高折射高色散光学玻璃的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学玻璃，特别是涉及一种高折射高色散光学玻璃。
【背景技术】
[0002] 随着精密光学仪器、光信息通讯、光电子产品等领域的飞速发展，具有高折射率高 色散性能的光学玻璃受到广泛关注，其要求也越来越高。在光学设计和光通信中，折射率在 1.79以上的光学玻璃对简化光学系统、提高成像质量有着十分重要的意义，并对光学系统 进一步小型化、对光通信技术的进步有着深远的意义。通常镜头材料的折射率越高，透镜就 能够设计得越薄，焦距越大，透镜组合间的距离就越小，光学产品的光学系统就可以设计得 越薄。由于透镜在不同波长的光焦距不同，因此放大率不同，点光源的不同色光在像平面上 不能够汇聚到同一点，造成成像的模糊，而利用不同折射率、不同色散的玻璃组合，可以消 除不同波长造成的色差，采用这种技术制造的相机镜头称为消色差镜头。
[0003]高折射高色散光学玻璃具有良好的光学均匀性、化学稳定性、高的机械强度和硬 度。在移动通信、数码相机的成像系统中，采用高折射率光学玻璃的模压技术制作的微透 镜，可以大幅度提高分辨率，在大数字孔径、消像差光学系统，采用特高折射率光学玻璃可 以简化光学系统，提高成像质量，如用于照相机、高倍显微镜、望远镜、变倍系统等方面，并 且高折射率玻璃在表观上具有更明亮的效果，可用于高档工艺品及珠宝饰品。因此，高折射 率高色散光学玻璃可广泛应用于各种光学仪器及产品的制造中，在国防建设及国民经济建 设中具有重要作用。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种能够用于消色差镜头、微透镜或高档工艺 品及珠宝饰品的具有高折射高色散的光学玻璃。
[0005] 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，其重量百分 比组成包括：Si〇26~25wt%;Ti〇2 20~45wt%;Ba0 15~45wt%;Ca0 1 ~6wt%;R2〇3 2~ 15wt%，其中，R2O3为La2〇3、Y2〇3、Nd2〇3 中的一种或多种。
[0006] 进一步的，还包括：Zr〇20~8wt% ;AI2O30~8wt% ;B2O30~8wt%，ZnO0~ 4wt% ;R2〇 0~3wt%，其中，R2〇为Na2〇、K2〇中的一种或两种。
[0007] 进一步的，其中，Zr〇22~5wt%和/或AI2O31~4wt%和/或B2O32~5wt%和/或 ZnO 0~3wt%和/或R2O 0~2wt%。
[0008] 进一步的，其中，（R20+R0)/B2O3摩尔比大于1，R0为BaO、CaO、ZnO中的一种或多种。
[0009] 进一步的，其中，Si〇28~20wt%和/或Ti〇230~40wt%和/或BaO20~40wt%和/ 或CaO2 ~3wt% 和/或R2O32 ~10wt%。
[0010] 进一步的，其中，Ti〇2/BaO的摩尔比小于1.96。
[0011 ]进一步的，其中，不含有PbO、CdO、As2〇3和Ta2〇5。
[0012]进一步的，所述玻璃的折射率为1.79~1.99。
[0013] 进一步的，所述玻璃的中部色散为0.025~0.055。
[0014]本发明的有益效果是:本发明通过对光学玻璃的组分及其含量进行合理选择，得 到了一种高折射高色散的光学玻璃材料，并获得了良好的光学均匀性、化学稳定性以及较 高的机械强度和硬度，使光学材料综合性能达到最佳;本发明组分中不含有铅、镉、砷、铊等 氧化物，不会对人体及环境造成污染。本发明的光学玻璃适用于消色差镜头、微透镜或高档 工艺品及珠宝饰品，且由于具有较高的色散，在表观上具有更明亮丰富的色彩效果。
【具体实施方式】
[0015] 本发明通过对组成的合理设计得到高折射率高色散的玻璃材料，并获得了较高的 硬度、化学稳定性、机械强度和硬度;通过合理的熔炼及成型工艺获得均匀性良好的光学玻 璃;通过对熔炼气氛的控制，抑制玻璃中钛离子的着色，从而形成无色透明的光学玻璃，使 材料综合性能达到最佳。
[0016] 下面将详细描述一下本发明的组成成分及其作用，需要注意的是，如无特别说明， 以下组分都是以重量百分比表示。
[0017]Si02是玻璃形成体氧化物，以硅氧四面体的结构单元形成不规则的连续网络，是 形成光学玻璃的骨架。当Si02含量小于6wt%时，玻璃容易析晶，不能形成透明的玻璃;但当 Si02的含量高于25wt%时，会降低玻璃的折射率，因此，Si02的含量范围为6~25wt%，优选 为8~20wt%。
[0018] 在高钛含量的玻璃结构中，Ti4+主要是以[Ti04]形式形成玻璃网络结构，可以使玻 璃的折射率得到较大的提高，当没有更多的氧离子使Ti4+形成[Ti04]参加玻璃网络时，则有 部分[Ti06]存在于玻璃网络之外，会使玻璃结构疏松，导致密度变小、膨胀系数变大、折射 率降低。同时，Ti02引起玻璃的着色易受到玻璃的酸碱性、熔化气氛及熔制温度等因素的影 响。在氧化气氛中或在配合料中添加适当的氧化剂，可以使着色离子向高价方向转化，因 此，本发明的Ti02的含量范围为20~45wt%，优选为30~40wt%;同时，如果当玻璃系统中 存在Ba0、Zr02时，可促进Ti02转变为[Ti04]四面体。因此本发明采用Ti02、Ba0、Zr02作为提高 玻璃折射率的氧化物引入，Ba在碱土金属中，原子序数和离子半径最大，容易被极化，在一 定范围内能够显著地升高玻璃的折射率，但当Ti02/Ba0摩尔比大于1.96时，析晶倾向明显 增大，因此，Ti02/Ba0摩尔比小于1.96，BaO的含量范围为15~45wt%，优选为20~40wt%。 [0019]Zr02只有立方体[Zr06]-种配位，其能够提高玻璃的折射率，但由于其在玻璃网络 结构中的溶解度很小，超出一定量后容易导致玻璃发生析晶。经过发明人的研究发现，当 Zr02的含量范围低于8wt%时，所得到的玻璃较好，优选含量为2~5wt%。
[0020] 以Ti〇2-Si〇2-BaO系统为基础成分引入0&0、1?20、2抑2，可得到高折射率、低色散、低 密度的光学玻璃。本发明中，CaO引入1~6wt%比较合适，优选为2~3wt%。
[0021] 对于无碱硅酸盐玻璃中，如果不含R20或R20<2wt%时，玻璃具有很高的化学稳定 性和强度，其中，R2〇为Na2〇、K2〇中的一种或两种，R2〇的总含量不超过3wt%，优选为0-2wt% 〇
[0022] Al2〇3的引入可以大大降低玻璃的析晶性能，并可以提高玻璃的强度及硬度，并且 Al2〇3的存在使得玻璃在三维相图中的成型范围增大，增强玻璃的化学稳定性，同时可提高 玻璃的透明度等。本发明的Al2〇3的含量限定为0~8wt%，优选为1~4wt%。
[0023]B2〇3和ZnO的引入可以提高玻璃的化学稳定性，B3+在玻璃中的配位状态首先取决 于玻璃中R2〇或R0的摩尔分数，其中，R0指Ba0、Ca0、Zn0中的一种或多种，两者共同起提供游 离氧的作用，只有当摩尔比（R2〇+R〇)/B20大于1的情况下，R20或R0才能提供足够的游离氧使 B3+形成[B04]，而当（R20+R0)/B203〈1时，游离氧不足，将使[B04]分裂成[b03]，降低玻璃的折 射率。Zn2+形成[Ζη06]配位体比形成[Zn04]时玻璃结构更紧凑，但是[Zn04]含量会随碱金属 含量的增大而增大，因此ZnO含量过高会增大玻璃的析晶倾向，从而影响玻璃的透过率并降 低玻璃的折射率。本发明中，B2〇3的含量为0~8wt%，优选为2~5wt%;Zn0的含量限定为0~ 4wt%，优选为0~3wt%。
[0024]稀土氧化物R2〇3均有较高的折射率加和系数(不同原料对折射率的贡献大小不同， 加和系数越高的原料引入越多，玻璃的折射率越高），同时为Al2〇3、Ti02提供游离氧，其中， R2〇3为Y2〇3、La2〇3、Nd2〇3中的一种或多种。本发明中R2〇3的总含量限定为2~15wt%，优选为2 ~10wt%〇
[0025]本发明的光学玻璃的制备方法，包括以下步骤:选定玻璃配方，按照表1中的成分 对应原料的重量百分比称量，充分混合后加入铂金坩埚内，在1400~1450°C下熔化并注意 气氛控制、澄清、均化后降温;将熔融的玻璃液浇注入预热到200°C左右的金属模具中成型， 并通入循环冷却空气，确保玻璃不析晶；将注入预热后的金属模的熔融玻璃同金属模具一 起放入退火炉内保温退火，然后断电随炉冷却，得到不析晶、不失透的玻璃。
[0026]本发明玻璃的实施例及测试指标如下：
[0027]折射率是指光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比值，色散代表 不同波长的谱线折射率的差。其中nF-nC称为中部色散，nd、nF、nC分别指d光(587.56nm)、F 光(486.13nm)、C光(656.28nm)在介质中的折射率。
[0028]表1
[0031]从上述实施例1-10可以看出，本发明的光学玻璃的折射率nd为1.79~1.99,中部 色散为0.025~0.055，完全满足工艺品、珠宝饰品及消色差透镜使用要求。
【主权项】
1. 高折射高色散光学玻璃，其特征在于，其重量百分比组成包括:Si02 6~25wt% ;Ti〇2 20~45wt%;BaO15~45wt%;CaO1 ~6wt%;R2〇3 2~15wt%，其中，R2O3为La2〇3、Y2〇3、 Nd2〇3中的一种或多种。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，还包括:Zr020~ AI2O30~8wt% ;B2〇3 0~8wt%，ZnO0~4wt% ;R2〇 0~3wt%，其中，R2O为Na2〇、K2〇中的一 种或两种。3. 如权利要求2所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于，其中，Zr022~5wt%和/或 AI2O31~4wt%和/或B2O32~5wt%和/或ZnO 0~3wt%和/或R2O0~2wt%。4. 如权利要求2所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于，其中，（R20+R0)/B203摩尔 比大于l，R〇为BaO、CaO、ZnO中的一种或多种。5. 如权利要求1或2所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于，其中，Si028~20wt% 和/或Ti0230~40wt%和/或BaO20~40wt%和/或CaO2~3wt%和/或R2O32~10wt%。6. 如权利要求1或2所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于，其中，Ti02/Ba0的摩尔 比小于1.96。7. 如权利要求1或2所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于，其中，不含有PbO、CdO、 AS2O3取ITa2〇5。8. 如权利要求1或2所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于，所述玻璃的折射率为 1.79~1.99〇9. 如权利要求1或2所述的高折射高色散光学玻璃，其特征在于，所述玻璃的中部色散 为0.025~0.055。
【专利摘要】本发明提供一种能够用于消色差镜头、微透镜或高档工艺品及珠宝饰品的具有高折射高色散的光学玻璃。高折射高色散光学玻璃，其重量百分比组成包括：SiO2？6～25wt％；TiO2？20～45wt％；BaO？15～45wt％；CaO？1～6wt％；R2O3？2～15wt％，其中，R2O3为La2O3、Y2O3、Nd2O3中的一种或多种。本发明通过对光学玻璃的组分及其含量进行合理选择，得到了一种高折射高色散的光学玻璃材料，并获得了良好的光学均匀性、化学稳定性以及较高的机械强度和硬度，使光学材料综合性能达到最佳；本发明组分中不含有铅、镉、砷、铊等氧化物，不会对人体及环境造成污染。
【IPC分类】C03C4/00, C03C3/068, C03C3/062, C03B5/235
【公开号】CN105461222
【申请号】CN201610017725
【发明人】胡斌, 于天来, 王培新, 苏学剑
【申请人】成都光明光电有限责任公司
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2016年1月12日