(57)【要約】【課題】化学強化された光学素子であって、これを用いた光学機器の画像に、色ムラ、強度ムラ、色バランスの低下等を発生させることがない光学素子を提供する。【解決手段】表面に化学強化処理により形成された圧縮応力層を有する化学強化ガラスからなる光学素子であって、垂直入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下、２０°入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下、４０°入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下である光学素子。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に化学強化処理により形成された圧縮応力層を有する化学強化ガラスからなる光学素子であって、
垂直入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下、２０°入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下、４０°入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下であることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
垂直入射光に対する複屈折量が５ｎｍ／ｃｍ以下、２０°入射光に対する複屈折量が５ｎｍ／ｃｍ以下、４０°入射光に対する複屈折量が６ｎｍ／ｃｍ以下である請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
垂直入射光に対する複屈折量が２ｎｍ／ｃｍ以下、２０°入射光に対する複屈折量が２ｎｍ／ｃｍ以下、４０°入射光に対する複屈折量が４ｎｍ／ｃｍ以下である請求項１記載の光学素子。
【請求項４】
前記圧縮応力層の深さが、５〜３５μｍである請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素子。
【請求項５】
前記圧縮応力層の圧縮応力が５００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下である請求項１乃至４のいずれか１項記載の光学素子。
【請求項６】
前記化学強化ガラスの厚さが、１〜６ｍｍである請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種光学機器に使用されるレンズや、レンズを保護するカバーガラス等の光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の光学機器には、レンズやフィルタ、あるいはこれらを保護する保護カバー等、ガラスやプラスチックを材料とした光学素子が多数使用されている。近年、光学機器は、高機能化、高精度化、高強度化、小型軽量化等が進み、それに伴い光学素子についても、機能や精度の向上等とともに、軽量化が求められている。特に、ガラスはプラスチックに比べて重いため、その重量を軽くすることが強く求められている。
【０００３】
そこで、ガラスの厚みを薄くして軽量化することが検討されている。しかしながら、厚みを薄くすると機械的強度や耐衝撃性が低下するため、例えば、化学処理によりガラスを強化する必要がある。化学処理による強化は、一般に化学強化と称され、通常、アルカリ金属イオンがガラスの表面で交換され、表面に強い圧縮応力層が形成されることによって、機械的強度が向上するものである。
【０００４】
しかしながら、このように化学強化されたガラスは、圧縮応力層の形成によって、複屈折を示すようになり、これを用いた光学機器においては、画像に色ムラや強度ムラが現れ、また色のバランスが低下することがあった。このような現象は、水面で反射した光のような、偏光した光が入射した場合に、特に、顕著であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２２６２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、化学強化された光学素子であって、これを用いた光学機器の画像に、色ムラ、強度ムラ、色バランスの低下等を発生させることがない光学素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る光学素子は、表面に化学強化処理により形成された圧縮応力層を有する化学強化ガラスからなる光学素子であって、垂直入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下、２０°入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下、４０°入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下であることを特徴としている。
ここで「複屈折量」とは、光学素子の複屈折値を測定し、これを光学素子の厚み（単位：ｃｍ）で除した値をいう。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、化学強化された光学素子であって、これを用いた光学機器の画像に、色ムラ、強度ムラ、色バランスの低下等を発生させることがない光学素子を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の光学素子は、表面に化学強化処理により形成された圧縮応力層を有する化学強化ガラスからなる光学素子であって、垂直入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下、２０°入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下、４０°入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下であるものである。
【００１０】
［ガラスの組成］
まず、本発明に使用されるガラス、すなわち、化学強化処理に供されるガラスの組成について説明する。例えば、下記に示す組成が挙げられる。ここでは、ガラス組成の説明は、特に断らない限り、質量％表示含有量を用いて行う。
【００１１】
このガラス組成は、ＳｉＯ２を３０〜８０％、Ｂ２Ｏ３を０〜１５％、Ａｌ２Ｏ３を０〜２５％、Ｎａ２Ｏを５〜２０％、Ｋ２Ｏを０〜１５％、ＭｇＯを０〜１０％、ＣａＯを０〜１０％、ＢａＯを０〜１０％、ＺｒＯ２を０〜７％、ＴｉＯ２を０〜３０％含有する。
【００１２】
ＳｉＯ２はガラスの骨格を構成する成分であり必須である。３０％未満ではガラスとしての安定性または耐候性が低下する。好ましくは４０％以上であり、より好ましくは５５％以上である。また、ＳｉＯ２が８０％超ではガラスの粘性が増大し溶融性が著しく低下する。好ましくは７５％以下、より好ましくは７０％以下である。
【００１３】
Ｂ２Ｏ３はガラスの耐候性を向上させる成分であり、必須ではないが必要に応じて含有することができる。Ｂ２Ｏ３を含有する場合、４％未満では耐候性向上について有意な効果が得られないおそれがある。好ましくは５％以上であり、より好ましくは６％以上である。また、Ｂ２Ｏ３が１５％超では揮散による脈理が発生し、歩留まりが低下するおそれがある。好ましくは１１％以下、より好ましくは１０％以下である。
【００１４】
Ａｌ２Ｏ３はガラスの耐候性および化学強化特性を向上させる成分であり、必須ではないが必要に応じて含有することができる。Ａｌ２Ｏ３を含有する場合、４％未満では耐候性および化学強化特性の向上について有意な効果が得られないおそれがある。好ましくは３％以上であり、より好ましくは４％以上である。また、Ａｌ２Ｏ３が２５％超ではガラスの粘性が高くなり均質な溶融が困難になる。好ましくは２０％以下、より１６％以下である。
【００１５】
Ｎａ２Ｏはガラスの溶融性を向上させる成分であり、またイオン交換により表面圧縮応力層を形成させるため、必須である。５％未満では溶融性が悪く、またイオン交換により所望の表面圧縮応力層を形成することができない。好ましくは７％以上、より好ましくは８％以上である。また、Ｎａ２Ｏが２０％超では耐候性が低下する。好ましくは１８％以下、より好ましくは１５％以下である。
【００１６】
Ｋ２Ｏはガラスの溶融性を向上させる成分であるとともに、化学強化におけるイオン交換速度を大きくする作用があるため、必須ではないが含有することが好ましい成分である。Ｋ２Ｏを含有する場合、０．０１％未満では溶融性向上について有意な効果が得られない、またはイオン交換速度向上について有意な効果が得られないおそれがある。好ましくは０．３％以上である。また、Ｋ２Ｏが１５％超では耐候性が低下する。好ましくは１２％以下、より好ましくは８％以下である。
【００１７】
ＭｇＯはガラスの溶融性を向上させる成分であり、必須ではないが必要に応じて含有することができる。ＭｇＯを含有する場合、２％未満では溶融性向上について有意な効果が得られないおそれがある。好ましく４％以上である。また、ＭｇＯが１０％超では耐候性が低下する。好ましくは８％以下、より好ましくは６％以下である。
【００１８】
ＣａＯはガラスの溶融性を向上させる成分であり、必要に応じて含有することができる。ＣａＯを含有する場合、０．０１％未満では溶融性向上について有意な効果が得られない。好ましくは０．１％以上である。また、ＣａＯが１０％超では化学強化特性が低下する。好ましくは８％以下、より好ましくは５％以下である。
【００１９】
ＢａＯはガラスの溶融性を向上させる成分であり、必要に応じて含有することができる。ＢａＯを含有する場合、０．０１％未満では溶融性向上について有意な効果が得られない。好ましくは０．１％以上である。また、ＢａＯが１０％超では化学強化特性が低下する。好ましくは８％以下、より好ましくは５％以下である。
【００２０】
ＺｒＯ２はイオン交換速度を大きくする成分であり、必須ではないが必要に応じて含有することができる。ＺｒＯ２を含有する場合、１％未満では溶融性向上について有意な効果が得られないおそれがある。好ましく２％以上である。また、ＭｇＯが７％超では耐候性が低下する。好ましくは６％以下、より好ましくは５％以下である。
【００２１】
ＴｉＯ２は耐候性を向上させる成分であり、必須ではないが必要に応じて含有することができる。ＴｉＯ２を含有する場合、１％未満では溶融性向上について有意な効果が得られないおそれがある。好ましく２％以上である。また、ＴｉＯ２が３０％超ではガラスが不安定になり、失透が生じるおそれがある。好ましくは２５％以下、より好ましくは２０％以下である。
【００２２】
本ガラスには、必要に応じて、上記成分以外の成分、例えば、Ｌｉ２Ｏ、ＳｒＯ、ＳｎＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５、Ｆｅ２Ｏ３、ＲｂＯ２等を含有させることができる。また、ＳＯ３、Ｃｌ等も必要に応じて含有させることができる。
【００２３】
表１に本発明に好適なガラスの具体例を、その物性（ガラス転移点Ｔｇ、ガラス歪点ＳｔＰ、ガラス徐冷点ＡＰ、ガラス軟化点ＳＰ、比重、屈折率ｎｄ）とともに記載する。物性の測定方法を以下に述べる。なお、測定用サンプルは、酸化物、炭酸塩、硝酸塩等、一般に使用されているガラスの出発原料を目標組成となるように調合し、この調合した原料を、白金製るつぼに入れ、約１３５０〜１５００℃で３時間溶融、清澄、撹拌した後、約３２０〜３７０℃に予熱したモールドに鋳込み後、約０．５℃／分で徐冷して作製した。表１中、測定していないデータについては、「−」を記載している。
【００２４】
屈折率ｎｄは、一辺が２０ｍｍ、厚みが１０ｍｍの直方体形状に加工したサンプルを使用し、屈折率計（島津製作所製、型名：ＫＰＲ−２０００）で測定した。屈折率の値は、小数点以下第４位を四捨五入して小数点以下第３位まで記載した。
【００２５】
熱的特性のガラス転移点Ｔｇは、直径４ｍｍ、長さ５０ｍｍの円柱状に加工したサンプルを、熱機械分析装置（ブルカー・エイエックスエス社製、型名：ＴＭＡ４０００ＳＡ）で熱膨張法により４℃／分の昇温速度で測定した。ガラス歪点ＳｔＰおよびガラス徐冷点ＡＰは、ＪＩＳ−Ｒ３１０３およびＡＳＴＭ−Ｃ３３６に規定されているファイバーエロンゲーション法を用いて測定した。ガラス軟化点ＳＰは、ＪＩＳ−Ｒ３１０４およびＡＳＴＭ−Ｃ３３８に規定されているファイバーエロンゲーション法を用いて測定した。
【００２６】
比重は、サンプルの質量と、圧力１０１．３２５ｋＰａ（標準気圧）のもとにおける、それと同体積の４℃の純水の質量との比を、ＪＩＳ規格  Ｚ８８０７（１９７６、液中で秤量する測定方法）に準じて測定した。
【００２７】
【表１】
2015094785.tif 000002
【００２８】
［光学素子］
本発明の光学素子は、上記ガラス組成からなるガラスを成形するか、または成形したものを所望のサイズに切断し、必要に応じて研削・研磨した後、化学強化処理を施すことにより得ることができる。あるいは、常法により、上記ガラス組成からなるプリフォームを得、さらにこのプリフォームを所要の形状に成形した後、化学強化処理を施すことにより得ることができる。
【００２９】
化学強化処理の方法としては、ガラス表層のＮａ２Ｏと溶融塩中のＫ２Ｏとをイオン交換できる方法であれば、特に限定されず、例えば、加熱された硝酸カリウム（ＫＮＯ３）溶融塩にガラスを浸漬する方法が挙げられる。但し、垂直入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下、２０°入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下、４０°入射光に対する複屈折量が２０ｎｍ／ｃｍ以下の複屈折量を有する化学強化ガラスを得るためには、その処理条件（温度、浸漬時間）が重要である。処理条件は、ガラスの組成や厚さ、処理溶液の種類等によっても異なるが、ＫＮＯ３溶融塩を使用した場合には、３５０〜５００℃のＫＮＯ３溶融塩に、ガラスを２〜２０時間浸漬させることが典型的である。なお、このＫＮＯ３溶融塩は、ＫＮＯ３以外に、例えばＮａＮＯ３を５質量％程度以下含有するものであってもよい。
【００３０】
本発明の光学素子は、良好な光学特性を得るうえで、化学強化処理後の複屈折量が、垂直入射光に対する複屈折量で５ｎｍ／ｃｍ以下、２０°入射光に対する複屈折量で５ｎｍ／ｃｍ以下、４０°入射光に対する複屈折量で６ｎｍ／ｃｍ以下であるガラスからなることが好ましい。複屈折量は、垂直入射光に対する複屈折量で２ｎｍ／ｃｍ以下、２０°入射光に対する複屈折量で２ｎｍ／ｃｍ以下、４０°入射光に対する複屈折量で４ｎｍ／ｃｍ以下であることがより好ましい。
【００３１】
また、本発明の光学素子は、機械的強度の観点から、化学強化処理により形成される表面圧縮応力層の深さが、５〜３５μｍであるガラスからなることが好ましく、１０〜２５μｍであるガラスからなることがより好ましい。表面圧縮応力層の深さが５μｍ未満では十分な強度が得られず、３５μｍを超えると複屈折量が大きくなり好ましくない。
【００３２】
また、ガラスは、化学強化処理により形成される表面圧縮応力層の表面圧縮応力は、５００ＭＰａ以上であることが好ましく、６００ＭＰａ以上であることがより好ましい。表面圧縮応力が５００ＭＰａ未満では十分な強度が得られない。また、表面圧縮応力は８００ＭＰａ以下であることが好ましく、７００ＭＰａ以下であることがより好ましい。表面圧縮応力が８００ＭＰａを超えると、応力が強くなりすぎてガラスが変形し、光学素子としての性能、例えば透過波面が保てなくなるおそれがある。
【００３３】
本発明は、その厚さが１〜６ｍｍの化学強化ガラスからなる光学素子に適用した場合に特に顕著な効果が得られる。その厚さが光学素子の肉厚が１ｍｍ未満では化学強化処理前の光学素子の作製が著しく困難になる。また、光学素子が変形して、光学素子としての性能が保てなくなるおそれがある。光学素子の肉厚が６ｍｍを超える場合には、化学強化処理しなくとも十分な機械的強度を有することができる。
【００３４】
本発明は、以上説明した実施の形態の記載内容に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはいうまでもない。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されない。なお、例１−６、２−５、３−６および４−５は比較例であり、その他の例が実施例である。
【００３６】
（例１−１）
表１中、Ｋに示す組成の硝材をガラス溶融炉で１４００℃に加熱溶融・清澄し、１２８０℃で均質化させ、流出管に導入した。流出管に導入した溶融ガラスをノズルから流出させ、板状にガラスを成形する成形型上に供給して、板状のガラス材を得た。得られた板材を約０．５℃／分で徐冷した。
上記板材に、切断、リヒートプレス、研削、研磨等の一般に用いられている加工技術を適用して、直径１００ｍｍ、肉厚３ｍｍ、曲率半径が両主面とも１２００ｍｍのメニスカスレンズを作製した。
【００３７】
なお、硝材の製造にあたっては、まず、酸化物、炭酸塩、硝酸塩等、一般に使用されているガラスの出発原料を目標組成となるように調合し、この調合した原料を、白金製るつぼに入れ、約１３５０〜１５００℃で３時間溶融した後、水槽にキャストし水砕カレットとし、これを硝材原料として用いた。
【００３８】
次いで、上記メニスカスレンズに対し化学強化処理を行った。すなわち、メニスカスレンズを洗浄、乾燥した後、４００℃のＫＮＯ３溶融塩（１００％）に２時間浸漬した。
【００３９】
（例１−２〜１−６、例２−１〜２−５）
硝材および／または化学強化処理条件を表２に示すように変えた以外は例１−１と同様にしてメニスカスレンズを得、得られた各メニスカスレンズに対し化学強化処理を行った。なお、例１−６および例２−５は、メニスカスレンズに対し化学強化処理を行わなかった例である。
【００４０】
（例３−１〜３−６、例４−１〜４−５）
メニスカスレンズの肉厚を３ｍｍから１ｍｍに変えた以外はそれぞれ例１−１〜１−６、例２−１〜２−５と同様にしてメニスカスレンズを得、得られた各メニスカスレンズに対し化学強化処理を行った。なお、例３−６および例４−５は、メニスカスレンズに対し化学強化処理を行わなかった例である。
【００４１】
このようにして得られた化学強化処理後の各メニスカスレンズ（例１−６、例２−５、例３−６および例４−５は、化学強化処理なしのメニスカスレンズ）について、下記に示す方法で、表面に形成された圧縮応力層の深さ、表面圧縮応力、および複屈折値を測定した。結果を表２および３に示す。
【００４２】
［圧縮応力層の深さ］
化学強化処理後の各ガラスについて、ＪＩＳ  Ｒ３２２２  ６．４に準拠した屈折計表面応力計（折原製作所製  型名：ＦＳＭ−６０００−Ｖ）を用いて、表裏両面に形成された圧縮応力層の深さを測定し、その平均値を算出した。
［表面圧縮応力］
化学強化処理後の各ガラスについて、ＪＩＳ  Ｒ３２２２  ６．４に準拠した屈折計表面応力計（折原製作所製  型名：ＦＳＭ−６０００−Ｖ）を用いて測定した。
［複屈折値および複屈折量］
自動複屈折率測定装置（ユニオプト社製  型名：ＡＢＲ−１０Ａ−４０Ａ）を使用し、入射角０°、２０°および４０°で複屈折値を測定した。また、測定された複屈折値をメニスカスレンズの肉厚で除し、複屈折量を算出した。
【００４３】
【表２】
2015094785.tif 000003
【００４４】
【表３】
2015094785.tif 000004
【００４５】
表２および３から明らかなように、例１−１〜１−５、３−１〜３−５の化学強化処理後のガラスは、光学素子として十分に使用可能な機械的強度を保証する厚さの圧縮応力層が形成されているとともに、複屈折量が０°（垂直）、２０°および４０°のいずれの入射角の光に対しても２０ｎｍ／ｃｍ以下に低減されている。一方、例２−１〜２−４、４−１〜４−４は、表面圧縮応力および圧縮応力層の厚さについては、好ましい範囲から外れていたものの、複屈折量は０°（垂直）、２０°および４０°のいずれの入射角の光に対しても２０ｎｍ／ｃｍ以下に低減されており、光学素子の用途によっては、十分に使用できるものであった。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の光学素子は、複屈折量が０°（垂直）、２０°および４０°のいずれの入射角の光に対しても２０ｎｍ／ｃｍ以下に低減されている。したがって、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ等の小型化、軽量化が求められる光学機器に有用である。