JP2010248024A - 光学ガラス - Google Patents

Abstract

【課題】高屈折率かつ低分散の特性を有すると共により成形性に優れた光学ガラスを提供する。
【解決手段】本発明の光学ガラスは、含有率が１wt％以上５wt％以下のＳｉＯ₂ と、含有率が１５wt％以上２４wt％以下のＢ₂ Ｏ₃ と、含有率が０．１wt％以上３wt％以下のＡｌ₂ Ｏ₃ と、含有率が１wt％以上１４wt％以下のＺｎＯと、含有率が３５wt％以上４５wt％以下のＬａ₂ Ｏ₃ と、含有率が５wt％以上１０wt％以下のＹ₂ Ｏ₃ と、含有率が５wt％以上１３wt％以下のＴａ₂ Ｏ₅ と、含有率が０．５wt％以上３wt％以下のＬｉ₂ Ｏとを含む。これにより、高屈折率および低分散が確保されつつ、屈伏温度（およびガラス転移温度）が低下する。また、Ａｌ₂ Ｏ₃ を含むことにより構造の安定化が図られ、成形時における曇りなどの外観不良が生じにくくなっている。
【選択図】なし

Description

本発明は、比較的低い温度での高精度なプレス成形に適した光学ガラスに関する。

近年、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子により画像情報を取り込むデジタルカメラやカメラ付携帯電話が急速に普及しつつある。特に最近では、高画質を達成するために画素数の大きな撮像素子が開発され、それに伴い撮像レンズに対しても高い光学性能が求められてきている。その一方で、小型化の要求も強まっている。

このような要求に応えるため、上記の撮像レンズとしては、高精度な寸法を有する金型によりプレス成形されたガラスのモールドレンズが採用されることが多い。このようなプレス成形によれば、研磨による加工に比べ、非球面を有する光学レンズや微小な寸法の光学レンズを容易かつ効率的に作製することができる。

ところで、このようなプレス成形は、原料となる光学ガラスの屈伏温度以上の高温で行われるので、熱や応力などの物理的負荷を大きく受ける金型は高い耐久性が必要とされる。当然ながら、光学ガラスの屈伏温度が高くなるほど金型への物理的負荷も増大するので、金型の長寿命化のためには光学ガラスの屈伏温度をできるだけ低く抑える必要がある。

その一方で、撮像レンズの小型化や広角化を進めるにあたり、高屈折率かつ低分散を有する光学ガラスも強く求められている。

こうした背景から、高屈折率かつ低分散でありながら、比較的低い屈伏温度（およびガラス転移温度）を有する光学ガラスの開発がいくつかなされている（例えば、特許文献１〜６参照）。これら特許文献１〜６に開示された光学ガラスは、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ），酸化硼素（Ｂ₂ Ｏ₃ ），酸化ランタン（Ｌａ₂ Ｏ₃ ），酸化ガドリニウム（Ｇｄ₂ Ｏ₃ ）および酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含むものである。

特開２００５−２６３５７０号公報 特開２００５−９７１０２号公報 特開２００６−１６２９３号公報 特開２００６−１６２９５号公報 特開２００８−１０５８６３号公報 特開２００４−１７５６３２号公報

しかしながら、最近では、撮像レンズの小型化および高性能化が著しく、光学ガラスのさらなる高屈折率化、低分散化および加工容易性が求められている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、より高い屈折率およびより低い分散値を有すると共により成形性に優れた光学ガラスを提供することにある。

本発明の光学ガラスは、１wt％以上５wt％以下の含有率であるＳｉＯ₂ と、１５wt％以上２４wt％以下の含有率であるＢ₂ Ｏ₃ と、０．１wt％以上３wt％以下の含有率であるＡｌ₂ Ｏ₃ と、１wt％以上１４wt％以下の含有率であるＺｎＯと、３５wt％以上４５wt％以下の含有率であるＬａ₂ Ｏ₃ と、５wt％以上１０wt％以下の含有率であるＹ₂ Ｏ₃ と、５wt％以上１３wt％以下の含有率であるＴａ₂ Ｏ₅ と、０．５wt％以上３wt％以下の含有率であるＬｉ₂ Ｏとを含むものである。

本発明の光学ガラスでは、上記の各種材料を所定の組成比で含むようにしたので、高屈折率および低分散が確保されると共に、ガラス状態が安定して維持されやすい（例えばプレス成形されたときに曇りなどの不具合が生じにくい）。

本発明の光学ガラスでは、さらに、ＺｒＯ₂ ，Ｎｂ₂ Ｏ₅ ，ＷＯ₃ ，Ｎａ₂ Ｏ，Ｋ₂ Ｏ，およびＳｂ₂ Ｏ₃ のうちの少なくとも１種を含むとよい。その場合、ＺｒＯ₂ の含有率は０wt％以上１０wt％以下であり、Ｎｂ₂ Ｏ₅ の含有率は０wt％以上１０wt％以下であり、ＷＯ₃ の含有率は０wt％以上５wt％以下であり、Ｎａ₂ Ｏの含有率は０wt％以上３wt％以下であり、Ｋ₂ Ｏの含有率は０wt％以上３wt％以下であり、Ｓｂ₂ Ｏ₃ の含有率は０wt％以上１wt％以下であるとよい。上記の材料を含む場合、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。但し、ＡはＬａ₂ Ｏ₃ およびＹ₂ Ｏ₃ の合計の含有率（wt％）であり、ＢはＺｒＯ₂ ，Ｎｂ₂ Ｏ₃ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ およびＷＯ₃の合計の含有率（wt％）である。

１．７＜Ａ／Ｂ＜２．６ ……（１）

本発明の光学ガラスによれば、Ｂ₂ Ｏ₃ およびＬａ₂ Ｏ₃ を主成分としつつ、Ａｌ₂ Ｏ₃ を含むようにしたので、屈折率特性および分散特性の改善と共に、屈伏温度（およびガラス転移温度）の低減を図ることができる。例えばｄ線に対し、１．８３を超える屈折率と３７を超えるアッベ数とを確保しつつ、ガラス転移温度を６４０℃未満に抑えることができる。このような光学ガラスであれば、比較的低い温度での成形が可能となるので、小型でありながら高い光学性能を有するモールドレンズの量産に好適である。また、本発明の光学ガラスは、従来使用されていた砒素（Ａｓ）や鉛（Ｐｂ）、あるいはテルル（Ｔｅ）などの環境有害物質を含んでいないので、環境保全の観点からも好ましいものである。

以下、本発明を実施するための形態（以下、単に実施の形態という。）について詳細に説明する。

本発明の光学ガラスは、例えばデジタルスチルカメラや銀塩カメラ、あるいは携帯電話用のモジュールカメラなどに搭載される撮像レンズに好適なものである。

この光学ガラスは、酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）と、酸化硼素（Ｂ₂ Ｏ₃ ）と、酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）と、酸化亜鉛（ＺｎＯ）と、酸化ランタン（Ｌａ₂ Ｏ₃ ）と、酸化イットリウム（Ｙ₂ Ｏ₃ ）と、酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）と、酸化リチウム（Ｌｉ₂ Ｏ）と を構成成分として含むものである。

このうち、ＳｉＯ₂ は、この光学ガラスの骨格を形成する成分であり、１wt％以上５wt％以下の含有率で含まれている。この光学ガラスに１wt％以上のＳｉＯ₂ を添加することにより、成形温度領域（ガラスの屈伏温度Ｔｓから、それを５０℃程度上回る温度に至るまでの温度領域）においてガラス構造が安定化し、結晶化が抑制される。ＳｉＯ₂ の含有率を５wt％以下とすることにより、光学ガラスとしての溶解性が良好に保たれる。

Ｂ₂ Ｏ₃ は、この光学ガラスの骨格を形成する主成分である。Ｂ₂ Ｏ₃ の含有率を全体の１５wt％以上とすることにより光学ガラスとしての構造が安定化し、２４wt％以下とすることにより（例えばｄ線に対する屈折率ｎｄが１．８３を上回る程度の）高屈折率を実現しやすくなる。

Ａｌ₂ Ｏ₃ は、ガラス状態の安定性を向上させる成分である。すなわち、この光学ガラスの粘性を増すと共に結晶の成長を遅らせることで耐失透性を改善するように機能する。Ａｌ₂ Ｏ₃ の含有率を全体の０．１wt％以上３wt％以下とすることにより、上記の機能を効果的に発揮することができる。含有率が３wt％を超えると、むしろ失透しやすくなる。

ＺｎＯは、この光学ガラスの溶解性を向上させる機能を発揮する。ＺｎＯの含有率は、全体の１wt％以上１４wt％以下であるとよい。含有率を１ｗｔ％以上とすることにより溶解性を向上させることができる。また、含有率を１４ｗｔ％以下にすることにより（例えばｄ線に対する屈折率ｎｄが１．８３を上回る程度の）高屈折率を実現しやすくなる。

Ｌａ₂ Ｏ₃ は、この光学ガラスの屈折率と高めると共に分散を小さくする（すなわち、アッベ数を大きくする）効果をもたらす成分である。Ｌａ₂ Ｏ₃ の含有率を全体の３５wt％以上とすることにより、その効果が十分に発揮される。但し、過剰に添加するとガラス転移温度Ｔｇを６４０℃以下とすることが難しくなるので、その含有率を全体の４５wt％以下とすることが望ましい。

Ｙ₂ Ｏ₃ もまた、屈折率と高めると共に分散を小さくする（アッベ数を大きくする）成分である。Ｙ₂ Ｏ₃ の含有率を全体の５wt％以上とすることにより、その効果が十分に発揮される。但し、過剰に添加すると加工時の失透が生じやすくなる傾向にあるので、その含有率を全体の１０wt％以下とすることが望ましい。

Ｔａ₂ Ｏ₅ は、屈折率を高める成分である。また、Ｔａ₂ Ｏ₅ は、失透を防止する効果も期待される。但し、過剰に添加すると加工時の失透が生じやすくなる傾向にあるので、その含有率を５wt％以上１３wt％以下とするとよい。

Ｌｉ₂ Ｏは、ガラス転移温度Ｔｇを低下させる効果を主に発揮する成分である。但し、過剰に添加すると屈折率の低下およびガラス安定性の低下が生じるので、その含有率を０．５wt％以上３wt％以下とするとよい。

この光学ガラスは、任意成分として、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂ ），酸化ニオブ（Ｎｂ₂ Ｏ₃ ），酸化タングステン（ＷＯ₃ ），酸化ナトリウム（Ｎａ₂ Ｏ），酸化カリウム（Ｋ₂ Ｏ），および酸化アンチモン（Ｓｂ₂ Ｏ₃ ）のうちの少なくとも１種をさらに含むようにしてもよい。

ＺｒＯ₂ は、屈折率をさらに向上させる成分である。但し、過剰に添加するとガラス安定性の低下を招くので、その含有率を０wt％以上１０wt％以下とするとよい。

Ｎｂ₂ Ｏ₅ は、高屈折率を得るための有効な成分である。Ｎｂ₂ Ｏ₅ の含有率を全体の５wt％以下とすることで、良好な溶解性が得られやすい。

ＷＯ₃ もまた、高屈折率を得るために有効な成分である。ＷＯ₃ の含有率を全体の５wt％以下とすることで、良好な溶解性が得られやすい。

Ｎａ₂ ＯおよびＫ₂ Ｏは、Ｌｉ₂ Ｏと同様に、ガラス転移温度Ｔｇを低下させる効果を主に発揮する成分である。但し、これらを過剰に添加すると屈折率の低下およびガラス安定性の低下が生じるので、Ｎａ₂ ＯおよびＫ₂ Ｏの含有率をぞれぞれ０wt％以上３wt％以下とするとよい。

Ｓｂ₂ Ｏ₃ は、脱泡作用および消色作用を有する成分である。Ｓｂ₂ Ｏ₃ の含有率は、０wt％以上１wt％以下であるとよい。

この光学ガラスでは、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。但し、ＡはＬａ₂ Ｏ₃ およびＹ₂ Ｏ₃ の合計の含有率（wt％）であり、ＢはＺｒＯ₂ ，Ｎｂ₂ Ｏ₃ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ およびＷＯ₃の合計の含有率（wt％）である。

１．７＜Ａ／Ｂ＜２．６ ……（１）

条件式（１）を満足することにより、ガラス転移温度Ｔｇおよび屈伏温度Ｔｓがよりいっそう低く抑えられると共に、よりいっそう高い屈折率と、よりいっそう低い分散とが得られる。条件式（１）において、Ａ／Ｂが１．７以下となるとアッベ数が低下（分散が増大）し、Ａ／Ｂが２．６以上となると屈折率が低下する傾向がみられる。

この光学ガラスは、例えば次のように製造することができる。具体的には、まず、上記した各構成材料の原料粉末を所定の割合で混合して混合原料を得る。次に、この混合原料を１１００℃〜１３５０℃程度に加熱された坩堝に所定量ずつ投入し、坩堝の温度を維持しながら順次溶融させる（溶融処理）。さらに、坩堝の温度を維持しつつ、溶融した混合原料を所定時間に亘って攪拌したのち（攪拌処理）、所定時間、静止状態を保持することで泡を除去する（清澄処理）。最後に、坩堝の温度を維持した状態で攪拌しながら坩堝から流出させ、予め所定温度に加熱された型に流し込み、徐冷することにより本実施の形態の光学ガラスを得る。

さらに、この光学ガラスを用いてレンズを形成する場合には、次のように行う。まず、上記の光学ガラスを成形する光学素子の大きさや形状に応じて、所望の大きさや形状に加工し、プリフォームを形成する。次に、所望の形状に高精度に加工された金型によってプリフォームを挟み込み、プレス成形を行う。この際、プリフォームの屈伏温度近傍まで金型およびプリフォームの双方を昇温したのち加圧を行い、その加圧状態を維持しながらガラス転移温度以下まで降温する。成形されたレンズを金型から取り出したのち、必要に応じてアニーリングを行うなど所定の工程を経ることによりレンズの製造が完了する。

このように、本実施の形態の光学ガラスによれば、上記した各成分を所定量ずつ含むようにしたので、高屈折率かつ低分散を確保しつつ、屈伏温度（およびガラス転移温度）の低下を図ることができる。具体的には、例えばｄ線に対する屈折率ｎｄを１．８３超、アッベ数νｄを３７超としつつ、ガラス転移温度Ｔｇを６４０℃以下とすることができる。そのうえ、ガラスの屈伏温度Ｔｓの近傍の温度でプレス成形を行った場合であっても、それに伴う失透（いわゆる低温失透）を容易に回避することができる。また、この光学ガラスでは、高価な酸化ガドリニウム（Ｇｄ₂ Ｏ₃ ）を含有させなくとも、Ａｌ₂ Ｏ₃ を含有させることにより構造の安定化を図り、成形時における曇りなどの外観不良を生じにくくしている。また、Ｓｂ₂ Ｏ₃ を添加するようにすれば、実用上、支障となるような着色や、泡の混入を回避することができる。また、この光学ガラスでは、一般的に屈折率を高める成分として添加されるＴｉＯ₂ を含まないようにしたので、着色を回避することができる。

したがって、このような光学ガラスを用いることで、良好な光学特性を有するモールドレンズを、より効率的に製造することができる。さらに、この光学ガラスのプレス成形に用いる金型に加わる熱的な負荷を低減することができるので、金型の長寿命化に有利となる。さらに、この光学ガラスはヒ素（Ａｓ）、鉛（Ｐｂ）あるいはテルル（Ｔｅ）などの環境有害物質を含まないので、環境保全の観点からも好ましいものである。

次に、本発明における光学ガラスの具体的な実施例について説明する。

表１は、本発明の実施例としての光学ガラスを構成する各成分およびその含有率（wt％）を示したものである（実施例１〜１０）。

実施例１〜１０の光学ガラスは、いずれも、ＳｉＯ₂ ，Ｂ₂ Ｏ₃ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＺｎＯ，Ｌａ₂ Ｏ₃ ，Ｙ₂ Ｏ₃ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ ，Ｌｉ₂ Ｏを、以下に示す所定の含有率で含んでいる。
ＳｉＯ₂ ：１wt％以上５wt％以下
Ｂ₂ Ｏ₃ ：１５wt％以上２４wt％以下
Ａｌ₂ Ｏ₃ ：０．１wt％以上３wt％以下
ＺｎＯ：１wt％以上１４wt％以下
Ｌａ₂ Ｏ₃ ：３５wt％以上４５wt％以下
Ｙ₂ Ｏ₃ ：５wt％以上１０wt％以下
Ｔａ₂ Ｏ₅ ：５wt％以上１３wt％以下
Ｌｉ₂ Ｏ：０．５wt％以上３wt％以下

さらに、実施例１〜８，１０の光学ガラスは、ＺｒＯ₂ ，Ｎｂ₂ Ｏ₅ ，ＷＯ₃ ，Ｎａ₂ Ｏ，Ｋ₂ Ｏ，およびＳｂ₂ Ｏ₃ のうちの少なくとも１種を含んでいる。各成分の含有率は、以下の通りである。
ＺｒＯ₂ ：０wt％以上１０wt％以下
Ｎｂ₂ Ｏ₅ ：０wt％以上１０wt％以下
ＷＯ₃ ：０wt％以上５wt％以下
Ｎａ₂ Ｏ：０wt％以上３wt％以下
Ｋ₂ Ｏ：０wt％以上３wt％以下
Ｓｂ₂ Ｏ₃ ：０wt％以上１wt％以下

また、実施例１〜１０の光学ガラスには、１wt％以下のＳｂ₂ Ｏ₃ が含まれている。なお、表１に示した本実施例における各成分の含有率は、Ｓｂ₂ Ｏ₃ を除く全ての成分の合計重量を１００％として算出した数値で表したものである。

また、実施例１〜６，１０では、いずれも、上記した条件式（１）の要件を満たしている。

表１は、さらに、実施例１〜１０の光学ガラスにおける各種の特性値を示している。具体的には、実施例１〜１０の光学ガラスについて、ｄ線に対する屈折率ｎｄおよびアッベ数νｄ，ガラス転移温度Ｔｇ（℃），および屈伏温度Ｔｓ（℃）をそれぞれ示す。

比較例１として、Ｂ₂ Ｏ₃ の含有率が所定の範囲から外れた光学ガラスを作製し、比較例２として、本発明の必須成分であるＡｌ₂ Ｏ₃ を含まない光学ガラスを作製した。それらの比較例１，２の各成分および各特性値について表２に示す。

表１に示した各数値データから明らかなように、実施例１〜１０では、１．８３を超える高い屈折率ｎｄと、３７を超える高いアッベ数νｄとが確保され、かつ、６４０℃を下回るガラス転移温度Ｔｇが得られた。そのうえ、失透も生じなかった。一方、表２に示した比較例１，２では、いずれも失透が生じてしまった。

これらの結果から、本実施例の成分を有する光学ガラスは、屈折率ｎｄ、アッベ数νｄおよびガラス転移温度Ｔｇのバランスが非常に良好であるうえ、加工に伴う失透が生じにくい、実用性に優れたものであることがわかった。すなわち、本実施例の光学ガラスは、比較的低い温度において高精度なプレス成形が可能であり、より高い光学性能を有するレンズの構成材料として好適なものであることが確認できた。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、光学ガラスの成分は、上記各実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

Claims (4)

1. １重量％以上５重量％以下の含有率である酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）と、
   １５重量％以上２４重量％以下の含有率である酸化硼素（Ｂ₂ Ｏ₃ ）と、
   ０．１重量％以上３重量％以下の含有率である酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）と、
   １重量％以上１４重量％以下の含有率である酸化亜鉛（ＺｎＯ）と、
   ３５重量％以上４５重量％以下の含有率である酸化ランタン（Ｌａ₂ Ｏ₃ ）と、
   ５重量％以上１０重量％以下の含有率である酸化イットリウム（Ｙ₂ Ｏ₃ ）と、
   ５重量％以上１３重量％以下の含有率である酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）と、
   ０．５重量％以上３重量％以下の含有率である酸化リチウム（Ｌｉ₂ Ｏ）と
   を含むことを特徴とする光学ガラス。
2. さらに、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂ ），酸化ニオブ（Ｎｂ₂ Ｏ₅ ），酸化タングステン（ＷＯ₃ ），酸化ナトリウム（Ｎａ₂ Ｏ），酸化カリウム（Ｋ₂ Ｏ），および酸化アンチモン（Ｓｂ₂ Ｏ₃ ）のうちの少なくとも１種を含む
   ことを特徴とする請求項１記載の光学ガラス。
3. 酸化ジルコニウムの含有率は０重量％以上１０重量％以下であり、
   酸化ニオブの含有率は０重量％以上１０重量％以下であり、
   酸化タングステンの含有率は０重量％以上５重量％以下であり、
   酸化ナトリウムの含有率は０重量％以上３重量％以下であり、
   酸化カリウムの含有率は０重量％以上３重量％以下であり、
   酸化アンチモンの含有率は０重量％以上１重量％以下である
   ことを特徴とする請求項２記載の光学ガラス。
4. さらに、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項３または請求項４記載の光学ガラス。
   １．７＜Ａ／Ｂ＜２．６ ……（１）
   （但し、Ａは酸化ランタンおよび酸化イットリウムの合計の含有率（重量％）であり、Ｂは酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化タンタルおよび酸化タングステンの合計の含有率（重量％）である。）