專利名稱:光學玻璃、精密模壓坯材、光學元件及其制造方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種主要供精密模壓使用的光學玻璃、一種由玻璃形成的精密模壓坯材、一種由玻璃形成的光學元件以及制造上述光學玻璃、上述坯材和上述光學元件的方法。
背景技術:
近年來,對構成數碼相機等的攝像光學系統(tǒng)用透鏡的需求增長。在這種情況下,稱為精密模壓或模制光學部件成型(mold opticsshaping)的方法作為能夠在短的交付期內提供大量由玻璃形成的透鏡的透鏡生產方法而引起注意。然而,要求精密模壓用光學玻璃不僅具有普通光學玻璃所需的性能,而且具有在低溫下軟化的性能(在下文中,稱為“低溫軟化性能”),并且這種光學玻璃構成與常規(guī)光學玻璃明確區(qū)分的獨特領域。
另一方面,從攝像光學系統(tǒng)中光學設計的觀點看,需要由高折射率高色散玻璃形成的透鏡,并且對用于通過上述精密模壓提供這種透鏡的玻璃材料的需求增長。
例如,在JP-A-2003-160355中公開了這種一種玻璃。
上述JP-A-2003-160355中公開的發(fā)明提供一種含諸如P2O5、Nb2O5、Bi2O3、TiO2、WO3和堿金屬氧化物這樣的組分的玻璃,因此實現(xiàn)了具有精密模壓所需的低溫軟化性能的高折射率高色散玻璃。
在精密模壓中,首先制備初步成型材料,加熱并用壓模壓制該初步成型材料,其中該初步成型材料是由重量與作為目標產品的精密模壓產品的重量精確一致的光學玻璃形成的,并被稱為具有適合于模壓的形狀(例如,球形)的坯材。
在上述JP-A-2003-160355中公開的發(fā)明中,將熔融的玻璃澆注到模具中,從獲得的玻璃中切出各個具有預定重量的玻璃塊,并通過拋光法由其制備坯材。
然而,這種方法需要很多的勞動和時間,還增加生產成本,問題是難以迎合對上述坯材和光學元件的需要。相比之下,當實施熱坯材成型法時,其中制備必需量的熔融玻璃,使其流出流動管路,從由流動管路流出的熔融玻璃中逐個分離熔融玻璃塊,在熔融玻璃塊冷卻為固體之前將其成型為坯材,從而逐個制造多個坯材,與上述方法相比,該坯材制造方法在生產率方面明顯提高。而且,當將此熱坯材成型法與飄浮成型法結合時,能夠制造其整個表面更光滑的坯材,其中在飄浮成型法中,在通過向玻璃塊施加空氣(氣體)壓力而使其飄浮的同時,將上述熔融玻璃塊成型為坯材。
如上所述,熱坯材成型法和飄浮成型法是優(yōu)異的。然而,還要求用于形成坯材的玻璃具有熱坯材可成型性。即,需要滿足以下條件。在不使玻璃失透的溫度范圍下使熔融的玻璃流出管路。要求不使用切割刀片就將具有預定重量的玻璃塊分離。要求通過施加空氣(氣體)壓力而使玻璃塊飄浮。
當賦予玻璃優(yōu)異的熱坯材可成型性時,不但使坯材的熱成型和飄浮成型成為可能,而且當將熔融的玻璃形成為玻璃時,能夠防止由失透等造成的產量下降。
發(fā)明內容
在這種情況下,本發(fā)明的一個目的是提供一種光學玻璃、由上述光學玻璃形成的精密模壓坯材、通過精密模壓上述光學玻璃或坯材獲得的光學元件以及制造上述光學玻璃、上述精密模壓坯材和上述光學元件的方法,其中該光學玻璃是能夠實現(xiàn)極有用的光學性能如高折射率和高色散性能的含磷酸鹽的玻璃,并且具有高的穩(wěn)定性,同時保持可精密模壓性。
本發(fā)明人進行了勤奮的研究,并發(fā)現(xiàn)通過以下具有特定組成和特定阿貝數的含磷酸鹽光學玻璃,具有特定透射比、光學常數和液相線溫度的含磷酸鹽光學玻璃,由這種光學玻璃形成的坯材和通過模制該坯材形成的光學元件以及通過使用特定的制造方法可以實現(xiàn)上述目的;在上述發(fā)現(xiàn)的基礎上,完成了本發(fā)明。
也就是說,本發(fā)明提供,(1)一種光學玻璃,含作為必要組分的P2O5、SiO2和Li2O,含作為任選組分的Na2O和K2O,Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)摩爾比為1/3-1,阿貝數(νd)為30或更低,(2)上述(1)的光學玻璃,其折射率(nd)為1.80或更高,(3)一種光學玻璃,含作為必要組分的P2O5、SiO2和Li2O,具有這樣的透射比性能,即當使光垂直進入厚度為10.0±0.1毫米玻璃樣品的兩個平面且相互平行的光學拋光面中的一個并使光從另一個表面離開時,用透射光強度與入射光強度之比(透射光強度/入射光強度)表示的透射比達70%處的波長為510納米或更短,折射率(nd)為1.80或更高,阿貝數(νd)為30或更低,液相線溫度低于1,000℃,(4)上述(1)-(3)中任一項的光學玻璃,其含選自Nb2O5、WO3、TiO2或Bi2O3中的至少一種組分,(5)上述(1)-(4)中任一項的光學玻璃,其是用于精密模壓的玻璃,(6)一種制造含P2O5和SiO2作為玻璃組分的光學玻璃的方法,該方法包括加熱并熔融含SiO2的第一原材料,從而制造熔體,或用所述的熔體制備碎玻璃原材料,將含磷酸化合物的第二原材料、通過加熱并熔融所述第二原材料獲得的熔體或由所述第二原材料的熔體獲得的碎玻璃原材料與所述的第一原材料的熔體或由所述第一原材料的熔體獲得的碎玻璃原材料混合,熔融該混合物并熔融所述的光學玻璃。
(7)一種精密模壓坯材,是由上述(5)的光學玻璃形成的,(8)一種精密模壓坯材,該坯材是由含P2O5、SiO2和包括Li2O的堿金屬氧化物作為必要組分,SiO2含量為0.5-4mol%,折射率(nd)為1.80或更高,阿貝數(νd)為30或更低的光學玻璃形成的,其整個表面是通過固化熔融狀態(tài)的所述玻璃而形成的或是自由表面,(9)一種制造精密模壓坯材的方法,該方法包括將具有預定重量的熔融玻璃塊與熔融狀態(tài)的玻璃分離,在將所述的熔融玻璃塊冷卻固化之前,將所述的熔融玻璃塊成型為重量等于所述重量的上述(7)或(8)的坯材,(10)一種制造精密模壓坯材的方法,該方法包括將具有預定重量的熔融玻璃塊與熔融狀態(tài)的光學玻璃分離,該光學玻璃是通過如上述(6)中列舉的制造光學玻璃的方法制造的,在所述的熔融玻璃塊冷卻固化之前,將所述的熔融玻璃塊成型為重量等于所述重量的坯材,(11)一種光學元件,由上述(1)-(5)中任一項的光學玻璃形成,(12)一種制造光學元件的方法,該方法包括精密模壓由玻璃形成的坯材,其中,精密模壓上述(7)或(8)的精密模壓坯材,(13)一種制造光學元件的方法,該方法包括精密模壓由玻璃形成的坯材,其中,精密模壓通過上述(9)或(10)的方法制造的精密模壓坯材,(14)如上述(12)或(13)中列舉的制造光學元件的方法,其中將精密模壓坯材引入壓模,一起加熱所述的坯材和所述的壓模,和(15)如上述(12)或(13)中列舉的制造光學元件的方法,其中將加熱的精密模壓坯材引入壓模中,從而精密模壓該坯材。
根據本發(fā)明,能夠提供這樣一種光學玻璃,該光學玻璃是能夠實現(xiàn)極有用的光學性能如高折射率和高色散性能等的含磷酸鹽玻璃,而且該光學玻璃具有高的穩(wěn)定性,同時保持可精密模壓性。
而且,能夠提供由上述玻璃形成的精密模壓坯材和通過精密模壓上述光學玻璃或上述坯材獲得的光學元件,還能夠提供制造上述光學玻璃、上述精密模壓坯材和上述光學元件的方法。
圖1是實施例中使用的精密模壓裝置的一個實例的示意性剖視圖。
具體實施例方式
首先,在下面將說明本發(fā)明的光學玻璃。
為精密模壓而提供本發(fā)明的光學玻璃。精密模壓也稱為“模制光學部件模制”,指的是通過模壓法形成光學元件中實現(xiàn)光學功能的表面(在下文中,稱為“光學功能面”),例如折射、反射(包括全反射和部分反射)、衍射或透射光的表面的方法。在上述方法中,不用機械加工透鏡表面就可以制造非球面透鏡和非常小的透鏡,因此可以高生產率制造具有精密形狀的光學元件。此外,機械加工透鏡表面的周邊以定中心和修邊并不損害精密模壓的上述特征。
(玻璃I)本發(fā)明的第一種光學玻璃(在下文中,稱為“玻璃I”)是這樣一種光學玻璃,其含作為必要組分的P2O5、SiO2和Li2O,含作為任選組分的Na2O和K2O,Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)摩爾比為1/3-1,阿貝數(νd)為3O或更低。
在玻璃I中,P2O5形成玻璃的網絡結構,是賦予玻璃能夠實現(xiàn)玻璃制造的穩(wěn)定性的必要組分,它是在上述光學常數范圍內實現(xiàn)優(yōu)異精密模壓性的重要組分。
堿金屬是用于提高玻璃可熔性并用于降低玻璃軟化溫度的有用組分。在堿金屬中,與任何其它堿金屬相比,鋰尤其具有小的離子半徑,因此它對玻璃單位體積中所含元素的致密填充效果大于任何其它堿金屬。因此,為了獲得作為本發(fā)明成品的高折射率玻璃,就堿金屬組分而論,以比Na或K大的量使用Li,因此玻璃中所含的高折射率組分可以更致密地堆積,因此,折射率可以增加。
當出于上述原因,使用大量Li2O作為玻璃組分時,可以獲得高的折射率,同時保持玻璃的可熔性和低溫軟化性能,因此Li2O是非常重要的用于獲得易于熔融并加工的高折射率玻璃的組分。然而,當Li2O的含量太大時,玻璃的液相線粘度降低或玻璃的熱穩(wěn)定性下降,這損害玻璃的可熔性和加工性能,因此Li2O的含量有優(yōu)選的上限。
出于上述原因,將Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)摩爾比限制為1/3-1,優(yōu)選至少2/5但小于9/10,更優(yōu)選至少1/2但小于4/5。
相似地,出于上述原因,Li2O、Na2O和K2O的總含量理想地為至少28mol%但小于42mol%,更理想地至少30mol%但小于40mol%。
相似地,出于上述原因,Li2O的含量更理想地為至少2重量%,更加理想地至少4重量%。另一方面,在堿組分中,除Li2O以外的用作組分的Na2O和K2O的總含量理想地小于10重量%,更理想地小于9重量%,更加優(yōu)選小于8重量%。
SiO2是形成玻璃的網絡結構的組分,它不但是用于使高溫區(qū)中熔融狀態(tài)玻璃的粘度在適合于熱坯材成型的范圍內,而且是用于提高玻璃穩(wěn)定性、耐久性和透射比性能的必要組分。
玻璃I不但具有低溫軟化性能,而且通常具有高折射率的性能,即,折射率(nd)為1.80或更高。
(玻璃II)本發(fā)明的第二種光學玻璃(在下文中,稱為“玻璃II”)含P2O5、SiO2和Li2O作為必要組分,并具有這樣的透射比性能,即當使光垂直進入玻璃的兩個平坦且相互平行的光學拋光表面中的一個并使光從另一個表面離開時,用透射光強度與入射光強度之比(透射光強度/入射光強度)表示的透射比達70%處的波長為510納米或更短,折射率(nd)為1.80或更高,阿貝數(νd)為30或更低,液相線溫度低于1,000℃。上述說明適用于通過冷卻熔融狀態(tài)的玻璃并加工該玻璃制備的玻璃和在將其冷卻至室溫后沒有再加熱的玻璃。
玻璃II表現(xiàn)出在可見光區(qū)域中隨波長增加而提高的透射比,并在增加的波長范圍內顯示高的透射比。例如,使入射光進入厚度為10±0.1毫米的光學拋光玻璃樣品中相互平行、平坦且光學拋光的兩個表面中的一個。在280-700納米的波長范圍內掃描入射光波長時,測量該玻璃中離開另一個光學拋光表面的透射光的強度與入射光強度的比(用透射光強度/入射光強度表示的透射比(在下文中稱為“光譜透射率”))。在這種情況下,具有使上述光譜透射率達80%(在下文中為“λ80”)處的波長為600納米或更短的透射比性能的玻璃是優(yōu)選的,具有使上述光譜透射率達80%處的波長為580納米或更短的透射比性能的玻璃是更優(yōu)選的,具有在上述光譜透射率達80%處的波長為560納米或更短的透射比性能的玻璃是更加優(yōu)選的。相似地,具有上述光譜透射率達70%(在下文中稱“λ70”)處的波長為510納米或更短的透射比性能的玻璃是優(yōu)選的,具有在上述光譜透射率達70%處的波長為490納米或更短的透射比性能的玻璃是更優(yōu)選的,具有在上述光譜透射率達70%處的波長為470納米或更短的透射比性能的玻璃是更加優(yōu)選的。而且,具有上述光譜透射率達5%(在下文中稱“λ5”)處的波長為410納米或更短的透射比性能的玻璃是優(yōu)選的,具有在上述光譜透射率達5%處的波長為400納米或更短的透射比性能的玻璃是更優(yōu)選的,具有在上述光譜透射率達5%處的波長為390納米或更短的透射比性能的玻璃是更加優(yōu)選的。在280-700納米之內的波長范圍內比λ80長的波長范圍中,光學玻璃II顯示大于80%的光譜透射率,在比λ70長的波長范圍中,光學玻璃II顯示大于70%的光譜透射率,在比λ5長的波長范圍中,光學玻璃II顯示大于5%的光譜透射率。當玻璃的厚度與上述值不同時,可以根據已知方法在樣品厚度的基礎上轉換光譜透射率。上述光譜透射率是除去玻璃表面上反射損失的值。
玻璃II優(yōu)選具有玻璃I的性能。
(玻璃I和玻璃II的共同點)下面將說明玻璃I和玻璃II的共同點。在下文中,將玻璃I和II統(tǒng)稱為“本發(fā)明的玻璃”。
在本發(fā)明的玻璃中,對折射率(nd)的上限沒有特別的限制。本發(fā)明玻璃的折射率(nd)優(yōu)選為在折射率(nd)為至少1.82但不高于2的范圍內,更優(yōu)選地在折射率(nd)為至少1.84但不高于2的范圍內。而且,盡管阿貝數(νd)的下限沒有特別規(guī)定,但可以使用17或更高的阿貝數(νd)作為下限的標準。
下面將說明本發(fā)明玻璃中組分的優(yōu)選含量。除非另有規(guī)定,否則下述%含量表示mol%含量。
P2O5的含量通常為10-35%,優(yōu)選15-30%,更優(yōu)選17-28%。當過量引入P2O5時,玻璃轉變溫度和軟化溫度升高,并且玻璃的耐候性下降。當P2O5的含量太小時,玻璃強烈地易于失透,并且不穩(wěn)定。
SiO2的含量理想地為0.5-4%,更理想地0.5-3%。SiO2具有如上所述的作用。當過量引入它時,SiO2原材料沒有完全溶解,從而以雜質的形式留在玻璃中。即,SiO2的含量可以是這樣一種含量,其中沒有未溶解的物質留在玻璃中,并且可以獲得預定的光學常數,可以使用上述含量作為標準。
當引入SiO2時,可以增加液相線溫度下的粘度,并可以使粘度達到2-20dPa·s,因此可以提高玻璃的熱坯材可成型性。
優(yōu)選的是只使用Li2O作為堿金屬氧化物,或優(yōu)選的是使用Na2O和/或K2O與Li2O一起作為堿金屬氧化物。在這種情況下,需要將堿金屬氧化物的總含量限制為低于如已說明的預定含量。
在上述限制的含量中,堿金屬氧化物的總含量理想地低于40%,更理想地38%或更低,理想地是至少6%,更理想地10%或更多,更加優(yōu)選地11%或更多。
而且,Li2O的含量優(yōu)選為2-25%,更優(yōu)選4-20%,更加優(yōu)選5-20%。Na2O的含量優(yōu)選為4-25%,更優(yōu)選為5-20%。K2O的含量優(yōu)選為0-15%,更優(yōu)選為1-8%。從提高精密模壓性的觀點看,理想的是引入至少2重量%的Li2O。
雖然B2O3是任選的,但B2O3對于提高玻璃的可熔性并使玻璃均化非常有效。同時,當少量引入B2O3時,改變玻璃中OH的鍵合性能,這對于在精密模壓的過程中防止玻璃起泡非常有效。因此,優(yōu)選的是引入0-15%的B2O3,更優(yōu)選的是引入1-12%的B2O3。
優(yōu)選地,引入總量為25-45mol%的Nb2O5、WO3、TiO2和Bi2O3以滿足玻璃作為精密模壓玻璃所需的各種條件,同時賦予玻璃預定的光學常數。
Nb2O5是對賦予玻璃高折射率和高色散性能有很大作用的重要組分。當Nb2O5的含量太大時,玻璃的可熔性和穩(wěn)定性下降,并且玻璃轉變溫度和軟化溫度(sag temperature)也升高,因此玻璃在精密模壓的過程中易于起泡或著色。當Nb2O5的含量太小時,賦予玻璃高折射率和高色散性能的作用下降。因此,Nb2O5的含量優(yōu)選為5-25%,更優(yōu)選10-25%,更加優(yōu)選12-23%。
WO3也是對賦予玻璃高折射率和高色散性能有很大作用的重要組分。而且,它還對降低玻璃轉變溫度和軟化溫度有作用。而且,WO3具有在精密模壓的過程中抑制坯材與壓模之間潤濕性的作用,因此在精密模壓中,它用于提高玻璃從模型中的脫模性。然而,當WO3的含量太大時,由本發(fā)明光學玻璃形成的精密模壓坯材易于著色,且玻璃的高溫粘度降低,因此難以通過使熔融的玻璃流出流出管路來成型坯材。因此,WO3的含量優(yōu)選為0-40%,更優(yōu)選大于0%但不大于40%,更加優(yōu)選0.1-40%,仍然更優(yōu)選2-40%,特別優(yōu)選2.5-30%。
TiO2也對提高玻璃的折射率和色散以及提高玻璃的穩(wěn)定性有作用。然而,當TiO2的含量太大時,玻璃的穩(wěn)定性和透射比性能下降,玻璃的玻璃轉變溫度、軟化溫度和液相線溫度急劇升高,并且在精密模壓的過程中玻璃易于著色。因此,TiO2的含量優(yōu)選為0-10%,更優(yōu)選1-10%,更加優(yōu)選2-8%。
Bi2O3也對提高玻璃的折射率和色散有作用,并且對提高玻璃的穩(wěn)定性和耐候性有作用。然而,當Bi2O3的含量太大時,在制造坯材的過程中玻璃易于失透并著色。因此,Bi2O3的含量優(yōu)選為0-15%,更優(yōu)選0.1-15%,更加優(yōu)選0.5-12%,仍然更優(yōu)選1-12%。
雖然,如上所述,Nb2O5、WO3、TiO2和Bi2O3是有用的組分,但是當這些組分的含量增加時,用于提高玻璃可熔性的堿金屬氧化物和B2O3的含量就相對降低。因此,當賦予玻璃高折射率和高色散性能時,易于使玻璃的可熔性下降。雖然SiO2是具有上述作用的組分,但是堿金屬氧化物和B2O3含量較低,特別是具有顯示高折射率或高色散的組成的含磷酸鹽玻璃根據在加熱下熔融配制的玻璃原材料的常規(guī)方法非常難以熔融,并且難以將SiO2引入這樣的玻璃中。上述玻璃中B2O3、Li2O、Na2O和K2O的總含量低于20重量%,特別低于17重量%,進一步低于15重量%的玻璃從性能方面來看是優(yōu)異的玻璃,但由于可熔性問題難以實現(xiàn)這樣一種玻璃。然而,根據后面描述的新的玻璃熔融方法,已經發(fā)現(xiàn)對精密模壓非常有用的本發(fā)明光學玻璃。將在后面詳細說明這種玻璃熔融方法。
下面將說明其它任選組分。
BaO是一種用于增加折射率(nd)、提高玻璃穩(wěn)定性并降低液相線溫度的組分。然而,當過量引入BaO時,玻璃的穩(wěn)定性下降,并且玻璃轉變溫度和軟化溫度升高,因此BaO的含量優(yōu)選為0-15%,更優(yōu)選0-12%,更加優(yōu)選0.1-12%。而且,當BaO與WO3時共存時,即使當WO3的含量增加時,BaO也能防止玻璃穩(wěn)定性下降,BaO也用于防止玻璃著色。因此,當含WO3時,優(yōu)選的是引入BaO。
即使當引入少量ZnO時,ZnO也用于增加折射率和色散,并用于降低玻璃轉變溫度、軟化溫度和液相線溫度。然而,當過量引入ZnO時,玻璃的穩(wěn)定性下降,液相線溫度也升高。因此,ZnO的含量優(yōu)選為0-12%,更優(yōu)選1-10%,更加優(yōu)選2-8%。
從熔融狀態(tài)玻璃的可成型性、特別是熱坯材成型性、精密模壓性和光學性能的觀點看,P2O5、SiO2、Li2O、Na2O、K2O、B2O3、Nb2O5、WO3、TiO2、Bi2O3、BaO和ZnO的總含量優(yōu)選為大于95%,更優(yōu)選大于98%,特別優(yōu)選為100%。
除這些組分之外,還可以引入La2O3、Y2O3、Gd2O3、ZrO2、Ta2O5、CaO、MgO、Cs2O等作為任選組分。然而,理想地,將各組分的含量限制為低于5%,優(yōu)選低于2%,并且將這些組分的總含量限制為低于5%,優(yōu)選低于2%。對于TeO2,需要將TeO2的含量限制為9重量%或更少,TeO2的含量優(yōu)選為2重量%或更少。當考慮毒性時,優(yōu)選的是將TeO2的含量限制為1重量%或更少,特別優(yōu)選的是排除TeO2。對于GeO2,需要將其含量限制為2重量%或更少,因為它是昂貴的原材料,所以理想的是將其含量限制為1重量%或更少。更理想地,不使用GeO2。而且,理想地,考慮到成本,不引入Ta2O5,盡管Ta2O5不如GeO2昂貴。
下面將說明為抗起泡和澄清作用而加入的澄清劑??梢允褂萌魏纬吻鍎?,只要它可以用于普通的光學玻璃即可。澄清劑的例子包括Sb2O3和As2O3。以玻璃組分的總量計,Sb2O3的量優(yōu)選為0-1%,更優(yōu)選0-0.9%。以玻璃組分的總量計,As2O3的量也優(yōu)選為0-1%,更優(yōu)選0-0.9%。當組合使用Sb2O3和As2O3時,它們的總量優(yōu)選為0-1%,更優(yōu)選0-0.9%。加入上述澄清劑以產生澄清作用或產生降低玻璃著色的作用,當其大量引入時,其在精密模壓的過程中會氧化并損壞壓模的成型面,因此將它的量限制為上述范圍??紤]到毒性,應該排除As2O3。因此,優(yōu)選的是使用Sb2O3作為澄清劑。
此外,雖然將PbO引入具有低溫軟化性能的常規(guī)高折射率玻璃中,但是需要從本發(fā)明的玻璃中排除PbO。之所以這樣做的原因是PbO有毒。另一個原因是要克服以下缺點。當在非氧化氣氛中進行精密模壓以防止由于氧化對壓模的成型面造成的損壞時,PbO被還原為沉積物Pb,而Pb粘附到上述成型面上或污染光學元件的表面。
而且,當不想進行著色時,需要排除構成著色劑的元素如Cr、Cd、Cu、Fe、Co、V等。
為了獲得預定的光學常數,優(yōu)選的是排除F(氟)等。
下面將說明本發(fā)明光學玻璃的玻璃轉變溫度(Tg)、軟化溫度(Ts)、液相線溫度(LT)和透射比性能。
從精密模壓性的觀點看,本發(fā)明玻璃的玻璃轉變溫度(Tg)優(yōu)選為540℃或更低,更優(yōu)選530℃或更低,更加優(yōu)選500℃或更低。
相似地,從精密模壓性的觀點看,本發(fā)明玻璃的軟化溫度(Ts)優(yōu)選為570℃或更低,更優(yōu)選550℃或更低,更加優(yōu)選540℃或更低。
為了成型熔融狀態(tài)的玻璃而不使其失透,特別是為了實施熱坯材成型,本發(fā)明玻璃的液相線溫度(LT)優(yōu)選為低于970℃,更優(yōu)選950℃或更低,優(yōu)選930℃或更低。
本發(fā)明的光學玻璃適合作為精密模壓用玻璃,雖然它作為用于通過研磨和拋光制造光學元件的玻璃材料也是優(yōu)異的。
由于上述玻璃組成,所以可以賦予高折射率和高色散性能,同時,使得更易于在液相線溫度下達到2dPa·s或更高的粘度(在下文中稱為“液相線粘度”)。當將液相線粘度調節(jié)至2dPa·s或更高時,可以在不使玻璃失透的溫度范圍下使熔融的玻璃流出,不使用任何切割刀片就可以將重量等于精密模壓坯材重量的熔融玻璃塊分離,并在通過施加空氣(氣體)壓力而使其飄浮的同時將該熔融玻璃塊成型為坯材。上述液相線粘度優(yōu)選為2-20dPa·s。
而且,由于引入SiO2,玻璃的穩(wěn)定性提高,也獲得了上述液相線粘度,因此可以極好地進行玻璃成型,特別是精密模壓坯材的熱成型。
光學玻璃I和光學玻璃II優(yōu)選包括含選自Nb2O5、WO3、TiO2或Bi2O3中的至少一種組分作為必要組分的光學玻璃,例如含P2O5、SiO2、堿金屬氧化物和Nb2O5的光學玻璃(此表述的意思是這些玻璃組分共存,下文同意),含P2O5、SiO2、堿金屬氧化物和WO3的光學玻璃,含P2O5、SiO2、堿金屬氧化物、Nb2O5和TiO2的光學玻璃,含P2O5、SiO2、堿金屬屬氧化物、Nb2O5和Bi2O3的光學玻璃,含P2O5、SiO2、堿金屬氧化物、Nb2O5、WO3和TiO2的光學玻璃,含P2O5、SiO2、堿金屬氧化物、Nb2O5、WO3和Bi2O3的光學玻璃,含P2O5、SiO2、堿金屬氧化物、Nb2O5、WO3、TiO2和Bi2O3的光學玻璃,含P2O5、SiO2、堿金屬氧化物、Nb2O5、TiO2和Bi2O3的光學玻璃和除了還含B2O3作為任選組分之外,與任何一個上述光學玻璃相同的光學玻璃。雖然后面將說明Nb2O5、WO3、TiO2和Bi2O3的作用,但這些組分在賦予玻璃高折射率和高色散性能方面都是優(yōu)異的。
至少使用Li2O作為堿金屬氧化物就足夠了。優(yōu)選的是只使用Li2O、組合使用Li2O和Na2O、組合使用Li2O和K2O或組合使用Li2O、Na2O和K2O。與Na2O和K2O相比,當少量引入時,Li2O用于降低玻璃轉變溫度和軟化溫度,因此使用Li2O作為賦予玻璃優(yōu)異精密模壓性的必要組分。
下面將說明制造光學玻璃的方法。本發(fā)明提供的制造光學玻璃的方法是制造含P2O5和SiO2作為玻璃組分的光學玻璃的方法,該方法包括加熱并熔融含SiO2的第一原材料,從而制造熔體,或者用所述的熔體制備碎玻璃料原材料,將含磷酸化合物的第二原材料、通過加熱并熔融所述的第二原材料獲得的熔體或用所述的第二原材料的熔體獲得的碎玻璃料原材料與所述第一原材料熔體或用所述的第一原材料的熔體獲得的碎玻璃料原材料混合,熔融該混合物并熔融所述的光學玻璃。
當試圖時一起加熱并熔融二氧化硅原材料和磷酸化合物時,難以在實用水平的溫度下熔融它們。當進一步升高加熱溫度以促進熔融時,鉑坩堝被腐蝕,因此,不但降低坩堝的壽命,而且鉑溶入玻璃中,從而導致玻璃著色。而且,當為了防止破壞鉑坩堝而在還原氣氛中進行熔融時,賦予高折射的組分如Nb2O5、TiO2、WO3等被還原,從而使玻璃著色。為了克服上述問題,單獨熔融SiO2原材料和磷酸化合物,然后加熱并熔融它們,從而制造用于作為成品的玻璃的均勻熔融玻璃。
在本發(fā)明中,將使用的玻璃原材料分類如下。
組1包括引入作為必要組分的SiO2用的原材料,例子有SiO2。
組2包括當與組1的原材料一起加熱并熔融時,容易形成均勻玻璃的原材料。組2原材料的例子包括B2O3,H3BO3,Al2O3,Na2CO3,NaNO3,K2CO3,KNO3,BaCO3,Ba(NO3)2,TiO2,Nb2O5等。
組3包括當與組1的原材料混合時,容易降低熔融溫度的原材料。然而,組3也包括不總是用于形成玻璃的原材料。組3包括B2O3、H3BO3、Li2CO3、LiNO3、Na2CO3、NaNO3、K2CO3、KNO3、BaCO3、Ba(NO3)2、WO3、Bi2O3、ZnO等。
組4包括也包括在組2和組3內的原材料。
組5包括用于引入作為玻璃組分的P2O5的原材料,是磷酸化合物。來自組5的原材料與組1中包括的原材料在形成均勻的玻璃中有困難,當混合這兩組的原材料時,發(fā)現(xiàn)熔融溫度不下降。組5包括H3PO4、BPO4、Al(PO3)3、LiPO3、NaPO3、Na3PO4、Na5P3O10、KPO3、Mg(PO3)2、Ca(PO3)2、Sr(PO3)2、Ba(PO3)2、Zn(PO3)2等。
除了這些之外,還有包括在組2但不包括在組3中的原材料(如Al2O3、TiO2、Nb2O5等,組6)和包括在組3但不包括在組2中的原材料(如WO3、Bi2O3、Li2CO3、LiNO3、ZnO等,組7)。
在本發(fā)明中的第一種方法中,在加熱下熔融組1和組4的原材料,從而制備熔體。然后,將組5中包括的原材料加入到上述熔體中,從而制備含SiO2和P2O5的熔融玻璃,將該熔融玻璃成型并冷卻,從而獲得光學玻璃。
在第二種方法中,在加熱下熔融組1和組4的原材料,從而制備熔融玻璃,將該熔融玻璃冷卻,從而制備碎玻璃料原材料。然后,在加熱下熔融上述碎玻璃料原材料和組5中包括的原材料,從而制備含SiO2和P2O5的熔融玻璃,將該熔融玻璃成型并冷卻,從而獲得光學玻璃。
在第三種方法中,在加熱下熔融組1和組4的原材料,從而制備熔融玻璃,將該熔融玻璃冷卻,從而制備碎玻璃料原材料。然后,在加熱下熔融組5中包括的原材料,從而制備熔融玻璃,將該熔融玻璃冷卻,從而制備碎玻璃料原材料。在加熱下熔融含上述2種碎玻璃料原材料的原材料,從而制備含SiO2和P2O5的熔融玻璃,成型并冷卻該熔融玻璃,從而獲得光學玻璃。
在第四種方法中,在加熱下熔融組5中包括的原材料,從而制備熔融玻璃,將該熔融玻璃冷卻,從而制備碎玻璃料原材料。將該碎玻璃料原材料加入到通過加熱并熔融組1和組4的原材料而制備的熔體中,在加熱下熔融該混合物,從而制備含SiO2和P2O5的熔融玻璃,成型并冷卻該熔融玻璃,從而獲得光學玻璃。
在第五種方法中,在加熱下熔融組1和組4的原材料,從而制備熔體。在加熱下熔融組5中包括的原材料,從而制備熔體。將上述熔體與此熔體混合并加熱,從而制備含SiO2和P2O5的熔融玻璃,將該熔融玻璃成型并冷卻,從而獲得光學玻璃。
當在加熱下熔融組1和組4的原材料時,可以加入組6或組7的原材料。而且,當在加熱下熔融組5的原材料時,可以組合組2、3或4的原材料。
上述方法優(yōu)選應用于其中堿金屬氧化物總量和B2O3量的總和低于20重量%的玻璃,更優(yōu)選應用于上述總和低于17重量%的玻璃,更加優(yōu)選應用于上述總和低于15重量%的玻璃。單獨或組合使用Li2O、Na2O和K2O作為堿金屬氧化物。在這種玻璃中,用于提高玻璃可熔性的組分如堿金屬氧化物、B2O3等的量小,因此在實用水平的加熱溫度下難以完全熔融SiO2原材料,當試圖獲得均勻的光學玻璃時,由于上述問題,導致玻璃的質量極大下降。然而,當采用上述方法時,可以制造高質量的光學玻璃。
而且,上述方法適合于制造含Nb2O5、WO3、TiO2和Bi2O3的總量為25-45mol%的玻璃。為了保持玻璃的穩(wěn)定性,作為形成玻璃網絡結構之組分的P2O5的量有下限,當Nb2O5、WO3、TiO2和Bi2O3的用量比升高時,用于提高玻璃可熔性的堿金屬氧化物、B2O3等的量降低。因此,可熔性降低。然而,在這種玻璃中,通過上述方法引入SiO2,因此可以制造高質量的光學玻璃。
而且,上述方法適合于制造阿貝數(νd)為30或更低的玻璃。為了賦予玻璃上述大的色散性能,需要提高賦予高色散性能之組分如Nb2O5、WO3、TiO2、Bi2O3等的量。而且,為了保持玻璃的穩(wěn)定性,P2O5的量有下限,因此用于提高玻璃可熔性的堿金屬氧化物、B2O3等的量降低。根據上述方法,即使玻璃具有30或更低的阿貝數(νd)、含P2O5和SiO2并具有低的可熔性,也可以制造高質量的光學玻璃。
上述方法也適合于制造折射率(nd)為1.70或更高,優(yōu)選1.82或更高的玻璃。賦予玻璃高色散性能的組分如Nb2O5、WO3、TiO2、Bi2O3等也是賦予玻璃高折射率的組分,因此像高色散玻璃一樣,玻璃的可熔性易于降低。然而,根據上述方法,即使玻璃具有1.70或更高的折射率(nd)、含P2O5和SiO2并且具有低的可熔性,也可以制造高質量的光學玻璃。
而且,上述方法適合于制造含0.5mol%或更多SiO2的玻璃。當與磷酸化合物相容性差的SiO2的含量達0.5mol%或更多時,玻璃的可熔性極大下降。然而,根據上述方法,可以制造均勻且高質量的光學玻璃。在上述方法中,為了獲得具有高折射率和高色散性能的均勻玻璃,優(yōu)選的是將SiO2的含量限制為4mol%或更少。引入約0.5-4mol%的SiO2對于提高玻璃的穩(wěn)定性、液相線粘度和著色度是更有效的。
而且,上述方法適合于制造本發(fā)明的光學玻璃。
在上述玻璃制造方法中,根據需要,已知的熔融方法可適用于沒有具體指出的方面。
下面將說明本發(fā)明的精密模壓坯材(在下文中稱為“坯材”)。坯材指的是在精密模壓前預成型以具有適合于精密模壓的形狀的玻璃成型材料,它具有的重量等于精密模壓產品的重量,并具有無缺陷如劃痕等的光滑表面。在精密模壓中,坯材的表面極可能直接形成為光學元件的光學功能表面,并且不僅需要具有高的內在產品質量,而且需要具有高的表面質量。
(坯材I)本發(fā)明的第一種坯材(在下文中稱為“坯材I”)是由上述本發(fā)明玻璃形成的。因此,坯材I具有本發(fā)明玻璃具有的各種性能。
坯材I優(yōu)選是這種坯材,即通過使熔融狀態(tài)的上述玻璃固化的方式形成其整個表面。而且,優(yōu)選地,該坯材的整個表面是由自由表面形成的。自由表面指的是這種表面,即熔融狀態(tài)的玻璃在被冷卻的過程中沒有與任何固體接觸而形成的表面,因此沒有將上述固體的表面轉移到玻璃的表面上。因為每個這樣坯材的整個表面都是光滑的,而且也沒有任何細微的拋光痕跡,所以可以通過精密模壓極高生產率地制造每個具有優(yōu)異表面的光學元件。
(坯材II)本發(fā)明的第二種坯材(在下文中,稱為“坯材II”)是這樣一種坯材,該坯材是由含P2O5、SiO2和堿金屬氧化物作為必要組分的光學玻璃形成的,SiO2含量為0.5-4mol%,折射率(nd)為1.80或更高,阿貝數(νd)為30或者更低,并且其整個表面是通過使熔融狀態(tài)的上述玻璃固化的方式形成的。
(坯材III)本發(fā)明的第三種坯材(在下文中,稱為“坯材III”)是這樣一種坯材,該坯材是由含P2O5、SiO2和堿金屬氧化物作為必要組分的光學玻璃形成的,SiO2含量為0.5-4mol%,折射率(nd)為1.80或更高,阿貝數(νd)為30或更低,并且其整個表面是由自由表面形成的。
在坯材II和III中,通過引入P2O5、SiO2和堿金屬氧化物產生的作用和限制SiO2含量的原因與對本發(fā)明玻璃說明的一樣。由于這些組分的作用和效果,能夠提供具有上述整個表面且沒有失透和紋影的均勻、高質量的坯材。而且,該坯材具有上面說明的表面,因此能夠極高生產率地制造由均具有優(yōu)異表面并具有高色散性能的玻璃形成的光學元件。
(坯材II和III的共同點)下面將說明坯材II和III的共同點。優(yōu)選地,這些坯材是由Nb2O5、WO3、TiO2和Bi2O3的總含量為25-45mol%,折射率(nd)為1.80或更高、優(yōu)選1.82或更高、更加優(yōu)選1.84或更高的玻璃形成的。
而且,優(yōu)選地,含B2O3作為任選組分,且堿金屬氧化物的總量和B2O3量的總和低于20重量%,更優(yōu)選低于17重量%,更加優(yōu)選15重量%。
而且,理想地,上述堿金屬氧化物包括Li2O,并優(yōu)選(1)Li2O,(2)Li2O和Na2O的組合和(3)Li2O、Na2O和K2O的組合中的一種。上述玻璃還可以含BaO、ZnO等。Li2O的含量優(yōu)選為2重量%或更多。
出于與本發(fā)明玻璃相同的原因,理想的是引入大于0mol%的WO3。
優(yōu)選地,將各組分的含量和組分的總含量調節(jié)至對上述本發(fā)明玻璃說明的范圍,優(yōu)選地,將澄清劑及其量和要排除的組分也按對上述本發(fā)明玻璃說明的設定。
本發(fā)明的坯材特別優(yōu)選的是包含于坯材I和坯材II的坯材、包含于坯材I和坯材III的坯材以及包含于所有坯材I-III的坯材中的任意一種。
(坯材I-III的共同點)下面將說明坯材I-III的共同點。在以下部分中,將坯材I-III稱為“坯材”。
考慮到在精密模壓中使坯材盡可能各向同性擴張的事實,以及透鏡的形狀具有旋轉對稱軸的事實,坯材的形狀優(yōu)選為球形形狀或具有一個旋轉對稱軸的形狀,這種透鏡在作為精密模壓產品主要應用的光學元件之中是尤其高度需要的。具有一個旋轉軸的形狀優(yōu)選如下。
在包括上述對稱軸的橫截面中,要考慮連接坯材輪廓線上的點和坯材重心的直線以及在輪廓線上上述點處與該輪廓線相切的切線。而且,優(yōu)選的是這樣一種形狀,其中由上述直線和切線形成的角度θ變化如下。即,在旋轉對稱軸和輪廓線的交點處θ為90°,隨著輪廓線上的點從交叉點開始移動,θ單調增加,然后逐漸單調下降,并在達到90°之后再單調下降。然后,θ逐漸單調增加并在旋轉對稱軸和輪廓線的另一交叉點處回到90°。在這種情況下,由于坯材是旋轉體,所以θ表現(xiàn)得與上面相同,并在開始點的交叉點處又逐漸達到90°。當將θ作為上述θ的補角時,θ表現(xiàn)為單調增加和單調下降互換。
當坯材具有上述形狀時,在精密模壓的過程中,在坯材與壓模之間截留環(huán)境氣體,可以降低造成有缺陷模塑的夾氣危險。為了進一步降低上述夾氣的危險,可以這樣成型坯材,即坯材表面的曲率大于壓模成型面的曲率。
坯材優(yōu)選具有40毫克-10克的重量。當坯材具有上述范圍的重量時,可以將熔融玻璃塊成型為坯材,同時通過向該玻璃塊施加空氣(氣體)壓力而使該玻璃塊飄浮。因此,可以高效地制造這樣的坯材,其每個的整個表面都是通過固化熔融狀態(tài)玻璃的方式形成的表面或其整個表面是自由表面。下面將說明取決于形狀的優(yōu)選重量范圍。當坯材為球形時,坯材的重量優(yōu)選為40-700毫克,更優(yōu)選100-400毫克。當坯材具有一個旋轉對稱軸時,坯材的重量優(yōu)選為300毫克-1O克。
而且,基于預定重量的重量精確度理想地為±2%或更小,更理想地±1%或更小,更加理想地±0.8%或更小。
用于成型坯材的玻璃的折射率(nd)、阿貝數(νd)、玻璃轉變溫度(Tg)、軟化溫度(Ts)和透射比性能可以按對本發(fā)明玻璃說明的設置。
下面將說明制造精密模壓坯材的方法。
本發(fā)明提供的制造坯材的第一種方法(在下文中,稱為“坯材制造方法I”)包括將具有預定重量的熔融玻璃塊與熔融狀態(tài)的光學玻璃分離,在該熔融玻璃塊冷卻為固體前,將上述熔融玻璃塊成型為重量等于上述重量的坯材,其中該光學玻璃是通過本發(fā)明中上述制造光學玻璃的方法制造的。
制造坯材的第二方法(在下文中,稱為“坯材制造方法II”)包括將具有預定重量的熔融玻璃塊與熔融狀態(tài)的玻璃分離,在該熔融玻璃塊冷卻為固體前,將上述熔融玻璃塊成型為重量等于上述重量的上述坯材I-III中的任意一種。
在上述坯材制造方法I和II中,優(yōu)選地,將上述熔融玻璃塊成型為坯材,同時通過向該熔融玻璃塊施加空氣(氣體)壓力而使該熔融玻璃塊飄浮。
將具有預定重量的熔融玻璃塊與熔融狀態(tài)玻璃分離的方法的例子包括以下方法。第一種方法是這樣一種方法,其中使以恒定流速流出流出管路的熔融玻璃流滴下。在此方法中,當施加在玻璃上的重量達到大于使熔融玻璃停留在上述管路前端上的力時,具有預定重量的玻璃滴從管路的前端落下。流動的玻璃以恒定的周期逐滴落下,從而一個一個地供給具有預定重量的熔融玻璃塊。而且,在此方法中,可以向在流出管路前端出現(xiàn)的熔融玻璃施加恒定的下向空氣(氣體)壓力。在這種情況下,可以使重量比不施加空氣(氣體)壓力而獲得的玻璃滴重量小的玻璃滴落下。
第二種方法是這樣一種方法,其中支承以恒定流速流出流出管路的熔融玻璃流的前端,在熔融玻璃流前端與熔融玻璃流管側部分之間由于表面張力形成狹窄的部分,按照預定定時除去上述支承,從而將由玻璃形成的熔融玻璃塊由狹窄部分至前端側分離出來。在此方法中,可以分離重量比第一種方法中重量大的熔融玻璃塊。
如上所述,通過使不使用任何切割刀片分離的玻璃塊漂浮而成型的坯材具有無切割痕跡的光滑表面,適合作為精密模壓坯材。
坯材的表面可以具有脫模膜,該膜用于在精密模壓的過程中提高坯材表面與壓模成型面之間的潤滑性,并提高精密模壓后的脫模性能。上述脫模膜的例子包括含碳膜如碳沉積膜和通過CVD形成的碳膜。優(yōu)選地,在與壓模接觸的坯材的那個表面上或坯材的整個表面上形成脫模膜。
下面,將說明本發(fā)明的光學元件。
本發(fā)明的第一種光學元件(在下文中,稱為“光學元件I”)是一種精密模壓產品,特征是由上述玻璃I和II中的任何一種形成的。
本發(fā)明的第二種光學元件(在下文中,稱為“光學元件II”)是一種通過精密模壓坯材I-III或通過坯材制造方法I或II制造的坯材中的任何一種獲得的光學元件。
上述光學元件包括,例如,各種透鏡如非球面透鏡、球面透鏡、微透鏡等、透鏡陣列、衍射光柵、帶有衍射光柵的透鏡、棱鏡、在其表面上賦予透鏡功能的棱鏡、濾光器等,盡管光學元件不限于這些。各種透鏡的形狀包括雙凸透鏡、雙凹透鏡、平凸透鏡、平凹透鏡、凸彎月形透鏡、凹彎月形透鏡、柱面透鏡等的形狀,從功能方面看,光學元件包括攝像系統(tǒng)用透鏡、光學攝像透鏡、準直透鏡、光通信透鏡等。然而,光學元件不限于這些。
可以在上述各種光學元件的表面上形成光學多層膜如減反射膜、部分反射膜、反射膜、波長相關反射膜、波長相關光吸收膜等。
下面將說明本發(fā)明提供的制造光學元件的方法。
第一種制造光學元件的方法(在下文中,稱為“光學元件制造方法I”)包括加熱并精密模壓精密模壓坯材,從而制造由光學玻璃I和II中任何一種形成的光學元件。
第二種制造光學元件的方法(在下文中,稱為“光學元件制造方法II”)包括加熱并精密模壓坯材I-III或坯材制造方法I制造的坯材中任何一種的步驟。
光學元件制造方法I和II中的每一種都可以使用將坯材引入壓模中,并一起加熱坯材和壓模的方法(在下文中,稱為“方法A”)和將加熱的坯材引入到壓模中,并精密模壓坯材的方法(在下文中,稱為“方法B”)中的任何一種。
實施例在下文中,將參考實施例進一步詳細說明本發(fā)明,雖然本發(fā)明并不受這些實施例的限制。
實施例1-13(1)稱量用于獲得具有表1-3中所示組成的玻璃的原材料,從而制備含二氧化硅原材料的原材料混合物和含磷酸化合物的原材料混合物。與二氧化硅原材料混合的原材料(在下文中稱為“原材料1”)是H3BO3、K2CO3和BaCO3,并且該含二氧化硅原材料的原材料混合物將作為玻璃組分的SiO2、B2O3、K2O和BaO引入到玻璃中。另一方面,通過混合Zn(PO3)2、LiPO3、NaPO3、TiO2、Nb2O5、WO3和Bi2O3制備含磷酸化合物的原材料(在下文中稱為“原材料2”)。
將原材料1放入鉑坩堝中,在電爐中加熱,在1,050-1,200℃下,在大氣中熔融并攪拌10-60分鐘,從而產生熔體。然后,將原材料2加入到上述熔體中,在1,050-1,150℃下、在大氣中,加熱、熔融、澄清并攪拌得到的混合物1.5-2.5小時,從而產生均勻的熔融玻璃??梢詫⑹③釄逵糜谌廴谏鲜霾AА?br>
然后,將上述熔融玻璃澆注到由碳制成的40×70×15毫米模具中,并逐漸冷卻至玻璃轉變溫度,此后,立即將玻璃放在退火爐中,在轉變溫度左右的溫度下退火1小時,并在退火爐中逐漸冷卻至室溫,從而產生光學玻璃。這樣獲得了實施例1-13中的光學玻璃。當通過顯微鏡目視放大并觀察每個這樣獲得的玻璃時,既沒有觀察到晶體析出,也沒有觀察到未熔融的原材料。
表1-3說明了折射率(nd)、阿貝數(νd)、玻璃轉變溫度(Tg)、軟化溫度(Ts)、液相線溫度(LT)、液相線粘度、λ80、λ70、λ5和比重,以及獲得的玻璃的組成。按以下方法進行性能測量。
(a)折射率(nd)和阿貝數(νd)測量以-30℃/小時的降溫速率逐漸冷卻獲得的光學玻璃。
(b)玻璃轉變溫度(Tg)和軟化溫度(Ts)
在4℃/分鐘的升溫速率下,用Rigaku Corporation提供的熱力學分析裝置測量。
(c)液相線溫度(L.T.)將50克玻璃樣品放在鉑坩堝中,在約1,100-1,200℃下熔融約15-60分鐘。然后,使一個玻璃樣品保持在880℃下,另一個保持在890℃下,還一個保持在900℃下,再一個保持在910℃下各2小時,冷卻這些玻璃樣品,并通過顯微鏡觀察存不存在晶體析出。將觀察不到晶體的最低溫度作為液相線溫度(L.T.)。
(d)液相線粘度基于“JIS Z 8803-1991‘測量液體粘度的方法’8.單一圓筒形旋轉粘度計測量粘度”按旋轉圓筒法,測量玻璃在液相線溫度處的粘度。
(e)比重通過阿基米德法測量。
表1
表2
表3 (2)然后,使澄清并均化的上述熔融玻璃以恒定的速率從鉑合金制成的管路中流出,其中管路的溫度調節(jié)至能夠使玻璃流出而沒有任何失透的溫度范圍,通過滴下法或下降分離法分離具有目標坯材重量的熔融玻璃塊,用在其底部設有噴氣口的接收用模具接收,并成形為精密模壓坯材,同時通過從噴氣口噴射氣體而使該玻璃塊漂浮并旋轉。調節(jié)并設定分離熔融玻璃的間隔以獲得直徑為2-30毫米的球形坯材。這樣獲得的坯材具有與設定值精確一致的重量,所有坯材都具有光滑的表面。這種坯材的形狀不限于球形,可以將該玻璃決成型為low-profile球形等的形狀。
(3)用圖1所示的壓力機精密模壓這樣獲得的坯材,從而產生非球面透鏡。具體地說,將坯材4放在構成壓模的下模部件2與上模部件1之間,將氮氣氣氛引入石英管11中,將加熱器12通電,從而加熱石英管11的內部。將壓模內部的溫度設定為該玻璃顯示108-1010dPa·s粘度的溫度,在保持此溫度的同時,使壓桿13向下移動以壓制上模部件1,因此壓制在壓模中設置的坯材4。將壓制用壓力調節(jié)為8MPa,壓制用時間周期調節(jié)為30秒。壓制后,除去壓制用壓力,在通過模壓獲得的玻璃模制產品與下模部件2和上模部件1接觸的狀態(tài)下,逐漸將該玻璃模制產品冷卻至上述玻璃具有1012dPa·s或更大粘度的溫度。然后,將該玻璃模制產品迅速冷卻至室溫,將其從壓模中取出,從而產生非球面透鏡。以上述方式獲得的非球面透鏡是具有明顯高的表面精度的透鏡。使用由SiC形成并具有配備含碳脫模膜的成型面的壓模作為上述壓模。在圖1中,數字3指的是套筒模具部件,數字9指的是支承桿,數字10指的是支承平臺,數字14指的是熱電偶。
通過精密模壓獲得的非球面透鏡物均可以根據需要配有減反射膜。
根據另一方法精密模壓類似的坯材。在此方法中,在使坯材漂浮的同時,將坯材預熱至構成該坯材的玻璃具有108dPa·s粘度的溫度。獨自地,將由SiC形成、具有配有含碳膜的成型面、并具有上模型部件、下模型部件和套筒部件的壓模加熱至上述玻璃顯示109-1012dPa·s粘度的溫度,將預熱的坯材引入壓模中,進行精密模壓。將壓制用壓力設定為10MPa。當壓制開始時,開始冷卻壓模,持續(xù)冷卻直至模制玻璃具有1012dPa·s或更高的粘度,將模制產品從模具中取出,從而產生非球面透鏡。以上述方式獲得的非球面透鏡是具有明顯高的表面精度的透鏡。
通過精密模壓獲得的非球面透鏡可以根據需要配以減反射膜。
在上述方式中,非常高生產率且非常精確地制造由玻璃形成的高質量光學元件。
對比例1和2
準備原材料以獲得具有表4所示組成的玻璃,按以下方法制造光學玻璃。
混合原材料1和原材料2,試圖在與實施例1-13中相同的條件下熔融各混合物。然而,在對比例1和2中,混合物沒有均化,沒有獲得光學玻璃。
表4
產業(yè)應用性本發(fā)明的光學玻璃是一種具有非常有用光學性能如高折射率和高色散性能的含磷酸鹽光學玻璃,具有高的穩(wěn)定性,同時保持精密模壓性。本發(fā)明提供的由上述光學玻璃形成的光學元件例如可用作各種透鏡如非球面透鏡、球面透鏡、微透鏡等、透鏡陣列、衍射光柵、帶有衍射光柵的透鏡、在其表面上帶有透鏡功能的棱鏡、濾光器等。
權利要求
1.一種光學玻璃,含P2O5、SiO2和Li2O作為必要組分,含Na2O和K2O作為任選組分,其Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)摩爾比為1/3-1,阿貝數(vd)為30或更低。
2.權利要求1的光學玻璃,其折射率(nd)為1.80或更高。
3.一種光學玻璃,含P2O5、SiO2和Li2O作為必要組分,具有這樣的透射比性能,即當使光垂直進入厚度為10.0±0.1mm玻璃樣品的兩個平面且相互平行的光學拋光表面中的一個并使光從另一個表面離開時,用透射光強度與入射光強度之比(透射光強度/入射光強度)表示的透射比達70%處的波長為510納米或更短,折射率(nd)為1.80或更高,阿貝數(vd)為30或更低,液相線溫度低于1,000℃。
4.權利要求1-3中任一項的光學玻璃,其含選自Nb2O5、WO3、TiO2或Bi2O3中的至少一種組分。
5.權利要求1-4中任一項的光學玻璃,其是用于精密模壓的玻璃。
6.一種制造含P2O5和SiO2作為玻璃組分的光學玻璃的方法,該方法包括加熱并熔融含SiO2的第一原材料,從而制造熔體,或用所述的熔體制備碎玻璃料原材料,將含磷酸化合物的第二原材料、通過加熱并熔融所述第二原材料獲得的熔體或由所述第二原材料的熔體獲得的碎玻璃料原材料與所述的第一原材料的熔體或由所述第一原材料的熔體獲得的碎玻璃料原材料混合,熔融該混合物并熔融所述的光學玻璃。
7.一種精密模壓坯材,是由權利要求5的光學玻璃形成的。
8.一種精密模壓坯材,該坯材是由含P2O5、SiO2和包括Li2O的堿金屬氧化物作為必要組分,SiO2含量為0.5-4mol%,折射率(nd)為1.80或更高,阿貝數(vd)為30或更低的光學玻璃形成的,其整個表面是通過固化熔融狀態(tài)的所述玻璃而形成的或是自由表面。
9.一種制造精密模壓坯材的方法,該方法包括將具有預定重量的熔融玻璃塊與熔融狀態(tài)的玻璃分離,在所述的熔融玻璃塊冷卻固化之前,將所述的熔融玻璃塊成型為重量等于所述重量的權利要求7或8的坯材。
10.一種制造精密模壓坯材的方法,該方法包括將具有預定重量的熔融玻璃塊與熔融狀態(tài)的光學玻璃分離,該光學玻璃是通過如權利要求6中所述的制造光學玻璃的方法制造的,在所述的熔融玻璃塊冷卻固化之前,將所述的熔融玻璃塊成型為重量等于所述重量的坯材。
11.一種光學元件,是由權利要求1-5中任一項的光學玻璃形成的。
12.一種制造光學元件的方法,該方法包括精密模壓由玻璃形成的坯材,其中精密模壓的是權利要求7或8的精密模壓坯材。
13.一種制造光學元件的方法,該方法包括精密模壓由玻璃形成的坯材,其中精密模壓的是通過權利要求9或10的方法制造的精密模壓坯材。
14.如權利要求12或13中所述的制造光學元件的方法,其中將精密模壓坯材引入壓模中,一起加熱所述的坯材和所述的壓模。
15.如權利要求12或13中所述的制造光學元件的方法,其中將加熱的精密模壓坯材引入壓模中,以精密模壓該坯材。
全文摘要
提供一種光學玻璃,該光學玻璃具有含磷酸鹽的組成,可以實現(xiàn)包括高折射率和高色散性能在內的極其有用的光學性能;一種光學玻璃,含作為必要組分的P
文檔編號C03B19/00GK1669965SQ200510055859
公開日2005年9月21日 申請日期2005年3月15日 優(yōu)先權日2004年3月15日
發(fā)明者藤原康裕, 鄒學祿 申請人:Hoya株式會社