CN109231820A - 光学玻璃及其制备方法和光学元件 - Google Patents

光学玻璃及其制备方法和光学元件 Download PDF

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CN109231820A CN201811456307.7A CN201811456307A CN109231820A CN 109231820 A CN109231820 A CN 109231820A CN 201811456307 A CN201811456307 A CN 201811456307A CN 109231820 A CN109231820 A CN 109231820A
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徐华峰
姜敬陆
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Abstract

本发明提供一种光学玻璃及其制备方法和光学元件。所述光学玻璃包括：SiO2：48～57％，优选为50～55％；B2O3：10～20％，优选为10～17％；Al2O3：0～0.9％，优选为0～0.5％；K2O：10～24％，优选为11～22％；Na2O：0～5％，优选为0～4％；F：7～15％，优选为8～14％；∑(SiO2+B2O3)：60～75％，优选为62～74％；∑(K2O+Na2O)：10～24％，优选为15～22％；上述百分比均为重量百分比。本发明的光学玻璃及光学元件具有高的可见光透过率，同时还具有良好的工艺性能和稳定性，能够消除现有的光学玻璃的熔制温度高的缺陷，另外还具有较低的相对研磨硬度，使用时玻璃表面不容易出现影响透光性和成像质量的划痕。

Description

光学玻璃及其制备方法和光学元件
技术领域
本发明涉及一种光学玻璃及其制备方法和光学元件，属于光学玻璃领域。
背景技术
折射率(nd)1.45～1.51、阿贝数(υd)65～72范围内的光学玻璃在光学***中可以消除二级光谱特殊色散，提高分辨率，改善光学***的成像质量可以通过精密模压制成非球面透镜，能够更好地复消色差，消除球差、像差，减少***体积和重量等。已被广泛应用在数码相机、高清监控、天文望远镜等高精密、高分辨率的光学仪器组合透镜中，成为具有潜在市场前景的光电材料。
专利文件CN102260043A提供了一种折射率nd在1.50以上，阿贝数υd在70～78范围内的磷酸盐光学光学玻璃。该光学玻璃的磨耗度较大，会导致玻璃易划伤，不利于光学元件的生产制作。
专利文件CN101300202A提供了一种折射率nd为1.45～1.65，阿贝数υd为65～80的光学玻璃，其中按质量百分比含有73～85％的P2O5，相对研磨硬度高于300，使用时玻璃表面易出现影响透光性和成像质量的划痕，给光学元件的批量化工业生产及应用带来了不便利。
专利文件CN100430330C提供了一种射率nd为1.46-1.58、阿贝数υd为65-74的光学玻璃中，按摩尔％计含有45-65％的P2O5。其相对研磨硬度高于300，使用时玻璃表面易出现影响透光性和成像质量的划痕，给光学元件的批量化工业生产及应用带来了不便利。
专利文件CN105585245A提供了一种折射率nd在1.48～1.52以上，阿贝数υd在63～70范围内的光学玻璃，其组分中以重量百分比计含有60～75％的SiO2和1～8％的Al2O3。高熔点的SiO2和Al2O3含量超过60％，导致玻璃熔制过程中原料熔化困难，所用的能量过高，不利于节能。
发明内容
发明要解决的问题
鉴于现有技术中存在的技术问题，本发明首先提供一种折射率nd在1.45～1.51之间、阿贝数υd在65～72之间的光学玻璃。该光学玻璃具有高的可见光透过率，同时还具有良好的工艺性能和稳定性，能够消除现有的光学玻璃的熔制温度高的缺陷。另外，本发明的光学玻璃还具有较低的相对研磨硬度，使用时玻璃表面不容易出现影响透光性和成像质量的划痕。
进一步地，本发明还提供一种原料易于获取、简单易行的光学玻璃的制备方法。
另外，本发明还提供一种含有本发明的光学玻璃的光学元件。
用于解决问题的方案
本发明提供一种光学玻璃，其其包含以化合物计的以下组分：
SiO2：48～57％，优选为50～55％；
B2O3：10～20％，优选为10～17％；
Al2O3：0～0.9％，优选为0～0.5％；
K2O：10～24％，优选为11～22％；
Na2O：0～5％，优选为0～4％；
F：7～15％，优选为8～14％；
∑(SiO2+B2O3)：60～75％，优选为62～74％；
∑(K2O+Na2O)：10～24％，优选为15～22％；
上述百分比均为重量百分比。
根据本发明的光学玻璃，其中，以化合物计，所述SiO2的加入量为52～55％；和/或，所述B2O3的加入量为12～17％；和/或，所述Al2O3的加入量为0～0.2％；和/或，所述K2O的加入量为14～21％；和/或，所述Na2O的加入量为0～3％；和/或，所述F的加入量为9～13％；和/或，所述∑(SiO2+B2O3)的加入量为62～72％；和/或，所述∑(K2O+Na2O)的加入量为17～21％；上述百分比均为重量百分比。
根据本发明的光学玻璃，其中，以化合物计，所述SiO2的加入量为53～54％；和/或，所述B2O3的加入量为13～15％；和/或，所述Al2O3的加入量为0～0.1％；和/或，所述K2O的加入量为16～20％；和/或，所述Na2O的加入量为0～2％；和/或，所述F的加入量为10～12％；和/或，所述∑(SiO2+B2O3)的加入量为65～70％；和/或，所述∑(K2O+Na2O)的加入量为18～20％；上述百分比均为重量百分比。
根据本发明的光学玻璃，其中，所述光学玻璃不含有Li2O。
根据本发明的光学玻璃，其中，所述光学玻璃的折射率nd在1.45～1.51之间，阿贝数υd在65～72之间。
根据本发明的光学玻璃，其中，温度在20～300℃之间时，所述光学玻璃的线膨胀系数小于100×10～7/℃。
根据本发明的光学玻璃，其中，所述光学玻璃的相对研磨硬度为100～130。
根据本发明的光学玻璃，其中，所述光学玻璃的弛垂温度不高于570℃，模压温度不高于610℃；和/或，
所述光学玻璃的析晶上限温度LT在950℃以下，析晶下限温度LCT在650以上。
本发明还提供一种根据本发明的光学玻璃的制备方法，其中，包括将各组分按照比例称量、混合均匀后进行熔炼，然后浇注或漏注在成型模具中成型，或者直接压制成型。
本发明还提供一种光学元件，其包括根据本发明的光学玻璃。
发明的效果
本发明的光学玻璃及光学元件具有高的可见光透过率，同时还具有良好的工艺性能和稳定性，能够消除现有的光学玻璃的熔制温度高的缺陷。另外本发明的光学玻璃还具有较低的相对研磨硬度，使用时玻璃表面不容易出现影响透光性和成像质量的划痕。
进一步地，本发明的光学玻璃的制备方法的原料易于获取，简单易行，且适合批量生产。
具体实施方式
以下将详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、器材和步骤未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
本发明提供一种光学玻璃，其特征在于，其包含以化合物计的以下组分：
SiO2：48～57％，优选为50～55％；
B2O3：10～20％，优选为10～17％；
Al2O3：0～0.9％，优选为0～0.5％；
K2O：10～24％，优选为11～22％；
Na2O：0～5％，优选为0～4％；
F：7～15％，优选为8～14％；
∑(SiO2+B2O3)：60～75％，优选为62～74％；
∑(K2O+Na2O)：10～24％，优选为15～22％；
上述百分比均为重量百分比。
在本发明中，原料引入方式采用能够引入其相应含量的化合物的多种形式，例如K2O可以采用碳酸盐、硝酸盐形式引入，F可以采用氟硅酸盐、氟化物的形式引入。如下所述中，各组分的含量是以重量百分比来表示的。
SiO2是本发明中必须含有的组分，是玻璃的网络形成体，主要提高玻璃的耐失透性和化学稳定性。为达到上述效果，以化合物计，如果SiO2含量小于48％，会降低玻璃中的桥氧含量，不利于玻璃的形成，难以获得所要求的光学常数；SiO2含量高于57％，会导致玻璃的弛垂温度上升，模压性能恶化。因此，SiO2的含量控制在48～57％的范围内，优选在50～55％的范围内，更优选在52～55％的范围内，特别优选在53～54％的范围内。
B2O3是本发明的网络形成体，与SiO2一起构成玻璃的网络，能够将断裂的硅氧四面体连接形成杂化的玻璃结构，提高玻璃生产特性，是保持玻璃稳定性的必需成分。同时，B2O3具有降低玻璃的熔融性能、降低高温粘度利于气泡的消除。特别是B2O3的引入，能够提高F在玻璃中的熔入量。通过大量的试验发现：当B2O3含量低于10％时，玻璃熔融性能差，且玻璃的Ts温度高于600℃；但是B2O3含量高于20％时，玻璃稳定性反而变差。因此，B2O3的含量控制在10～20％的范围内，优选在10～17％的范围内，更优选在12～17％的范围内，特别优选在13～15％的范围内。
在本发明中，∑(SiO2+B2O3)的含量对光学玻璃的性能有很大的影响。以化合物计，当∑(SiO2+B2O3)的含量小于60％时，光学玻璃的熔融性和稳定性变差；当∑(SiO2+B2O3)的含量大于75％时，光学性能不在本发明的范围内。因此，在本发明中，∑(SiO2+B2O3)的含量控制在60～75％的范围内，优选在62～74％的范围内，更优选在62～72％的范围内，特别优选在65～70％的范围内。
在本发明中，少量引入Al2O3，可以夺取非桥氧形成「AlO4」，进入硅氧网络，把断网连接起来，使玻璃结构趋于紧密，从而降低了玻璃的结晶倾向。并且，少量引入Al2O3还能够抑制分相，同时提高玻璃的化学稳定性，热稳定性，机械强度等性能。但是，Al2O3会降低玻璃的导热性，其引入量过多不利于模压制作光学元件。因此，Al2O3的含量控制在0～0.9％的范围内，优选在0～0.5％的范围内，更优选在0～0.2％的范围内，特别优选在0～0.1％的范围内，进一步优选不含Al2O3。
K2O属于碱金属氧化物，加入玻璃后能起到助熔的作用。当碱金属氧化物加入玻璃中后，会打断玻璃形成体的网络结构，降低玻璃高温粘度，使澄清和均化变得更加容易，从而达到降低玻璃的生产难度的作用，同时可以增加玻璃的透明度和光泽度，降低玻璃的弛垂温度。但是当K2O含量大于24％时，玻璃形成体的网络结构被打断以后，玻璃的耐化学稳定性和抗析晶性能均会有所下降。因此，K2O的含量控制在10～24％的范围内，可以在11～22％的范围内，可以在14～21％的范围内，可以在16～20％的范围内；也可以在15～22％的范围内，可以在17～21％的范围内，可以优选在18～20％的范围内。
本发明的光学玻璃属于高SiO2且含有F的***，本发明的发明人通过大量的试验发现：本发明不能通过引入小分子碱金属氧化物Li2O来降低玻璃的驰垂温度Ts。以重量百分比计，在采用0.2％的Li2O替代0.2％的K2O时、采用2％采的Li2O替代2％的K2O时，以及采用5％采的Li2O替代5％的K2O时，Li+会产生积聚作用，玻璃的析晶温度明显提高，随着Li2O替代K2O量的增加，玻璃的析晶温度越来越高。因此，在本申请中优选不含有Li2O。
另外，以重量百分比计，一般而言，可以使用Na2O替代K2O来降低玻璃的驰垂温度Ts，但是Na2O的加入量不能超过5％(K2O的加入量减少5％)，当Na2O的加入量超过5％时，玻璃析晶性能也会恶化。在本发明中，在采用Na2O的加入量不超过5％时，虽然不影响玻璃的析晶性能，但是会增大玻璃的膨胀系数。因此，在本发明中，Na2O的加入量可以控制在0～5％的范围内，优选在0～4％的范围内，更优选在0～3％的范围内，特别优选在0～2％的范围内。
另外，在本发明中，∑(K2O+Na2O)的含量可以控制在10～24％的范围内，优选在15～22％的范围内，更优选在17～21％的范围内，特别优选在18～20％的范围内。
F在本发明的光学玻璃中主要是提高阿贝数的作用。为了得到本发明的阿贝数，F的含量控制在7～15％，优选8～14％，更有9～13％，特别优选10～12％。
作为优选，所述光学玻璃优选不含有Na2O、BaO和Li2O。
本发明的光学玻璃的折射率nd在1.45～1.51之间，阿贝数υd在65～72之间。温度在20～300℃之间时，所述光学玻璃的线膨胀系数小于100×10～7/℃。所述光学玻璃的相对研磨硬度为100～130。所述光学玻璃的弛垂温度不高于570℃，模压温度不高于610℃。所述光学玻璃的析晶上限温度LT在950℃以下，析晶下限温度LCT在650℃以上。本发明的光学玻璃还克服了比弛垂温度点高30～40℃、加压力不超过250kgf、经50～100秒模压制作以内的镜片外观有蓝雾的缺陷。
本发明的光学玻璃的伸缩率低，有利于模压镜片尺寸的控制。光学玻璃具有高的可见光透过率，同时还具有良好的工艺性能和稳定性，能够消除现有的光学玻璃的熔制温度高的缺陷。使用时玻璃表面不容易出现影响透光性和成像质量的划痕。
本发明还提供一种光学元件，包括本发明的光学玻璃。本发明的光学玻璃或光学元件能够实现批量化工业生产及应用。
本发明还提供一种根据本发明的光学玻璃或光学元件的制备方法，包括将各组分按照比例称量、混合均匀后进行熔炼，然后浇注或漏注在成型模具中成型，或者直接压制成型。
本发明还提供一种光学元件，其包括根据本发明的光学玻璃。
具体地，分别按规定的比例称取，混合成配合料后，投入铂金坩埚中进行熔炼，在1250-1350℃的温度下搅拌、熔融，搅拌时间控制在2～4h。搅拌均匀后，并浇注在成型模具中，最后经退火并冷却后加工得到本发明的光学玻璃或光学元件。
实施例
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
将表1、表2和表3中的实施例1～10及比较例1～5的各组分按比例称量、混合均匀后制成配合料，并将制成的配合料投入铂坩埚中，在1350℃的温度下搅拌、熔融，搅拌时间控制在3.5h。然后浇注至成型模具中成型，冷却后即可制得本发明的光学玻璃。
性能测试
1、折射率nd、阿贝数υd
按照GB/T7962.11的测试方法对所得光学玻璃进行折射率nd、阿贝数υd进行测定，表中所列nd、υd为-25℃退火后的数据。
2、玻璃驰垂温度Ts与线膨胀系数α20～300
采用美国PE公司的TMA测试仪按GB/T7962.16规定的方法测定玻璃的弛垂温度Ts及20～300℃的线膨胀系数α20～300。
3、相对研磨硬度FA
相对研磨硬度指同等研磨条件下，被测玻璃样品相对于标准玻璃H～K9样品的研磨硬度。测定被测玻璃试样的体积研磨量与标准玻璃H～K9样品的体积研磨量，被测玻璃样品的体积研磨量与标准玻璃H～K9样品之比的100倍为被测玻璃样品的相对研磨硬度FA。
被测玻璃样品和标准玻璃H～K9样品的体积研磨量的具体测试方法是：
将同尺寸的被测玻璃样品和标准玻璃H～K9样品用夹具固定在特定型号的铸铁研磨盘上，分别在被测玻璃样品和标准玻璃H～K9样品上施加1Kg的压力，然后加入固定比例的40号金刚砂与水的悬浮液，让研磨盘以60～65转/分的速度进行旋转研磨试样，研磨时间为3分钟。研磨结束后测定标准玻璃H～K9样品与被测玻璃样品的研磨重量损失，并折算为成体积研磨量。
具体计算公式为：FA＝V/V0×100＝(W/ρ)/(W0/ρ0)×100，
式中：W0表示标准试样H～K9的研磨重量损失(单位：g)；
ρ0表示标准试样H～K9的密度(单位：g/cm3)；
W表示被测玻璃样品的研磨重量损失(单位：g)；
ρ0表示被测玻璃样品的密度(单位：g/cm3)。
4、模压镜片外观的检验
将实施例1-10和比较例1-5的光学玻璃制作成的光洁度为60/40的小球，放在模具中比弛垂温度点高30～40℃的温度下、加压力200～250kgf、经50～100秒模压制作口径为以内的镜片，检查镜片外观有无蓝雾和/或表面弊病。
蓝雾的判定：黑色背景下，采用27W日光灯，在透射光下转动镜片，看到蓝色即为蓝雾，如无则没有蓝雾。
表面弊病：黑色背景下，采用27W日光灯，在反射光下观察被检镜片，对比被检镜片与限度样品进行外观的判定。用一般表面缺陷和长划痕共同衡量表面弊病。
一般表面缺陷用5/N×A表示。其中5是表面缺陷的代码，N×A是允许缺陷程度，N为允许最大缺陷数量，A为最大允许缺陷面积的平方根。
长划痕用LN×A表示。其中L是长划痕的代码，N是允许长划痕的数量，A是划痕的最大允许宽度。
5、密度ρ
按照GB/T7962.20的测试方法对所得光学玻璃的密度进行测定。
6、析晶上限温度LT和析晶下限温度LCT
采用日本本山公司的GM-N16P型梯度炉进行析晶上限温度LT和析晶下限温度LCT的测试。
实施例1-10
表1：实施例1～5的玻璃组分及性能参数
表2
表3：比较例1～5的玻璃组分及性能参数
本发明的光学玻璃的折射率nd在1.45～1.51之间，阿贝数υd在65～72之间。温度在20～300℃之间时，所述光学玻璃的线膨胀系数小于100×10～7/℃。所述光学玻璃的相对研磨硬度为100～130。弛垂温度不高于570℃，模压温度不高于610℃，析晶上限温度LT不高于950℃，析晶下限温度LCT不低于650℃。本发明的光学玻璃在比弛垂温度点高30～40℃、加压力不超过250kgf、经50～100秒模压制作以内的镜片外观无蓝雾，且表面弊病能够达到5/3×0.16和L2×0.16，满足光学零件的要求。
比较例1-3以及比较例5的光学玻璃的相对研磨硬度高于130。
比较例1的光学玻璃在弛垂温度点高30～40℃、加压力不超过250kgf、经50～100秒模压制作以内的镜片外观有蓝雾，且容易产生表面弊病。
比较例2的光学玻璃弛垂温度点高于570℃，模压温度高于610℃。在弛垂温度点高30～40℃、加压力不超过250kgf、经50～100秒模压制作以内的镜片外观虽然无蓝雾，但其表面缺陷出现了5个0.16mm2的麻点，容易产生表面弊病，不利于光学元件的批量化工业生产。
比较例3的光学玻璃弛垂温度点高于570℃，模压温度高于610℃。在弛垂温度点高30～40℃、加压力不超过250kgf、经50～100秒模压制作以内的镜片外观有蓝雾。
比较例4的光学玻璃在模压温度达到610℃。在弛垂温度点高30～40℃、加压力不超过250kgf、经50～100秒模压制作以内的镜片外观时仍有蓝雾。
比较例5的光学玻璃在弛垂温度点高30～40℃、加压力不超过250kgf、经50～100秒模压制作以内的镜片外观无蓝雾，但是镜片一般表面缺陷出现了8个0.16mm2的麻点和3个宽度0.016mm的划痕，容易产生表面弊病，不利于光学元件的批量化工业生产。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学玻璃，其特征在于，其包含以化合物计的以下组分：
SiO2：48～57％，优选为50～55％；
B2O3：10～20％，优选为10～17％；
Al2O3：0～0.9％，优选为0～0.5％；
K2O：10～24％，优选为11～22％；
Na2O：0～5％，优选为0～4％；
F：7～15％，优选为8～14％；
∑(SiO2+B2O3)：60～75％，优选为62～74％；
∑(K2O+Na2O)：10～24％，优选为15～22％；
上述百分比均为重量百分比。
2.根据权利要求1所述的光学玻璃，其特征在于，以化合物计，所述SiO2的加入量为52～55％；和/或，所述B2O3的加入量为12～17％；和/或，所述Al2O3的加入量为0～0.2％；和/或，所述K2O的加入量为14～21％；和/或，所述Na2O的加入量为0～3％；和/或，所述F的加入量为9～13％；和/或，所述∑(SiO2+B2O3)的加入量为62～72％；和/或，所述∑(K2O+Na2O)的加入量为17～21％；上述百分比均为重量百分比。
3.根据权利要求2所述的光学玻璃，其特征在于，以化合物计，所述SiO2的加入量为53～54％；和/或，所述B2O3的加入量为13～15％；和/或，所述Al2O3的加入量为0～0.1％；和/或，所述K2O的加入量为16～20％；和/或，所述Na2O的加入量为0～2％；和/或，所述F的加入量为10～12％；和/或，所述∑(SiO2+B2O3)的加入量为65～70％；和/或所述∑(K2O+Na2O)的加入量为18～20％；上述百分比均为重量百分比。
4.根据权利要求1-3任一项所述的光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃不含有Li2O。
5.根据权利要求1-4任一项所述的光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃的折射率nd为1.45～1.51，阿贝数υd为65～72。
6.根据权利要求1-5任一项所述的光学玻璃，其特征在于，温度在20～300℃之间时，所述光学玻璃的线膨胀系数小于100×10～7/℃。
7.根据权利要求1-6任一项所述的光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃的相对研磨硬度为100～130。
8.根据权利要求1-7任一项所述的光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃的弛垂温度不高于570℃，模压温度不高于610℃；和/或，
所述光学玻璃的析晶上限温度LT在950℃以下，析晶下限温度LCT在650以上。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的光学玻璃的制备方法，其特征在于，包括将各组分按照比例称量、混合均匀后进行熔炼，然后浇注或漏注在成型模具中成型，或者直接压制成型。
10.一种光学元件，其特征在于，包括根据权利要求1-8任一项所述的光学玻璃。
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