光學玻璃和光學元件的製作方法
2023-05-29 22:06:11
專利名稱：光學玻璃和光學元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學玻璃和由該光學玻璃形成的光學元件，更具體涉及適用於壓模成型的光學玻璃和由該光學玻璃形成的光學元件。
背景技術：
作為製造玻璃光學元件如玻璃透鏡等的方法，近年來所謂的壓模法已經得到了廣泛應用，該方法是通過用由一對上下模組成的加熱了的模擠壓加熱到屈服溫度(At)或屈服溫度以上的玻璃而對玻璃進行模製處理，因為該方法與常規拋光玻璃的模製方法相比，所需的製造步驟較少，因此可以在短時間內以較低的成本完成製造。
壓模法可大致分為再加熱法和直接擠壓法。在再加熱法中，首先製備大致為最終產品形式的團塊預成品(gob preform)或磨碎預成品(ground prefom)，然後將這些預成品再加熱至軟化點或軟化點以上，然後使用經過加熱了的一對上下模進行壓模，成為最終的產品形式。另一方面，在直接擠壓法中，將熔融玻璃從玻璃熔爐中取出直接加入到加熱了的模上，然後壓模成最終產品形式。在這兩種壓模法的任何一種方法中，需要將壓模加熱到接近玻璃化溫度(下文中可表示為「Tg」)或玻璃化溫度以上。因此，對於Tg較高的玻璃，更容易發生壓模表面氧化和壓模金屬組成改變，結果導致壓模的壽命縮短，進而導致製造成本升高。儘管在氮氣等非活性氣體氣氛下進行模製，可以抑制模的劣化，但是卻由於需要控制氣氛而使模製裝置變複雜，而且也需要用於非活性氣氛的運行成本，從而導致製造成本升高。因此，優選Tg儘可能低的玻璃用於壓模法。而且，從提高耐失透性的角度看，如同Tg一樣，較低的液相溫度(下文中可表示為「TL」)是優選的。
但是，近年來人們對常用來降低Tg的鉛化合物對人體的負面影響越來越擔心。因此，對不使用鉛化合物的市場需求越來越強烈。因此，對不使用鉛化合物而降低Tg和TL的的技術已經進行了各種研究和建議(例如，在專利文獻1至3中所揭示的)。
但是，專利文獻1至3中揭示的光學玻璃並不具有令人滿意的低Tg值，因此由於TL依然較高，仍然存在模壽命短和耐失透性方面的問題。
JP-A-H03-5341[專利文獻2]JP-A-H06-107425[專利文獻3]JP-A-2003-176151發明內容鑑於這些常規問題，特完成本發明，本發明的目的是提供一種基本上不含有如鉛、砷等化合物的光學玻璃，這種光學玻璃具有低Tg和TL、以及極佳的耐失透性，這種光學玻璃適用於壓模。
本發明的另一個目的是提供一種高產率的光學元件，這種光學元件具有預定的光學常數、並且基本上不含有如鉛、砷等化合物。
本發明人為了實現上述目標，通過反覆深入的研究，因發現下述事實而實現了本發明在SiO2-B2O3玻璃中，預定含量的鹼性組分如Li2O等可以降低Tg，而較高含量的ZnO提供適用於壓模成型的粘度，同時又保持預定的光學常數。
具體來說，依據本發明一個方面的用於壓模成型的光學玻璃包括如下的以重量％計的玻璃組分10％至38％的SiO2、15％至40％的B2O3、4％至14％的Li2O、0至5％(包括0)的Na2O、0至5％(包括0)的K2O、0至10％(包括0)的MgO、0至10％(包括0)的CaO、0至10％(包括0)的BaO、0至10％(包括0)的SrO和15％至39％的ZnO，其中Li2O+Na2O+K2O的總含量等於4％至20％，MgO+CaO+BaO+SrO+ZnO的總含量等於15％至39％。在下文中，除非另有說明，符號「％」表示重量％。以這樣的組成，依據本發明一個方面的用於壓模成型的光學玻璃提供中間折射率和低色散性的光學常數，而不使用如鉛或砷之類的可能危害人體的化合物。而且，這種光學玻璃還具有低Tg值，在可壓模性方面極佳，並且TL低，耐失透性極佳。
現在，鑑於要提高玻璃穩定性和調節光學常數的，光學玻璃還含有以重量％計的下列玻璃組分中的一種或兩種或更多種0至20％的Al2O3、0至5％的Y2O3、0至5％的La2O3、0至5％的Gd2O3、0至5％的TiO2、0至5％的ZrO2、0至5％的Nb2O5、0至5％的Ta2O5、0至10％的WO3、0至2％的Sb2O3和0至5％的Bi2O3。
依據本發明的另一方面，提供一種由這種光學玻璃形成的光學元件。根據這種組成的光學元件，可以提供光學玻璃的性質，並且可以實現高製造效率和成本降低。作為這種光學元件，透鏡、稜鏡、反射鏡等是優選的。
依據本發明另一方面的光學玻璃包括以重量％計的下列玻璃組分10％至38％的SiO2、0至20％(包括0)的Al2O3、15％至40％的B2O3、4％至14％的Li2O、0至5％(包括0)的Na2O、0至5％(包括0)的K2O、0至10％(包括0)的MgO、0至10％(包括0)的CaO、0至10％(包括0)的BaO、0至10％(包括0)的SrO和15％至39％的ZnO，其中Li2O+Na2O+K2O的總含量等於4％至20％，MgO+CaO+BaO+SrO+ZnO的總含量等於15％至39％。以這樣的組成，依據本發明的光學玻璃提供中間折射率和低色散性的光學常數，而不使用如鉛或砷之類的可能危害人體的化合物。而且，該光學玻璃還具有低Tg值，在可壓模性方面極佳，並且TL低，耐失透性極佳。
具體實施例方式
因為以下的原因，本發明光學玻璃的組分限制在上述範圍內。首先，SiO2是構建玻璃骨架的組分(玻璃形成劑)。SiO2的含量低於10％會導致玻璃耐久性變差。另一方面，SiO2含量為38％會導致乃失透性變差，而且難以得到高折射率的玻璃。因此，SiO2的含量範圍限定在10％至38％，更優選SiO2的含量範圍為10％至36％。
與SiO2的情況一樣，B2O3是構建玻璃骨架的元素。B2O3的含量低於15％導致玻璃失透的可能性增加。另一方面，B2O3的含量超過40％會導致折射率下降，從而無法得到所需的光學常數。因此，B2O3的含量範圍限定在15％至40％，更優選B2O3的含量範圍是15％至39％。
Li2O對於降低Tg非常有效。Li2O的含量低於4％會導致無法滿意地提供上述效應。另一方面，Li2O含量超過14％會導致難以得到高折射率玻璃，還會導致玻璃的耐久性變差。因此，L2O的含量範圍限定在4％至14％，更優選L2O的含量範圍是4％至13％。
Na2O和K2O是可用於降低Tg的組分，但是各自的含量超過5％時會導致耐失透性明顯變差。因此，Na2O和K2O的含量範圍均限定在0至5％(包括0)。
R2O(R＝Li、Na、K)組分的總含量小於4％會導致對降低Tg提供的效應不夠。另一方面，R2O組分的總含量超過20％會導致難以提供高折射率玻璃，還會導致玻璃耐久性變差。因此，R2O的總含量範圍限定在4％至20％，更優選R2O總含量的範圍是4％至18％。
MgO對於減輕玻璃重量、提高玻璃折射率以及降低色散性是有效的。MgO的含量超過10％會導致玻璃不穩定，耐失透性變差。因此，MgO的含量範圍限定在0至10％(包括0)。
CaO可有效地減輕玻璃重量、提高玻璃折射率和玻璃耐久性。CaO的含量超過10％會導致玻璃不穩定，耐失透性變差。因此，CaO的含量範圍限定在0至10％(包括0)。
BaO可有效地調節玻璃折射率和提高玻璃穩定性。BaO的含量超過10％會導致耐失透性變差。因此，BaO的含量範圍限定在0至10％(包括0)。
SrO可有效地降低TL和提高玻璃穩定性。SrO的含量超過10％會導致耐失透性變差。因此，SrO的含量範圍限定在0至10％(包括0)。
ZnO可有效地提高折射率、維持色散性和降低TL。另外，ZnO可有效地降低Tg以確保有利的粘度，因此，ZnO是本發明光學玻璃中重要的組分。ZnO的含量小於15％會導致折射率降低，從而不能提供所需的光學常數。另一方面，ZnO的含量超過39％會導致耐失透性變差。因此，ZnO的含量範圍限定在15％至39％，優選ZnO的含量範圍是15％至38％。
R』O(R』＝Mg、Ca、Ba、Sr、Zn)組分的總含量小於15％會導致折射率下降，從而不能提供所需的光學常數。另一方面，R』O組分的總含量超過39％會導致耐失透性變差。因此，R』O的總含量範圍限定在15％至39％，更優選R』O的總含量範圍是15％至38％。
在本發明的光學玻璃中，如果需要，還可以含有一定量的一種、兩種或多種包括Y2O3、La2O3、Gd2O3、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、WO3和Sb2O3以及Bi2O3在內的玻璃組分。組分限定在這些組分上是因為以下的原因。
Al2O3可有效地提高粘度，但是Al2O3的含量超過20％會導致玻璃的耐失透性變差，還會導致玻璃的熔性變差。因此，Al2O3的含量範圍限定在0至20％。
Y2O3可有效地提高玻璃折射率。Y2O3的含量超過5％會導致玻璃的耐失透性變差、TL升高。因此，Y2O3的含量範圍限定在0至5％。
La2O3可有效地提高玻璃折射率並維持色散性。La2O3的含量超過5％會導致嚴重的相分離和TL增加。由此，La2O3的含量範圍限定在0至5％。
Gd2O3可有效地提高玻璃折射率、改善玻璃的耐侯性、並降低TL。Gd2O3的含量超過5％會導致玻璃的耐失透性變差。因此，Gd2O3的含量範圍限定在0至5％。
TiO2可有效地提高玻璃折射率。TiO2的含量超過5％會導致玻璃的耐失透性變差和TL增加。因此，TiO2的含量範圍限定在0至5％。
ZrO2可有效地提高玻璃折射率、提高玻璃的耐侯性。ZrO2的含量超過5％會導致玻璃的耐失透性變差和TL增加。因此，ZrO2的含量範圍限定在0至5％。
Nb2O5可有效地提高玻璃折射率、改善玻璃熔性。Nb2O5的含量超過5％會無法維持預定的色散性。因此，Nb2O5的含量範圍限定在0至5％。
Ta2O5可有效地提高玻璃折射率、改善玻璃的耐侯性。Ta2O5的含量超過5％會導致玻璃的耐失透性變差，從而提高TL。因此，Ta2O5的含量範圍限定在0至5％。
WO3可有效地提高玻璃折射率、降低TL。WO3的含量超過10％會導致玻璃的著色度變差。因此，WO3的含量範圍限定在0至10％。
Bi2O3可有效地提高玻璃折射率。Bi2O3的含量超過5％會導致玻璃的著色度變差。因此，Bi2O3的含量範圍限定在0至5％。
當Sb2O3以少量加入時，可有效地改善澄清作用(clarification action)。因此，Sb2O3的含量範圍限定在0至2％。
無需多言，如果需要，可以向本發明的光學玻璃中加入常規已知的玻璃組分和添加劑，諸如CuO、GeO2等，這些組分的加入量應以不損害本發明的效果為限。
通過對光學玻璃進行壓模成型來製造本發明的光學元件。作為玻璃的壓模成型法，包括直接壓模法，其中熔融玻璃從噴嘴倒入已加熱到預定溫度的模中，然後進行壓模成型；再加熱模製法，其中將放在模中的預形成材料加熱到玻璃軟化點或玻璃軟化點之上，然後進行壓模成型。依據這類方法，不再需要拋光和研磨步驟，這樣可以提高產率，並且提供難以加工的諸如無規則形狀或非球面形狀等形狀的光學元件。
對於模製條件，儘管根據玻璃部件和模製對象等因素而不同，但是模製溫度通常優選為350℃至600℃，更優選的溫度範圍是接近玻璃化溫度。壓制時間優選為幾秒到幾十秒。根據透鏡的形狀和大小，壓制壓力優選為2×107N/m2至6×107N/m2，因此，壓力越高，成型的精確度越高。
本發明的光學元件可以用作例如數位相機的鏡頭、雷射印表機的準直鏡、稜鏡、反射鏡等。
實施例以下將參考實施例對本發明進行更詳細的描述，但是本發明不局限於這些實施例1-10，對比例1-3樣品按照以下方式生產。將普通的玻璃原料如氧化物原料、碳酸鹽、硝酸鹽等摻混在一起，提供表1所示的目標成份，然後以粉末態充分混合在一起，從而製備摻混料。然後，將該摻混料加入到加熱到1000℃至1300℃的熔融爐中，熔化、澄清，然後攪拌、均化，澆注到預先加熱過的鐵模或碳模中，然後退火。隨後，測量每個樣品的d線的折射率(nd)和阿貝數(vd)、玻璃化溫度(Tg)、線性熱膨脹係數(α)、液相溫度(TL)和在該液相溫度的粘度。表1還顯示了該測量的結果。
重新測試專利文獻1(JP-A-H3-5341)的實施例1作為對比例1，重新測試專利文獻2(JP-A-H6-107425)的實施例1作為對比例2，重新測試專利文獻3(JP-A-2003-176151)的實施例1作為對比例3。
根據光學玻璃工業標準(Optical Glass Industrial Standards，JOGIS)進行上述物理性質的測量，下文中將具體描述。
a)折射率(nd)和阿貝數(vd)如上所述，熔化且澆注到模中的玻璃以-30℃/小時的速率退火到室溫，然後將其作為樣品，使用Kalnew Co.，Ltd製造的「KPR-200」進行測量。
b)玻璃化溫度(Tg)和線性熱膨脹係數(α)使用Seiko Instruments Inc製造的熱力學分析儀「TMA/SS6000」在10℃/小時的升溫速率下進行測量。
c)液相溫度(TL)使用熔融爐，將在1200℃熔化的玻璃的溫度以-100℃/小時的速率降低到一預定溫度，然後在該預定溫度保持12小時。然後，將玻璃倒入模中，冷卻到室溫。玻璃中確定不出現失透(結晶)現象的溫度定義為液相溫度。使用Olympus Corporation製造的100X放大率的光學顯微鏡「BX50」觀察玻璃的內部情況。
d)粘度使用Advantest Corporation製造的高溫粘度測量儀「TVB-20H型粘度儀」進行測量。
表1從表1可以清楚地看出，實施例1-10的光學玻璃樣品的折射率為1.558至1.616，阿貝數為54.4至58.8，因此具有低色散性和中間折射率的光學常數，還具有等於或小於492℃的Tg，因此適用於壓模成型。這些光學玻璃樣品的TL等於或小於950℃，在TL的粘度等於或大於1.0泊，因此耐失透性和可模製性極佳。
相反，SiO2含量大到40.0％且不含有ZnO的對比例1的光學玻璃的阿貝數高達61.0，Tg和TL分別高達545℃和1050℃。SiO2含量高達55.0％、B2O3含量低至10.0％且不含有ZnO的對比例2的光學玻璃的Tg高達525℃，因此不適用於壓模成型。對比例2的光學玻璃的液相溫度TL高達1030℃，因此耐失透性較差。SiO2含量高達41.0％、ZnO含量低至4.0％的對比例3的光學玻璃的Tg高達596℃或596℃以上，因此不適用於壓模成型，液相溫度TL高達1080℃，因此耐失透性較差。
權利要求
1.用於壓模成型的光學玻璃，其包含以下以重量％計的玻璃組分10％至38％的SiO2，15％至40％的B2O3，4％至14％的Li2O，0至5％(包括0)的Na2O，0至5％(包括0)的K2O，其中Li2O+Na2O+K2O的總含量等於4％至20％，0至10％(包括0)的MgO，0至10％(包括0)的CaO，0至10％(包括0)的BaO，0至10％(包括0)的SrO，和15％至39％的ZnO，其中MgO+CaO+BaO+SrO+ZnO的總含量等於15％至39％。
2.如權利要求1所述的用於壓模成型的光學玻璃，其還含有以重量％計的下列玻璃組分中的一種或兩種或多種0至20％的Al2O3，0至5％的Y2O3，0至5％的La2O3，0至5％的Gd2O3，0至5％的TiO2，0至5％的ZrO2，0至5％的Nb2O5，0至5％的Ta2O5，0至10％的WO3，0至2％的Sb2O3，和0至5％的Bi2O3。
3.如權利要求1所述的用於壓模成型的光學玻璃，其特徵在於，折射率(nd)為1.55至1.62，阿貝數(vd)為54至60，玻璃化溫度(Tg)等於或小於500℃。
4.如權利要求1所述的用於壓模成型的光學玻璃，其特徵在於，液相溫度(TL)等於或小於1000℃，在該液相溫度的粘度等於或大於0.5泊。
5.一種包含權利要求1所述的用於壓模成型的光學玻璃的光學元件。
6.如權利要求1所述的用於壓模成型的光學玻璃，其特徵在於，SiO2的含量是10％至36％。
7.如權利要求1所述的用於壓模成型的光學玻璃，其特徵在於，B2O3的含量是15％至39％。
8.如權利要求1所述的用於壓模成型的光學玻璃，其特徵在於，Li2O的含量是4％至13％。
9.如權利要求1所述的用於壓模成型的光學玻璃，其特徵在於，Li2O+Na2O+K2O的總含量是4％至18％。
10.如權利要求1所述的用於壓模成型的光學玻璃，其特徵在於，ZnO的含量是15％至38％。
11.如權利要求1所述的用於壓模成型的光學玻璃，其特徵在於，MgO+CaO+BaO+SrO+ZnO的總含量是15％至38％。
12.包含下列以重量％計的玻璃組分的光學玻璃10％至38％的SiO2，0至20％(包括0)的Al2O3，15％至40％的B2O3，4％至14％的Li2O，0至5％(包括0)的Na2O，0至5％(包括0)的K2O，其中Li2O+Na2O+K2O的總含量等於4％至20％，0至10％(包括0)的MgO，0至10％(包括0)的CaO，0至10％(包括0)的BaO，0至10％(包括0)的SrO，和15％至39％的ZnO，其中MgO+CaO+BaO+SrO+ZnO的總含量等於15％至39％。
13.如權利要求12所述的光學玻璃，其還含有以重量％計的下列玻璃組分中的一種或兩種或多種0至5％的Y2O3，0至5％的La2O3，0至5％的Gd2O3，0至5％的TiO2，0至5％的ZrO2，0至5％的Nb2O5，0至5％的Ta2O5，0至10％的WO3，0至2％的Sb2O3，和0至5％的Bi2O3。
14.如權利要求12所述的光學玻璃，其特徵在於，SiO2的含量是10％至36％。
15.如權利要求12所述的光學玻璃，其特徵在於，B2O3的含量是15％至39％。
16.如權利要求12所述的光學玻璃，其特徵在於，Li2O的含量是4％至13％。
17.如權利要求12所述的光學玻璃，其特徵在於，Li2O+Na2O+K2O的總含量是4％至18％。
18.如權利要求12所述的光學玻璃，其特徵在於，ZnO的含量是15％至38％。
19.如權利要求12所述的光學玻璃，其特徵在於，MgO+CaO+BaO+SrO+ZnO的總含量是15％至38％。
全文摘要
本發明用於壓模成型的光學玻璃包括下列以重量％計的玻璃組分10％至38％的SiO
文檔編號C03C3/062GK1970480SQ20061016399
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月24日 優先權日2005年11月25日
發明者森登史晴 申請人:柯尼卡美能達精密光學株式會社