CN102050571A - 高折射率光学玻璃 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称为高折射率光学玻璃。属于光学玻璃技术领域。它主要是提供一种折射率(nd)在1.77～1.82、阿贝数(υd)在45～50范围内，在不含有ThO2、有害成分及昂贵GeO2成分的基础上，具有低的失透倾向和高透过率，适于二次模压用的高折射率光学玻璃。它的主要特征是：SiO20.5～7％；B2O320～40％；La2O325～45％；Gd2O31～20％；Y2O30～15％；Yb2O30～15％；∑(La2O3+Gd2O3+Y2O3+Yb2O3)35≤X≤60；Ta2O51～20％；Nb2O50～5％；ZrO20.5～8％；SnO20.5～5％；ZnO0.5～7％；∑(ZrO2+SnO2+ZnO)5≤X≤15％；Al2O30～5％。本发明主要用于高折射率、低阿贝数玻璃相匹配、小型化、超薄化和广角化的光学元件。

Description

高折射率光学玻璃
技术领域
发明属于光学玻璃技术领域，具体涉及一种高折射率(1.77≤nd≤1.82)、高阿贝数(45≤υd≤50)，且不含有害氧化物成分及价格昂贵的GeO2等成分的光学玻璃，以及由该光学玻璃生产具有良好的抗失透性能和高的可见光透过光学元件的方法。
背景技术
在光学系统设计中，通常采用这类高折射率玻璃或利用非球面透镜片数等光学元件做到小型化、超薄化和广角化，而这类玻璃更能实现此目的，同时与高折射率、低阿贝数玻璃相匹配，在进行特殊光学系统设计中，可实现弥补和校正色差的目的。
早期制作这类玻璃都含有放射性氧化物ThO2，而采用Ta2O5、Yb2O3等氧化物取代ThO2后，玻璃生成范围受到限制，失透倾向也变得难以控制。近年来，随着光学玻璃制作工艺、技术水平的提高，实现这类玻璃的无ThO2及稳定的工艺性能已成为可能。
作为本发明目的的相近折射率、阿贝数光学玻璃已有大量被公开。
CN1182058C属于这类无ThO2的高折射率玻璃，但这类玻璃折射率高、阿贝数小。
CN1532160A所公开折射率为1.80以上的光学玻璃，属于这类玻璃范畴，但对玻璃失透性能、透过率未能表达，且不能量产。
CN1618752A同属于这类高折射率、低色散的玻璃。但该玻璃含有价格昂贵的GeO2成分，且玻璃化稳性、透过率未能表达出来，同时玻璃失透性能也表达不充分。
发明内容
本发明的目的就是针对上述不足之处而提供一种折射率(nd)在1.77～1.82、阿贝数(υd)在45～50范围内，在不含有ThO2、有害成分及昂贵GeO2成分的基础上，具有低的失透倾向和高透过率，适于二次模压用的高折射率光学玻璃。
本发明另一目的是提供一种利用上述高折射率光学玻璃生产光学元件的方法。
为解决上述课题，本发明经过反复研究、并在试验的结果中发现，在不含有ThO2、有害成分及昂贵GeO2成分的基础上，可实现具有良好抗失透性能和所要求的折射率和阿贝数值。
而且，本发明在工艺研究中发现，在不改变玻璃组成成分的前提下，通过工艺条件、尤其是成型工艺的提高和改善，可极大提高玻璃耐失透性。
再者，研究中进一步以提高透过率和化稳定性为目的，以致完成本发明。
本发明高折射率光学玻璃的技术解决方案是：一种高折射率光学玻璃，其特征在于所述玻璃折射率为1.77≤nd≤1.83，阿贝数为44≤υd≤51，组分范围按氧化物重量百分比计含有：
SiO2                          0.5～7％；
B2O3                          20～40％；
La2O3                         25～45％；
Gd2O3                         1～20％；
Y2O3                          0.1～15％；
Yb2O3                         0～15％；
∑(La2O3+Gd2O3+Y2O3+Yb2O3)    35≤X≤60；
Ta2O5                         1～20％；
Nb2O5                         0.1～5％；
ZrO2                          0.5～8％；
SnO2                          0.5～5％；
ZnO                           0.5～7％；
∑(ZrO2+SnO2+ZnO)             5≤X≤15％；
Al2O3                         0～5％。
本发明高折射率光学玻璃优选的技术解决方案是：一种高折射率光学玻璃，其特征在于所述玻璃组分范围按氧化物重量百分比计含有：
SiO2                         0.5～6％；
B2O3                         20～35％；
La2O3                        28～40％；
Gd2O3                            1～18％；
Y2O3                             0.1～12％；
Yb2O3                            0～12％；
∑(La2O3+Gd2O3+Y2O3+Yb2O3)       40≤X≤55；
Ta2O5                            1～17％；
Nb2O5                            0.1～4％；
ZrO2                             1～7％；
SnO2                             0.5～5％；
ZnO                              1～7％；
∑(ZrO2+SnO2+ZnO)                6≤X≤13％；
Al2O3                            0～4％。
本发明高折射率光学玻璃优选的技术解决方案还可以是：一种高折射率光学玻璃，其特征在于所述玻璃组分范围按氧化物重量百分比计含有：
SiO2                            0.5～6％；
B2O3                            20～30％；
La2O3                           30～40％；
Gd2O3                           2～16％；
Y2O3                            0.1～10％；
Yb2O3                           0～10％；
∑(La2O3+Gd2O3+Y2O3+Yb2O3)      42≤X≤55；
Ta2O5                           2～13％；
Nb2O5                           0.1～3％；
ZrO2                            1～6％；
SnO2                            0.5～2.5％；
ZnO                             1～4％；
∑(ZrO2+SnO2+ZnO)               8≤X≤13％；
Al2O3                           0～2％。
本发明高折射率光学玻璃的技术解决方案中所述的SiO2/B2O3比值≤0.13。
本发明高折射率光学玻璃的技术解决方案中所述的∑(La2O3+Gd2O3)的下限为41％。
本发明高折射率光学玻璃的技术解决方案中所述的∑(La2O3+Gd2O3)的上限为55％。
本发明高折射率光学玻璃的技术解决方案中所述的∑(Ta2O5+Nb2O5)的上限为15％。
本发明高折射率光学玻璃的技术解决方案中所述的玻璃还包括澄清剂Sb2O3成分，其上限值为0.5％。
本发明利用高折射率光学玻璃生产光学元件的技术解决方案是：一种生产光学元件的方法，其特征在于：先将高折射率光学玻璃在-温度下熔融；再将该熔融的高折射率光学玻璃经过模具漏料制成毛胚材料；最后将该毛胚材料经二次模压制成光学元件。
本发明利用高折射率光学玻璃生产光学元件的技术解决方案中所述的光学元件模具为封闭隔离式模具，熔融高折射率光学玻璃在漏料过程中被拉制成毛胚材料。
以本发明的光学玻璃基础玻璃源自于硼镧系统并加入对本发明是极为重要的和从而是必需的Ta2O5、Gd2O3成分和/或Yb2O3、Y2O3含量的硼酸盐体系。
SiO2成分是玻璃形成氧化物，同时是提高抗失透和化学稳定性的成分。为了达到上述效果，优选含量0.5％以上，但加入量超过7.0％，折射率难以达到1.77以上，同时失透倾向也将增大。因此优选超过2.0％，更优选超过3.0％，加入量上限优选为6.0％。
B2O3成分在大量含有稀土氧化物的本发明的光学玻璃中是作为玻璃形成氧化物的必需成分。其量小于10.0％时难以形成稳定玻璃，在超过35.0％时化学稳定性将变差。因此含量下限优选15％，含量上限优选30％，更优选28％。
La2O3成分是提高玻璃折射率、且增大阿贝数的有效成分。其含量小于30％时玻璃的折射率、阿贝数难以达到上述特定范围，但超过45％时失透倾向增大，液相线温度升高。因此，为保持良好的稳定性，含量下限优选33％，更优选35％，含量上限优选为42％，最优选为40％。
Gd2O3成分与La2O3成分同样是对提高玻璃折射率、且增大阿贝数有效的成分。其含量不足3％时玻璃失透倾向将增大，另外，超过20％时玻璃失透倾向将增大。因此，为保持良好的稳定性，含量下限优选为2％，更优选6％，含量上限优选为18％，更优选为15％。
Yb2O3成分与La2O3成分同样也是提高玻璃折射率、增大阿贝数有效的及可任意加入的成分。但是，当过量含有时，不仅失透倾向增大，而且光透过率下降。因此，含量上限优选15％，更优选10％，最优选9％。
Y2O3成分与La2O3成分同样也是对提高玻璃折射率、增大阿贝数有效的及可任意加入的成分。但是，与Yb2O3一样其过量含有时，耐失透性能恶化。因此，含量上限可优选为10％，更优选6％，最优选4％。
Ta2O5成分通过特别地与Nb2O5成分共而使用，对提高耐失透性和折射率有极高的效果。但是其含量小于5％难以达到上述效果，如超过20％时耐失透性反而异变差，折射率、阿贝数也难以达到上述要求。为能顺利达到上述要求，含量下限优选为3％，更优选6％，最优选8％，含量上限优选15％，更优选12％。
Nb2O5成分对提高折射率、降低液相线温度有极好的效果，但含量小于0.5％时效果不明显其含量超过3％时将减小阿贝数。因此，为更适当地达到上述要求，含量下限优选为0.5％，更优选1％，含量上限优选为3.0％，更优选2.5％或更低。
ZrO2成分具有调整折射率、降低液相线温度、提高化学稳定性的效果。其含量小于4.0％时不易达到上述要求，而超过7.0％时稳定性又将变差。为达到上述要求，含量下限优选为4.5％，更优选5.0％，含量上限优选7.0％或更低。
SnO2成分与ZrO2成分相同，在与ZrO2共同使用，对提高耐失透性有更佳的效果。但是，含量小于0.5％时效果不明显，而超过3.0％时失透倾向又将增大，玻璃稳定性也将变差。因此，含量下限优选0.5％，更优选1.0％，上限优选2.5％。
ZnO成分具有调整折射率、提高耐失透性的效果，其含量超过5.0％时，耐失透性易恶化。因此，含量下限优选为1.0％，更优选2.0％，含量上限优选3.0％。
Al2O3成分作为提高化学稳定性而加入，其含量超过2.0％时，玻璃稳定性将变差。其含量上限优选2.0％或更低。
Sb2O3成分作为玻璃澄清剂，其优选含量小于0.5％。
附图说明
图1是本发明的光谱透过曲线图。
具体实施方式
下面将以实施例示例地描述本发明的光学玻璃。
在表1～2中包括优选组成范围内的7个实施例，这些是对比性实施例，以此将所描述的本发明光学玻璃的不同物化特性进行比较，同时包括2个典型的比较例与之进行对比。
本发明的光学玻璃除不含有害氧化物成分外，还不含GeO2等价格昂贵的氧化物成分。
本发明还涉及一种制备本发明玻璃的方法，该方法中将已知的形成玻璃的原始成分以氧化物的形式经加热至熔融体，该熔融体以重量％计含有氧化物成分：0.5～6％SiO2、10～35％B2O3、25～45％La2O3、5～20％Gd2O3、优选0.1～15％Y2O3、0～15％Yb2O3其中∑(La2O3+Gd2O3)40≤X≤50，1～20％Ta2O5、0.5～5％Nb2O5、0.5～8％ZrO2、0.5～5％SnO2、0.5～7％ZnO、0～5％Al2O3。
本发明还涉及一种光学玻璃的成型方法，该方法将充分澄清、均化的玻璃熔融态从漏管中流出，流经一种特殊封闭隔离式成型模具中并以平板形式扩展熔融玻璃态，从而形成平板玻璃，经牵引退火消除应力。
本发明玻璃的制备实施例包括如下：称取石英砂、硼酸、稀土氧化物及其他氧化物等原料，加入微量澄清剂，将其充分混合均匀，该玻璃混合料在单埚熔炼设备中于1270℃～1300℃下熔化，之后在1350℃～1380℃下澄清与均化，在1170℃～1200℃的成型温度下按所要求的规格进行拉制成型，并进行退火后切割成所需规格。
100KG计算量的玻璃熔融体实施例：
  氧化物   重量％   原料   称重(KG)
  SiO2   2.5   SiO2   2.53
  B2O3   24.0   H3BO3   43.06
  La2O3   37.5   La2O3   37.88
  Gd2O3   13.0   Gd2O3   13.13
  Y2O3   4.0   Y2O3   4.04
  Ta2O5   10.5   Ta2O5   10.61
  Nb2O5   0.5   Nb2O5   0.50
  ZrO2   4.0   ZrO2   4.08
  SnO2   1.0   SnO2   1.02
  ZnO   2.0   ZnO   2.03
  Al2O3   1.0   Al(OH)3   1.52
  Sb2O3   0.2   Sb2O3   0.204
以此所得玻璃特性列于下表1的实施例5中
表1、LaF015～54玻璃实施例(量以重量％表示)
Figure G2009102726977D00071
LT-液相线温度
表2、LaF015～54玻璃实施例(量以重量％表示)
Figure G2009102726977D00081
表1、2的实施例(№1至№7)的本发明光学玻璃达到所要求的折射率和阿贝数，且还具有高的光透过率和低的液相线温度，适于量化生产。
比较例№a加入了过多的Yb2O3成分，玻璃长波方向光透过率下降，且稳定性较差，不适于批量生产。
比较例№b由于含有GeO2成分，不仅成本高，且工艺稳定性较差，失透温度高，也不适于进行量产。

Claims (10)

1.一种高折射率光学玻璃，其特征在于所述玻璃折射率为1.77≤nd≤1.83，阿贝数为44≤υd≤51，组分范围按氧化物重量百分比计含有：
SiO2                        0.5～7％；
B2O3                        20～40％；
La2O3                       25～45％；
Gd2O3                       1～20％；
Y2O3                        0.1～15％；
Yb2O3                       0～15％；
∑(La2O3+Gd2O3+Y2O3+Yb2O3)  35≤X≤60；
Ta2O5                       1～20％；
Nb2O5                       0.1～5％；
ZrO2                        0.5～8％；
SnO2                        0.5～5％；
ZnO                         0.5～7％；
∑(ZrO2+SnO2+ZnO)           5≤X≤15％；
Al2O3                       0～5％。
2.根据权利要求1所述的高折射率光学玻璃，其特征在于所述玻璃组分范围按氧化物重量百分比计含有：
SiO2                        0.5～6％；
B2O3                        20～35％；
La2O3                       28～40％；
Gd2O3                       1～18％；
Y2O3                        0.1～12％；
Yb2O3                       0～12％；
∑(La2O3+Gd2O3+Y2O3+Yb2O3)  40≤X≤55；
Ta2O5                       1～17％；
Nb2O5                       0.1～4％；
ZrO2                        1～7％；
SnO2                        0.5～5％；
ZnO                         1～7％；
∑(ZrO2+SnO2+ZnO)           6≤X≤13％；
Al2O3                       0～4％。
3.根据权利要求1的高折射率光学玻璃，其特征在于所述玻璃组分范围按氧化物重量百分比计含有：
SiO2                        0.5～6％；
B2O3                        20～30％；
La2O3                       30～40％；
Gd2O3                       2～16％；
Y2O3                        0.1～10％；
Yb2O3                       0～10％；
∑(La2O3+Gd2O3+Y2O3+Yb2O3)  42≤X≤55；
Ta2O5                       2～13％；
Nb2O5                       0.1～3％；
ZrO2                        1～6％；
SnO2                        0.5～2.5％；
ZnO                         1～4％；
∑(ZrO2+SnO2+ZnO)           8≤X≤13％；
Al2O3                       0～2％。
4.根据权利要求1、2或3所述的高折射率光学玻璃，其特征在于所述的SiO2/B2O3比值≤0.13。
5.根据权利要求1、2或3所述的高折射率光学玻璃，其特征在于所述的∑(La2O3+Gd2O3)的下限为41％。
6.根据权利要求1、2或3所述的高折射率光学玻璃，其特征在于所述的∑(La2O3+Gd2O3)的上限为55％。
7.根据权利要求1、2或3所述的高折射率光学玻璃，其特征在于所述的∑(Ta2O5+Nb2O5)的上限为15％。
8.根据权利要求1、2或3所述的高折射率光学玻璃，其特征在于所述的玻璃还包括澄清剂Sb2O3成分，其上限值为0.5％。
9.一种根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的高折射率光学玻璃生产光学元件的方法，其特征在于：先将高折射率光学玻璃在一温度下熔融；再将该熔融的高折射率光学玻璃经过模具漏料制成毛胚材料；最后将该毛胚材料经二次模压制成光学元件。
10.根据权利要求9所述的生产光学元件的方法，其特征在于：所述的光学元件模具为封闭隔离式模具，熔融高折射率光学玻璃在漏料过程中被拉制成毛胚材料。
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