CN110015845B - 光学玻璃和光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种折射率为1.78～1.83、阿贝数为48～53的光学玻璃。光学玻璃，其阳离子的重量百分比组成含有：Si⁴⁺：大于0但小于或等于15％；B³⁺：大于0但小于或等于20％，其中，Si⁴⁺/B³⁺为0.5～1；La³⁺：42～58％；Gd³⁺：18～33％；Y³⁺：1～15％；Ta⁵⁺：大于0但小于或等于10％；Zr⁴⁺：0～10％；其阴离子含有O^2‑和F^‑，其中,F^‑/O^2‑为大于0但小于或等于0.3。本发明通过合理的组分设计，引入适量的稀土离子La³⁺、Gd³⁺、Y³⁺，以及少量的F^‑，降低玻璃的色散，得到具有高折射低色散特性的光学玻璃，该光学玻璃适用于高品质的光学元件。

Description

光学玻璃和光学元件

本申请是针对申请号为201710156101.1，申请日为2017年3月16日，名称为“光学玻璃和光学元件”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种光学玻璃，特别是涉及一种高折射低色散的光学玻璃以及由该玻璃形成的预制件和光学元件。

背景技术

高折射低色散光学玻璃形成的透镜可以和高折射高色散的透镜组合来消除光学系统的色差，从而使得光学系统更加紧凑、具有更好的性能。因此，特别是本发明涉及的折射率为1.78～1.83、阿贝数为48～53的高折射低色散的玻璃的市场需求将会增多。

对于高折射低色散的玻璃，在保持折射率较高的情况下，使得色散变得更小，上述玻璃是市场需要的，但是此类“极限”玻璃稀少。CN1377847公开的光学玻璃中含有大量Nb₂O₅，且其色散还是较高，不能满足现在对于高折射低色散玻璃的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术方案是提供一种折射率为1.78～1.83、阿贝数为48～53的光学玻璃。

本发明还要提供一种上述玻璃形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，其阳离子的重量百分比组成含有：Si⁴⁺：大于0但小于或等于15％；B³⁺：大于0但小于或等于20％，其中，Si⁴⁺/B³⁺为0.5～1；La³⁺：42～58％；Gd³⁺：18～33％；Y³⁺：1～15％；Ta⁵⁺：大于0但小于或等于10％；Zr⁴⁺：0～10％；其阴离子含有O^2-和F^-，其中,F^-/O^2-为大于0但小于或等于0.3。

进一步的，还含有：Nb⁵⁺：0～5％；Zn²⁺+Sr²⁺+Ba²⁺：0～10％；Sb³⁺：0～0.2％。

光学玻璃，其阳离子的重量百分比组成为：Si⁴⁺：大于0但小于或等于15％；B³⁺：大于0但小于或等于20％，其中，Si⁴⁺/B³⁺为0.5～1；La³⁺：42～58％；Gd³⁺：18～33％；Y³⁺：1～15％；Ta⁵⁺：大于0但小于或等于10％；Zr⁴⁺：0～10％；Nb⁵⁺：0～5％；Zn²⁺+Sr²⁺+Ba²⁺：0～10％；Sb³⁺：0～0.2％；其阴离子含有O^2-和F^-，其中，F^-/O^2-为大于0但小于或等于0.3；Si⁴⁺/F^-为0.3～1.5。

进一步的，其中：Si⁴⁺/F^-为0.3～0.9；和/或(Ta⁵⁺+Zr⁴⁺)/(La³⁺+Gd³⁺+Y³⁺)为大于0但小于或等于0.3。

进一步的，其中，Si⁴⁺：1～10％；和/或B³⁺：1～15％；和/或La³⁺：42～55％；和/或Gd^{3 +}：20～31％；和/或Y³⁺：2～13％；和/或Ta⁵⁺：1～8％；和/或Zr⁴⁺：0.5～8％。

进一步的，所述离子的含量满足以下4种条件中的一种或一种以上：

1)Si⁴⁺/F^-为0.3～0.7；

2)(Ta⁵⁺+Zr⁴⁺)/(La³⁺+Gd³⁺+Y³⁺)为0.05～0.2；

3)Si⁴⁺/B³⁺为0.62～1；

4)F^-/O^2-为0.05～0.2。

进一步的，其中，Si⁴⁺：2～9％；和/或B³⁺：1～13％；和/或Zn²⁺+Sr²⁺+Ba²⁺：0～7％；和/或Sb³⁺：0～0.1％；不含有Nb⁵⁺、W⁶⁺、Ti⁴⁺。

进一步的，其阴离子的重量百分比组成含有：F^-：5～20％；O^2-：80～95％。

进一步的，其阴离子的重量百分比组成含有：F^-：7～19％；O^2-：81～93％。

进一步的，所述玻璃折射率为1.78～1.83，阿贝数为48～53。

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：通过合理的组分设计，光学玻璃中引入适量的稀土离子La^{3 +}、Gd³⁺、Y³⁺，以及少量的F^-，降低玻璃的色散，得到具有高折射低色散特性的光学玻璃，及该光学玻璃形成的预制件，该光学玻璃适用于高品质的光学元件。

具体实施方式

下面将详细地描述本发明光学玻璃所含有的组分，各组分的含量在没有特别说明的情况下，阳离子组分含量是指该阳离子占全部阳离子总重量的百分比，阴离子组分含量是指该阴离子占全部阴离子总重量的百分比。Si⁴⁺/F^-的比值是指Si⁴⁺占全部阳离子重量百分比与F^-占全部阴离子重量百分比的比值。另外，在以下的说明中(特别说明除外)，提到规定值以下或规定值以上时也包括该规定值。

Si⁴⁺是玻璃生成体阳离子成分，一定量的Si⁴⁺可以增加玻璃的粘度，防止玻璃析晶，提高玻璃化学稳定性，防止玻璃失透。如果Si⁴⁺的含量太少，玻璃容易析晶，折射率不能达到所要求的范围；但如果Si⁴⁺的含量高于15％，光学玻璃的可熔性降低，玻璃将会失透。因此，Si⁴⁺的含量为大于0但小于或等于15％，优选为1～10％。进一步优选为2～9％。

B³⁺也是一种光学玻璃网络生成体组分，有较好的助熔作用，适量的B³⁺对抑制玻璃的析晶很有好处。如果B³⁺的含量太少，玻璃熔融性很差，玻璃容易失透，较难形成玻璃；但如果B³⁺的含量高于20％，玻璃的化学稳定性会较差。因此，B³⁺的含量为大于0但小于或等于20％，优选为1～15％，进一步优选为1～13％。

由于高折射低色散的镧系玻璃成玻范围较窄，需将Si⁴⁺含量与B³⁺含量的比值Si⁴⁺/B³⁺控制在合理的范围内，在此范围内玻璃具有合适的高温粘度，能够防止玻璃的析晶。经发明人大量研究发现，控制Si⁴⁺/B³⁺为0.5～1时，优选为0.62～1时，本发明的玻璃具有较好的高温粘度且不易析晶。

La³⁺是形成高折射率低色散玻璃的核心组分。如果La³⁺的含量低于42％，折射率不能达到所要求的范围；但如果La³⁺的含量高于58％，玻璃热稳定性变差，玻璃极易析晶，失透倾向很大。因此，La³⁺的含量为42～58％，优选为42～55％。

Gd³⁺能够调节玻璃折射率和色散，提高玻璃的稳定性。如果Gd³⁺的含量低于18％，玻璃的光学常数不能达到所要求的范围；但如果Gd³⁺的含量高于33％，玻璃热稳定性变差，玻璃极易析晶，失透倾向很大。因此，Gd³⁺的含量为18～33％，优选为20～31％。

本发明通过引入适量Y³⁺与La³⁺混熔，能够形成热稳定性较好的玻璃。如果Y³⁺的含量低于1％，玻璃的光学常数不能达到所要求的范围；但如果Y³⁺的含量高于15％，玻璃极易析晶，很容易失透。因此，Y³⁺的含量为1～15％，优选为2～13％。

Ta⁵⁺能够显著提高光学玻璃折射率，抑制玻璃的析晶。如果Ta⁵⁺的含量太少，玻璃容易析晶；但如果Ta⁵⁺的含量高于10％，玻璃的色散会大幅增加，达不到低色散的目的，且会使玻璃的熔化性能变差，还会大幅提高玻璃生产成本。因此，Ta⁵⁺的含量为大于0但小于或等于10％，优选为1～8％。

Zr⁴⁺能够提高光学玻璃的折射率，提高玻璃的化学稳定性，还可以防止玻璃失透，降低析晶温度。在本发明中，若其含量高于10％，玻璃难以熔化，熔炼温度上升，容易导致玻璃内部出现夹杂物。因此，Zr⁴⁺的含量为0～10％，优选为0.5～8％。

本发明人研究发现，将Ta⁵⁺、Zr⁴⁺的含量之和与La³⁺、Gd³⁺、Y³⁺的含量之和的比值(Ta^{5 +}+Zr⁴⁺)/(La³⁺+Gd³⁺+Y³⁺)控制在大于0但小于或等于0.3范围内，玻璃内在质量较好，不易出现料结石、夹杂物等状况，且对抑制玻璃的析晶很有好处，优选(Ta⁵⁺+Zr⁴⁺)/(La³⁺+Gd³⁺+Y³⁺)为0.05～0.2。

Nb⁵⁺对实现玻璃高折射率有较大作用，但如果Nb⁵⁺的含量超过5％，玻璃的色散将会很大，得不到低色散的玻璃。因此，Nb⁵⁺的含量为0～5％，优选不含有Nb⁵⁺。另外，本发明的玻璃中也不含有W⁶⁺、Ti⁴⁺这两种急剧升高色散的离子。

Ba²⁺、Zn²⁺、Sr²⁺能够调节玻璃的折射率和色散。当其合计量超过10％时，玻璃容易失透。因此，Ba²⁺、Zn²⁺、Sr²⁺的总含量(Zn²⁺+Sr²⁺+Ba²⁺)为0～10％，优选为0～7％。

Sb³⁺在本发明中作为澄清剂使用，其含量为0～0.2％，优选为0～0.1％。

本发明中，阴离子含有O^2-和F^-。

F^-是本发明的必要成分，能够有效降低玻璃的色散，实现玻璃低色散化的要求，另外还能降低玻璃的转变温度。如果F^-的含量低于5％，不能达到降低玻璃色散的目的；但如果F^-的含量高于20％，玻璃挥发极大，造成玻璃的常数数据很不稳定，生产难度大，同时易造成玻璃的折射率达不到要求范围。因此，F^-的含量为5～20％，优选为7～19％。

O^2-也是本发明必要的阴离子，能够形成稳定的玻璃，防止玻璃失透。因此，O^2-的含量为80～95％，优选为81～93％。

本发明人研究发现，将F^-含量与O²含量的比值F^-/O^2-控制在合理的范围之内时，玻璃的挥发小，能够稳定玻璃的常数数据，减少条纹，增加玻璃的熔融性。因此，F^-/O^2-为大于0但小于或等于0.3，优选为0.05～0.2。

另外，当Si⁴⁺含量与F^-含量的比值Si⁴⁺/F^-控制在合理的范围之内时，能够有效抑制这种成玻范围极窄玻璃的失透，还能够增加玻璃的透过率。因此，Si⁴⁺/F^-为0.3～1.5，优选为0.3～0.9，进一步优选为0.3～0.7。

本发明提供的光学玻璃按照本领域技术人员熟知的制备方法制成，即：将原料进行熔化、澄清、搅拌均化、降温至合适温度成型，即可得到本发明所提供的折射率为1.78～1.83、阿贝数为48～53的具有高折射低色散性能的光学玻璃。

本发明提供的光学玻璃的各性能参数的测试方法如下：

折射率(nd)、阿贝数(vd)按照《GB/T 7962.1—2010无色光学玻璃测试方法折射率和色散系数》测试。

经过上述测试，得到的本发明的光学玻璃的折射率(nd)为1.78～1.83，阿贝数(vd)为48～53。

玻璃的着色度(λ₈₀/λ₅)：使用具有彼此平行的两个光学抛光平面的厚度为10±0.1mm的玻璃样品，测定分光透射率，根据其结果而计算得出。

经测定，本发明玻璃的透射比达到80％时对应的波长λ₈₀在395nm以下，优选为390nm以下。

本发明还提供一种光学预制件和光学元件，该光学预制件和元件是由本发明光学玻璃所形成的，因此该光学预制件和光学元件具有上述本发明光学玻璃的所有特性。本发明的光学玻璃具有高折射低色散的性能，折射率(nd)为1.78～1.83，阿贝数为48～53。本发明提供的光学预制件和光学元件能够较好消除光学系统的色差，从而使得光学系统更加紧凑，具有更好的性能，可实现设备小型化、轻量化的需求。

实施例

为了进一步了解本发明的技术方案，将结合下面具体的实施例，描述本发明优选的实施方案。但应该注意和理解的是，这些实施例只是为了更好地说明本发明的特点和优点，并没有限制本发明的权利要求。

本发明的实施例1～30提供的光学玻璃组分(分别以阴、阳离子重量百分比表示)及其所对应的性能如表1～表3所示。通过将表1～表3各个实施例中光学玻璃各种阳离子和阴离子对应的氧化物、氟化物、碳酸盐等按照其比值称重，充分混合均匀后加入光学玻璃熔炉内，在适当的工艺温度下经过熔化、澄清、搅拌均化、降温至合适温度后，将此熔融的玻璃浇注入事先预热好的金属模具中成型并退火，便可得到所需光学玻璃。

本发明提供的一种具有高折射低色散的光学玻璃的组成和相应性能如：折射率(nd)、色散(nF-nC)、阿贝数(vd)、着色度(λ₈₀/λ₅)的结果都在表1～表3的实施例1～30中表示。

表1

表2

表3

从上述实施例可以看出，本发明提供的光学玻璃其折射率(nd)为1.78～1.83，阿贝数为48～53，具有高折射低色散、透过率高的特点，能够较好消除光学系统的色差，从而使得光学系统更加紧凑，具有更好的性能，可实现设备小型化、轻量化的需求。

Claims (12)

1.光学玻璃，其特征在于，其阳离子的重量百分比组成含有：Si⁴⁺：大于0但小于或等于10％；B³⁺：大于0但小于或等于13％，其中，Si⁴⁺/B³⁺为0.5～1；La³⁺：42～58％；Gd³⁺：18～33％；Y³⁺：1～15％；Ta⁵⁺：大于0但小于或等于10％；Zr⁴⁺：0～10％；不含有Zn²⁺；

其阴离子含有O^2-和F^-，其中,F^-/O^2-为大于0但小于或等于0.3。

2.如权利要求1所述的光学玻璃，其特征在于，还含有：Nb⁵⁺：0～5％；Sr²⁺+Ba²⁺：0～10％；Sb³⁺：0～0.2％。

3.光学玻璃，其特征在于，其阳离子的重量百分比组成为：Si⁴⁺：大于0但小于或等于10％；B³⁺：大于0但小于或等于13％，其中，Si⁴⁺/B³⁺为0.5～1；La³⁺：42～58％；Gd³⁺：18～33％；Y³⁺：1～15％；Ta⁵⁺：大于0但小于或等于10％；Zr⁴⁺：0～10％；Nb⁵⁺：0～5％；Sr²⁺+Ba²⁺：0～10％；Sb³⁺：0～0.2％；

其阴离子含有O^2-和F^-，其中，F^-/O^2-为大于0但小于或等于0.3；

Si⁴⁺/F^-为0.3～1.5。

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，其中：Si⁴⁺/F^-为0.3～0.9；和/或(Ta⁵⁺+Zr⁴⁺)/(La³⁺+Gd³⁺+Y³⁺)为大于0但小于或等于0.3。

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，Si⁴⁺：1～10％；和/或B³⁺：1～13％；和/或La³⁺：42～55％；和/或Gd³⁺：20～31％；和/或Y³⁺：2～13％；和/或Ta⁵⁺：1～8％；和/或Zr⁴⁺：0.5～8％。

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，所述离子的含量满足以下4种条件中的一种以上：

1)Si⁴⁺/F^-为0.3～0.7；

2)(Ta⁵⁺+Zr⁴⁺)/(La³⁺+Gd³⁺+Y³⁺)为0.05～0.2；

3)Si⁴⁺/B³⁺为0.62～1；

4)F^-/O^2-为0.05～0.2。

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，Si⁴⁺：2～9％；和/或Sr²⁺+Ba²⁺：0～7％；和/或Sb³⁺：0～0.1％；不含有Nb⁵⁺、W⁶⁺、Ti⁴⁺。

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，其阴离子的重量百分比组成含有：F^-：5～20％；O^2-：80～95％。

9.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，其阴离子的重量百分比组成含有：F^-：7～19％；O^2-：81～93％。

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，所述玻璃折射率为1.78～1.83，阿贝数为48～53。

11.玻璃预制件，采用权利要求1-10任一权利要求所述的光学玻璃制成。

12.光学元件，采用权利要求1-10任一权利要求所述的光学玻璃制成。