CN101386468B - 光学玻璃以及光学元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学玻璃以及由该光学玻璃构成的光学元件。作为玻璃成分,光学玻璃含有下述各成分,SiO2:22%~29%质量百分比;B2O3:15%~38%质量百分比;Al2O3:0.1%~8%质量百分比;Li2O:2%~10%质量百分比;BaO:1%~9%质量百分比;La2O3:5%~20%质量百分比;Nb2O5:0.5%~4%质量百分比;Na2O:0%~5%质量百分比;K2O:0%~5%质量百分比;CaO:0%~10%质量百分比;SrO:0%~5%质量百分比;ZnO:0%~2%质量百分比;ZrO2:0%~5%质量百分比;WO3:0%~5%质量百分比;Ta2O5:0%~5%质量百分比;Yb2O3:0%~10%质量百分比;Sb2O3:0%~1%质量百分比,其中,SiO2/B2O3的质量比为0.7~1.5。
Description
技术领域
本发明涉及光学玻璃以及由该光学玻璃构成的光学元件,尤其涉及适合于模压成型的光学玻璃,以及模压成型该光学玻璃而制成的光学元件。
背景技术
CD、DVD、BD、HD—DVD等的光拾取镜头、手机中搭载的摄像用镜头等,各种由光学玻璃构成的光学元件被广泛使用。近年来,随着光盘记录再生装置和照相功能手机的迅速普及,这种由光学玻璃构成的光学元件的需求迅速扩大,因此要求提高这种光学元件的生产性和降低其成本。
另外,在光盘记录再生装置中,随着最近的高度信息化,记录信息的高密度化和大容量化正在加速。为了快速读取大容量光盘内的信息,必须通过低重量化光拾取镜头来加大光拾取镜头的驱动速度,所以,要求开发比重小的光学玻璃。
上述光学元件能够通过模压成型法制造。作为模压成型法的一种,已知有一种预先制作具有一定质量及形状的玻璃预成型品,将该玻璃预成型品和成型模具一起再次加热进行模压成型的方法(以下又称之为“再加热模压法”)。
而作为模压成型法的另一种制造方法,有一种将熔融玻璃滴经过滴下喷嘴滴到成型模具上,在滴下的熔融玻璃冷却固化期间,进行模压成型的方法(以下又成为“滴下模压成型法”)。利用该方法时,不需要反复加热和冷却成型模具,能够从熔融玻璃滴直接制造玻璃成型体,所以,1次成型所需要的时间非常短,与再加热法相比,更能够期待高的生产性而引起瞩目。
作为用于用模压成型法制造光学元件的光学玻璃,具有折射率nd(指对氦d线(波长587.56nm)的折射率,以下相同)为1.56~1.63、阿贝数νd为56~63之光学特性的,有一种SiO2—B2O3—R2O—R’O—La2O3类(其中,R为碱金属,R’为碱土金属)的光学玻璃被提案(例如参照专利文献1~3)。
专利文献1:日本专利特开平8—12368号公报
专利文献2:日本专利特开2003—89543号公报
专利文献3:日本专利特开2004—137145号公报
但是,专利文献1~3中记载的光学玻璃,它们的热膨胀系数都非常大(100℃~300℃时的平均热膨胀系数α在90×10-7/K以上)。因此,在模压成型时,由于热收缩,容易在光学元件中出现裂开、裂痕等缺陷,存在问题。尤其是在滴下模压成型法时,滴到成型模具被模压成型期间,由于熔融玻璃被急剧冷却,所以如上所述缺陷的发生尤其显著。
另外,专利文献1、3中记载的光学玻璃,达到适合于熔融玻璃滴滴下之粘度(5~30泊)的温度非常高。例如,为了使熔融玻璃滴的粘度为5泊,必须升温至高于1300℃的高温。因此,由于与如此高温的熔融玻璃滴接触,成型模具的劣化厉害,成型模具的寿命变得非常短,存在问题。
并且,专利文献2中记载的光学玻璃,因为比重大(例如2.98)所以不能充分与所要求的光学元件的低重量化相符合。另外,从滴下喷嘴滴下的熔融玻璃滴,是滞留在滴下喷嘴先端的熔融玻璃达到一定质量时从滴下喷嘴分离滴下的。因此,比重大的光学玻璃的情况时,难以滴下体积大的熔融玻璃滴,存在问题。
发明内容
本发明鉴于上述技术问题,目的在于提供一种光学玻璃,其适合于用模压成型法的光学元件的制造。
本发明的目的还在于提供一种光学元件,其由所述的光学玻璃构成,能够通过模压成型法生产性良好地进行制造。
为了解决上述课题,本发明具有下述特征。
1.一种光学玻璃,其特征在于,作为玻璃成分含有下述各成分,SiO2:22%~29%质量百分比;B2O3:15%~38%质量百分比;其中,SiO2/B2O3的质量比为0.7~1.5,Al2O3:0.1%~8%质量百分比;Li2O:2%~10%质量百分比;BaO:1%~9%质量百分比;La2O3:5%~20%质量百分比;Nb2O5:0.5%~4%质量百分比;Na2O:0%~5%质量百分比;K2O:0%~5%质量百分比;CaO:0%~10%质量百分比;SrO:0%~5%质量百分比;ZnO:0%~2%质量百分比;ZrO2:0%~5%质量百分比;WO3:0%~5%质量百分比;Ta2O5:0%~5%质量百分比;Yb2O3:0%~10%质量百分比;Sb2O3:0%~1%质量百分比。
2.上述1中记载的光学玻璃,其特征在于,折射率nd为1.56~1.63,阿贝数νd为56~63,比重为2.9以下,100℃~300℃时的平均热膨胀系数α为87×10-7/K以下,液相温度TL<T(30P),且T(5P)≤1200℃。其中,折射率nd是对氦d线(波长587.56nm)的折射率,T(30P)是上述光学玻璃的粘度为30泊时的温度,T(5P)是上述光学玻璃的粘度为5泊时的温度。
3.上述1中记载的光学玻璃,其特征在于,SiO2的含有量为25%~29%质量百分比。
4.上述1中记载的光学玻璃,其特征在于,B2O3的含有量为25%~35%质量百分比。
5.上述1中记载的光学玻璃,其特征在于,SiO2/B2O3的质量比为0.8~1.2。
6.上述1中记载的光学玻璃,其特征在于,Al2O3的含有量为2%~7%质量百分比。
7.上述1中记载的光学玻璃,其特征在于,Li2O的含有量为4%~7%质量百分比。
8.上述1中记载的光学玻璃,其特征在于,BaO的含有量为6%~9%质量百分比。
9.上述1中记载的光学玻璃,其特征在于,La2O3的含有量为8%~15%质量百分比。
10.上述1中记载的光学玻璃,其特征在于,Nb2O5的含有量为0.5%~2%质量百分比。
11.一种光学元件,其特征在于,由上述1~10的任何一项中记载的光学玻璃构成。
12.上述11中记载的光学元件,其特征在于,是模压成型滴到成型模具中的熔融玻璃滴而制造的。
附图说明
图1:粘性曲线的图表示意图。
具体实施方式
本发明之优选实施方式的光学玻璃,因为含有所定成分,所以具有折射率nd为1.56~1.63、阿贝数νd为56~63、比重为2.9以下、100℃~300℃时的平均热膨胀系数α为87×10-7/K以下、液相温度TL<T(30P),且T(5P)≤1200℃等特性(其中,T(30P)是上述光学玻璃的粘度为30泊时的温度,T(5P)是上述光学玻璃的粘度为5泊时的温度。以下相同)。因此,能够用模压成型法生产性良好地制造光学元件,其中,通过滴下模压成型法,尤其能够以高生产性制造光学元件。
玻璃成分
本实施方式的光学玻璃是SiO2—B2O3—Li2O—BaO—La2O3类合成,以一定比例含有各成分,所以具有如上所述适合于模压成型的特性。以下对本实施方式的光学玻璃中含有的各成分作详细说明。
SiO2是本实施方式光学玻璃的主要成分,因为是形成玻璃网眼构造的重要成分,所以大大有助于玻璃的光学耐久性。SiO2的含有量少于22%质量百分比的话,化学耐久性有劣化可能。反之超过29%质量百分比的话,则不仅仅熔融性恶化,还因T(5P)高于1200℃而不适合于滴下模压成型。因此,SiO2的含有量必须控制在22%~29%质量百分比范围。其中,优选在25%~29%质量百分比范围。
B2O3与SiO2相同,也是本实施方式光学玻璃的主要成分,有助于玻璃的稳定性。B2O3含有量少于15%质量百分比的话,液相温度TL上升,玻璃的透明消失倾向增大,反之超过38%质量百分比的话,化学耐久性劣化。因此,B2O3的含有量必须控制在15%~38%质量百分比的范围。其中优选在25%~35%质量百分比范围。
本实施方式中,必须把SiO2/B2O3的质量比控制在0.7~1.5。质量比小于0.7或大于1.5的话,都难以得到适合于滴下模压成型的粘度曲线。所谓适合于滴下模压成型的粘度曲线,是液相温度TL<T(30P)、且满足T(5P)≤1200℃之意思。另外,质量比小于0.7的话,玻璃的化学耐久性劣化,反之超过1.5的话,玻璃的熔融性恶化,同时耐透明消失性恶化,难以得到均匀的玻璃。因此,SiO2/B2O3的质量比必须为0.7~1.5,其中尤其优选的范围为0.8~1.2。
Al2O3是本实施方式光学玻璃的必须成分,能够提高化学耐久性,调整玻璃的粘性。Al2O3含有量少于0.1%质量百分比的话则没有上述效果,反之超过8%质量百分比的话,液相温度TL上升,透明消失倾向增大,不能满足液相温度TL<T(30P)。因此,Al2O3的含有量必须控制在0.1%~8%质量百分比的范围。其中优选在2%~7%质量百分比的范围。
Li2O是本实施方式光学玻璃的必须成分,持有使玻璃稳定化、降低玻璃转移温度Tg并减小比重的效果。Li2O的含有量少于2%质量百分比的话则没有上述效果,反之多于10%质量百分比的话会引起化学耐久性劣化、粘性降低。由于上述原因,Li2O的含有量必须控制在2%~10%质量百分比的范围。从耐透明消失性、化学耐久性的观点出发,优选在4%~7%质量百分比的范围。
BaO是本实施方式光学玻璃的必须成分,大大有助于玻璃的稳定性,同时还能够用于调整光学常数(折射率nd、阿贝数νd)。BaO的含有量少于1%质量百分比的话则缺乏玻璃稳定性效果,反之超过9%质量百分比的话则比重变大同时化学耐久性劣化。由于上述原因,BaO的含有量必须控制在1%~9%质量百分比的范围。优选在6%~9%质量百分比的范围。
La2O3是本实施方式光学玻璃的必须成分,其持有既维持低色散又提高折射率nd、同时还提高玻璃化学耐久性的效果。La2O3的含有量少于5%质量百分比的话,则折射率nd降低而难以得到所望的光学常数,同时化学耐久性劣化。相反超过20%质量百分比的话,折射率升高同样难以得到所望的光学常数,同时液相温度TL上升,透明消失倾向增大,比重也增大。因此,La2O3的含有量必须控制在5%~20%质量百分比的范围。另外,本实施方式中因为同时含有BaO和La2O3,所以从比重的观点出发,最好把La2O3的含有量控制在8%~15%质量百分比的范围。
Nb2O5是本实施方式光学玻璃的必须成分,其持有强化化学耐久性和使玻璃稳定并且使折射率上升之效果。Nb2O5的含有量少于0.5%质量百分比的话,缺乏上述效果,反之多于4%质量百分比的话,阿贝数νd过分太小得不到所望的光学常数。出于上述原因,Nb2O5的含有量必须控制在0.5%~4%质量百分比的范围。优选在0.5%~2%质量百分比的范围。
并且在本实施方式的光学玻璃中,作为任意成分,可以分别以一定的比例添加Na2O、K2O、CaO、SrO、ZnO、ZrO2、WO3、Ta2O5、Yb2O3、Sb2O3。以下对各成分进行说明。
Na2O和K2O与Li2O相同,有降低玻璃转移温度Tg的效果,但是各自的含有量超过5%质量百分比的话,化学耐久性劣化。因此,本实施方式中Na2O和K2O的含有量必须分别控制在0~5%质量百分比(其中包括0)。较优选在分别为0~2%质量百分比的范围。
CaO是持有调整折射率nd、使玻璃稳定和轻量化,还有提高熔融性效果的成分,但是,含有量超过10%质量百分比的话,出现化学耐久性劣化倾向。因此,使CaO的含有量为0~10%质量百分比(也包括0)。较优选在0~8%质量百分比的范围。
为了调整折射率nd,可以含有SrO至5%质量百分比为止。含有量超过5%质量百分比的话,比重、透明消失倾向增大。因此,本实施方式中的SrO的含有量有必要控制在0~5%质量百分比(其中包括0)。较优选在0~3%质量百分比的范围。
ZnO具有提高耐候性、调整折射率、降低玻璃转移温度Tg的效果,但是含有量超过2%质量百分比的话,液相温度TL上升透明消失倾向增大。因此,以ZnO含有量为0~2%质量百分比(其中包括0)。
通过添加少量的ZrO2能够提高化学耐久性和达成调整折射率。但是超过质量百分比5%的话,透明消失倾向增大同时阿贝数νd变小,难以得到所望的光学常数。因此,以ZrO2的含有量为0~5%质量百分比(其中包括0)。较优选在0~2%质量百分比的范围。
WO3有助于玻璃的稳定性还可以用于调整折射率nd。但是含有量超过5%质量百分比的话,阿贝数νd变小,难以得到所望的光学常数,同时成为着色的原因,还加大比重。因此,以WO3的含有量为0~5%质量百分比(其中包括0)。较优选在0~3%质量百分比范围。
为了使玻璃稳定化和调整折射率nd等,可以含有Ta2O5至5%质量百分比为止。含有量超过5%质量百分比的话,阿贝数νd变小,得不到所望的光学常数。因此,以Ta2O5的含有量为0~5%质量百分比(其中包括0)。较优选在0~3%质量百分比范围。
为了提高化学耐久性和调整折射率nd等,可以含有Yb2O3至10%质量百分比为止。含有量超过10%质量百分比的话,透明消失倾向及比重增大。因此,以Yb2O3的含有量为0~10%质量百分比(其中包括0)。较优选在0~5%质量百分比范围。
Sb2O3可以用作清澄剂。本实施方式中的Sb2O3含有量为0~1%质量百分比(其中包括0)。
本实施方式的光学玻璃,因为含有上述玻璃成分,所以具有折射率nd为1.56~1.63、阿贝数νd为56~63、比重为2.9以下、100℃~300℃时的平均热膨胀系数α为87×10-7/K以下、液相温度TL<T(30P),且T(5P)≤1200℃之特性。
模压成型
本实施方式的光学元件通过模压成型上述光学玻璃而制成。如上所述,本实施方式的光学玻璃因为具有适合于模压成型法的特性,所以能够通过模压成型法生产性良好地制造光学元件。模压成型法可以是再加热法,也可以是滴下模压成型法,但是用滴下模压成型法尤其能够以高生产性制造光学元件。以下,例举滴下模压成型法,对由本实施方式光学玻璃构成的光学元件的制造方法作说明。
滴下模压成型法是在玻璃熔融后,从调整了温度的滴下喷嘴,向预先被加热的成型模具上滴下熔融玻璃滴,之后用上下一对成型模具,进行精密模压的模压成型法。
为了使能够在光学元件上转印良好的光学面,成型模具预先被加热至一定温度。该一定温度根据所制造的光学元件的形状和大小等各种条件而有所不同,但是,一般是设定为光学玻璃的玻璃转移温度Tg前后的温度(例如,Tg—50℃~Tg+50℃)。因此,通常是光学玻璃的玻璃转移温度Tg越高,成型模具的加热温度必须升高,成型模具的劣化越厉害。从抑制成型模具劣化的观点出发,优选光学玻璃的玻璃转移温度Tg在550℃以下。
成型模具的材质,可以从耐热合金(不锈钢等)、以碳化钨为主要成分的超硬材料、各种陶瓷(碳化硅、氮化硅、氮化铝等)、含有碳的复合材料等、周知的加压成型玻璃制光学元件所用的成型模具材质中,适当选择使用。还可以采用在上述材质表面形成各种金属、陶瓷、碳等保护膜的材质。
熔融玻璃滴在滞留于滴下喷嘴先端的熔融玻璃滴达到一定质量时,从滴下喷嘴自然分离滴下。通常能够滴下0.1g至2g左右的熔融玻璃滴。本实施方式的光学玻璃因为比重非常小,在2.9以下,所以也能够适应大体积光学元件的制造。
从滴下喷嘴滴下熔融玻璃之际,有必要相应所制造的光学元件的外径和质量等在5~30泊范围适当调整熔融玻璃滴的粘度。为了防止透明消失,此时的熔融玻璃滴的温度(粘度为5~30泊时的温度)必须高于玻璃的液相温度TL,但是如果比1200℃还高的话,与熔融玻璃滴直接接触的成型模具的劣化显著。本实施方式的光学玻璃因为液相温度TL<T(30P),且T(5P)≤1200℃,所以能够防止滴下时的透明消失并有效地抑制成型模具的劣化。
也可以不是从滴下喷嘴直接向成型模具滴下熔融玻璃滴,而是使从滴下喷嘴滴下的熔融玻璃滴冲突在设有贯通细孔的部件上,使冲突的熔融玻璃滴的一部分作为微小滴,穿过贯通细孔滴到成型模具。这样,能够制造例如1mm3~100mm3之微小的光学元件。还可以通过改变贯通细孔的直径而不交换滴下喷嘴地调整熔融玻璃滴的体积,能够高效率地制造多种光学元件,所以优选。该方法在特开2002—154834号公报中有详细记载。
熔融玻璃滴滴到成型模具后,用上下一对成型模具模压成型熔融玻璃滴得到光学元件。成型模具加压期间,熔融玻璃滴主要通过从与成型模具接触面的放热而急剧冷却,固化成为光学元件。因此,热膨胀系数大的光学玻璃的情况,由于模压成型时的热收缩,光学元件中容易发生裂开、裂痕等缺陷。本实施方式中的光学玻璃,因为在100℃~300℃时的平均热膨胀系数α在87×10-7/K以下,所以能够有效地抑制发生上述起因于热收缩的缺陷。
模压的压力及时间,可以相应所制造的光学元件的尺寸等适当设定。通常模压压力在200~1000kgf/cm2左右,较合适的模压时间为数秒~数十秒。
实施例
制作本实施方式合成范围内的光学玻璃4种(实施例1~4),以及本实施方式合成范围外的光学玻璃3种(比较例1~3),测定了物理特性值。分别将实施例1~4的玻璃成分和物理特性值出示在表1,将比较例1~3的玻璃成分和物理特性值出示在表2。与比较例1~3的玻璃成分相比,可以知道,实施例1~4的玻璃成分的一个特征在于SiO2的含有量以及SiO2/B2O3の的质量比都较小。另外,比较例1、比较例2、比较例3分别是上述专利文献3中记载的实施例11、专利文献2中记载的实施例11、专利文献1中记载的实施例8的确认分析试验。
【表1】
【表2】
光学玻璃制作一般通过熔融法进行。首先按照所望比率称量、混合由各成分氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐组成的原料。将得到的粉末原料投入铂坩埚炉,在被加热到1200℃~1400℃的熔融炉熔融2~3小时左右。搅拌均匀被熔融了的玻璃后,注入预先加热至玻璃转移温度Tg附近的金属制铸模。注入铸模的玻璃放入加热到玻璃转移温度Tg—20℃附近的电炉内,通过徐冷得到板状样品玻璃。
对表1及表2中记载的物理特性值的测定方法作说明。折射率nd和阿贝数νd是在玻璃熔融后,每小时—30℃徐冷到室温后进行测定。测定是采用カルニュ—光学公司制的测定装置「KPR—200」来进行。玻璃转移温度Tg、屈曲温度At以及100℃~300℃时的平均热膨胀系数α是使用热膨胀测定装置使每分钟升温5℃时的值。测定时采用セイコ—インスツルメンツ公司制造的测定装置「TMA/SS—6000」。比重根据阿基米德法求得。液相温度TL是将玻璃投入50ml坩埚炉,先在加热到1200℃~1400℃的熔融炉内熔融1小时,之后降温至所定的温度,保持12小时。之后从熔融炉取出玻璃注入铸模。镜面研磨徐冷后得到的玻璃样品,用光学显微镜观察样品内有没有透明消失(结晶)。
图1表示粘性曲线的图表。各温度时的粘度的测定,采用高温粘度测定装置「VISCOMETER TV—20」进行。实施例2和实施例3大部分与实施例1相同,所以省略图示。
由表1及图1可知,实施例1~4的光学玻璃都是折射率nd在1.56~1.63,阿贝数νd在56~63,比重在2.9以下,100℃~300℃时的平均热膨胀系数α在87×10-7/K以下,液相温度TL<T(30P)、且T(5P)≤1200℃。因此,确认了本实施方式的光学玻璃具有一定的光学常数,是适合于用模压成型法制造光学元件的光学玻璃。
与此相反,比较例1~3的光学玻璃因为100℃~300℃时的平均热膨胀系数α都大至90×10-7/K以上,所以用模压成型容易发生裂开、裂痕等缺陷。因此,不能用模压成型法以高生产性制造光学元件。
另外,比较例1以及3的光学玻璃与实施例1~4相比,粘性曲线向上方(高粘度方向)移动,所以有必要将滴下喷嘴的设定温度设定的更高。尤其是T(5P)比1300℃还高。因此,用液滴模压成型法制造光学元件时,滴到成型模具的熔融玻璃滴的温度非常高,成型模具的劣化厉害。
并且,比较例2的光学玻璃比重为2.98,大于实施例1~4。这是因为已经在某种程度含有BaO再加上含有多量La2O3而引起的。因此,不能充分符合所要求的光学元件的低重量化,也难以滴下大体积熔融玻璃滴。
Claims (10)
1.一种光学玻璃,其特征在于,作为玻璃成分含有下述各成分,
SiO2:22%~29%质量百分比;
B2O3:15%~38%质量百分比;
其中,SiO2/B2O3的质量比为0.8~1.2,
Al2O3:0.1%~8%质量百分比;
Li2O:2%~10%质量百分比;
BaO:6%~9%质量百分比;
La2O3:5%~20%质量百分比;
Nb2O5:0.5%~4%质量百分比;
Na2O:0%~5%质量百分比;
K2O:0%~5%质量百分比;
CaO:0%~10%质量百分比;
SrO:0%~5%质量百分比;
ZnO:0%~2%质量百分比;
ZrO2:0%~5%质量百分比;
WO3:0%~5%质量百分比;
Ta2O5:0%~5%质量百分比;
Yb2O3:0%~10%质量百分比;
Sb2O3:0%~1%质量百分比。
2.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,折射率nd为1.56~1.63,阿贝数νd为56~63,比重为2.9以下,100℃~300℃时的平均热膨胀系数α为87×10-7/K以下,液相温度TL<T(30P),且T(5P)≤1200℃,
其中,折射率nd是对氦d线的折射率,T(30P)是上述光学玻璃的粘度为30泊时的温度,T(5P)是上述光学玻璃的粘度为5泊时的温度,所述氦d线是波长为587.56nm的光。
3.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,SiO2的含有量为25%~29%质量百分比。
4.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,B2O3的含有量为25%~35%质量百分比。
5.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,Al2O3的含有量为2%~7%质量百分比。
6.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,Li2O的含有量为4%~7%质量百分比。
7.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,La2O3的含有量为8%~15%质量百分比。
8.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,Nb2O5的含有量为0.5%~2%质量百分比。
9.一种光学元件,其特征在于,由权利要求1~8中任一项所述的光学玻璃构成。
10.如权利要求9所述的光学元件,其特征在于,是模压成型滴到成型模具中的熔融玻璃滴而制造的。
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