TWI850213B - 光學玻璃及光學構件 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種高折射率、低密度，且製造特性良好之光學玻璃。
該光學玻璃之特徵在於：折射率(nd
)為1.71~2.00，密度為5.0 g/cm3
以下，且玻璃之黏性成為logη=2之溫度為750~1200℃，失透溫度為1300℃以下，且以氧化物基準之莫耳%表示，含有0%~21.5%之TiO2
。該光學玻璃為高折射率且低密度，並且製造特性良好，而適宜作為可穿戴設備、車載用、機器人搭載用等之光學構件。
Description
本發明係關於一種光學玻璃及光學構件。
作為用於可穿戴設備，例如帶投影機之眼鏡、眼鏡式或護目鏡式顯示器、虛擬實境擴增實境顯示裝置、虛像顯示裝置等之玻璃，就圖像之廣角化、高亮度、高對比度化、導光特性提昇、繞射光柵之加工容易性等方面而言，要求高折射率。又，先前於車載用相機、機器人用視覺感測器等用途中，使用小型且拍攝視角較廣之攝像玻璃透鏡，對於此種攝像玻璃透鏡，為了以更小型拍攝廣範圍而要求高折射率。
作為用於上述用途之光學玻璃，為了使使用者之貼合感較佳，又，汽車或機器人要求輕量化，為了減少裝置整體之重量，而要求密度低。進而，若考慮於外部環境下之使用，要求由酸雨、洗淨時所使用之洗劑或蠟等藥劑所導致之表面劣化或變質較少。
其中，關於車載用之玻璃透鏡，例如嘗試了藉由使用具有特定耐酸性之車載相機用透鏡玻璃材料來提高折射率及強度，進而使耐酸性或耐水性提昇(例如參照專利文獻1)。
專利文獻1：日本專利特開2013-256446號公報
然而，先前於設為高折射率之組成之情形時，大多使用重金屬氧化物作為提高折射率之玻璃結構成分。因此，一般而言，高折射率玻璃之密度增大。
又，有於可穿戴設備中使用成形為板狀之玻璃之情況，且有藉由製造效率較高之浮式法、熔融法、滾壓法等成形方法來生產之情況。為了有效率地製造該玻璃，製造時之溫度與玻璃之黏性之關係重要。
進而於用作光學構件之情形時，可見光透過率亦為重要之參數，於高折射率玻璃之情形，若於高溫下熔解，則有尤其短波長側之可見光透過率降低之虞。另一方面，若黏性曲線急遽，則於製造時黏性之控制變得困難。
本發明係為了消除如上述之問題而完成者，其目的在於提供一種高折射率且低密度，並且製造特性良好之光學玻璃。
本發明之光學玻璃之特徵在於：折射率(nd)為1.71~2.00，密度為5.0g/cm3以下，玻璃之黏性成為logη=2之溫度T2為750~1200℃，失透溫度為1300℃，且以氧化物基準之莫耳%表示，含有0%~21.5%之TiO2。
本發明之光學構件之特徵在於使用本發明之光學玻璃。
根據本發明，提供一種高折射率且低密度，並且製造特性良好，作為可穿戴設備、車載用、機器人搭載用等之光學構件適宜之光學玻璃。
A:基準線G1D與中心線G1C垂直方向之距離之最小值
B:基準線G1D與中心線G1C垂直方向之距離之最大值
C:最大值B與最小值A之差
G1:玻璃板
G1A:與主表面G1F正交之任意剖面與主表面G1F之交線
G1B:與主表面G1G正交之任意剖面與主表面G1G之交線
G1C:玻璃板之中心線
G1D:玻璃板之基準線
G1F:玻璃板之一主表面
G1G:玻璃板之另一主表面
圖1係用以說明光學玻璃之翹曲之光學玻璃之模式性剖視圖。
以下對於本發明之光學玻璃及光學構件之實施形態進行說明。
[光學玻璃]
本發明之光學玻璃如上所述，具有特定之折射率(nd)、密度(d)及熔解特性，對於該等特性依序進行說明。
本發明之光學玻璃具有1.71~2.00之範圍之高折射率(nd)。由於折射率(nd)為1.71以上，故而本發明之光學玻璃作為用於可穿戴設備之光學玻璃，於圖像之廣角化、高亮度、高對比度化、導光特性提昇、繞射光柵之加工容易性等方面上適宜。又，作為用於車載用相機、機器人用視覺感測器等用途之小型且拍攝視角較廣之攝像玻璃透鏡，係適宜用於以更小型拍攝廣範圍。
該折射率(nd)較佳為1.75以上，更佳為1.78以上，進而較佳為1.81以上，進而較佳為1.84以上，進而較佳為1.87以上，進而較佳為1.90以上，進而較佳為1.93以上。
另一方面，折射率(nd)超過2.00之玻璃存在密度易變高，又，失透溫度易變高之傾向。尤其於強調光學玻璃之低密度之情形時，該折射率(nd)較佳為1.97以下，更佳為1.94以下，進而較佳為1.91以下，進而更佳為1.88以下。
又，本發明之光學玻璃具有5.0g/cm3以下之密度(d)。本發
明之光學玻璃藉由具有上述範圍之密度，而於用於可穿戴設備之情形時可使使用者之貼合感較佳，於用於車載用相機、機器人用視覺感測器之情形時，可減輕裝置整體之重量。該密度(d)較佳為4.6g/cm3以下，更佳為4.2g/cm3以下，進而較佳為3.8g/cm3以下。
另一方面，本發明之光學玻璃中，為了使玻璃表面難以損傷，密度(d)較佳為2.0g/cm3以上。更佳為2.2g/cm3以上，進而較佳為2.3g/cm3以上，進而更佳為2.4g/cm3以上。
又，本發明之光學玻璃具有玻璃之黏性成為logη=2之溫度T2為750~1200℃之範圍。此處，log表示常用對數(log10)，η為剪切應力為0時之黏度。T2為熔解性之基準溫度，若玻璃之T2過高，則需於高溫下熔解，故而於高折射率玻璃之情形時，有尤其短波長側之可見光透過率降低之傾向。該T2較佳為1180℃以下，更佳為1150℃以下，進而較佳為1130℃以下，進而更佳為1110℃以下。
另一方面，若T2過低，則存在黏性曲線變急遽，製造時黏性之控制變得困難之問題。本發明之光學玻璃藉由具有上述範圍之T2，可使製造特性良好。該T2較佳為800℃以上，更佳為820℃以上，進而較佳為840℃以上，進而更佳為860℃以上，特佳為900℃以上。
又，本發明之光學玻璃之失透溫度為1300℃以下。若具有該特性，則可抑制成形時之玻璃之失透，而成形性良好。該失透溫度更佳為1275℃以下，進而較佳為1250℃以下，進而更佳為1225℃，進而更佳為1200℃以下，進而更佳為1175℃以下，進而更佳為1150℃以下，進而更佳為1125℃以下，進而更佳為1100℃以下，進而更佳為1075℃以下，特佳為1050℃以下。此處，所謂失透溫度，係藉由自然放冷將加熱、熔
融之玻璃進行冷卻時，於玻璃表面及內部未發現以長邊或長軸計1μm以上之結晶之最低溫度。
又，本發明之光學玻璃較佳為失透溫度下之黏性(失透黏性)為logη≧0.5。若具有該特性，則可抑制成形時之玻璃之失透，而成形性良好。該失透黏性更佳為logη≧0.7，進而較佳為logη≧0.9，進而更佳為logη≧1.1，進而更佳為logη≧1.3，特佳為logη≧1.5。失透黏性之上限並無特別限定，通常較佳為logη≦6。
又，對於可穿戴設備，要求抑制通過光學玻璃所獲得之可見光線之透過率之降低，但本發明之玻璃由於會在高溫下熔解，故而有於較400nm更短波長側透過率降低之情況。又，關於車載用相機或機器人之視覺感測器，有為了識別可見光下難以辨別之對象物而使用近紫外線圖像之情況，而對於該光學系統所使用之玻璃要求近紫外線區域下之透過率較高。因此，本發明之光學玻璃較佳為製成厚度1mm之玻璃板時於波長360nm下之光之透過率(T360)為20%以上。若具有該特性，則作為可穿戴設備或車載相機所使用之玻璃適宜。尤其是於可穿戴設備中顯示圖像或影像之導光體中，由於導波之光程長度變長，故而短波長側之光量損耗變大。
本發明中，由於短波長側之透過率較高為20%以上，故而如上述之於短波長側之光量損耗得到抑制，因此不會使可見光範圍整體之透過率降低而易再現所需之顏色。又，影像或圖像之亮度不會降低。該T360更佳為30%以上，進而較佳為40%以上，進而更佳為50%以上，進而更佳為60%以上，特佳為70%以上。
T360例如可對於厚度1mm之兩表面經鏡面研磨之玻璃板，使用分光
光度計進行測定。
又，本發明之光學玻璃中，楊氏模數(E)較佳為60GPa以上。若具有該特性，則於作為薄玻璃板用於可穿戴設備時，或作為透鏡用於車載用相機、機器人用視覺感測器等之情形時，有變形較少之優點。尤其是於導光體中，於安裝於眼鏡之框架或顯示裝置時可防止圖像或影像之重影現象或變形。該E更佳為70GPa以上，進而較佳為80GPa以上，進而更佳為85GPa以上，特佳為90GPa以上。
本發明之光學玻璃中，依據作為日本光學玻璃工業會標準之JOGIS06-2008光學玻璃之化學耐久性之測定方法(粉末法)所測定之耐水性(RW)較佳為等級4以上。RW具體以下述方式進行測定。針對粒徑為420~600μm之玻璃粉末，測定於100℃之純水80mL中浸漬了1小時之時之質量減少比率(%)。視質量減少比率來劃分特定之等級。等級之數值較小者表示RW良好。若玻璃之RW為等級4以上，則藉由精密研磨容易獲得低表面粗糙度Ra。該RW更佳為等級3以上。對於要求特別低Ra之用途，較佳為等級2以上，特佳為等級1。
又，本發明之光學玻璃中，依據JOGIS06-2008光學玻璃之化學耐久性之測定方法(粉末法)所測定之耐酸性(RA)較佳為等級4。RA具體以下述方式進行測定。針對粒徑為420~600μm之玻璃粉末，測定於100℃之0.01當量濃度之硝酸水溶液80mL中浸漬了1小時之時之質量減少比率(%)。視質量減少比率來劃分特定之等級。等級之數值較小者表示RA良好。若玻璃之RA為等級4以上，則藉由精密研磨容易獲得低表面粗糙度Ra。該RA更佳為等級3以上。對於要求特別低之Ra之用途，較佳為等級2以上，特佳為等級1。
又，本發明之光學玻璃中，玻璃轉移點(Tg)較佳為500~700℃之範圍。本發明之光學玻璃藉由具有上述範圍之Tg而加壓成型及再拉成形中之成形性良好。該Tg更佳為520℃~680℃，進而較佳為540℃~660℃，進而更佳為560℃~640℃，特佳為570℃~620℃。Tg例如可藉由熱膨脹法進行測定。
又，本發明之光學玻璃較佳為具有60以下之阿貝數(vd)。具體而言，於將本發明之光學玻璃應用於如導光板之玻璃板之情形時，藉由具有上述範圍之低vd，而可穿戴設備之光學設計變容易，亦變得容易改善色像差，因此可再現清晰之圖像或影像。vd更佳為50以下，進而較佳為40以下，進而更佳為35以下，特佳為30以下。阿貝數之下限並無特別限定，但多為大概10以上、具體而言為15以上、更具體而言為20以上。
又，本實施形態之光學玻璃之於50~350℃下之熱膨脹係數(α)較佳為50~150(×10-7/K)。本實施形態之光學玻璃若設為上述範圍之α，則與周邊構件之膨脹匹配良好。該α之下限較佳為60(×10-7/K)以上，更佳為70(×10-7/K)以上，進而較佳為80(×10-7/K)以上，特佳為90(×10-7/K)以上。α之上限並無特別限定，通常較佳為150以下。
又，本實施形態之光學玻璃若為上述範圍之α，則冷卻時之破裂變得不易發生，因此可提昇冷卻速度。其結果為，能夠使光學玻璃之假想溫度(Tf)與玻璃轉移溫度(Tg)之差(Tf-Tg)成為0℃以上，而使玻璃之結構更空疏，從而即便向光學玻璃施加某些衝擊，亦藉由玻璃之結構緻密化而變得容易吸收該衝擊。其結果為，提昇光學玻璃本身之強度，可抑制由掉落等所導致之破損。該α之上限較佳為120(×10-7/K)以下，更佳為110(×10-7/K)以下，進而較佳為100(×10-7/K)以下，特佳為95(×10-7/K)以
下。
本發明之光學玻璃較佳為厚度為0.01~2.0mm之玻璃板。若厚度為0.01mm以上，可抑制光學玻璃之操作時或加工時之破損。又，可抑制光學玻璃之由自身重量導致之彎曲。該厚度更佳為0.1mm以上，進而較佳為0.3mm以上，進而更佳為0.5mm以上。另一方面，若厚度為2.0mm以下，則可使得使用光學玻璃之光學元件變輕量。該厚度更佳為1.5mm以下，進而較佳為1.0mm以下，進而更佳為0.8mm以下。
於本發明之光學玻璃為玻璃板之情形時，一主表面之面積較佳為8cm2以上。若該面積為8cm2以上，則可配置多個光學元件而生產性提昇。該面積更佳為30cm2以上，進而較佳為170cm2以上，進而更佳為300cm2以上，特佳為1000cm2以上。另一方面，若面積為6500cm2以下，則玻璃板之操作變容易，可抑制玻璃板之操作時或加工時之破損。該面積更佳為4500cm2以下，進而較佳為4000cm2以下，進而更佳為3000cm2以下，特佳為2000cm2以下。
於本發明之光學玻璃為對向之主表面係兩面均實施研磨之玻璃板之情形時，一主表面之面積25cm2中之LTV(Local Thickness Variation，局部厚度變動)較佳為2μm以下。藉由具有該範圍之平坦度，可於一主表面使用壓印技術等形成所需形狀之奈米結構，又，可獲得所需之導光特性。尤其是於導光體中可防止由光程長度之差異導致之重影現象或變形。該LTV更佳為1.8μm以下，進而較佳為1.6μm以下，進而更佳為1.4μm以下，特佳為1.2μm以下。
該玻璃基板之LTV可以下述方式進行測定。藉由非接觸雷射移位計(例如黑田精工公司製造之NANOMETRO)，針對縱50mm×橫50mm×厚度1mm之板狀樣品，以3mm間隔測定玻璃基板之板厚而算出LTV。
將本發明之光學玻璃製成直徑8英吋之圓形玻璃板時，翹曲較佳為50μm以下。若該翹曲為50μm以下，則可於一主表面使用壓印技術等形成所需形狀之奈米結構，又，可獲得所需之導光特性。於欲獲得複數個導光體時，可獲得品質穩定者。該翹曲更佳為40μm以下，進而較佳為30μm以下，特佳為20μm以下。
又，於製成直徑6英吋之圓形玻璃板時，翹曲較佳為30μm以下。該翹曲若為30μm以下，則可於一主表面使用壓印技術等形成所需形狀之奈米結構，又，可獲得所需之導光特性。於欲獲得複數個導光體時，可獲得品質穩定者。該翹曲更佳為20μm以下，進而較佳為15μm以下，特佳為10μm以下。
圖1係將本發明之光學玻璃製成玻璃板G1時之玻璃板之模式性剖視圖。所謂「翹曲」，係通過玻璃板G1之一主表面G1F之中心，在玻璃板G1之與一主表面G1F正交之任意剖面中，玻璃板G1之基準線G1D與玻璃板G1之中心線G1C之垂直方向之距離之最大值B與最小值A的差C。
將上述正交之任意剖面與玻璃板G1之一主表面G1F之交線設為底線G1A。將上述正交之任意剖面與玻璃板G1之另一(其他)主表面G1G之交線設為上線G1B。此處，中心線G1C係連結玻璃板G1之板厚方向之中心之線。中心線G1C係藉由求出底線G1A與上線G1B之相對於下述雷射照射之方向之中點而算出。
基準線G1D係以下述方式求出。首先，基於消除自身重量之影響之測定方法算出底線G1A。根據該底線G1A，並藉由最小平方法求出直線。所求出之直線為基準線G1D。作為消除自身重量之影響之測定方
法，使用公知之方法。
例如，3點支持玻璃板G1之一主表面G1F，藉由雷射移位計對玻璃板G1照射雷射，測定玻璃板G1之一主表面G1F及另一主表面G1G距離任意基準面之高度。
其次，使玻璃板G1翻轉，支持與支持有一主表面G1F之3點對向之另一主表面G1G之3點，測定玻璃基板G1之一主表面G1F及另一主表面G1G距離任意基準面之高度。
藉由求出翻轉前後之各測定點之高度之平均值而消除自身重量之影響。例如於翻轉前，如上所述，測定一主表面G1F之高度。將玻璃板G1翻轉後，在與一主表面G1F之測定點對應之位置，測定另一主表面G1G之高度。同樣地，於翻轉前，測定另一主表面G1G之高度。將玻璃板G1翻轉，在與另一主表面G1G之測定點對應之位置，測定一主表面G1F之高度。
翹曲係例如藉由雷射移位計所測定。
又，本發明之光學玻璃中，一主表面之表面粗糙度Ra較佳為2nm以下。藉由具有該範圍之Ra，而可於一主表面使用壓印技術等形成所需形狀之奈米結構，又，可獲得所需之導光特性。尤其是於導光體中於界面之漫反射得到抑制，可防止重影現象或變形。該Ra更佳為1.7nm以下，進而較佳為1.4nm以下，進而更佳為1.2nm以下，特佳為1nm以下。此處，Ra為JIS B0601(2001年)中所定義之算術平均粗糙度。本說明書中，Ra係使用原子力顯微鏡(AFM)對於10μm×10μm之正方形區域進行測定所得之值。
[玻璃成分]
其次，針對本發明之光學玻璃可含有之各成分之組成範圍之一實施形態，詳細地進行說明。本說明書中，各成分之含有比率只要未特別事先說明，則以氧化物基準之莫耳%表示。又，所謂「實質上不含有」，意指除不可避免之雜質以外均不含有。不可避免之雜質之含量於本發明中為0.1%以下。
本實施形態之光學玻璃中之滿足上述特性之組成(含有比率)例如以氧化物基準之莫耳%表示計，為Nb2O5：3%~35%；選自由BaO、TiO2、ZrO2、WO3、及Ln2O3(Ln為選自由Y、La、Gd、Yb及Lu所組成之群中之至少1種)所組成之群中之至少1種：0%~30%；SiO2：29%~65%；TiO2：0%~21.5%。
針對該玻璃組成中之各成分，以下具體地進行說明。再者，本發明之光學玻璃只要具有上述特性，則不限定於下述實施形態之組成。
SiO2為玻璃形成成分，且係賦予玻璃高強度及抗龜裂性，使玻璃之穩定性及化學耐久性提昇之成分。SiO2之含有比率為29%以上且65%以下。藉由使SiO2之含有比率為29%以上，可使玻璃之黏性成為logη=2之溫度T2為較佳之範圍。SiO2之含有比率較佳為34%以上，更佳為38%以上，進而較佳為42%以上。於溫度T2進一步重要之情形時，較佳為46%以上，更佳為50%以上，進而較佳為54%以上。另一方面，藉由使SiO2之含有比率為65%以下，而可含有用以獲得高折射率之成分。SiO2之含有比率較佳為60%以下，更佳為55%以下，進而較佳為50%以下，進而較佳為45%以下。於進一步強調高折射率之情形時，較佳為40%以下，更佳為35%以下，進而較佳為30%以下。
Nb2O5係提高玻璃之折射率，並且使阿貝數(vd)變小之成
分。Nb2O5之含有比率為3%以上且35%以下。Nb2O5之含有比率較佳為10%以上，更佳為15%以上，進而較佳為20%以上，進而較佳為24%以上，進而較佳為27%以上，特佳為30%以上。
又，若Nb2O5過多，則變得易失透。因此，關於要求更低之表面粗糙度Ra(1.5nm以下)之用途，較佳為33%以下，更佳為30%以下，進而較佳為27%以下。
BaO、TiO2、ZrO2、WO3及Ln2O3(Ln為選自由Y、La、Gd、Yb及Lu所組成之群中之至少1種)係提高玻璃之折射率之成分。該等成分之含有比率以總量計為0%以上且30%以下。
於Nb2O5為10%以下之情形時，為了提高玻璃之折射率，較佳為將Nb2O5與作為其他高折射率成分之選自由BaO、TiO2、ZrO2、WO3及Ln2O3(Ln為選自由Y、La、Gd、Yb及Lu所組成之群中之至少1種)所組成之群中之至少1種1%以上一併含有。該等成分之含有比率更佳為3%以上，進而較佳為5%以上，特佳為7%以上。另一方面，若其他高折射率成分超過30%，則變得易失透。該等成分之含有比率更佳為25%以下，進而較佳為20%以下，特佳為15%以下。
又，本實施形態之光學玻璃中，含有鹼金屬成分(Li2O、Na2O、K2O)，但可藉由增多該鹼金屬成分來降低Tg。然而，若鹼金屬成分變得過多，則T2易變低，黏性曲線變急遽，而製造特性降低。另一方面，若鹼金屬成分過少，則T2易變高，有熔解溫度變高而著色之虞。因此，Li2O+Na2O+K2O為6%以上且40%以下。Li2O+Na2O+K2O較佳為14%以上，更佳為18%以上，進而較佳為20%以上，特佳為24%以上。又，Li2O+Na2O+K2O較佳為36%以下，更佳為32%以下，進而較佳為28%以
下，特佳為24%以下。「Li2O+Na2O+K2O」表示選自Li2O、Na2O及K2O所組成之群中之至少1種鹼金屬氧化物成分之總量。
本實施形態之光學玻璃中，鹼金屬成分(Li2O、Na2O、K2O)中，Li2O係使玻璃之強度提昇之成分，但若其量較多，則T2易變低而變得易失透。因此，本實施形態之光學玻璃中，以氧化物基準之莫耳%之比之值計，Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)為0.10以上且0.65以下。若該比率超過0.65，則T2易變低而變得易失透，玻璃之易成形性變差。該比率更佳為0.60以下，進而較佳為0.55以下，進而較佳為0.50以下，特佳為0.45以下。另一方面，若該比率為0.10以上，則玻璃之強度充分變高。該比率較佳為0.20以上，更佳為0.30以上，進而較佳為0.40以上。
Li2O為任意成分，且係使玻璃之強度提昇，並且使T2降低，使Tg降低，使玻璃之熔融性提昇之成分。Li2O之含有比率為0.6%以上且26%以下。若含有Li2O，則可提昇強度(Kc)及抗龜裂性(CIL)。另一方面，若Li2O過多，則易失透。於本發明之光學玻璃含有Li2O之情形時，其含有比率較佳為1%以上，更佳為3%以上，進而較佳為5%以上，特佳為7%以上。又，Li2O之含有比率較佳為22%以下，更佳為19%以下，進而較佳為16%以下，特佳為13%以下。
於化學強化本實施形態之光學玻璃之情形時，Li2O之含有比率較佳為3.0%以上，更佳為6.0%以上，進而較佳為9.0%以上，特佳為11.0%以上。
Na2O為任意成分，且係抑制失透，使Tg降低之成分。Na2O之含有比率為0%以上且20%以下。若含有Na2O，則獲得優異之失透抑制效果。另一方面，若Na2O過多，則強度及抗龜裂性易降低。於本發
明之光學玻璃含有Na2O之情形，其含有比率較佳為1%以上，更佳為3%以上，進而較佳為6%以上，特佳為8%以上。又，Na2O之含有比率較佳為18%以下，更佳為16%以下，進而較佳為14%以下。
於化學強化本實施形態之光學玻璃之情形時，Na2O之含有比率較佳為2.0%以上，更佳為4.0%以上，進而較佳為6.0%以上，特佳為8.0%以上。
K2O為任意成分，且係使玻璃之熔融性提昇之成分，並且為抑制失透之成分。K2O之含有比率為0%以上且10%以下。若含有K2O，則提昇失透抑制效果。另一方面，若K2O過多，則密度易增加。K2O之含有比率較佳為0.3%以上，更佳為0.5%以上，進而較佳為1%以上。又，K2O之含有比率較佳為10%以下，更佳為8%以下，進而較佳為6%以下。
B2O3為任意成分。B2O3係使Tg降低，使玻璃之強度或抗龜裂性等機械特性提昇之成分。若B2O3之量較多，則折射率易降低。因此，B2O3之含有比率較佳為0%以上且15%以下。B2O3之含有比率更佳為10%以下，進而較佳為6%以下，特佳為3%以下。又，B2O3之含有比率更佳為0.3%以上，進而較佳為1%以上，特佳為2%以上。
MgO為任意成分。MgO係使玻璃之熔融性提昇，抑制失透，調整玻璃之阿貝數或折射率等光學常數之成分。另一方面，若MgO之量變多，則反而促進失透。因此，MgO之含有比率較佳為0%以上且10%以下。MgO之含有比率更佳為8%以下，特佳為6%以下。又，MgO之含有比率較佳為0.3%以上，更佳為0.5%以上，進而較佳為1%以上。
CaO為任意成分。CaO係抑制失透之成分，若CaO之量較多，則抗龜裂性易降低。因此，CaO之含有比率較佳為0%以上且25%以
下。CaO之含有比率更佳為20%以下，進而較佳為10%以下，特佳為6%以下。又，CaO之含有比率更佳為0.3%以上，進而較佳為0.5%以上，特佳為1%以上。
SrO為任意成分。SrO係使玻璃之熔融性提昇，抑制失透，調整玻璃之光學常數之成分。另一方面，若SrO之量增多，則反而促進失透。因此，SrO之含有比率較佳為0%以上且20%以下。SrO之含有比率更佳為15%以下，進而較佳為8%以下，特佳為4%以下。又，SrO之含有比率更佳為0.3%以上，進而較佳為0.5%以上，特佳為1%以上。
BaO為任意成分。BaO為抑制失透之成分，若BaO之量較多，則密度易增大。因此，於含有BaO之情形時，較佳為0%以上且30%以下。BaO之含有比率更佳為25%以下，進而較佳為15%以下，進而較佳為8%以下，特佳為4%以下。又，BaO之含有比率更佳為0.3%以上，進而較佳為0.5%以上，特佳為1%以上。
Al2O3為任意成分。Al2O3係提昇化學耐久性之成分，若Al2O3增多，則玻璃易失透。因此，Al2O3之含有比率較佳為0%以上且5%以下。Al2O3之含有比率更佳為3%以下，特佳為2%以下。又，Al2O3之含有比率更佳為0.3%以上，進而較佳為0.5%以上，特佳為1%以上。
TiO2為任意成分，且係提高玻璃之折射率，增大玻璃之分散之成分。又，藉由含有TiO2，可提昇折射率。另一方面，若TiO2過多，則易著色，又，透過率降低。因此，TiO2之含有比率較佳為0%以上且21.5%以下。於含有TiO2之情形，其含有比率更佳為0.5%以上，進而較佳為1%以上，特佳為1.5%以上。又，TiO2之含有比率更佳為20%以下，進而較佳為18%以下，進而較佳為16%以下，進而較佳為14%以下，進而較
佳為12%以下，進而較佳為10%以下，特佳為8%以下。
WO3為任意成分。藉由添加WO3而抑制玻璃之失透，若WO3之量過多，則反而玻璃易失透。因此，WO3之含有比率較佳為0%以上且15%以下。WO3之含有比率更佳為12%以下，進而較佳為9%以下，特佳為5%以下。又，WO3之含有比率更佳為0.3%以上，進而較佳為0.5%以上，特佳為1%以上。
ZrO2為任意成分，且係提高玻璃之折射率，提高玻璃之化學耐久性之成分。藉由含有ZrO2，可提昇抗龜裂性。另一方面，若ZrO2過多，則易失透。因此，ZrO2之含有比率較佳為0%以上且15%以下。於含有ZrO2之情形，其含有比率更佳為0.5%以上，進而較佳為1.5%以上，進而較佳為2.4%以上，特佳為3.0%以上。ZrO2之含有比率更佳為15%以下，進而較佳為12%以下，特佳為10%以下。
ZnO為任意成分，且係提昇玻璃之強度或抗龜裂性等機械特性之成分。另一方面，若ZnO之量多則易失透，故其含有比率較佳為0%以上且15%以下。ZnO之含有比率更佳為13%以下，進而較佳為12%以下，特佳為10%以下。又，ZnO之含有比率更佳為0.3%以上，進而較佳為0.5%以上，特佳為1%以上。
La2O3為任意成分。La2O3係提昇玻璃之折射率之成分，但若La2O3之量過多，則機械特性降低。因此，La2O3之含有比率較佳為0%以上且20%以下。La2O3之含有比率更佳為16%以下，進而較佳為12%以下，進而較佳為10%以下，進而較佳為8%以下，進而較佳為6%以下，特佳為4%以下。又，La2O3之含有比率較佳為0.5%以上，更佳為3%以上。
As2O3係有害之化學物質，因此近年來有抑制使用之傾向，
並認為需要進行環境對策上之處置。因此，於重視環境上之影響之情形時，較佳為除不可避免之混入以外，實質上不含有As2O3。
進而於本實施形態之光學玻璃中，較佳為含有Sb2O3及SnO2中之至少一種。該等雖非必需成分，但可以折射率特性之調整、熔融性之提昇、著色之抑制、透過率之提昇、澄清、化學耐久性之提昇等為目的而添加。於含有該等成分之情形時，合計較佳為10%以下，更佳為5%以下，進而較佳為3%以下，特佳為1%以下。
進而於本實施形態之光學玻璃中，較佳為含有F。F雖非必須，但可以熔解性之提昇、透過率之提昇、澄清性提昇等為目的而添加。於含有F之情形，較佳為5%以下，更佳為3%以下。
又，本實施形態之光學玻璃中含有Li2O或Na2O之鹼金屬氧化物者可藉由將Li離子取代為Na離子或K離子，將Na離子取代為K離子而化學強化。即，若進行化學強化處理，則可提昇光學玻璃之強度。
[光學玻璃及玻璃成形體之製造方法]
本發明之光學玻璃例如以下述方式進行製造。即，首先，以成為上述特定之玻璃組成之方式稱量原料並均勻混合。將所製作之混合物投入至鉑坩堝、石英坩堝或氧化鋁坩堝中以進行粗熔融。其後，放入至金坩堝、鉑坩堝、鉑合金坩堝、強化鉑坩堝或銥坩堝中，於1200~1400℃之溫度範圍內進行2~10小時熔融，藉由消泡、攪拌等進行均質化，進行除泡等後，澆鑄至模具中，進行徐冷。藉此獲得本發明之光學玻璃。
進而，該光學玻璃亦可藉由將熔融之玻璃利用浮式法、熔融法、滾壓法等成型方法成形為板狀而形成玻璃板。又，亦可將熔融之玻璃暫時成形為塊狀後，利用再曳引法等形成玻璃板。又，例如可使用再加
熱加壓成形或精密加壓成形等方法，製作玻璃成形體。即，自光學玻璃製作模壓成形用之透鏡預型體，對該透鏡預型體進行再加熱加壓成形之後，進行研磨加工而製作玻璃成形體，或者例如可對進行研磨加工所製作之透鏡預型體進行精密加壓成形而製作玻璃成形體。再者，製作玻璃成形體之方法並不限定於該等方法。
以上述方式製造之本發明之光學玻璃之殘留泡較佳為每1kg為10個(10個/kg)以下，更佳為7個/kg以下，進而較佳為5個/kg以下，特佳為3個/kg以下。於利用上述方法成形玻璃板之情形時，若殘留泡為10個/kg以下，則可高效率地成形不含泡之玻璃板。又，將內部含有殘留泡之最小尺寸之圓之直徑作為各殘留泡之大小時，各殘留泡之大小較佳為80μm以下，更佳為60μm以下，進而較佳為40μm以下，特佳為20μm以下。
又，將上述直徑設為殘留泡之縱方向之長度L1，將與該直徑垂直相交且成為殘留泡之最大長度之直線的長度設為殘留泡之橫方向之長度L2時，若以縱橫比表示殘留泡之形狀，則L2/L1較佳為0.90以上，更佳為0.92以上，進而較佳為0.95以上。如此，若L2/L1為0.90以上，則殘留泡成為接近於真圓(真球)之狀態，例如即便含有殘留泡，與橢圓之殘留泡相比，玻璃之強度降低亦得到抑制，而可於製作玻璃板時抑制產生殘留泡成為起點之裂紋。又，即便於玻璃基板中存在殘留泡，與橢圓之殘留泡比，亦具有入射至玻璃板之光之各向異性散射得到抑制之效果。殘留泡之大小或形狀係自藉由雷射顯微鏡(KEYENCE公司製造：VK-X100)所測定之值獲得。
以上述方式製作之玻璃板或玻璃成形體之類之光學構件係對於各種光學元件有用。其中，尤其適宜用於(1)可穿戴設備，例如附帶
投影機之眼鏡、眼鏡式或護目鏡式顯示器、虛擬實境擴增實境顯示裝置、虛像顯示裝置等中所使用之導光體、過濾器或透鏡等；(2)車載用相機、機器人用視覺感測器所使用之透鏡或覆蓋玻璃等。亦適宜用於如車載用相機之暴露於嚴酷環境中之用途。又，亦適宜用於有機EL用玻璃基板，晶圓等級透鏡陣列用基板、透鏡單元用基板、利用蝕刻法之透鏡形成基板、光波導等用途。
以成為表1~5所表示之化學組成(氧化物換算之莫耳%)之方式稱量原料。原料均選定作為各成分之原料分別相當之氧化物、氫氧化物、碳酸鹽、硝酸鹽、氟化物、氫氧化物、偏磷酸化合物等通常之光學玻璃所使用之高純度原料來使用。再者，表中，「R2O」表示Li2O、Na2O、及K2O之含有比率之合計量，「其他高折射率成分」表示BaO、TiO2、ZrO2、WO3及Ln2O3之含有比率之合計量。
將所稱量之原料均勻地混合，放入至內容積約300mL之鉑坩堝內，於約1200℃下熔融約2小時，進行澄清、攪拌後，於1200℃下保持0.5小時，澆鑄至已預熱至大約650℃之縱50mm×橫100mm×深度20mm之板狀模具中。之後，以約1℃/分鐘進行徐冷，而製成例1~40、42~44之樣品。關於例41之玻璃，黏度η成為logη=2之溫度T2較高為1200℃以上，為了將玻璃充分地澄清、均質化而將熔融溫度設為1400℃。再者，此處，例1~39為實施例，例40~44為比較例。
[評價]
針對上述中所獲得之各樣品，以下述方式測定折射率(nd)、密度(d)、失透溫度、黏度(黏度η成為logη=2之溫度T2)、失透黏性、製成厚度
1mm之玻璃板時之波長360nm下之光之透過率(T360)、玻璃轉移點(Tg)、楊氏模數(E)、阿貝數、熱膨脹係數(α)。將所獲得之結果一併示於表1~5中。
折射率(nd)：將樣品之玻璃加工成一邊為30mm、厚度為10mm之三角形狀稜鏡，並藉由折射率計(Kalnew公司製造，設備名：KPR-2000)所測得。
密度(d)：依據JIS Z8807(1976，於液體中進行稱量之測定方法)所測得。
失透溫度：將約5g樣品放入至鉑盤中，藉由自然放冷，將每隔5℃分別保持1小時者冷卻至1000℃~1400℃後，藉由顯微鏡觀察有無結晶析出，將未發現以長邊或長軸計1μm以上之結晶之最低溫度設為失透溫度。
溫度T2：加熱樣品時之黏度係使用旋轉黏度計進行測定，測定黏度η成為logη=2之溫度T2(熔解性之基準溫度)。
失透黏性：使用旋轉黏度計測定失透溫度下之玻璃之黏度。
透光率(T360)：針對加工成縱10mm×橫30mm×厚度1mm之板狀且兩表面經鏡面研磨之樣品，利用分光光度計(日立高新技術公司製造之U-4100)測定波長360nm下之光之透過率。
玻璃轉移點(Tg)：為使用示差熱膨脹計(TMA)所測得之值，藉由JIS R3103-3(2001年)所求出。
楊氏模數(E)：針對縱20mm×橫20mm×厚度1mm之板狀樣品，使用超音波精密板厚計(OLYMPAS公司製造，MODEL 38DLPLUS)所測得(單位：GPa)。
耐水性(RW)：依據JOGIS06-2008光學玻璃之化學耐久性
之測定方法(粉末法)所測得。具體而言，針對粒徑為420~600μm之玻璃粉末，測定於100℃之純水80mL中浸漬了1小時之時之質量減少比率(%)。若質量減少比率未達0.05%，則設為等級1，若為0.05%以上且未達0.10%，則設為等級2，若為0.10%以上且未達0.25%，則設為等級3，若為0.25%以上且未達0.60%，則設為等級4，若為0.60%以上且未達1.10%，則設為等級5，若為1.10%以上，則設為等級6。
耐酸性(RA)：依據JOGIS06-2008光學玻璃之化學耐久性之測定方法(粉末法)所測得。具體而言，針對粒徑為420~600μm之玻璃粉末，測定於100℃之0.01當量濃度之硝酸水溶液80mL中浸漬了1小時之時之質量減少比率(%)。若質量減少比率未達0.20%，則設為等級1，若為0.20%以上且未達0.35%，則設為等級2，若為0.35%以上且未達0.65%，則設為等級3，若為0.65%以上且未達1.20%，則設為等級4，若為1.20%以上且未達2.20%，則設為等級5，若為2.20%以上，則設為等級6。
LTV：針對縱50mm×橫50mm×厚度1mm之板狀樣品，藉由非接觸雷射移位計(黑田精工公司製造之NANOMETRO)，以3mm間隔測定玻璃基板之板厚，算出LTV。
翹曲：針對直徑8英吋×1mm及直徑6英吋×1mm之圓板狀樣品，藉由非接觸雷射移位計(黑田精工公司製造之NANOMETRO)，以3mm間隔測定玻璃基板之2個主表面之高度，參照圖1並藉由所說明之上述方法算出翹曲。
表面粗糙度(Ra)：為針對縱20mm×橫20mm×厚度1mm之板狀樣品，使用原子力顯微鏡(AFM)(Oxford Instruments公司製造)測定10μm×10μm之區域所得之值。
阿貝數(νd)：使用上述折射率測定中所使用之樣品，並藉由νd=(nd-1)/(nF-nC)算出。nd為對於氦d線之折射率，nF為對於氫F線之折射率，nC為對於氫C線之折射率。該等折射率亦使用上述折射率計所測得。
熱膨脹係數(α)：使用示差熱膨脹計(TMA)，測定30~350℃之範圍內之線熱膨脹係數，藉由JIS R3102(1995年)求出30~350℃之範圍內之平均線熱膨脹係數。
上述各實施例(例1~39)之光學玻璃均折射率(nd)為1.71以上，為高折射率。又，密度較低為5.0g/cm3以下。又，玻璃之黏性成為logη=2之溫度T2為800~1200℃，因此製造特性良好。因此，適於可穿戴設備或車載用相機或機器人用視覺所使用之光學玻璃。
另一方面，作為比較例之例40及例42之玻璃係失透溫度高於1300℃，製造特性較差。例41及例43之玻璃係折射率(nd)低於1.71。例
44之玻璃由於TiO2多於21.5%，故而製成厚度1mm之玻璃板時波長360nm下之光之透過率(T360)較低。
關於自熔融有上述各實施例(例1~39)之玻璃組成之玻璃獲得之光學玻璃，包括無殘留泡者、或者13μm~53μm大小之殘留泡有1個或2個者。該殘留泡之縱橫比(L2/L1)大致為0.9以上，亦包括成為1.0者。即便於如上述般含有殘留泡之光學玻璃中，其大小亦較小且個數亦較少，因此可獲得不存在泡、異物、條紋、分相等缺點之玻璃板。因此，若形成如上述之大小之樣品，則可獲得LTV之值為2μm以下，翹曲之值(直徑6英吋之圓形玻璃板)為30μm以下，Ra之值為2nm以下之光學玻璃。進而認為，由於耐水性(RW)之評價為等級2以上、耐酸性(RA)之評價為等級1以上者可避免研磨時或洗淨時之表面劣化，故而可實現LTV之值為1.5μm以下，翹曲之值(直徑6英吋之圓形之玻璃板)為18μm以下，Ra之值為1nm以下。
對本實施例之不存在上述缺點之3種玻璃板進行精密研磨，結果獲得LTV之值為1.0、1.3、1.2μm，翹曲之值為44、35、41，Ra之值為0.265、0.342、0.322之光學玻璃。因此，藉由對本發明之實施例之不存在上述缺點之玻璃板進行精密研磨，可獲得LTV之值為2μm以下，翹曲之值為50μm以下，Ra之值為2nm以下之光學玻璃。
化學強化本發明之玻璃時，例如將玻璃浸漬於將硝酸鈉鹽加熱至400℃並使之熔融所得之熔融液中30分鐘，進行化學強化處理而可獲得強化玻璃。
本發明之光學玻璃為高折射率且低密度，並且製造特性良
好，而作為可穿戴設備、車載用、機器人搭載用等之光學玻璃適宜。又，於該光學玻璃上形成有包含將SiO2等低折射率膜與TiO2等高折射率膜交替積層所得之4~10層介質多層膜之抗反射膜的光學構件亦作為可穿戴設備、車載用、機器人搭載用適宜。
再者，將於2018年1月31日提出申請之日本專利申請2018-015906號之說明書、專利申請範圍、圖示、及摘要之全部內容引用於此處，並以本發明之說明書之揭示之形式引入。
A‧‧‧基準線G1D與中心線G1C垂直方向之距離之最小值
B‧‧‧基準線G1D與中心線G1C垂直方向之距離之最大值
C‧‧‧最大值B與最小值A之差
G1‧‧‧玻璃板
G1A‧‧‧與主表面G1F正交之任意剖面與主表面G1F之交線
G1B‧‧‧與主表面G1G正交之任意剖面與主表面G1G之交線
G1C‧‧‧玻璃板之中心線
G1D‧‧‧玻璃板之基準線
G1F‧‧‧玻璃板之一主表面
G1G‧‧‧玻璃板之另一主表面
Claims (14)
- 一種光學玻璃，其特徵在於：折射率(nd)為1.71~2.00，密度(d)為5.0g/cm3以下，且玻璃之黏性成為logη=2之溫度T2為750~1200℃，失透溫度為1300℃以下，且以氧化物基準之莫耳%表示計，含有下述成分：TiO2：0%~21.5%、Nb2O5：3%~35%、選自由BaO、TiO2、ZrO2、WO3、及Ln2O3(Ln為選自由Y、La、Gd、Yb及Lu所組成之群中之至少1種)所組成之群中之至少1種：0%~30%、SiO2：44.5%~58.4%、Li2O+Na2O+K2O：6%~28%、Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)：0.30以上且0.50以下。
- 如請求項1之光學玻璃，其以氧化物基準之莫耳%表示計含有下述成分：B2O3：0%~15%、MgO：0%~10%、CaO：0%~25%、SrO：0%~20%、 BaO：0%~30%、Li2O：0.6%~26%、Na2O：0%~20%、K2O：0%~10%、Al2O3：0%~5%、WO3：0%~15%、ZrO2：0%~15%、ZnO：0%~15%、La2O3：0%~20%。
- 如請求項1或2之光學玻璃，其失透溫度下之黏性(失透黏性)為logη≧0.5。
- 如請求項1或2之光學玻璃，其製成厚度1mm之玻璃板時之於波長360nm之光之透過率(T360)為20%以上。
- 如請求項1或2之光學玻璃，其楊氏模數(E)為60GPa以上。
- 如請求項1或2之光學玻璃，其依據日本光學玻璃工業會標準所測定之耐水性為等級4以上，耐酸性為等級4以上。
- 如請求項1或2之光學玻璃，其玻璃轉移點(Tg)為500~700℃，阿貝數(vd)為60以下，且50~350℃下之熱膨脹係數α為50~150×10-7/K。
- 如請求項1或2之光學玻璃，其係板厚為0.01~2mm之板狀。
- 如請求項8之光學玻璃，其一主表面之面積為8cm2以上。
- 如請求項8之光學玻璃，其為對向之主表面係兩面均實施研磨之玻璃板，且一主表面之面積為25cm2時，該玻璃基板之LTV為2μm以下。
- 如請求項1或2之光學玻璃，其中於製成直徑8英吋之圓形玻璃板時，一主表面之翹曲為50μm以下。
- 如請求項1或2之光學玻璃，其表面粗糙度Ra為2nm以下。
- 一種光學構件，其特徵為具有如請求項8至12中任一項之板狀之光學玻璃。
- 如請求項13之光學構件，其中於上述板狀之光學玻璃之表面具有抗反射膜。
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| JP2018015906 | 2018-01-31 | ||
| JP2018-015906 | 2018-01-31 |
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|---|---|---|---|---|
| TW201231426A (en) | 2011-01-26 | 2012-08-01 | Nippon Electric Glass Co | Optical glass |
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