CN101293736A - 光学玻璃 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学玻璃，其系包含重量百分比为2～11％之SiO2、28～45％之B2O3、2～15％之CaO、3～18％之ZnO、1～8％之ZrO2、9～40％之La2O3、0.5～11％之Gd2O3，优选地，其中更包含0～10％之Y2O3、0～3％之Al2O3、总和不超过8％之R2O(R为Li、Na或K中的至少一种)、0～5％之R’O(R’为Mg、Sr或Ba中的至少一种)、0～3％之WO3、0～2％之Nb2O5以及0～1％之Sb2O3。本发明之光学玻璃不含氧化铅、氧化砷等对环境有害之成份，具有折射率介于1.66至1.72之间、阿贝数介于51至56之间，且液相温度LT≤1000℃、原料熔解温度≤1300℃，故易于进行量产，在生产毛胚预型体或精密模造镜片时，不易产生结晶失透之不良现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学玻璃，特别是涉及一种具有较佳耐失透性、较高量产性、且不含对环境不友好的物质、低温模压性较佳的光学玻璃。
背景技术
随着数码相机等光电产品对性能要求越来越高，对尺寸要求越来越小，而对画质要求越来越高，设计的镜头亦日趋复杂。为达到此种设计要求，在光学系统的设计上必须使用非球面镜，同时搭配一些成本较低的球面镜，才可达到低成本高质量的要求。生产非球面镜片时，若使用研磨方式生产，既耗费时间，且合格率低、成本高，故而近年来精密压制成型技术已成为主流且不可或缺的一项生产技术。
精密压制成型的温度若太高，会造成模具易于劣化，玻璃表面的面精度也不易维持，不易量产，因而降低成型时的温度，对延长模具寿命有极大的帮助。
精密压制成型的温度大约是在屈服点温度At以上30至60℃。若压型温度超过620℃时，如果模具材质中含有OH基材质，则会产生分解反应，在玻璃表面会有气泡的形成，模具的面精度将无法维持，而无法量产；故以精密压制成型技术生产非球面镜片时，玻璃的屈服点必须低于590℃才具有量产性。对于屈服点温度(At)大于590℃的玻璃，可以应用于球面镜片、棱镜及其它光学组件，使用再加热压造成型制程制作毛胚，经过抛光研磨后可产出所需的产品。
近年来，由于已知玻璃组分中的氧化铅PbO及氧化砷As2O3会对人体及环境造成伤害，故光学设备制造厂商亦要求生产出具有相应光学特性而不含氧化铅同时也不含氧化砷的玻璃。现有技术中，屈服点低于590℃且折射率范围介于1.66至1.72之间的光学玻璃，如日本专利特开平06-056463号及特开平04-002628号所揭示的光学玻璃，其成份含有大量的氧化铅，会对人体及环境造成伤害，不符环保要求，而且在进行精密压制成型制程时，需以高温将玻璃软化，同时为防止模具的快速损坏，需在惰性气体的环境下进行生产，否则氧化铅会被还原而附着于模具，使模具的面精度及平滑度改变，并转写在玻璃镜片上而造成不良。另外，日本专利特开平10-316448号所揭示的玻璃成份中还含有对人体有害的氧化砷。
然而藉由简单地以一种或多种分份替代氧化铅及氧化砷，按理并不能复制在光学应用上必须要有而为玻璃原有的受氧化铅或氧化砷影响的光学与工艺特性，故对玻璃的组成成份及其重量百分比必须进行新的研发与广泛的变化，才能得以克服上述问题。
在成型制程中，为避免产生结晶失透现象，从而影响到玻璃的外观质量，玻璃的液相温度(LT，Liquidus Temperature)要求越低越好，亦即作业温度比液相温度愈高时，在作业中产生失透的危险性愈小。液相温度LT高的玻璃易产生结晶失透，量产性差。日本专利特开平08-259257号所揭示的玻璃的液相温度LT大于1000℃，玻璃稳定性较差。
此外，成型制程中原料的熔解温度亦要求越低越好，以降低能源消耗并提高炉体寿命。日本专利特开平2000-247676号揭示的玻璃组成成份必须要1500℃以上的高温才能进行熔解，因此会消耗能量较高，不利于降低生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较佳耐失透性、较高量产性、且不含对环境不友好的物质、生产成本较低、低温模压性较佳之光学玻璃。
为实现上述目的，本发明提供一种光学玻璃，其包含重量百分比为2～11％的SiO2、28～45％的B2O3、2～15％的CaO、3～18％的ZnO、1～8％的ZrO2、9～40％的La2O3、0.5～11％的Gd2O3，优选地，其中更包含0～10％的Y2O3、0～3％的Al2O3、总和不超过8％的R2O((R为Li、Na或K中的至少一种)、0～5％的R’O(R’为Mg、Sr或Ba中的至少一种)、0～3％的WO3、0～2％的Nb2O5以及0～1％的Sb2O3；其中SiO2、B2O3、CaO、ZnO、ZrO2、La2O3、Gd2O3为本发明光学玻璃之必要成份。
当要求玻璃的屈服点温度低于590℃时，本发明的光学玻璃可以含有如下成分(以重量百分比表示)：6～11％的SiO2、28～40％的B2O3、2～12％的CaO、5～18％的ZnO、1～8％的ZrO2、9～30％的La2O3、1～11％的Gd2O3、1～10％的Y2O3、1～7％的Li2O、总和不超过8％的R2O(R为Li、Na、K)、5～8％的SrO、总和不超过8％的R’O(R’为Mg、Sr或Ba中的至少一种)、0～3％的WO3、0～2％的Nb2O5以及0～1％的Sb2O3。
相较于现有技术，本发明的光学玻璃具有改良的组成成份，不含氧化铅、氧化砷等对环境有害成份，具有折射率介于1.66至1.72之间、阿贝数介于51至56之间，且液相温度LT低于1000℃、原料熔解温度低于1300℃以下，故易于进行量产，在生产毛胚预型体或精密模造镜片时，不易产生结晶失透之类的不良现象。
具体实施方式
本发明提供的光学玻璃，其基本组成成份包含有重量百分比为2～11％的SiO2、28～45％的B2O3、2～15％的CaO、3～18％的ZnO、1～8％的ZrO2、9～40％的La2O3、0.5～11％的Gd2O3、0～10％的Y2O3、0～3％的Al2O3、总和不超过8％的R2O(R为Li、Na或K中的至少一种)、0～5％的R’O(R’为Mg、Sr或Ba中的至少一种)、0～3％的WO3、0～2％的Nb2O5以及0～1％的Sb2O3；其中SiO2、B2O3、CaO、ZnO、ZrO2、La2O3、Gd2O3为本发明光学玻璃的必要成份。
当要求玻璃之屈服点温度低于590℃时，本发明的光学玻璃可以具有如下组成(以重量百分比表示)：6～11％的SiO2、28～40％的B2O3、2～12％的CaO、5～18％的ZnO、1～8％的ZrO2、9～30％的La2O3、1～11％的Gd2O3、1～10％的Y2O3、1～7％的Li2O、总和不超过8％的R2O(R为Li、Na或K中的至少一种)、5～8％的SrO、总和不超过8％的R’O(R’为Mg、Sr或Ba中的至少一种)、0～3％的WO3、0～2％的Nb2O5以及0～1％的Sb2O3。
本发明光学玻璃之组成不含氧化铅PbO、氧化砷As2O3等对环境有害之成份，具有折射率介于1.66至1.72之间、阿贝数介于51至56之间，且液相温度(LT)≤1000℃、原料熔解温度≤1300℃，故易于进行量产，在生产毛胚预型体或精密模造镜片时，不易产生结晶失透之类的不良现象。
以下详细说明本发明光学玻璃各组分之选择及其重量百分比限定于一定范围内的理由：
SiO2为本发明光学玻璃的必要添加成份，是构成玻璃网目结构的成份，对提高化学耐久性、增加黏性及降低液相温度LT有很好的效果。若超过11％，溶解性会变差，需进一步提升熔解温度。
B2O3为本发明光学玻璃的必要添加成份，与SiO2同样是构成玻璃网目结构的成份，对玻璃之均质化、降低熔解温度有很好的效果。若低于28％易产生失透，若超过45％，则折射率降低而难以进入本发明之光学常数目标范围。
CaO为本发明光学玻璃的必要添加成份，可降低玻璃转移温度Tg、屈服点At、液相温度LT并改善耐失透性。若低于2％效果不明显，若超过15％，则耐失透性及化学耐久性变差。
ZnO为本发明光学玻璃的必要添加成份，有增加折射率、维持低色散及改善化学耐久性之效果，且可降低玻璃转移温度Tg、屈服点At及液相温度LT。若低于3％，上述效果会变得不明显；若超过18％，则耐失透性变差。
ZrO2为本发明光学玻璃的必要添加成份，有增加折射率、改善耐失透性及化学耐久性之效果。若低于1％上述效果会变得不明显；若超过8％，则耐失透性变差。
La2O3为本发明光学玻璃的必要添加成份，具有提高折射率、降低色散之效果，且可改善化学耐久性。若低于9％，无法维持高折射率；若超过40％，则耐失透性变差。
Gd2O3为本发明光学玻璃的必要添加成份，具有提高折射率、降低色散之效果，且可改善化学耐久性。若低于0.5％，上述效果会变得不明显；若超过11％，则耐失透性变差。
Y2O3为本发明光学玻璃的任意添加成份，具有提高折射率、降低色散之效果，且可改善化学耐久性。若超过10％，耐失透性会变差。
Al2O3为本发明光学玻璃的任意添加成份，对提高化学耐久性及增加黏性有很好的效果。若超过3％，耐失透性会急速恶化。
Li2O、Na2O、K2O为本发明光学玻璃的任意添加成份，加入适当的量，可降低屈服点、熔解温度及液相温度。若Li2O+Na2O+K2O三者的总量超过8％，耐失透性会急速恶化。其中，Li2O对降低本发明光学玻璃之玻璃转移温度Tg及屈服点At有极佳的效果；若超过7％，耐失透性会恶化。
MgO、SrO、BaO为本发明光学玻璃的任意添加成份，加入适当的量，可降低液相温度LT、增加耐失透性，为调整光学常数之有效成份。若MgO+CaO+SrO+BaO四者之总量超过20％，耐失透性及化学耐久性会变差。
WO3为本发明光学玻璃的任意添加成份，具有提高折射率及降低液相温度LT的效果。若超过3％，着色度会变差。
Nb2O5为本发明光学玻璃的任意添加成份，具有提高折射率及增加溶融性的效果。由于此原料价格较高，故以低于2％为佳。
Sb2O3作为除泡剂之用，以小于1％为佳。
以下具体说明本发明光学玻璃的试作范例的制作方式：
本发明光学玻璃各成份的原料可以是碳酸盐、硝酸盐及氧化物。将该些原料按比例秤重，混合均匀后投入白金坩埚，在1200至1300℃之温度下熔解、均匀搅拌、澄清除泡，随后在预热后的成型台上成型。成型后之玻璃在玻璃转移温度附近持温并进行精密回冷至室温，随后再对其进行下列各项参数的测试。
(1)折射率nd及阿贝数vd之测试：成型后之玻璃在玻璃转移温度持温后以-10℃/小时之降温数度降温100℃后，迅速降至室温，再使用KPR-200机型进行测试；
(2)玻璃转移温度Tg及屈服点At之测试：将玻璃研磨成外径为5公厘、长为20公厘之圆柱，使用BURKER机型，以5℃/分钟之升温速度加热，以进行热膨胀量之量测；
(3)液相温度LT之测试：将玻璃放在有孔之白金板上，放置于500至1000℃的温度梯度炉中，以100倍光学偏光显微镜进行观测，以判定其液相温度。
请参阅下列表1至表3，为本发明依不同实施例所得之光学玻璃的成份组成(以重量百分比wt％表示)及相关测试结果(测试参数包含折射率nd、阿贝数vd、玻璃转移温度Tg、屈服点温度Ts及液相温度LT)。
表1
表2
表3
由表1至表3的范例1至20可见，本发明光学玻璃之基本组成系包含重量百分比为2～11％之SiO2、28～45％之B2O3、2～15％之CaO、3～18％之ZnO、1～8％之ZrO2、9～40％之La2O3、0.5～11％之Gd2O3、0～10％之Y2O3、0～3％之Al2O3、总和不超过8％之R2O(R为Li、Na或K中的至少一种)、0～5％的R’O(R’为Mg、Sr或Ba中的至少一种)、0～3％之WO3、0～2％之Nb2O5以及0～1％之Sb2O3。
由表1、表2的范例1至14(除范例13)可见，当要求玻璃之屈服点温度Ts低于590℃时，本发明之光学玻璃较佳地具有如下组成(以重量百分比表示)：6～11％之SiO2、28～40％之B2O3、2～12％之CaO、5～18％之ZnO、1～8％之ZrO2、9～30％之La2O3、1～11％之Gd2O3、1～10％之Y2O3、1～7％之Li2O、总和不超过8％之R2O(R为Li、Na或K中的至少一种)、5～8％之SrO、总和不超过8％之R’O(R’为Mg、Sr或Ba中的至少一种)、0～3％之WO3、0～2％之Nb2O5以及0～1％之Sb2O3。这一较佳实施方式对前述基本组成的部分组分之重量百分比范围进一步作了限定，且特别明确要求Li2O的重量百分比为1～7％，SrO的重量百分比为5～8％。如前所述，Li2O对降低玻璃转移温度Tg及屈服点At有极佳的效果，若超过7％，耐失透性会恶化；而SrO加入适当的量，可降低液相温度LT、增加耐失透性，为调整光学常数之有效成份。
下表4为作为参照用之比较例。
表4
表4比较例1中，未使用CaO，且SrO的含量过高，液相温度范LT高于1000℃，量产性较差，且使用对环境有害之成份氧化砷As2O3。比较例2、3的玻璃失透现象严重，稳定性差，无法生产。其中，比较例2未使用ZnO、Gd2O3，且BaO的含量过高，而比较例3中ZnO的含量过低，且Gd2O3的含量过高。
综上所述，本发明光学玻璃具有改进之组分构成，不含氧化铅PbO、氧化砷As2O3等对环境有害之成份，具有折射率介于1.66至1.72之间、阿贝数介于51至56之间，且液相温度(LT)≤1000℃、原料熔解温度≤1300℃，无失透结晶等不良现象，玻璃稳定性好，易于控制玻璃量产的流量、毛胚预型体及精密非球面玻璃的制造，具有较佳的量产性。由于液相温度LT的降低，在硝材生产流量上易于控制，所需温度低，可以节省电费；失透性的改善，可在玻璃毛胚生产或精密压制成型的制造过程中，提升良率；原料熔解温度的降低，可降低炉体及锅子的耗损，降低设备的折旧率及炉修的工时。
以上所揭示之，仅仅是本发明之较佳实施例而已，不能以此来限定本发明实施之范围，本技术领域内之一般技术人员根据本发明所作之均等变化，以及本领域内技术人员熟知之改进，都应仍属于本发明专利涵盖之范围。
Claims (9)
1.一种光学玻璃，包含下述重量百分比含量的组分：
SiO2 2～11％
B2O3 28～45％
CaO 2～15％
ZnO 3～18％
ZrO2 1～8％
La2O3 9～40％
Gd2O3 0.5～11％。
2. 根据权利要求1所述的光学玻璃，其特征在于，还包含下述重量百分比含量的组分：
Y2O3 0～10％
Al2O3 0～3％
R2O 总和不超过8％
R’O 0～5％
WO3 0～3％
Nb2O5 0～2％
以及Sb2O3 0～1％；
其中R为Li、Na或K中的至少一种；R’为Mg、Sr或Ba中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃的折射率介于1.66至1.72之间、阿贝数介于51至56之间。
4、根据权利要求1或2所述的光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃的液相温度低于等于1000℃，原料熔解温度低于等于1300℃。
5、根据权利要求1所述的光学玻璃，其特征在于，还包含重量百分比为1～7％的Li2O。
6、根据权利要求5所述的光学玻璃，其特征在于，还包含重量百分比为5～8％的SrO。
7、一种光学玻璃，包含下述重量百分比含量的组分：
SiO2 6～11％
B2O3 28～40％
CaO 2～12％
ZnO 5～18％
ZrO2 1～8％
La2O3 9～30％
Gd2O3 1～11％
Y2O3 1～10％
Li2O 1～7％
R2O 总和不超过8％
SrO 5～8％
R’O 总和不超过8％
WO3 0～3％
Nb2O5 0～2％
以及Sb2O3 0～1％；
其中R为Li、Na或K中的至少一种；R’为Mg、Sr或Ba中的至少一种。
8、根据权利要求7所述的光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃的折射率介于1.66至1.72之间、阿贝数介于51至56之间。
9、根据权利要求7所述的光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃的液相温度低于等于1000℃，原料熔解温度低于等于1300℃。
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Application publication date: 20081029 |