CN1576254A - 光学玻璃 - Google Patents

Abstract

一种用于制作大型透射光学元件例如其厚度至少为100毫米的透镜的光学玻璃，它包含35－70wt％的SiO₂、17－35wt％的Al₂O₃、3－17wt％P₂O₅、0－6wt％的Li₂O、0.5－4wt％的MgO、0.5－3wt％的ZnO、最大为1wt％的CaO、最大为0.5wt％的BaO、0.5－6wt％的TiO₂、0.1－3wt％的ZrO₂、0.1－1wt％的Na₂O、0－1wt％的K₂O、最大为1wt％的精炼剂(As₂O₃、Sb₂O₃)以及最大为500ppm的其它杂质。玻璃组分可以等于玻璃陶瓷Zerodur的组分，并且能够按照节约成本的方式制造大型透射光学元件，在He－Ne激光范围内具有最大透射率并且其CTE大约为3×10^－6/K。

Description

光学玻璃

技术领域

本发明涉及一种光学玻璃，该光学玻璃尤其适用于分别制作具有相当大尺寸或相当大体积的光学透射部件。

背景技术

现有技术的光学玻璃在规定的光谱范围内具有良好的均匀性、良好的透射特性以及令人满意的阿贝系数，但是在实际条件下几乎不可能制造出例如直径为0.5m或1m或者厚度为50mm、100mm或以上的光学透射部件，例如透镜、棱镜和大型窗户。

为了测试高精度天文反射镜、尤其是凸次镜(convex secondarymirror)的抛光质量，通常在干涉测量装置中，采用称之为基质(matrices)的参考透镜。通常用于此目的的示例是具有至少一个成形为非球面的表面的双凸透镜。此处，对这些透镜的材料在条痕(striae)和折射率均匀性方面有一定的要求。优选的，采用具有低膨胀率的材料。另外，希望在通常采用的633nm的激光器波长处的透射性尽可能高。

迄今为止，对于这种应用的光学玻璃，采用例如BK7或者FK5。但是，这种大型光学零件例如直径为1-1.5m或或者厚度为100mm-150mm的透镜的制造是不可能的，至少不能以经济上可行的方式来制造。

发明概述

因此本发明的一个目的是提供一种光学玻璃，它能够制造出例如具有在横向为至少0.5m-1m的最大尺寸或者厚度为至少50mm或100mm的光学透射部件，例如透镜、棱镜、反射镜等，并且能够以经济的方式制造高质量的光学均质部件。另外，各种玻璃应当具有尽可能低的热膨胀系数，并且应当在光学可见范围内具有足够的真透射率。

另外，披露了这种光学玻璃的应用以及大型光学透射部件的制造方法。

根据本发明，该目的是通过具有以下组成(以重量％表示)的光学玻璃来实现：

SiO₂                               35-75

Al₂O₃                             17-35

B₂O₃                              0-5

P₂O₅                              1-17

SnO₂+ZrO₂+TiO₂                   0.1-8

Na₂O+K₂O+Cs₂O+Li₂O              0.1-8

CaO+MgO+SrO+BaO+ZnO                  0.1-8

精炼剂例如Sb₂O₃、As₂O₃、

SnO₂、CeO₂、硫酸盐或者卤化物：  ≤2

着色氧化物例如V₂O₅、Cr₂O₃、

MnO、Fe₂O₃、CoO、NiO以及

其它杂质                        ≤1

由此可以完全实现本发明的目的。

本发明的光学玻璃可以制备大尺寸的透射光学部件，例如，制造直径为1.5m或以上的透镜。本发明的光学玻璃允许以经济的方式采用浇铸方法制造这种大型光学部件。优选的，该光学玻璃在成批熔融设备中熔融，然后可控制的冷却，随后进行机械处理，尤其是切削、磨削、研磨以及抛光，以制造大型的光学透射部件，例如透镜、棱镜和窗玻璃。

尤其是，这种光学玻璃适合于制备分别用于大型非球面反射镜或者反射镜部分的测试光学部件，例如用于制造具有至少一个非球面地成形的表面并且直径为1.5m或以上的双凸透镜。

从德国专利说明书DE1 596 860或者从德国已审查专利申请DE1902 432中已经直到类似的玻璃组成，但是它涉及用于制造由本申请人以商标Zerodur销售的玻璃陶瓷的基底玻璃。

但是，这种玻璃陶瓷不适用于作为光学玻璃，因为由于由晶体包涵体所产生出的许多分散的中心，所以大大损害了透射率，这尤其使得不可能应用于大型部件。

在该申请中的“光学玻璃”下，提供一种透明玻璃，它尤其适用于在可见光谱范围内具有尽可能高的透射率的光学透射部件，从而基本上没有不均匀性和应力。因此根据本发明的光学玻璃不能从公知的现有技术陶瓷玻璃中看出，因为本领域普通技术人员不会想到这种用于光学玻璃的组分。用于制造这种玻璃陶瓷的基底玻璃没有具有必要的纯度并且一般具有微黄的颜色，这对于用作光学玻璃而言是一个潜在的阻碍。

根据本发明优选实施方案，该光学玻璃具有以下组分：

SiO₂                         35-70

Al₂O₃                       17-35

P₂O₅                        3-17

Li₂O                          2-6

MgO                            0.5-4

ZnO                            0.5-3

CaO                            ≤1

BaO                            ≤0.5

TiO₂                          0.1-6

ZrO₂                       0.1-3

Na₂O                       0.1-1

K₂O                        0.1-1

As₂O₃                    ≤1

Sb₂O₃                    ≤1

其它杂质                    ≤0.5

根据本发明另一个优选改进方案，该光学玻璃具有以下组分：

SiO₂                       50-60

Al₂O₃                     20-30

P₂O₅                      3-12

Li₂O                       3-4

MgO                          0.5-2.5

ZnO                          0.5-3

CaO                         ＜1

BaO                         ＜0.5

TiO₂                       1.5-3.5

ZrO₂                       1-2.5

Na₂O                       0-1

K₂O                        0-1

As₂O₃+Sb₂O₃            ≤1

其它

杂质                        ≤0.2

尤其在这些组分范围内，可以实现特别有利的透射率数值。

为了进一步改善透射率，优选的是，将有色杂质、贵金属和卤化物尤其是Fe₂O₃、PbO、Pt、Rh、Cl^-和F^-每一个都保持为500ppm最大值。

另外，优选的是根据本发明的光学玻璃其Fe₂O₃的最大含量为120ppm优选为80ppm。

尤其在所要求的光学范围内并且尤其在633nm的示例波长范围处在最大厚度处，也保证足够的真透射率，这是有利的。

优选的是，根据本发明的光学玻璃在0℃和50℃的范围内其热膨胀系数最大为4.1×10^-6/K，优选最大为3.5×10^-6/K，特别优选为3×10^-6/K左右。

由于热膨胀系数特别低，所以根据本发明的光学玻璃尤其适用于制作大型光学透射部件。也就是说，由于在热膨胀系数方面的差异较小，所以与现有技术光学玻璃相比，可以明显降低应力和破裂的产生，现有技术光学玻璃的热膨胀系数通常≥4.4×10^-6/K。由此尤其还可以降低由温度偏差引起的图像扭曲。

根据本发明的光学玻璃其折射率n_d为1.42≤n_d≤1.63，优选为1.47≤n_d≤1.58。

另外，根据本发明的光学玻璃优选具有的阿贝系数V_d在53≤Vd≤63的范围内，优选在57.1≤V_d≤59.1的范围内。因此，本发明的光学玻璃在阿贝图中处于冕玻璃的区域内，但是具有不同的化学组成。

对于100mm长的测试体，在500-750nm的波长范围内，本发明的光学玻璃的真透射率至少是0.55，在550-750nm的波长范围内，至少是0.7，在600-750nm的波长范围内，至少是0.8。

本发明的光学玻璃优选在大约600-750nm的范围内具有其最大真透射率。

关于本发明目的的大尺寸光学透射部件的制造方法如下，优选在成批熔融装置中熔融上述组成的玻璃，进行可控制的冷却，随后进行机械处理，尤其是切削、磨削、研磨和抛光。

应当理解，上述特征不仅是按照给定的结合来适用，而且可以按照其它的结合或者单独方式来使用，而不会超出本发明的范围。

本发明的其它特征和优点可以从以下参考附图的优选实施方案的描述中了解。

附图的简要说明

图1显示了根据波长，在本发明的玻璃的真透射率和同样组成的玻璃陶瓷Zerodur的真透射率之间的比较。

优选实施方案的详细说明

实施例

熔融以下组成(以重量％表示)的玻璃：

SiO₂                      57.2

Al₂O₃                    25.3

P₂O₅                     6.5

Li₂O                      3.4

MgO                        1.0

ZnO                        1.4

Na₂O                      0.2

K₂O                       0.4

As₂O₃                    0.5

TiO₂                      2.3

ZrO₂                      1.8

通过采用特别纯的原料和坩锅材料，尤其是着色杂质、贵金属和卤化物的杂质，其最大值被分别保持在500ppm。FeO₂O₃含量约为80ppm。

在大约1500-1600℃进行熔融，其中为了进行精炼，将温度升至大约1600℃。在均质化过程中，温度降低至大约1400℃。为了形成和制备直径大约1.5m的透镜，将熔融物倾倒在已经被预热至约1200℃的绝热良好的模型中。然后尽可能快地冷却至高于玻璃转化温度T_g的温度，例如在几个小时内冷却至大约700℃。这样，使在冷却阶段期间的结晶化最小。之后在第二步中，以足够小的冷却速度进行受控冷却至室温以避免破裂和应力，为此根据玻璃块的直径，采用最大为1.0K/分钟的冷却速度，在当前情况下冷却速度为0.1K/分钟。

可以对这种玻璃块进行机械处理以从中制作出光学透射部件，例如双凸透镜，它具有至少一个非球形弯曲面并且直径为1.5m。在这样制造处的玻璃件上，在0℃和50℃之间的范围内所测量出的热膨胀系数(CTE)为3.02×10^-6/K，同时在-30℃和70℃之间的范围内所检测出的热膨胀系数为2.97×10^-6/K。

光学玻璃的密度为2452.7kg/m³。

发现该玻璃转化温度T_g大约为675℃。检测出折射率n_d为1.526，并且阿贝系数V_d为58.12。

根据图1的波长给出根据本发明对于100mm长度的测试体的测量真透射率(该真透射率为与透射率相比的纯材料特性，因为在真透射率中消除了测试体在包含在透射率中的光入射和光出射处的反射损失)。

为了进行比较，在图1中还根据波长给出了由现有技术的玻璃陶瓷Zerodur构成的长度为100mm的第二测试体的测量真透射率。

可以看出，根据本发明的玻璃在600和750nm之间的范围内即使在100mm的厚度下也具有高于0.8的真透射率，因此对于一般所使用的633nm的He-Ne激光的波长范围而言尤其具有真透射率的大致最大值。相反，玻璃陶瓷Zerodur在所感兴趣的光谱范围中具有明显更小的真透射率，同时其组分与之不同。具体地说，如果考虑更大的尺寸例如大约为500mm或更大的厚度，根据本发明的玻璃的优异性明显，因为该真透射率随着厚度增加而按指数规律降低。

与除了用作大型天文反射望远镜的测试光学元件的优选用途之外，还可以想到其它用途例如在天文照像机系统和校正光学元件中的透镜以及在这些尺寸很大的望远镜中的棱镜。

Claims (15)

1.一种光学玻璃，它包括(以重量百分比计)：

SiO₂                         35-75

Al₂O₃                       17-35

B₂O₃                        0-5

P₂O₅                        1-17

SnO₂+ZrO₂+TiO₂             0.1-8

Na₂O+K₂O+Cs₂O+Li₂O        0.1-8

CaO+MgO+SrO+BaO+ZnO            0.1-8

精炼剂例如Sb₂O₃、As₂O₃、

SnO₂、CeO₃、硫酸盐或者卤化物：≤2

着色氧化物例如V₂O₅、Cr₂O₃、MnO、

Fe₂O₃、CoO、NiO以及

其它杂质：                    ≤1

2.如权利要求1所述的光学玻璃，它包括(以重量百分比计)：

SiO₂                         35-70

Al₂O₃                       17-35

P₂O₅                        3-17

Li₂O                         2-6

MgO                           0.5-4

ZnO                           0.5-3

CaO                           ≤1

BaO                           ≤0.5

TiO₂                         0.1-6

ZrO₂                         0.1-3

Na₂O                         0-1

K₂O                          0-1

As₂O₃                       ≤1

Sb₂O₃                 ≤1

其它

杂质                    ≤0.5

3.如权利要求1或2所述的光学玻璃，它包括(以重量百分比计)：

SiO₂                   50-60

Al₂O₃                 20-30

P₂O₅                  3-12

Li₂O                   3-4

MgO                     0.5-2.5

ZnO                     0.5-3

CaO                     ＜1

BaO                     ＜0.5

TiO₂                   1.5-3.5

ZrO₂                   1-2.5

Na₂O                   0-1

K₂O                    0-1

As₂O₃+Sb₂O₃        ≤1

其它

杂质                    ≤0.2

4.如前面权利要求中任一项所述的光学玻璃，它包括着色剂、贵金属和卤化物，尤其是Fe₂O₃、PbO、Pt、Rh、Cl^-和F^-，每一种的最大含量为500ppm。

5.如前面权利要求中任一项所述的光学玻璃，其中其Fe₂O₃的最大含量为120ppm，优选为约80ppm。

6.如前面权利要求中任一项所述的光学玻璃，其中在0℃和50℃的范围内其热膨胀系数最大为4.1×10^-6/K，优选最大为3.5×10^-6/K，特别优选为3×10^-6/K左右。

7.如前面权利要求中任一项所述的光学玻璃，其中其折射率n_d为1.42≤n_d≤1.63，优选为1.47≤n_d≤1.58。

8.如前面权利要求中任一项所述的光学玻璃，其中其阿贝系数V_d在53≤V_d≤63的范围内，优选在57.1≤V_d≤59.1的范围内。

9.如前面权利要求中任一项所述的光学玻璃，其中对于100mm长的测试体，在500-750nm的波长范围内，其真透射率至少是0.55。

10.如权利要求9所述的光学玻璃，其中对于100mm长的测试体，在550-750nm的波长范围内，其真透射率至少是0.7。

11.如权利要求9所述的光学玻璃，其中对于100mm长的测试体，在600-750nm的波长范围内，其真透射率至少是0.8。

12.如权利要求9至11中任一项所述的光学玻璃，其中其在大约600-750nm的范围内具有最大真透射率。

13.一种光学玻璃的用途，用于制作光学透射部件，尤其用于制作其最大厚度至少为50毫米、优选至少为100毫米的透镜、棱镜或窗户。

14.如权利要求13所述的光学玻璃的用途，用于制作反射望远镜的测试光学元件，尤其用于制作其球面镜或扇形体。

15.一种制作光学透射部件、尤其是制作其厚度至少为50毫米优选为至少100毫米的透镜、棱镜或窗玻璃的方法，其中在成批熔融装置中熔融如权利要求1至12中任一项所述的玻璃，进行受控冷却，随后进行机械处理，尤其是切削、磨削、研磨和抛光。

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