TWI492912B - 光學玻璃 - Google Patents

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Description

光學玻璃 【相關申請案之交叉參考】
本申請案主張2010年6月15日申請之日本專利申請案第2010-136660號的優先權，該文獻之全部內容以引用的方式併入本文中。
本發明是有關於一種適於在相對低溫下高度精密的加壓模製之光學玻璃。
近年來，藉由成像裝置(諸如CCD(電荷耦合裝置(Charge Coupled Device))以及CMOS(互補金氧半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor)))取得影像資料之數位相機以及具有相機之攜帶型電話正迅速流行起來。尤其近年來，已開發具有大畫素數之成像裝置來用於實現高圖片品質，且在這種趨勢下，已要求成像透鏡具有高光學效能。另一方面，對小型化的要求亦有不斷提高。
為了響應這些要求，在許多情形下，採用藉助於具有高度精密的尺寸之金屬模具來加壓模製的玻璃模具透鏡作為上述成像透鏡。與拋光加工相比，根據所述加壓模製，可容易且有效地製造具有非球面表面之光學透鏡以及微小尺寸之光學透鏡。
因為所述加壓模製在比作為原料的光學玻璃之變形溫度高的溫度下進行，需要很難承受物理負荷(諸如熱以及應力)之金屬模具具有高耐久性。當然，光學玻璃之變形溫度越高，金屬模具之物理負荷就越高。因此，出於延長金屬模具之使用期限的目的，必需將光學玻璃之變形溫度抑制至儘可能低。
另一方面，亦迫切需要具有高折射率以及低分散性之光學玻璃以推進成像透鏡之小型化以及角度拓寬(angle-widening)。
在這種背景下，已開發出一些儘管折射率高且分散性低但具有相對較低之變形溫度(以及玻璃轉移溫度)的光學玻璃(例如參看JP-A-2000-16831、2000-119036以及2001-130924)。JP-A-2000-16831、2000-119036以及2001-130924揭露主要由氧化矽(SiO2 )、氧化硼(B2 O3 )以及氧化鑭(La2 O3 )組成之光學玻璃。
然而，近年來，顯著地推進了成像透鏡之小型化以及效能改良，因此更要求光學玻璃之折射率提高、低分散性，及加工容易性。
本發明之一個目標為提供一種不僅具有較高折射率以及較低分散值而且玻璃製造過程之批量生產力(quantity productivity)以及加壓模製特性更為優異的光學玻璃。
本發明之光學玻璃包括以下各項(以重量百分比為單位)：10%或10%以上且17%或17%以下之SiO2 、23%或23%以上且30%或30%以下之B2 O3 、0.1%或0.1%以上且1%或1%以下之Al2 O3 、2%或2%以上且3.5%或3.5%以下之Li2 O、1%或1%以上且4%或4%以下之BaO、10%或10%以上且20%或20%以下之CaO、0.5%或0.5%以上且6%或6%以下之ZnO、22%或22%以上且30%或30%以下之La2 O3 、0.5%或0.5%以上且7%或7%以下之Gd2 O3 以及5%或5%以上且11%或11%以下之Y2 O3 ，且滿足以下條件表達式(1)以及(2)：
0.35<A/B<0.70...　(1)
0.80<C/D<1.0..　.(2)
其中A為SiO2 含量(重量%)，B為B2 O3 含量(重量%)，C為La2 O3 、Gd2 O3 以及Y2 O3 之總含量(重量%)，且D為SiO2 與B2 O3 之總含量(重量%)。
所述光學玻璃含有各自為特定組成比率之上述組分，且因此可保證高折射率以及低分散性。此外，因為液相溫度L.T被抑制至990℃或990℃以下，所以玻璃製造過程中難以出現由結晶引起的失玻化(devitrification)，及可穩定保持玻璃結構且可獲得優異的批量生產力。此外，在加壓模製中，難以產生諸如由所謂微失玻化(micro-devitrification)引起之混濁的故障，微失玻化是由在高於玻璃之變形溫度Ts的加壓模製溫度區域中加熱玻璃時玻璃表面上出現輕微晶體所引起。此處，加壓模製溫度區域意謂包含玻璃之變形溫度Ts直至超過Ts大致50℃之溫度的溫度區域。
除了上述組分之外，本發明之光學玻璃更可包括Na2 O、K2 O、SrO、ZrO2 、Nb2 O5 、WO3 以及Sb2 O3 中之至少任一者作為視情況選用之組分。在彼情形中，以重量百分比為單位之Na2 O含量為0%或0%以上且3%或3%以下，以重量百分比為單位之K2 O含量為0%或0%以上且3%或3%以下，以重量百分比為單位之SrO含量為0%或0%以上且5%或5%以下，以重量百分比為單位之ZrO2 含量為0%或0%以上且4%或4%以下，以重量百分比為單位之Nb2 O5 含量為0%或0%以上且3%或3%以下，以重量百分比為單位之WO3 含量為0%或0%以上且3%或3%以下，且以重量百分比為單位之Sb2 O3 含量為0%或0%以上且1%或1%以下。
除了含有SiO2 、B2 O3 以及La2 O3 作為主要組分外，本發明之光學玻璃藉由含有Al2 O3 、Li2 O、BaO、CaO、ZnO、Gd2 O3 以及Y2 O3 不僅可改良折射率以及分散性特徵，而且可降低變形溫度(以及玻璃轉移溫度)。舉例而言，在保證d線折射率高達1.68至1.70且阿貝數(Abbe's number)超過54時，可將玻璃轉移溫度抑制至小於570℃。因為所述光學玻璃可在相對低溫下來加壓模製，所以所述玻璃較佳可用於批量生產儘管尺寸小但具有高光學效能的模製透鏡。此外，藉由添加少量Al2 O3 ，加壓模製時難以產生諸如由微失玻化引起之混濁的故障。此外，因為液相溫度L.T被抑制至990℃或990℃以下，所以玻璃製造過程中難以出現由結晶引起的失玻化，且可穩定保持玻璃結構且可獲得優異的批量生產力。此外，因為本發明之光學玻璃不按照慣例使用有害環境的物質，諸如砷(As)、鉛(Pb)以及碲(Te)，所以考慮到環境保護，其亦為較佳。
下文將詳細描述一個實施例。
光學玻璃較佳例如用作安裝於數位靜態相機以及銀鹽相機，或用於攜帶型電話之模組相機上的成像透鏡。
光學玻璃含有氧化矽(SiO2 )、氧化硼(B2 O3 )、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鋰(Li2 O)、氧化鋇(BaO)、氧化鈣(CaO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鑭(La2 O3 )、氧化釓(Gd2 O3 )以及氧化釔(Y2 O3 )作為組分，且滿足以下條件表達式(1)以及(2)。在以下條件表達式中，A為SiO2 含量(重量%)，B為B2 O3 含量(重量%)，C為La2 O3 、Gd2 O3 以及Y2 O3 之總含量(重量%)，且D為SiO2 與B2 O3 之總含量(重量%)。
0.35<A/B<0.70...　(1)
0.80<C/D<1.0...　(2)
藉由含有上文所述之各構成組分且滿足條件表達式(1)以及(2)，不僅可抑制玻璃轉移溫度Tg以及變形溫度Ts至較低值，而且可獲得較高折射率以及較低分散性。此外，可穩定保持玻璃結構，且自製造觀點來看，難以出現故障，諸如玻璃製造過程中之失玻化以及加壓模製中之混濁。在條件表達式(1)中，藉由使A/B處於0.35或0.35以上且0.70或0.70以下之範圍內，玻璃之結構骨架最穩定且液相溫度L.T可抑制至990℃或990℃以下。此外，在條件表達式(2)中，當C/D為0.80或0.80以下時，阿貝數易於降低(分散性提高)，且當C/D為1.0或1.0以上時，折射率顯示降低之趨勢。
下文將詳細描述構成本發明之光學玻璃的各組分。
SiO2 為形成玻璃之結構骨架的主要組分。SiO2 之含量較佳為10重量%或10重量%以上且17重量%或17重量%以下。藉由使所述含量為10重量%或10重量%以上來穩定玻璃結構。藉由使所述含量為17重量%或17重量%以下來保持玻璃之良好溶解度。
B2 O3 亦為形成玻璃之結構骨架的主要組分。B2 O3 之含量較佳為23重量%或23重量%以上且30重量%或30重量%以下。此是因為23重量%或23重量%以上之含量可使玻璃結構穩定化，且30重量%或30重量%以下之含量可容易地實現高折射率(例如d線折射率nd大致為1.68至1.70)。
Al2 O3 為改良玻璃結構之穩定性的組分。Al2 O3 藉助於提高玻璃之黏度且減慢晶體生長來起作用，使得當保持於加壓模製溫度區域中時不會引起諸如由微失玻化引起之混濁的故障。藉由使Al2 O3 含量為總含量的0.1重量%或0.1重量%以上且1重量%或1重量%以下，可有效展現上述功能。當Al2 O3 含量超過1重量%時，反而容易出現由微失玻化引起的混濁。
Li2 O為主要展現降低玻璃轉移溫度Tg之作用的組分。然而，過量的添加量緊跟著是折射率降低以及液相溫度L.T增加，且玻璃易於因玻璃製造過程中之結晶而失玻化。Li2 O之含量較佳為2重量%或2重量%以上且3.5重量%或3.5重量%以下。
BaO展現在獲得高折射率以及低分散性之光學常數時穩定玻璃結構之作用。此外，藉由添加Ba(NO3 )2 形式的原料，在玻璃製造時由自原料消除之氣泡亦可預期消泡作用(defoaming effect)。然而，當添加大量BaO時，相反會增加液相溫度L.T，因此，玻璃容易由於玻璃製造過程中之結晶而失玻化。因此，為獲得所要光學特徵，BaO含量較佳為1重量%或1重量%以上且4重量%或4重量%以下。
CaO具有在獲得高折射率以及低分散性之光學常數時穩定玻璃結構之極大作用。然而，當添加大量CaO時，相反會增加液相溫度L.T，因此，玻璃容易由於玻璃製造過程中之結晶而失玻化。因此，CaO之含量較佳為10重量%或10重量%以上且20重量%或20重量%以下。
ZnO展現提高玻璃溶解度之功能。藉由使所述含量為0.5重量%或0.5重量%以上，可改良溶解度。此外，藉由使所述含量為6重量%或6重量%以下可容易地實現高折射率(例如d線折射率nd大致為1.68至1.70)。因此，ZnO之含量較佳為0.5重量%或0.5重量%以上且6重量%或6重量%以下。
La2 O3 為能夠獲得提高光學玻璃之折射率且同時減小分散性(亦即增加阿貝數)之作用的組分。22重量%或22重量%以上之含量可足以展現所述作用。然而，當添加過量La2 O3 時，會難以使玻璃轉移溫度Tg降低至570℃或570℃以下，且因此其含量較佳為30重量%或30重量%以下。因此，La2 O3 之含量較佳為22重量%或22重量%以上且30重量%或30重量%以下。
Gd2 O3 為類似於La2 O3 ，產生提高光學玻璃之折射率且同時減小分散性(亦即增加阿貝數)之作用的組分。為了獲得所述作用，必需含有至少0.5重量%或0.5重量%以上之Gd2 O3 。然而，當含量超過7重量%時，液相溫度L.T增加，因此，玻璃容易由於玻璃製造過程中之結晶而失玻化。因此，Gd2 O3 之含量較佳為0.5重量%或0.5重量%以上且7重量%或7重量%以下。
Y2 O3 亦為提高折射率且減小分散性(增加阿貝數)之組分。藉由使Y2 O3 含量為總含量的5重量%或5重量%以上可足以展現所述作用。然而，當添加過量Y2 O3 時，液相溫度L.T增加，因此，玻璃容易由於玻璃製造過程中之結晶而失玻化。因此，Y2 O3 之含量較佳為5重量%或5重量%以上且11重量%或11重量%以下。
光學玻璃可更含有氧化鈉(Na2 O)、氧化鉀(K2 O)、氧化鍶(SrO)、氧化鋯(ZrO2 )、氧化鈮(Nb2 O5 )、氧化鎢(WO3 )以及氧化銻(Sb2 O3 )中之至少任一者作為視情況選用之組分。
Na2 O以及K2 O為類似於Li2 O主要展現降低玻璃轉移溫度Tg之作用的組分，其可作為視情況選用之組分添加。考慮到調整光學常數以及Li2 O之替代，其含量較佳為0重量%或0重量%以上且3重量%或3重量%以下。
SrO類似於BaO以及CaO具有在獲得高折射率以及低分散性之光學常數時改良失玻化抗性之作用，且可作為視情況選用之組分替代BaO以及CaO。為獲得所要光學特徵，SrO含量較佳為0重量%或0重量%以上且5重量%或5重量%以下。
ZrO2 為進一步改良折射率之組分。然而，過量的添加緊跟著是失玻化抗性劣化。其添加量較佳為0重量%或0重量%以上且4重量%或4重量%以下。
Nb2 O5 為獲得高折射率之有效組分。藉由使Nb2 O5 含量為總含量的3重量%或3重量%以下可容易地獲得良好溶解度。
WO3 亦為獲得高折射率之有效組分。藉由使WO3 含量為總含量的3重量%或3重量%以下可容易地獲得良好溶解度。
Sb2 O3 為具有消泡功能以及脫色功能之組分。Sb2 O3 含量較佳為0重量%或0重量%以上且1重量%或1重量%以下，更佳為0.05重量%或0.05重量%以上且1.0重量%或1.0重量%以下，甚至更佳為0.05重量%或0.05重量%以上且0.5重量%或0.5重量%以下，甚至更佳為0.05重量%或0.05重量%以上且0.3重量%或0.3重量%以下。
光學玻璃可例如如下製造。特定言之，首先，藉由以特定比率混合上文所述之各構成組分的原料粉末來獲得混合原料。其次，將特定量之混合原料置於在約1,100℃至1,350℃下加熱之坩堝中，且在維持坩堝中之溫度時依序熔融(熔融處理)。此外，在維持坩堝中之溫度時，對熔融之混合原料進行特定時間之攪拌(攪拌處理)，接著藉由維持定態(stationary state)來移除氣泡(澄清處理)。最終，在維持坩堝中之溫度時，使玻璃自坩堝流出，在先前於特定溫度下加熱之模具中鑄造，且逐漸冷卻以獲得例示性實施例之光學玻璃。
此外，當使用所述光學玻璃形成透鏡時，方法如下。首先，藉由壓製呈符合光學裝置尺寸以及形狀之所要尺寸以及形狀的光學玻璃來形成預形體以供加壓模製光學玻璃。接著，將預形體插入高度精密加工型金屬模具中以供加壓模製。此時，在使模具以及預形體兩者的溫度升至接近預形體之變形溫度之後進行增壓，接著在維持增壓狀態時，使溫度降至玻璃轉移溫度或更低。在自金屬模具取出加壓模製之透鏡後，視需要進行諸如退火之特定加工，藉此完成透鏡之製造。
如所描述，根據例示性實施例之光學玻璃，藉由含有特定量之上述各組分之構造可保證高折射率以及低分散性，且同時可設法降低變形溫度(以及玻璃轉移溫度)。特定言之，舉例而言，在保證d線折射率nd高達1.68至1.70且阿貝數νd超過54時，將玻璃轉移溫度Tg抑制至570℃或570℃以下是可能的。此外，甚至當在接近玻璃變形溫度Ts之溫度下進行加壓模製時，亦難出現由微失玻化引起的混濁。此外，因為液相溫度L.T被抑制至990℃或990℃以下，所以玻璃製造過程中難以發生由結晶引起的失玻化，且可獲得優異的批量生產力。此外，可藉由添加Sb2 O3 來避免實際受阻的著色以及氣泡污染。
因此，可較有效地由所述光學玻璃製造具有良好光學特徵之模製透鏡。此外，因為可降低施加至用於加壓模製光學玻璃之金屬模具的熱負荷，鑒於延長金屬模具之壽命，使用本發明之光學玻璃是有利的。此外，因為本發明之光學玻璃不含有害環境的物質，諸如砷(As)、鉛(Pb)以及碲(Te)，所以考慮到環境保護，其亦為較佳。
實例
本發明光學玻璃之特定實例如下所述。
表1以及表2顯示作為本發明實例之構成光學玻璃(實例1至12)的組分以及各組分之含量(重量%)。此外，實例1至12之光學玻璃的多個特徵值顯示於表1以及表2中。特定言之，顯示d線折射率nd、阿貝數νd、玻璃轉移溫度Tg(℃)、變形溫度Ts(℃)、液相溫度L.T(℃)以及加壓模製中出現混濁之難度(hardness to be cloudy)。
<出現混濁之難度的評估測試>
以聚光燈(condensing lamp)之光照射透鏡1至12中之每一者，且根據以下準則依據表面反射率評估出現混濁之難度。在傳輸光之區域中具有視覺上不可確認之混濁的樣品評為「A」等級。在傳輸光之區域中具有視覺上可確認之混濁的樣品評為「B」等級。
實例1至12之光學玻璃中之每一者含有如下文所示之特定含量之SiO2 、B2 O3 、Al2 O3 、Li2 O、BaO、CaO、ZnO、La2 O3 、Gd2 O3 以及Y2 O3 ，各以重量百分比為單位。
SiO2 ：10%或10%以上且17%或17%以下
B2 O3 ：23%或23%以上且30%或30%以下
Al2 O3 ：0.1%或0.1%以上且1%或1%以下
Li2 O：2%或2%以上且3.5%或3.5%以下
BaO：1%或1%以上且4%或4%以下
CaO：10%或10%以上且20%或20%以下
ZnO：0.5%或0.5%以上且6%或6%以下
La2 O3 ：22%或22%以上且30%或30%以下
Gd2 O3 ：0.5%或0.5%以上且7%或7%以下
Y2 O3 ：5%或5%以上且11%或11%以下
此外，實例7至12之光學玻璃中之每一者含有Na2 O、K2 O、SrO、ZrO2 、Nb2 O5 以及WO3 中之至少任一者。以重量百分比為單位之各組分之含量如下。
Na2 O：1.5%
K2 O：1.5%
SrO：4%
ZrO2 ：3%
Nb2 O5 ：2%
WO3 ：2%
實例1至12之光學玻璃中之每一者含有1重量%或1重量%以下之Sb2 O3 。
實例1至12之光學玻璃中之任一者均滿足上述條件表達式(1)以及(2)。
由表1以及表2中所示之多個數值資料顯而易見，在實例1至12中，保證高達1.68至1.70之折射率nd以及超過54之高阿貝數νd，且獲得低於570℃之玻璃轉移溫度Tg。此外，確認甚至當將玻璃保持於加壓模製溫度區域中時亦難以產生由微失玻化引起之混濁，將液相溫度L.T抑制至990℃或990℃以下，玻璃未因玻璃製造過程中之結晶而玻化，且批量生產力優異。
根據這些結果，由例示性實施例之組分組成的光學玻璃在折射率nd、阿貝數νd以及玻璃轉移溫度Tg之平衡方面極其優異，且此外，加壓模製中由微失玻化引起之混濁很難出現。此外，本發明之光學玻璃在玻璃製造過程之批量生產力方面優異。亦即，確認例示性實施例之光學玻璃的批量生產力優異，可在相對低溫下高度精密地加壓模製所述光學玻璃，且所述光學玻璃較佳用作具有高光學效能之透鏡的材料。
已參考例示性實施例以及實例描述了本發明，但本發明決不受限於此，且可作出多種修正。舉例而言，光學玻璃之組分不限於上文實例中所示之值且可採用其他值。

Claims (2)

  1. 一種光學玻璃，包括：10重量%或10重量%以上且17重量%或17重量%以下之SiO2 ；23重量%或23重量%以上且30重量%或30重量%以下之B2 O3 ；0.1重量%或0.1重量%以上且1重量%或1重量%以下之Al2 O3 ；2重量%或2重量%以上且3.5重量%或3.5重量%以下之Li2 O；1重量%或1重量%以上且4重量%或4重量%以下之BaO；10重量%或10重量%以上且20重量%或20重量%以下之CaO；0.5重量%或0.5重量%以上且6重量%或6重量%以下之ZnO；22重量%或22重量%以上且30重量%或30重量%以下之La2 O3 ；0.5重量%或0.5重量%以上且7重量%或7重量%以下之Gd2 O3 ；以及5重量%或5重量%以上且11重量%或11重量%以下之Y2 O3 ，其中所述光學玻璃滿足以下條件表達式(1)以及(2)，0.35<A/B<0.70...　(1)0.80<C/D<1.0...　(2)其中A為以重量%為單位之SiO2 含量，B為以重量%為單位之B2 O3 含量，C為以重量%為單位之La2 O3 、Gd2 O3 以及Y2 O3 的總含量，且D為以重量%為單位之SiO2 與B2 O3 的總含量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學玻璃，更包括Na2 O、K2 O、SrO、ZrO2 、Nb2 O5 、WO3 以及Sb2 O3 中之至少一者，其中Na2 O含量為0重量%或0重量%以上且3重量%或3重量%以下，K2 O含量為0重量%或0重量%以上且3重量%或3重量%以下，SrO含量為0重量%或0重量%以上且5重量%或5重量%以下，ZrO2 含量為0重量%或0重量%以上且4重量%或4重量%以下，Nb2 O5 含量為0重量%或0重量%以上且3重量%或3重量%以下，WO3 含量為0重量%或0重量%以上且3重量%或3重量%以下，以及Sb2 O3 含量為0重量%或0重量%以上且1重量%或1重量%以下。
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