CN106495465A - 光学玻璃 - Google Patents

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CN106495465A CN201610952792.1A CN201610952792A CN106495465A CN 106495465 A CN106495465 A CN 106495465A CN 201610952792 A CN201610952792 A CN 201610952792A CN 106495465 A CN106495465 A CN 106495465A
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

本发明提供一种具有优异的耐失透性能的高折射低色散光学玻璃，其组成按重量百分比表示含有：B2O3：5‑25％；SiO2：1‑15％；La2O3：30‑45％；Gd2O3：4‑20％；Y2O3：2‑15％；Ta2O5：4‑15％；ZrO2：0‑8％；Y2O3/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)为0.07‑0.3。本发明引入适量的La2O3、Gd2O3、Y2O3等具有高折射率低色散作用的稀土类氧化物组分，并引入适量比例的Nb2O5、ZrO2或Ta2O5中的一种或多种，通过优化各组分的配比，得到具有优异的耐失透性能的高折射低色散光学玻璃以及玻璃预制件和光学元件，能够满足现代新型光电产品的需要。

Description

光学玻璃
技术领域
本发明涉及一种具有高折射率低色散特性的光学玻璃，以及由所述光学玻璃形成的玻璃预制件和光学元件。
背景技术
高折射率低色散光学玻璃形成的透镜与由高折射率高色散光学玻璃形成的透镜进行组合，能够修正色差，使光学系统小型化，特别是折射率nd为1.82-1.86、阿贝数νd为40-46的高折射率低色散光学玻璃，市场需求日益增大。
满足上述光学性质的玻璃组分中稀土元素组分含量大，而用于形成玻璃网络形成体的组分含量相对较小，由此带来的问题是玻璃的耐失透性能差，玻璃在成型时容易析晶。日本特开2008-1551公开了一种高折射低色散光学玻璃，但其耐失透性能差，玻璃在成型时需要使用复杂的冷却手段来抑制失透现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有优异的耐失透性能的高折射低色散光学玻璃，以及由所述光学玻璃制成的预制件和光学元件。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：光学玻璃，其组成按重量百分比表示，含有：B2O3：5-25％；SiO2：1-15％；La2O3：30-45％；Gd2O3：4-20％；Y2O3：2-15％；Ta2O5：4-15％；ZrO2：0-8％；Y2O3/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)为0.07-0.3。
进一步的，其组成按重量百分比表示，还含有：Nb2O5：0-10％；Yb2O3：0-10％；TiO2：0-10％；WO3：0-10％；ZnO：0-10％：Al2O3：0-5％；RO：0-10％，其中，RO为BaO、SrO、MgO或CaO中的一种或多种；R2O：0-10％，其中，R2O为Li2O、Na2O或K2O中的一种或多种。
光学玻璃，其组成按重量百分比表示为：B2O3：5-25％；SiO2：1-15％；La2O3：30-45％；Gd2O3：4-20％；Y2O3：2-15％；Ta2O5：4-15％；ZrO2：0-8％；Y2O3/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)为0.07-0.3；Nb2O5：0-10％；Yb2O3：0-10％；TiO2：0-10％；WO3：0-10％；ZnO：0-10％；Al2O3：0-5％；RO：0-10％，其中，RO为BaO、SrO、MgO或CaO中的一种或多种；R2O：0-10％，其中，R2O为Li2O、Na2O或K2O中的一种或多种。
进一步的，各组分的含量满足以下5种条件中的一种或一种以上：
1)Y2O3/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)为0.08-0.25；
2)SiO2/(SiO2+B2O3)为0.15-0.45；
3)Ta2O5+Nb2O5为5-18％；
4)Nb2O5/SiO2为0-1.25；
5)(La2O3+Gd2O3+Y2O3)/(Ta2O5+Nb2O5+TiO2+WO3)为1.5-20。
进一步的，其中：B2O3：7-22％；和/或SiO2：2-12％；和/或La2O3：35-42％；和/或Gd2O3：8-16％；和/或Y2O3：5-10％；和/或Ta2O5：6-13％；和/或ZrO2：2-7％。
进一步的，各组分的含量满足以下5种条件中的一种或一种以上：
1)Y2O3/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)为0.08-0.2；
2)SiO2/(SiO2+B2O3)为0.2-0.4；
3)Ta2O5+Nb2O5为6-17％；
4)Nb2O5/SiO2为0-1；
5)(La2O3+Gd2O3+Y2O3)/(Ta2O5+Nb2O5+TiO2+WO3)为2-18。
进一步的，其中：B2O3：10-20％；和/或SiO2：3-10％；和/或Ta2O5：7-12％。
进一步的，其中：Nb2O5：0-5％；和/或Yb2O3：0-5％；和/或TiO2：0-5％；和/或WO3：0-5％；和/或ZnO：0-5％；和/或Al2O3：0-2％；和/或RO：0-5％，其中，RO为BaO、SrO、MgO或CaO中的一种或多种；和/或R2O：0-5％，其中，R2O为Li2O、Na2O或K2O中的一种或多种。
进一步的，其中，含有0-5％的F。
进一步的，玻璃折射率为1.82-1.86；阿贝数为40-46；液相温度的上限为1300℃。
进一步的，玻璃折射率为1.83-1.855；阿贝数为41-45.5；液相温度的上限为1280℃。
玻璃预制件，采用上述的光学玻璃制成。
光学元件，采用上述的光学玻璃制成。
本发明的有益效果是：引入适量的La2O3、Gd2O3、Y2O3等具有高折射率低色散作用的稀土类氧化物组分，并引入适量比例的Nb2O5、ZrO2或Ta2O5中的一种或多种，通过优化这些组分的配比，可得到具有优异的耐失透性能的高折射低色散光学玻璃，以及由所述光学玻璃形成的玻璃预制件和光学元件，能够满足现代新型光电产品的需要。
具体实施方式
Ⅰ、光学玻璃
下面对本发明的光学玻璃的组成进行详细说明，各玻璃组分的含量、总含量只要没有特别说明，都采用重量％表示，玻璃组分的含量与总含量之比以重量比表示。
B2O3是玻璃网络生成体，尤其是在高折射低色散的镧系玻璃中，B2O3是得到析晶稳定玻璃的必要成分。当B2O3含量低于5％时，玻璃的析晶稳定性不够理想；但当B2O3含量高于25％时，玻璃的化学稳定性会降低。因此，B2O3含量限定在5-25％，优选7-22％，更优选10-20％。
SiO2同样是玻璃网络生成体，是光学玻璃的骨架，具有提升玻璃化学稳定性、维持玻璃抗析晶性能的作用。当SiO2含量低于1％时，难以达到上述效果；但当SiO2含量高于15％时，则玻璃变得很难熔，且无法获得本发明所需要的折射率。因此，SiO2的含量为1-15％，优选范围为2-12％，更优选3-10％。
通过调节SiO2/(SiO2+B2O3)的比值，可以起到调节玻璃粘度的作用。玻璃的粘度是制定生产工艺的重要依据，玻璃的澄清温度、成型温度、热处理温度的制定都取决于玻璃的粘度。因此，合适的玻璃粘度能够有效地降低玻璃的生产难度。当SiO2/(SiO2+B2O3)的比值在0.15-0.45范围内时，玻璃具有合适的粘度，进一步，SiO2/(SiO2+B2O3)的比值优选为0.2-0.4。
La2O3是获得本发明所需高折射低色散特性的必须组分，如果其含量不足，则光学常数难以达到设计要求；而当其含量太大时，玻璃的耐失透性能会出现明显恶化。因此，本发明的La2O3的含量为30-45％，优选含量范围为35-42％。
Gd2O3对于增加折射率降低色散有帮助，当Gd2O3含量过少时，上述效果不明显；但当其含量过高时，玻璃的耐失透性能及化学稳定性变差。因此，Gd2O3的含量为4-20％，优选为8-16％。
本发明高折射低色散作用的组分还引入2％以上Y2O3，以改善玻璃的熔融性、耐失透性，同时还可以降低玻璃析晶上限温度，但若其含量超过15％，则玻璃的稳定性和耐失透性降低。因此，Y2O3含量范围为2-15％，优选范围为5-10％。
La2O3、Gd2O3、Y2O3都可以起到增加折射率降低色散的作用，而当仅仅使La2O3、Gd2O3、Y2O3在上述范围内时，玻璃的耐失透性能并不稳定。因此，本发明的Y2O3与La2O3、Gd2O3、Y2O3总含量之和的比值Y2O3/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)为0.07-0.3，以使玻璃的热稳定性和耐失透性能优良。从进一步改善玻璃的耐失透性能、热稳定性能的角度考虑，Y2O3/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)优选范围为0.08-0.25，更优选为0.08-0.2。
Yb2O3也是高折射率低色散组分，其含量超过10％时，玻璃的稳定性、耐失透性降低，因此，Yb2O3含量范围限定为0-10％，优选为0-5％。同时，由于Yb2O3相对于Gd2O3、Y2O3比较昂贵，对玻璃的熔融性能改善作用小，因此进一步优选不引入。
Ta2O5具有提高折射率、抗失透性能的作用，但与其他成分相比，Ta2O5的价格非常昂贵，从实用以及成本的角度考虑，应尽量减少其使用量。本发明的Ta2O5含量为4-15％，优选为6-13％，进一步优选为7-12％。
Nb2O5具有提高玻璃折射率和色散的作用，同时还具有提高玻璃的抗析晶性与化学耐久性的作用。如果其含量超过10％，则玻璃色散升高，无法达到本发明玻璃的光学特性，同时玻璃耐失透性恶化。因此，Nb2O5的含量范围为0-10％，优选含量0-5％，进一步优选不引入。
TiO2也具有提高玻璃折射率的作用，并且能参与玻璃网络形成，适量引入使玻璃更稳定，但引入后玻璃色散会显著增加，同时玻璃可见光区域的短波部分的透射率降低，玻璃着色的倾向增加。因此，本发明TiO2的含量为0-10％，优选为0-5％，进一步优选不引入。
WO3可以起到提高折射率的作用，但当其含量超过10％时，色散提高显著，并且玻璃可见光区域的短波长侧的透射率降低，着色的倾向增加。因此，本发明WO3的含量为0-10％，优选为0-5％，进一步优选不引入。
ZrO2可以起到改善玻璃热稳定性、提升玻璃折射率的作用，但含量过高时会导致玻璃熔炼变得困难。因此，本发明的ZrO2的含量为0-8％，优选为2-7％。
ZnO可以起到改善玻璃的稳定性或熔融性、改善加压成型性的作用，但当其含量过高时，折射率降低，达不到本发明的要求，同时玻璃的耐失透性降低，液相温度上升。因此，本发明ZnO的含量为0-10％，优选为0-5％，进一步优选不引入。
少量引入Al2O3能改善形成玻璃的稳定性和化学稳定性，但其含量超过5％时，显示玻璃熔融性变差、耐失透性降低的倾向，因此本发明Al2O3的含量为0-5％，优选为0-2％，进一步优选不引入。
R2O(R2O为Li2O、Na2O或K2O中的一种或多种)可以改善玻璃的熔融性，降低玻璃化转变温度，当其含量超过10％时，玻璃稳定性变差，折射率大幅降低，因此本发明R2O含量为0-10％，优选含量为0-5％，进一步优选不引入。
RO(RO为BaO、SrO、CaO或MgO中的一种或多种)可以改善玻璃的熔融性，降低玻璃化转变温度，但当其含量超过10％时，玻璃的耐失透性降低，因此，本发明RO含量为0-10％，优选范围为0-5％，进一步优选不引入。
F能够降低玻璃色散，提升玻璃透过率，改善玻璃抗失透性能，但其在熔炼和成型过程的挥发会使玻璃的数据波动变大，同时在成型过程中F的挥发会导致条纹的产生。另外，F的挥发会对人体和环境产生潜在的安全威胁。本发明中F含量被限定在0-5％以内，优选为不引入。
本发明通过控制Nb2O5与SiO2含量的比值Nb2O5/SiO2为0-1.25，可以有效提高玻璃的耐失透性能，优选Nb2O5/SiO2比值为0-1，可进一步提高玻璃耐失透性能。
本发明通过控制Nb2O5、Ta2O5的合计量Nb2O5+Ta2O5为5-18％，更优选范围为6-17％，可实现本发明优选的折射率和阿贝数范围的同时，也能有效抑制玻璃着色，并提高玻璃的热稳定性和耐失透性能。
本发明通过控制La2O3、Gd2O3和Y2O3的合计量(La2O3+Gd2O3+Y2O3)与Nb2O5、Ta2O5、TiO2和WO3的合计量(Ta2O5+Nb2O5+TiO2+WO3)的比值(La2O3+Gd2O3+Y2O3)/(Ta2O5+Nb2O5+TiO2+WO3)为1.5-20，更优选比值为2-18，可实现玻璃高折射低色散的光学特性，并提高玻璃的热稳定性和耐失透性能。
本发明的光学玻璃可以按照以下的方式制作：均匀混合上述原料，使各成分在规定的含量范围内，将混合物投入到铂坩埚中，根据玻璃组成的熔融难易度，在1250-1500℃的温度范围内熔融2-5小时，并搅拌均质化，然后降低至适当的温度，最后浇铸至模具中，缓慢冷却而成。
本发明的光学玻璃是高折射率低色散玻璃，高折射率低色散玻璃制成的透镜与高折射率高色散玻璃制成的透镜相组合，用于色差校正。本发明的光学玻璃从适于其用途的光学特性的角度考虑，玻璃折射率nd的范围1.82-1.86，优选为1.83-1.855；本发明玻璃的阿贝数νd的范围为40-46，优选为41-45.5。本发明中的折射率nd和阿贝数νd按照GB/T7962.1-2010规定的方法进行测试。
本发明的光学玻璃优选耐失透性高，具体来说，优选具有低液相温度(TL)，即：本发明的光学玻璃的液相温度的上限优选为1300℃、更优选为1280℃、进一步优选为1250℃，即使在较低温度下流出熔融玻璃，制成的玻璃的析晶风险也被降低，因此可降低由熔融状态形成玻璃时的失透风险，可降低对采用本发明的光学玻璃制成的光学元件的光学特性的影响。低的液相温度可以降低玻璃的成型温度，减少玻璃成型时能源损耗，降低玻璃的制造成本。本发明的光学玻璃的液相温度的下限没有特别限定，液相温度的下限可以优选为1100℃，更优选为1150℃，进一步优选为1180℃。需要说明的是，本说明书中的“液相温度”表示如下的温度：将50*50*20mm3的铂制坩埚中装入玻璃试样，在温度炉中按设定温度保持4小时，取出至炉外，将其冷却，然后立即观察玻璃表面及玻璃中有无结晶，将未确认到结晶的区域所对应的设定温度中最低温度作为“液相温度”。此处，设定温度指的是从1400℃开始，以每降温10℃为一个点，逐点测试，直至发现试样表面或内部出现析晶为止。
Ⅱ、玻璃预制件与光学元件
下面，描述本发明的玻璃预制件与光学元件。
本发明的玻璃预制件与光学元件均由上述本发明的光学玻璃形成。本发明的玻璃预制件具有高折射率低色散特性；本发明的光学元件具有高折射率低色散特性，能够以低成本提供光学价值高的各种透镜、棱镜等光学元件。
作为透镜的例子，可举出透镜面为球面或非球面的凹弯月形透镜、凸弯月形透镜、双凸透镜、双凹透镜、平凸透镜、平凹透镜等各种透镜。
这种透镜通过与高折射率高色散玻璃制成的透镜组合，可校正色差，适合作为色差校正用的透镜。另外，对于光学体系的紧凑化也是有效的透镜。
对于棱镜来说，由于折射率高，因此通过组合在摄像光学体系中，通过弯曲光路，朝向所需的方向，即可实现紧凑、广角的光学体系。
[光学玻璃实施例]
在以下内容中，表中所列的实施例将更详细地描述本发明，为其他技术人员作参考之用。应该注意的是，实施例1-40中玻璃组分含量是按重量百分比表示的，本发明的保护范围不限于所述实施例。
表1-表4中显示的光学玻璃(实施例1-40)是通过按照表1-表4所示各个实施例的含量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、硝酸盐等)，将混合原料放置在铂金坩埚中，在1250℃-1500℃中熔化2-5小时，并且经澄清、搅拌和均化后，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。
表1
表2
表3
表4
[玻璃预制件实施例]
将实施例1-40所得到的光学玻璃切割成预定大小，再在表面上均匀地涂布脱模剂，然后将其加热、软化，进行加压成型，制作凹弯月形透镜、凸弯月形透镜、双凸透镜、双凹透镜、平凸透镜、平凹透镜等各种透镜、棱镜的预制件。
[光学元件实施例]
将上述光学预制件实施例所得到的这些预制件退火，在降低玻璃内部的变形的同时进行微调，使得折射率等光学特性达到所需值。
接着，对各预制件进行磨削、研磨，制作凹弯月形透镜、凸弯月形透镜、双凸透镜、双凹透镜、平凸透镜、平凹透镜等各种透镜、棱镜。所得到的光学元件的表面上还可涂布防反射膜。
本发明为低成本且化学稳定性优异的高折射低色散性的光学玻璃，折射率为1.82-1.86，阿贝数为40-46，以及所述玻璃形成的光学元件，能够满足现代新型光电产品的需要。

Claims (13)

1.光学玻璃，其特征在于，其组成按重量百分比表示，含有：B2O3：5-25％；SiO2：1-15％；La2O3：30-45％；Gd2O3：4-20％；Y2O3：2-15％；Ta2O5：4-15％；ZrO2：0-8％；Y2O3/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)为0.07-0.3。
2.如权利要求1所述的光学玻璃，其特征在于，其组成按重量百分比表示，还含有：Nb2O5：0-10％；Yb2O3：0-10％；TiO2：0-10％；WO3：0-10％；ZnO：0-10％：Al2O3：0-5％；RO：0-10％，其中，RO为BaO、SrO、MgO或CaO中的一种或多种；R2O：0-10％，其中，R2O为Li2O、Na2O或K2O中的一种或多种。
3.光学玻璃，其特征在于，其组成按重量百分比表示为：B2O3：5-25％；SiO2：1-15％；La2O3：30-45％；Gd2O3：4-20％；Y2O3：2-15％；Ta2O5：4-15％；ZrO2：0-8％；Y2O3/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)为0.07-0.3；Nb2O5：0-10％；Yb2O3：0-10％；TiO2：0-10％；WO3：0-10％；ZnO：0-10％；Al2O3：0-5％；RO：0-10％，其中，RO为BaO、SrO、MgO或CaO中的一种或多种；R2O：0-10％，其中，R2O为Li2O、Na2O或K2O中的一种或多种。
4.如权利要求1-3任一权利要求所述的光学玻璃，其特征在于，各组分的含量满足以下5种条件中的一种或一种以上：
1)Y2O3/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)为0.08-0.25；
2)SiO2/(SiO2+B2O3)为0.15-0.45；
3)Ta2O5+Nb2O5为5-18％；
4)Nb2O5/SiO2为0-1.25；
5)(La2O3+Gd2O3+Y2O3)/(Ta2O5+Nb2O5+TiO2+WO3)为1.5-20。
5.如权利要求1-3任一权利要求所述的光学玻璃，其特征在于，其中：B2O3：7-22％；和/或SiO2：2-12％；和/或La2O3：35-42％；和/或Gd2O3：8-16％；和/或Y2O3：5-10％；和/或Ta2O5：6-13％；和/或ZrO2：2-7％。
6.如权利要求1-3任一权利要求所述的光学玻璃，其特征在于，各组分的含量满足以下5种条件中的一种或一种以上：
1)Y2O3/(La2O3+Gd2O3+Y2O3)为0.08-0.2；
2)SiO2/(SiO2+B2O3)为0.2-0.4；
3)Ta2O5+Nb2O5为6-17％；
4)Nb2O5/SiO2为0-1；
5)(La2O3+Gd2O3+Y2O3)/(Ta2O5+Nb2O5+TiO2+WO3)为2-18。
7.如权利要求1-3任一权利要求所述的光学玻璃，其特征在于，其中：B2O3：10-20％；和/或SiO2：3-10％；和/或Ta2O5：7-12％。
8.如权利要求1-3任一权利要求所述的光学玻璃，其特征在于，其中：Nb2O5：0-5％；和/或Yb2O3：0-5％；和/或TiO2：0-5％；和/或WO3：0-5％；和/或ZnO：0-5％；和/或Al2O3：0-2％；和/或RO：0-5％，其中，RO为BaO、SrO、MgO或CaO中的一种或多种；和/或R2O：0-5％，其中，R2O为Li2O、Na2O或K2O中的一种或多种。
9.如权利要求1-2任一权利要求所述的光学玻璃，其特征在于，其中，含有0-5％的F。
10.如权利要求1-3任一权利要求所述的光学玻璃，其特征在于，玻璃折射率为1.82-1.86；阿贝数为40-46；液相温度的上限为1300℃。
11.如权利要求1-3任一权利要求所述的光学玻璃，其特征在于，玻璃折射率为1.83-1.855；阿贝数为41-45.5；液相温度的上限为1280℃。
12.玻璃预制件，采用权利要求1-11任一权利要求所述的光学玻璃制成。
13.光学元件，采用权利要求1-11任一权利要求所述的光学玻璃制成。
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