JPS58181740A - 光集束性レンズ用ガラス組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光集束性レンズ用ガラス組成物において、イオ
ン交換法によって低色収差で大きい屈折率差を得るに適
したガラス組成に関する。

光集束性レンズがイオン交換法によって得られることは
特公昭ダ７こｇ／６．特公昭ｊ／−２／３９’１などに
記載されている０ガラス中にイオン交換可能な成分を含
ませておき、硝酸カリウム又は硝酸ナトリウム等を含む
溶融塩中で当該イオンのイオン交換を行なわせると、そ
の表面から深部に向って屈折率が変化する。

半径ｒのガラス細棒を溶融塩中に浸漬すると、ガラス中
の７価の陽イオンと溶融塩中の一価の陽イオンが相互に
イオン交換を行ない、第１図に示すような円柱状のガラ
ス細棒の中心から周囲に向って濃度勾配に基づく屈折率
分布を生じ、中心からｒの距離にある点の屈折率は ／ｒＬ　　ｆＬ。

争−沖（／−ａｒｃ）・・・・・・・・・・　（１）号
：中心からｒの点の屈折率 ル ｍ：中心の屈折率 ａニガラスと溶融塩によって決まる 定数 で表わされる。

又、その光集束性レンズの明るさ工は第２図に示すよう
に最大入射角をθとすると ＩＣ）ＣＫ　−Ｒ２・θ２・・・・・・・・・・・・　
（−）Ｋ：定数、Ｒ：光集束性レンズの半径 で与えられ、最大入射角が大きいほど明るい光集束性レ
ンズとなる。

又、θは次に示すように主としてイオン交換によって生
じる屈折率差へ浄によって決定される。

θｏｃめ丁−７・・・・・・・・・・・・（３）ガラス
中に含ませる屈折率分布形成用−価金属としては、タリ
ウム、セシウム、又はリチウムが有効であることが知ら
れている。これらの金属を含むガラスを溶融塩中でＫ又
はＮａとイオン交換する。従来高い屈折率差（△４）を
得るためにはイオン交換１分子による屈折率寄与率の高
いＴｌ　が有効であり、Ｔｌガラスが好んで用いられた
。例えばＴｌを含むガラスはイオン交換によって屈折率
差り争−ダコ、Ｊ＃　Ｘ　１ｏ−３、最大入射角も約コ
ｏ０と明るいレンズが得られている。

しか−色収差が大きいために光源が単色光に限られ、そ
の用途も制限されていた。

一方、従来のＯｓを含むガラスは色収差はＴｌに比し、
約／／１０と極めて小さいため、光源として白色光を使
用することができるが、その屈折率λ 差へ４−．３．！；９×１０−３　、最大入射角もせい
ぜし絽０と極めて小さいために明るさとして必ずしも充
分でなく、その用途も又限られていた。この原因はイオ
ン交換による／分子当りの屈折率寄与率が低いために大
量のＯｓをガラス中に含有させないと大きい屈折率差を
得ることができないこと、しがし第１表中の比較例コに
示すように多量のａＳをガラス中に含ませても必ずしも
含有量に見合った屈折率差をもった光集束性レンズを得
ることができないためであった。又ガラス中に多量のａ
Ｓを含ませることはガラスの耐久性、原料費及び溶融時
の失透発生からも問題があった。

更に詳述すれば、アルカリ金属として、屈折率分布形成
用のａＳのみを含む場合はイオン交換速度が極めて遅く
実用的なレンズはできなかった。

次に屈折率形成用としてａＳを含み他のアルカリ酸化物
としてに２０を含む場合も又第１表の比較例／、コに示
すように高い屈折率差の光集束性レンズを作ることはで
きない。屈折率形成イオンとしてａＳを含み他のアルカ
リ金属としてＮａ２Ｏを含む場合は（Ｃｓ２０＋に２０
＞の場合より得られる屈折率差は僅に大きくなるが顕著
な効果は期待できない。

屈折率分布形成金属としてＬｉを含むガラスもＯｓとほ
ぼ同様の特性をもつと考えられる。

本発明はその屈折率分布形成成分としてａＳとＬｌを同
時に含み前述した欠点を改良し、低色収差で高い屈折率
差をもった明るい光集束性レンズをつくるガラス組成物
を提供する。

Ｃｊｓを屈折率分布形成成分としてこれにある範囲でＬ
ｉを含有させ、硝酸カリウムの溶融塩中でイオン交換を
行なうことＫよって色収差が小さく、屈折率差の大きい
光集束性レンズを作ることができた。

本発明で規定するガラス組成範囲としては次の通りであ
る０　（単位ｍｏ１％） Ｓｉ０２　：　３０〜６１　、Ｂ２Ｏ３：　０−１０　
ｅ　　　５ｉ０２十Ｂ２Ｏ３：　３０〜７２　、　Ａｌ
２Ｏ３：　０〜７　、　ＺｎＯ：　　０〜−〇　、Ｍｇ
Ｏ：　０〜／ｊ。

ｐｂｏ　：　ｏ〜７ を主要成分とし安定化成分としてガラスの基本的特性を
損わない範囲で次の成分を含むことができる。

ＣａＯ：Ｏ〜λ、　ＳｒＯ：　０−２　、　ＢａＯ：　
Ｏ〜λ。

Ｌａ２Ｏ３：　ＯＮ２　、ＴｉＯ２：　０〜コ。

ｚｒＯ２：　０〜／、ＳｎＯ２：０Ａ−ｌ、Ａｓ２Ｏ３
；Ｏ〜／　、５ｂ２０３　：　０〜／ 以下その限定理由について説明する。

を生じやすくなる。Ｘ６ｇ％を越えるとガラス形成上必
要な他成分が限定され必要な屈折率差を得ることができ
なくなる。

また溶融温度が１１１６０℃以上となり、溶融中の未溶
解物、泡、脈理などの欠点を生ずる。好ましくは５２〜
６７％である。

Ｂ２Ｏ３もガラス形成実成分でガラスの溶融温度を下げ
るのに最も効果のある融剤であるが溶融中罠揮発しやす
いためにガラス組成のバラツキが大きくなること及びイ
オン交換による屈折率分布の形状を劣化させもしくはイ
オン交換速度を低下させ又イオン交換中にガラス表面忙
クラックを生じる等の欠点を生じるので７０％以下とす
ることが必要であり好ましくは７％以下である。

５ｉ０２十Ｂ２Ｏ３の好ましい範囲は５２〜７０％であ
るＯｋｌ　２ｏ　３はガラスの耐久性及び失透性を改善
し、７％以下の範囲で含有させることができる。

ＺｎＯはガラスの耐久性を改善し、溶融を容易にし、レ
ンズの屈折率分布形状を改良するのに有効である。ただ
し２０％を越えると失透性が増大する。好ましい範囲は
５〜７６％である。

ＭｇＯもＺｎＯと同様の理由で用いられるがｚｎＯに比
べ溶融温度が高くなり、失透しやすくなるために７３％
以下に抑えることが必要である。

好ましくは７３％以下である。

Ｒ２０はイオン交換速度を大きく左右する。含有量を増
大させるにつれイオン交換速度は増大する。

又、ガラスの失透性向を改善するにも有効である。

しかし、／ざ％を越えると他の屈折率寄与成分が抑えら
れ、耐久性も低下するので本発明では１１％以下に規定
する。好ましくはＯ〜／乙％である０Ｃｓ２０は屈折率
分布を形成する主要成分であり、大きな屈折率差を得る
ためには多量のＣ１５ＢＯを含有させる必要がある。１
％未満では必要な屈折率差を得ることができない。また
−０％を越えるとｃｓ２ｏを含めた全Ｒ２０含有量が大
きくなり、耐久性が低下するので！−，１０％の範囲内
とする必要がある。好ましい範囲は３−　＃％である。

Ｌ１２０はＣ６２０と併用して含有させることによりイ
オン交換によって得られるＣｓ２Ｏの屈折率差をより大
きくする相乗作用的な働きをする。従って当然Ｃｓ２Ｏ
含有量が大きくなればそれに合せて、Ｌｉ２Ｏ含有量を
増やすことが好ましい。

Ｃｓ２０４１％に必要なＬ１２０は２％である。ＣＦ３
２０含有量が増えるに従ってＬ１２０を増大させること
が好ましいがＲ２０の総合有量が著るしく大きくなった
場合、ガラスの耐久性が低下するのでＬｉ２Ｏは／−％
以下とする必要がある。

好ましくは２〜７７％である。

Ｎａ２Ｏは屈折率差、屈折率分布形状に対しては特に影
響を与えないが、ガラスの溶融温度を低下させ、イオン
交換温度を下げるのに有効である。

従って耐久性を低下させない限度の７１％まで含有させ
ることができるが、好ましくは０〜／よ％である。

上述のようＫ　Ｒ２Ｃ１の総合有量があまり多いとガラ
スの耐久性が低下するので本発明において、Ｃ１５２０
ｔ　Ｌｉ２Ｏｐ　Ｒ２０、Ｎａｎｏ　（７）合計量は／
！；　〜３６％の範囲内に選ぶＣ要があり、さらに２０
〜３ｔ１％の範囲内とするのが望ましい。

ＰｂＯはガラスの失透性を改善する有効な成分であり７
％を限度として含有させることができる。

それを越えるとイオン交換速度を低下させ、屈折率分布
形状を劣化させる。

その他、ガラスの基本的な特性を変えない下記範囲に於
てガラス安定化成分を含有させることができる。

ＣａＯ：　０−ｊ　、　ＳｒＯ：　ＯＮ２　、　ＢａＯ
：　ＯＮＪＬａ２０３　：　０〜２　、　ＴｉＯ２：　
０〜ｊＺｒ０２　：　０〜／　ｒ　５ｎ０２　：　０〜
／　＋　Ａｓ２Ｏ３：　０〜／。

５ｂ２ｏ３　：　ｏ〜／ 実施例 二酸化ケイ素−タ２ｇｇ、酸化亜鉛ざｉｌＩｇ、炭酸カ
リウムフタ２ｔ１ｇ。硝醗セシウム−９コ／ｇ、炭酸リ
チウム２６’ｌ　ｇをそれぞれ秤量し２０７１のポリ容
器の中で均質に混合し、次に２１の石英ルツボを用いて
７４００°Ｃの溶融炉の中でう７メルトを行し、脈理、
泡のない均質なガラスとなった後、１００ｃｌ）７時間
の割合で１０３０″Ｃまで降温した。

その後タテ２３０ｍｍ　、ヨコ−００ｍｍ、高さ２５ｍ
ｍの金型の中にキャストし、徐冷炉にて常温までゆっく
り冷却した。

徐冷の終ったガラスをダイヤモンドカッターを用いて切
り出し、直径約コＯｍｍの丸棒を採取した。

次に紡糸炉を用いてこの丸棒を約／　ｍｍの直径のガラ
ス細棒に紡糸後！；７０”Ｃの硝酸カリウム溶融　仏壇
中で２ｇ時間イオン交換したところ周期長−Ｊ、７ｍｍ
で屈折率分布良好な光集束性レンズを得ることができた
。

このレンズを切断、研磨しｊ、ｊｍｍに仕上げた後最大
入射角を測定したところ／Ｊ、ダ０　であった。

同様にしてガラスの組成を種々変えて得られた光集束性
レンズの中心屈折率、中心と周辺の屈折率差、最大入射
角をそれぞれ測定した。

また比較例としてＬｉ、２０を含まないガラスを上記と
同様に溶解・、成型、紡糸した後イオン交換゛して光集
束性レンズを製作した。

その結果を第１表に示す。

なお、表中の実施例ム乙については１３３０℃で溶融し
７０２０℃で金型にキャストした。

第１表から明らかなようにｃｓ２ｏとＬｉ２Ｏとを一定
量範囲内でガラス中に共存させると０８２０を単独に含
有してＬ１２０を含まないガラスに比べはるかに屈折率
差の大きい明るいレンズを作ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光集束性レンズの横断面及びその
屈折率分布を示す図、第２図は本発明に係る光集束性レ
ンズ中を光線が進行する状態を示す側断面図である。 第１表（１） イオン交換時間は１ｎ径／、　Ｏｎｏｎのガラス細棒を
処理した値−第１表（２） 第１ＩＩ 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　：　モル％で　　　　　　　　　３ Ｓｉ０２　：　ｓｏ−＋、ｒ、。 Ｂ２Ｏ３：０〜１０゜ ５ｉ０２＋Ｂ２Ｏ３：　！；０〜７２ Ａ１２０３：０〜７゜ ｚｎｏ　：　ｏ〜−〇。 ＭｇＯ：　０〜／３゜ ａｓ２ｏ　；　ｌｌ−ｒｏ　。 Ｌｉ２Ｏ：　２〜／、２゜ Ｋ２Ｏ：　Ｏ〜／ざ。 Ｎａ２Ｏ：　０〜／ｇ。 ０８２０＋Ｌ１２０＋に２０＋Ｎａ２Ｏ：　　／！；　
   −３１゜ｐｂｏ　：　ｏ〜７ を１ミ要成分と〔９７、更に安定化成分とし７てＯａＯ
   ：　０〜．２　、　ＳｒＯ：　０−．２　、　ＢａＯ：
   　０−２　。 Ｌａ２Ｏ３：０〜コ、ＴｌＯ２：　Ｏ−２、ＺｒＯ２：
   ０〜／　＋５ｎ０２　：　　０〜／　、ＡＳ２０３　：
   　　Ｏ〜／　、５ｂ２０ｓ　　：　　０〜ｌ を含むイオン交換法によって製造される光集束性レンズ
   に適したガラス組成物。