선택될 수 있다. 그러나, 무-Li2O 유리(바람직하게는, 알칼리 금속 성분이 없는 유리)로 형성된 유리재는 정밀 프레스 성형되기 때문에, 프레스 성형 온도는 다량의 Li2O를 갖는 유리를 위한 프레스 성형 온도와 비교할 때 증가하는 경향이 있다. 이런 상황에서, 현저히 높은 내열성을 갖는 SiC로 제조된 프레스 몰드를 이용하는 것이 바람직하다. SiC로 제조된 몰드의 성형면 상에 탄소 함유막, 바람직하게는 탄소막을 형성하는 것이 바람직하다. 탄소막은 증기 증착법 또는 CVD법이나 그 밖의 다른 방법에 의해 형성될 수 있다. 이 몰드가 이용되는 경우, 뛰어난 정밀 프레스 성형을 수행하기 위해 상술한 탄소 함유막으로 표면 피복된 유리재를 이용하는 것이 바람직하다.
상술한 정밀 프레스 성형이 수행되는 경우에도, 광학 박막의 밀착성은 상술한 광학 유리로 형성된 유리재의 사용으로 인해 뛰어난 상태로 유지될 수 있다.
SiC로 제조된 프레스 몰드, 성형면에 탄소 함유막이 마련된 프레스 몰드 및 탄소 함유막으로 표면-피복된 유리재 중 적어도 하나를 이용하는 정밀 프레스 성형시, 프레스 몰드의 성형면이나 이런 성형면에 형성된 탈형막의 산화와 유리재 표면의 코팅의 산화를 방지하기 위해 질소 가스 또는 질소 가스와 수소 가스의 혼합물과 같은 비산화 가스의 대기에서 정밀 프레스 성형을 수행하는 것이 바람직하다. 비산화 대기에서, 유리재 표면을 피복하는 탄소 함유막은 산화되지 않으며 이 막은 정밀 프레스 성형에 의해 얻어진 성형 제품의 표면에 남는다. 상술한 막은 최종적으로 제거될 것이다. 탄소 함유막을 비교적 용이하고 완전히 제거하기 위해, 렌즈는 산화 대기, 예컨대 대기 중에서 가열될 수 있다. 렌즈를 구성하는 유리는 Li2O, 바람직하게는 알칼리 성분이 없기 때문에, 탄소 함유막의 탄소나 대기의 이산화탄소가 유리의 Li 이온과 반응하여 유리 표면에 탄산염을 생성하는 경우가 없음으로 해서, 연막과 황변을 방지하면서 탄소 함유막이 제거될 수 있다.
또한, 렌즈가 가열에 의해 변형되지 않을 온도 이하에서 탄소 함유막의 산화와 제거를 수행하도록 요구된다. 구체적으로, 유리 전이 온도보다 낮은 온도 범위에서 산화와 제거를 수행하는 것이 바람직하다.
정밀 프레스 성형시, 104 내지 108 Paㆍs의 유리 점성도와 등가인 온도까지 사전 가열된 유리재가 성형면의 형상이 정밀 가공된 서로 대향하는 한 쌍의 상부 및 하부 몰드 부재 사이에 공급되어 프레스 성형됨으로써, 몰드의 성형면(들)의 형상(들)은 유리재로 전사될 수 있다. 프레스 성형을 위한 압력과 기간은 광학 유리의 점성도 등을 고려함으로써 요구되는 바와 같이 결정되는데, 예컨대 프레스 압력은 대략 5 내지 15 MPa에서 설정될 수 있고 프레스 기간은 10 내지 300초로 설정될 수 있다. 프레스 기간, 프레스 압력 등과 같은 프레스 조건은 성형 제품의 형상과 치수에 따라 요구되는 공지된 범위에서 설정될 수 있다.
그 후, 몰드와 유리 성형 제품은 냉각되며, 바람직하게는 변형점 이하의 온도에서 몰드가 개방되고 유리 성형 제품이 취출된다. 광학적 특성을 원하는 값으로 정밀 조절하기 위해, 유리 성형 제품의 냉각 동안 소둔 속도 등과 같은 유리 성형 제품의 소둔 조건이 요구되는 바와 같이 조절될 수 있다.
상술한 정밀 프레스 성형 방법은 정밀 프레스 성형을 수행하기 위해 유리재가 프레스 몰드 내로 도입되어 유리재와 프레스 모두가 가열되는 방법이지만, 정밀 프레스 성형을 수행하기 위해 유리재가 가열되어 사전 가열된 프레스 몰드로 도입되는 구성이 이용될 수 있다. 나중 방법에서, 프레스 몰드를 사전 가열하기 위한 온도는 유리재를 가열하기 위한 온도보다 낮은 온도에서 설정될 수 있고, 이에 따라 프레스 몰드가 노출되는 온도는 감소됨으로써 몰드에 대한 부하가 감소될 수 있다. 프레스 성형 온도가 무-Li2O 유리의 이용으로 인해 증가되더라도, 상술한 방법 은 몰드에 대한 부하를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 정밀 프레스 성형에 의해 얻어진 비구면 렌즈가 소둔된 후 비광학 기능면이 연마나 폴리싱에 의해 형성되고 비구면 렌즈가 세척되고 광학 박막이 광학 기능면 상에 형성되는 경우 적절하다. 연마나 폴리싱에 의한 비광학 기능면의 형성은 예컨대 심취 가공을 포함한다. 정밀 프레스 성형과 렌즈의 냉각 동안 렌즈에 변형이 축적되는 경우, 렌즈는 그 가공 동안 파손될 수 있다. 따라서, 렌즈는 변형을 감소시키기 위해 미리 소둔되고 그 표면은 세척에 의해 청결하게 되며, 그 후 반-반사막과 같은 광학 박막이 광학 기능면 상에 형성된다. 상술한 단계에서, 렌즈 표면 상에는 렌즈 소둔 동안의 열에 의해 연막이나 황변이 쉽게 발생하지 않음으로 해서, 밀착성이 뛰어난 광학 박막을 갖는 비구면 렌즈가 생성될 수 있다. 또한, 세척이 수행되는 경우라도 렌즈 표면에 연막이나 황변이 쉽게 일어나지 않는 것이 밀착성이 뛰어난 광학 박막을 갖는 비구면 렌즈를 생성함에 있어 유리하다.
상술한 공정은 부의 굴절력을 갖는 비구면 렌즈(오목 메니스커스 렌즈, 이중 오목 렌즈 또는 평요 렌즈)를 제조하기에 적절하다. 이들 렌즈와 관련하여, 프레스 몰드의 공간(캐비티)을 유리로 완전히 충전하면서 유리를 프레스 성형함으로써 제조되는 렌즈가 연마되거나 폴리싱되지 않는 경우가 일부 있다. 상술한 성형에 있어, 프레스 성형시 캐비티 부피과 유리재의 부피가 엄격히 일치하지 않는 경우, 유리는 프레스 몰드의 몰드 부재 사이의 공간으로 진입하여 성형 버어를 형성하거나 캐비티에 대한 유리 충전이 불충분하게 이루어짐으로써 렌즈의 표면 정밀도 등이 악화된다. 상술한 문제를 극복하기 위해, 캐비티 부피와 유리재의 부피를 엄격 히 일치시키는 방법이나 렌즈의 광학 기능면을 구성하는 부분의 둘레를 프레스 몰드로 한정하지 않고 비전사면으로 남겨두는 방법이 이용된다. 나중 방법으로는, 유리재의 부피가 표면 정밀도를 손상시키지 않고 광학 기능면을 형성할 수 있는 범위에서 증가하더라도 유리가 캐비티에 완전 충전되지 않는 한 성형 버어가 전혀 형성되지 않는다.
용융 유리로부터 유리재를 직접 형상화하는 방법에서는 유리재 간의 부피가 약간 변화됨으로써, 유리가 캐비티에 완전 충전되지 않는 나중 방법이 바람직하다. 상술한 방법에 의해 제조되는 렌즈에서, 광학 기능면의 둘레는 연마되거나 폴리싱되어 렌즈 홀더에 렌즈를 고정하기 위한 위치 설정 기준면으로 이용된다. 예컨대, 본 발명의 렌즈가 일본 특허 출원 제2005-331641호에 설명된 렌즈(11)로 이용되어 촬상 광학 시스템을 구성하는 제1 렌즈 그룹을 구성하도록 렌즈(12)와 결합될 때, 상술한 기준면은 이들 두 렌즈 간의 거리를 정밀하게 결정하기 위해 이용될 뿐 아니라 렌즈들의 광축을 일치시키기 위해[예컨대, 렌즈(G11, G12)들의 광축을 정밀하게 일치시키기 위해] 렌즈들의 방향을 정밀하게 일치시키도록 렌즈들의 방향을 결정하기 위한 기준면으로서 이용된다.
상술한 위치 설정 기준면은 렌즈의 원주 측면을 원통 형상으로 연마하거나 폴리싱하고 (동시에) 광학 기능면이 오목한 표면측에 있는 상태에서 광학축에 수직한 편평면을 형성함으로써 형성된다(렌즈 이중-오목면인 경우, 광학축에 수직한 평면은 두 개의 오목한 표면측 중 적어도 하나 상에 형성됨).
상술한 실시예에 따르면, 렌즈가 상술한 연마나 폴리싱에 의해 파손되지 않 도록 변형을 완전히 감소시키기 위한 소둔이 수행되는 경우에도, 렌즈 표면은 변경되지 않으며 광학 박막의 밀착성은 뛰어나게 유지될 수 있다.
상술한 방식에서, 비구면 형상을 갖는 광학 기능면은 정밀 프레스 성형에 의해 형성되고 비광학 기능면은 연마나 폴리싱에 의해 형성되고 광학 박막은 이렇게 얻어진 렌즈의 광학 기능면 상에 증기 증착법과 같은 공지된 방법에 의해 형성된다. 광학 박막은 상술한 바와 같다.
이렇게 얻어진 렌즈에서 유리와 광학 박막 사이의 밀착성은 뛰어나다.
본 발명의 비구면 렌즈는 부의 굴절력을 가지며 색수차 보정을 위한 렌즈 그룹에 사용하기 위해 바람직하게는 1.82 이상의 굴절율(nd)과 25 이하의 아베수(νd)를 갖는 렌즈와 결합된다. 이 경우, 정의 굴절력을 갖는 상술한 렌즈로는, 예컨대 볼록 메니스커스 렌즈, 이중 볼록 렌즈 및 평철 렌즈가 있으며, 그 광학 기능면 상에 반-반사막을 형성하는 것이 바람직하다.
정의 굴절력을 갖는 상술한 렌즈를 구성하는 유리는 바람직하게는 1.82 보다 큰 굴절율(nd)과 24.5 이하의 아베수(νd)를 갖는 유리이다.
상술한 유리의 일 예는 P2O5와 Nb2O5를 포함하는 광학 유리이며, 구체적으로 광학 기능면이 연마나 폴리싱에 의해 형성될 때 적절한 제1 유리와 광학 기능면이 정밀 프레스 성형에 의해 형성될 때 적절한 제2 유리를 포함한다.
제1 유리는 질량%로서 5 내지 32 %의 P2O5, 27 내지 65 %의 Nb2O5, 0 내지 20 %의 TiO2, 0 내지 12 %의 WO3, 0 내지 15 %의 Bi2O3, 0 내지 30 %의 BaO, 전체 0 내지 15 %의 Li2O, Na2O 및 K2O, 0 내지 6 %의 CaO, 0 내지 6 %의 SrO, 0 내지 6 %의 ZnO, 0 내지 16 %의 B2O3, 0 내지 5 %의 SiO2, 0 내지 5 %의 ZrO2, 0 내지 10 %의 Ta2O5 및 0 내지 5 %의 Al2O3를 포함하고 총 유리 함량에 대해 0 내지 1 %의 Sb2O3를 함유하는 광학 유리이다.
제2 유리는 P2O5, Nb2O5 및 Li2O를 포함하는 광학 유리이며, 보다 구체적으로 몰%로서 15 내지 45 %의 P2O5, 3 내지 35 %의 Nb2O5, 2 내지 35 %의 Li2O, 0 내지 20 %의 TiO2, 0 내지 40 %의 WO3, 0 내지 20 %의 Bi2O3, 0 내지 30 %의 B2O3, 0 내지 25 %의 BaO, 0 내지 25 %의 ZnO, 0 내지 20 %의 MgO, 0 내지 20 %의 CaO, 0 내지 20 %의 BrO, 0 내지 30 %의 Na2O, 0 내지 30 %의 K2O, 전체 45 % 이하의 Li2O, Na2O 및 K2O, 0 내지 15 %의 Al2O3, 0 내지 15 %의 SiO2, 0 내지 10 %의 La2O3, 0 내지 10 %의 Gd2O3, 0 내지 10 %의 Yb2O3, 0 내지 10 %의 ZrO2 및 0 내지 10 %의 Ta2O5를 포함하는 광학 유리이다.
상술한 유리의 다른 예, 즉 제3 유리는 SiO2, BaO, TiO2 및 Nb2O5를 포함하는 광학 유리이며, 보다 구체적으로 질량%로서 18 내지 30 %의 SiO2, 12 내지 23 %의 BaO, 22 내지 37 %의 TiO2, 7 내지 16 %의 Nb2O5, 5 내지 20 %의 Na2O, 0 내지 6 %의 K2O, 0 내지 5 %의 CaO, 0 내지 5 %의 SrO, 0 내지 4 %의 ZrO2, 0 내지 3 %의 Ta2O5, 0 내지 1 %의 Sb2O3 및 0 내지 0.5 %의 P2O5를 포함하는 광학 유리이다. 제3 유리는 렌즈의 광학 기능면이 연마나 폴리싱에 의해 형성될 때의 유리로서 적절하다.
정의 굴절력을 갖는 렌즈는 이들 고굴절 저분산성 유리 중 어느 유리로도 제조된다. 정의 굴절력을 갖는 렌즈는 광학적 설계에 따라 구형 렌즈이거나 비구면 렌즈일 수 있다. 렌즈가 구형 렌즈인 경우, 상술한 제1 내지 제3 유리 중 어떤 유리라도 이용되며 광학 기능면은 연마나 폴리싱에 의해 형성된다. 렌즈가 비구면 렌즈인 경우, 상술한 제2 유리가 이용되며 광학 기능면은 정밀 프레스 성형에 의해 형성된다.
보다 뛰어난 광 투과율을 갖는 유리가 본 발명의 렌즈 유닛에서 부의 굴절력을 갖는 렌즈를 구성하기 위한 렌즈로서 이용될 때, 바람직하게는 상술한 렌즈의 광학 기능면은 연마나 폴리싱에 의해 형성되는데, 다시 말해 렌즈의 광학 기능면은 연마 또는 폴리싱 면이다. 아베수가 작고 정밀 프레스 성형에 적절한 낮은 유리 전이 온도를 갖는 유리에서, 가시광 영역의 단파장측 상에서 유리의 투과율은 상술한 바와 같이 단독으로 연마되거나 폴리싱된 유리에 비해 감소되는 경향이 있다. 따라서, 상술한 렌즈가 제3 유리와 같이 단독 연마되거나 폴리싱될 유리로 구성될 때, 콤팩트한 렌즈 구성을 이용하여 색수차를 보정하고 광 투과율이 더 뛰어난 렌즈 유닛이 마련될 수 있다.
한편, 부의 굴절력을 갖는 렌즈가 제2 유리와 같이 유리나 정밀 프레스 성형 으로 구성될 때, 비구면 렌즈가 상술한 렌즈로 이용됨으로써 보다 콤팩트한 광학 시스템과 낮은 구면 수차를 갖는 촬상 광학 유닛이 마련될 수 있다. 이 경우, 렌즈 유닛에서 부의 굴절력을 갖는 렌즈가 소정의 아베수를 갖는 유리로 구성되기 때문에, 정의 굴절력을 갖는 렌즈를 구성하는 유리의 아베수를 과도하게 감소시키지 않고도 뛰어난 색수차 보정이 수행됨으로써, 두 개의 비구면 렌즈를 이용하면서 광 투과율이 뛰어난 렌즈 유닛이 마련될 수 있다.
또한, 정의 굴절력을 갖는 렌즈가 제2 및 제3 유리에 비해 고굴절성 및 고분산성을 제공하는 제1 렌즈와 같은 유리로 구성될 때, 보다 콤팩트한 구성을 갖는 촬상 광학 유닛에 대처하기 위한 수단이 마련될 수 있다.
정의 굴절력을 갖는 렌즈가 제1 유리나 제2 유리로 구성되는 렌즈 유닛에서, 가시광 영역의 단파장측 상의 투과율은 상술한 렌즈가 제3 렌즈로 구성되는 렌즈 유닛에 비해 감소하는 경향이 있다. 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라와 같이 영상을 디지털화함으로써 색 균형을 보정할 수 있는 영상 시스템에서, 상술한 투과율의 감소는 보정될 수 있다. 따라서, 정의 굴절력을 갖는 렌즈가 제1 유리나 제2 유리로 구성되는 상술한 렌즈 유닛이 디지털 카메라 등과 같은 영상 시스템에 사용하기에 바람직하다.
부의 굴절력을 갖는 렌즈를 구성하는 유리는 상술한 바와 같이 높은 굴절률과 40 이상의 아베수를 갖는 상술한 유리이고 뛰어난 광 투과율을 가짐으로써, 정의 굴절력을 갖는 렌즈를 구성하는 유리에 대한 선택 자유도가 확장된다.
(바람직하게는 다층 구조를 갖는) 반-반사막이 적어도 이렇게 얻어진 정의 굴절력을 갖는 렌즈의 광학 기능면 상에 형성되고 부의 굴절력을 갖는 상술한 비구면 렌즈가 이 렌즈와 결합되고, 이들 두 렌즈가 렌즈 홀더에 고정됨으로써, 색수차가 보정된 렌즈 유닛이 얻어질 수 있다.
상술한 렌즈 유닛은 촬상 광학 유닛에서 대상물에 가장 근접 배열될 렌즈 유닛으로 적절하다. 이 경우, 렌즈 유닛은 바람직하게는 부의 굴절력을 갖는 렌즈 유닛이다.
예컨대, 상술한 렌즈 유닛(대상물측 상에 위치될 부의 굴절력을 갖는 렌즈), 정의 굴절력을 갖는 렌즈 유닛, 정의 굴절력을 갖는 렌즈 유닛이 대상물측에서 영상측으로 이 순서로 연속 배열되고 어느 한 유닛에서 다른 유닛까지의 거리가 변하도록 보장됨으로써, 줌 기능을 갖는 촬상 광학 유닛이 얻어질 수 있다. 그리고, 렌즈 유닛을 대상물측에서 계수할 때 제1 유닛과 제2 유닛 사이에 개구 격막을 제공하는 것이 바람직하다.
상술한 촬상 광학 유닛을 구성하는 각 렌즈의 광학 기능면 상에 다층 구조를 갖는 반-반사막을 제공하는 것이 바람직하다.
상술한 렌즈 유닛과 상술한 촬상 광학 유닛은 근접 초점 렌즈, 줌 렌즈 등과 같은 카메라 렌즈와, 카메라 렌즈(특히, 디지털 카메라용 렌즈)용 유닛으로 적절하다.
위에서 본 발명의 바람직한 실시예는 부의 굴절력을 갖는 비구면 렌즈와 관련하여 설명했으나, 본 발명은 정의 굴절력을 갖는 비구면 렌즈에도 그 효과를 가질 수 있다.
예
이하, 예를 참조하여 본 발명을 설명하기로 하며, 다만 본 발명은 이들 예에 의해 제한되지 않는다.
광학 유리의 다양한 특성이 다음 방법에 따라 측정되었다.
(1) 굴절율(nd)과 아베수(νd)
광학 유리를 유리 전이 온도(Tg)와 처짐 온도(Ts) 사이의 온도에 유지했으며 일본 광학 유리 산업계 표준의 굴절율 측정법에 따라 [칼뉴 옵틱스사(Kalnew Optics Corporation)에서 제공한 "GMR-1"을 이용하여] -30 ℃/시(hour)의 온도 감소율로 최종 광학 유리의 굴절율(nd)과 아베수(νd)가 측정했다.
(2) 유리 전이 온도(Tg)와 처짐 온도(Ts)
리가쿠사(Rigaku Corporation)에 의해 제공된 열기계 분석 장치인 "TMA8510"을 이용하여 98 mN의 하중 하에서 4 ℃/분의 온도 상승률로 측정했다.
표 1-a과 표 1-b에 도시된 유리 조성을 얻기 위해, 유리 성분 도입을 위한 원료로 H3BO3, La2O3, ZnO, ZnCO3, Gd2O3, ZrO2 등과 같은 산화물, 탄산염, 황산염, 질산염, 수산화물 등을 칭량하여 각각 전체 질량이 250 내지 300 g인 유리 원료를 준비했으며, 준비된 배치를 얻기 위해 각각의 유리 원료를 충분히 혼합시켰다. 준비된 각각의 배치를 플라티늄 도가니에 배치하고 2 내지 4시간 동안 1,200 내지 1,450 ℃에서 유지되는 전기로에서 공기 중에 교반하면서 용융시켰다. 용융 후, 탄소로 제조된 40×70×15 ㎜의 몰드 내로 각각의 용융 유리를 주조했으며, 유리 전이 온도로 냉각시킨 직후, 대략 1시간 동안 유리 전이 온도 범위에서 소둔시키고 노 내에서 실온까지 냉각시킴으로써 광학 유리를 제조했다. 이렇게 얻어진 광학 유리를 100 배율의 광학 현미경을 통해 관찰했을 때 어떤 결정도 침착되지 않았다.
표 1-a과 표 1-b는 이렇게 얻어진 광학 유리의 특성을 보여준다.
[표 1-a]
1 2 3 4 5








유리 조성
(mol%)		 B2O3 32.48 36.96 35.34 36.09 33.43
SiO2 4.54 3.14 5.44 4.29 7.79
ZnO 36.48 30.82 30.46 30.98 27.28
Li2O 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
La2O3 11.36 12.11 11.97 12.02 14.81
Gd2O3 4.54 5.03 4.97 4.99 3.98
La2O3+Gd2O3 15.9 17.14 16.94 17.01 18.79
ZrO2 3.03 3.14 3.89 3.82 4.68
Ta2O5 3.03 3.14 3.11 2.97 4.6
WO3 4.54 5.66 4.82 4.84 3.43
Nb2O5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
GeO2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
BaO 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
전체 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00
알칼리 금속 산화물의 총 함량 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
nd 1.8392 1.8392 1.8372 1.8356 1.8515
νd 40.0 40.0 40.5 40.5 40.2
유리 전이 온도(℃) 581 590 594 592 608
처짐 온도(℃) 623 635 637 635 655
[표 1-b]
6 7 8 9








유리 조성
(mol%)		 B2O3 34.18 36.13 36.54 42.26
SiO2 6.36 4.03 6.43 1.67
ZnO 28.14 28.55 24.1 21.76
Li2O 0.00 0.00 0.00 0.00
La2O3 14.63 14.35 16.06 16.74
Gd2O3 4.05 4.11 3.21 3.35
La2O3+Gd2O3 18.68 18.46 19.27 20.09
ZrO2 4.45 4.52 4.82 5.02
Ta2O5 4.69 4.76 4.82 5.02
WO3 3.5 3.55 4.02 4.18
Nb2O5 0.00 0.00 0.00 0.00
GeO2 0.00 0.00 0.00 0.00
BaO 0.00 0.00 0.00 0.00
전체 100.00 100.00 100.00 100.00
알칼리 금속 산화물의 총 함량 0.00 0.00 0.00 0.00
nd 1.8517 1.8517 1.8511 1.8516
νd 40.2 40.1 40.2 40.4
유리 전이 온도(℃) 604 602 609 614
처짐 온도(℃) 650 647 655 657
액상 온도(℃) 1040 1040 1050 1050
액상 온도에서의 점성도(dPaㆍs) 5.1 4.5 4.8 3.9
비중 5.25 5.24 5.21 5.2
정밀 프레스 성형을 위한 유리재를 아래에 설명된 방식으로 상술한 유리로부터 제조하였다.
우선, 전기로 내에서 (4 내지 0.05 dPaㆍs의 가스 점성도에 대응하는) 1,050 내지 1,450 ℃로 유지된 용융 금속을 (4 dPaㆍs의 가스 점성도에 대응하는) 1,050 ℃로 온도 조절된 플라티늄 합금 파이프로부터 일정 유속으로 연속 하향 유동시키고, 용융 유리 유동의 전방 단부를 유리재 형상화 몰드로 수용했으며, 소정 중량을 갖는 용융 유리 덩어리가 상술한 전방 단부로부터 분리 가능할 때 용융 유리 유동의 하향 유동 속도보다 충분히 큰 속도로 형상화 몰드를 하향 이동시킴으로써, 용 융 유리 덩어리를 분리시켰다. 용융 유리를 하향 유동시킬 때, 용융 유리는 7 dPaㆍs의 점성도를 가졌다.
유리재 형상화 몰드의 유리 지지면은 다공재로 구성되었으며, 고압 가스가 다공재의 반대측으로 도입되어 다공재를 통해 배출되었다.
유리 덩어리에 공기 압력을 인가함으로써 유리 덩어리를 몰드의 상술한 유리 지지면 위로 부유시키면서 분리된 용융 유리 덩어리를 하나의 회전 대칭축을 갖는 유리재로 형상화하고 유리재를 소둔시켰다. 상술한 방식으로 얻어진 각각의 용융 유리 덩어리는 상술한 방식으로 얻어진 대응하는 유리재의 질량과 동일한 질량을 가졌으며, 이렇게 얻어진 유리재는 ±1 % 이하의 질량 정밀도를 가졌다.
상술한 유리재의 형상화에 있어, 용융 유리는 온도 조절된 플라티늄 파이프 밖으로 일정 속도로 연속 유동되며, 파이프 아래의 위치로 이동된 유리재 형상화 몰드는 용융 유리 유동의 하단부를 수용하도록 상향 이동된다. 이 상태에서, 용융 유리 유동의 하단부와 그 파이프측 사이에는 협폭부가 형성되고, 유리재 형상화 몰드는 소정 시간에 신속히 하향 이동하게 된다. 이런 작업에 의해, 용융 유리 유동은 협폭부에서 분리되며, 하단부를 포함하고 소정 중량을 갖는 용융 유리 덩어리가 유리 지지면 상에서 얻어질 수 있다.
복수의 유리재 형상화 몰드들이 파이프 아래의 위치로 차례로 이동되고, 상술한 단계가 소정 중량을 갖는 용융 유리 덩어리들을 차례로 수용하도록 수행되고, 용융 유리 덩어리들이 차례로 분리된다. 형상화 몰드들은 회전 테이블 상에 배열되고 테이블은 상술한 작업을 수행하기 위해 인덱스-회전된다. 각각의 용융 유리 덩어리를 몰드의 유리 지지면 위로 부유시키는 동안 각각의 용융 유리 덩어리가 유리재로 형상화된다. 유리재는 형상화 몰드 밖으로 유리재를 취출하고 형상화 몰드를 이용하여 용융 유리 덩어리를 수용하고 유리 덩어리를 유리재로 형상화하는 단계를 반복함으로써 제조되었다. 각각의 유리재가 형상화 몰드 밖으로 취출될 때까지 유리를 연속으로 부유시켰다.
이렇게 제조된 유리재 각각의 전체 표면은 용융 유리의 고화 작용에 의해 형성되었으며 자유면이었다. 유리재의 표면과 각 유리내 내측에는 줄무늬, 실투, 파손 및 기포와 같은 결함이 전혀 발견되지 않았다.
상술한 방법에 의해 제조된 유리재는 다음과 같이 도1에 도시된 정밀 프레스 성형 장치를 이용하여 정밀 프레스 성형되었다. 각각 SiC로 제조되고 각각의 성형면에 탄소 함유막(다이아몬드형 탄소막)이 형성된 상부 몰드 부재(1)와 하부 몰드 부재(2) 사이에 유리재(4)를 배치하고 석영 튜브(11) 내의 대기를 질소 대기로 교체하고 석영 튜브의 외면 둘레에 권취된 히터(미도시)에 전력을 공급하여 석영 튜브(11)의 내부를 가열했다. 몰드 내부의 온도를 유리재(4)의 점성도가 105 내지 109 dPaㆍs가 되는 온도로 조절한 후, 이 온도가 유지되는 동안 가압 로드(13)를 하향 이동시켜 상부 몰드 부재(1)를 위에서 누름으로써 몰드 내의 유리재(4)를 프레스 성형했다. 프레스 성형은 10 내지 300초의 기간 동안 5 내지 15 MPa의 압력으로 수행했다. 프레스 성형 후, 프레스 성형 압력을 제거하고, 비구면 프레스 성형에 의해 얻어진 유리 성형 제품이 상부 몰드 부재(1) 및 하부 몰드 부재(2)와 접촉 되어 있는 유리 성형 제품을 유리 전이 온도까지 서서히 냉각시켰다. 그 후, 유리 성형 제품을 대략 실온까지 신속히 냉각시켰으며 비구면 렌즈로 성형된 유리를 몰드 밖으로 취출했다.
상술한 정밀 프레스 성형시, 유리는 상부 몰드 부재를 안내하는 슬리브와 접촉하지 않았고 상부 및 하부 몰드 부재의 성형면(의 형상)이 전사되었고 유리가 성형되었고 광학 기능면의 둘레는 비전사면을 구성했다.
상술한 정밀 프레스 성형은 두 가지 방법에 의해 수행되었다. 즉, 하나의 정밀 프레스 성형 방법에서는 프레스 몰드의 상부 몰드 부재 및 하부 몰드 부재 사이의 공간에 유리재를 도입하고 유리재를 이들 부재와 함께 가열하고 유리재를 프레스 성형하여 비구면 렌즈를 제조하였으며, 다른 정밀 프레스 성형 방법에서는 사전 가열된 프레스 몰드와 별도로 가열된 유리재를 프레스 몰드 내로 도입하고 프레스 성형하여 비구면 렌즈를 제조했다.
도1은 프레스 몰드와 유리재가 함께 가열되는 방법에 의해 정밀 프레스 성형이 어떻게 수행되는지를 개략적으로 도시하며 도면부호 3은 슬리브를, 9는 지지 로드를, 10은 지지상을 14는 열전쌍을 지시한다. 상술한 방식으로 얻은 볼록 메니스커스 형상을 갖는 비구면 렌즈들을 3시간 동안 560 ℃에서 대기 중에서 소둔시켰다. 얻어진 렌즈의 표면에는 어떠한 연막도 눈으로 관찰되지 않았으며 광학 현미경을 통해 이들 렌즈를 확대하여 관찰한 결과 평활한 표면을 보여주었다.
상술한 예에서, 양면이 비구면 형상을 갖는 오목한 메니스커스 렌즈를 제조했다. 요구된 바와 같이 프레스 몰드의 형상과 치수의 선택에 따라, 이중 오목 렌 즈 및 평요 렌즈와 같이 부의 굴절력을 갖는 비구면 렌즈와 볼록 메니스커스 렌즈, 이중 볼록 렌즈 및 평철 렌즈와 같이 정의 굴절력을 갖는 비구면 렌즈가 제조될 수 있다.
산화에 의해 표면에 남아 있는 탄소막을 제거하고 렌즈의 변형을 감소시키고 그 굴절율을 세밀하게 조절하기 위해 상술한 비구면 렌즈들을 각각의 유리 전이 온도 이하에서 소둔시켰다.
광학 기능면의 외주연, 즉, 비전사 표면부를 연마하거나 폴리싱하여 심취 및 모서리 공정을 수행하고 렌즈를 홀더에 고정할 때의 위치 설정을 위한 기준면을 형성하였다.
상술한 연마 또는 폴리싱 공정 후, 렌즈를 세척하고 건조한 다음 증기 증착 장치의 챔버에 배치하여 증기 증착함으로써 가시광 영역에서 렌즈 표면 상에 반사 방지를 위한 광학 다층막을 형성했다.
상술한 방식으로 얻어진 반-반사막으로 피복된 비구면 렌즈들은 유리와 막 사이의 밀착성이 뛰어났으며, 이들 렌즈는 줌 렌즈의 최전방 위치에 있는 오목 메니스커스 렌즈로서 적절했다.
한편, Li2O 함유 유리로 형성된 각 유리재의 표면을 탄소 함유막으로 피복했으며, SiC로 제조되고 그 성형면 상에 탄소 방출막이 형성된 프레스 몰드를 이용하여 각각의 유리재를 정밀 프레스 성형하여 비구면 오목 메니스커스 렌즈를 제조했다. 이들 렌즈를 상술한 바와 동일한 방식으로 소둔하고 심취 및 모서리 공정을 수행하고 세척한 다음, 각 렌즈의 광학 기능면 상에 반-반사막을 형성했다. 그러나, 반-반사막의 밀착성이 불충분했기 때문에 막이 부분적으로 박피되었음이 관찰되었다.
표 2-a, 2-b, 2-c 및 2-d에 기재된 광학 유리가 볼록 메니스커스 렌즈를 제조하기 위해 사용되었다. 이들 렌즈를 제조하기 위한 방법으로서, 유리재를 가열하고 프레스 성형하여 원하는 렌즈 형상에 근접한 형상을 갖는 유리 성형 제품을 얻으며 유리 성형 제품을 소둔시켜 변형을 감소시키고 그 광학적 특성을 정밀 조절하며 연마나 폴리싱하여 구형 렌즈를 완성하는 방법("폴리싱 방법"으로 지칭됨)이나 유리재를 가열 및 정밀 프레스 성형하여 비구면 렌즈를 제조하는 방법("정밀 프레스 성형 방법으로 지칭됨)을 이용하였다. 표 2-a, 2-b, 2-c 및 2-d는 어떤 유리가 사용되고 어느 방법이 이용되었는지를 보여준다.
굴절율(nd), 아베수(νd) 및 유리 전이 온도(Tg)에 대한 측정은 상술한 측정 방법에 따라 이루어졌다.
λ70는 10.0±0.1 ㎜의 두께를 갖도록 폴리싱되고 서로 평행한 편평면들을 갖는 유리 샘플을 이용하고 광을 폴리싱된 면으로 수직 방향으로 진입시킴으로써 얻어지는 분광 투과율이 280 내지 700 nm의 파장 영역에서 70 %가 되는 파장을 나타내며, λ50는 10.0±0.1 ㎜의 두께를 갖도록 폴리싱되고 서로 평행한 편평면들을 갖는 유리 샘플을 이용하고 광을 폴리싱된 면에 수직 방향으로 진입시킴으로써 얻어지는 분광 투과율이 280 내지 700 nm의 파장 영역에서 50 %가 되는 파장을 나타 낸다. 상술한 분광 투과율은 Iout/Iin으로 표현되는 양을 지칭하는데, 이때 Iin은 유리 샘플에 대한 입사광의 강도이고 Iout은 유리 샘플로부터 투과된 광의 강도이다. 분광 투과율은 유리 샘플 내측에서 광의 흡수와 산란을 포함하고 샘플 표면 상에서 반사의 영향도 포함하는 양이다.
[표 2-a]
11 12 13 14








유리 조성
(질량%)		 P2O5 19.5 20.0 25.5 22.0
SiO2 0.0 0.0 0.5 0.0
B2O3 2.5 3.0 2.0 5.5
TiO2 16.0 12.0 15.0 13.5
Nb2O5 37.5 44.5 47.0 48.5
Na2O 2.0 2.5 4.5 4.0
K2O 2.0 2.0 4.0 2.0
CaO 0.0 0.0 0.0 0.0
SrO 0.0 0.0 0.0 0.0
BaO 20.5 14.0 1.5 4.5
ZnO 0.0 2.0 0.0 0.0
ZrO2 0.0 0.0 0.0 0.0
Sb2O3(유리 조성에 기초한 함량) 0.75 0.20 0.30 0.50
총 함량 100.00 100.00 100.00 100.00
nd 1.9516 1.9542 1.9459 1.9456
νd 19.5 19.2 17.9 18.2
λ70(nm) 468 450 463 459
유리 종류 제1 유리
렌즈 형태 구형 볼록 메니스커스 렌즈
렌즈 제조 방법 폴리싱 방법
[표 2-b]
15 16 17 18








유리 조성
(질량%)		 P2O5 12.0 14.5 19.5 23.5
Nb2O5 50.0 48.0 45.0 34.5
BaO 21.0 24.0 16.5 16.0
B2O3 7.0 2.5 2.5 3.0
TiO2 6.0 6.0 8.5 18.0
Li2O 0.0 0.0 0.0 0.0
Na2O 0.0 0.0 3.0 0.0
K2O 4.0 5.0 4.0 5.0
CaO 0.0 0.0 0.0 0.0
SrO 0.0 0.0 1.0 0.0
ZnO 0.0 0.0 0.0 0.0
SiO2 0.0 0.0 0.0 0.0
ZrO2 0.0 0.0 0.0 0.0
Sb2O3(유리 조성에 기초한 함량) 0.30 0.30 0.05 0.05
총 함량 100.00 100.00 100.00 100.00
nd 1.9028 1.9491 1.9193 1.9309
νd 21.1 21.0 20.5 19.2
λ50(nm) 414 415 413 413
유리 종류 제1 유리
렌즈 형태 구형 볼록 메니스커스 렌즈
렌즈 제조 방법 폴리싱 방법
[표 2-c]
19 20 21 22








유리 조성
(질량%)		 P2O5 23.8 24.0 24.0 24.0
B2O3 3.0 4.0 4.0 4.0
SiO2 0.0 0.0 0.0 0.0
Li2O3 12.0 18.0 18.0 18.0
Na2O 9.3 14.0 15.0 11.0
K2O 2.0 2.0 2.0 2.0
BaO 10.0 0.0 0.0 2.0
ZnO 5.0 0.0 2.0 0.0
SrO 0.0 0.0 0.0 0.0
Bi2O3 0.0 0.0 6.0 8.0
TiO2 5.0 8.0 5.0 6.0
Nb2O5 17.9 20.0 18.0 19.0
WO3 12.0 10.0 6.0 6.0
총 함량 100.00 100.00 100.00 100.00
nd 1.84509 1.84937 1.86026 1.90015
νd 23.54 21.96 22.61 21.51
유리 전이 온도(℃) 503 493 442 461
유리 종류 제2 유리
렌즈 형태 비구면 볼록 메니스커스 렌즈
렌즈 제조 방법 정밀 프레스 성형 방법
[표 2-d]
23 24 25








유리 조성
(질량%)		 SiO2 24.9 28.9 24.9
BaO 16.1 13.1 15.9
TiO2 29.6 30.6 28.2
Nb2O5 13.1 13.1 15.7
Na2O 8.5 10.5 12.5
K2O 4.0 0.0 0.0
CaO 0.8 1.3 0.8
SrO 0.0 0.0 0.0
ZrO2 2.0 2.0 2.0
Ta2O5 1.0 0.5 0.0
Sb2O3 0.0 0.0 0.0
총 함량 100.00 100.00 100.00
nd 1.8417 1.84512 1.84565
νd 23.97 23.96 23.9
유리 전이 온도(℃) 611 625 615
λ70(nm) 433 429 418
유리 종류 제3 유리
렌즈 형태 구형 볼록 메니스커스 렌즈
렌즈 제조 방법 폴리싱 방법
그 후, 다층 구조를 갖는 반-반사막을 각각의 상술한 볼록 메니스커스 렌즈들의 광학 기능면 상에 형성하였으며 볼록 메니스커스 렌즈들을 상술한 볼록 메니스커스 렌즈들과 결합하여 다음과 같은 렌즈 유닛을 얻었다. 볼록 메니스커스 렌즈와 오목 메니스커스 렌즈는 색수차 효과를 얻기 위해 광학 설계에 기초하여 계산된 거리만큼 떨어져서 렌즈 홀더에 고정되었다. 렌즈들의 방향은 오목 메니스커스 렌즈의 오목면과 볼록 메니스커스 렌즈의 볼록면이 서로 대면하도록 결정되었다. 오목 메니스커스 렌즈의 볼록면은 대상물측 상에 배치했고 볼록 메니스커스 렌즈의 오목면은 영상측 상에 배치했다.
그 후, 상술한 렌즈 유닛은 대상물측에 가장 근접하게 배열된 제1 유닛으로 사용되며, 볼록 메니스커스 렌즈, 볼록 메니스커스 렌즈 및 이중 볼록 렌즈로 구성되고 전체적으로 정의 굴절력을 갖는 제2 렌즈 유닛이 제1 렌즈 유닛의 영상측 상 에 배열되며, 이중 볼록 렌즈가 제2 렌즈 유닛의 영상측 상에 배열되어 줌 기능을 갖는 촬상 광학 유닛을 조립한다. 각 유닛에서 렌즈들 사이의 거리는 고정되고 제1 렌즈 유닛과 제2 렌즈 유닛 사이의 거리와 제2 렌즈 유닛과 이중 볼록 렌즈 사이의 거리는 가변적으로 이루어짐으로써, 줌 기능을 구현한다. 제2 유닛에서, 그 렌즈들 사이의 거리는 유닛에서의 색수차를 보정하도록 설정되고 고정된다.
제2 유닛에서, 볼록 메니스커스 렌즈의 오목면과 오목 메니스커스 렌즈의 볼록면은 서로 부착되며, 이중 볼록 렌즈는 상술한 바와 같이 소정 거리만큼 이격되어 고정된다.
상술한 방식으로, 줌 기능을 갖고 신뢰도가 높은 콤팩트한 고성능 촬상 광학 유닛이 제조될 수 있다. 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라와 같이 영상면 상에 CCD 또는 CMOS와 같은 고체 촬상 장치가 배열되어 영상을 전자 데이터로 디지털화하는 촬상 광학 유닛에서, 촬상 장치의 색 민감도 보정 기능을 갖는 필터와 저역 필터 기능이 영상측에 가장 근접한 렌즈와 촬상 장치 사이에 배열된다.
상술한 실시예는 줌 기능을 갖는 촬상 유닛을 참조하여 설명하였으나, 상술한 실시예는 카메라 장착식 휴대폰과 같이 초점 길이가 일정한 카메라에 장착될 촬상 광학 유닛에 적용될 수 있다.
본 발명의 비구면 렌즈는 촬상 광학 시스템을 구성하는 유리로 제조된 비구면 렌즈로서, 특히 대상물에 가장 근접한 줌 렌즈에서 부의 굴절력을 갖는 그 렌즈로서 적절히 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 제조 공정은 상술한 비구면 렌즈를 제조하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고굴절 저분산성 유리로 형성되고 콤팩트한 고성능 촬상 광학 시스템을 구성하기에 유용한 비구면 렌즈와 그 제조 방법이 마련될 수 있다.
또한, 상술한 비구면 렌즈를 포함하는 콤팩트한 고성능 렌즈 유닛과 상술한 렌즈 유닛을 포함하는 촬상 광학 유닛도 마련될 수 있다.

Claims (8)

  1. 광학 유리를 정밀 프레스 성형함으로써 형성되는 비구면 렌즈이며, 상기 비구면 렌즈는,
    1.83보다 높은 굴절율(nd)과 40 이상의 아베수(νd)를 갖고 mol%로서 20 내지 45 %의 B2O3, 5 내지 23 %의 La2O3, 1 내지 19 %의 Gd2O3 및 22 내지 42 %의 ZnO를 포함하고, La2O3의 함유량과 Gd2O3의 함유량의 합계는 12 내지 24 %이며, Li2O는 함유하지 않는 광학 유리로 형성되며 그 표면에 광학 박막이 형성된 비구면 렌즈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광학 유리는 선택적 성분으로서 0 내지 20 %의 SiO2, 0 내지 10 %의 ZrO2, 0 내지 10 %의 Ta2O5, 0 내지 10 %의 WO3, 0 내지 10 %의 Nb2O5, 0 내지 10 %의 TiO2, 0 내지 10 %의 Bi2O3, 0 내지 10 %의 GeO2, 0 내지 10 %의 Ga2O3, 0 내지 10 %의 Al2O3, 0 내지 10 %의 BaO, 0 내지 10 %의 Y2O3 및 0 내지 10 %의 Yb2O3를 함유하는 비구면 렌즈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광학 유리는 640℃ 보다 낮은 유리 전이 온도를 갖는 비구면 렌즈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 비구면 렌즈는 대상물측에서 영상측으로 배열된 복수의 렌즈를 갖는 촬상 광학 시스템 내에서 대상물에 가장 근접하게 위치될 렌즈인 비구면 렌즈.
  5. 광학 유리로 형성된 유리재를 가열하는 단계와 유리재를 정밀 프레스 성형하는 단계를 통해 비구면 렌즈를 제조하는 방법이며, 상기 방법은,
    1.83보다 높은 굴절율(nd)과 40 이상의 아베수(νd)를 갖고 mol%로서 20 내지 45 %의 B2O3, 5 내지 23 %의 La2O3, 1 내지 19 %의 Gd2O3 및 22 내지 42 %의 ZnO를 포함하고, La2O3의 함유량과 Gd2O3의 함유량의 합계는 12 내지 24 %이며, Li2O는 함유하지 않는 광학 유리로 형성된 유리재를 가열하는 단계와,
    유리재를 정밀 프레스 성형하는 단계와,
    그 표면에 광학 박막을 형성하는 단계를 포함하는 비구면 렌즈 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 정밀 프레스 성형에 의해 얻어진 비구면 렌즈는 어닐링되고 그 후 비광학 기능면을 형성하도록 연마되거나 폴리싱되며, 상기 비구면 렌즈가 세척되고 그 후 광학 박막이 광학 기능면 상에 형성되는 비구면 렌즈 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 따른 비구면 렌즈 또는 제5항 또는 제6항에 따른 방법에 의해 제조된 비구면 렌즈와, 1.82 이상의 굴절율(nd)과 25 이하의 아베수(νd)를 갖는 광학 유리로 형성되고 반-반사막을 갖는 정의 굴절력을 갖는 렌즈를 구비하고,
    상기 비구면 렌즈는 부의 굴절력을 갖고 반-반사막을 구비하고,
    정의 굴절력을 갖는 상기 렌즈와 상기 비구면 렌즈는 색 수차를 보정하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 렌즈 유닛.
  8. 제7항에 따른 렌즈 유닛을 포함하는 촬상 광학 유닛.
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