專利名稱：高折射率低色散精密壓型用光學玻璃的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學玻璃，特別是涉及一種具有折射率(Nd)為1.77-1.84，阿貝數(Vd)為36-44的高折射率低色散光學玻璃。
背景技術：
隨著光電產品市場的激烈競爭和發(fā)展，高產率、低成本地制造光學元件是每一個光學材料和光學元件制造商的目標。采用精密模壓成型技術(包括直接壓型法和二次壓型法)可以減少原料消耗，大大降低光學元件的機械加工量從而降低人力物力成本，并可以較容易實現批量穩(wěn)定生產，同時還可以減輕環(huán)境污染。另一方面，近年來數碼相機、數字攝像機、照相手機等日益流行，用于光學系統的機械設備的集成度及功能迅速增加。在這種情況下，要求光學系統達到更高的準確度，并減輕光學系統的重量和減小尺寸。目前解決這一問題的主要方法是采用非球面鏡，使用非球面元件已成為光學設計的主流，非球面透鏡的制造則廣泛使用精密模壓的方法。
所謂精密模壓，就是在一定的溫度、壓力下，用具有預定產品形狀的高精密模具模壓玻璃預制件，從而獲得具有最終產品形狀(或非常接近于最終產品形狀)并具有光學功能面的玻璃制品。采用精密模壓技術制造的非球面透鏡通常不用再進行研磨拋光，從而達到高產率低成本的目的。現在通過精密模壓技術可以制造各種光學玻璃元件產品如球面透鏡、非球面透鏡、棱鏡、衍射光柵等。
在進行精密模壓成型時，為了將高精密的模面復制在玻璃成型品上，需要在高溫下(通常在玻璃軟化點溫度以上15-40℃)加壓成型玻璃預制體，這時成型模被暴露在高溫中且被施以較高的壓力，即使處于保護氣氛中，壓型模具表面膜層依然容易被氧化、侵蝕。高精密的模具是光學玻璃精密模壓工序中主要成本來源，模具使用達不到一定的壓型次數，就不能實現低成本、高量產率的目的。為延長模具壽命，抑制高溫環(huán)境對成型模的損傷，希望盡可能降低壓型溫度，因此，要求玻璃材料的轉變溫度(Tg)和軟化溫度(Ts)盡可能低。
用于非球面透鏡的光學玻璃，要求具有各種光學常數的玻璃，Nd為1.77-1.84，Vd為36-44的光學玻璃在現代高級成像設備中應用較多，含有鉛、釷的該類光學玻璃因對環(huán)境有害已不生產和使用，不含鉛、釷的該類光學玻璃通常為B2O3(SiO2)-La2O3-Nb2O5(Ta2O5)-RO(R代表堿土金屬)體系，玻璃的軟化溫度通常遠高于600℃，不適合用于精密模壓。
美國專利USP20030032542公開了一種B2O3(SiO2)-La2O3-Gd2O3-Nb2O5-ZrO2體系的光學玻璃，該玻璃折射率在1.80以上，阿貝數在40左右，但玻璃的轉變溫度在650℃以上，不適合做精密模壓材料。中國專利02155831.0公開了一種B2O3-SiO2-La2O3-Gd2O3-ZnO-Li2O組成的光學玻璃系統，但玻璃的阿貝數難以達到43以下，且從其實施例看，玻璃成份中含有較多含量的價格昂貴的Ta2O5，玻璃成本較高，降低了產品競爭力。日本特開平06-305769公開了一種SiO2-B2O3-La2O3-Ta2O5-ZnO-Li2O系統精密壓型用光學玻璃，該系統玻璃同樣使用較多的Ta2O5，且玻璃的液相溫度較高，不利于批量化生產。日本特開平2002-362938公開了一種B2O3-SiO2-La2O3-ZnO-Nb2O5-Ta2O5-WO3系統以及特開平2002-012443公開的B2O3-SiO2-La2O3-Li2O-ZnO-Nb2O5-Ta2O5-WO3系統，雖然能達到較低的軟化溫度，但都使用了一定量的Ta2O5，玻璃成本昂貴。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種高折射率低色散精密壓型用光學玻璃，該光學玻璃不含鉛、砷、鎘等對環(huán)境有害物質，不含有價格昂貴的Ta2O5，玻璃軟化溫度滿足精密模壓要求。
本發(fā)明解決技術問題所采用的技術方案是高折射率低色散精密壓型用光學玻璃，其重量百分比組成為SiO21-8％、B2O316-30％、La2O315-40％、Gd2O30-20％、ZnO8-30％、Nb2O50.5-14.5％、WO30-12.5％、TiO20-9％、Li2O0.5-4％、ZrO21-10％、Y2O30-5％、Yb2O30-5％、Lu2O30-5％、Na2O0-3％、K2O0-2％、Al2O30-2％、BaO0-3％、CaO0-3％、SrO0-3％、MgO0-3％、Sb2O30-0.5％和SnO20-0.5％。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用B2O3-SiO2-La2O3(Gd2O3)-ZnO系統，使用合理比例的Nb2O5、WO3、TiO2使玻璃達到所需要的光學常數且具有適于精密壓型的良好物理化學特性。本發(fā)明的光學玻璃轉變溫度(Tg)低于560℃，組份中不含有高價格的Ta2O5，同時玻璃具有良好的化學穩(wěn)定性，能在單坩堝或連續(xù)熔煉池爐等設備上批量穩(wěn)定生產，適于低成本精密模壓成型非球面透鏡等光學元件。
具體實施例方式
根據實驗確定上述組份的重量百分比范圍，對上述各成份的作用及范圍限定的理由敘述如下。
B2O3是玻璃網絡生成體氧化物，是構成玻璃網絡的必須成份，尤其是在高折射率的鑭系玻璃中，B2O3是得到穩(wěn)定玻璃的主要成份。當B2O3含量低于16％時，玻璃的熔化性能變壞，耐失透性能不理想；當B2O3含量高于30％，玻璃的折射率達不到設計目標，因此B2O3的優(yōu)選含量(重量百分比含量，以下同)為16％-30％，更優(yōu)選含量為19-26％。
SiO2也是形成玻璃的網絡生成體氧化物，加入一定量的SiO2，可增大玻璃的高溫粘度，提高玻璃的耐失透性及化學穩(wěn)定性。當其含量不足1％時，玻璃的生產工藝性能差，即前述作用不明顯，若超過8％玻璃折射率下降，耐失透性變差，同時生產時原料熔化困難，因此SiO2含量優(yōu)選為1-8％，更優(yōu)選含量為1-6％。
La2O3是高折射低色散鑭系光學玻璃的主要成份，用于增加玻璃的折射率且不會明顯提高玻璃的色散，在本發(fā)明中與B2O3混合存在時可提高玻璃的耐失透性能，改善玻璃的化學穩(wěn)定性。當La2O3含量小于15％時，不能獲得上述作用，當其含量超過40％時，玻璃的析晶性能惡化，因此La2O3含量優(yōu)選為15-40％。
Gd2O3的作用與La2O3類似，也是增加玻璃的折射率且不會明顯提高玻璃的色散，在物理化學性能上起到改善玻璃化學穩(wěn)定性和耐失透能力的作用。使用一定量的Gd2O3代替La2O3，可以適當提高玻璃的耐失透能力，但可引起玻璃比重的增大。當Gd2O3含量高于20％時，玻璃的耐失透能力惡化，因此Gd2O3的含量優(yōu)選為0-20％，更優(yōu)選為5-15％。
在本發(fā)明中，為保證玻璃的高折射率低色散光學性能，要求La2O3和Gd2O3的總含量不少于20％，但當La2O3和Gd2O3的總含量高于45％時，玻璃的穩(wěn)定性變差，耐失透能力下降，軟化溫度急劇升高，因此La2O3和Gd2O3的總含量優(yōu)選為20-45％。
ZnO是本發(fā)明玻璃的必須成份，有利于降低玻璃的熔化溫度和軟化溫度，并有調整玻璃光學性能的作用。當其含量不足8％時，玻璃的軟化溫度上升；而當其含量高于30％時，玻璃的色散增大，析晶傾向增大，同時玻璃的高溫粘度變小，給玻璃成型帶來很大困難，因此ZnO的含量優(yōu)選為8-30％，更優(yōu)選為12-28％。
Nb2O5是提高玻璃折射率的有效成份，當其含量不到0.5％時，玻璃的折射率達不到設計目標，而當其含量高于14.5％時，會導致玻璃軟化溫度升高，同時使玻璃的透過率大幅下降，因此Nb2O5的含量優(yōu)選為0.5-14.5％。
WO3具有提高玻璃折射率和色散以及改善玻璃析晶性能的作用，但實驗表明當其含量超過12.5％時，玻璃的耐失透能力反而降低，所以WO3的優(yōu)選含量為0-12.5％，更優(yōu)選含量0-8％。
TiO2對于提高玻璃的折射率和色散很有效，并能提高玻璃的耐水性，降低玻璃比重，在本發(fā)明中，TiO2還起到增大玻璃高溫粘度以改善玻璃析晶性能的作用。但其含量過高會造成玻璃著色。因此TiO2含量優(yōu)選為0-9％。
上述Nb2O5、WO3和TiO2的含量之和為6.5-24％。
Li2O是降低玻璃的轉變溫度和軟化溫度的最有效成份，Li2O還有較強助熔作用。當其含量低于0.5％時，對降低轉變溫度效果不明顯；但當含量高于4％時，玻璃的耐失透性急劇下降，因此Li2O的優(yōu)選含量為0.5-4％，更優(yōu)選含量為0.5-3％。
ZrO2具有改善玻璃耐失透性、提高化學穩(wěn)定性的效果，在鑭系玻璃中，還起到提高折射率降低色散的作用。但其含量低于1％時，起不到上述作用；當其含量高于10％時，引起玻璃軟化溫度上升，同時玻璃耐失透性惡化。因此ZrO2的優(yōu)選含量為1-10％。
Y2O3、Yb2O3和Lu2O3具有提高玻璃穩(wěn)定性和耐失透性能的作用，還可以調整玻璃的光學常數，但當含量超過5％，會引起玻璃轉變溫度升高，因此Y2O3優(yōu)選含量為0-5％，更優(yōu)選不加入；Yb2O3優(yōu)選含量為0-5％，更優(yōu)選不加入；Lu2O3優(yōu)選含量為0-5％，更優(yōu)選不加入。
Na2O具有降低玻璃轉變溫度，提高玻璃透明度的作用，但當其含量超過3％，會增大玻璃的析晶傾向，同時顯著降低玻璃的折射率，因此Na2O優(yōu)選含量為0-3％，更優(yōu)選含量為0-1％。
K2O的作用與Na2O類似，其優(yōu)選含量為0-2％，更優(yōu)選不加入。
Al2O3可以提高玻璃的化學穩(wěn)定性，增大玻璃高溫粘度，但當其含量高于2％，會引起玻璃的耐失透性下降，增加熔融難度。因此Al2O3優(yōu)選為0-2％，更優(yōu)選不加入。
BaO可以降低玻璃的色散，同時改善玻璃的透過率。但當含量超過3％，不能達到玻璃的折射率目標，同時會增大玻璃的析晶傾向。因此BaO優(yōu)選法含量為0-3％。
CaO可以提高玻璃的化學穩(wěn)定性，并有助熔作用，但其含量高于3％時玻璃的析晶傾向增大。因此CaO優(yōu)選含量為0-3％，更優(yōu)選不加入。
MgO和SrO的作用與CaO類似，可以提高玻璃的均質性。MgO優(yōu)選含量為0-3％，更優(yōu)選不加入；SrO優(yōu)選含量為0-3％，更優(yōu)選不加入。
Sb2O3和SnO2作為除泡劑使用，Sb2O3優(yōu)選含量為0-0.5％，更優(yōu)選不加入；SnO2優(yōu)選含量為0-0.5％，更優(yōu)選不加入。
考慮對環(huán)境無污染，本發(fā)明不使用PbO、As2O3和CdO等成份。
本發(fā)明的生產方法是將組成成份對應的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽、硝酸鹽原料，按比例稱量，充分混合后加入鉑金坩堝或連續(xù)熔煉池爐內，在1240-1320℃下熔化、澄清和均化后降溫，將熔融玻璃液澆注到預熱后的金屬模具內，將玻璃連同金屬模一起放入退火爐內，徐冷退火后即得。
以下是本發(fā)明的實施例，但本發(fā)明并不受這些實施例的限制。
實施例1-24表1、表2、表3和表4列出了本發(fā)明的24個實施例和3個比較例，表中列出了玻璃的折射率(Nd)、阿貝數(Vd)、轉變溫度(Tg)、密度(d)以及透過率為80％和5％的波長比(分別用λ80、λ5表示)。

表1

表2

表3

表4從以上實施例可以看出本發(fā)明光學玻璃的折射率(Nd)為1.77-1.84，阿貝數(Vd)為35-43，玻璃轉變溫度不超過560℃，化學穩(wěn)定性優(yōu)異，耐失透性及著色度良好，比重小，非常適于精密模壓成型非球面透鏡、球面透鏡等光學元件，并且玻璃組份中不含有價格昂貴的Ta2O5原料，成本低廉，具有市場競爭優(yōu)勢。
權利要求
1.高折射率低色散精密壓型用光學玻璃，其特征在于其重量百分比組成為SiO21-8％、B2O316-30％、La2O315-40％、Gd2O30-20％、ZnO8-30％、Nb2O50.5-14.5％、WO30-12.5％、TiO20-9％、Li2O0.5-4％、ZrO21-10％、Y2O30-5％、Yb2O30-5％、Lu2O30-5％、Na2O0-3％、K2O0-2％、Al2O30-2％、BaO0-3％、CaO0-3％、SrO0-3％、MgO0-3％、Sb2O30-0.5％和SnO20-0.5％。
2.如權利要求1所述的高折射率低色散精密壓型用光學玻璃，其特征在于其重量百分比組成為SiO21-6％、B2O319-26％、La2O315-40％、Gd2O35-15％、ZnO12-28％、Nb2O50.5-14.5％、WO30-8％、TiO20-9％、Li2O0.5-3％、ZrO21-10％、Na2O0-1％和BaO0-3％。
3.如權利要求1或2所述的高折射率低色散精密壓型用光學玻璃，其特征在于所述La2O3和Gd2O3的重量百分比之和為20-45％。
4.如權利要求1或2所述的高折射率低色散精密壓型用光學玻璃，其特征在于所述Nb2O5、WO3和TiO2的重量百分比之和為6.5-24％。
5.根據權利要求1或2所述的高折射率低色散精密壓型用光學玻璃，其特征在于所述光學玻璃的轉變溫度不超過560℃。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高折射率低色散精密壓型用光學玻璃，其重量百分比組成為SiO
文檔編號C03C3/068GK1935717SQ20061002205
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月17日 優(yōu)先權日2006年10月17日
發(fā)明者匡波, 孫偉 申請人:成都光明光電股份有限公司