JPS5941934B2 - 光集束性レンズ用ガラス組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は屈折率分布をもつ光集束性レンズをイオン交換
法で製造するのに適したガラス組成に関する。

修飾酸化物を構成し得る特定の陽イオンを含むガラス体
を、修飾酸化物を構成し得る他の陽イオンを含む塩と接
触させてガラス中の前記陽イオンを塩中の前記陽イオン
と置換させる、つまりイオン交換することによりガラス
体中に中心から周辺部に向けて変化するに屈折率分布を
形成するようにした光集束性レンズの製造方法はよく知
られている。

この方法の特徴は一度に大量に処理できるため工業的に
適している。

例えば、ガラス体中にＴＡ 、Ｃｓ 、Ｌｉ 、Ｒｂ等
のような比較的高温で動き易い一価の金属（イオン）を
含有させておき、これを連光な温度で例えば硝酸カリウ
ム、硝酸ナトリウム等のような熔融塩中に浸漬して当該
イオンの交換を行なうことによってガラス体の中心から
周辺に向って次第に屈折率は減少させうる。

特にこの屈折率勾配がｎ−ｎｏ（１ａｒ２） （ｎｏ
：中心の屈折率、ｒ：中心からの距離ａ：定数）で示さ
れる放物線に近い場合には光集束性レンズとして適して
いる。

特にＴＡを含むガラスを硝酸カリ熔融塩中でイオン交換
することにより、第１図に示すようにレンズ１の中心軸
線１Ａに対する入射光線２の許容される最大入射角θｍ
ａｘが２０〜３０度であるような非常に広い角度をもっ
た光集束性レンズが得られる。

しかし、欠点として非常に色収差が大きく、白色光での
使用は困難で単一波長での使用に限定される。

工業的に生産されている光集束性レンズとしてＣｓをガ
ラス中に含んだものがよく知られている。

これは色収差が非常に小さい特徴はあるが、高濃度のＣ
ｓを含ませても必ずしも良好な屈折率分布が得られない
欠点があり、せいぜい最大入射角θｍａＸ−６°程度の
ものが生産されているにすぎない。

又、Ｌｉをガラス中に含ませ硝酸ナトリウム熔融塩中で
イオン交換し、同様の屈折率分布を作ることも提案され
たが、必ずしも良好な屈折率分布を得るまでには至って
いない。

すなわち厳密にいえば従来の光集束性レンズはイオン交
換されたままのレンズの周辺は第２図に破線にて示すよ
うに理想放物線形状から外れる。

そのためレンズの性能を充分発揮させるためにはその周
辺部を弗酸液等によって除去し、屈折率分布の良好な範
囲のみを使用せざるを得ない。

このことは工程が繁雑になるばかりでなく大径のレンガ
が得難く、かつレンズの中心軸上と周縁部との屈折率差
を小さくし、結果として光の最大入射角θｍａｘが当初
よりも小さくなってレンズの明るさが低下するという問
題を発生する。

従って、できるだけ中心から周辺まで放物線に近い屈折
率分布を形成させることが望ましいことは明らかである
。

又、従来屈折率分布形成イオンのガラス中での含有量と
屈折率差とは必ずしも直線関係を示さなＧ）。

例えば第３図中にｂで示すようにリチウム含有量を増し
ていっても光集束性レンズとしての屈折率差は殆んど変
わらず明らかに飽和状態を示している。

本発明は光集束性レンズとしての屈折率分布をより理想
的な放物線形状に近づけることを目的としている。

このようにすることによって前記欠点を補うことにある
。

本発明はまた、できるだけガラス中での屈折率形成イオ
ンがその含有量に見合った屈折率差を生するようなガラ
ス組成を得ることを目的としている。

さらに本発明は、Ｌｉを屈折率形成イオンとするレンズ
はその色収差が小さいことに着目し、より長い棒状レン
ズを提供することを目的としている。

さらに本発明は、従来のＴＶ及びＣｓに比べその原料が
廉価であるＬｉを屈折率分布形成イオンとし、より安価
に工業的に光集束性レンズを供給することにある。

本発明は屈折率分布形成イオンとして、Ｌｉを含むガラ
スにＴｉＯ２を適量含有させることによって光集束性レ
ンズとしての屈折率分布が中心から周辺まで極めて理想
分布に近くすることができることを見出したものである
。

本発明に係るガラスの主要成分はモル％で、５ｉ０２：
２５〜６８ ＴｉＯ２、： ２〜１６ Ｂ２０３・・： ０〜２５ Ａ１２０３： ０〜１０ ＳｉＯ＋ＴｉＯ２＋Ｂ２Ｏ３＋Ａｌ２Ｏ３：５８〜７７
ＭｇＯ：４〜２２ ｐｂｏ：ｏ〜１３ Ｍｇ０＋ＰｂＯ： ４〜２２ Ｌｉ２０： ２〜１８ Ｎａ２０： ３〜２２ で構成される。

次に本発明のガラス組成限定範囲の理由について述べる
。

ＳｉＯ□はガラスの網目構造を形成する主要成分であり
、２５ ｍｏ １％未満では失透性、耐久性が著るしく
低下する。

又、６８ｍｏ１％を越えると屈折率形成酸化物及びその
他の修飾酸化物等の含有量が限定され、屈折率差が小さ
くなり実用に充分な明るさのレンズを得ることができな
くなる。

時には熔融温度の上昇をもたらし、ガラスの成型を困難
にする。

Ａｌ２Ｏ３，Ｂ２Ｏ３はそれぞれ１０ ｍｏ １％、２
５ｍｏ １％まで含有させうるがこれを越えると失透性
が増大する。

ＴｉＯ２は、適正な屈折率分布を形成する上で最も重要
な成分で、この含有量はＬｉ含有量によって最適に調整
することが望ましく、一般的にはＬｉ含有量が少ない場
合はＴ ｉ０２含有量も少なくてもよい。

しかしＬｉ含有量が２ｍｏ１％でもＴｉＯ２は最低２ｍ
ｏ１％は必要である。

Ｌｉ含有量が増加してくると良好な屈折率分布が次第に
得られにくくなるのでそれに見合ってＴｉＯ２含有量を
増加させていくことが望ましい。

Ｌｉ含有量が１０−１０−ｌ２％では１０ｍｏ１％のＴ
ｉＯ２を含ませることが望ましい。

最高１６ｍｏ１％のＴ ｔ ０２を含有させることがで
き、良好な屈折率分布を得ることができるが、それを越
えると失透しやすくなり、ガラスの成型が困難となる。

Ｔ １０２の好ましい範囲は６〜１０ｍｏ１％である。

ＭｇＯ，ＰｂＯはガラスの修飾酸化物として含有させる
が、中心と周辺の屈折率差を最も大きくする点において
他のＲＯ酸化物より優れている。

Ｍｇ０ ４ｍｏ１％未満では屈折率差が小さくなり、又
２２ｍｏ１％を越えると良好な分布が得られなくなる。

ＰｂＯは、屈折率差を小さくすることなく、失透性を改
善する上で最も優れており、Ｏ〜１３ｍｏ １％の範囲
で含みうる。

これ以上含有させるとイオン交換速度の低下及びイオン
交換中の変形、化学的耐久性を低下させる。

従って、ＭｇＯ＋ＰｂＯは４〜２２ｍｏ１％、望ましく
は５〜２０ｍｏ１％の範囲内に抑える。

屈折率分布形成イオンとしてのＬｉはＬｉ２Ｏとして２
〜１８ｍｏ１％の範囲まで含有させることができる。

しかし、Ｌｉの含有量が多くなっても屈折率差は直線的
には向上せず過剰のＬｉを含有させることは必ずしも好
ましくない。

Ｌｉ２Ｏが２ｍｏ１％未満ではイオン交換によって得ら
れる屈折率差も小さく、実用に供し得えない。

Ｌ １２０の好ましい含有量範囲は８〜１６ｍｏ１％で
ある。

Ｎ ａ ２０はガラスの熔融、成型及びイオン交換速度
を上げるために必要な成分である。

３ｍｏ１％未満ではイオン交換速度を著るしく低下させ
る。

又、２２ｍｏ１％を越えると化学的耐久性が低下する。

従って本発明では、３〜２２ｍｏ１％に限定するもので
あり好ましくは４〜１３ｍｏ１％の範囲である。

本発明では、その他安定化剤として光集束性レンズとし
ての特性を失わせない範囲でＬａ２Ｏ３：０〜５、Ｙ２
Ｏ３：０〜５、ＺｒＯ２：０〜３、ＺｎＯ：０〜５、Ｃ
ａＯ：０〜３、ＳｒＯ：０〜３、Ｂａｄ：０〜３、Ｋ２
Ｏ：０〜３、Ａｓ２Ｏ３：０〜０．５．５ｂ２０３ ：
０−０．５各モル％を加えることができる。

実施例 Ｉ Ｓ ｉ０２５０モル％、ＴｉＯ□１０モル％、Ｍｇ０２
０モル％で一定とし、Ｎ ａ ２０を（１８−Ｘ）モル
％、Ｌ ｉ２０を（２＋Ｘ）モル％としてＸを０から１
４まで変化させた本発明範囲内の各組成のガラス棒を試
料として準備し１、各試料ガラス棒を硝酸すｌ−’Ｊウ
ムの溶融塩浴中でイオン交換した後、試料の中心部と周
辺部の屈折率差△ｎを測定してＬ ｌ ２０の含有量と
△ｎとの関係を調べた。

その結果を第３図中にａで示す。

また比較例として、ＴｉＯ２を含まず５ｉＯ２６０モル
％、Ｍｇ０２０モル％で一定でＮａ２ ｏ□ （１８−
Ｘ）モル％、Ｌｉ２Ｏを（２＋Ｘ）モル％としてＸを０
〜１４の範囲で変化させた各組成のガラス棒を用意し、
これを上記実施例試料と同様にしてイオン交換を行ない
、中心と周辺との屈折率差△ｎを測定した。

その結果を第３図中にｂで示す。

同図からＬ １２０の屈折率への寄与がＴｉＯ□の存在
で著しく助長されることがわかる。

実施例 ２ 所定の原料をガラスとして７ｋｇ得られるよう秤量・混
合し、白金ルツボを用い１２００°Ｃで１６時間泡、脈
理が発生しないよう溶融した後金型１こ流し出し徐冷し
た。

徐冷終了後約２０１１１７１Ｌφの丸棒を切り出し、’
Ｊｙｎｍφのファイバーに熱延伸し、このファイバーを
硝酸ナトＩＪウム溶融塩中に所定時間浸漬しイオン交換
した後、所定長さに切断してその両端面を研磨してレン
ズとし、ガラス組成を種々変えて作成した各々のレンズ
の中心部での屈折率、中心部と周辺部の屈折率差、有効
視野面積率を測定した。

その結果を第１表に示す。

表中で「実施例−」は本発明範囲内のガラスであり、「
比較例」は本発明外のガラスである。

また、「有効視野面積率」とは、レンズの一端の前方に
格子状のパターンを置きその像をレンズの他端面に結像
させ、この像を約３０倍の光学顕微鏡で拡大観察し、レ
ンズ断面積に対し有効に結像された面積の比を％で示し
たものである。

同表の結果から、本発明に係る組成のガラスを使用した
場合、従来のガラスに比べて２倍以上の大きい屈折率差
をもつレンズが得られるとともに、広範囲の屈折率差に
おいて常に有効視野面積率が１００％近い安定した性能
のレンズが得られることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光集束性レンズにおける光線の軌跡を模式的に
示す縦断面図、第２図は同レンズの横断面内の屈折率分
布を示すグラフ、第３図は光集束性レンズのガラス中の
Ｌｉ２Ｏ含有量及び中心部と周辺部との屈折率差△ｎの
関係を、本発明範囲内のガラス（ａ）と本発明外のガラ
ス（ｂ）で比較したグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｉ ＳｉＯ□２５〜６８、ＴｉＯ２２〜１６、Ｂ２０
   ３０〜２５、Ａ１２０３０〜１０、Ｓ ｔ ０２ ＋
   Ｔ ｓ ０２ ＋Ｂ２Ｏ３＋Ａｌ２０３５８〜７７、Ｍ
   ｇ０４〜２２、ｐｂｏｏ〜１３、ＭｇＯ＋Ｐｂ０４〜２
   ２、Ｌｉ２Ｏ２〜１８、Ｎａ２Ｏ３〜２２各モル％の主
   要成分と、Ｌａ２０３０〜５、￥２０３０〜５、Ｚ ｒ
   ０２０〜３、Ｋ２Ｏ０〜３、Ｚｎ０Ｏ〜５、Ｃａ００
   −３．５ｒ００〜３、ＢａＯ’０−３．５ｎＯ２０〜１
   、Ａｓ２０３０〜０．５各モル％の安定化剤とからなる
   光集束性レンズの製造に適したガラス組成物。