JP5956426B2 - 光学ガラス及び光学部品 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス技術分野に関し、より詳しくは光学ガラス及び光学部品に関する。

ここ数年来、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話などが流行したことに伴い、光学システムに用いる設備の集積度が増え、機能も増加してきた。そこで光学システムは、もっと高い正確性、更に軽い重さ、更に小さいサイズを求められている。そのため、非球面鏡は広範に応用されており、非球面モジュールを使うことがすでに光学設計の主流になっている。

非球面レンズの製造には、広く精密な鋳型製造方法が使用されている。いわゆる精密な鋳型製造とは、一定の温度、圧力の下で、予定製品の形を有する高精密の金型で、作成済みのガラスコンポーネントをプレスし、それにより、最終製品の形をした或いは最終製品形に近似した形を獲得し、光学機能面を持ったガラス製品にすることをいう。精密な鋳型製造技術で作った非球面レンズは、再び研磨とバフを行う必要がなく、工程を簡略化することができる。

非球面レンズに用いられる光学ガラスは、高い屈折率と低い光分解率があることを求められ、現代の画像装置(imaging device)によく使われている。例えば中国特許CN101360691Aは、屈折率が1.5〜1.65及びアッベ数が50〜65の光学常数を有する光学ガラスを公開する。また、中国特許CN1704369Aは、屈折率が1.85〜1.90、アッベ数が40〜42の光学常数を有する光学ガラスを公開する。

光学ガラスの透過率は屈折率に影響され、屈折率が高いほど透過率が低い。例えば中国特許CN101492247Aに開示された光学ガラスは、その屈折率が1.8〜2.1、透過比が80%に達したときの対応波長は400nm以上である。

精密な鋳型製造を行う時には、高精密な金型面をガラス成形品の上にコピー（複製）するために、ガラスの軟化点に近い温度で（加圧）成形してガラス製造品を作ることが求められる。この場合、成形用の金型は高温の中に曝され、しかもわりに高い圧力を受け、たとえ保護気体の中にあっても金型の表面膜は相変わらずに酸化されやすく、腐食されやすい。そのため、ガラスはわりに低い（転化）温度にあるように求められる。
既存技術の中、中国特許1704369Aは、屈折率：1.83〜1.9、アッベ数：40〜42の光学常数、並びに転化温度：670〜720℃の光学ガラスを開示する。ただし、ガラス材料の転化温度が比較的高いため、精密な鋳型製造を行う時、必要な温度は高く、金型は傷をつけられやすく、結果的にコストは割高になる。

中国特許CN101360691A 中国特許CN1704369A 中国特許CN101492247A

上記の点に鑑み、本発明の目的は、屈折率が1.75〜1.8、アッベ数が45〜52、転化温度が610℃以下、（透過比が80%時に対応波長が390nm以下）の光学ガラス及び光学部品を提供することにある。

本発明は、以下の成分を含んでなると共に、フッ素（Ｆ）を含んでいない光学ガラスを提供する。具体的には、
0.1 wt%〜3.5wt%のSiO₂；
20 wt%〜32 wt %のB₂O₃；
20wt%〜35 wt %のLa₂O₃；
15wt%〜25wt%（但し25wt%を除く）のGd₂O₃；
1 wt%〜6 wt %のTa₂O₅；
1 wt%〜15wt %のZnO；
0.1wt%〜2wt%のLi₂O
を含んでなると共に、フッ素（Ｆ）を含んでいない光学ガラスであって、
当該光学ガラスは、
0〜8wt%のZrO ₂ 、
0〜5wt%のNb ₂ O ₅ 、
0〜5wt%のY ₂ O ₃ 、
0〜5wt%のYb ₂ O ₃ 、及び、
0〜0.5wt%のSb ₂ O ₃ 、
を含んでおり、
当該光学ガラスは、BaO、CaO、SrO、Na ₂ O、及び、K ₂ Oのうちの一種または複数種を更に含んでなり、
上記のBaO、CaO、及び、SrOの総含有量は１wt%〜10wt%であり、
上記のNa ₂ O、及び、K ₂ Oの総含有量は0〜2wt%であり、
屈折率が１．７５〜１．８、アッベ数が４５〜５２、転化温度が６１０℃以下、透過比が80%のときの対応波長が３９０ｎｍ以下である。

（削除）

好ましくは、Na₂OとK₂Oの総含有量は0.1wt%〜１wt%である。

より好ましく厳選したものは、1wt%〜7wt%のZrO₂を含む。

（削除）

より好ましく厳選したものは、22 wt%〜32wt%のB₂O₃を含む。

より好ましく厳選したものは、25wt%〜35wt%のLa₂O₃を含む。

より好ましく厳選したものは、18wt%〜25wt%（但し25wt%を除く）のGd₂O₃を含む。

より好ましく厳選したものは、2wt%〜5wt%のTa₂O₅を含む。

より好ましく厳選したものは、5wt%〜12wt%のZnOを含む。

より好ましく厳選したものは、0.3wt%〜1.5wt%のLi₂Oを含む。

（削除）

本発明は更に、上記方案に従う光学ガラスで作られた光学部品を提供する。

光学ガラス及び光学部品を提供する本発明によれば、当該光学ガラスは、0.1wt%〜3.5wt%のSiO₂；20wt%〜32wt%のB₂O₃；20wt%〜35wt%のLa₂O₃；15wt%〜25wt%（但し25wt%を除く）のGd₂O₃；1〜6wt%のTa₂O₅；1wt%〜15wt%のZnO；0.1wt%〜2wt%のLi₂Oの各成分を含んでなると共に、フッ素（Ｆ）を含まないものである。ここで、
SiO₂はガラスの耐失透性を維持する効果があり、しかもガラスグリッドを形成する効果がある。B₂O₃は酸化物として、ガラスの熱安定性と化学安定性を高めることができ、しかもガラスの軟化温度と流動粘度を下げる効果がある。La₂O₃とGd₂O₃は高い屈折率及び低い光分散性(dispersive index)があるガラスを得るのに必要な成分である。Ta₂O₅は光学ガラスに高い屈折率と低い光分散の特性を与える成分で、ガラスの安定性を強める効果もある。ZnOはガラスに高い屈折率と低い光分散の特性に与える成分である。Li₂Oは強いフラックス（cosolvent，共溶媒）で、ガラスの軟化温度を下げる。
本発明に係る光学ガラスによれば、屈折率が1.75〜1.8、アッベ数が45〜52、転化温度が610℃以下、透過比が80%時になったときの対応波長が390nm以下、となる。

［具体的な実施方式］
以下、本発明の実施形態で使用される技術方案について明確且つ完全に説明する、しかし、説明する実施形態は単に本発明の実施形態の一部だけであり、全ての実施形態ではない。本発明の実施形態に基づき、当該技術分野の通常の技術者が創造的な労働をせずに獲得しうるすべての実施形態は、すべて本発明の保護範囲に属する。

本発明は、以下の成分を含む光学ガラスを提供するものである。
0.1wt%〜8wt%のSiO₂；
20wt%〜32wt%のB₂O₃；
20wt%〜35 wt%のLa₂O₃；
15wt%〜30wt%のGd₂O₃；
1〜6wt %のTa₂O₅；
1wt%〜15wt%のZnO；
0.1wt%〜2wt%のLi₂O

SiO₂は、ガラス成形体の重要な酸化物で、ケイ素と酸素の四面体［SiO₄］の形で不規則な連続グリッドを形成し、光学ガラスを形成するフォーマット（基本骨格）である。SiO₂はガラスの耐失透性を維持する効果がある。SiO₂の含有量が8wt%を上回る時、光学ガラスはフラックス性(meltability)が下がり、軟化温度が高くなる。SiO₂の含有量は0.1wt%〜8wt%に限定され、好ましい厳選は0.5wt%〜6wt%、最も好ましい再厳選は2.5wt%〜5wt%である。

B₂O₃は光学ガラスを形成する重要な酸化物で、光学ガラスのグリッドの形成に役立ち、ガラスの膨張係数を下げ、ガラスの熱安定性と化学安定性を高め、ガラスの屈折率を増やし、ガラスの転化温度と溶解温度を下げる。B₂O₃の含有量は20wt%〜32wt%に限定される。B₂O₃の含有量が20wt%を下回ると、転化温度が高くなり、屈折率が下がる。B₂O₃の含有量が32wt%を上回ると、光学ガラスの低い分散性が損なわれる。B₂O₃の含有量の厳選は22wt%〜32wt%、再厳選は25wt%〜29wt%である。

La₂O₃は高い屈折率と低い光分散性のガラスを得るために必要な成分である。La₂O₃の含有量は20wt%〜35wt%に限定される。La₂O₃の含有量が20wt%を下回ると、光学ガラスの屈折率は下がる。La₂O₃の含有量は35wt%を上回ると、光学ガラスの耐失透性が下がる。La₂O₃の含有量の厳選は、25wt%〜35wt%である。

Gd₂O₃はガラスの屈折率高め、アッベ数を増やすのに有効な成分である。Gd₂O₃の含有量は15wt%〜30wt%に限定される。Gd₂O₃の含有量が30wt%を上回ると、光学ガラスの耐失透性が下がる。Gd₂O₃の含有量の厳選は18wt%〜25wt%である。

Ta₂O₅は光学ガラスに高い屈折率と低い光分散の特性を与える成分で、有効にガラスの安定性を強めることができる。Ta₂O₅の含有量が6wt%を上回ると、光学ガラスは溶解性を弱められ、転化温度が高くなる。Ta₂O₅の含有量は1wt%〜6wt%に限定され，厳選は2wt%〜5wt%である。

ZnOは光学ガラス及び低い融点ガラスを製造するのに重要な成分である。ZnOはガラスの熱膨張係数を下げ、ガラスの化学安定性、熱安定性、屈折率を高める。ZnOの含有量は1wt%〜15wt%に限定される。ZnOの含有量が15wt%を上回ると、光学ガラスの失透明性が上がる。ZnOの含有量が1wt%を下回ると、光学ガラスの転化温度は高くなる。ZnOの含有量の厳選は5wt%〜12wt%であり、再厳選は8wt%〜12wt%である。

Li₂Oは強いフラックス（cosolvent，共溶媒）で、ガラスの軟化温度を下げる。Li₂Oの含有量は0.1wt%〜2wt%に限定される。Li₂O含有量が2wt%を上回ると、光学ガラスは耐失透性と屈折率を下げ、ガラスの析晶と失透を激化させる。Li₂Oの含有量が0.1wt%を下回ると、転化温度と軟化温度の目的を達成できない（低減できない）。Li₂Oの含有量の厳選は、0.3 wt%〜1.5wt%である。

本発明に従う光学ガラスは更に、
0〜8wt%のZrO₂、0〜5wt%のNb₂O₅、0〜5wt%のY₂O₃、0〜5wt%のYb₂O₃、
BaO、CaO、SrO、Na₂O、K₂O及び0〜0.5wt%のSb₂O₃
のうちの１種類または複数種類を含んでおり、
上記のBaO、CaO、SrOの総含有量は0〜15wt%であり、
上記のNa₂OとK₂Oの総含有量は0〜2wt%である。

ZrO₂は光学ガラスの粘着度、硬度、弾力性、屈折率、化学安定性を高め、ガラスの熱膨張係数を下げる。ZrO₂の含有量が8wt%を上回ると、析晶現象が現れ、しかもガラスの耐失透性と転化温度を下げる。ZrO₂の含有量は1wt%〜7wt%であっても良い。

Nb₂O₅はガラスに高い屈折率を与える成分で、しかもガラスの耐失透性を改善する効果がある。Nb₂O₅含有量が5wt%を上回る時、ガラスの光分散性が大幅に高くなり、アッベ数が下がることを招き、同時にガラスの短波透過率を下げる。Nb₂O₅の含有量は0.5wt%〜5wt%であってもよい。

Y₂O₃とYb₂O₃は光学ガラスの屈折率を高める効果がある。Y₂O₃はガラスの光学常数を調整する成分で、その含有量が5wt%を上回ると、ガラスの耐失透性能が悪くなることを引き起こす。Yb₂O₃は光学ガラスでの効果はY₂O₃に近く、その含有量が5wt%を上回ると、光学ガラスが失透しやすくなる。
Y₂O₃の含有量は0.1wt%〜5wt%であっても良く、0.5wt%〜4wt%であっても良い。
Yb₂O₃の含有量は0.1wt%〜5wt%であっても良く、0.5wt%〜4wt%であっても良い。

BaOのガラスでの効果はガラスの光分散性を下げ、ガラスの透過率を改善し、光学ガラスの屈折率、密度、光沢、化学安定性を増やす。CaOのガラスでの効果はBaOと同様である。SrOのガラスでの効果はBaO、CaOと同様である。一部のBaOをSrOで置換することは、ガラスの溶解と清澄化を速め、ガラスの結晶化の傾向を下げ、光学ガラスの屈折率を増やす効果があり、しかもガラスの耐失透（性）を改良する。BaO、CaO及びSrOの総含有量は0.5wt%〜15wt%になっても良く，1wt%〜10wt%になっても良い。

Na₂OとK₂Oはガラスの転化温度を下げる。Na₂OとK₂Oの総含有量が2wt%を上回ると、光学ガラスの耐失透能力が下がり、屈折率が下がる。Na₂OとK₂Oの総含有量は0.1 wt%〜2wt%になっても良く、0.1 wt%〜1wt%になっても良い。

Sb₂O₃は有効にガラスの澄み温度（清澄化温度）を下げ、ガラスの透過率を高める。Sb₂O₃の含有量は0.01wt%〜0.5wt%であっても良い。

本発明により、光学ガラスの屈折率が1.75〜1.8；アッベ数が45〜52；転化温度が610℃以下；ガラスの透過比が80%のときの対応波長が390nm以下（厳選は385nm以下、再厳選は380nm以下）の光学ガラスが提供される。

本発明は更に、上記技術方案の光学ガラスで形成した光学部品も提供する。本発明の光学部品は上記の光学ガラスで作られ、そのため、この光学部品は上述の光学ガラスの各種特性を揃えている。本発明の光学部品は、1.75〜1.8の屈折率、45〜52のアッベ数、610℃以下の軟化温度があり、透過比が80%のときの対応波長が390nm以下になる。本発明が提供する光学部品は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話などに適用可能である。

本発明の技術方案をよく理解できるよう、具体的な実施例を通して本発明の好ましい実施態様を以下に説明する。ただし、以下の実施例は本発明の特徴と長所を更に説明するためだけに用いられたものであり、本発明の技術的範囲を制限するものではないことは、理解されるべきである。

［実施例１］
実施例１の光学ガラスは、3.5wt%のSiO₂、27.9wt%のB₂O₃、32.6wt%のLa₂O₃、21.9wt%のGd₂O₃、1.6wt %のTa₂O₅、12.2wt%のZnO、0.3wt%のLi₂Oを含む。このガラスの主要な性能パラメーターは、次の通りである。
屈折率：nd=1.76821
アッベ数：vd=49.31
転化温度：Tg=605℃
軟化温度：Ts=648℃
λ₈₀：382.9nm

上述の性能パラメーターは次の方法でテストした。
屈折率（nd）の値は（-2℃/h）−（-6℃/h）の焼き鈍しの値(annealing value)として、屈折率とアッベ数は、「GB/T7962.1-1987 無色光学ガラスのテスト法：屈折率とアッベ数」に従ってテストされた。

転化温度（Tg）は、「GB/T7962.16-1987 無色光学ガラスのテスト法：線膨張係数、転化温度および緩み垂れ温度」に従ってテストされた。つまり、測定見本は一定の温度範囲で温度が１℃上がるごとに、測定見本の膨張曲線の上で、低温区域と高温区域における各直線部分を伸ばして交差させ、その交点に対応する温度（をＴｇ）とした。

ガラスを１０mm±０．１mmの厚さの見本に作り、測定ガラスの透過比が80%に達する時の対応する波長をλ80とした。

実施例２〜１３の光学ガラスの成分比率および対応性能は下記の表１及び表２の通りである。また、比較例１〜３の光学ガラスの成分比率および対応性能は下記の表３の通りである。

本発明が提供する光学ガラスの配合製造方法については特別な制限はない、当該領域の技術者が熟知する方法によって配合製造を行う。原料を溶かし、澄ませて（清澄化）、均一にさせた後に温度を下げ、予熱した金属型の中に注ぎ込み、焼き鈍し(annealing)後に光学ガラスを得た。

本発明の実施例１〜１３及び比較例１〜３に従う光学ガラスは、以下の方法に従い配合製造した。

石英砂、ホウ酸、酸化ランタン、酸化ガドリニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、炭酸リチウム、酸化タンタルを比例（配合比率）に従い重量をはかり、十分に混合した後にプラチナのるつぼに入れ、1080〜1380℃で溶かし、澄ませて、均一化した後に温度を下げる；
約550〜600℃の温度で、溶けたガラスを予熱した金属型に流し込む；
予熱した金属型に注ぎ込んだ溶解されたガラスと当該金属型とを一緒に焼き鈍し炉に入れ、徐々に冷却させ、光学ガラスを得る、そして、光学ガラスの相関パラメーターを測定する。実施例の１〜１３の光学ガラスは、成型時に結晶化せず、失透しない。

実施例２〜１３の光学ガラスの屈折率、アッベ数、転化温度、透過性能は、表１及び表２の通りである。比較例１〜３の光学ガラスの屈折率、アッベ数、転化温度、透過性能は、表３の通りである。

上述の例により、本発明が提供する光学ガラスと光学部品は、屈折率が1.75〜1.8、アッベ数が45〜52、転化温度が610℃以下、透過比が80%に達したときの対応波長が390nm以下になる。これにより、現代の画像装置の要求を満足させられた。

上記に開示した実施例の説明に基づいて、当該分野の専門技術者は本発明を実施又は使用することができる。これらの実施例に対するいくつかの箇所の修正は、当該分野の専門技術者にとって自明なことである。ここで定義した一般的原理は本発明の精神あるいは範囲を離れない範囲で、その他の例の中で実施できる。それ故、本発明は、本明細書に掲載した実施例に限定されず、ただし開示した解決原理と新規な特徴に合致する最も広い範囲をカバーするものである。

Claims (4)

1. 以下の成分、即ち、
   0.1wt%〜3.5wt%のSiO₂；
   20wt%〜32wt %のB₂O₃；
   20wt%〜35wt %のLa₂O₃；
   15wt%〜25wt%（但し25wt%を除く）のGd₂O₃；
   1 wt%〜6 wt %のTa₂O₅；
   1 wt%〜15wt %のZnO；
   0.1wt%〜2wt%のLi₂O
   を含んでなると共に、フッ素（Ｆ）を含んでいない光学ガラスであって、
   当該光学ガラスは、
   0〜8wt%のZrO ₂ 、
   0〜5wt%のNb ₂ O ₅ 、
   0〜5wt%のY ₂ O ₃ 、
   0〜5wt%のYb ₂ O ₃ 、及び、
   0〜0.5wt%のSb ₂ O ₃ 、
   を含んでおり、
   当該光学ガラスは、BaO、CaO、SrO、Na ₂ O、及び、K ₂ Oのうちの一種または複数種を更に含んでなり、
   上記のBaO、CaO、及び、SrOの総含有量は１wt%〜10wt%であり、
   上記のNa ₂ O、及び、K ₂ Oの総含有量は0〜2wt%であり、
   屈折率が１．７５〜１．８、アッベ数が４５〜５２、転化温度が６１０℃以下、透過比が80%のときの対応波長が３９０ｎｍ以下である、ことを特徴とする光学ガラス。
2. 前記Na₂O、及び、K₂Oの総含有量は0.1wt%〜１wt%である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学ガラス。
3. 1wt%〜7wt%のZrO₂を含んでなる、ことを特徴とする請求項１に記載の光学ガラス。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学ガラスでできた光学部品。