レンズ材料の選び方：光学ガラスの種類と特性

光学ガラスとは？

光学ガラスとは、レンズをはじめとする様々な光学部品に用いられる特殊なガラス材料です。一般的なガラスと比較して、光の透過性、屈折率、分散といった光学特性が厳密に制御されている点が特徴です。

光学ガラスの内部を光が透過する際には、まず表面で一部が反射し、残りが内部へと侵入します。内部を伝搬する途中で、不純物や添加物による光の吸収や散乱が起こります。反対側の表面に到達した光は、再度一部が反射し、残りが透過光として外部に出射されます。また光の波長によって屈折率が変化する特性を持っています。

これらの特徴から、光学ガラスは光学特性を制御することで、目的に合わせた光学機器の性能を引き出すことができます。

光学ガラスの特性

光学ガラスの特性：①透明性

光学ガラスの透明性は、光の透過率と密接に関係しています。光がガラスを透過する際に、吸収や散乱が少ないほど透明性が高いと言えます。不純物や気泡の少ない高品質な光学ガラスは、可視光だけでなく、紫外線や赤外線といった特定の波長域においても高い透過率を示します。

このように高い透明性があることで、カメラレンズ、顕微鏡、天体望遠鏡など、あらゆる光学機器において、クリアで正確な映像を写しだすことができます。

光学ガラスの特性：② 屈折率

続いて、屈折率ですが、屈折率は光が空気からガラスに入る際にどの程度方向を変えるかを示しています。レンズの設計において、屈折率は焦点距離や収差の補正に大きく影響します。屈折率が高いほど、光は大きく屈折するため、より少ない材料で同様の焦点距離を実現でき、レンズの小型・軽量化に貢献しております。

また、屈折率の異なる複数のガラスを組み合わせることで、高い光学性能を持つ複合レンズを製造することも可能です。

屈折率の異なるガラス材料の身近な応用例としてはカメラレンズユニットが挙げられますが、近年では、高屈折率ガラスの光閉じ込め特性を利用したAR/MRグラス向け光導波路基板などが製品化されています。

光学ガラスの特性：③ アッベ数

アッベ数は、光学ガラスにおける色収差の程度を表す指標です。色収差とは、レンズを通る光の色（波長）によって屈折率が異なるために、像がぼやけたり、色がにじんだりする現象のことです。簡単に言うのであれば、アッベ数は「光の色の散らばり具合」を表す数値で、この数値が大きいほど、色収差が少なく、クリアな画像を得ることができます。

例えば、カメラのレンズにアッベ数の小さいガラスを使うと、写真の輪郭部分に色のにじみが生じることがあります。一方、アッベ数の大きいガラスを使えば、色のにじみが抑えられ、より鮮明な写真が撮れます。そのため高画質が求められるカメラレンズや顕微鏡、望遠鏡などでは、アッベ数の大きいガラスが使用されます。

光学ガラスの種類

光学ガラスは、用途や製造方法によって様々な種類が存在します。以下に代表的な光学ガラスの種類を紹介します。

■モールドプレス用ガラス

モールドプレス用ガラスは、高温で軟化させたガラスを金型でプレス成形する際に用いられます。高い精度で加工が可能なため、非球面レンズなどの複雑な形状のレンズを大量生産するのに適しています。

■リヒートプレス用ガラス

リヒートプレス用ガラスは、ガラスを一旦成形した後に、再度加熱することで、形状変更することができるという特徴を有しています。モールドプレス用ガラスよりも更に高い精度で成形できるため、複雑な形状かつ高精度なレンズやプリズムなどに適しています。

■カルコゲナイドガラス

カルコゲナイドガラスは、赤外線透過性が高いガラスになります。赤外線カメラ、夜間視覚装置、赤外線センサーなど、赤外線の透過が必要な製品に使用されます。量産性に優れたモールドプレス成型ができるため、実用性と生産性を兼ね備えたガラスです。

■高屈折率ガラス基板

高屈折率ガラス基板は、通常のガラスよりも高い屈折率を持つガラス基板です。そのため、レンズの薄型化や小型化に貢献し、スマートフォンやカメラなどの光学機器に用いられます。

■IRカットフィルタ用ガラス

IRカットフィルタ用ガラスは、可視光では高い透過率を持つ一方で、近赤外線領域では光を吸収する特性をもつガラスです。デジタルカメラや監視カメラなどに用いられ、赤外線によるノイズや色ずれを抑制することができます。

レンズ材料の選び方

レンズ材料、特に光学ガラスの選び方は、目的や用途によって大きく異なります。

例えば、スマートフォンのカメラレンズには、薄型化と高画質化を両立させるために、高屈折率・高分散の光学ガラスが用いられています。一方、顕微鏡や望遠鏡といった精密光学機器には、色収差を抑え、クリアな像を得るために、低分散でアッベ数の高い光学ガラスが求められます。

また、自動車のヘッドライトやプロジェクターなど、高温になる環境で使用される場合は、耐熱性に優れた光学ガラスを選ぶ必要があります。さらに、医療機器や分析装置など、薬品や溶剤に接触する可能性がある場合は、耐薬品性に優れた光学ガラスが求められます。

光学ガラスの特性は、屈折率とアッベ数によって分類されます。屈折率は光の曲がりやすさを表し、アッベ数は色収差の発生しにくさを表します。これらの値を組み合わせた「アッベダイアグラム」と呼ばれる図表を用いることで、用途に適した光学ガラスを容易に選択することができます。

光学ガラスの選び方一つで、製品の性能や品質は大きく左右されます。それぞれの用途に最適な光学ガラスを選択することで、高性能・高品質な製品を実現することができます。