CN101412580A - 光学玻璃及光学元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适合于用模压成型法制造光学元件的光学玻璃,以及由所述光学玻璃形成的光学元件。本发明涉及的光学玻璃含有质量百分比15%~40%的P2O5、质量百分比0~10%的Li2O、质量百分比0~20%的Na2O、质量百分比0~20%的K2O,其中Li2O、Na2O及K2O的合计含有量为质量百分比3%~30%,并且,含有超过质量百分比2%但在质量百分比15%以下的TiO2、质量百分比0~15%的CaO、质量百分比0~32%的BaO、质量百分比0~20%的SrO、质量百分比0~15%的ZnO、质量百分比0以上3%未满的Bi2O3、质量百分比0~50%的Nb2O5、质量百分比0以上20%未满的WO3、质量百分比0~1%的Sb2O3,且实质上不含B2O3。
Description
技术领域
本发明涉及光学玻璃以及由该光学玻璃形成的光学元件,尤其涉及具有高折射率高色散之光学常数的适合于模压成型的光学玻璃,以及对该光学玻璃进行模压成型所制成的光学元件。
背景技术
各种由光学玻璃形成的光学元件、例如CD、DVD、BD、HD—DVD等的光拾取镜头和搭载于手机中的摄像用镜头等被广泛使用。近年来,随着光盘记录再生装置和带照相机手机的迅速普及,这种由光学玻璃形成的光学元件的需求迅速扩大,对这种光学元件有提高生产性和降低其成本的要求。为此,作为这种光学元件的制造方法,逐渐增多使用模压成型法,该方法与以往的研磨方法相比,制造工序少,能够短时间且廉价地制造光学元件。
该模压成型法与再加热方式和直接模压方式有很大区别。再加热方式是在先制作具有近似于最终产品形状的无研磨预成形品或研磨预成形品之后,将此预成形品和成型模具一起再次加热到玻璃的屈曲温度At以上,通过成型形成最终产品形状。
而直接模压方式是在温度被加热到玻璃的玻璃转移温度Tg附近的成型模具上,从玻璃熔融槽通过滴下喷嘴滴下熔融玻璃滴,在滴下的熔融玻璃滴冷却固化期间,通过模压成型形成最终产品形状。该方法不需要反复加热和冷却成型模具等,能够从熔融玻璃滴直接制造最终产品的光学元件,1次成型所需要的时间非常短,与上述再加热方式相比,能够期待较高的生产性所以得到瞩目。
如上所述,模压成型法时,必须将成型模具的温度加热到玻璃的屈曲温度At以上(再加热方式)或玻璃转移温度Tg附近(直接模压方式)。因此,玻璃的屈曲温度At和玻璃转移温度Tg越高,成型模具越容易劣化,成形模具的寿命缩短,导致生产成本上升。因此,作为用于模压成型法的光学玻璃,优选屈曲温度At和玻璃转移温度Tg尽量低的玻璃。尤其是直接模压方式时,通过采用玻璃转移温度Tg低的(例如540℃以下)光学玻璃,能够在大气中进行成型,能够简化制造设备,能够将生产成本抑制为较低。
另外,考虑制造时的作业环境,从确保作业人员的安全之观点出发,优选不含有PbO、As2O3、TeO2、氟化物。
高折射率高色散且玻璃转移温度Tg较低的光学玻璃,以往有几种被建议(参照例如专利文献1、2)。
专利文献1:特开2005—306733号公报
专利文献2:特开2006—131480号公报
但是,采用专利文献1、2中记载的光学玻璃,用直接模压方式制造光学元件过程中发现,经反复模压之后,制成的光学元件的光学面上发生起雾,存在问题。
考虑该起雾是由于成型模具与熔融玻璃滴直接接触时有微量的玻璃成分附在成型模具上,而该玻璃成分再次附到下一次制造的光学元件的表面上所引起发生的。之后进一步反复进行模压的话,附着物导致成型模具表面的粗糙增大,粗糙面转印到光学元件上,因此还产生光学元件的表面粗糙增大之问题。
另外,将这些光学玻璃用于再加热方式时,存在由于进行反复模压而光学元件的光学面上同样发生起雾之问题。
发明内容
本发明鉴于上述技术问题,目的在于提供一种光学玻璃,其具有高折射率和高色散之光学常数,即使是反复进行模压,光学元件上也不轻易发生起雾,适合于模压成型法的光学元件制造。本发明的目的还在于提供一种光学元件,其能够从上述的光学玻璃用模压成型法以高生产性且低成本进行制造。
为了解决上述问题,本发明具有以下特征。
1.一种光学玻璃,该玻璃含有质量百分比15%~40%的P2O5、质量百分比0~10%的Li2O、质量百分比0~20%的Na2O、质量百分比0~20%的K2O,其中Li2O、Na2O及K2O的合计含有量为质量百分比3%~30%,并且含有超过质量百分比2%但在15%以下的TiO2、质量百分比0~15%的CaO、质量百分比0~32%的BaO、质量百分比0~20%的SrO、质量百分比0~15%的ZnO、质量百分比0以上3%未满的Bi2O3、质量百分比0~50%的Nb2O5、质量百分比0以上20%未满的WO3、质量百分比0~1%的Sb2O3,并且不含B2O3。
2.上述1中记载的光学玻璃不含PbO、As2O3、TeO2以及氟化物之任何一种成分。
3.上述1或2中记载的光学玻璃,具有折射率nd为1.7~2.0、阿贝数vd为16~32之范围的光学常数,玻璃转移温度Tg在540℃以下。
4.一种光学元件,由上述1至3的任何一项中记载的光学玻璃形成。
5.上述4中记载的光学元件,对滴到成型模具中的熔融玻璃滴进行模压成型来制造。
附图说明
图1:实施例中使用的成型装置的模式示意图。
具体实施方式
本发明优选的实施方式的光学玻璃,因为含有所定成分,所以具有以下特性:具有高折射率和高色散之光学常数,玻璃转移温度Tg低,反复进行模压光学元件上也不易发生起雾。因此,能够通过模压成型法以高生产性低成本制造光学元件,尤其是通过直接模压方式,能够以更高的生产性和低成本制造光学元件。
本发明者通过积累为了达成上述目的的锐意检讨,发现通过采用不含B2O3的光学玻璃,能够抑制起雾。这是由于因为不含B2O3而熔融玻璃滴与成型模具接触时玻璃成分难以附到成型模具上。根据该见解进一步积累检讨发现,在P2O5—TiO2—碱金属氧化物系的玻璃组成中,使各成分按所定比例,则能够得到一种在抑制发生起雾的同时具有高折射率和高色散之光学常数,且具有适合于模压成型法制造光学元件之特性的光学玻璃。
即,本实施方式的光学玻璃因为按上述所定比例含有各成分,所以具有以下特性:具有折射率nd为1.7~2.0、阿贝数vd为16~32之范围的光学常数,玻璃转移温度Tg在540℃以下,反复进行模压光学元件上也不易发生起雾。另外,因为不含PbO、As2O3、TeO2及氟化物的任何一种成分,所以不存在制造时的安全性问题。因此,通过采用本实施方式的光学玻璃,能够通过模压成型法以高生产性低成本制造光学元件。
玻璃成分
接下去,详细说明对本实施方式光学玻璃所含的各成分的含有量进行上述限定的理由。
作为玻璃成份含有B2O3的话,玻璃非常容易附到成型模具上,反复进行模压会引起光学元件上发生起雾。因此,本实施方式的光学玻璃中,使不含B2O3。但是,允许作为其他成分原料中含有的不纯物的微量程度含有。此时,优选B2O3的含有量为1000ppm(质量比)未满,更优选为700ppm(质量比)未满。
P2O5是玻璃形成氧化物,但含有量超过质量百分比40%的话折射率nd降低。另外,不到质量百分比15%的话玻璃容易透明消失。因此,必须使P2O5的含有量在质量百分比15%~40%的范围。其中,更优选在质量百分比20%~36%之范围。
为R2O(碱金属氧化物)成分的Li2O、Na2O、K2O都具有降低玻璃转移温度Tg同时使玻璃不易透明消失以及在低温玻璃化之效果。但是,R2O成分的合计含有量不到质量百分比3%的话效果不充分,相反超过质量百分比30%的话玻璃容易透明消失。因此,必须使R2O成分(Li2O、Na2O及K2O)的合计含有量在质量百分比3%到30%的范围。其中优选在质量百分比5%到20%之范围。
另外,Li2O的含有量如果超过质量百分比10%的话玻璃的耐久性恶化。因此,使Li2O的含有量在质量百分比0到10%(其中包括0)之范围。如果Na2O和K2O的含有量分别超过质量百分比20%的话折射率nd降低。因此,使Na2O和K2O的含有量分别在质量百分比0到20%的范围(其中包括0)。
TiO2是为了得到高折射率高色散之光学常数而不可少的成分,还具有防止玻璃透明消失和使之安定化之效果。但TiO2的含有量在质量百分比2%以下的话效果不充分,相反超过15%的话玻璃容易着色,且玻璃转移温度Tg上升。因此,必须使TiO2的含有量超过质量百分比2%但在15%以下。
CaO具有提高折射率且降低玻璃转移温度Tg之效果。但是CaO的含有量超过质量百分比15%的话玻璃变得不安定。因此,必须使CaO的含有量在质量百分比0到15%的范围(其中包括0)。其中,更优选在质量百分比0到10%的范围(其中包括0)。
BaO具有提高折射率nd和安定玻璃之效果。但BaO的含有量超过质量百分比32%的话难以维持高色散之特性。因此,必须使BaO的含有量在质量百分比0到32%的范围(其中包括0)。
SrO与BaO相同,具有提高折射率nd和安定玻璃之效果。但SrO的含有量超过质量百分比20%的话玻璃容易透明消失。因此,必须使SrO的含有量在质量百分比0到20%的范围(其中包括0)。
ZnO具有提高折射率nd且降低玻璃转移温度Tg之效果。但ZnO的含有量超过质量百分比15%的话玻璃容易透明消失。因此,必须使ZnO的含有量在质量百分比0到15%的范围(其中包括0)。
Bi2O3能够提高折射率且得到高色散之特性,还具有使玻璃转移温度Tg降低和使玻璃不易透明消失之效果。但Bi2O3的含有量达到质量百分比3%以上的话,玻璃容易附着于成型模具。因此,必须使Bi2O3的含有量在质量百分比0以上3%未满的范围(其中包括0)。
Nb2O5能够提高玻璃的折射率且得到高色散之特性,还具有提高玻璃耐久性之效果。但Nb2O5的含有量超过质量百分比50%的话玻璃容易透明消失,且玻璃的转移温度Tg升高。因此,必须使Nb2O5的含有量在质量百分比0到50%的范围(其中包括0)。其中,更优选在质量百分比0到40%的范围(其中包括0)。
WO3能够提高玻璃的折射率且得到高色散之特性。另外,具有使玻璃转移温度Tg降低之效果。但WO3的含有量达到质量百分比20%以上的话,玻璃容易附着于成型模具。因此,必须使WO3的含有量在质量百分比0以上20%未满的范围(其中包括0)。其中,更优选在质量百分比0以上到18%的范围(其中包括0)。
Sb2O3可以用于消除气泡和防止着色。本实施方式的光学玻璃中Sb2O3的含有量为质量百分比0到1%(其中包括0)。
另外,优选本实施方式的光学玻璃中,除了上述各成分以外,不含有一般光学玻璃中所使用的其他成分(例如SiO2、MgO、Y2O3、Al2O3、Ta2O5等)。但是,允许是不影响本实施方式光学玻璃特性程度的含有。此时,优选P2O5、Li2O、Na2O、K2O、TiO2、CaO、BaO、SrO、ZnO、Bi2O3、Nb2O5、WO3以及Sb2O3的合计含有量在质量百分比95%以上,更优选在质量百分比98%以上。
有关PbO、As2O3、TeO2以及氟化物,从考虑制造时的作业环境和确保作业人员的安全性之观点出发,优选不含任何一种成份。
模压成型
本实施方式的光学元件通过模压成型上述光学玻璃而制作,除了CD、DVD等的光拾取镜头、搭载于数字照相机和手机中的摄像用镜头、激光打印机等的准直透镜之外,还可以用作各种面镜和棱镜等。因为如上所述,本实施方式的光学玻璃具有适合于模压成型法的特性,所以能够通过模压成型法生产性良好且低成本地制造光学元件。
模压成型法可以是再加热方式也可以是直接模压方式,但用直接模压方式尤其能够以高生产性制造光学元件。以下,以直接模压方式为例,对用本实施方式的光学玻璃形成的光学元件的制造方法进行说明。
直接模压方式是在预先被加热到所定温度的成型模具上,从玻璃熔融槽介过滴下喷嘴滴下熔融玻璃滴,在滴下的熔融玻璃滴冷却固化期间,通过模压成型形成最终产品形状。
为了能够在光学元件上转印良好的光学面,预先将成型模具加热到所定温度。该温度根据所制造的光学元件的形状和大小等各种条件的不同而不同,但一般设定在光学玻璃的玻璃转移温度Tg附近(例如从Tg—50℃到Tg+50℃)。因此,通常是光学玻璃的玻璃转移温度Tg越高,则越需要提高成型模具的加热温度,成型模具的劣化厉害。从抑制成型模具劣化的观点出发,优选光学玻璃的玻璃转移温度Tg尽量低。本实施方式的光学玻璃因为玻璃转移温度Tg为54
0℃以下之非常低,所以能够有效地抑制成型模具的劣化,能够以高生产性制造光学元件。
成型模具的材料,可以从耐热合金(不锈钢等)、以碳化钨为主要成分的超硬材料、各种陶瓷(碳化硅、氮化硅、氮化铝等)、含碳的复合材料等用来加压成型玻璃光学元件的周知的成型模具材料中适当选择使用。也可以采用在上述材料的表面形成了各种金属、陶瓷、碳等保护膜的材料。
当蓄积在滴下喷嘴先端的熔融玻璃到达所定质量时,熔融玻璃滴从滴下喷嘴自然分离滴下。通常能够滴下0.1g到2g程度的熔融玻璃滴。
另外,也可以不使熔融玻璃滴从滴下喷嘴直接滴到成型模具上,而是使从滴下喷嘴滴下的熔融玻璃滴冲突到设有贯通细孔的部件上,使冲突的熔融玻璃滴的一部分作为微小滴,穿过贯通细孔后滴到成型模具上。这样能够制造例如0.001g~0.5g程度的微小光学元件。另外,可以通过改变贯通细孔的直径而不交换滴下喷嘴地调整熔融玻璃滴的质量,能够高效率地制造多种光学元件,所以优选。该方法在特开2002—154834号公报中有详细记载。
熔融玻璃滴滴到成型模具上后,通过上下一对成型模具对熔融玻璃滴进行模压成型得到光学元件。成型模具加压期间,熔融玻璃滴主要通过从与成型模据的接触面的放热而迅速冷却固化,成为光学元件。模压的负荷以及时间可以根据所制造的光学元件的尺寸等适当设定。通常认为模压负荷在200N~6000N的范围、模压时间在数秒~数十秒的范围较为合适。
实施例
以下,通过实施例对本实施方式作更具体的说明。但本发明不受这些实施例的任何局限。
制作了本实施方式合成范围内的光学玻璃7种(实施例1~7),以及本实施方式合成范围外的光学玻璃2种(比较例1、2)。表1中出示实施例1~7的玻璃合成,表2中出示比较例1、2的玻璃合成。比较例1、比较例2分别是上述专利文献1中记载的实施例29、专利文献2中记载的实施例5的确认分析试验。
表1
表2
首先,采用氧化物原料、碳酸盐原料、硝酸盐原料、磷酸盐原料等一般玻璃原料,按照表1、表2中所示玻璃合成调制玻璃原料,在粉末状态充分混合后作为调制原料。将调制原料投入被加热到900℃~1300℃的熔融槽,进行熔融、清澄、搅拌匀质化之后,铸入预先加热的铁制铸模,除冷后制造各个样品。
接下去,对各个制造的样品测定了折射率nd(对氦d线(波长587.5
6nm)的折射率)、阿贝数vd、玻璃转移温度Tg。测定结果一起出示在表1、表2中。
在此,折射率nd、阿贝数vd、玻璃转移温度Tg的测定按照由日本光学玻璃工业会规格(JOGIS)规定的试验方法进行。折射率nd和阿贝数vd采用カルニユ—光学工业社制造的测定装置「KPR—200」,对上述铸入铸模的玻璃以—50℃/小时的冷却速度徐冷到室温(25℃)后的样品进行测定。玻璃转移温度Tg采用セイコ—インスツルメンツ社制造的热机械性分析装置「TMA/SS6000」,以10℃/分的升温条件进行测定。
进一步用各种光学玻璃通过直接模压方式制作了两平形状的光学元件。图1(a)、1(b)是所使用的成型装置10的模式示意图。图1(a)表示熔融玻璃滴滴下中的状态。图1(b)表示模压时的状态。
熔融槽11内的熔融玻璃21通过搅拌棒13搅拌后均匀化。熔融槽11的下方连结着滴下喷嘴12,当其先端蓄积的熔融玻璃到达所定质量时,熔融玻璃滴从滴下喷嘴12自然分离滴下。使从滴下喷嘴12滴下的熔融玻璃滴22冲突设有贯通细孔17的板状部件14,由冲突的熔融玻璃滴22的一部分穿过贯通细孔17而得到的微小熔融玻璃滴23滴到下模具16上(图1(a))。之后,用上模具15以及下模具16对滴到下模具16上的滴下熔融玻璃滴23进行模压(图1(b)),由此制造光学元件24。
对实施例1~7以及比较例1、2的各种光学玻璃分别制作600个光学元件,对第300个制作的光学元件和第600个制作的光学元件的表面有无起雾进行了评价。评价是在暗室内通过透过光观察进行,以观察到起雾的光学元件为B,没有观察到起雾的光学元件为A。将评价结果一起出示在表1以及表2。
如表1所示,实施例1~7的光学玻璃都具有折射率nd为1.7~2.0、阿贝数vd为16~32之范围的光学常数。另外,玻璃转移温度Tg在540℃以下,进行了600个的模压,光学元件上也没有发生起雾,确认到了用模压成型法能够生产性良好地制造光学元件。
与此相反,如表2所示,比较例1、2的光学玻璃都在进行了300个模压时光学元件上发生了起雾。
Claims (5)
1.一种光学玻璃,其特征在于,
含有质量百分比15%~40%的P2O5、
质量百分比0~10%的Li2O、
质量百分比0~20%的Na2O、
质量百分比0~20%的K2O,
其中Li2O、Na2O及K2O的合计含有量为质量百分比3%~30%,
并且含有超过质量百分比2%但在质量百分比15%以下的TiO2、
质量百分比0~15%的CaO、
质量百分比0~32%的BaO、
质量百分比0~20%的SrO、
质量百分比0~15%的ZnO、
质量百分比0以上3%未满的Bi2O3、
质量百分比0~50%的Nb2O5、
质量百分比0以上20%未满的WO3、
质量百分比0~1%的Sb2O3,
并且不含B2O3。
2.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,不含PbO、As2O3、TeO2以及氟化物的任何一种成分。
3.如权利要求1所述的光学玻璃,其特征在于,具有折射率nd为1.7~2.0、阿贝数vd为16~32之范围的光学常数,玻璃转移温度Tg在540℃以下。
4.一种光学元件,由权利要求1所述的光学玻璃形成。
5.如权利要求4所述的光学元件,其特征在于,对滴到成型模具中的熔融玻璃滴进行模压成型来制造。
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