CN103771706A - 光学玻璃 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种精密压型用光学玻璃，其重量百分比组成为：SiO2：0.1～10%、B2O3：9～20%、La2O3：20～35%、ZrO2：1～8%、ZnO：5～20%、Ta2O5：1～10%、Gd2O3：5～15%、TiO2：0～2%、Y2O3：1～10%、WO3：1～12%、Li2O：0～3%、Sb2O3：0～1%。本发明的光学玻璃密度为5.0g/cm3以下，折射率为1.80～1.85，阿贝数为40～45，转变温度为600℃以下，透射比达到80%时对应的波长λ80为415nm以下，析晶上限温度在1110℃以下，适于精密压型用。

Description

光学玻璃
技术领域
本发明涉及一种光学玻璃，尤其是涉及一种折射率（nd）为1.80～1.85，阿贝数（vd）为40～45的精密压型用光学玻璃，以及由该光学玻璃构成的预制件和光学元件。
背景技术
近年来，随着光电行业的发展，对光学设备提出了小型化、轻量化、高性能化的要求，为了减少构成光学设备中光学系统的透镜数量，在光学设计中越来越多的使用非球面透镜。非球面透镜的制造现在广泛采用精密模压成型。所谓精密模压成型，就是在一定的温度、压力下，用具有预定产品形状的高精密模具模压玻璃预制件，从而获得具有终产品形状并具有光学功能面的玻璃制品。采用精密模压技术制造的非球面透镜通常不用再进行研磨抛光，从而降低了成本，提高了生产效率。
在进行精密模压成型时，为了将高精密的模面复制在玻璃成型品上，需要在高温下（通常在玻璃软化点温度以上15～40℃）加压成型玻璃预制体，这时成型模暴露在高温中且被施以较高的压力，即使处于保护气氛中，压型模具表面模层依然容易被氧化侵蚀。精密模压成型中，高精密模具是主要的成本来源，模具使用达不到一定的使用次数，就不能实现低成本高产率的目的。为了延长模具的使用寿命，减少高温环境对成型模具的损伤，则需要尽可能的降低压型温度。因此，要求玻璃材料的转变温度（Tg）尽可能的低。
现代摄像光学系统中，色差校正是通过组合高色散透镜和低色散透镜的方式进行的。近年来，不论是高色散透镜还是低色散透镜，在能够进行像差校正的范围内，均使用折射率更高的光学玻璃，这就使得高折射低色散光学玻璃在光学玻璃领域越来越重要。
US20030032542公开了一种光学玻璃，其折射率在1.80以上，阿贝数在40左右，但玻璃的转变温度在650℃以上，不适合做精密模压材料。US5288669公开了一种折射率大于1.88、阿贝数大于29的光学玻璃，该玻璃的缺陷是玻璃的粘度小，玻璃易失透。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种精密压型用光学玻璃，该光学玻璃的密度（ρ）为5.0g/cm3以下，折射率（nd）为1.80～1.85，阿贝数（vd）为40～45，转变温度（Tg）为600℃以下，透射比达到80%时对应的波长λ80为415nm以下，析晶上限温度在1110℃以下。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：光学玻璃，含有：SiO2、B2O3、La2O3、ZrO2、ZnO、Ta2O5、Gd2O3、Y2O3和WO3组分，密度为5.0g/cm3以下，折射率为1.80～1.85，阿贝数为40～45，转变温度为600℃以下，透射比达到80%时对应的波长λ80为415nm以下，析晶上限温度在1110℃以下。
进一步的，其重量百分比组成为：SiO2：0.1～10%、B2O3：9～20%、La2O3：20～35%、ZrO2：1～8%、ZnO：5～20%、Ta2O5：1～10%、Gd2O3：5～15%、TiO2：0～2%、Y2O3：1～10%、WO3：1～12%、Li2O：0～3%、Sb2O3：0～1%。
进一步的，其中：SiO2：3～7%。
进一步的，其中：B2O3：14～18%、La2O3：27～32%。
进一步的，其中：ZrO2：2～6%。
进一步的，其中：ZnO：12～17%。
进一步的，其中：Ta2O5：2～7%。
进一步的，其中：La2O3：27～32%、Gd2O3大于10%但小于15%。
进一步的，其中：TiO2：0.2～0.5%。
进一步的，其中：Y2O3：4～8%。
进一步的，其中：WO3：4～7%。
进一步的，其中：Li2O：0.1～1%。
光学玻璃，其重量百分比组成为：SiO2：0.1～10%、B2O3：9～20%、La2O3：20～35%、ZrO2：1～8%、ZnO：5～20%、Ta2O5：1～10%、Gd2O3：5～15%、TiO2：0～2%、Y2O3：1～10%、WO3：1～12%、Li2O：0～3%、Sb2O3：0～1%。
进一步的，其中：SiO2：3～7%。
进一步的，其中：B2O3：14～18%、La2O3：27～32%。
进一步的，其中：ZrO2：2～6%。
进一步的，其中：ZnO：12～17%。
进一步的，其中：Ta2O5：2～7%。
进一步的，其中：La2O3：27～32%、Gd2O3大于10%但小于15%。
进一步的，其中：TiO2：0.2～0.5%。
进一步的，其中：Y2O3：4～8%。
进一步的，其中：WO3：4～7%。
进一步的，其中：Li2O：0.1～1%。
采用上述的光学玻璃制成的玻璃预制件。
采用上述的光学玻璃制成的光学元件。
采用上述的光学玻璃制成的光学仪器。
本发明的有益效果是：采用少量的Gd2O3、Y2O3以及适量的WO3，使得本发明的光学玻璃具有较低的密度和优异的耐失透性能。本发明的光学玻璃密度（ρ）为5.0g/cm3以下，折射率（nd）为1.80～1.85，阿贝数（vd）为40～45，转变温度（Tg）为600℃以下，透射比达到80%时对应的波长λ80为415nm以下，析晶上限温度在1110℃以下，适于精密压型用。
具体实施方式
下面将描述本发明光学玻璃的各个组分，除非另有说明，各个组分含量的比值是用重量%表示。
SiO2是重要的玻璃形成体氧化物，以硅氧四面体的结构单元形成不规则的连续网络，是形成光学玻璃的骨架。SiO2具有维持玻璃抗失透性的作用。当SiO2的含量超过10%时，光学玻璃的可熔性降低，软化温度升高。因此，SiO2的含量限定为0.1～10%，优选为3～7%。
B2O3也是玻璃网络生成体氧化物，尤其是在高折射、低色散的镧系光学玻璃中，B2O3是得到稳定玻璃的主要组分。当B2O3含量低于9%时，难以获得性质稳定的玻璃，耐失透性能不理想；但当B2O3含量高于20%时，玻璃的折射率达不到设计目标，同时玻璃的化学稳定性会降低。因此，将B2O3的含量限定为9～20%，更优选含量是14～18%。
La2O3是高折射、低色散光学玻璃的主要成分，可以增加玻璃的折射率且不明显提高玻璃的色散，在本发明配方体系中，B2O3与La2O3的组合存在，可以有效地提高玻璃的耐失透性能，并提高玻璃的化学稳定性。当La2O3的含量低于20%时，不能获得以上的效果；但当其含量超过35%时，玻璃的析晶性能恶化，故将其含量限定为20～35%，更优选的含量为27～32%。
ZrO2能提高光学玻璃的粘度、硬度、弹性、折射率和化学稳定性，并可以降低玻璃的热膨胀系数。当ZrO2的含量超过8%时，将出现析晶现象，并且降低玻璃的抗失透性。ZrO2的含量为1～8%，优选含量为2～6%。
ZnO是形成低熔点光学玻璃的重要组分，可以降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的化学稳定性、热稳定性和折射率。当ZnO的含量大于20%时，光学玻璃的失透性增加，色散明显增大；当ZnO的含量小于5%时，光学玻璃的转变温度升高。因此，ZnO的含量优选为5～20%，更优选为12～17%。
Ta2O5可以有效提高玻璃折射率、化学稳定性和抗失透性。但当其含量过少，则效果不充分；含量过多，则难以维持本发明的光学常数。因此Ta2O5的优选范围是1～10%，从成本考虑，更优选含量为2～7%。
Gd2O3可以增加玻璃的折射率且不明显提高玻璃的色散，可以有效地提高玻璃的耐失透性能，提高玻璃的化学稳定性。用一定量的Gd2O3与La2O3混熔，可以提高玻璃的耐失透性能。但当Gd2O3含量低于5%时，效果不明显；当含量高于15%时，反而会使得玻璃的耐失透性能恶化，因此，将Gd2O3的含量限定为5～15%，更优选的含量为大于10%但小于15%。
Y2O3是高折射率低色散组分，但其在玻璃中要明显提高玻璃的转变温度，并且易使玻璃的析晶上限温度升高。作为稀土氧化物原料，Y2O3、La2O3、Gd2O3的价格比大致为1：1：3.5，为降低本发明玻璃的原料成本，发明人研究发现，通过使用一定量的Y2O3替代Gd2O3，并且当Y2O3、Gd2O3、La2O3的重量百分比比例为1:（1.5～2.5）:（5～6）时，特别是当Y2O3、Gd2O3、La2O3的重量百分比比例为1:2:6左右时，可以更好地达到在满足低成本的同时，不明显提高玻璃转变温度和析晶上限温度并满足精密模压需求的效果。因此Y2O3的优选含量为1～10%，更优选含量为4～8%。
TiO2对于提高玻璃的折射率很有效，本发明使用一定量的TiO2，兼有防止玻璃曝晒变色的效果，但是其含量高会造成玻璃着色，使玻璃的失透倾向显著增加，因此，TiO2含量限定为0～2%，优选为0.2～0.5%。
WO3在玻璃中的主要作用是维持光学常数，改善玻璃析晶，但其含量过高，会使玻璃透过率降低，着色度增大，且析晶性能变坏。所以，WO3的优选含量是1～12%，更优选含量是4～7%。
Li2O可以有效降低玻璃转变温度以及玻璃生产时的熔融温度，但含量过高时，又会使玻璃的耐失透性恶化，光学常数难以达到目标，所以Li 2O的优选含量是0～3%，更优选含量为0.1～1%。
可选地，在玻璃熔融过程中可以加入Sb2O3作为玻璃的澄清剂，含量一般为0～1%，含量过高则会极大地损坏铂金器皿。
下面描述本发明光学玻璃的性能。
其中折射率（nd）值为（-2℃/h）-（-6℃/h）的退火值，折射率与阿贝数按照《GB/T 7962.1—1987无色光学玻璃测试方法折射率和色散系数》测试。
转变温度（Tg）按照《GB/T7962.16-1987无色光学玻璃测试方法线膨胀系数、转变温度和弛垂温度》测试，即：被测样品在一定的温度范围内，温度每升高1℃，在被测样品的膨胀曲线上，将低温区域和高温区域直线部分延伸相交，其交点所对应的温度。
密度按照按《GB/T 7962.20-1987无色光学玻璃测试方法密度测试方法》测试。
将玻璃制作成10mm±0.1mm厚度的样品，测试玻璃在透射比达到80%对应的波长λ80。
采用梯温炉法测定玻璃的析晶性能，将玻璃制成180*10*10mm的样品，侧面抛光，放入带有温度梯度的炉内保温4小时后取出，在显微镜下观察玻璃析晶情况，玻璃出现晶体对应的最高温度即为玻璃的析晶上限温度。玻璃的析晶上限温度越低，则玻璃在高温时稳定性越强，生产的工艺性能越好。
经过测试，本发明提供的光学玻璃具有以下性能：密度（ρ）为5.0g/cm3以下，折射率（nd）为1.80～1.85，阿贝数（vd）为40～45，转变温度（Tg）为600℃以下，透射比达到80%时对应的波长λ80为415nm以下，析晶上限温度在1110℃以下。
实施例
下面将描述本发明精密模压光学玻璃的实施例。应该注意到，这些实施例没有限制本发明的范围。
表1～3中显示的光学玻璃（实施例1～30）是通过按照表1～3所示各个实施例的比值称重并混合光学玻璃用普通原料（如氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐和氟化物），将混合原料放置在铂金坩埚中，在1100～1300℃的温度内熔融，并且在经熔化、澄清和均化后，得到没有气泡及不含未溶解物质的均质熔融玻璃，将此熔融玻璃在模具内铸型并退火而成。
本发明实施例1～30的组成、折射率（nd）、阿贝数（vd）、玻璃转变温度（Tg）的结果一起在表1～3中表示。在这些表中，各个组分的组成是用重量%表示的。
表1
Figure BDA00002277504900061
Figure BDA00002277504900071
表2
Figure BDA00002277504900072
表3
Figure BDA00002277504900081
从上述实施例可以看出，本发明的光学玻璃密度（ρ）为5.0g/cm3以下，折射率（nd）为1.80～1.85，阿贝数（vd）为40～45，转变温度（Tg）为600℃以下，透射比达到80%时对应的波长λ80为415nm以下，析晶上限温度在1110℃以下，适于精密压型用。

Claims (26)

1.光学玻璃，其特征在于，含有：SiO2、B2O3、La2O3、ZrO2、ZnO、Ta2O5、Gd2O3、Y2O3和WO3组分，密度为5.0g/cm3以下，折射率为1.80～1.85，阿贝数为40～45，转变温度为600℃以下，透射比达到80%时对应的波长λ80为415nm以下，析晶上限温度在1110℃以下。
2.如权利要求1所述的光学玻璃，其特征在于，其重量百分比组成为：SiO2：0.1～10%、B2O3：9～20%、La2O3：20～35%、ZrO2：1～8%、ZnO：5～20%、Ta2O5：1～10%、Gd2O3：5～15%、TiO2：0～2%、Y2O3：1～10%、WO3：1～12%、Li2O：0～3%、Sb2O3：0～1%。
3.如权利要求2所述的光学玻璃，其特征在于，其中：SiO2：3～7%。
4.如权利要求2所述的光学玻璃，其特征在于，其中：B2O3：14～18%、La2O3：27～32%。
5.如权利要求2所述的光学玻璃，其特征在于，其中：ZrO2：2～6%。
6.如权利要求2所述的光学玻璃，其特征在于，其中：ZnO：12～17%。
7.如权利要求2所述的光学玻璃，其特征在于，其中：Ta2O5：2～7%。
8.如权利要求2所述的光学玻璃，其特征在于，其中：La2O3：27～32%、Gd2O3大于10%但小于15%。
9.如权利要求2所述的光学玻璃，其特征在于，其中：TiO2：0.2～0.5%。
10.如权利要求2所述的光学玻璃，其特征在于，其中：Y2O3：4～8%。
11.如权利要求2所述的光学玻璃，其特征在于，其中：WO3：4～7%。
12.如权利要求2所述的光学玻璃，其特征在于，其中：Li2O：0.1～1%。
13.光学玻璃，其特征在于，其重量百分比组成为：SiO2：0.1～10%、B2O3：9～20%、La2O3：20～35%、ZrO2：1～8%、ZnO：5～20%、Ta2O5：1～10%、Gd2O3：5～15%、TiO2：0～2%、Y2O3：1～10%、WO3：1～12%、Li2O：0～3%、Sb2O3：0～1%。
14.如权利要求13所述的光学玻璃，其特征在于，其中：SiO2：3～7%。
15.如权利要求13所述的光学玻璃，其特征在于，其中：B2O3：14～18%、La2O3：27～32%。
16.如权利要求13所述的光学玻璃，其特征在于，其中：ZrO2：2～6%。
17.如权利要求13所述的光学玻璃，其特征在于，其中：ZnO：12～17%。
18.如权利要求13所述的光学玻璃，其特征在于，其中：Ta2O5：2～7%。
19.如权利要求13所述的光学玻璃，其特征在于，其中：La2O3：27～32%、Gd2O3大于10%但小于15%。
20.如权利要求13所述的光学玻璃，其特征在于，其中：TiO2：0.2～0.5%。
21.如权利要求13所述的光学玻璃，其特征在于，其中：Y2O3：4～8%。
22.如权利要求13所述的光学玻璃，其特征在于，其中：WO3：4～7%。
23.如权利要求13所述的光学玻璃，其特征在于，其中：Li2O：0.1～1%。
24.采用权利要求1～23中任一权利要求所述的光学玻璃制成的玻璃预制件。
25.采用权利要求1～23任一权利要求所述的光学玻璃制成的光学元件。
26.采用权利要求1～23任一权利要求所述的光学玻璃制成的光学仪器。
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