精密模压用光学玻璃.pdf

本发明提供一种易熔制的精密模压用光学玻璃，玻璃折射率为1.65-1.70，色散系数为50-60，玻璃转变温度小于540℃，析晶上限温度小于1050℃，密度小于3.4g/cm3，其重量百分比组成为：SiO2：10-25％、B2O3：25-35％、La2O3：12-22％、CaO：5-18％、Li2O：1-8％、Gd2O3+Yb2O3+Y2O3：0-8％、ZnO：0-8％、ZrO2：0-5％、Al2O3：0-1％、SnO：0-0.5％、Sb2O3：0-0.1％、Ta2O5+WO3+Nb2O5+TiO2＜2％。本发明通过合理设定玻璃组分，抑制了玻璃熔制过程中挥发及分相趋势，降低了光学玻璃制造难度；本发明的折射率为1.65-1.70，色散系数为50-60，转变温度低于540℃，析晶上限温度小于1050℃，玻璃密度小于3.4g/cm3，适用于精密模压成型。由本发明提供的光学玻璃制作的光学元件适用于成像系统、数字投影、医疗技术、光刻术、晶片/芯片等技术领域。

权利要求书

精密模压用光学玻璃
技术领域
本发明涉及一种精密模压用光学玻璃，特别是涉及一种折射率(n_d)为1.65-1.70、色散系数(v_d)为50-60，转变温度(Tg)在540℃以下的光学玻璃。
背景技术
精密模压成型技术是近年发展起来的一项光学零件制造技术，该技术直接对玻璃进行压型形成光学功能面，有别于研磨、抛光的方法，能制造具有复杂曲面的光学零件，可减少构成光学系统的透镜枚数，满足光学系统轻量化的需求。因此，通过精密模压成型制造非球面透镜的方法成为主流，用于精密模压的低软化点玻璃的需求不断加大。
在精密压力成型中使用的玻璃及预型材应具有尽可能低的转变温度，光学玻璃的转变温度越低，加压成型时玻璃的加热温度就越低，就会缩短玻璃升温和降温的时间，提高生产效率，同时降低模具的工作温度，延长其寿命。玻璃化转变温度一旦超过630℃，就难于实现精密压力成型。另外精密压力成型还要求玻璃的析晶上限温度要低，使得玻璃在模压时不析晶，同时为满足光学系统轻量化需求，玻璃的密度也要尽量小。
用于非球面透镜的光学玻璃，要求具有各种光学常数，近年来，折射率为1.65-1.70、色散系数为50-60的光学玻璃需求较大。CN1903762A公开了此类光学玻璃，其玻璃组分中含有过多的B₂O₃、Li₂O，加剧了玻璃制造过程中的挥发及分相趋势，容易引起玻璃的光学常数波动，产生条纹，导致制造工艺的复杂化，带来制造成本的上升。CN1666967A也公开了此类光学玻璃，但玻璃转变温度偏高，达到550-630℃，精密模压成型的经济性较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种易熔制的精密模压用光学玻璃，折射率为1.65-1.70、色散系数为50-60、玻璃转变温度在540℃以下。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：精密模压用光学玻璃，所述玻璃折射率为1.65-1.70，色散系数为50-60，玻璃转变温度小于540℃，析晶上限温度小于1050℃，密度小于3.4g/cm³。
进一步的，其重量百分比组成为：SiO₂：10-25％、B₂O₃：25-35％、La₂O₃：12-22％、CaO：5-18％、Li₂O：1-8％、Gd₂O₃+Yb₂O₃+Y₂O₃：0-8％、ZnO：0-8％、ZrO₂：0-5％、Al₂O₃：0-1％、SnO：0-0.5％、Sb₂O₃：0-0.1％、Ta₂O₅+WO₃+Nb₂O₅+TiO₂<2％。
进一步的，其中SiO₂：12-22％、B₂O₃：27-33％、La₂O₃：15-22％。
进一步的，其中CaO：8-15％、Li₂O：3-7％。
进一步的，其中Y₂O₃：2-8％、ZnO：2-8％。
进一步的，其中CaO：8-15％、Li₂O：3-7％、Y₂O₃：2-8％、ZnO：2-8％。
进一步的，其中CaO：8-15％、Li₂O：3-7％、Y₂O₃：2-8％、ZnO：2-8％、ZrO₂：0.5-3％。
精密模压用光学玻璃，其重量百分比组成为：SiO₂：10-25％、B₂O₃：25-35％、La₂O₃：12-22％、CaO：5-18％、Li₂O：1-8％、Gd₂O₃+Yb₂O₃+Y₂O₃：0-8％、ZnO：0-8％、ZrO₂：0-5％、Al₂O₃：0-1％、SnO：0-0.5％、Sb₂O₃：0-0.1％、Ta₂O₅+WO₃+Nb₂O₅+TiO₂<2％。
进一步的，其中SiO₂：12-22％、B₂O₃：27-33％、La₂O₃：15-22％。
进一步的，其中CaO：8-15％、Li₂O：3-7％。
进一步的，其中Y₂O₃：2-8％、ZnO：2-8％。
进一步的，其中CaO：8-15％、Li₂O：3-7％、Y₂O₃：2-8％、ZnO：2-8％。
进一步的，其中CaO：8-15％、Li₂O：3-7％、Y₂O₃：2-8％、ZnO：2-8％、ZrO₂：0.5-3％。
精密模压用光学玻璃制成的光学元件成型用预型材。
精密模压用光学玻璃成型制成的光学元件。
本发明的有益效果是：通过合理设定玻璃组分，抑制了玻璃熔制过程中挥发及分相趋势，降低了光学玻璃制造难度；本发明的折射率为1.65-1.70，色散系数为50-60，转变温度低于540℃，析晶上限温度小于1050℃，玻璃密度小于3.4g/cm³，适用于精密模压成型。由本发明提供的光学玻璃制作的光学元件适用于成像系统、数字投影、医疗技术、光刻术、晶片/芯片等技术领域。
具体实施方式
以下对本发明的光学玻璃中可含有的成分进行说明，各成分的含量以重量％表示。
SiO₂是形成本发明玻璃网络结构的必要成分，可起到提高玻璃抗失透性的作用，当其含量不足10％时，不能达到效果；含量超过25％时，玻璃的转变温度上升，不适合于精密压型，因此其优选含量为10-25％，更优选为12-22％。
B₂O₃是形成本发明玻璃网络结构的必要成分，可以降低玻璃的色散值，当其含量过少，玻璃耐失透性不足；含量过多，玻璃的化学稳定性降低，并使熔制过程中挥发加重，工艺难度加大，因此其优选含量为25-35％，更优选为27-33％。
La₂O₃是提高玻璃的折射率、降低色散不可缺少的组分，同时也可有效提高化学稳定性，当其含量小于12％，玻璃折射率难以保持在上述特定范围；含量超过22％时，玻璃抗失透性下降，熔制难度增加，因此其优选含量为12-22％，更优选为15-22％。
Gd₂O₃、Y₂O₃、Yb₂O₃也是提高玻璃的折射率、降低色散的组分，作用与La₂O₃相似，和La₂O₃共同存在，会进一步提高玻璃抗失透稳定性，因此三种组分的总含量不能太高，优选含量范围为0-8％。
Y₂O₃还能改善玻璃的析晶性能，但含量过高，将削弱玻璃抗失透性，因此Y₂O₃含量更优选为28％。
Li₂O是本发明中的必要成分，可有效降低软化温度，改善玻璃的熔融性能，但引入太多会加剧玻璃的分相趋势，降低玻璃的化学稳定性，因此其优选含量为1-8％，更优选含量为3-7％。
Na₂O、K₂O也可以改善玻璃的熔融性能，但引入太多会加剧玻璃的分相趋势，因此其优选含量为0-5％。
ZnO可使玻璃形成高折射低色散特性，同时还可改良玻璃的抗失透性和降低粘滞流动温度，若含量过高，玻璃的色散超高，析晶倾向增大，因此其含量优选为0-8％，更优选为2-8％。
CaO是维系本发明玻璃低比重的主要成分，可以改善玻璃稳定性，以及熔炼生产时帮助原料熔化，但其含量低于5％，效果不明显；高于18％时，玻璃的析晶倾向增大，因此其含量优选为5-18％，更优选为8-15％。
MgO、SrO、BaO以碳酸盐或硝酸盐的形式作为原料使用时，具有促进玻璃消泡的效果，同时也可调整光学常数，但过量会降低玻璃耐潮性，因此其合计含量优选为0-15％。
ZrO₂少量加入时，具有调整光学常数、改善玻璃化学稳定性、抗失透性的效果，若添加量超过5％，软化温度上升，因此其优选含量为0-5％，更优选0.5-3％。
Al₂O₃为任意成分，当少量加入时，可提高玻璃化学稳定性及耐潮性，引入过多会使玻璃软化温度急剧上升，因此其优选含量为0-1％。
Ta₂O₅、Nb₂O₅、WO₃、TiO₂为任意成分，少量加入时，可以调整玻璃的光学常数，改善玻璃耐化学性与抗失透性，因此Ta₂O₅+WO₃+Nb₂O₅+TiO₂含量为<2％。
在上述组分之外，可以加入通常用作澄清剂的SnO₂和Sb₂O₃，SnO₂含量为0或更多，但不超过0.5％；Sb₂O₃含量为0或更多，但不超过0.1％。
本发明的光学玻璃制造方法为：
1)按重量比例称量各组份的氧化物、碳酸盐和硝酸盐等常用光学玻璃原料，充分混合后加入铂金坩埚内；
2)在1050—1300℃下熔化、澄清、均化后降温；
3)将熔融玻璃液浇注入预热后的金属模，将玻璃连同金属模一起放入退火炉内退火冷却后即得。
本发明通过设定玻璃的组成，特别是上述优选范围内的组成，可实现如下希望的特性：折射率(n_d)为1.65-1.70，色散系数为(v_d)50-60，其中折射率(n_d)值为(-2℃/h)—(-6℃/h)的退火值，折射率与色散系数按照《GB/T 7962.1—1987无色光学玻璃测试方法折射率和色散系数》测试。
本发明的光学玻璃主要用于通过加热软化、精密压力成型得到玻璃成型品的玻璃预型材。因此，为能抑制对模具的损伤，可以较长时间地保持模具的高精度成型面，优选具有尽可能低的转变温度。为此，通过采用上述特定范围的组成，能实现预期的玻璃化转变温度。本发明的光学玻璃的玻璃化转变温度为540℃以下。
为能按照上述制造方法实现稳定生产，将本发明的光学玻璃的析晶上限温度控制在1050℃以下是很重要的。
采用梯温炉法测定玻璃的析晶性能，将玻璃制成180*10*10mm的样品，侧面抛光，放入带有温度梯度的炉内保温4小时后取出，在显微镜下观察玻璃析晶情况，玻璃出现晶体对应的最高温度即为玻璃的析晶上限温度。
玻璃密度按《GB/T 7962.20-1987无色光学玻璃测试方法密度测试方法》测试。本发明光学玻璃的密度为3.35g/cm³以下。
本发明的光学玻璃可用作压力成型用玻璃预型材料，或者也可直接将熔融玻璃压力成型。用作玻璃预型材时的制造方法及热成型方法无特别限制，可使用公知的制造方法及成型方法。
另外，还可对本发明光学玻璃制作的玻璃预型材进行压力加工，制造光学元件，或者也可采用不经玻璃预型材直接对熔融、软化的该光学玻璃进行压力加工制造光学元件的直接压力成型法。
光学元件可用作例如双凸、双凹、平凸、平凹、凹凸透镜等各种透镜、反射镜、棱镜、衍射光栅等。
将本发明玻璃的实施例1-17的组成与这些玻璃的折射率、阿贝数、析晶上限温度、转变温度、密度一起表示于表1-3中。表中各组分的组成以重量％表示。
表1

表2

表3

如表1-3所示，本发明实施例1-17的光学玻璃都具有上述特定范围的光学常数：折射率(n_d)1.65-1.70、色散系数为(Vd)50-60，玻璃转变温度小于540℃，析晶上限温度小于1050℃，密度小于3.4g/cm³，适用于精密压力成型所使用的预型材及精密压力成型。