專利名稱：不含鉛與砷的光學(xué)鑭燧石玻璃的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不含鉛與砷的光學(xué)鑭燧石玻璃，所述不含鉛與砷的光學(xué)鑭燧石玻璃的特征在于其光學(xué)位置的折射能力為1.73≤nd≤1.82、Abbé值為43≤vd≤53和其用途。
在所謂的“光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸”領(lǐng)域中，市場(chǎng)的發(fā)展日益傾向于仍然有效并且因此能夠達(dá)到越來(lái)越高的數(shù)據(jù)傳輸率的較小裝置。此傾向也存在于成像、數(shù)字投影、照相平版印刷術(shù)、激光技術(shù)、晶圓/晶片技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，也用于電信、光學(xué)通信工程技術(shù)及機(jī)動(dòng)車部分中的光學(xué)/照明。
另外，在此應(yīng)用領(lǐng)域的所有部分中，傳統(tǒng)的“只讀技術(shù)”已經(jīng)越來(lái)越多地被“讀取&寫入技術(shù)”所取代。因此，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求和由此對(duì)光學(xué)材料的要求正在改變。
雖然以單色模式中兩個(gè)時(shí)空嚴(yán)格分離的操作模式(寫入和相應(yīng)的讀取)的分離為基礎(chǔ)可以操作“只讀技術(shù)”并且因此可以使用具有相同波長(zhǎng)的光來(lái)進(jìn)行寫入過(guò)程以及讀取過(guò)程(所述讀取過(guò)程僅可以在以后的操作中進(jìn)行)，但這點(diǎn)對(duì)于“讀取&寫入技術(shù)”來(lái)說(shuō)是不可能的。在此關(guān)鍵點(diǎn)，“寫入射流”的波長(zhǎng)必須與“激光射流”的波長(zhǎng)相差約至少2至5nm至更低的值。另外，在一個(gè)光頭中的兩個(gè)模式并非都可在所述裝置中操作。如果必須具有寫入頭和讀取頭，那么此意思是必須將兩個(gè)不同的頭組合在一個(gè)裝置中，并且技術(shù)努力以及另外這些裝置的尺寸和至少成本都將是不可接受的。
波長(zhǎng)的區(qū)別是由在光學(xué)系統(tǒng)中分離讀取和寫入射流的必要性所產(chǎn)生，以排除由干涉效應(yīng)和低亮度級(jí)效應(yīng)造成的重要像差。在維持必須的總分離的同時(shí)所能保持的兩個(gè)波長(zhǎng)差越低，則越容易實(shí)現(xiàn)此光學(xué)系統(tǒng)。在此狀況下，術(shù)語(yǔ)“容易”涉及必須的光學(xué)組件的量和由此模組的最小總尺寸以及成本。
然而，對(duì)于完全區(qū)分來(lái)說(shuō)可能必須的最小波長(zhǎng)差取決于光學(xué)系統(tǒng)中玻璃組件的色散。色散越高(并且因此Abbé系數(shù)越低)，則兩個(gè)相應(yīng)的單色射流散開得越遠(yuǎn)并且分別加寬，直到其最終干涉為止，這點(diǎn)與所追求的區(qū)分矛盾。相反，這點(diǎn)對(duì)于具有此應(yīng)用強(qiáng)度的玻璃來(lái)說(shuō)意思是隨著色散的減少，僅可轉(zhuǎn)換低的波長(zhǎng)差，這點(diǎn)對(duì)應(yīng)于所追求的廉價(jià)產(chǎn)品的強(qiáng)度。
除了此改進(jìn)外，由低色散而產(chǎn)生了另外的改良以原則上絕對(duì)項(xiàng)相同的波長(zhǎng)差為基礎(chǔ)可以使用確實(shí)較低的波長(zhǎng)來(lái)工作。通常，隨著波長(zhǎng)的衰減，色散對(duì)于射線具有較高的影響。
與低色散的玻璃類型相比，除了色散越高常規(guī)玻璃的最小波長(zhǎng)差越大的缺點(diǎn)外，也存在絕對(duì)波長(zhǎng)會(huì)不符要求地增加的缺點(diǎn)?？紤]到完全系統(tǒng)的應(yīng)用，低絕對(duì)波長(zhǎng)的操作區(qū)域也是有利的操作波長(zhǎng)越低，則所形成的可以達(dá)到的信息存儲(chǔ)密度就越高(與數(shù)據(jù)載體材料的面積的單位有關(guān))。除了最大化的信息密度之外，也通過(guò)更短的方式(即縮短的方式)來(lái)最優(yōu)化存取時(shí)間。
并且，折射能力的位置對(duì)此完全系統(tǒng)的實(shí)際性能具有重要影響實(shí)際的“攝像透鏡”根據(jù)其折射能力來(lái)定義所組合的寫入讀取射流的絕對(duì)波長(zhǎng)操作區(qū)域以及所述系統(tǒng)的焦距。就焦距來(lái)說(shuō)，相互關(guān)系如下此系統(tǒng)的焦距越小，則幾何尺寸越小，其直接導(dǎo)致了組件尺寸較小并且因此質(zhì)量較大、成本較高。因此，在重要的波長(zhǎng)范圍中需要較高的折射能力。
此外，此對(duì)于所有上述應(yīng)用領(lǐng)域的光學(xué)組件來(lái)說(shuō)是可進(jìn)行比較的。高折射能力的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將 “攝像透鏡”涂覆成非球面的能力在操作波長(zhǎng)下玻璃的透射性能越低，則系統(tǒng)中的光輸出越差。光強(qiáng)度對(duì)于系統(tǒng)的寫入讀取質(zhì)量具有直接的影響。光輸出越差，則光源的效率必須越高，并且歸因于此點(diǎn)，必須存在若干額外的制冷設(shè)備組，從而導(dǎo)致產(chǎn)生不可接受的范圍的成本和消費(fèi)。
已知在所有光學(xué)系統(tǒng)的波長(zhǎng)工作范圍內(nèi)具有高透射率尤為重要。在工作波長(zhǎng)下玻璃的透射率越低，則系統(tǒng)的光輸出越差。然而，照明度直接進(jìn)入系統(tǒng)的寫入讀取質(zhì)量。照明度越差，則光源的效率必須越高，借此再次需要額外的冷卻單元，從而隨后導(dǎo)致產(chǎn)生不可接受的范圍的成本和消費(fèi)。
除光值外，也為用于上述應(yīng)用中的玻璃指定物理和化學(xué)參數(shù)。這些參數(shù)為低比重和良好被覆性能，而這兩個(gè)條件使得將玻璃的組合物限定為所定義的組分。
這些系統(tǒng)的光學(xué)材料的比重非常重要。作為所組合的寫入讀取頭的一個(gè)組件的“攝像透鏡”為所述系統(tǒng)的可移動(dòng)元件。所述寫入讀取頭為在數(shù)據(jù)載體上傳輸實(shí)際數(shù)據(jù)而移動(dòng)。因此，存取時(shí)間和磁道密度取決于所述寫入讀取頭快速且精確定位的可能性。因此，玻璃增效組分的比重越大，則可移動(dòng)單元的質(zhì)量就越大，而因此所述可移動(dòng)單元就變得更遲鈍并且因此定位變得更緩慢。歸因于此點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明的玻璃的比重應(yīng)該較低。
對(duì)于許多應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，減少根據(jù)本發(fā)明的玻璃的可移動(dòng)單元的質(zhì)量非常重要。透鏡系統(tǒng)的“操作靈活性”對(duì)于(例如)攝影術(shù)、投影和將來(lái)的玻璃纖維技術(shù)和玻璃增效組分技術(shù)(例如，用于如(舉例來(lái)說(shuō))光學(xué)膝上型計(jì)算機(jī)的可移動(dòng)光學(xué)計(jì)算機(jī)的領(lǐng)域中)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)。
攝像透鏡的非球面涂層為有機(jī)化學(xué)類，如光學(xué)透鏡和棱鏡的普通涂層。為了獲得光學(xué)層在基性玻璃上的充分結(jié)合，玻璃材料應(yīng)含有能夠允許牢固地結(jié)合到有機(jī)材料的組分。
關(guān)于涉及熔體/熱成型的材料隊(duì)伍方面，對(duì)所謂的“短性”玻璃存在日益增加的需求，借此這些為粘度取決于溫度而變得不一樣強(qiáng)的玻璃。此態(tài)度展示了在用于熱成型的時(shí)間的過(guò)程期間的優(yōu)點(diǎn)；可縮短“形成合適狀態(tài)的時(shí)間(form fit time)”。因此，生產(chǎn)量增加并且同時(shí)小心地處理成型材料，這點(diǎn)對(duì)于總生產(chǎn)成本具有非常積極的影響。并且，可以更好地處理具有更強(qiáng)結(jié)晶梯度的玻璃，因?yàn)橛捎谏a(chǎn)量較高可使得更快速的冷卻成為可能。因此，避免了“長(zhǎng)性”玻璃所發(fā)生的問(wèn)題，如在二次熱成型中具有下列困難的預(yù)晶核化。
背景技術(shù)：
先前技術(shù)描述了不能滿足上述要求的玻璃。實(shí)際上，這些玻璃展示出了顯著的缺陷日本專利說(shuō)明書JP 08-059282描述了硼酸鑭玻璃系統(tǒng)，其具有降低的處理溫度以用于精確熱成型(即一次熱成型步驟中的目標(biāo)幾何精密熱成型)的目的。這些玻璃在結(jié)晶化過(guò)程中并非很穩(wěn)定，并且具有非常依賴于溫度的粘度。為了此目的，這份文獻(xiàn)的玻璃含有總數(shù)多達(dá)12.5w/w的堿金屬氧化物(普通助熔劑)，同時(shí)強(qiáng)制性地具有多達(dá)2.5w/w的LiO2。應(yīng)用這些組分實(shí)現(xiàn)了前面所述的在這些玻璃中使結(jié)晶穩(wěn)定性降低。
DE 3102690涉及含有大量鈮的硼酸鑭玻璃，其具有高折射能力并且同時(shí)Abbé系數(shù)非常低，即鑭重燧石型玻璃。在文獻(xiàn)JP 56-160340及JP50-014712中描述了類似的玻璃。如果硼酸鹽含量(用于玻璃基質(zhì)的穩(wěn)定化)對(duì)于所要的折射能力位置來(lái)說(shuō)太高，那么必須使用高含量的昂貴的組分，這是不利的行為。
根據(jù)DE 3102690，由于折射能力增加，所以使用了多達(dá)8w/w的PbO，此對(duì)于身體健康和環(huán)境來(lái)說(shuō)是有害的。
JP 61-012856揭示了用于在UV范圍內(nèi)具有高透射率的攝影術(shù)的玻璃。所述玻璃涉及具有氧化錫(多達(dá)4w/w)和氧化鐿(多達(dá)35w/w)的強(qiáng)制性部分的硼酸鑭玻璃系統(tǒng)(La2O3，20-50w/w；B2O3，17-45w/w)。由于這些組分，預(yù)期所述玻璃將較貴。
DE 1061976描述了含有大量鑭(La2O3，22.5-85w/w)以達(dá)到高折射指數(shù)的玻璃，但對(duì)能獲得硼酸鹽(B2O3，2.5-45w/w)的基質(zhì)設(shè)定了另外的值，所述基質(zhì)除了包含鑭外還含有大量硅石(SiO2，5-40w/w)。然而，硅石會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生結(jié)晶問(wèn)題，并且玻璃完全不能滿足當(dāng)前的適用性要求。
日本文獻(xiàn)JP 52-063211涉及高色散的鑭重燧石玻璃，其含有至少2重量％的TiO2并且最大使用量為19重量％。與多達(dá)26.5的La2O3/B2O3的極為不利的關(guān)系相結(jié)合，產(chǎn)生了非常強(qiáng)的且非所要的結(jié)晶潛力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供不會(huì)展現(xiàn)出根據(jù)先前技術(shù)的玻璃的缺點(diǎn)并且滿足所有上述要求的玻璃。概括地說(shuō)，這些要求為在低色散下具有高折射率、具有低比重同時(shí)具有極好的透射性能。
通過(guò)權(quán)利要求中所描述的玻璃解決了此目的。根據(jù)本發(fā)明的玻璃展示了對(duì)應(yīng)于低色散的高Abbé值、仍很高的折射指數(shù)(確定為nd)和低比重。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，所述玻璃包含小部分氧化鎢，并且展示了在可見光范圍(尤其對(duì)于藍(lán)光來(lái)說(shuō))非常好的透射性能和額外的也非常好的UV透射率。另外，根據(jù)本發(fā)明的玻璃的特征在于良好的耐化學(xué)性和可使用性、在于令人滿意的結(jié)晶穩(wěn)定性以及良好的環(huán)境相容性。達(dá)到后者目的從而使得所述玻璃既不包含PbO也不包含As2O3。另外，根據(jù)本發(fā)明的玻璃可確保有機(jī)材料極好地粘附于所述玻璃上，而這點(diǎn)可通過(guò)添加硅石來(lái)達(dá)到。
具體實(shí)施例方式
實(shí)例1可通過(guò)以下組合物來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明的玻璃(基于氧化物的重量％(后文簡(jiǎn)單地表示為“w/w”[重量/重量]))(表1)SiO20.1-5.5B2O327 -35La2O342 -48BaO 0 -5ZnO 0.5-5Y2O36 -12TiO20 -4ZrO24 -10Nb2O50 -5WO30 -5此外，其可含有普通精煉劑以及另外最大部分的8w/w堿金屬氧化物(沒有Li2O)和總數(shù)最大為8w/w的(MgO+CaO+SrO)。就此而論不需要砷精煉劑。
上文所展示的根據(jù)本發(fā)明的玻璃滿足以下要求在折射能力為1.73≤nd≤1.82并且Abbé值為43≤vd≤53的情況下具有良好的熔化性和可處理性能，所述玻璃還展示了良好的耐化學(xué)性并且對(duì)于結(jié)晶來(lái)說(shuō)較穩(wěn)定，同時(shí)不存在不利組分PbO和As2O3。
上述表格展示了可將玻璃系統(tǒng)分類為硼酸鑭玻璃。硼酸鹽提供鑭的可溶解性。對(duì)于優(yōu)選La2O3∶B2O3≤1.8的個(gè)別比率來(lái)說(shuō)，可預(yù)期穩(wěn)定的玻璃，特別優(yōu)選的比率為≤1.6并且甚至更優(yōu)選的比率為小于或等于1.5。在La2O3∶B2O3為1.39的比率下，對(duì)于量為31重量％的B2O3來(lái)說(shuō)，僅能使用43重量％的La2O3。可通過(guò)添加ZrO2來(lái)提供所要求的折射能力。Y2O3可用來(lái)減少結(jié)晶的趨勢(shì)。另外，此玻璃系統(tǒng)含有僅較少部分的玻璃增效劑SiO2(0.1-5.5重量％，優(yōu)選量為0.1-4.9重量％，特別優(yōu)選量為0.5-4重量％)。此可以通過(guò)增加材料機(jī)械強(qiáng)度來(lái)改良可使用性。因此，可達(dá)到與所使用的量(例如AR＝1)相關(guān)的良好的耐磨性和耐化學(xué)性。應(yīng)將SiO2的添加量限定為上文所展示的最大值。
根據(jù)諸如(例如)離子交換性能或?yàn)榱遂`活的目標(biāo)幾何精密熱成型的目的而取決于溫度的粘度特性的輕微變化的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)視需要為特定調(diào)整指定堿金屬，此也可通過(guò)視需要使用堿土金屬氧化物MgO、CaO和SrO來(lái)達(dá)到。
用于達(dá)到在小Abbé系數(shù)下具有高折射能力的特殊光學(xué)位置的重要組分為Y2O3(6-12w/w，優(yōu)選量為7-11w/w)。另外，Y2O3使含有硼酸鑭玻璃基質(zhì)的硅石變得穩(wěn)定。
被限制最大量為4重量％的TiO2可結(jié)合堿土金屬氧化物和ZnO(ZnO＝0.5-5w/w，優(yōu)選量為0.5-4w/w，特別優(yōu)選量為1-4w/w；BaO0-5w/w，優(yōu)選量為0.1-3w/w，特別優(yōu)選量為1-3w/w；并且∑(MgO+CaO+SrO)＝0-8w/w、∑(MgO+ZnO)＝0.5-10w/w)而產(chǎn)生玻璃的“脆性”。優(yōu)選主要地，結(jié)合TiO2來(lái)使用堿土金屬氧化物正用于修改粘度溫度分布。
由于這些組分也影像可敏感光學(xué)位置的事實(shí)，所以作為深度折射組分的MgO和CaO尤其受到了限制(0-8w/w，優(yōu)選的變體沒有它們)。因此，較高折射組分BaO(0-5w/w，優(yōu)選量為0.1-3w/w，尤其優(yōu)選的量為1-3w/w)和ZnO(0.5-5w/w，優(yōu)選量為0.5-4w/w，尤其優(yōu)選的量為1-4w/w)受到了青睞。由于ZnO具有結(jié)晶抑制劑的特征，所以ZnO尤其受到青睞。
Nb2O5適用于通過(guò)對(duì)晶種含量產(chǎn)生對(duì)抗效應(yīng)來(lái)抑制結(jié)晶。Nb2O5可以以0-5w/w、優(yōu)選為0.5-4w/w、更優(yōu)選為1-4w/w的量而存在于根據(jù)本發(fā)明的配方中?；蛘撸ＡР缓蠳b2O5。
視需要而使用的組分WO3適用于對(duì)光學(xué)位置進(jìn)行微調(diào)。在優(yōu)選實(shí)施例中，WO3以多達(dá)5w/w、更優(yōu)選為0到3w/w、仍更優(yōu)選為0.1到3w/w并且最優(yōu)選為0.1到2w/w的量存在。
實(shí)例2表2展示了具有優(yōu)選量的所使用的組分的7種玻璃。
可如下制造根據(jù)本發(fā)明的玻璃對(duì)用于氧化物的起始材料(優(yōu)選材料為碳酸鹽、硝酸鹽和/或氟化物進(jìn)行稱重，添加一或多種精煉劑，如(舉例而言)Sb2O3，并且然后充分混合。在近似1300℃下以連續(xù)熔化聚合體成批熔化，然后精煉(1350℃)并且均勻化。在近似1220℃的鑄造溫度下鑄造玻璃，并且將其處理為所要尺寸。
100kg所計(jì)算的玻璃的熔化實(shí)例(表1a)

表2熔化實(shí)例(w/w)

權(quán)利要求
1.一種不含鉛與砷的光學(xué)鑭燧石玻璃，其具有1.73≤nd≤1.82的折射指數(shù)和43≤vd≤53的Abbé值以及良好的耐化學(xué)性和良好的結(jié)晶穩(wěn)定性，其特征在于以下組合物(重量％[w/w])SiO20.1-5.5B2O327 -35La2O342 -48BaO 0 -5ZnO 0.5-5Y2O36 - 12TiO20 -4ZrO24 -10Nb2O50 -5WO30 -5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃，其中SiO2的含量為0.1到4.9重量％，并且Nb2O5的含量為0.5到5重量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃，其中以重量％計(jì)的含量如下SiO20.5-4B2O329 -33La2O343 -47BaO 0 -3ZnO 0.5-4Y2O37 -11ZrO25 -9Nb2O50.5-4WO30 -3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃，其中以重量％計(jì)的含量如下SiO20.5-4B2O330 -33La2O343 - 47BaO 0.1 - 3ZnO 0.5 - 4Y2O37 - 11ZrO25 - 9Nb2O51 - 4WO30.1 - 3。
5.如權(quán)利要求1所述的玻璃，其中以重量％計(jì)的含量如下SiO20.5 - 3B2O330- 33La2O344- 47BaO 1 - 3ZnO 1 - 4Y2O37 - 11ZrO25 - 9Nb2O51 - 4WO30.1- 2。
6.如權(quán)利要求1所述的玻璃，其中為對(duì)個(gè)別所要的熱成型過(guò)程的粘度溫度分布進(jìn)行微調(diào)，將總數(shù)多達(dá)最大量為8重量％的(BaO+ZnO)由堿土金屬氧化物含量(MgO、CaO、SrO)來(lái)替換。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃，其中為改良可熔性和離子交換性能，由Na2O、K2O與Cs2O的總量組成的堿金屬氧化物總含量最大等于8重量％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃，其仍進(jìn)一步含有一種具有以下組分(w/w)的精煉劑Sb2O30 -1 和/或SnO 0 - 1NaCl 0 - 1SO42-0 - 1F-0 - 1。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃的用途，所述玻璃用于制造透鏡、棱鏡、光導(dǎo)桿、光學(xué)纖維、光學(xué)窗口、由其制成的光學(xué)組件，以及光學(xué)組件，所述光學(xué)組件用于數(shù)字投影、照相平版印刷術(shù)、步進(jìn)器、準(zhǔn)分子激光器、晶圓、計(jì)算機(jī)晶片以及集成電路和封裝所述電路和晶片的電子裝置，并且用于電信、光學(xué)通信工程/信息傳輸及機(jī)動(dòng)車部分中的光學(xué)/照明部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及并且不含鉛與砷的光學(xué)玻璃，其用于成像、數(shù)字投影、照相平版印刷術(shù)、激光技術(shù)、晶圓/晶片技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，以及電信、光學(xué)通信工程、光學(xué)器件、照明和機(jī)動(dòng)車部分中。所述玻璃的折射能力為1.73≤n
文檔編號(hào)C03C3/068GK1660711SQ20051000891
公開日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2005年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月26日
發(fā)明者西爾克·沃爾夫, 卡爾·門內(nèi)曼, 烏特·韋爾費(fèi)爾 申請(qǐng)人:史考特公司