CN104341100A - 高折射高色散光学玻璃、光学元件及光学仪器 - Google Patents

高折射高色散光学玻璃、光学元件及光学仪器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光透过率优异的高折射高色散光学玻璃。高折射高色散光学玻璃，组分按重量百分比包含：SiO2：1～10%、B2O3：8～20%、La2O3：35～50%、Y2O3：0.1～5%、Gd2O3：7～20%、ZrO2：0～10%、TiO2：1～9%、Nb2O5：3～12%、ZnO：1～8%。本发明通过合理的组分配比，不含有易着色的W6+和Bi2O3，玻璃的着色度和光透过率优异，稳定性较好，得到了折射率为1.93～2.0、阿贝数为30～35的高折射高色散光学玻璃。

Description

高折射高色散光学玻璃、光学元件及光学仪器
技术领域
本发明涉及一种高折射高色散光学玻璃，特别是涉及一种折射率(nd)为1.93～2.0、阿贝数(vd)为30～35的高折射高色散光学玻璃，以及由该光学玻璃构成的预制件、光学元件和光学仪器。
背景技术
科技高速发展的今天，数码照相机、数码摄像机以及可拍照手机等设备越来越普及。以传统的单反相机为例，一个镜头里面就需要数片球面透镜，而通过使用高折射高色散光学玻璃加工成的非球面透镜，可以以一片代替数片球面透镜，大大减轻了镜头的重量。因此，市场对高折射高色散光学玻璃的需求就愈来愈大。
CN102161568公开了一种折射率为1.945～1.97、阿贝数为33～36的光学玻璃，其组分中含有大量的W6+，这使玻璃容易着色，玻璃光学透过率恶化。CN102459106公开了一种高折射高色散光学玻璃，其组分中含有相当大量的Bi2O3，大量的Bi2O3不仅会使玻璃着色，而且会显著降低玻璃的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光透过率优异的高折射高色散光学玻璃。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：高折射高色散光学玻璃，组分按重量百分比包含：SiO2：1～10％、B2O3：8～20％、La2O3：35～50％、Y2O3：0.1～5％、Gd2O3：7～20％、ZrO2：0～10％、TiO2：1～9％、Nb2O5：3～12％、ZnO：1～8％。
进一步的，还含有：Sb2O3：0～1％、R2O：0～3％，其中，R为Li、Na、K中的一种或几种，按GB/T7962.12-2010规定方法测量，10mm厚样品400nm处内透过率为80％及以上。
进一步的，其组成按重量百分比为：SiO2：1～10％、B2O3：8～20％、La2O3：35～50％、Y2O3：0.1～5％、Gd2O3：7～20％、ZrO2：0～10％、TiO2：1～9％、Nb2O5：3～12％、ZnO：1～8％、Sb2O3：0～1％、R2O：0～3％，其中，R为Li、Na、K中的一种或几种。
进一步的，其中：TiO2/(TiO2+ZnO)大于0.5，Y2O3/(Y2O3+La2O3+Gd2O3)小于0.1。
进一步的，其中：SiO2：3～6％。
进一步的，其中：B2O3：10～15％。
进一步的，其中：La2O3：38～46％。
进一步的，其中：Y2O3：1～3％。
进一步的，其中：Gd2O3：10～16％。
进一步的，其中：ZrO2：4～8％。
进一步的，其中：TiO2：5～9％。
进一步的，其中：Nb2O5：5～9％。
进一步的，其中：ZnO：1～5％。
进一步的，其中：TiO2/(TiO2+ZnO)大于0.7，Y2O3/(Y2O3+La2O3+Gd2O3)小于0.05。
进一步的，所述光学玻璃折射率为1.93～2.0，阿贝数为30～35。
进一步的，所述光学玻璃的密度按GB/T7962.20-2010规定方法测量，为5.20g/cm3以下；膨胀系数按GB/T7962.16-2010规定方法测量，为≤72×10-7/℃，；耐水作用稳定性DW为1级，耐酸作用稳定性DA为1级。
采用上述高折射高色散光学玻璃制成的玻璃预制件。
采用上述高折射高色散光学玻璃制成的光学元件。
采用上述高折射高色散光学玻璃制成的光学仪器。
本发明的有益效果是：通过合理的组分配比，不含有易着色的W6+和Bi2O3，玻璃的着色度和光透过率优异，稳定性较好，得到了折射率(nd)为1.93～2.0、阿贝数(vd)为30～35的高折射高色散光学玻璃。
具体实施方式
下面将描述本发明光学玻璃的各个组分，除非另有说明，各个组分含量的比值是用重量％表示。
B2O3是玻璃网络生成体氧化物，是构成玻璃网络的必须成分，尤其是在高折射镧系玻璃中，B2O3是得到稳定玻璃的主要成分。当B2O3含量低于8％时，玻璃的熔化性能变坏，耐失透性能不理想；当B2O3含量高于20％，玻璃的折射率达不到设计目标，因此，B2O3的含量限定为8～20％，优选为10～15％。
SiO2也是形成玻璃的网络生成体氧化物，加入一定量SiO2，可以增大玻璃的高温粘度，提高玻璃的耐失透性和化学稳定性。当其含量低于1％时，玻璃的生产工艺性能差；若其含量超过10％，则玻璃的折射率下降，耐失透性能变差，因此，SiO2的含量范围为1～10％，优选为3～6％。
La2O3是提高玻璃折射率的有效成分，对改善玻璃的化学稳定性和耐失透性效果显著，但其含量不足35％时，达不到所需的光学常数；若含量高于50％，则失透倾向反而增大，因此，La2O3的含量限定为35～50％，优选为38～46％。
Y2O3可以提高玻璃的折射率和耐失透性，还可以调整玻璃的光学常数并改善析晶性能，但当其含量超过5％时，耐失透性明显变差，因此，Y2O3含量为0.1～5％，优选为1～3％。
Gd2O3可以增加玻璃的折射率和化学稳定性，用一定量的Gd2O3与La2O3混熔，可以有效地提高玻璃的耐失透性能。但Gd2O3含量低于7％时，效果不明显；当Gd2O3含量高于20％时，反而会使玻璃的耐失透性能恶化，因此，Gd2O3的含量限定为7～20％，优选为10～16％。
本发明人研究发现，通过合理调整Y2O3、La2O3和Gd2O3在玻璃中的含量和配比，在提高了玻璃折射率的同时，还能明显改善玻璃的化学稳定性，因此，Y2O3/(Y2O3+La2O3+Gd2O3)优选小于0.1，Y2O3/(Y2O3+La2O3+Gd2O3)更优选小于0.05。
ZrO2能提高光学玻璃的粘度、硬度、弹性、折射率和化学稳定性，并可以降低玻璃的热膨胀系数。当ZrO2的含量超过10％时，将出现析晶现象，并且降低玻璃的抗失透性，因此，ZrO2的含量为0～10％，优选为4～8％。
TiO2可以使玻璃具有高折射率，但含量过高会大大降低色散系数并且增加析晶倾向，甚至会使玻璃明显着色，因此，TiO2含量限定为1～9％，优选为5～9％。
Nb2O5是用于获得本发明的高折射和高色散性能的必要组分，其也是一种提高玻璃化学耐久性的组分。当Nb2O5的含量小于3％时，光学常数达不到设计要求；而当其含量超过12％时，玻璃的抗失透性降低，因此，Nb2O5的含量限定为3～12％，优选为5～9％。
ZnO能降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的化学稳定性、热稳定性和折射率，还可以降低玻璃的析晶倾向。当ZnO的含量超过8％时，玻璃的失透性增大；当ZnO的含量低于1％时，玻璃的转变温度升高，因此，ZnO的含量限定为1～8％，优选为1～5％。在本玻璃中，TiO2和ZnO的含量和配比，将直接影响到玻璃的着色度和光透过率，要想获得预期的光透过率及着色度，优选TiO2/(TiO2+ZnO)大于0.5，更优选TiO2/(TiO2+ZnO)大于0.7。
R2O(R为Li、Na、K中的一种或几种)可以改善玻璃的稳定性和熔融性能，但引入过多会加剧玻璃的分相趋势，因此，其含量为0～3％，优选为不加入。
Sb2O3在本发明中作为澄清剂使用，其含量限定为0～1％，优选为不加入。
下面将描述本发明的光学玻璃的性能：
密度按照按《GB/T7962.20-2010无色光学玻璃测试方法密度测试方法》测试。
折射率与阿贝数按照《GB/T7962.1-2010无色光学玻璃测试方法折射率和色散系数》测试。测得本发明的高折射高色散光学玻璃折射率(nd)为1.93～2.0、阿贝数(vd)为30～35。
热膨胀系数α按GB/T7962.16-2010规定的方法测量温度为20～120℃的平均值。
10mm厚样品400nm处内透过率(以下以τ400nm表示)按GB/T7962.12-2010规定方法测量。
耐水作用稳定性DW(粉末法)按GB/T17129的测试方法，根据下式计算：
DW＝(B-C)/(B-A)*100
式中：DW-玻璃浸出百分数(％)
      B-过滤器和试样的质量(g)
      C-过滤器和侵蚀后试样的质量(g)
      A-过滤器质量(g)
由计算得出的浸出百分数，将光学玻璃耐水作用稳定DW分为6类见下表。
类别 1 2 3 4 5 6
浸出百分数(DW) ＜0.04 0.04-0.10 0.10-0.25 0.25-0.60 0.60-1.10 ＞1.10
耐酸作用稳定性DA(粉末法)按GB/T17129的测试方法，根据下式计算：
DA＝(B-C)/(B-A)*100
式中：DA-玻璃浸出百分数(％)
      B-过滤器和试样的质量(g)
      C-过滤器和侵蚀后试样的质量(g)
      A-过滤器质量(g)
由计算得出的浸出百分数，将光学玻璃耐酸作用稳定DA分为6类见下表：
类别 1 2 3 4 5 6
浸出百分数(DA) ＜0.20 0.20-0.35 0.35-0.65 0.65-1.20 1.20-2.20 ＞2.20
经过测试，本发明的光学玻璃具有以下性能：折射率(nd)为1.93～2.0，阿贝数(vd)为30～35，密度(ρ)为5.20g/cm3以下，膨胀系数(α)≤72×10-7/℃，τ400nm为80％及以上，耐水作用稳定性DW(粉末法)为1级，耐酸作用稳定性DA(粉末法)为1级。
本发明还提供一种光学预制件和光学元件，由上述光学玻璃按照本领域技术人员熟知的方法形成。由于所述的光学玻璃具有高折射率和高色散，因此所述光学元件也具有高折射率和高色散，可以应用于数码照相机、数字摄像机、照相手机等设备。
实施例
为了进一步了解本发明的技术方案，现在将描述本发明光学玻璃的实施例。应该注意到，这些实施例没有限制本发明的范围。
表1～表3中显示的光学玻璃(实施例1～30)是通过按照表1～表3所示各个实施例的比值称重并混合光学玻璃用普通原料(如氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐等)，将混合原料放置在铂金坩埚中，在一定的温度内熔融，并且经熔化、澄清、搅拌和均化后，得到没有气泡及不含未溶解物质的均质熔融玻璃，将此熔融玻璃在模具内铸型并退火而成。
本发明实施例1～30的组成与折射率(nd)、阿贝数(vd)、密度(ρ)、膨胀系数(α)、τ400nm的结果一起在表1～表3中表示。在这些表中，各个组分的组成是用重量％表示的。
表1
表2
表3
从以上实施例可以看出，本发明光学玻璃的折射率(nd)为1.93～2.0，阿贝数(vd)为30～35，密度(ρ)为5.20g/cm3以下，膨胀系数(α)≤72×10-7/℃，τ400nm为80％及以上，耐水作用稳定性DW(粉末法)为1级，耐酸作用稳定性DA(粉末法)为1级，适于广泛应用在数码照相机、数码摄像机以及可拍照手机等设备中。

Claims (19)

1.高折射高色散光学玻璃，其特征在于：其组成按重量百分比包含：SiO2：1～10%、B2O3：8～20%、La2O3：35～50%、Y2O3：0.1～5%、Gd2O3：7～20%、ZrO2：0～10%、TiO2：1～9%、Nb2O5：3～12%、ZnO：1～8%。
2.如权利要求1所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：还含有：Sb2O3：0～1%、R2O：0～3%，其中，R为Li、Na、K中的一种或几种,按GB/T7962.12-2010规定方法测量，10mm厚样品400nm处内透过率为80%及以上。
3.如权利要求1所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：其组成按重量百分比为：SiO2：1～10%、B2O3：8～20%、La2O3：35～50%、Y2O3：0.1～5%、Gd2O3：7～20%、ZrO2：0～10%、TiO2：1～9%、Nb2O5：3～12%、ZnO：1～8%、Sb2O3：0～1%、R2O：0～3%，其中，R为Li、Na、K中的一种或几种。
4.如权利要求1～3任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：TiO2/(TiO2+ZnO)大于0.5，Y2O3/(Y2O3+La2O3+Gd2O3)小于0.1。
5.如权利要求1～3任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：其中：SiO2：3～6%。
6.如权利要求1～3任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：其中：B2O3：10～15%。
7.如权利要求1～3任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：其中：La2O3：38～46%。
8.如权利要求1～3任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：其中：Y2O3：1～3%。
9.如权利要求1～3任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：其中：Gd2O3：10～16%。
10.如权利要求1～3任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：其中：ZrO2：4～8%。
11.如权利要求1～3任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：其中：TiO2：5～9%。
12.如权利要求1～3任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：其中：Nb2O5：5～9%。
13.如权利要求1～3任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：其中：ZnO：1～5%。
14.如权利要求1～3任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：TiO2/(TiO2+ZnO)大于0.7，Y2O3/(Y2O3+La2O3+Gd2O3)小于0.05。
15.如权利要求1～14任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：所述光学玻璃折射率为1.93～2.0，阿贝数为30～35。
16.如权利要求1～14任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于：所述光学玻璃的密度按GB/T7962.20-2010规定方法测量，为5.20g/cm3以下；膨胀系数按GB/T7962.16-2010规定方法测量，为≤72×10-7/℃；耐水作用稳定性DW为1级，耐酸作用稳定性DA为1级。
17.采用权利要求1～16中任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃制成的玻璃预制件。
18.采用权利要求1～16中任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃制成的光学元件。
19.采用权利要求1～16中任一权利要求所述的高折射高色散光学玻璃制成的光学仪器。
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