JP7598095B2

JP7598095B2 - 光学ガラス

Info

Publication number: JP7598095B2
Application number: JP2021530602A
Authority: JP
Inventors: 聡子此下; 高宏俣野
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2024-12-11
Anticipated expiration: 2040-06-26
Also published as: US20220340475A1; CN113825731A; JPWO2021006072A1; US12466760B2; EP3995461A4; EP3995461A1; WO2021006072A1; EP3995461B1

Description

本発明は、レンズ等の光学素子に使用される光学ガラスに関する。

例えばプロジェクター付きメガネ、眼鏡型やゴーグル型ディスプレイ、仮想現実または拡張現実表示装置、虚像表示装置等のウェアラブル機器には、レンズ等の光学素子としてガラス材料が使用される。当該ガラス材料には、画像の広角化、高輝度・高コントラスト化、導光特性向上性等の面から、高屈折率特性が求められる。また、車載用カメラ、ロボット用視覚センサー等の用途に、小型で撮像画角の広い撮像ガラスレンズが用いられている（例えば、特許文献１参照）。このような撮像ガラスレンズに対しても高屈折率特性が求められる。

特開２０１５－７４５７２号公報

しかしながら、従来、高屈折率のガラス組成にする場合、屈折率を高める成分として可視域に吸収を持つ元素が使用される使用されることが多い。そのため、一般に、高屈折率ガラスは可視域の光透過率が低いという問題がある。また、高屈折率のガラス組成にする場合、ガラス骨格を構成する成分が少なくなる傾向にある。そのため、一般に、高屈折率ガラスは失透しやすく、量産性に劣るという問題がある。

以上に鑑み、本発明は、可視域の光透過率特性及び耐失透性に優れ、高屈折率特性を有する光学ガラスを提供することを目的とする。

本発明者等が鋭意検討した結果、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３といった高屈折率成分を含有するとともに、ガラス化安定性に寄与するＳｉＯ_２及びＢ_２Ｏ_３の含有量を厳密に規制することにより、前記課題を解決できることを見出した。

即ち、本発明の光学ガラスは、質量％で、ＳｉＯ_２３～１８％、Ｂ_２Ｏ_３５～１１．５％、Ａｌ_２Ｏ_３０～７％、ＣａＯ０～１１％、ＺｎＯ１％以下、ＴｉＯ_２７～２０％、Ｎｂ_２Ｏ_５３～３８％、Ｌａ_２Ｏ_３２７～４９．８％、Ｇｄ_２Ｏ_３６～１４％、Ｙ_２Ｏ_３０～５％、Ｔａ_２Ｏ_５６％未満、ＷＯ_３０．６％以下を含有し、Ｂ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２１～２であることを特徴とする。

本発明の光学ガラスは、質量％で、Ｌｎ_２Ｏ_３３６％以上（ただし、ＬｎはＬａ、Ｇｄ、Ｙ及びＹｂから選択される少なくとも１種）を含有することが好ましい。

本発明の光学ガラスは、質量％で、ＢａＯ０～０．２％未満を含有することが好ましい。

本発明の光学ガラスは、屈折率（ｎｄ）が１．８４～２．０４であることが好ましい。

本発明の光学ガラスは、液相温度が１１５０℃以下であることが好ましい。

本発明の光学ガラスは、波長５００ｎｍにおける５ｍｍ厚での直線透過率が７２％以上であることが好ましい。

本発明の光学素子は、上記の光学ガラスからなることを特徴とする。

本発明によれば、可視域の光透過率特性及び耐失透性に優れ、高屈折率特性を有する光学ガラスを提供することが可能となる。

本発明の光学ガラスは、質量％で、ＳｉＯ_２３～１８％、Ｂ_２Ｏ_３５～１１．５％、Ａｌ_２Ｏ_３０～７％、ＣａＯ０～１１％、ＺｎＯ１％以下、ＴｉＯ_２７～２０％、Ｎｂ_２Ｏ_５３～３８％、Ｌａ_２Ｏ_３２７～４９．８％、Ｇｄ_２Ｏ_３６～１４％、Ｙ_２Ｏ_３０～５％、Ｔａ_２Ｏ_５６％未満、ＷＯ_３０．６％以下を含有し、Ｂ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２１～２であることを特徴とする。ガラス組成をこのように限定した理由を以下に説明する。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り「％」は「質量％」を意味する。

ＳｉＯ_２はガラス骨格成分であり、ガラス化の安定性及び化学耐久性を向上させる成分である。ＳｉＯ_２の含有量は３～１８％であり、３．５～１５％、４～１２％、特に５～１０％であることが好ましい。ＳｉＯ_２の含有量が少なすぎると、上記効果が得にくくなる。一方、ＳｉＯ_２の含有量が多すぎると、屈折率が低下する傾向にある。

Ｂ_２Ｏ_３はガラス化の安定性に寄与する成分である。Ｂ_２Ｏ_３の含有量は５～１１．５％であり、６．５～１１．５％、７～１１％、８～１０．５％、特に９～１０．５％未満であることが好ましい。Ｂ_２Ｏ_３の含有量が少なすぎると、上記効果が得にくくなる。一方、Ｂ_２Ｏ_３の含有量が多すぎると、屈折率が低下するとともに、化学的耐久性が低下する傾向がある。

なお、ガラス化の安定性を高め量産性を向上させるためには、ＳｉＯ_２とＢ_２Ｏ_３の割合を適切に調節することが好ましい。具体的には、質量比でＢ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２は１～２であり、１．３～１．９９、特に１．５～１．９８であることが好ましい。なお本明細書において、「Ｘ／Ｙ」はＸの含有量をＹの含有量で除した値を意味する。

Ａｌ_２Ｏ_３は耐水性を向上させる成分である。ただし、その含有量が多すぎるとガラスが失透しやすくなる。従って、Ａｌ_２Ｏ_３は０～７％であり、０～５％、０～２％、特に０～１％であることが好ましい。

ＣａＯはアルカリ土類金属酸化物の中でも特にガラス安定化に寄与しやすい成分である。ただし、その含有量が多すぎると屈折率が低下する傾向にある。従って、ＣａＯの含有量は０～１１％であり、０．１～９％、１～８％、２～７％、特に３～６％であることが好ましい。

ＺｎＯは本発明の組成系においては失透を促進する成分であり、その含有量は少ないほうが好ましい。具体的には、ＺｎＯの含有量は１％以下であり、０．５％以下、さらには０．１％以下が好ましく、含有しないことが特に好ましい。

ＴｉＯ_２はガラスの屈折率を高める成分である。また化学耐久性も向上させる効果がある。ＴｉＯ_２の含有量は７～２０％であり、８～１８％、９～１７％、特に１０～１６％であることが好ましい。ＴｉＯ_２の含有量が少なすぎると、上記効果が得にくくなる。一方、ＴｉＯ_２の含有量が多すぎると、ガラスの可視域の透過率が低下し、ガラス化の安定性も低下する傾向がある。

Ｎｂ_２Ｏ_５はガラスの屈折率を高める成分である。Ｎｂ_２Ｏ_５の含有量は３～３８％であり、４～３０％、５～１９％、６～１４％、特に７～１０％であることが好ましい。Ｎｂ_２Ｏ_５の含有量が少なすぎると、上記効果が得にくくなる。一方、Ｎｂ_２Ｏ_５の含有量が多すぎると、耐失透性が低下して量産性が低下しやすくなる。また可視域の光透過率が低下する傾向にある。

Ｌａ_２Ｏ_３は屈折率を高め、またガラス化の安定性も向上させる成分である。Ｌａ_２Ｏ_３の含有量は２７～４９．８％であり、３０～４９．５％、３５～４９％、特に３８～４８．５％であることが好ましい。Ｌａ_２Ｏ_３の含有量が少なすぎると、上記効果が得にくくなる。一方、Ｌａ_２Ｏ_３の含有量が多すぎると、失透しやすくなる。耐失透性が低下して量産性に劣る傾向がある。

Ｇｄ_２Ｏ_３も屈折率を高め、またガラス化の安定性も向上させる成分である。Ｇｄ_２Ｏ_３の含有量は６～１４％であり、６～１０％、特に６～９％であることが好ましい。

Ｙ_２Ｏ_３は屈折率を低下させることなく、ガラス化の安定性を向上させる成分である。ただし、その含有量が多すぎると、失透や脈理が発生しやすくなる。よって、Ｙ_２Ｏ_３の含有量は０～５％であり、０．１～４％、０．３～２％、０．４～１％特に、０．５～０．８％であることが好ましい。

Ｔａ_２Ｏ_５は屈折率を高める成分である。しかしながら、その含有量が多すぎると、分相や失透が生じやすくなる。また、Ｔａ_２Ｏ_５は希少であり高価な成分であるため、その含有量が多くなると、原料バッチコストが高くなる。以上に鑑み、Ｔａ_２Ｏ_５の含有量は６％未満であり、３％以下、１％以下が好ましく、含有しないことが特に好ましい。

ＷＯ_３は屈折率を高める成分であるが、可視領域の光透過率を低下させる傾向がある。従って、その含有量は０．６％以下であり、０．５％以下、０．３％以下が好ましく、含有しないことが特に好ましい。

本発明の光学ガラスには、上記成分以外にも以下の成分を含有させることができる。

Ｙｂ_２Ｏ_３は屈折率を高める成分である。ただし、その含有量が多すぎると、失透や脈理が発生しやすくなる。よって、Ｙｂ_２Ｏ_３の含有量は０～１０％、０～８％であることが好ましい。

ＺｒＯ_２は屈折率や化学的耐久性を高める成分である。ＺｒＯ_２の含有量は０～１０％、１～９％、３～８％、４～７．５％、特に５～７％であることが好ましい。ＺｒＯ_２の含有量が多すぎると失透しやすくなる。

ＳｒＯはガラス化の安定性に寄与する成分である。ただし、その含有量が多すぎると屈折率が低下する傾向にある。従って、ＳｒＯの含有量は０～１１％、０．１～９％、特に１～８％であることが好ましい。

ＢａＯはガラス化の安定性に寄与するとともに、屈折率を高める成分である。ただし、ＢａＯを含有させるとガラスの密度が大きくなり、本発明の光学ガラスからなる光学素子の重量が大きくなる傾向がある。そのため、特にウェアラブル機器等の用途には好ましくない。従って、ＢａＯの含有量は１％以下、０．５％以下、０．２％以下であることが好ましく、含有しないことが特に好ましい。

Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏは、軟化点を低下させる成分であるが、その含有量が多すぎると失透しやすくなる。よって、これらの成分の含有量は各々０～３％、各々０～１％が好ましく、含有しないことが特に好ましい。

Ｌｎ_２Ｏ_３は３６％以上、４０％以上、４５％以上、特に４８％以上であることが好ましい。このようにすれば、屈折率及び可視域の光透過率を高めることが可能となる。Ｌｎ_２Ｏ_３の含有量の上限は特に限定されないが、多すぎると失透しやすくなるため、７０％以下、６５％以下、特に６０％以下であることが好ましい。なおＬｎ_２Ｏ_３における、ＬｎはＬａ、Ｇｄ、Ｙ及びＹｂから選択される少なくとも１種である。即ち、Ｌｎ_２Ｏ_３はＬａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３及びＹｂ_２Ｏ_３の合量を意味する。

本発明において高屈折率かつガラス化の安定性に優れたガラスを得るためには、ＳｉＯ_２とＢ_２Ｏ_３の合量とＬｎ_２Ｏ_３の割合を適切に調節することが好ましい。具体的には、（ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３）／Ｌｎ_２Ｏ_３は０．１５～０．９、０．２～０．６、特に０．２５～０．５であることが好ましい。なお、本明細書において「Ｘ＋Ｙ＋・・・」は、各成分の合量を意味する。

本発明において、高屈折率で可視域の透過率に優れたガラスを得るためには、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＷＯ_３の割合を適切に調整することが好ましい。具体的には、質量比でＮｂ_２Ｏ_５／（Ｎｂ_２Ｏ_５＋ＴｉＯ_２＋ＷＯ_３）が０．１５～０．８、０．２～０．６、特に０．３～０．５であることが好ましい。

高屈折率で可視域の透過率に優れたガラスを得るためには、ＴｉＯ_２とＮｂ_２Ｏ_５の割合を適切に調整することが好ましい。具体的には、質量比でＴｉＯ_２／Ｎｂ_２Ｏ_５が０．３以上、０．５以上、０．８以上、特に１以上であることが好ましい。当該比率が小さすぎると、上記効果が得にくくなる。また、ガラス化が不安定になる傾向がある。

本発明において、可視域の透過率に優れたガラスを得るためには、ＴｉＯ_２、ＷＯ_３及びＮｂ_２Ｏ_５の合量を適切に調整することが好ましい。具体的には、ＴｉＯ_２＋ＷＯ_３＋Ｎｂ_２Ｏ_５が４５％以下、３０％以下、２７％以下、特に２５％以下であることが好ましい。

本発明において、屈折率及び可視域の光透過率を高めるとともに、ガラス化の安定性を向上させるためには、Ｙ_２Ｏ_３とＬｎ_２Ｏ_３の割合を適切に調整することが好ましい。具体的には、Ｙ_２Ｏ_３／Ｌｎ_２Ｏ_３が０～０．１、０．００５～０．０５、特に０．０１～０．３であることが好ましい。

本発明において、屈折率及び可視域の光透過率を高めるとともに、ガラス化の安定性を向上させるためには、Ｇｄ_２Ｏ_３とＬｎ_２Ｏ_３の割合を適切に調整することが好ましい。具体的には、Ｇｄ_２Ｏ_３／Ｌｎ_２Ｏ_３が０．１～０．２５、特に０．１２～０．２であることが好ましい。

本発明において、高屈折率で可視域の透過率に優れたガラスを得るためには、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＷＯ_３、Ｌｎ_２Ｏ_３の割合を適切に調整することが好ましい。具体的には、質量比でＮｂ_２Ｏ_５／（Ｎｂ_２Ｏ_５＋ＴｉＯ_２＋ＺｒＯ_２）が０．１～０．４６、０．１５～０．４、特に０．２～０．３７であることが好ましい。

本発明において、屈折率及び可視域の光透過率を高めるとともに、ガラス化の安定性を向上させるためには、ＴｉＯ_２及びＢ_２Ｏ_３の合量とＷＯ_３及びＮｂ_２Ｏ_５の合量の割合を適切に調整することが好ましい。具体的には、（ＴｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３）／（ＷＯ_３＋Ｎｂ_２Ｏ_５）が１．６～４、特に２～３．５であることが好ましい。

本発明において、ガラス化の安定性を高めるためには、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ及びＺｎＯの合量とＮｂ_２Ｏ_５、Ｌａ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２及びＺｒＯ_２の合量の割合を適切に調整することが好ましい。具体的には、（ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ）／（ＴｉＯ_２＋Ｎｂ_２Ｏ_５＋Ｌａ_２Ｏ_３＋ＺｒＯ_２）が０～０．６、０．０１～０．４、特に０．０３～０．３であることが好ましい。

なお、Ａｓ成分（Ａｓ_２Ｏ_３等）やＰｂ成分（ＰｂＯ等）は環境負荷が大きいため含有しないことが好ましい。

本発明の光学ガラスの屈折率（ｎｄ）は１．８４～２．０４、１．８８～２．０１、特に１．８９～２．００であることが好ましい。また、本発明の光学ガラスの可視域における光透過率は、５ｍｍ厚での光透過率（直線透過率）が波長５００ｎｍにおいて７２％以上であることが好ましく、７４％以上であることがより好ましく、７５％以上がさらに好ましい。本発明の光学ガラスは、上記光学特性を満たすことにより、小型で高範囲を撮影することができる撮像ガラスレンズ等の光学素子として好適となる。

なお、本発明の光学ガラスのアッベ数（νｄ）は特に限定されないが、ガラス化の安定性を考慮し、３９以下、３５以下、特に３１以下、さらに３０以下が好ましい。

本発明の光学ガラスの部分分散比（θｇ、Ｆ）は０．６１５以下、０．６１以下、特に０．６以下であることが好ましい。部分分散比が大きすぎると、色収差が生じやすくなる。

本発明の光学ガラスの液相温度は１１５０℃以下、１１００℃以下、特に１０７０℃以下であることが好ましい。このようにすれば、溶融時や成形時に失透しにくいため、量産性が向上しやすくなる。

以下に、本発明を実施例を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１及び２は本発明の実施例（Ｎｏ．１～１０）を示す。

まず表１及び２に示す各組成になるようにガラス原料を調合し、白金ルツボを用いて１２００～１３５０℃で２時間溶融した。溶融ガラスをカーボン板上に流し出し、さらに７００～８００℃で２～７２時間保持することによりアニールした後、各測定に適した試料を作製した

得られた試料について、屈折率（ｎｄ）、アッベ数（νｄ）、光透過率、液相温度を測定した。結果を表１及び２に示す。

屈折率はヘリウムランプのｄ線（５８７．６ｎｍ）に対する測定値で示した。

アッベ数は、上記ｄ線の屈折率と、水素ランプのＦ線（４８６．１ｎｍ）、同じく水素ランプのＣ線（６５６．３ｎｍ）の屈折率の値を用い、アッベ数（νｄ）＝［（ｎｄ－１）／（ｎＦ－ｎＣ）］の式から算出した。

液相温度は、電気炉で１２００℃－０．５時間の条件でガラスを再溶融後、温度勾配を有する電気炉で１８時間保持した後、電気炉から取り出して空気中で放冷し、光学顕微鏡で失透物の析出位置を求めることで測定した。

直線透過率は以下のようにして測定した。光学研磨された厚さ５ｍｍ±０．１ｍｍの試料について、分光光度計（株式会社島津製作所製ＵＶ－３１００）を用いて、表面反射損失を含む直線透過率を０．５ｎｍ間隔で測定した。測定により得られた光透過率曲線から波長５００ｎｍにおける直線透過率を読み取った。

表１及び２に示す通り、実施例であるＮｏ．１～１０の試料は、所望の光学特性を示すとともに、液相温度が１１５０℃以下と低く耐失透性に優れていた。また波長５００ｎｍにおける直線透過率が７３％以上と良好であった。

Claims

質量％で、ＳｉＯ_２３～１８％、Ｂ_２Ｏ_３５～１１．５％、Ａｌ_２Ｏ_３０～７％、ＣａＯ０～１１％、ＺｎＯ１％以下、ＴｉＯ_２１０～２０％、Ｎｂ_２Ｏ_５３～３８％、Ｌａ_２Ｏ_３２７～４９．８％、Ｇｄ_２Ｏ_３６～１４％、Ｙ_２Ｏ_３０～５％、Ｔａ_２Ｏ_５６％未満、ＷＯ_３０．６％以下、ＢａＯ０～０．２％未満を含有し、Ｂ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２１～２であり、液相温度が１１５０℃以下であることを特徴とする光学ガラス。
質量％で、Ｌｎ_２Ｏ_３３６％以上（ただし、ＬｎはＬａ、Ｇｄ、Ｙ及びＹｂから選択される少なくとも１種）を含有することを特徴とする請求項１に記載の光学ガラス。
屈折率（ｎｄ）が１．８４～２．０４であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学ガラス。
波長５００ｎｍにおける５ｍｍ厚での直線透過率が７２％以上であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の光学ガラス。
請求項１～４のいずれか一項に記載の光学ガラスからなることを特徴とする光学素子。