CN1451620A - 具有反常分散性的光学玻璃 - Google Patents

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Abstract

提供折射率(nd)为1.48～小于1.55，阿贝数(vd)为45～55，Δθg，F值为+0.0010以上的具有正的反常分散性的光学玻璃。

Description

具有反常分散性的光学玻璃
技术领域
本发明涉及具有折射率(nd)为1.48～小于1.55，阿贝数(νd)为45～55的光学常数，表示反常分散性的Δθg，F值为+0.0010以上，具有正的反常分散性，特别适于再热压成形的光学玻璃。
背景技术
光学仪器的镜头，通常被设计成具有不同光学性质的几个玻璃镜头的组合，使用正或负的反常分散性玻璃的镜头通常用于校正二级光谱，具有正的反常分散性的低折射率玻璃，其产量并不大，但是为了拓宽多样化的光学仪器的镜头的设计自由度，从技术上讲其是很重要的。
从经济地适用于多品种少量生产的角度考虑，由不能大量生产的光学玻璃制备镜头等光学元件的方法一般为，将成形为板状或决状的常温光学玻璃切断或割断、研磨，将调整为规定重量的玻璃块再次加热使之软化，保温，热压成形(再热压成形)，得到其形状与所希望的光学元件的形状相似的压制成形品，研磨压制成形品，得到所希望的形状，对研磨面实施涂敷，得到光学元件。
适用于上述再热压成形的玻璃粘度所对应的玻璃温度为，比玻璃的转变温度(Tg)高200℃～300℃的温度域，再热压成形是将在上述温度域范围内保温的玻璃放入为了防止与玻璃发生烧接而被保温在比玻璃更低的温度下的压制成形模具中进行压制成形，压制成形时，高温玻璃与压制成形模具接触，为了使压制成形模具的损耗小，优选玻璃的温度低，为此，更优选将玻璃保温在比其转变温度(Tg)高200℃～250℃之间进行再热压成形。在比转变温度(Tg)高200℃～300℃的温度域中对玻璃进行30分钟的保温，如果玻璃不发生失透和由分相而引起的乳白，则可以对玻璃进行再热压，因此，在比转变温度(Tg)高200℃～250℃的温度域中对玻璃进行30分钟的保温，如果玻璃不发生失透和由分相而引起的乳白，则可以对玻璃进行压制成形模具损耗小的再热压成形。
不过，对于容易产生失透和乳白的玻璃的情况，对玻璃进行再加热，在比转变温度(Tg)高200℃～300℃的温度域下对玻璃进行30分钟的保温，玻璃发生失透和由分相而引起的乳白，这些发生失透和乳白的玻璃不在上述温度域中保温而进一步使之升温，保温温度越高则越难发生失透和乳白，但是在比Tg+250℃更高的温度下保温，进行再热压成形时由于前述理由而容易损耗压制成形模具，使成形模具的寿命变短因此不是优选的。此外在比Tg+300℃更高的温度下保温则玻璃的粘度降低，难以对玻璃进行再热压成形。
光学玻璃的成分中的PbO、As2O3对环境有不良影响而成为问题，在制造和加工这些玻璃时，存在玻璃屑和渣滓等废弃物污染环境的问题，为此，处理废弃物时必须特别考虑环境问题，欧洲准备禁止使用含有PbO的光学玻璃，所以人们目前正在寻求不含这些成分的光学玻璃。但是，由于PbO对玻璃的光学和化学性质的影响很大，所以在开发与以往的含有PbO的光学玻璃具有同等的光学和化学性质且不含PbO的光学玻璃时存在很大的困难。
在以非常宽的组成范围作为权利要求范围的德国专利第973350号公报中公开了多个具有折射率(nd)为1.48～小于1.55，阿贝数(νd)为45～55的光学常数的各种组成的玻璃。这些各种组成的玻璃中有SiO2-B2O3-Al2O3-K2O-PbO-As2O3-As2O3-TiO2-F系的玻璃，由于这些玻璃中含有PbO、As2O3，所以存在上述的环境污染问题，此外还存在以下缺点，即，对玻璃进行再加热，在比转变温度高200～250℃的温度域中保温，由于分相而使玻璃乳白化。
此外，上述公开文本中还介绍了几个具有上述范围的光学常数，不含PbO的玻璃，但这些玻璃几乎都含有环境污染物质As2O3(0.3％～5.0重量％)，此外还有以下(1)～(5)的诸多缺点中的至少一个缺点。(1)对玻璃进行再加热，在比转变温度高200～250℃的温度域中保温，由于分相玻璃容易乳白化。(2)化学耐久性差。(3)在可见光波长区域的短波侧的光线透过率差。(4)熔融性差，必须高温下熔融，所以氟挥发，难以得到均质且具有所希望的光学性质的玻璃。(5)由于含有很多的(3.0～15.0重量％)Sb2O3，所以熔融玻璃中的Sb金属和/或Sb离子容易与溶解装置的白金发生合金化。
此外，上述公开文本中，还公开了几例含有上述范围的光学常数且组成不含PbO和As2O3的玻璃，不过由于这些玻璃含有非常大量的Sb2O3(20.0～30.0重量％)，所以更容易发生上述的合金化。为了连续制造高品质的光学玻璃，现在几乎所有的玻璃使用的溶解装置至少其与熔融玻璃接触的部分是由白金形成的，但是Sb金属和/或Sb离子与白金发生合金化的情况下，合金化部分的耐热性很差，所以容易发生开孔，熔融玻璃流出的事故。此时，必须立即中止熔融丢掉处于熔融中的玻璃，然后拆卸溶解装置，修补开口处，所以不能长时间操作。还有，由于白金价格昂贵不能丢弃而需对合金化的白金进行再精制，从而因合金化事故而造成的危险性和经济损失也非常大。
此外，特开平6-92675号公报中公开了几个具有折射率(nd)为1.48～小于1.55，阿贝数(νd)为45～55的光学常数，不含PbO和As2O3，含有氟的玻璃的具体组成，但是这些玻璃具有上述(1)和(2)的缺点中的至少一个缺点。
此外，特开平8-290936号公报中公开了几个具有折射率(nd)为1.48～小于1.55，阿贝数(νd)为45～55的光学常数，不含PbO和As2O3的玻璃的具体组成，但是这些玻璃不具有正的反常分散性，或者具有玻璃着色的问题。
发明内容
本发明旨在解决上述以往技术所具有的诸多缺点，提供具有如下特征的玻璃，即，不含有环境污染物质PbO和As2O3，具有折射率(nd)为1.48～小于1.55，阿贝数(νd)为45～55的光学常数，对玻璃进行再加热，在比其转变温度(Tg)高200℃～300℃的温度域保温30分钟不会出现乳白，特别是在比其转变温度(Tg)高200℃～250℃的温度域保温30分钟不会出现乳白，耐失透性、化学耐久性以及光线透过性优异，且玻璃熔融过程中白金不会合金化，可以安全生产，具有正的反常分散性。
本发明者们经过深入的试验研究，结果在没有被具体公开过的SiO2-B2O3-TiO2-Nb2O5-AL2O3-WO3-K2O-F系组成的玻璃中发现了可以达到上述目的的玻璃，从而完成了本发明。
也就是说，为了达到上述目的的本发明的第一种具有正的反常分散性的光学玻璃，其特征在于，按质量计含有SiO2 40～60％、B2O3 3～9％、TiO2 3～15％、Nb2O5 0.1～5.0％、AL2O3 3～15％、WO3 0.5～5.0％、MgO 0～3％、CaO 0～3％、SrO 0～3％、BaO 0～3％、K2O大于10％直到21％、Na2O 0～10％、Sb2O3 0～1％以及上述各金属元素的一种或两种以上的氧化物的一部分或全部置换成的氟化物的F的总量为3～10％，除了杂质的不可避免的混入，不含有PbO和As2O3，具有折射率(nd)为1.48～小于1.55，阿贝数(νd)为45～55的光学常数，表示反常分散性的Δθg，F值为+0.0010以上。
这里，表示反常分散性的Δθg，F值是通过下述方法算出的。即，根据下式1，求出部分分散比(θg，F)，以部分分散比(θg，F)为纵轴，以阿贝数(νd)为横轴，在不显示反常分散性的正常光学玻璃中，选出具有下述表1所示的部分分散比(θg，F)和阿贝数(νd)的2种光学玻璃NSL7和PBM2(均为オハラ商品名)作为基准分散玻璃，将这2种光学玻璃的坐标(θg，F、νd)连成直线，以此直线与表示作为比较的玻璃的θg，F和νd的坐标的纵坐标之差(Δθg，F)作为部分分散性的偏差，也就是表示反常分散性的值。由此算出的Δθg，F的值为正时，也就是玻璃的坐标(Δθg，F、νd)位于上述直线上方时，此玻璃具有正的反常分散性。
       θg，F＝(ng-nF)/(nF-nc)           -式1
(ng表示玻璃对汞光源的波长435.835nm的谱线的折射率，nF表示玻璃对氢光源的波长486.13nm的谱线的折射率，nc表示玻璃对氢光源的波长656.27nm的谱线的折射率，(nF-nc)称作主分散。)
           表1
  商品名   θg，F   νd
  NSL7   0.5436   60.49
  PBM2   0.5828   36.26
为实现前述目的的本发明所述的第2种具有正的反常分散性的光学玻璃，其特征在于，按质量计含有SiO2 40～60％、B2O3 3～9％、TiO23～15％、Nb2O5 0.1～5.0％、AL2O3 3～15％、WO3 0.5～5.0％、TiO2+WO34～20％、MgO 0～3％、CaO 0～3％、SrO 0～3％、BaO 0～3％、K2O大于10％直到21％、Na2O 0～10％、但K2O+Na2O小于25％、Sb2O3 0～1％以及上述各金属元素的一种或两种以上的氧化物的一部分或全部置换成的氟化物的F的总量为3～10％，除了杂质的不可避免的混入，不含有PbO和As2O3，具有折射率(nd)为1.48～小于1.55，阿贝数(νd)为45～55的光学常数，表示反常分散性的Δθg，F值为+0.0010以上。
这里所述的表示反常分散性的Δθg，F值按前述方法算出。
为实现前述目的的本发明所述的第3种具有正的反常分散性的光学玻璃，其特征在于，前述第1或第2种的具有正的反常分散性的光学玻璃中，在比玻璃的转变温度(Tg)高200℃～300℃的温度域保温30分钟，玻璃不会出现乳白和失透。根据本发明，由于在对应于适于进行热压成形的玻璃粘度的温度域即比玻璃的转变温度(Tg)高200～300℃的温度域保温30分钟，玻璃不会出现乳白和失透，所以可以起到通过适于多种类少量生产的热压成形由光学玻璃成形得到压制成形品的效果。
为实现前述目的的本发明所述的第4种具有正的反常分散性的光学玻璃，其特征在于，前述第1或第2种的具有正的反常分散性的光学玻璃中，在比玻璃的转变温度(Tg)高200℃～250℃的温度域保温30分钟，玻璃不会出现乳白和失透。根据本发明，在因高温而对热压成形模具造成的损害小且适于进行热压成形的比玻璃的转变温度(Tg)高200～250℃的温度域保温30分钟，玻璃不会出现乳白和失透，所以可以抑制用于热压成形的成形模具的损耗。
为实现前述目的的本发明所述的第5种具有正的反常分散性的光学玻璃，其特征在于，前述第1、2、3或4种的具有正的反常分散性的光学玻璃中，根据日本光学硝子工业会规格JOGIS06-1999“光学玻璃的化学耐久性测定方法(粉末法)”测定的玻璃耐水性为级别1。根据本发明，由于玻璃的耐水性优异，所以可以起到在从研磨压制成形品的工序过程直到对研磨面进行涂敷之前的这段时间难以产生特别容易发生的玻璃研磨面的白色烧痕(白ヤケ)。
为实现前述目的的本发明所述的第6种具有正的反常分散性的光学玻璃，其特征在于，前述第1、2、3、4或5种的具有正的反常分散性的光学玻璃中，对厚度为10±0.1mm的玻璃能以包含反射损失的光线透过率80％透过的光线波长为390nm以下。根据本发明，由于在可见光波长区域的短波长侧的光线透过率优异，所以将玻璃用作镜头等光学元件时可以避免不理想的透光量低的问题。本发明具体实施方式
对玻璃的各组分的组成范围做前述限定的理由如下。
本发明中，SiO2是作为玻璃形成氧化物所不可缺少的组分，其量小于40％难以得到稳定的玻璃，化学耐久性也不充分。此外，如果其量超过60％则难以得到实现本发明目的的具有前述光学常数的玻璃，玻璃熔融性也变差。
B2O3具有改善玻璃熔融性和耐失透性的效果，所以是本发明玻璃中所必需的组分，其量小于3％时不能得到充分的效果，其量超过9％时，对玻璃进行再加热，在比其转变温度(Tg)高200～250℃的温度域保温时，玻璃非常容易乳白化，此外，玻璃的化学耐久性和光线透过性也变差。
TiO2为提高折射率、增大分散(减小阿贝数)的成分，具有将光学常数调整在实现本发明目的的前述范围内的效果，此外，在本发明中，通过与后述WO3组分共存，具有对玻璃进行再加热，在比其转变温度(Tg)高200～250℃的温度域保温时防止玻璃发生乳白化的效果，是重要的组分，其量小于3％时不能充分发挥上述效果，其量超过15％时，得不到本发明所需的光学常数，光线透过性显著变差。
Nb2O5具有将光学常数维持在实现本发明目的的前述范围内的效果，且还具有提高玻璃熔融性和耐失透性的效果，所以是本发明所必需的组分，其量小于0.1％时，得不到充分的效果，其量超过5.0％时得不到实现本发明目的的前述范围的光学常数。
AL2O3具有提高玻璃化学耐久性的效果，其量小于3％时，前述效果得不到充分发挥，其量超过15％时，玻璃的失透性有增大的倾向。
WO3除了具有与上述Nb2O5相同的效果外，在本发明中，通过与TiO2组分共存，具有对玻璃进行再加热，在比其转变温度(Tg)高200～250℃的温度域中保温时大大防止玻璃发生乳白化的效果，是重要组分，其量小于0.5％时不能充分发挥上述效果，其量超过5.0％时，容易发生失透等，玻璃具有不稳定的倾向。
WO3和TiO2组分的总量为4％以上时，防止玻璃乳白化的效果特别显著，所以更优选将此两组分的总量定为4～20％
为了调整光学常数和提高玻璃熔融性，根据需要可以任意添加MgO、CaO、SrO、BaO和Na2O，这些组分的量分别超过3％、3％、3％、3％以及10％时，玻璃的化学耐久性降低。
K2O是为了改善玻璃的熔融性且得到具有前述范围内的光学常数的玻璃所必需的组分，其量为10％以下时，玻璃的熔融性差，其量超过21％时玻璃的化学耐久性显著降低。
此外，为了得到具有特别优异的化学耐久性的玻璃，Na2O和K2O两组分的总量更优选小于25％。
Sb2O3具有使玻璃澄清、均质化的效果，可以任意添加，不过其量达到1％即可得到充分的上述效果。
氟以将上述各金属元素的一种或两种以上的氧化物的部分或全部置换了的氟化物、例如KHF2、KF、AlF3、CaF2、BaF2以及BaSiF6等的形式存在于玻璃中，具有赋予玻璃正的反常分散性的效果，因此，是本发明所必需的组分，此外，还具有降低折射率、调整光学常数、提高玻璃熔融性的效果。可是将上述各金属元素的一种或两种以上的氧化物的部分或全部置换了的氟化物中的氟(F)的总量小于3％时，上述效果得不到充分发挥，超过10％则玻璃产生波筋等，玻璃的品质显著降低。
实施例
本发明的具有正的反常分散性的光学玻璃实施例(1～8)以及以往的光学玻璃比较例(A～F)的组成如表2～表5所示，其中列出了各实施例和各比较例的玻璃的折射率(nd)、阿贝数(νd)、θg，F、Δθg，F、对厚度为10±0.1mm的玻璃能以包含反射损失的光线透过率80％透过的光线波长(T80)、转变温度(Tg)、耐水性(级)以及再加热试验的结果。不过，由于比较例(D)的玻璃全部为褐色，所以对其没有列出上述物性。
此外，表2和表3中，(K2O)栏的数值表示的是由氟化物置换的K2O的质量％，(F)栏表示的是置换了K2O的氟化物的F的量(质量％)。
还有，这里的θg，F和Δθg，F是通过测定玻璃的ng、nF、nc，根据前述内容所计算出来的。
根据日本光学硝子工业会规格“光学玻璃着色度测定方法”JOGIS02-1975，测定经平行地对面研磨的厚度为10±0.1mm的玻璃的光线透过率，T80表示以包含反射损失的光线透过率8O％透过的光线波长，T80的数值小。意味着其对可见光波长区域的短波侧的光线透过率优异。
耐水性(级)为，根据日本光学硝子工业会规格“光学玻璃化学耐久性测定方法(粉末法)”JOGIS06-1999，将所得的玻璃的粒度粉碎为425～600μm，以粉碎的玻璃试样为比重グラム，放入白金筐中，将白金筐放在装有纯水的石英玻璃制圆底烧瓶中，在沸水浴中处理60分钟，然后算出处理后的玻璃试样量的减少率(％)，减少率小于0.05％的为级1，减少率为0.05～小于0.10％的为级2，减少率为0.10～小于0.25％的为级3，级数越小意味着玻璃的耐水性越优异。
再加热试验是用以下方法进行的，即，将宽和厚均为15mm、长为30mm的方柱形玻璃试样装在耐火物上，放入电炉中进行再加热，在150分钟内从室温升温到比各玻璃试样的转变温度(Tg)高250℃的温度，在此温度保温30分钟，然后降温到常温，取出到炉外，对相对设置以便可以观察到内部的两个面进行研磨，目视观察研磨后的玻璃试样。再加热试验的结果用下列表示，未发现玻璃乳白和失透且无色透明的定为○，发现乳白或失透的定为×。[表2]
(质量％)
Figure A0312263300111
[表3]
(质量％)[表4]
(质量％)
Figure A0312263300131
[表5]
(质量％)
如表4～表5所示，比较例(A)玻璃，其再加热实验结果为，玻璃乳白，不适于再热压成形。比较例(B)玻璃，其不具有正的反常分散性，耐水性为级2，化学耐久性不好。比较例(C)玻璃，其再加热实验结果为，玻璃乳白，不适于再热压成形，耐水性为级3，化学耐久性不好。比较例(D)玻璃，如前所述其玻璃全部为褐色，不能作为要求为无色透明的光学玻璃使用。比较例(E)玻璃，其再加热实验结果为，玻璃乳白，不适于再热压成形，耐水性为级2，化学耐久性不好，T80为400nm，可见光波长域的短波侧的光线透过率不好。比较例(F)玻璃，耐水性为级3，化学耐久性不好。
另一方面，如表2～表3所示，本发明的具有正的反常分散性的光学玻璃的实施例(1～8)，均具有折射率为1.48～小于1.55，阿贝数为45～55的光学常数，表示反常分散性的Δθg，F值均为+0.0010以上，具有正的反常分散性。T80为390nm以下，可见光波长域的短波侧的光线透过率优异，耐水性为级1，化学耐久性优异，其再加热实验结果为，未发现玻璃乳白和失透，无色透明，适于再热压成形。与比较例(A～F)相比，其在光线透过率、化学耐久性和再加热实验结果中的至少一个以上的方面是优异的。
表2～表3所示的本发明的实施例中的玻璃，均可通过以下方法
轻松得到，即将氧化物、碳酸盐、硝酸盐、氟化合物以及氢氧化物等通常光学玻璃用的原料按表2～表3所示组成称量、混合后，投入白金制坩埚中，由于组成不同熔融性不同，在1300～1500℃的温度下熔融3～4小时，搅拌均质化以后降温，铸入模具等中，冷却得到。
如上所述，本发明的具有正的反常分散性的光学玻璃是由具有特定组成范围的SiO2-B2O3-TiO2-Nb2O5-AL2O3-WO3-K2O-氟系组成的玻璃，所以表示正的反常分散性的Δθg，F值为+0.0010以上，作为光学仪器等的光学系镜头等使用时可有效校正二级光谱，此外由于耐乳白性和耐失透性优异，所以适用于再热压成形。此外高品质光学玻璃所需的化学耐久性和光线透过性也很优异，玻璃熔融过程中白金不会合金化，可以安全的生产，而且具有不含有环境污染物质PbO、As2O3的优点，在生产上非常有用。

Claims (6)

1.有正的反常分散性的光学玻璃，其特征在于，按质量计含有SiO240～60％、B2O3 3～9％、TiO2 3～15％、Nb2O5 0.1～5.0％、AL2O3 3～15％、WO3 0.5～5.0％、MgO 0～3％、CaO 0～3％、SrO 0～3％、BaO 0～3％、K2O从大于10％直到21％、Na2O 0～10％、Sb2O3 0～1％以及上述各金属元素的一种或两种以上的氧化物的一部分或全部置换成的氟化物的F的总量为3～10％，除了杂质的不可避免的混入，不含有PbO和As2O3，具有折射率(nd)为1.48～小于1.55，阿贝数(νd)为45～55的光学常数，表示反常分散性的Δθg，F值为+0.0010以上。
2.有正的反常分散性的光学玻璃，其特征在于，按质量计含有SiO240～60％、B2O3 3～9％、TiO2 3～15％、Nb2O5 0.1～5.0％、AL2O3 3～15％、WO3 0.5～5.0％、TiO2+WO3 4～20％、MgO 0～3％、CaO 0～3％、SrO 0～3％、BaO 0～3％、K2O从大于10％直到21％、Na2O 0～10％、但K2O+Na2O小于25％、Sb2O3 0～1％以及上述各金属元素的一种或两种以上的氧化物的一部分或全部置换成的氟化物的F的总量为3～10％，除了杂质的不可避免的混入，不含有PbO和As2O3，具有折射率(nd)为1.48～小于1.55，阿贝数(νd)为45～55的光学常数，表示反常分散性的Δθg，F值为+0.0010以上。
3.根据权利要求1或2的具有正的反常分散性的光学玻璃，其特征在于，对玻璃进行再加热，在比玻璃的转变温度(Tg)高200℃～300℃的温度域保温30分钟，玻璃不会出现乳白和失透。
4.根据权利要求1或2的具有正的反常分散性的光学玻璃，其特征在于，对玻璃进行再加热，在比玻璃的转变温度(Tg)高200℃～250℃的温度域保温30分钟，玻璃不会出现乳白和失透。
5.根据权利要求1、2、3或4的具有正的反常分散性的光学玻璃，其特征在于，根据日本光学硝子工业会规格JOGIS06-1999“光学玻璃的化学耐久性测定方法(粉末法)”测定的玻璃耐水性为级别1。
6.根据权利要求1、2、3、4或5的具有正的反常分散性的光学玻璃，其特征在于，对厚度为10±0.1mm的玻璃能以包含反射损失的光线透过率80％透过的光线波长为390nm以下。
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