CN101229955A - 光学玻璃和光学元件 - Google Patents
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Abstract
一种光学玻璃,其包含以下物质作为玻璃组分:10-35重量%的SiO2;8-30重量%的B2O3;4-9重量%的Li2O;26-40重量%的ZnO;1-25重量%的La2O3;以及6-22重量%的的Nb2O5。
Description
发明背景
1.技术领域
本发明涉及光学玻璃以及由其形成的光学元件。更具体来说,本发明涉及适用于模压的光学玻璃,还涉及由所述光学玻璃形成的光学元件。
2.背景技术
一种制造玻璃透镜之类的光学元件的方法被称为模压。在模压操作中,通过在一对加热的金属模具(上模具和下模具)之间,对加热至高于其屈服温度(下文中也表示为“At”)的玻璃进行压制,从而直接模塑透镜。这种工艺的制造步骤比其它的模塑透镜的常规方法少,因此可以以较短的时间和较低的成本制造透镜,所述其它的常规方法包括对玻璃进行磨光和抛光。因此,近年来,模压工艺被广泛用来制造玻璃透镜之类的光学元件。
主要有两种模压工艺:一种包括再热,另一种包括直接压制。在再热型模压工艺中,制备了大体具有最终产品形状的玻璃坯(gob)预形件或抛光的预形件,然后将该预形件再热至高于软化点,在一对加热的金属模具(上模具和下模具)之间进行压塑,从而形成最终产品的形状。另一方面,在直接压制型模压工艺中,将来自玻璃熔炉的熔融玻璃直接倒入加热的金属模具中,进行压塑,形成最终产品的形状。
在任意种类的模压工艺中,在模塑玻璃的时候,需要将压制金属模具加热至接近或高于玻璃化转变温度(下文中也称为“Tg”)。结果,玻璃的Tg越高,压制金属模具越容易表面氧化和改变金属组成,因此压制金属模具的有效寿命越短,造成制造成本的提高。可通过在氮气之类的惰性气氛下进行模塑来减轻金属模具的劣化。但是,对气氛的控制需要对模塑设备进行复杂的设计,使用惰性气体造成生产成本,使得制造成本更高。因此,需要用于模压的玻璃具有尽可能低的Tg。另一方面,在模压过程中,以及在模塑的产品的冷却过程中,如果玻璃在100-300℃的温度范围内具有高的线性膨胀系数,则热应力会过高,使得模塑的产品容易产生裂纹和碎片。具体来说,在直接压制类的模压工艺中,包括对模塑的产品进行快速冷却,不便的是,该模塑的产品通常会产生裂纹。因此,为了防止模塑的产品产生裂纹和破碎,需要玻璃具有低的线性膨胀系数。为了降低玻璃的Tg和线性膨胀系数,通常使用铅化合物。但是,近年来人们产生了铅化合物对人体的有害影响的担心。类似地,人们还产生了砷化合物和氟化合物对人体的有害影响的担心。因此,在目前的市场上,人们强烈需要不使用这些化合物。
基于此背景,人们研究了各种用来降低玻璃的Tg的技术,其例子参见USP2003/0013595,USP2006/0100085和JP-A-2006-137628。
上述专利文献中提出的一些光学玻璃确实具有低Tg,但是令人失望的是,它们具有高的线性膨胀系数,使得在模压和对玻璃进行冷却的过程中,模塑的产品会产生裂纹和碎片。
发明内容
本发明致力于解决上述缺陷,本发明的目标是提供一种光学玻璃,这种玻璃除了不含铅化合物、砷化合物或氟化合物以外,还具有低Tg和低线性膨胀系数,因此适于模压,本发明还提供由所述光学玻璃形成的光学元件。
为了达成上述目的,本发明人进行了深入的研究,发现通过使用包含SiO2,B2O3,Li2O,ZnO,La2O3和Nb2O5的基本组成,并将不同光学玻璃组分的含量控制在预定范围内,可以得到具有适于模压的低Tg和低线性膨胀系数的光学玻璃。通过这一发现获得了本发明。
具体来说,根据本发明的一个方面,光学玻璃包含以下物质作为玻璃组分:10-35重量%的SiO2;8-30重量%的B2O3;4-9重量%的Li2O;26-40重量%的ZnO;1-25重量%的La2O3;以及6-22重量%的Nb2O5。所述光学玻璃还可包含以下物质作为玻璃组分:0-10重量%的Gd2O3;0-10重量%的Y2O3;0-10重量%的TiO2;0-10重量%的ZrO2;0-7重量%的CaO;0-10重量%的BaO;和0-1重量%的Sb2O3。所述光学玻璃的折射率(nd)可为1.69-1.74,阿贝数(vd)可为40-45。所述光学玻璃的玻璃化转变温度(Tg)可等于或低于500℃,在100-300℃温度范围内的线性膨胀系数(α)等于或小于95×10-7/K。在以下描述中,除非另外说明,所有的百分数(%)数值均为重量百分数(%)。
根据本发明的另一个方面,光学元件由上述光学玻璃形成、或通过模压上述光学玻璃形成。这样形成的光学元件的优选例子是透镜、棱镜和镜子。
因此,根据本发明,所述光学玻璃具有预定的玻璃组分(例如SiO2,B2O3,Li2O,ZnO,La2O3和Nb2O5)含量,以使其具有预定的光学常数,例如折射率和色散指数,而且提供低的线性膨胀系数。除了低的Tg能够提供极为适于模压的适应性以外,这还有助于减小玻璃冷却过程中模塑的产品的裂纹和破碎。
具体实施方式
下面将描述对根据本发明的光学玻璃的不同组成中不同组分含量进行控制的基础依据。
SiO2是根据本发明的光学玻璃的基本组分之一(形成玻璃的氧化物),是能够有效提高化学耐久性的组分。但是,当SiO2含量小于10%的时候,对化学耐久性的提高的效果将无法令人满意,如果SiO2含量超过35%,会导致高玻璃化转变温度(Tg)。因此,SiO2含量控制在10-35%。更优选的SiO2含量为11-31%。
B2O3是根据本发明的光学玻璃的另一种基本组分。如果B2O3含量小于8%,容易使得玻璃变得不透明;另一方面,如果B2O3含量超过30%,会造成折射率低于预期的范围,还会导致低的化学耐久性。因此,B2O3含量控制在8-30%。更优选B2O3的含量为10-25%。
Li2O是根据本发明的光学玻璃的另一种基本组分,其具有降低Tg的作用。如果Li2O含量低于4%,会使得难以获得低的Tg;另一方面,如果Li2O含量超过9%,会使得在100-300℃范围内难以得到等于或小于95×10-7/K的线性膨胀系数(α)。因此,将Li2O含量控制在5-8%。
ZnO是根据本发明的光学玻璃的另一种基本组分。如果ZnO含量等于或大于26%,会得到低的Tg,还会在100-300℃的温度范围内得到低的线性膨胀系数(α);然而,如果ZnO含量高于40%,容易使得玻璃变得不透明。因此,ZnO含量控制在26-40%。更优选ZnO的含量为27-37%。
La2O3是根据本发明的光学玻璃的另一种基本组分,其具有增大折射率和提高化学耐久性的效果。但是如果La2O3含量小于1%,则其效果无法令人满意;另一方面,如果La2O3含量超过25%,会在100-300℃的温度范围内得到高的线性膨胀系数(α),还会使得玻璃变得不透明。因此,La2O3含量控制在1-25%。更优选La2O3的含量为10-22%。
Nb2O5是根据本发明的光学玻璃的另一种基本组分。如果Nb2O5含量等于或大于6%,有助于增大折射率,还有助于提高化学耐久性。但是,如果Nb2O5含量超过22%,容易使得玻璃变得不透明。因此,所述Nb2O5含量控制在6-22%。更优选Nb2O5的含量为7-18%。
Gd2O3和Y2O3具有调节折射率的效果。但是,如果Gd2O3含量超过10%,或者Y2O3含量超过10%,会造成高Tg。因此,Gd2O3含量和Y2O3含量各自控制在等于或小于10%。
TiO2具有增大折射率和稳定玻璃的效果。但是,如果TiO2含量超过10%,容易使玻璃着色。因此,TiO2含量控制在等于或小于10%。
ZrO2具有提高化学耐久性的作用。但是如果ZrO2含量超过10%,会造成高的Tg,还会使得玻璃变得不透明。因此,将ZrO2含量控制在等于或小于10%。
CaO具有降低玻璃的Tg的效果。但是,如果CaO含量超过7%,会造成在100-300℃的温度范围内具有高的线性膨胀系数。因此,CaO含量控制在等于或小于7%。
BaO具有调节折射率的效果。但是,如果BaO含量超过10%,会造成高Tg。因此,BaO含量控制在等于或小于10%。Sb2O3具有从透镜中除去气泡的效果,当其含量等于或小于1%的时候会发挥该效果。根据本发明的光学玻璃可包含除了上面具体描述的物质以外的任意组分。
通过如上所述对光学玻璃的组成中不同组分的含量进行控制,制得适用于模压的光学玻璃,使其具有1.69-1.74的预定的折射率以及40-45的预定的阿贝数。
通过对如上所述根据本发明的光学玻璃进行模压,制造了根据本发明的光学元件。此处使用的模压工艺可以是例如直接压制类模压,其中从喷嘴将熔融玻璃倒入加热至预定的温度的金属模具中以完成压塑,或者是再热类模压,其中将置于金属模具上的预形件加热至高于玻璃软化点的温度,以完成压塑。任意这样的方法和类似的方法都不需要磨光和抛光,从而提高了生产率,使得可以制造具有难以加工的形状(例如自由成形的弯曲表面和非球面形表面)的光学元件。
所需的模塑条件根据玻璃的组分以及模塑的产品的形状而不同。一般来说,优选的金属模具的温度为350-600℃,更优选其温度范围接近玻璃化转变温度。优选的压制时间为数秒至数十秒。优选的压制压力为200-600kgf/cm2,压力根据模塑的产品(例如透镜)的形状和尺寸而变化。压制的压力越高,模塑的精确度越高。
根据本发明的光学元件可用作例如数码相机的透镜;激光打印机的准直透镜,棱镜和镜子;等等。
实施例
下面将通过实施例的形式更具体地描述本发明。但是这些实施例不以任何方式限制本发明。
对于各个实施例,粉末形式的原料--碳酸盐、硝酸盐、氧化物等--充分混合,然后置入加热至1100-1300℃的熔炉内。此处使所述混合物熔融,澄清,然后搅拌至均匀。然后将熔体倒入预热的金属浇铸模内,然后逐渐冷却至室温。从而制得各实施例的光学玻璃。这样制得的10个实施例的组成和测量结果列于表1。
表1显示了各实施例(实施例1-10)的组成,在其底部还显示了各实施例的光学玻璃的d-线折射率(nd)和阿贝数(vd),玻璃化转变温度(Tg),屈服温度(At),以及100-300℃温度范围内的线性膨胀系数(α),其单位为10-7/K。为了比较,表2显示了三个比较例(比较例1-3)的组成和测量结果(与表1相同),这些比较例分别是USP2003/0013595的实施例1,USP2006/0100085的实施例16,以及JP-A-2006-137628的实施例10。
根据日本光学玻璃工业标准(Japan Optical Glass Industry Standard)(JOGI1S)测量玻璃的上述性质。折射率(nd)和阿贝数(vd)使用卡尔纽光学工业有限公司(Kalnew Kogaku Kogyo Co.Ltd.)制造的“KPR-200”精密折射计测量,测量在玻璃以-50℃/小时的速率从其熔体浇注到浇铸模具内时的温度逐渐冷却至室温之后进行的。玻璃化转变温度(Tg),屈服温度(At),和线性膨胀系数(α)使用“TMA/SS6000”热机械分析仪(精工设备有限公司(Seiko Instruments Inc.)制造)测量,测量时玻璃的温度以10℃/分钟的速率升高。
从表1可以清楚地看出,实施例1-10的光学玻璃的折射率(nd)为1.692-1.738,阿贝数(vd)为40-45。另外,它们的玻璃化转变温度(Tg)等于或低于492℃,屈服温度(At)等于或低于537℃,线性膨胀系数等于或小于94×10-7/K,使其适于进行模压。
相反的,比较例1-3的光学玻璃都具有过高的线性膨胀系数,不适合用于模压。
表1
实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
SiO2 | 11.3 | 16.2 | 26.9 | 12 | 27 | 23 | 30.2 | 22.8 | 22 | 24 |
B2O3 | 20.7 | 18.3 | 13.9 | 20 | 13 | 15 | 10.6 | 14.6 | 15 | 14.9 |
Li2O | 5.4 | 6.6 | 8 | 6 | 7.8 | 7.3 | 8.2 | 7.2 | 5.9 | 7 |
ZnO | 35.9 | 34.9 | 28.9 | 38.8 | 26.9 | 30.7 | 27.1 | 31.7 | 29.1 | 29.1 |
La2O3 | 11.3 | 5.5 | 10.9 | 2.3 | 6.4 | 15.4 | 11.9 | 8.7 | 20.7 | 7 |
Gd2O3 | 6.1 | |||||||||
Y2O3 | 0.6 | 7.6 | ||||||||
Nb2O5 | 15.4 | 17.8 | 7.6 | 16.2 | 8.4 | 8.6 | 8 | 13.6 | 7.3 | 6.9 |
TiO2 | 3.8 | 2.9 | 4 | 1.4 | ||||||
ZrO2 | 5 | |||||||||
CaO | 3.5 | |||||||||
BaO | 1.2 | |||||||||
Sb2O3 | 0.1 | |||||||||
总计 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
nd | 1.738 | 1.729 | 1.696 | 1.732 | 1.701 | 1.695 | 1.698 | 1.725 | 1.702 | 1.692 |
vd | 40.1 | 40.2 | 42.2 | 41.3 | 43.1 | 44.8 | 41.4 | 40 | 44.9 | 45 |
Tg | 461 | 461 | 465 | 444 | 468 | 472 | 473 | 468 | 492 | 468 |
At | 504 | 504 | 512 | 485 | 518 | 516 | 520 | 512 | 537 | 516 |
α | 87 | 88 | 93 | 91 | 94 | 93 | 93 | 91 | 83 | 89 |
表2
比较例 | 1 | 2 | 3 |
SiO2 | 20 | 16.8 | 16.66 |
B2O3 | 20 | 21.4 | 19.64 |
Li2O | 5.3 | 10.5 | 8.65 |
ZnO | 2.5 | ||
La2O3 | 17.4 | 12.41 | |
Gd2O3 | |||
Y2O3 | |||
TiO2 | 7.6 | 3.35 | |
ZrO2 | 5 | 4.5 | 7.82 |
Nb2O5 | 25 | 7.9 | 9.54 |
Ta2O5 | |||
WO3 | |||
MgO | 1 | ||
CaO | 4.5 | 12.8 | 19.43 |
SrO | 2 | ||
BaO | 3 | ||
Na2O | 10 | ||
K2O | 5.1 | ||
Bi2O3 | |||
Sb2O3 | 0.1 | 0.1 | |
总计 | 100 | 100 | 100 |
Nd | 1.683 | 1.7208 | 1.7181 |
vd | 39.3 | 40.1 | 42.8 |
Tg | 438 | 469 | 474 |
At | 493 | 516 | 522 |
α | 127 | 106 | 112 |
Claims (12)
1.一种光学玻璃,其包含作为玻璃组分的以下物质:
10-35重量%的SiO2;
8-30重量%的B2O3;
4-9重量%的Li2O;
26-40重量%的ZnO;
1-25重量%的La2O3;
6-22重量%的Nb2O5。
2.如权利要求1所述的光学玻璃,其还包含以下物质作为玻璃组分:
0-10重量%的Gd2O3;
0-10重量%的Y2O3;
0-10重量%的TiO2;
0-10重量%的ZrO2;
0-7重量%的CaO;
0-10重量%的BaO;
0-1重量%的Sb2O3。
3.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,所述光学玻璃的折射率(nd)为1.69-1.74,阿贝数(vd)为40-45。
4.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,所述光学玻璃的玻璃化转变温度(Tg)等于或低于500℃,在100-300℃的线性膨胀系数(α)等于或小于95×10-7/K。
5.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,所述SiO2的含量为11-3 1%。
6.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,所述B2O3的含量为10-25%。
7.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,所述Li2O的含量为5-8%。
8.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,所述ZnO的含量为27-37%。
9.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,所述La2O3的含量为10-22%。
10.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,所述Nb2O5的含量为7-18%。
11.一种光学元件,由权利要求1所述的光学玻璃形成。
12.一种光学元件,通过对权利要求1所述的光学玻璃进行模压而形成。
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