TWI493190B - A method for predicting the refractive index of a glass optical element, a method for predicting the Abbe number of a glass optical element, and a method of manufacturing the adjusted glass material - Google Patents
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Description
本發明係關於一種預測玻璃製光學元件之折射率之方法、組成經調整之玻璃素材之製造方法。
為獲得具有所需之光學性能之玻璃製光學元件,需要除較高之形狀精度外,折射率等之光學特性亦定為高精度之光學玻璃。
玻璃之光學特性取決於其組成,但即使組成完全相同,折射率亦會隨著光學元件製造時之熱歷程之變化而略微變化,其變化量會大大影響光學元件之性能。著眼於上述現象,專利文獻1、2中揭示有亦考慮到熱歷程而獲得所期望之折射率之技術。
[專利文獻1]日本專利特開2003-300738號公報
[專利文獻2]日本專利特開2007-176764號公報
藉由在壓製成形後等,施加徐冷等之熱處理,光學玻璃之折射率會發生變化。專利文獻1、2中揭示有調整玻璃組成以相對於特定之徐冷速度獲得所期望之折射率的技術。然而,有時於徐冷時,玻璃未必係以所設定之固定冷卻速度進行冷卻,從而無法掌握其係採用何種冷卻曲線。
例如,有時光學玻璃之生產者與使用有該光學玻璃之光學元件之生產者不同,此時,光學玻璃之生產者雖然可調整玻璃組成,卻無法選擇決定最終之光學元件之折射率及阿貝數之徐冷速度。另一方面,光學元件之生產者雖然可設定徐冷速度等生產光學元件之過程之熱歷程,卻無法調整玻璃組成。
如上所述之玻璃生產者與光學元件之生產者之間、或玻璃生產者與光學元件設計者之間之問題,係伴隨著光學元件之高功能化、高性能化而產生之問題。其原因在於,根據本發明者等之見解,若確定構成光學元件之玻璃之組成,則無論欲如何調整生產光學元件之過程中之徐冷速度,折射率nd與阿貝數νd僅會在將折射率nd定於一軸、將阿貝數νd定於另一軸之νd-nd平面上在唯一確定之直線上移動,而不會定為自直線偏離之座標。為同時調整折射率nd與阿貝數νd,必需藉由適當調整玻璃組成,轉變玻璃所具有之作為基準之光學特性值(例如基準折射率等),來使得以所需之徐冷速度經徐冷時獲得所期望之光學特性。然而,當玻璃之生產者所具有之關於組成之資訊與光學元件之生產者所具有之關於徐冷之資訊並不共享時,則不易進行上述組成之調整,從而難以解決問題。
上述情況已成為高效率生產具有所期望之光學特性之光學元件上之障礙。即使於無法掌握製造光學元件時係採用何種冷卻曲線之情形時,只要可準確管理形成光學元件之光學玻璃之折射率,亦可實現光學機器之高精細化、高精度化。
本發明係鑒於上述情況開發而成之發明。
具體而言,本發明之目的在於提供一種預測方法,其即便於使用有光學玻璃之光學元件之生產者與該光學玻璃之生產者不同之情形時,亦可掌握使用有光學玻璃之光學元件的生產者所實施之光學元件之生產步驟中的有效冷卻速度,預測最終獲得之光學元件之折射率及/或阿貝數。
另外,本發明之目的在於提供一種可利用上述光學元件之折射率及/或阿貝數之預測方法來提供具有所期望之折射率及/或阿貝數的光學元件之、具有經調整之組成之玻璃素材的製造方法。
用以達成上述目的之本發明如以下所述。
[1]
一種預測玻璃製光學元件之折射率之方法,該玻璃製光學元件係藉由包含對經壓製成形而獲得之玻璃製光學元件進行徐冷之步驟的玻璃製光學元件之製造方法而獲得,上述預測玻璃製光學元件之折射率之方法包含如下步驟:步驟(1),利用具有任意組成之玻璃素材即玻璃素材A,求出用於上述玻璃製光學元件之徐冷的徐冷裝置所具有之有效冷卻速度;步驟(2),針對用以實際製造玻璃製光學元件之玻璃素材B求出基準折射率,其中,玻璃素材B具有與玻璃素材A不同之組成;以及步驟(3),根據上述有效冷卻速度及基準折射率,求出藉由在與步驟(1)相同之條件下運轉之上述徐冷裝置進行徐冷而獲得之包含玻璃素材B之玻璃製光學元件的折射率。
[2]
如[1]之方法,其中有效冷卻速度係根據藉由上述徐冷裝置進行徐冷而獲得之包含玻璃素材A之玻璃製光學元件之折射率n0、針對玻璃素材A而求出之基準折射率ns、以及關於玻璃素材A之徐冷係數β而求出。
[3]
如[2]之方法,其中有效冷卻速度R0
係藉由以下之式而算出。
R0
=Rs/10Δn/β
Rs:基準徐冷速度
Δn:折射率n0-基準折射率ns
β:徐冷係數β
[4]
如[1]或[2]之方法,其中上述特定波長為d線光譜、C線光譜、F線光譜或g線光譜下之波長。
[5]
一種預測玻璃製光學元件之阿貝數之方法,該玻璃製光學元件係藉由包含對經壓製成形而獲得之玻璃製光學元件進行徐冷之步驟的玻璃製光學元件之製造方法而獲得,該預測玻璃製光學元件之阿貝數之方法包含如下步驟:步驟(11),利用具有任意組成之玻璃素材即玻璃素材A,求出用於上述玻璃製光學元件之徐冷的徐冷裝置所具有之有效冷卻速度;步驟(12),針對用以製造玻璃製光學元件之玻璃素材B,求出特定波長下之基準折射率、F線光譜下之基準折射率以及C線光譜下之基準折射率,其中,玻璃素材B具有與玻璃素材A不同之組成,上述特定波長可與F線光譜或C線光譜之波長相同,亦可不同;步驟(13),根據上述有效冷卻速度以及基準折射率,求出藉由在與步驟(11)相同之條件下運轉之上述徐冷裝置進行徐冷而獲得之包含玻璃素材B的玻璃製光學元件之特定波長下之折射率n、F線光譜下之折射率nF以及C線光譜下之折射率nC;以及步驟(14),利用上述折射率n、nF以及nC,根據以下之式求出特定波長下之阿貝數ν。
ν=(n-1)/(nF-nC)
[6]
如[5]之方法,其中上述特定波長為d線光譜、C線光譜、F線光譜或g線光譜下之波長,且根據以下之式而求出上述波長下之阿貝數ν(其中,νd為d線光譜下之阿貝數,νC為C線光譜下之阿貝數,νF為F線光譜下之阿貝數,或νg為g線光譜下之阿貝數)。
νd=(nd-1)/(nF-nC)
νC=(nC-1)/(nF-nC)
νF=(nF-1)/(nF-nC)
νg=(ng-1)/(nF-nC)
[7]
如[5]或[6]之方法,其中有效冷卻速度係根據藉由上述徐冷裝置加以徐冷而獲得之包含玻璃素材A之玻璃製光學元件之特定波長下的折射率n0、針對玻璃素材A而求出之上述波長下之基準折射率ns、關於玻璃素材A之上述波長下之徐冷係數β而求出。
[8]
如[7]之方法,其中有效冷卻速度R0
係藉由以下之式而算出。
R0
=Rs/10Δn/β
Rs:基準徐冷速度
Δn:折射率n0-基準折射率ns
β:徐冷係數β
[9]
一種組成經調整之玻璃素材之製造方法,該玻璃素材係用於藉由包含對經壓製成形而獲得之玻璃製光學元件進行徐冷之步驟的玻璃製光學元件之製造方法而獲得之玻璃製光學元件,上述玻璃素材之製造方法包含如下步驟:步驟(20),藉由如[1]至[4]中任一項之方法,預測包含具有組成X0之玻璃素材的玻璃製光學元件之折射率;步驟(21),求出上述所預測之折射率與所期望之玻璃製光學元件的折射率之差;以及步驟(22),製備具有上述折射率之差經修正之組成X1的玻璃素材。
[10]
如[9]之製造方法,其進而包含如下步驟:對藉由步驟(22)所獲得之玻璃素材實施步驟(20)而預測折射率,確認藉由步驟(22)所獲得之玻璃素材提供所期望之折射率之玻璃製光學元件。
[11]
如[9]之製造方法,其中當藉由步驟(22)所獲得之玻璃素材並非提供所期望之折射率之玻璃製光學元件者時,進而實施步驟(21)以及(22)。
[12]
一種組成經調整之玻璃素材之製造方法,該玻璃素材係用於藉由包含對經壓製成形而獲得之玻璃製光學元件進行徐冷之步驟的玻璃製光學元件之製造方法而獲得之玻璃製光學元件,上述玻璃素材之製造方法包含如下步驟:步驟(30),利用如[5]至[8]中任一項之方法,預測包含具有組成X0之玻璃素材的玻璃製光學元件之阿貝數;步驟(31),求出上述所預測之阿貝數與所期望之玻璃製光學元件的阿貝數之差;以及步驟(32),製備具有上述阿貝數之差經修正之組成X1的玻璃素材。
[13]
如[12]之製造方法,其進而包含如下步驟:對藉由步驟(32)所獲得之玻璃素材實施步驟(30)而預測阿貝數,確認藉由步驟(32)所獲得之玻璃素材提供所期望之阿貝數之玻璃製光學元件。
[14]
如[13]之製造方法,其中當藉由步驟(32)所獲得之玻璃素材並非提供所期望之阿貝數之玻璃製光學元件者時,進而實施步驟(31)以及(32)。
根據本發明,可掌握使用有光學玻璃之光學元件之生產者所實施的光學元件之生產步驟中之有效冷卻速度,預測最終獲得之光學元件之折射率及/或阿貝數。因此,即便於使用有光學玻璃之光學元件之生產者與該光學玻璃之生產者不同之情形時,只要可準確管理形成光學元件之光學玻璃之折射率,亦可實現光學機器之高精細化、高精度化。
此外,根據本發明,可提供考慮上述所掌握之有效冷卻速度而調整了組成之玻璃素材之製造方法,藉此可提供具有所期望之折射率及/或阿貝數之光學元件,從而可實現光學機器之高精細化、高精度化。
本發明之第1態樣係預測玻璃製光學元件之折射率之方法,該玻璃製光學元件係藉由包含對經壓製成形而獲得之玻璃製光學元件進行徐冷之步驟的玻璃製光學元件之製造方法而獲得。該方法包含以下之步驟(1)~(3)。
步驟(1)係利用具有任意組成之玻璃素材即玻璃素材A,求出用於上述玻璃製光學元件之徐冷的徐冷裝置所具有之有效冷卻速度之步驟。
有效冷卻速度可根據藉由上述徐冷裝置進行徐冷而獲得之包含玻璃素材A之玻璃製光學元件的特定波長下之折射率n0、針對玻璃素材A而求出之上述波長下之基準折射率ns、關於玻璃素材A之上述波長下之β值而求出。對於特定波長並無特別限制,可為例如d線光譜、C線光譜、F線光譜或g線光譜下之波長。以下,更具體地說明有效冷卻速度。以下,將d線光譜之波長作為特定波長來進行說明。
若將波長587.56 nm(d線)下之玻璃之折射率表示為nd,將波長486.13 nm(F線)下之玻璃之折射率表示為nF,將波長656.27 nm(C線)下之玻璃之折射率表示為nC,則阿貝數νd可由(1)式來定義。
νd=(nd-1)/(nF-nC) ...(1)
若將光學玻璃保持為固定溫度之後以定速冷卻,則折射率收斂為某固定值。此處,保持溫度係因玻璃而不同之固有溫度。又,以下將徐冷時之冷卻速度稱為徐冷速度。
首先,確定基準徐冷速度Rs,將Rs設為徐冷速度之1個單位(Rs=1)。任意之徐冷速度藉由與Rs之比來表示。將以基準徐冷速度對玻璃進行徐冷時之折射率nd定義為基準折射率nds。已以任意之徐冷速度R進行徐冷時之折射率nd由(2)式來記述。
nd=nds-βd×log10
R ...(2)
此處,βd係玻璃與波長所固有之常數,稱為波長587.56 nm下之徐冷係數。
若將作為對象之光學元件之折射率nd設為nd0,則用以獲得nd0之徐冷速度R0
與nd0之關係為
nd0=nds-βd×log10
R0
...(3)。
根據(2)、(3)式,偏差量Δnd為
Δnd=nd0-nds
=-βd×(log10
R0
-log10
Rs)
=-βd×log10
R0
...(4)。
因此,有效冷卻速度可利用Δnd以及關於玻璃素材A之d線下之β值(βd),藉由以下之式而求出,上述Δnd係根據藉由徐冷裝置進行徐冷而獲得之包含玻璃素材A之玻璃製光學元件之折射率nd0與針對玻璃素材A而求出之基準折射率nds而獲得。
R0
=10-Δnd/βd
...(5)
有效冷卻速度R0
係藉由以下之式而算出。
R0
=Rs/10Δnd/βd
Rs:基準徐冷速度
Δnd:折射率nd0-基準折射率nds
βd:d線下之徐冷係數β
以上之計算方法係根據將特定波長設為d線時之折射率、基準折射率、徐冷係數β值計算有效冷卻速度之示例。但是,亦可根據d線以外之特定波長下之折射率、基準折射率、徐冷係數β值計算有效冷卻速度。並且,其結果與根據d線下之折射率、基準折射率、徐冷係數β值而算出之值相一致。
有效冷卻速度R0
可如下定義。
若將玻璃轉移溫度Tg附近之溫度設為溫度T[℃],則通常之徐冷速度係根據自T[℃]降至(T-100)℃所需之時間,作為每單位時間多少℃而計算。但是,對於實際之玻璃,有時並不知道是否係以該固定速度進行冷卻(溫度越高冷卻速度越大,冷卻速度隨著溫度之降低而減少等),因此自玻璃之冷卻或者徐冷過程中之折射率變化之角度考慮,將可視為以該速度固定地冷卻之冷卻速度作為有效冷卻速度。
再者,基準折射率ns可定義為於特定之徐冷條件下求出之折射率,所謂特定之徐冷條件,係指例如以-0.5~-50℃/小時之範圍之徐冷速度,將包含該玻璃素材之樣片自(Tg-30℃)以上且(Tg+10℃)以下之範圍內之任一溫度冷卻至低至少100℃之溫度之後,恢復至室溫(其後之至室溫之冷卻速度對樣片之折射率無實質影響,因此為任意),將於該條件下獲得之上述樣片所具有之折射率定義為基準折射率ns。將求出該基準折射率時所利用之冷卻速度稱為基準冷卻速度。特定之徐冷條件中之徐冷速度之絕對值理論上亦可設為未滿0.5℃/小時,但若徐冷速度變慢,則測定基準折射率需要過長之時間,因此徐冷速度之絕對值之下限較好的是設為0.5℃/小時,更好的是設為1℃/小時。又,若將徐冷速度設為超過-50℃/小時之速度加以急冷,則有時會產生玻璃內部之應變增大等之問題。因此,徐冷速度之絕對值之上限較好的是設為50℃/小時,更好的是40℃/小時,進而更好的是35℃/小時。為方便起見,特定徐冷條件下之徐冷速度較好的是設為-1℃/小時,當徐冷速度為-1℃/小時之情形時,基準徐冷速度為1,上述式(2)成立。當徐冷速度為-1℃/小時以外之情形時,基準徐冷速度大於或小於1,需要加上特定之係數進行調整。
上述基準徐冷速度可針對各個玻璃個別地或單獨地進行定義,亦可針對全部或一定群組內之玻璃規定共通之基準徐冷速度。
徐冷係數β係關於相對於冷卻速度或者徐冷速度之折射率之變化量的上述玻璃素材所特有之物性值。徐冷係數β可針對包括同一玻璃素材之樣片,就至少兩個不同之徐冷速度、較好的是至少三個不同之徐冷速度測定以上述特定冷卻條件徐冷後之折射率,利用該值而求出。具體而言,參考例1中揭示有求法之具體例。
上述式(5)若換個角度來看,則意味著當欲將折射率nd較基準折射率nds改變僅Δnd之情形時,將徐冷速度設為如上述(5)所示根據Δnd與β值(βd)而算出之值即可。
例如,若將-30℃/小時設為基準徐冷速度Rs,則欲將折射率nd改變僅Δnd之情形時,以將-30℃/小時乘以上述R0
而得之徐冷速度進行徐冷即可。
徐冷係數與折射率同樣地採用因波長而不同之值(其中,以有效數字表示時,有時成為相同值)。因此,若如將d線光譜下之折射率記為nd,C線光譜下之折射率記為nC,F線光譜下之折射率記為nF,g線光譜下之折射率記為ng般,將徐冷係數亦記為βd、βC、βF、βg,則以下之關係成立。
nd=nds-βd×log10
R
nC=nCs-βC×log10
R
nF=nFs-βF×log10
R
ng=ngs-βg×log10
R
步驟(1)中求出有效冷卻速度所使用之玻璃素材A為具有任意組成之玻璃素材,對於組成等並無特別限制。
又,對於求出有效冷卻速度所使用之玻璃素材A之形狀或尺寸亦無特別限制,但較理想的是使用與欲生產之光學元件之形狀或尺寸相等者。
步驟(1)中,若使用玻璃素材A,預先求出用於玻璃製光學元件之徐冷的徐冷裝置所具有之有效冷卻速度,則其後,對於使用相同徐冷裝置在同樣之條件下實施之徐冷,可使用上述所求出之有效冷卻速度。關於該方面將於後文說明。
步驟(2)係針對用以實際製造玻璃製光學元件之玻璃素材B求出基準折射率之步驟。當用以實際製造玻璃製光學元件之玻璃素材為玻璃素材A之情形時,藉由上述步驟(1)而獲得之折射率n0為玻璃製光學元件之折射率。
對此,於本發明中,係針對包含具有與玻璃素材A不同之組成之玻璃素材B的玻璃製光學元件,求出(預測)附以使用相同徐冷裝置在同樣條件下實施之徐冷之情形時所獲得之折射率。因此於步驟(2)中,針對玻璃素材B求出基準折射率。基準折射率之求法與步驟(1)中所說明者相同。
步驟(3)係根據上述(1)中所獲得之有效冷卻速度以及步驟(2)中所獲得之基準折射率,求出藉由在與步驟(1)相同之條件下運轉之上述徐冷裝置進行徐冷而獲得之包含玻璃素材B之光學元件的折射率之步驟,包含玻璃素材B之光學元件之折射率可藉由以下之式而算出。
若將玻璃B之各波長(d線、C線、F線、g線)下之基準折射率設為nds(B)、nCs(B)、nFs(B)、nds(B),將上述各波長下之徐冷係數β值設為βd(B)、βC(B)、βF(B)、βg(B),將有效冷卻速度設為R,則
nd(B)=nds(B)-βd(B)×log10
R
nC(B)=nCs(B)-βC(B)×log10
R
nF(B)=nFs(B)-βF(B)×log10
R
ng(B)=ngs(B)-βg(B)×log10
R。
當步驟(3)中所獲得之包含玻璃素材B之玻璃製光學元件之折射率為所期望之折射率之情形時,可使用該玻璃素材B製造玻璃製光學元件。但是,當步驟(3)中所獲得之包含玻璃素材B之玻璃製光學元件之折射率並非所期望之折射率之情形時,則根據該結果變更玻璃素材B之組成,製備能夠製造具有所期望之折射率之玻璃製光學元件的玻璃素材C。關於該方面,將於本發明之第3態樣中進行說明。
本發明之第2態樣係預測玻璃製光學元件之阿貝數之方法,該玻璃製光學元件係藉由包含對經壓製成形而獲得之玻璃製光學元件進行徐冷之步驟的玻璃製光學元件之製造方法而獲得。該方法包含以下之步驟(11)~(14)。
步驟(11)係利用具有任意組成之玻璃素材A求出上述用於玻璃製光學元件之徐冷的徐冷裝置所具有之有效冷卻速度之步驟。該步驟可與上述本發明之折射率預測方法中之步驟(1)同樣地實施。
步驟(12)係針對用以製造玻璃製光學元件之玻璃素材B,求出特定波長下之基準折射率、F線光譜下之基準折射率以及C線光譜下之基準折射率之步驟。其中,玻璃素材B具有與玻璃素材A不同之組成。另外,上述特定波長可與F線光譜或C線光譜之波長相同,亦可為不同。上述特定波長可為例如d線光譜、C線光譜、F線光譜或g線光譜下之波長。關於玻璃素材B之特定波長下之基準折射率、F線光譜下之基準折射率以及C線光譜下之基準折射率可參照上述本發明之折射率預測方法中之步驟(1)以及(2)之說明來實施。
步驟(13)係根據步驟(11)中所求出之有效冷卻速度以及步驟(12)中所求出之特定波長下之基準折射率,求出藉由在與步驟(11)相同之條件下運轉之徐冷裝置進行徐冷而獲得之包含玻璃素材B之玻璃製光學元件之特定波長下之折射率n、F線光譜下之折射率nF以及C線光譜下之折射率nC之步驟。如前所述,當特定波長為d線光譜之波長之情形時,nd、nF以及nC分別由以下之式來表示。
nd=nds-βd×log10
R
nC=nCs-βC×log10
R
nF=nFs-βF×log10
R
步驟(14)係利用上述折射率n、nF以及nC,根據以下之式求出特定波長下之阿貝數ν之步驟。
ν=(n-1)/(nF-nC)
上述特定波長可為例如d線光譜、C線光譜、F線光譜或g線光譜下之波長,上述波長下之阿貝數ν可分別根據以下之式而求出。其中,νd為d線光譜下之阿貝數,νC為C線光譜下之阿貝數,νF為F線光譜下之阿貝數,且νg為g線光譜下之阿貝數。
νd=(nd-1)/(nF-nC)
νC=(nC-1)/(nF-nC)
νF=(nF-1)/(nF-nC)
νg=(ng-1)/(nF-nC)
當將攝像光學系統、投射光學系統等複數個光學元件加以組合,設計修正色像差(chromatic aberration)等之光學系統之情形時,必需將阿貝數與所使用之光學玻璃之折射率一併考慮。
若以阿貝數νd為例,則如上所述,νd表示為
νd=(nd-1)/(nF-nC) …(1)。
根據玻璃之熱歷程之變化,不僅折射率nd,而且折射率nC、nF亦會發生稍許變化,因此難以獲得所期望之nd,並且νd亦難以設為所期望之值。其原因在於,即使僅藉由控制徐冷速度而將nd設為所期望之值,nC或nF亦不會成為所期望之值,結果將導致νd亦與所期望之值偏離。
上述之專利文獻1、2雖然揭示有調整玻璃組成以相對於所期望之徐冷速度獲得所期望之折射率,但是並未揭示精密地控制多波長下之各折射率、或控制阿貝數之方法。
更詳細地說明阿貝數νd根據徐冷速度而如何變化。
若將以基準徐冷速度進行徐冷時之折射率nC、nF分別設為基準折射率nCs、nFs,則基準阿貝數νds為
νds=(nds-1)/(nFs-nCs) …(6)。
又,若將徐冷速度設為R0
進行徐冷之情形時之折射率nC、nF、阿貝數νd分別設為nC0、nF0、νd0,則為
νd0=(nd0-1)/(nF0-nC0) …(7)。
若表示nC0、nF0與徐冷速度R0
之關係,則為
nC0=nCs-βC×log10
R0
…(8)
nF0=nFs-βF×log10
R0
…(9)。
βC為波長656.27 nm下之徐冷係數,βF為波長486.13 nm下之徐冷係數,βC、βF均與βd相同,為玻璃所固有之常數,且採用互不相同之數值。
相對於基準折射率nCs、nFs之nC0、nF0之各偏差量為:
ΔnC=-βC×log10
R0
...(10)
ΔnF=-βF×log10
R0
...(11)。
根據(4)式、(10)、(11)式,上述各偏差量變為:
ΔnC=Δnd×βC/βd ...(12)
ΔnF=Δnd×βF/βd ...(13)。
nd0=nds+Δnd ...(14)
nC0=nCs+ΔnC ...(15)
nF0=nFs+ΔnF ...(16)
根據上述(14)~(16)式以及(7)式、(12)式、(13)式,變為vd0=(nd0-1)/(nF0-nC0)
=(nds+Δnd-1)/((nFs+ΔnF)-(nCs+ΔnC))
=(nds+Δnd-1)/((nFs-nCs)+(ΔnF-ΔnC))
=(nds+Δnd-1)/((nFs-nCs)+Δnd×(βF-βC)/βd)
...(17)。
若設(βF-βC)/βd=K ...(18),
將(17)式之右邊之分母、分子分別除以nFs-nCs,則
vd0=[{(nds-1)+Δnd}/(nFs-nCs)}]/[1+{Δnd×K/(nFs-nCs)}]
=[vds+{Δnd/(nFs-nCs)}]/[1+{Δnd×K/(nFs-nCs)}]
...(19)。
若將(19)式之右邊之分母、分子分別乘以1-{Δnd×K/(nFs-nCs)},則
νd0=[νds+(1-K×νds)×a-K×a2
]/[1-K2
×a2
]
...(20)。
其中已設
a=Δnd/(nFs-nCs) ...(21)。
此處,由於a<<1,故而(20)式變為
νd0≒νds+(1-K×νds)×a
=νds+(1-K×νds)×Δnd/(nFs-nCs) ...(22)。
阿貝數νd之偏差量Δνd為
Δνd=νd0-νds
≒(1-K×νds)×Δnd/(nFs-nCs) ...(23)。
由於nFs、nCs、νds、K為固有之值,故而(23)式中可調整νd0之參數僅為Δnd。因此,若Δnd確定,則Δνd亦確定為唯一,從而沒有用以調整Δνd之自由度。
即,於將橫軸設為Δνd、縱軸設為Δnd之 Δνd-Δnd平面中,特定玻璃之相關座標(Δνd,Δnd)係藉由使徐冷速度變化而近似地於直線上移動。
若將玻璃B之各波長(d線、C線、F線、g線)下之基準折射率設為nds(B)、nCs(B)、nFs(B)、ng(B),將上述各波長下之徐冷係數β值設為βd(B)、βC(B)、βF(B)、βg(B),將有效冷卻速度設為R,則
nd(B)=nds(B)-βd(B)×log10
R
nC(B)=nCs(B)-βC(B)×log10
R
nF(B)=nFs(B)-βF(B)×log10
R
ng(B)=ngs(B)-βg(B)×log10
R,
根據該等之式以及下述之式
νd(B)=(nd(B)-1)/(nF(B)-nC(B))
νC(B)=(nC(B)-1)/(nF(B)-nC(B))
νF(B)=(nF(B)-1)/(nF(B)-nC(B))
νg(B)=(ng(B)-1)/(nF(B)-nC(B)),
可算出阿貝數νd(B)、νC(B)、νF(B)、νg(B)。
當步驟(14)中所獲得之包含玻璃素材B之玻璃製光學元件之阿貝數為所期望之阿貝數之情形時,可使用該玻璃素材B製造玻璃製光學元件。但是,當步驟(14)中所獲得之包含玻璃素材B之玻璃製光學元件之阿貝數並非所期望之阿貝數之情形時,則根據該結果變更玻璃素材B之組成,製備能夠製造具有所期望之阿貝數之玻璃製光學元件的玻璃素材C。關於該方面,將於本發明之第4態樣中進行說明。
本發明之第3態樣係組成經調整之玻璃素材之製造方法(其一),該玻璃素材係用於藉由包含對經壓製成形而獲得之玻璃製光學元件進行徐冷之步驟的玻璃製光學元件之製造方法而獲得之玻璃製光學元件中。該方法包含以下之步驟(20)~(22)。
步驟(20)係藉由上述本發明之方法,預測包含具有組成X0之玻璃素材的玻璃製光學元件之折射率之步驟。該步驟可藉由將具有組成X0之玻璃素材作為玻璃素材B實施上述本發明之第1態樣,來預測包含具有組成X0之玻璃素材的玻璃製光學元件之折射率。
步驟(21)係求出步驟(20)中所預測之折射率與所期望之玻璃製光學元件的折射率之差的步驟。可使用前述之式(4)而求出。
步驟(22)係製備具有上述折射率之差經修正之組成X1的玻璃素材之步驟。
於該步驟中,藉由調整玻璃組成而修正折射率之差,製備具有修正後之組成X1之玻璃素材。藉由調整玻璃組成而進行之折射率差之修正係針對具有組成X1之玻璃素材,掌握該玻璃組成中之各成分對折射率之影響(例如,使折射率提高之成分、使折射率降低之成分、或者對折射率幾乎無影響之成分),在此之上,考慮折射率以外之光線透射率性能等玻璃之相關特性來實施。
製備具有折射率之差經修正之組成X1的玻璃素材,針對該玻璃素材,實施步驟(20)而預測折射率。若所預測之折射率與所期望之玻璃製光學元件之折射率相一致或者處於特定之容許範圍內,則將具有該組成X1之玻璃素材作為組成經調整之玻璃素材。以後,可利用特定之玻璃原料製備具有該組成之玻璃素材,用於玻璃製光學元件之製備。
當針對具有組成X1之玻璃素材所預測之折射率相對於所期望之玻璃製光學元件之折射率並未處於特定之容許範圍內時,重複步驟(20)、(21)以及(22),直至獲得具有與所期望之玻璃製光學元件之折射率相一致或者處於特定容許範圍內之折射率的玻璃素材為止。
利用本發明,光學元件之生產者即透鏡製造者可根據βd、βC、βF、βg,基準折射率nds、nCs、nFs、ngs及基準徐冷速度,使用光學元件製造者內之製程中之徐冷速度,算出用以獲得所期望之折射率、阿貝數之透鏡之玻璃素材所應具備之基準折射率nds、nCs、nFs、ngs,並根據其結果,將基準折射率之調整反饋至玻璃素材之生產者即玻璃製造者。另一方面,玻璃製造者藉由對玻璃組成進行微調整而提供光學元件製造者所要求之玻璃素材,使用該素材,光學元件製造者可生產作為對象之透鏡。
本發明之第4態樣係組成經調整之玻璃素材之製造方法(其二),該玻璃素材係用於藉由包含對經壓製成形而獲得之玻璃製光學元件進行徐冷之步驟的玻璃製光學元件之製造方法而獲得之玻璃製光學元件中。該方法包含以下之步驟(30)~(32)。
步驟(30)係藉由上述本發明之方法,預測包含具有組成X0之玻璃素材的玻璃製光學元件之阿貝數的步驟。
步驟(31)係求出上述所預測之阿貝數與所期望之玻璃製光學元件之阿貝數之差的步驟。
步驟(32)係製備具有上述阿貝數之差經修正之組成X1的玻璃素材之步驟。
本發明之第4態樣可藉由將本發明之第3態樣中之折射率替換成阿貝數,以同樣方式實施。其中,為將折射率以及阿貝數同時調整為所期望值,只要例如如下所述即可。以下說明折射率以及阿貝數為nd以及νd之情形。
於上述製程中,(A)~(C)、(F)可由光學元件之生產者進行,(D)、(E)可由玻璃素材之生產者進行。另外,為了光學元件之生產者進行(B)、(C),僅自玻璃素材之生產者獲得基準折射率(例如,用以算出阿貝數之不同之3波長下之基準折射率)、基準徐冷速度之相關資料並不充分,此外亦獲知徐冷係數(例如上述3波長下之各徐冷係數)之相關資料,藉此可算出Δnd、Δνd。徐冷係數之算出方法將於參考例1中詳述。
於本發明中,自使阿貝數等之光學特性符合所期望值之方面而言,基準折射率、徐冷係數較理想的是設為複數個波長下之值之集合。具體而言,自可同時調整Δnd、Δνd之角度而言,較好的是除關於d線之徐冷係數β值、基準折射率ns值及基準阿貝數νs值以外,亦包含C線、F線之至少兩種波長下之徐冷係數β值、基準折射率ns值及基準阿貝數νs值。
此外,除提供與上述波長為d線、C線、F線、g線之各光譜線之波長相對應之物性值以外,亦提供其他波長之相關基準折射率、徐冷係數及基準阿貝數。藉此,光學元件之生產者可掌握必要之波長之折射率之舉動,因此可獲得所期望之光學性能。
藉由提供關於g線之徐冷係數β值、基準折射率ns值及基準阿貝數νs值作為物性值,亦存在以下之優點。
近幾年來,於相機等光學機器之業界,高精度化、高精細化、緊湊化正在發展。為因應高精度化、高精細化、緊湊化之要求,必需於光學系統中消除或者儘量降低像差。若實際製造出之光學元件之折射率與設計時之折射率相背離,則會產生無法獲得所期望之光學性能之可能。光學玻璃之折射率、分散呈現出波段越短變化越急遽之傾向。因此,於製造光學元件之方面,不僅必需控制折射率nd、構成阿貝數νd之nd、nC、nF,而且必需控制處於更短波段之折射率ng。
此外,於攝像裝置中,於獲得圖像之良好的色彩平衡之方面,對於可見光範圍之短波長光亦希望充分確保入射至影像感測器之受光面之光量,因此對於短波長光亦需要將光學系統之設計最佳化。自上述方面而言,亦需要折射率ng經控制之光學元件或成為光學元件之材料之光學玻璃素材。
於製造光學元件之方面,為管理nC、nd、nF、ng之舉動,可藉由使用徐冷係數βC、βd、βF、βg,算出相對於冷卻速度之nC、nd、nF、ng之變化量。
再者,作為玻璃製光學元件,可例示透鏡、稜鏡等。並且,對所使用之玻璃之組成並無特別限定,可例示硼矽酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、氟磷酸鹽玻璃等。
以下藉由實施例更詳細地說明本發明。
將玻璃A加工成3個長30 mm×寬20 mm×厚15 mm之大小作為試片。
將3個玻璃A之試片加熱至玻璃轉移溫度以上之後,分別以-1℃/小時、-3℃/小時、-10℃/小時之冷卻速度進行冷卻,降溫至室溫之後,測定折射率。表1中表示各冷卻速度下波長587.56 nm下之折射率nd之測定值。該等之值亦顯示於圖1。
[表1]
若將橫軸設為冷卻速度之常用對數,將縱軸設為nd值,將表1中所示之測定結果作圖,則如圖1所示,各點位於直線上。
由於將基準徐冷速度設為Rs、基準折射率設為nds、以徐冷速度R0
進行徐冷時之折射率nd0為
nd0=nds-βd×log10
(R0
/Rs) ...(A),
因此若以圖1中之直線成為(A)式之方式藉由最小平方法進行擬合,則βd求出為129.2×10-5
。
將藉由相同之方法而測定之各波長之徐冷係數示於表2中。
[表2]
(各光譜線之波長為ISO 7944所記載之參考基準波長以及JOGIS(Japanese Optical Glass Industrial Standard,日本光學玻璃工業標準)之光學玻璃之折射率之測定方法所記載之波長)
各波長下之徐冷係數為表2所示之值,具有充分之精度,但亦可如下所示般提高精度。
圖2係將橫軸設為波長(nm),縱軸設為徐冷係數,將表2所示之資料作圖而成者。
圖2中,徐冷係數與波長之關係近似於直線。若利用各作圖之資料,藉由最小平方法,將上述直線擬合,則
徐冷係數=(0.0107nm-1
×波長[nm]+123.03)×10-5
。
將C線、d線、F線、g線之各波長代入至上式,計算各波長下之徐冷係數βC、βd、βF、βg。將計算結果示於表3中。
[表3]
如上所述般,求出玻璃A之徐冷係數。
將組成不同之兩種玻璃A及玻璃B並列配置於可精密設定徐冷速度之徐冷爐中,進行熱處理。其中,選擇組成各不相同之玻璃A與玻璃B,以使玻璃A與玻璃B之徐冷係數為不同值。將以冷卻速度-1℃/小時(基準徐冷速度)進行冷卻時之玻璃A及玻璃B之折射率示於表4中。
[表4]
又,將玻璃A及玻璃B之各波長下之徐冷係數示於表5。再者,徐冷係數係以與參考例1之表3同樣之方式求出。
[表5]
再者,即便使用以與參考例1之表2同樣之方式求出之徐冷係數,以下操作亦可同樣實施。
其次,變更上述徐冷爐之徐冷條件,以如下所述之方式求出該徐冷條件中之徐冷速度。徐冷條件變更後之徐冷爐之有效冷卻速度設為未知量,根據上述表5所示之已知之β值與折射率之測定值,透過實驗求出該未知之有效冷卻速度。測定以與上述冷卻速度(-1℃/小時)不同之速度(未知之有效冷卻速度)徐冷後之玻璃A之各波長下之折射率。將所獲得之結果示於表6中。
[表6]
於各波長下,表6所示之折射率與表4所示之基準折射率之差異如表7所示。
[表7]
其次,根據玻璃A中表5所示之徐冷係數之值以及表7之值,求出有效冷卻速度R0
。當將基準徐冷速度Rs設為-1℃/小時時,由於
Δnd=-βd×(log10
R0
-log10
Rs)
=βd×log10
(Rs/R0
),
因此,
Δnd/βd=log10
(Rs/R0
)
Rs/R0
=10Δnd/βd
R0
=Rs/10Δnd/βd
,
若將上述各值代入至Rs、Δnd、βd之各個,則R0
求出為-112℃/小時。該值為包含玻璃A之上述試片之有效冷卻速度。
其次,使用包含具有與玻璃A不同之組成的玻璃B之試片,進行揭示可利用有效冷卻速度掌握折射率變動之驗證實驗。
利用表4所示之以冷卻速度-1℃/小時冷卻之情形時玻璃B之折射率以及表5所示之徐冷係數,設R0
=-112℃/小時,以如下方式算出Δnd。
Δnd=βd×log10
(Rs/R0
)
=97.1×10-5
×log10
(1/112)
=-0.00199
進而將上述Δnd之值加上nds所得之值為1.58836。
表8中表示關於玻璃B,於有效冷卻速度為112℃/小時之條件下進行熱處理(徐冷)後玻璃B之各波長下之以上述方式算出之折射率以及所實測之折射率。
[表8]
如根據表8所知,算出值與實測值高精度地相一致。如此,對徐冷係數不同之不同種類之玻璃在相同條件下進行熱處理,利用根據關於玻璃A之實驗而算出之有效冷卻速度,可高精度地算出玻璃B之折射率。
即使於如以上所述無法掌握冷卻曲線之情形時,亦可藉由利用有效冷卻速度掌握徐冷速度,來準確掌握熱處理後之玻璃之折射率之舉動。因此,可使用與上述徐冷爐不同之徐冷裝置對包含玻璃A或玻璃B之試片進行徐冷,根據徐冷前後之試片之折射率變化量而算出徐冷裝置之有效冷卻速度。
其次,使用包含玻璃B之玻璃素材,對該玻璃素材進行加熱並藉由壓製成形型加以精密壓製成形,繼而在有效冷卻速度為112℃/小時之徐冷爐內加以徐冷,製作出具有與表8之實測值相等之值nd、nC、nF、ng之非球面透鏡。
說明製備已利用β值微調整玻璃組成之玻璃素材之方法、即、將冷卻速度設為-100℃/小時時顯示表9所示之折射率nd、阿貝數νd之玻璃之組成調整方法。
[表9]
以下,進行使用有具有表10、11的特性之玻璃C之情形時之模擬。表10表示以-1℃/小時之基準徐冷速度進行徐冷之情形時之玻璃C折射率。表11表示藉由與參考例1之表3同樣之方法求出之徐冷係數。再者,即便使用以與參考例1之表2同樣之方式求出之徐冷係數,以下操作亦可同樣實施。
[表10]
[表11]
若代入βd=129.3×10-5
,Rs=1,R0
=100,則
Δnd==nd0-nds
=-βd×(log10
R0
-log10
Rs)
=βd×log10
(Rs/R0
)
Δnd=129.3×10-5
×log10
(1/100)
=-258.6×10-5
。
nd0=nds+Δnd,若代入表10所示之nds(1.69536),則nd0為1.69277。
若以同樣順序算出nC、nF、ng,則成為表12所示之值。又,νd0、νC0、νF0、νg0係使用如下關係式而求出:
νd0=(nd0-1)/(nF0-nC0)
νC0=(nC0-1)/(nF0-nC0)
νF0=(nF0-1)/(nF0-nC0)
νg0=(ng0-1)/(nF0-nC0)。
[表12]
根據表12所示之模擬結果調整玻璃C之組成。就折射率nd而言,玻璃組成顯示出如下即可:
由於1.69277(模擬值)-1.69150(所期望值)=0.00127,
因此當以-1℃/小時(基準徐冷速度)之速度冷卻時,
nd=1.69536-0.00127=1.69409。
就阿貝數νd而言,玻璃組成顯示出如下即可:
由於53.0(模擬值)-52.7(所期望值)=0.3,
因此當以-1℃/小時(基準徐冷速度)之速度冷卻時,
νd=53.4-0.3=53.1。
同樣地,玻璃組成顯示出如下即可:
νC=53.1-0.3=52.8
νF=54.1-0.3=53.8
νg=54.6-0.3=54.3。
由此可知,只要參照上述折射率以及阿貝數,以玻璃C之組成為基礎變更組成,製作於基準徐冷速度時,折射率nd為1.69409,阿貝數νd為53.1,νC為52.8,νF為53.8,νg為54.3之玻璃D即可。再者,關於組成之變更,可藉由對如下之調合原料進行加熱、熔融、澄清、均質化並加以成形,來對折射率、阿貝數進行微調整而形成為所期望之值,上述調合原料係使用折射率稍高於所期望之折射率之玻璃原料(例如玻璃屑(cullet)原料)以及折射率稍低於所期望之折射率之玻璃原料(例如玻璃屑原料),調整兩種原料之混合比(調合比)而獲得。
再者,使用包含上述各玻璃之玻璃素材進行精密壓製成形,並以上述各有效冷卻速度進行徐冷,結果成功獲得各線下之折射率、阿貝數如所預測之值的非球面透鏡。
上述各例係製作非球面透鏡作為玻璃製光學元件之示例,但球面透鏡、微透鏡、透鏡陣列、稜鏡等之玻璃製光學元件亦可同樣地製作。
本發明適用於玻璃光學元件之製造領域。
圖1係將橫軸設為冷卻速度之常用對數,將縱軸設為nd值,將表1所示之測定結果作圖之結果。
圖2係將橫軸設為波長(nm),將縱軸設為徐冷係數,將表2所示之資料作圖之結果。
Claims (14)
- 一種預測玻璃製光學元件之折射率之方法,該玻璃製光學元件係藉由包含對經壓製成形而獲得之玻璃製光學元件進行徐冷之步驟的玻璃製光學元件之製造方法而獲得,上述預測玻璃製光學元件之折射率之方法包含如下步驟:步驟(1),利用具有任意組成之玻璃素材即玻璃素材A,求出用於上述玻璃製光學元件之徐冷的徐冷裝置所具有之有效冷卻速度;步驟(2),針對用以製造玻璃製光學元件之玻璃素材B求出特定波長下之基準折射率,其中,玻璃素材B具有與玻璃素材A不同之組成;以及步驟(3),根據上述有效冷卻速度及基準折射率,求出藉由在與步驟(1)相同之條件下運轉之上述徐冷裝置進行徐冷而獲得之包含玻璃素材B之玻璃製光學元件的折射率。
- 如請求項1之方法,其中有效冷卻速度係根據藉由上述徐冷裝置進行徐冷而獲得之包含玻璃素材A之玻璃製光學元件之特定波長下之折射率n0、針對玻璃素材A而求出之上述波長下之基準折射率ns、以及關於玻璃素材A之上述波長下之徐冷係數β而求出。
- 如請求項2之方法,其中有效冷卻速度R0 係藉由以下之式而算出:R0 =Rs/10Δn/β Rs:基準徐冷速度Δn:折射率n0-基準折射率nsβ:徐冷係數β。
- 如請求項1或2之方法,其中上述特定波長為d線光譜、C線光譜、F線光譜或g線光譜下之波長。
- 一種預測玻璃製光學元件之阿貝數之方法,該玻璃製光學元件係藉由包含對經壓製成形而獲得之玻璃製光學元件進行徐冷之步驟的玻璃製光學元件之製造方法而獲得,該預測玻璃製光學元件之阿貝數之方法包含如下步驟:步驟(11),利用具有任意組成之玻璃素材即玻璃素材A,求出用於上述玻璃製光學元件之徐冷的徐冷裝置所具有之有效冷卻速度;步驟(12),針對用以製造玻璃製光學元件之玻璃素材B,求出特定波長下之基準折射率、F線光譜下之基準折射率以及C線光譜下之基準折射率,其中,玻璃素材B具有與玻璃素材A不同之組成,上述特定波長可與F線光譜或C線光譜之波長相同,亦可不同;步驟(13),根據上述有效冷卻速度以及基準折射率,求出藉由在與步驟(11)相同之條件下運轉之上述徐冷裝置進行徐冷而獲得之包含玻璃素材B的玻璃製光學元件之特定波長下之折射率n、F線光譜下之折射率nF以及C線光譜下之折射率nC;以及步驟(14),利用上述折射率n、nF以及nC,根據以下之式求出特定波長下之阿貝數v :ν=(n-1)/(nF-nC)。
- 如請求項5之方法,其中上述特定波長為d線光譜、C線光譜、F線光譜或g線光譜下之波長,且根據以下之式而求出上述波長下之阿貝數ν(其中,νd為d線光譜下之阿貝數,νC為C線光譜下之阿貝數,νF為F線光譜下之阿貝數,或νg為g線光譜下之阿貝數):νd=(nd-1)/(nF-nC)νC=(nC-1)/(nF-nC)νF=(nF-1)/(nF-nC)νg=(ng-1)/(nF-nC)。
- 如請求項5或6之方法,其中有效冷卻速度係根據藉由上述徐冷裝置加以徐冷而獲得之包含玻璃素材A之玻璃製光學元件之特定波長下的折射率n0、針對玻璃素材A而求出之上述波長下之基準折射率ns、關於玻璃素材A之上述波長下之徐冷係數β而求出。
- 如請求項7之方法,其中有效冷卻速度R0 係藉由以下之式而算出:R0 =Rs/10Δn/β Rs:基準徐冷速度Δn:折射率n0-基準折射率nsβ:徐冷係數β。
- 一種組成經調整之玻璃素材之製造方法,該玻璃素材係用於藉由包含對經壓製成形而獲得之玻璃製光學元件進行徐冷之步驟的玻璃製光學元件之製造方法而獲得之玻璃製光學元件,上述玻璃素材之製造方法包含如下步驟:步驟(20),藉由如請求項1之方法,預測包含具有組成X0之玻璃素材的玻璃製光學元件之折射率;步驟(21),求出上述所預測之折射率與所期望之玻璃製光學元件的折射率之差;以及步驟(22),製備具有上述折射率之差經修正之組成X1的玻璃素材。
- 如請求項9之製造方法,其進而包含如下步驟:對藉由步驟(22)所獲得之玻璃素材實施步驟(20)而預測折射率,確認藉由步驟(22)所獲得之玻璃素材提供所期望之折射率之玻璃製光學元件。
- 如請求項10之製造方法,其中當藉由步驟(22)所獲得之玻璃素材並非提供所期望之折射率之玻璃製光學元件者時,進而實施步驟(21)以及(22)。
- 一種組成經調整之玻璃素材之製造方法,該玻璃素材係用於藉由包含對經壓製成形而獲得之玻璃製光學元件進行徐冷之步驟的玻璃製光學元件之製造方法而獲得之玻璃製光學元件,上述玻璃素材之製造方法包含如下步驟:步驟(30),利用如請求項5之方法,預測包含具有組成X0之玻璃素材的玻璃製光學元件之阿貝數;步驟(31),求出上述所預測之阿貝數與所期望之玻璃製光學元件的阿貝數之差;以及步驟(32),製備具有上述阿貝數之差經修正之組成X1的玻璃素材。
- 如請求項12之製造方法,其進而包含如下步驟:對藉由步驟(32)所獲得之玻璃素材實施步驟(30)而預測阿貝數,確認藉由步驟(32)所獲得之玻璃素材提供所期望之阿貝數之玻璃製光學元件。
- 如請求項13之製造方法,其中當藉由步驟(32)所獲得之玻璃素材並非提供所期望之阿貝數之玻璃製光學元件者時,進而實施步驟(31)以及(32)。
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