專利名稱：光彈性常數(shù)小的光學(xué)玻璃的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于偏振光學(xué)系統(tǒng)部件和光偏振控制元件的光學(xué)玻璃，其光彈性常數(shù)(β)小并具有用于光學(xué)目的的物理性能，諸如折射率和阿貝數(shù)。
背景技術(shù)：
利用偏振光的光學(xué)系統(tǒng)，即偏振光學(xué)系統(tǒng)，近來(lái)已應(yīng)用于包括液晶顯示投影儀在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域中。例如，液晶顯示投影儀中使用的在空間上調(diào)制偏振光的空間光調(diào)制器以及分離S偏振光和P偏振光的偏振分束器(polarizing beamsplitter)。在這種偏振光學(xué)系統(tǒng)中，對(duì)偏振特性更精確控制的需求正日益增長(zhǎng)。
偏振光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)部件中，例如棱鏡和用于偏振分束器或需要保持偏振特性穩(wěn)定的空間調(diào)制器的光偏振元件基質(zhì)等部件必須具有光學(xué)各向同性，這是因?yàn)槿绻糜谶@些部件的材料具有光學(xué)各向異性，那么就該光學(xué)元件傳輸?shù)墓舛?，不能保持尋常光線和非尋常光線之間的相差(光程差)以及因此在這種情況下不能保持偏振特性。
盡管現(xiàn)有技術(shù)中將已充分退火并消除了張力、且具有光學(xué)各向同性的光學(xué)玻璃用作需要對(duì)其保持偏振特性的偏振光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)部件，但這種部件仍會(huì)顯示出被稱為雙折射的光學(xué)各向異性，這是由機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力施加于該部件時(shí)出現(xiàn)的光彈性效應(yīng)引起的，如果該部件光彈性常數(shù)大，則不能獲得所需的偏振特性。例如，該機(jī)械應(yīng)力由將熱膨脹系數(shù)不同于光學(xué)玻璃的材料與光學(xué)玻璃結(jié)合而產(chǎn)生的。例如，該熱應(yīng)力是由外部設(shè)備產(chǎn)生的熱量或光學(xué)玻璃由于吸收所傳輸光的能量而產(chǎn)生的熱量而產(chǎn)生的。施加這種應(yīng)力的光學(xué)玻璃表現(xiàn)出的雙折射大小可由光程差的不同表示。下述公式(1)表明雙折射隨著光程差的增加而增加，其中光程差由σ(nm)表示，光學(xué)玻璃的厚度由d(cm)表示，應(yīng)力由F(Pa)表示。
σ＝β·d·F(1)上述公式中的比例常數(shù)β稱為光彈性常數(shù)，玻璃的種類不同其值也不同。如上述公式(1)所示，當(dāng)同一應(yīng)力(F)施加到兩種具有相同厚度(d)的玻璃上時(shí)，具有較小光彈性常數(shù)絕對(duì)值(β)的玻璃，其具有較小光程差(σ)，即，較小的雙折射。
例如，公開號(hào)為平7-306314、平8-234179和平9-127461的日本專利申請(qǐng)中描述了光彈性常數(shù)對(duì)于偏振光學(xué)系統(tǒng)部件的貢獻(xiàn)。至于更具體的數(shù)值分析，公開號(hào)為2000-171770的日本專利申請(qǐng)披露了偏振光學(xué)系統(tǒng)中需要滿足下列公式的部件。公式的右側(cè)表示由熱應(yīng)力引起的雙折射量。
5.00×102≥K·α·E·∫(1-T)dλ/ρ/Cp(2)其中K代表光彈性常數(shù)(nm/mm·mm2/N)，α代表線性熱膨脹系數(shù)(10-6/K)，E代表?xiàng)钍夏Ａ?103N/mm2)，λ為所用的光波長(zhǎng)，T為該部件在波長(zhǎng)λ的內(nèi)透射比，ρ為該部件的比重(g/cm3)，Cp代表比熱(J/g·k)。
在公式(2)中，積分的范圍為主吸收波長(zhǎng)，即420(nm)至500(nm)。從公式(2)中顯而易見，當(dāng)光彈常數(shù)的絕對(duì)值接近零時(shí)，可減小熱應(yīng)力引起的雙折射。
光彈性常數(shù)具有波長(zhǎng)相關(guān)性，并因此在整個(gè)可見光范圍內(nèi)(400nm-700nm)不為常數(shù)。所以，如果波長(zhǎng)相關(guān)性大，則偏振特性在整個(gè)可見光范圍內(nèi)不均勻，即使在可見光范圍的代表值546nm波長(zhǎng)處的光彈性常數(shù)較小的情況下亦是如此。例如，公開號(hào)為平11-133528的日本專利申請(qǐng)中所披露的高PbO濃度的光學(xué)玻璃具有波長(zhǎng)相關(guān)性，根據(jù)波長(zhǎng)相關(guān)性，光彈性常數(shù)向較短波長(zhǎng)降低，并且在400nm-700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)光彈性常數(shù)變化的總量Δβ約為0.8×10-5nm/cm/Pa。使用這種光學(xué)玻璃時(shí)，例如，將其用作液晶顯示投影儀的偏振分束器時(shí)，對(duì)于綠光(G)(波長(zhǎng)在550nm附近)的光彈性常數(shù)β為0.0×10-5nm/cm/Pa，而對(duì)于藍(lán)光(B)(波長(zhǎng)在430nm附近)和紅光(R)(波長(zhǎng)在640nm附近)的β絕對(duì)值變?yōu)榧s0.4×10-5nm/cm/Pa。尤其是，因?yàn)樵摴鈱W(xué)玻璃對(duì)B光具有大折射率，所以對(duì)B光由雙折射產(chǎn)生的光程差變大。
除了上述的雙折射問題以外，在其溫度取決于其所應(yīng)用的環(huán)境(例如，由棱鏡、透鏡、外部電路和暴露在高強(qiáng)度光輻射下的部件而產(chǎn)生的熱量)而顯著改變的光學(xué)部件中使用的光學(xué)玻璃必須具有高內(nèi)透射比，以防止由于吸收高強(qiáng)度入射光而在光學(xué)部件中產(chǎn)生的溫度上升。
如公開號(hào)為平9-48631的日本專利申請(qǐng)披露的B2O3-Al2O3-PbO玻璃，如公開號(hào)為平11-335135的日本專利申請(qǐng)披露的含BaO和/或PbO磷酸鹽玻璃，如公開號(hào)為平11-199269、2000-34132、2002-128540和2002-338294的日本專利申請(qǐng)披露的不含PbO磷酸鹽玻璃，如公開號(hào)為平9-48633的日本專利申請(qǐng)披露的氟化磷酸鹽玻璃是已知的可用作偏振光學(xué)系統(tǒng)部件的光彈性常數(shù)小的光學(xué)玻璃。
如Megumi Tashiro在Journal of The Society of Glass Technology(1957)353T-362T中發(fā)表的″The Effect of the Polarisation of the Constituent Ions on thePhotoelastic Birefringence of the Glass″所披露的，眾所周知，玻璃成分中的PbO具有大大降低光彈性常數(shù)的效果。已有多種玻璃利用這種效果以使其具有小光彈性常數(shù)，但是為了獲得具有極小光彈性常數(shù)的玻璃，這些玻璃必須含有大量的Pb化合物，例如，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害的PbO和PbF2。這樣極易引起對(duì)環(huán)境的負(fù)面作用，因此，不期望在實(shí)際應(yīng)用中使用這樣的玻璃。
Matsushita等人在Journal of the American Ceramic Society Vo.68(1985)P389-P39中發(fā)表的″Photoelastic effects in Phosphate Glasses″中披露了，在磷酸鹽玻璃中，特別是P2O5-BaO玻璃具有較小的光彈性常數(shù)。然而，為了通過(guò)僅利用BaO組分產(chǎn)生的光彈性常數(shù)降低效應(yīng)的方法使光彈性常數(shù)降低至低于0.3×10-5nm·cm-1·Pa-1，必須采用諸如超淬火(super quench)方法的特殊制造方法，這是因?yàn)镻2O5-BaO玻璃的玻璃固化范圍的局限。這種方法的產(chǎn)量低，并且難以將玻璃形成為所需的光學(xué)部件。
公開號(hào)為2002-338294的日本專利申請(qǐng)披露了一種制造含有大量BaO的P2O5-BaO玻璃的方法，并描述了具有0.15×10-12(1/Pa)的小光彈性常數(shù)的例子。然而，為了獲得這些玻璃，必須采用將諸如濕空氣和氯氣等多種氣體吹入熔融玻璃的方法，但這種方法的產(chǎn)量低。
在公開號(hào)為平11-199269和2000-34132的日本專利申請(qǐng)中披露了，在不含Pb化合物的磷酸鹽玻璃中，不僅BaO而且La2O3都能有效地降低光彈性常數(shù)。從這些公開文本的例子中顯而易見，利用BaO和La2O3難于制造具有極小光彈性常數(shù)的玻璃，尤其是在可見光范圍內(nèi)的光彈性常數(shù)為0.3×10-5nm·cm-1·Pa-1或更低的玻璃。
公開號(hào)為2003-110394的日本專利申請(qǐng)披露了可制造出光彈性常數(shù)為0.3×10-5nm·cm-1·Pa-1或更低的磷酸鹽玻璃。然而，問題在于當(dāng)使用了含有大量PbO和BaO的磷酸鹽玻璃時(shí)，在必不可少的用鉑坩鍋熔融玻璃的制備步驟中，鉑或諸如鈀和銠之類的鉑族離子從鉑坩鍋中逸出，使玻璃被鉑或或鉑族離子著色。根據(jù)G.E.Rindone等人在Journal of the American Ceramic Society Vo.39(1956)P173-P180發(fā)表的″The Colors of Platinum，Palladium，and Rhodium insimple Glasses″，顯而易見的是，磷酸鹽玻璃中鉑離子的吸收顯著發(fā)生在400-500nm附近。這種吸收離子的存在使當(dāng)波長(zhǎng)為400-500nm的光透過(guò)光學(xué)元件時(shí)被吸收的光轉(zhuǎn)換為熱量，并隨之產(chǎn)生增加該光學(xué)部件的熱應(yīng)力的熱量。當(dāng)這種玻璃用于光透過(guò)整個(gè)可見光區(qū)域的光學(xué)部件，例如透鏡或棱鏡時(shí)，選擇性地吸收400-500nm的藍(lán)光，使得透過(guò)該光學(xué)部件的光呈現(xiàn)微黃色。因?yàn)榫哂休^小程度的非必要光吸收的玻璃可實(shí)現(xiàn)更卓越的性能，雖然根據(jù)該玻璃用途的不同對(duì)這種條件需求的水平不同，但仍需要具有高內(nèi)透射比的玻璃。換言之，在制造含有大量PbO和BaO的磷酸鹽玻璃過(guò)程中，必須非常小心以防止鉑族離子的逸出。
如可在市場(chǎng)上購(gòu)得的氟化磷酸鹽玻璃(如，Ohara Corporation制造的S-FPL51，S-FPL52和S-FPL5S)、公開號(hào)為平9-48633的日本專利申請(qǐng)和USP5969861、DE19631171A和公開號(hào)為平11-60267的日本專利申請(qǐng)所披露的，氟化磷酸鹽玻璃中的連接鍵通常不是如Si-O中的共價(jià)鍵而大部分是離子鍵，因此，由應(yīng)力引起的玻璃電子結(jié)構(gòu)變化較小，從而使這些氟化磷酸鹽玻璃具有較小的光彈性常數(shù)。另外，在氟化磷酸鹽玻璃中，可在較低的溫度下熔融玻璃，并因此使從鉑制的諸如坩鍋等熔融設(shè)備和玻璃攪拌設(shè)備中很少逸出或不逸出鉑族離子，這種逸出發(fā)生在含有大量PbO和BaO的磷酸鹽玻璃中。這樣，在可見光范圍中(尤其是400-500nm處)不會(huì)有鉑族離子選擇性吸收的問題。
除了這些氟化磷酸鹽玻璃，本領(lǐng)域公知的還有折射率(nd)在1.60-1.68附近、阿貝數(shù)(νd)在40-65附近的氟化磷酸鹽玻璃，雖然沒有提到關(guān)于光彈性常數(shù)，但如公開號(hào)為昭50-50416、昭57-123842、昭59-18133和平2-124740的日本專利申請(qǐng)中所披露的氟化磷酸鹽玻璃，其特征在于具有大反常色散特性，以及如公開號(hào)為平6-157068和平10-53434的日本專利申請(qǐng)中所披露的氟化磷酸鹽玻璃具有極好的抗失透性和良好的熔融特性。
如公開號(hào)為平2-124740、平6-157068和平9-48633的日本專利申請(qǐng)所披露的，氟化磷酸鹽玻璃的折射率(nd)通常小于1.6，或者阿貝數(shù)為65或更大。為了提高折射率(nd)，在公開號(hào)為昭50-50416、昭57-123842、昭59-18133和平11-60267的日本專利申請(qǐng)中披露的氟化磷酸鹽玻璃中氟化物材料的總量限制為小于45％，并且描述了由此產(chǎn)生的折射率超過(guò)1.6的例子。然而，在這種情況中，對(duì)玻璃中摻入氟化物的限定增加了玻璃中的共價(jià)鍵，并由此難以實(shí)現(xiàn)具有所需的小光彈性常數(shù)的玻璃。另外，因?yàn)楣_號(hào)為平10-53434的日本專利申請(qǐng)中的玻璃含有重量百分比為21.23-26.35％的高含量Al2O3，并還含有作為基本組分的MgF2，這種玻璃將會(huì)具有大光彈性常數(shù)。
作為用于不同目的的氟化磷酸鹽玻璃，在公開號(hào)為平1-219038、平3-83835、平3-83834和平4-214043的日本專利申請(qǐng)中披露了用作濾光片的氟化磷酸鹽玻璃，其含有CeO2或CuO組分，它們作為基本組分吸收特定波長(zhǎng)的光。至于公開號(hào)為平1-219038、平3-83835和平3-83834的日本專利申請(qǐng)，這些玻璃的大部分例子中含有高達(dá)20％或更多的P2O5，并因此這些玻璃極有可能不能實(shí)現(xiàn)所需的光彈性常數(shù)。在P2O5含量小于20％的玻璃的例子中，該玻璃含有大量的相對(duì)增加光彈性常數(shù)的MgF2(例如公開號(hào)為平1-219038的日本專利申請(qǐng)中的實(shí)施例1)或是含有大量的增加光彈性常數(shù)的B2O3(公開號(hào)為平3-83835的日本專利申請(qǐng)中的實(shí)施例2、實(shí)施例4和實(shí)施例10，和公開號(hào)為平3-83834的日本專利申請(qǐng)中的實(shí)施例2)。公開號(hào)為平4-214043的日本專利申請(qǐng)的實(shí)施例中含有大量的MgF2，因此不能實(shí)現(xiàn)所需的光彈性常數(shù)，而且這些玻璃很可能具有低折射率。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種適用于偏振光學(xué)系統(tǒng)部件和光偏振控制元件的光學(xué)玻璃，其光彈性常數(shù)小，并具有用于光學(xué)目的的特性，諸如折射率(nd)和阿貝數(shù)(νd)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種如上所述不含有Pb化合物的光學(xué)玻璃。

發(fā)明內(nèi)容
為了獲得本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明的發(fā)明人所進(jìn)行的研究和試驗(yàn)得出導(dǎo)致了本發(fā)明的發(fā)現(xiàn)，并且其結(jié)果表明通過(guò)在光學(xué)玻璃的成分組成中實(shí)現(xiàn)含有特定量的Ba，F(xiàn)和Nb的組合物，就可以相對(duì)以穩(wěn)定的方式制造出具有所需特性的光學(xué)玻璃。
為了獲得本發(fā)明上述目的，本發(fā)明的第一方面提供了一種光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60至1.68范圍之間，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65之間，并具有如下構(gòu)成光學(xué)玻璃的原子組分P 5-10mol％Al1-3mol％Ba8-13mol％，Gd1-5mol％Nb0.1-3mol％F 15-35mol％和O 40-52mol％。
本發(fā)明的第二方面提供了一種光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60至1.68范圍之間，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65之間，并具有如下構(gòu)成光學(xué)玻璃的原子組分P 5-10mol％Al1-3mol％Ba8-13mol％Gd1-5mol％Nb0.1-3mol％F 15-35mol％O 40-52mol％和Y 0-2mol％和/或La0-2mol％和/或Yb0-1mol％和/或
Ta 0-1mol％和/或Lu 0-1mol％和/或Ti 0-1.5mol％和/或Zr 0-1.5mol％/或W 0-1.5mol％和/或Bi 0-1.5mol％和/或Mg 0-2mol％和/或Ca 0-3mol％和/或Sr 0-5mol％和/或Zn 0-2mol％和/或Li 0-2mol％和/或Na 0-2mol％和/或K 0-2mol％和或Cs 0-1mol％和/或Tl 0-3mol％和/或Si 0-2mol％和/或B 0-2mol％和/或Sb 0-1mol％。
本發(fā)明的第三方面提供了一種光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60-1.68范圍之間，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65之間，并具有如下組分，以質(zhì)量百分比表示偏磷酸鹽化合物 18.0-30.0％其中Al(PO3)310.0-20.0％Ba(PO3)23.0-15.0％氟化物 43.0-65.0％其中BaF241.0-55.0％Gd2O38.0-25.0％和Nb2O50.5-7.0％本發(fā)明的第四方面提供了一種光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60-1.68范圍之間，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65之間，并具有如下組分，以質(zhì)量百分比表示
偏磷酸鹽化合物18.0-30.0％其中Al(PO3)310.0-20.0％Ba(PO3)23.0-15.0％和Sr(PO3)20.0-10.0％和/或Ca(PO3)20.0-10.0％和/或Zn(PO3)20.0-5.0％和/或La(PO3)30.0-5.0％氟化物 43.0-65.0％其中BaF241.0-55.0％和SrF20.0-10.0％和/或CaF20.0-10.0％和/或MgF20.0-2.0％和/或AlF20.0-2.0％和/或GdF30.0-15.0％和/或YF30.0-7.0％和/或LaF30.0-7.0％和/或KHF20.0-3.0％Gd2O38.0-25.0％Nb2O50.5-7.0％Y2O30.0-10.0％和/或La2O30.0-10.0％和/或Yb2O30.0-5.0％和/或Ta2O50.0-5.0％和/或Lu2O30.0-5.0％和/或TiO20.0-7.0％和/或ZrO20.0-5.0％和/或WO30.0-7.0％和/或Bi2O30.0-5.0％和/或BaO 0.0-8.0％和/或CaO 0.0-5.0％和/或SrO 0.0-10％和/或ZnO 0.0-5.0％和/或Li2O0.0-1.0％和/或Na2O0.0-3.0％和/或K2O 0.0-3.0％和/或Cs2O0.0-5.0％和/或Tl2O0.0-15.0％和/或
SiO20.0-3.0％和/或B2O30.0-3.0％和/或Sb2O30.0-3.0％。
本發(fā)明的第五方面提供了一種光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60-1.68范圍內(nèi)，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65之間，并具有包含如下組分的組合物，以氧化物計(jì)算并以質(zhì)量百分比表示P2O512-小于22％Al2O31-5％BaO 40-55％Gd2O38-25％Nb2O50.5-8％和Y2O30-10％和/或La2O30-10％和/或Yb2O30-5％和/或Ta2O50-5％和/或Lu2O30-5％和/或TiO20-7％和/或ZrO20-5％和/或WO30-7％和/或Bi2O30-5％和/或MgO0-1％和/或CaO0-5％和/或SrO0-10％和/或ZnO0-5％和/或Li2O 0-1％和/或Na2O 0-3％和/或K2O 0-3％和/或Cs2O 0-5％和/或Tl2O 0-15％和/或SiO20-3％和/或B2O30-3％和Sb2O30-3％
以及包含在上述金屬氧化物中的一種或多種金屬元素的一種或多種氟化物，所述以氧化物計(jì)算的組合物的100重量份中，包含于氟化物中的F的總量為8-20重量份。
本發(fā)明的第六方面提供了一種本發(fā)明第一至第五方面中任一方面所限定的光學(xué)玻璃，其中在644nm的光彈性常數(shù)和在436nm的光彈性常數(shù)之差在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的第七方面提供了一種本發(fā)明第一至第六方面中任一方面所限定的光學(xué)玻璃，其中在折射率(nd)為1.60至1.62范圍內(nèi)的區(qū)域中，在546nm的光彈性常數(shù)在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.3×10-5nm·cm-1·Pa-1的范圍內(nèi)，在折射率(nd)為1.62至1.68范圍內(nèi)的區(qū)域中，在546nm的光彈性常數(shù)在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.5×10-5nm·cm-1·Pa-1的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的第八方面提供了一種第一至第七方面中任一方面所限定的光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60至1.65范圍內(nèi)，阿貝數(shù)(νd)在50至小于65的范圍內(nèi)，其中在546nm的光彈性常數(shù)在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.3×10-5nm·cm-1·Pa-1的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的第九方面提供了一種第一至第八方面中任一方面所限定的光學(xué)玻璃，其不含有Pb化合物。
本發(fā)明的第十方面提供了一種用于液晶顯示投影儀的偏振分束器，其使用了第一至第九方面中任一方面所限定的光學(xué)玻璃。
根據(jù)本發(fā)明，一種適用于偏振光學(xué)系統(tǒng)部件和光偏振控制元件的光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60至1.68的范圍內(nèi)，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65的范圍內(nèi)，在546nm的光彈性常數(shù)在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.5×10-5nm·cm-1·Pa-1的范圍內(nèi)，并且其中該光彈性常數(shù)的波長(zhǎng)相關(guān)性極小，該光學(xué)玻璃可以不使用Pb化合物獲得，因此，可提供以前不能生產(chǎn)的具有優(yōu)異性能的光學(xué)部件。


附圖中的圖1為本發(fā)明各實(shí)施例的光彈性常數(shù)曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明第一和第二方面的光學(xué)玻璃可實(shí)現(xiàn)折射率(nd)在1.60-1.68的范圍內(nèi)，該折射率尤其適用于制造光學(xué)設(shè)計(jì)中的偏振膜片，這種膜片難于利用現(xiàn)有技術(shù)的氟化磷酸鹽玻璃實(shí)現(xiàn)。另外，這些具有小光彈性常數(shù)的光學(xué)玻璃可制造例如具有降低了的雙折射的偏振分束器等光學(xué)元件，這種雙折射是由熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力引起的。另外，由此實(shí)現(xiàn)的折射率和阿貝數(shù)的光學(xué)常數(shù)擴(kuò)展了光學(xué)設(shè)計(jì)中的自由度，從而可靈活地使該光學(xué)玻璃適合各種產(chǎn)品的需要。
P是一種玻璃形成組分。如果這種組分的量小于5mol％，將難以制造出穩(wěn)定的玻璃。如果該組分的含量超過(guò)10mol％，將不能獲得所需的光彈性常數(shù)。因此，這種組分的量應(yīng)為5mol％或更多，優(yōu)選5.5mol％或更多，最優(yōu)選為6mol％或更多，并且應(yīng)為10mol％或更低，優(yōu)選9.8mol％或更低，最優(yōu)選為9.5mol％或更低。
在這些玻璃中，可以以LiPO3、NaPO3、KPO3、Al(PO3)3、Ba(PO3)2、Sr(PO3)2、Ca(PO3)2、Mg(PO3)2、Zn(PO3)2、La(PO3)2、P2O5、H3PO4、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4、Li3PO4、KPO4、Na3PO4·12H2O、Na2HO4·12H2O、Mg3(PO4)2·8H2O、CaHPO4·2H2O、Ba3(PO4)2、Zn3(PO4)2·4H2O、AlPO4、BPO4、KH2PO4、K2HPO4、KPF6、Zn2PO7或BaHPO4的形式添加P。優(yōu)選使用Al(PO3)3、Ba(PO3)2、Sr(PO3)2、Ca(PO3)2、La(PO3)2、P2O5、H3PO4、NH4H2PO4或(NH4)2HPO4。
Al有效防止玻璃的失透，因此可生產(chǎn)出穩(wěn)定的玻璃，并能提高機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，因此應(yīng)添加至少1mol％的該組分。如果該組分的量超過(guò)了3mol％，將難于實(shí)現(xiàn)所需的光彈性常數(shù)和光學(xué)常數(shù)。因此，這種組分的量應(yīng)為1mol％或更多，優(yōu)選1.3mol％或更多，最優(yōu)選為1.5mol％或更多，并且應(yīng)為3mol％或更低，優(yōu)選2.9mol％或更低，最優(yōu)選為2.8mol％或更低。
在這些玻璃中，可以以Al(PO3)3、AlPO4、Al2O3、Al(OH)3、AlF3或Na3AlF6的形式添加Al。優(yōu)選使用Al(PO3)3、AlPO4、AlF3或Na3AlF6。
在玻璃組成成分中，Ba對(duì)于降低光彈性常數(shù)有顯著的效果，且其含量至少應(yīng)為8mol％。然而，如果該組分的量超過(guò)13mol％，將難于獲得穩(wěn)定的玻璃。這種組分的量應(yīng)為8mol％或更多，優(yōu)選8.3mol％，最優(yōu)選為8.5mol％或更多，并且應(yīng)為13mol％或更低，優(yōu)選12.8mol％或更低，最優(yōu)選為12.5mol％或更低。在這些玻璃中，可以以Ba(PO3)2、Ba3(PO4)2、BaHPO4、BaCO3、BaF2或BaSiF6的形式添加Ba。優(yōu)選使用Ba(PO3)2、Ba(NO3)2、BaCO3或BaF2。
Gd是促進(jìn)穩(wěn)定玻璃形成和實(shí)現(xiàn)高折射率的基本成分。如果該成分的量小于1mol％，則玻璃易于變得極不穩(wěn)定，然而如果該成分的量超過(guò)5mol％，則必須在高溫下熔融該玻璃，并導(dǎo)致成分蒸發(fā)的增加，尤其是氟成分。因此，為了實(shí)現(xiàn)極小的光彈性常數(shù)，該成分的量應(yīng)為1mol％或以上，優(yōu)選為1.2mol％或以上，最優(yōu)選為1.3mol％或以上，并且應(yīng)為5mol％或以下，優(yōu)選4.5mol或以下，并且最優(yōu)選為4mol％或以下。
在這些玻璃中，可以以任何Gd化合物的形式添加Gd。優(yōu)選使用Gd2O3或GdF3。
Nb是本發(fā)明的這些玻璃中的基本成分，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)添加少量的該成分可有效實(shí)現(xiàn)高折射率并提高玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，可以以不超過(guò)3mol％的量添加。如果該成分的量小于0.1mol％，不能獲得這些效果并且不能實(shí)現(xiàn)所需的光學(xué)常數(shù)，但不希望該成分的添加量超過(guò)3mol％，因?yàn)檫@樣會(huì)增大光彈性常數(shù)。因此該成分的量應(yīng)為0.1mol％或以上，優(yōu)選為0.2mol％或以上，最優(yōu)選為0.3mol％或以上，并且應(yīng)在3mol％或以下，優(yōu)選為2.8mol％或以下，以及最優(yōu)選為2.5mol％或以下。
可以以任何形式的Nb化合物添加Nb。優(yōu)選使用Nb2O5。
在氟化磷酸鹽玻璃中F是不可缺少的玻璃形成成分，也是這些玻璃中的基本成分，這是因?yàn)樗鼘?duì)提高玻璃的熔融特性并降低光彈性常數(shù)十分有效。如果該成分的量小于15mol％，將難以獲得具有所需光彈性常數(shù)的穩(wěn)定玻璃。如果該成分的量超過(guò)35mol％，將難于實(shí)現(xiàn)所需的光彈性常數(shù)。該成分的量應(yīng)為15mol％或以上，優(yōu)選為17mol％或以上，最優(yōu)選為19mol％或以上，并且應(yīng)為35mol％或以下，優(yōu)選為34mol％或以下，以及最優(yōu)選為33mol％或以下。
可以以BaF2、SrF2、CaF2、MgF2、AlF3、GdF3、YF3、LaF3、KHF2、BaSiF6、LiF、NaF、KF、ZnF2、KPF6、ZrF4、K2SiF6、Na3AlF6或Na2SiF6的形式添加F。優(yōu)選使用BaF2、SrF2、CaF2、MgF2、AlF3、GdF3、YF3、LaF3或KHF2。
O是氟化磷酸鹽玻璃中不可缺少的玻璃形成成分，也是實(shí)現(xiàn)所需光學(xué)常數(shù)的基本成分。如果該成分的量小于40mol％，將難以獲得具有所需光彈性常數(shù)的穩(wěn)定玻璃。如果該成分的量超過(guò)52mol％，將難于實(shí)現(xiàn)所需的光學(xué)常數(shù)。該成分的量應(yīng)為40mol％或以上，優(yōu)選為41mol％或以上，最優(yōu)選為42mol％或以上，并且應(yīng)為52mol％或以下，優(yōu)選為51mol％或以下，以及最優(yōu)選為50mol％或以下。
可有選擇地添加Y、La、Yb、Ta、Lu、Ti、Zr、W和Bi，因?yàn)檫@些成分可調(diào)整折射率和阿貝數(shù)。更具體的說(shuō)，Y和La成分可有效實(shí)現(xiàn)高折射率而不增加光彈性常數(shù)，其添加量可分別最高達(dá)2mol％，優(yōu)選最高達(dá)1.9mol％，最優(yōu)選最高達(dá)1.8mol％。然而，過(guò)量添加這些成分，會(huì)使玻璃的抗失透性惡化。Yb、Ta和Lu對(duì)于實(shí)現(xiàn)高折射率有效，但過(guò)量的添加這些成分會(huì)使玻璃不穩(wěn)定。因此，這些成分的添加量可分別最高達(dá)1.0mol％，優(yōu)選最高達(dá)0.9mol％，最優(yōu)選為最高達(dá)0.8mol％。Zr對(duì)調(diào)整折射率并提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度有效。因?yàn)樵摮煞痔砑恿砍^(guò)1.5mol％就需要在高溫下熔融，所以該成分的添加量可最高達(dá)1.5mol％，優(yōu)選最高達(dá)1.45mol％，最優(yōu)選最高達(dá)1.4mol％。Ti、W和Bi對(duì)實(shí)現(xiàn)高折射率并調(diào)整阿貝數(shù)有效，但是過(guò)量添加這些成分會(huì)使玻璃著色，因此，這些成分的添加量可分別最高達(dá)1.5mol％，優(yōu)選到達(dá)1.45mol％，最優(yōu)選最高達(dá)1.4mol。
可以以任何所需的化合物形式添加Y、La、Yb、Ta、Lu、Ti、Zr、W和Bi。優(yōu)選以氧化物或氟化物形式添加這些成分。
通過(guò)添加適量的Mg、Ca、Sr和Zn成分可有效穩(wěn)定玻璃(提高抗失透性)，因此可在必要時(shí)添加。然而過(guò)量添加這些成分，將難以實(shí)現(xiàn)所需的光彈性常數(shù)和折射率。Ca的添加量可最高達(dá)3mol％，優(yōu)選最高達(dá)2.95mol％，最優(yōu)選最高達(dá)2.9mol％。Sr的添加量可最高達(dá)5mol％，優(yōu)選最高達(dá)4.5mol％，最優(yōu)選最高達(dá)4mol％。Zn的添加量可最高達(dá)2mol％，優(yōu)選最高達(dá)1.95mol％，最優(yōu)選最高達(dá)1.9mol％。因?yàn)镸g顯著提高了光彈性常數(shù)，所以其添加量可最高達(dá)2mol％，優(yōu)選最高達(dá)1mol％，最優(yōu)選為根本不添加該成分。
可以以任何所需的化合物形式添加Mg、Ca、Sr和Zn，但優(yōu)選以氧化物、氟化物、碳酸鹽和/或硝酸鹽形式添加這些成分。
Li、Na、K和Cs對(duì)提高玻璃的熔融特性和消泡性能有效。可有選擇地添加Li、Na和K，其添加量可分別最高達(dá)2.0mol％，優(yōu)選最高達(dá)1.95mol％，最優(yōu)選最高達(dá)1.9mol％?？捎羞x擇的添加Cs，其添加量可最高達(dá)1mol％，優(yōu)選最高達(dá)0.95mol％，以及最優(yōu)選地最高達(dá)0.9mol％。不需要過(guò)量的添加這些成分，因?yàn)槠鋵⒁鸩ＡР环€(wěn)定并產(chǎn)生失透。
可以以任何所需的化合物形式添加Li、Na、K和Cs，但優(yōu)選以氧化物、氟化物、碳酸鹽和/或硝酸鹽形式添加這些成分。
Tl在調(diào)整折射率和阿貝數(shù)的同時(shí)對(duì)提高熔融特性并降低光彈性常數(shù)有效，其可作為可選成分添加。如果該成分的添加量超過(guò)了3mol％，玻璃會(huì)被明顯著色，該成分的添加量可最高達(dá)3mol％，優(yōu)選最高達(dá)2.7mol％，最優(yōu)選最高達(dá)2.5mol％。可以以任何所需的化合物形式添加Tl，但優(yōu)選以氧化物的形式添加該成分。
Si和B對(duì)調(diào)整折射率并提高機(jī)械強(qiáng)度有效，但這些成分顯著增加了光彈性常數(shù)。因此可有選擇地添加這些成分，其添加量可最高達(dá)2mol％，優(yōu)選為1mol％。最優(yōu)選的是根本不添加這些成分?？梢砸匀魏嗡璧幕衔镄问教砑覵i和B，優(yōu)選以其氧化物和/或所需的配鹽的形式添加。
為了精煉和均化本發(fā)明的光學(xué)玻璃，可有選擇地添加公知的消泡劑Sb。除了該效果之外，該成分還可調(diào)整折射率和光彈性常數(shù)，并且該成分的添加量可最高達(dá)1mol％。不需要過(guò)量添加該成分，因?yàn)檫@會(huì)在玻璃熔融期間增加過(guò)多的氣泡?？梢砸匀魏嗡璧幕衔镄问教砑覵b，優(yōu)選以其氧化物的形式添加。
下文將詳細(xì)描述本發(fā)明第三方面的光學(xué)玻璃。
在該玻璃中，Al(PO3)3是特別優(yōu)選的成分，這是因?yàn)槠淦鸩Ａ纬沙煞值淖饔?。為了制造穩(wěn)定的玻璃，需要使該成分的添加量的質(zhì)量百分比為10％或以上。然而，如果該成分的質(zhì)量百分比超過(guò)20％，將變得難于實(shí)現(xiàn)所需的光彈性常數(shù)和光學(xué)常數(shù)。因此，該成分的量相對(duì)于玻璃的總質(zhì)量，質(zhì)量百分比應(yīng)為10％或以上，優(yōu)選為11％或以上，最優(yōu)選為12％或以上，并且質(zhì)量百分比應(yīng)為20％或以下，優(yōu)選18％或以下，并且最優(yōu)選為17％或以下。
在該玻璃中，Ba(PO3)2是特別優(yōu)選的成分，這是因?yàn)槠淦鸬讲Ａ纬沙煞值淖饔?，并有效降低了光彈性常?shù)并增加了折射率。為了實(shí)現(xiàn)所需的性能，需要使這種成分的添加量的質(zhì)量百分比至少為3％。然而，如果該成分含量的質(zhì)量百分比超過(guò)15％，就不能獲得所需的光彈性常數(shù)，因?yàn)镻2O5具有增加光彈性常數(shù)的作用。因此，該成分的量相對(duì)于玻璃的總質(zhì)量，質(zhì)量百分比應(yīng)為3％或以上，優(yōu)選為5％或以上，最優(yōu)選為6％或以上，并且質(zhì)量百分比應(yīng)為15％或以下，優(yōu)選14％或以下，并且最優(yōu)選為13％或以下。
如果偏磷酸鹽化合物總量的質(zhì)量百分比小于18％，將難以獲得穩(wěn)定的玻璃，然而如果其超過(guò)30％，將難以實(shí)現(xiàn)所需的性能，特別是小光彈性常數(shù)。因此，該成分的量相對(duì)于玻璃的總質(zhì)量，質(zhì)量百分比應(yīng)為18％或以上，優(yōu)選為19％或以上，最優(yōu)選為20％或以上，并且質(zhì)量百分比應(yīng)為30％或以下，優(yōu)選29％或以下，并且最優(yōu)選為28％或以下。
BaF2有效降低了玻璃的光彈性常數(shù)并提高了熔融特性，因此其是玻璃的重要成分。如果該成分的質(zhì)量百分比小于41％，就不能實(shí)現(xiàn)具有小光彈性常數(shù)的玻璃，然而如果該成分的質(zhì)量百分比超過(guò)55％，則玻璃變得很不穩(wěn)定，并且不能實(shí)現(xiàn)所需的1.60至1.68的折射率(nd)。因此，該成分的量相對(duì)于玻璃的總質(zhì)量，質(zhì)量百分比應(yīng)為41％或以上，優(yōu)選為41.5％或以上，最優(yōu)選為41.8％或以上，并且質(zhì)量百分比應(yīng)為55％或以下，優(yōu)選50％或以下，并且最優(yōu)選為49％或以下。
如果氟化物總量的質(zhì)量百分比小于43％，則玻璃中的共價(jià)鍵增加，由此導(dǎo)致光彈性常數(shù)增大，然而如果其質(zhì)量百分比超過(guò)65％，就不能實(shí)現(xiàn)所需的折射率，而且易于產(chǎn)生缺陷，例如條痕(cord)。為了實(shí)現(xiàn)小光彈性常數(shù)，該成分的量相對(duì)于玻璃的總質(zhì)量，質(zhì)量百分比應(yīng)為43％或以上，優(yōu)選為43.5％或以上，最優(yōu)選為43.8％或以上，并且質(zhì)量百分比應(yīng)為65％或以下，優(yōu)選64％或以下，并且最優(yōu)選為63％或以下。
Gd2O3是促進(jìn)穩(wěn)定玻璃的形成以及實(shí)現(xiàn)高折射率的基本成分。如果該成分的質(zhì)量百分比小于8％，則玻璃變得相當(dāng)不穩(wěn)定，而且不能實(shí)現(xiàn)所需的折射率，然而如果該成分含量的質(zhì)量百分比超過(guò)25％，就必須在高溫下熔融玻璃，由此使成分的蒸發(fā)增大，特別是在熔融期間氟成分的蒸發(fā)增加。因此，該成分的量相對(duì)于玻璃的總質(zhì)量，質(zhì)量百分比應(yīng)為8％或以上，優(yōu)選為9％或以上，最優(yōu)選為9.5％或以上，并且質(zhì)量百分比應(yīng)為25％或以下，優(yōu)選20％或以下，并且最優(yōu)選為19％或以下。
在該玻璃中，Nb2O5是基本成分，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)添加少量的該成分可有效實(shí)現(xiàn)高折射率并提高化學(xué)穩(wěn)定性，其添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)7％。如果該成分的質(zhì)量百分比小于0.5％，不能獲得這些效果并且不能實(shí)現(xiàn)所需的光學(xué)常數(shù)，然而如果該成分的質(zhì)量百分比超過(guò)7％，就會(huì)增大光彈性常數(shù)。因此該成分的量相對(duì)于玻璃總質(zhì)量的質(zhì)量百分比應(yīng)為0.5％或以上，優(yōu)選為0.8％或以上，最優(yōu)選為1.0％或以上，并且質(zhì)量百分比應(yīng)為7.0％或以下，優(yōu)選6.5％或以下，最優(yōu)選為6.0％或以下。
現(xiàn)在，將詳細(xì)描述本發(fā)明第四方面的光學(xué)玻璃。下文將描述限定第四方面的玻璃組成的原因。至于與上述成分相一致的成分，將具有相同的對(duì)該成分限量的理由。
Sr2(PO3)2、Ca(PO3)2、Zn(PO3)2和La(PO3)3具有玻璃形成成分的作用，如需要可添加。因?yàn)镾r(PO3)2除了上述作用外，還能有效降低光彈性常數(shù)，其添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)10％，優(yōu)選最高達(dá)9％，最優(yōu)選最高達(dá)8％。Ca(PO3)2對(duì)提高玻璃的穩(wěn)定性有效，因此，其添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)10％，優(yōu)選為9％，最優(yōu)選最高達(dá)8％。Zn(PO3)2對(duì)增加光彈性常數(shù)有效，因此其添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)5％，優(yōu)選最高達(dá)4％，最優(yōu)選最高達(dá)3％。La(PO3)3添加量的質(zhì)量百分比超過(guò)5％會(huì)使玻璃的抗失透性惡化，因此，其添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)5％，優(yōu)選為4％，最優(yōu)選最高達(dá)3.5％。偏磷酸鹽化合物總量與第三方面的光學(xué)玻璃相同。
像BaF2一樣，因?yàn)镾rF2和CaF2對(duì)降低光彈性常數(shù)有效，所以其添加量的質(zhì)量百分比可分別最高達(dá)10％，優(yōu)選最高達(dá)9％，最優(yōu)選最高達(dá)8.5％。如果這些成分的量的質(zhì)量百分比分別超過(guò)10％，則不能實(shí)現(xiàn)所需的折射率。MgF2和AlF3對(duì)提高玻璃的熔融特性和機(jī)械強(qiáng)度有效，但過(guò)量添加這些成分會(huì)顯著增大光彈性常數(shù)，因此，這些成分的添加量的質(zhì)量百分比可分別最高達(dá)2％，優(yōu)選最高達(dá)1％。最優(yōu)選的是根本不添加這些成分。
GdF3和LaF3在保持光彈性常數(shù)的同時(shí)可有效增大折射率。GdF3添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)15％，優(yōu)選最高達(dá)14％，最優(yōu)選的最高達(dá)13.5％。該成分的添加量的質(zhì)量百分比超過(guò)15％會(huì)明顯使該玻璃不穩(wěn)定。LaF3添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)7％，優(yōu)選最高達(dá)6％，最優(yōu)選最高達(dá)5％。過(guò)量的添加量使該玻璃明顯不穩(wěn)定。
YF3對(duì)穩(wěn)定玻璃并調(diào)整折射率有效，因此，其添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)7％，優(yōu)選最高達(dá)6％，最優(yōu)選最高達(dá)5.5％。過(guò)量的添加會(huì)增大光彈性常數(shù)。
KHF2對(duì)提高玻璃的熔融特性和消泡性能有效，因此，其添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)3％，優(yōu)選最高達(dá)2.5％，最優(yōu)選最高達(dá)2％。過(guò)量的添加會(huì)顯著降低折射率以至不能獲得所需的折射率。至于氟化物的總量，將適用前述關(guān)于第三方面的光學(xué)玻璃的說(shuō)明。
金屬氧化物Y2O3、La2O3、Yb2O3、Ta2O5、Lu2O3、TiO2、ZrO2、WO3和Bi2O3可調(diào)整折射率和阿貝數(shù)，因此，可作為可選擇成分添加。更具體的說(shuō)，Yb2O3和La2O3可在不增大光彈性常數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)高折射率，因此，其添加量的質(zhì)量百分比可分別最高達(dá)10.0％，優(yōu)選最高達(dá)8％，最優(yōu)選最高達(dá)7％。過(guò)量的添加會(huì)使玻璃的抗失透性降低。Yb2O3、Ta2O5、Lu2O3和Bi2O3對(duì)實(shí)現(xiàn)高折射率有效，但是這些成分的添加過(guò)多會(huì)使得玻璃不穩(wěn)定，因此，其添加量的質(zhì)量百分比可分別最高達(dá)5％，優(yōu)選最高達(dá)4％，最優(yōu)選最高達(dá)3％。ZrO2對(duì)調(diào)整玻璃的折射率和機(jī)械強(qiáng)度有效，但是這些成分的添加量的質(zhì)量百分比超過(guò)5.0％就需要在高溫下熔融，因此，其添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)5％，優(yōu)選最高達(dá)4.5％，最優(yōu)選最高達(dá)4％。TiO2和WO3對(duì)實(shí)現(xiàn)高折射率并調(diào)整阿貝數(shù)有效，但這些成分的過(guò)量添加會(huì)使玻璃著色，因此，其添加量的質(zhì)量百分比可分別最高達(dá)7％，優(yōu)選最高達(dá)6％，最優(yōu)選最高達(dá)5％。
BaO對(duì)降低光彈性常數(shù)并調(diào)整折射率和阿貝數(shù)非常有效，因此，除BaF2外可選擇性地添加該成分，其添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)8％，優(yōu)選最高達(dá)7.5％，最優(yōu)選最高達(dá)7％。不希望該成分的添加量的質(zhì)量百分比超過(guò)8％，因?yàn)檫@樣會(huì)明顯使玻璃不穩(wěn)定。
CaO、SrO和ZnO可有效穩(wěn)定玻璃，即通過(guò)添加少量的這些成分來(lái)提高玻璃的抗失透性，其可作為可選擇性成分添加。然而這些成分的過(guò)量添加，將難以實(shí)現(xiàn)所需的光彈性常數(shù)和折射率。因此，CaO和ZnO的添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)5.0％，優(yōu)選最高達(dá)4.5％，最優(yōu)選最高達(dá)4.0％。SrO的添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)10％，優(yōu)選最高達(dá)9％，最優(yōu)選最高達(dá)8％。
Li2O、Na2O、K2O和Cs2O對(duì)提高玻璃的熔融特性和消泡性能有效。因此，Li2O添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)1.0％，優(yōu)選最高達(dá)0.8％，最優(yōu)選最高達(dá)0.5％。Na2O和K2O的添加量的質(zhì)量百分比可分別最高達(dá)3.0％，優(yōu)選最高達(dá)2.5％，最優(yōu)選最高達(dá)2.0％。Cs2O添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)5％，優(yōu)選最高達(dá)4％，最優(yōu)選最高達(dá)3％。不需要過(guò)量的添加量，因?yàn)檫@會(huì)明顯使玻璃不穩(wěn)定并產(chǎn)生失透。
Tl2O可有效提高熔融特性，降低光彈性常數(shù)和調(diào)整折射率和阿貝數(shù)，其可作為可選成分添加。如果該成分的量的質(zhì)量百分比超過(guò)15％，則玻璃被明顯染色，因此，其添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)15％，優(yōu)選最高達(dá)14％，最優(yōu)選最高達(dá)13％。
Si2O和Ba2O3可有效調(diào)整玻璃的折射率并提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度，但是會(huì)顯著增加玻璃的光彈性常數(shù)，因此，其添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)3％，優(yōu)選最高達(dá)2％。更優(yōu)選的是根本不添加這些成分。
為了澄清和均化本發(fā)明的光學(xué)玻璃，可添加作為選擇性成分的已知澄清劑Sb2O3。除了該效果之外，該成分還可調(diào)整折射率和光彈性常數(shù)，因此其添加量的質(zhì)量百分比可最高達(dá)3.0％。不需要過(guò)量添加該成分，因?yàn)檫@會(huì)在玻璃熔融期間增加過(guò)多的氣泡。
第四方面和第五方面的光學(xué)玻璃具有幾乎相同的玻璃組分的范圍。例如，Ba2(PO3)2在高溫熔融玻璃期間分解成BaO和P2O5。基于配鹽和氟化物描述了第四方面的光學(xué)玻璃，而基于玻璃固化反應(yīng)產(chǎn)生的氧化物描述了第五方面的光學(xué)玻璃。
在第五發(fā)明的光學(xué)玻璃的描述中，假設(shè)用作玻璃組成成分的配鹽和氟化物等在玻璃熔融期間全部都被分解并轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸铮盎谘趸镉?jì)算的組成”是指表示包含于玻璃中的各成分的量的組成，其中所產(chǎn)生的氧化物總量表示為質(zhì)量百分比100％。
限制第五方面光學(xué)玻璃的各成分的理由如下關(guān)于與第一、第二、第三和第四方面相一致的成分，將適用前述描述。
在本方面的光學(xué)玻璃中，P2O5是一種玻璃形成氧化物和基本成分。為了形成穩(wěn)定的玻璃，該成分的添加量的質(zhì)量百分比必須為12％或以上，但如果該成分的量的質(zhì)量百分比為22％或以上，就不能實(shí)現(xiàn)所需的光彈性常數(shù)。因此，該成分的量的質(zhì)量百分比應(yīng)為12％或以上，優(yōu)選為13％或以上，最優(yōu)選為14％或以上，并且其質(zhì)量百分比應(yīng)小于22％或以下，優(yōu)選質(zhì)量百分比20％或以下，并且最優(yōu)選質(zhì)量百分比為19％或以下。
Al2O3對(duì)促進(jìn)穩(wěn)定玻璃的形成并提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性有效，因此，該成分的添加量的質(zhì)量百分比應(yīng)為1％或以上。然而，如果該成分的量的質(zhì)量百分比超過(guò)5％，則不能實(shí)現(xiàn)所需的光彈性常數(shù)。因此，該成分的量的質(zhì)量百分比應(yīng)為1％或以上，優(yōu)選為1.5％或以上，最優(yōu)選為2％或以上，并且其質(zhì)量百分比應(yīng)為5％或以下，優(yōu)選4.5％或以下，并且最優(yōu)選為4％或以下。
BaO對(duì)降低玻璃的光彈性常數(shù)并調(diào)整折射率和阿貝數(shù)有效，因此它是玻璃的基本成分。如果該成分的量的質(zhì)量百分比小于40％，就不能實(shí)現(xiàn)所需的光彈性常數(shù)和光學(xué)常數(shù)(即反射率和阿貝數(shù))，然而如果該成分的量的質(zhì)量百分比超過(guò)55％，則在玻璃制造中將顯著出現(xiàn)不希望的不穩(wěn)定性，如失透。因此，該成分的量的質(zhì)量百分比應(yīng)為40％或以上，優(yōu)選為41％或以上，最優(yōu)選為42％或以上，并且質(zhì)量百分比應(yīng)小于55％或以下，優(yōu)選54％或以下，并且最優(yōu)選為53％或以下。
在此種玻璃中，F(xiàn)(氟)的作用與前述相同。如果包含在氧化物中的金屬元素的氟化物中的F的總量相對(duì)于基于氧化物計(jì)算的組合物的100重量份小于8重量份，那么將不能獲得穩(wěn)定的玻璃，然而如果F的總量超過(guò)20重量份，則不能實(shí)現(xiàn)理想的折射率。因此，F(xiàn)的總量應(yīng)為8重量份或以上，優(yōu)選為9重量份或以上，最優(yōu)選為10重量份或以上，并且應(yīng)該小于20重量份或以下，優(yōu)選19重量份或以下，最優(yōu)選為18重量份或以下。
MgO(作為使用的MgO、MgF2、Mg(PO3)2、MgCO3、MgO等的原材料)顯著增加了玻璃的光彈性常數(shù)，因此優(yōu)選不應(yīng)添加，然而，因?yàn)樵摮煞謱?duì)提高玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度并調(diào)整熱膨脹系數(shù)有效，所以該成分的添加量的質(zhì)量百分比作為MgO可最高達(dá)1％。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，波長(zhǎng)相關(guān)性極小并且對(duì)于各波長(zhǎng)的雙折射的量均勻，因此在該產(chǎn)品的光學(xué)設(shè)計(jì)中不必考慮折射對(duì)該產(chǎn)品性能的影響。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，由機(jī)械和熱應(yīng)力產(chǎn)生的折射的量很小，因此可準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的光學(xué)特性，并可獲得諸如透鏡、棱鏡和基質(zhì)等可進(jìn)行高精度偏振控制的光學(xué)部件。光彈性常數(shù)的波長(zhǎng)相關(guān)性對(duì)于在整個(gè)可見光范圍內(nèi)起作用的光學(xué)部件非常重要。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，通過(guò)優(yōu)化第七方面光學(xué)玻璃的光彈性常數(shù)和折射率，可獲得第七方面光學(xué)玻璃的效果，尤其是可實(shí)現(xiàn)諸如透鏡、棱鏡和基質(zhì)等需要受到高精度偏振控制的光學(xué)部件。
在本發(fā)明的光學(xué)玻璃中，Pb化合物的量對(duì)于玻璃的總質(zhì)量的質(zhì)量百分比應(yīng)小于0.1％，優(yōu)選根本不含有該物質(zhì)。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在，將描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
表1和2描述了根據(jù)本發(fā)明第二方面的玻璃組合物，表3和4描述了根據(jù)本發(fā)明第四方面的玻璃組合物，表5和6描述了根據(jù)本發(fā)明第五方面的玻璃組合，這些表表示用于獲得光學(xué)玻璃的優(yōu)選實(shí)施例(實(shí)施例1-18)，其中這些光學(xué)玻璃的折射率(nd)在1.60至1.68范圍之間，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65的范圍之間，在546nm波長(zhǎng)的光彈性常數(shù)(β)在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至-0.5×10-5nm·cm-1·Pa-1之間。表7描述了與本發(fā)明第二方面的光學(xué)玻璃相對(duì)應(yīng)的對(duì)比例的玻璃組合物，表8描述了與本發(fā)明第四方面的光學(xué)玻璃相對(duì)應(yīng)的對(duì)比例的玻璃組合物，表9描述了與本發(fā)明第五方面的光學(xué)玻璃相對(duì)應(yīng)的對(duì)比例的玻璃組合物，這些表表示對(duì)比例(比較實(shí)施例A至比較實(shí)施例I)的已知光學(xué)玻璃的組合物以及折射率(nd)、阿貝數(shù)(νd)和光彈性常數(shù)(β)。在表1-3和表4-6中，相同的實(shí)施例標(biāo)號(hào)表示具有相同組成的樣品。
表1

表2

表3

表4

表5

表6

為了測(cè)量光彈性常數(shù)(β)，將玻璃樣品形成為盤狀，每個(gè)盤的直徑為25mm，厚度為8mm，并且相對(duì)表面上是拋光的，以預(yù)定方向?qū)ΡP施加壓縮負(fù)載，測(cè)量在該玻璃中心位置引起的光程差，并通過(guò)上述公式(1)計(jì)算出光彈性常數(shù)。為了測(cè)量在436nm和546nm的光彈性常數(shù)，將超高壓水銀燈用作光源，為了測(cè)量在644nm的光彈性常數(shù)，將鹵素?zé)粲米鞴庠础?br> 為了制造實(shí)施例1至實(shí)施例18的玻璃，對(duì)光學(xué)玻璃的普通原材料稱重并按預(yù)定比例混合，這些原材料是如偏磷酸鹽化合物、氧化物、碳酸鹽、硝酸鹽、氟化物和氫氧化物，然后將混合后的材料置于鉑坩鍋中，并根據(jù)玻璃組合物的熔融特性在900℃至1200℃的溫度范圍內(nèi)熔化三至四小時(shí)。攪拌該熔融物使其均化，然后在降低到適當(dāng)溫度后使該熔融物澆鑄于模中并退火形成玻璃。需要時(shí)，在熔融期間將蓋置于坩堝上以防止氟蒸發(fā)。
實(shí)施例1至實(shí)施例18的玻璃，其折射率(nd)都在1.60至1.68范圍內(nèi)，阿貝數(shù)(νd)都在40至小于65的范圍內(nèi)并且光彈性常數(shù)(β)都在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.5×10-5nm·cm-1·Pa-1之間。尤其是，實(shí)施例1至實(shí)施例16的玻璃，其光彈性常數(shù)(β)在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.3×10-5nm·cm-1·Pa-1的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了具有極小光彈性常數(shù)的光學(xué)玻璃。
圖1繪出了當(dāng)所采用的入射光波長(zhǎng)為644nm和436nm時(shí)，所獲得的各實(shí)施例的光彈性常數(shù)值。如從圖1中顯而易見的，在644nm的光彈性常數(shù)和在436nm的光彈性常數(shù)之差很小，其在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1的范圍內(nèi)。
另一方面，為了檢驗(yàn)已知的氟化磷酸鹽光學(xué)玻璃的光彈性常數(shù)，制備了表7-9中的對(duì)比例A至I的玻璃以測(cè)試它們的性能。在表7-9中，相同的對(duì)比例標(biāo)號(hào)表示具有相同組成的樣品。
對(duì)比例A和B是公開號(hào)為平11-60267的日本專利申請(qǐng)中的例14和例22，對(duì)比例C和D是公開號(hào)為昭50-50416的日本專利申請(qǐng)中的例14和例24，對(duì)比例E是公開號(hào)為昭57-123842的日本專利申請(qǐng)中的例24，對(duì)比例F和G是公開號(hào)為昭59-18133的日本專利申請(qǐng)中的例7和例22，對(duì)比例H是公開號(hào)為平10-53434的日本專利申請(qǐng)中的例6，對(duì)比例I是USP-5969861中的例47。表7描述了與本發(fā)明第二方面的光學(xué)玻璃相應(yīng)的玻璃組合物(在各公開出版物中有相同的描述)。表8描述了與本發(fā)明第四方面的光學(xué)玻璃相應(yīng)的玻璃組合物。表9描述了與本發(fā)明第五方面的光學(xué)玻璃相應(yīng)的玻璃組合物。
在對(duì)比例B和C中，在玻璃的冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生失透現(xiàn)象，不能獲得透明的玻璃，因此不能測(cè)量到這些玻璃的物理特性。因此在表7-9中由標(biāo)記×表示對(duì)比例B和C。在其它的對(duì)比例中，折射率(nd)在1.60附近，阿貝數(shù)在60附近，但是除對(duì)比例A、E和H之外，這些對(duì)比例中的光彈性常數(shù)大于0.5×10-5nm·cm-1·Pa-1，與本發(fā)明所需的光彈性常數(shù)相差很大。與光彈性常數(shù)為約2.0×10-5nm·cm-1·Pa-1至3.0×10-5nm·cm-1·Pa-1的一般光學(xué)玻璃相比，這些對(duì)比例的光彈性常數(shù)可以說(shuō)相對(duì)較小，但是為了諸如需要高精度偏振控制的偏振分束器的目的，光彈性常數(shù)應(yīng)盡可能接近于零，由此觀點(diǎn)來(lái)看，這些對(duì)比例的光彈性常數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
對(duì)比例A和E示出了光學(xué)常數(shù)(折射率nd和阿貝數(shù)νd)，其與本發(fā)明所需的范圍相差很大。如果試圖利用這些玻璃制造偏振分束器，在制備偏振分離膜中將難以獲得良好的偏振分離特性。
在對(duì)比例H中，如果折射率(nd)在1.60至1.62范圍內(nèi)，光彈性常數(shù)(β)應(yīng)優(yōu)選在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.4×10-5nm·cm-1·Pa-1范圍內(nèi)，但該光彈性常數(shù)值不足以用于實(shí)用目的。例如，將具有大致相同折射率的例2和4與對(duì)比例H相比較，對(duì)比例H的光彈性常數(shù)超過(guò)例2和例4的兩倍，當(dāng)將對(duì)比例H的玻璃用作光學(xué)元件時(shí)，與例2和例4的光學(xué)玻璃制成的光學(xué)元件相比易于產(chǎn)生不希望的雙折射。
在該公開出版物中描述的對(duì)比例I的氟化磷酸鹽玻璃，其折射率(nd)為1.527，阿貝數(shù)(νd)為72.8，對(duì)于氦氖激光器波長(zhǎng)(633nm)的光彈性常數(shù)為0.43×10-8cm/N(＝0.43×10-5nm·cm-1·Pa-1)。然而，驗(yàn)證測(cè)試的結(jié)果表明出現(xiàn)了細(xì)微的失透或析相作用，不能獲得透明的玻璃，即，該玻璃表現(xiàn)出不透明的外部特征。在這種不透明的玻璃中測(cè)量到的物理特性示于表7-9中，但不能獲得接近于該公開出版物中所描述的值。在表7-9中，標(biāo)記△表示不能測(cè)量的阿貝數(shù)。
本發(fā)明所列出的上述實(shí)施例，僅僅為了說(shuō)明性的目的，本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下作出多種改變。
表7

表8

表9

權(quán)利要求
1.一種光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60至1.68之間，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65之間，并包含如下構(gòu)成光學(xué)玻璃的原子P 5-10mol％Al1-3mol％Ba8-13mol％，Gd1-5mol％Nb0.1-3mol％F 15-35mol％和O 40-52mol％并且不含Pb化合物。
2.一種光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60至1.68之間，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65之間，并包含如下構(gòu)成光學(xué)玻璃的原子P 5-10mol％Al1-3mol％Ba8-13mol％Gd1-5mol％Nb0.1-3mol％F 15-35mol％O 40-52mol％和Y 0-2mol％和/或La0-2mol％和/或Yb0-1mol％和/或Ta0-1mol％和/或Lu0-1mol％和/或Ti0-1.5mol％和/或Zr0-1.5mol％和/或W 0-1.5mol％和/或Bi0-1.5mol％和/或Mg0-2mol％和/或Ca0-3mol％和/或Sr0-5mol％和/或Zn0-2mol％和/或Li0-2mol％和/或Na0-2mol％和/或K 0-2mol％和/或Cs0-1mol％和/或Tl0-3mol％和/或Si0-2mol％和/或B 0-2mol％和/或Sb0-1mol％，并且不含Pb化合物。
3.一種光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60-1.68之間，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65之間，并包含如下組分，以質(zhì)量百分比表示偏磷酸鹽化合物18.0-30.0％其中Al(PO3)310.0-20.0％Ba(PO3)23.0-15.0％氟化物43.0-65.0％其中BaF241.0-55.0％Gd2O38.0-25.0％和Nb2O50.5-7.0％，并且不含Pb化合物。
4.一種光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60-1.68之間，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65之間，并包含如下組分，以質(zhì)量百分比表示偏磷酸鹽化合物18.0-30.0％其中Al(PO3)310.0-20.0％Ba(PO3)23.0-15.0％和Sr(PO3)20.0-10.0％和/或Ca(PO3)20.0-10.0％和/或Zn(PO3)20.0-5.0％和/或La(PO3)30.0-5.0％氟化物43.0-65.0％其中BaF241.0-55.0％和SrF20.0-10.0％和/或CaF20.0-10.0％和/或MgF20.0-2.0％和/或AlF20.0-2.0％和/或GdF30.0-15.0％和/或YF30.0-7.0％和/或LaF30.0-7.0％和/或KHF20.0-3.0％Gd2O38.0-25.0％Nb2O50.5-7.0％和Y2O30.0-10.0％和/或La2O30.0-10.0％和/或Yb2O30.0-5.0％和/或Ta2O50.0-5.0％和/或Lu2O30.0-5.0％和/或TiO20.0-7.0％和/或ZrO20.0-5.0％和/或WO30.0-7.0％和/或Bi2O30.0-5.0％和/或BaO0.0-8.0％和/或CaO0.0-5.0％和/或SrO0.0-10％和/或ZnO0.0-5.0％和/或Li2O 0.0-1.0％和/或Na2O 0.0-3.0％和/或K2O 0.0-3.0％和/或Cs2O 0.0-5.0％和/或Tl2O 0.0-15.0％和/或SiO20.0-3.0％和/或B2O30.0-3.0％和/或Sb2O30.0-3.0％，并且不含Pb化合物。
5.一種光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60-1.68范圍內(nèi)，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65之間，并具有包括如下組分的組合物，基于氧化物計(jì)算并以質(zhì)量百分比表示P2O512-小于22％Al2O31-5％BaO40-55％Gd2O38-25％Nb2O50.5-8％和Y2O30-10％和/或La2O30-10％和/或Yb2O30-5％和/或Ta2O50-5％和/或Lu2O30-5％和/或TiO20-7％和/或ZrO20-5％和/或WO30-7％和/或Bi2O30-5％和/或MgO0-1％和/或CaO0-5％和/或SrO0-10％和/或ZnO0-5％和/或Li2O 0-1％和/或Na2O 0-3％和/或K2O 0-3％和/或Cs2O 0-5％和/或Tl2O 0-15％和/或SiO20-3％和/或B2O30-3％和/或Sb2O30-3％以及包含在上述金屬氧化物中的一種或多種金屬元素的一種或多種氟化物，基于氧化物計(jì)算的所述組合物的100重量份中，所述氟化物中包含的F的總量為8-20重量份，并且該光學(xué)玻璃不含Pb化合物。
6.一種如權(quán)利要求1至5之任意一項(xiàng)所述的光學(xué)玻璃，其中在644nm的光彈性常數(shù)與在436nm的光彈性常數(shù)之差在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1的范圍內(nèi)。
7.一種如權(quán)利要求1至5之任意一項(xiàng)所述的光學(xué)玻璃，其中在折射率(nd)為1.60至1.62的區(qū)域內(nèi)，其在546nm的光彈性常數(shù)在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.3×10-5nm·cm-1·Pa-1的范圍內(nèi)，在折射率(nd)為1.62至1.68的區(qū)域內(nèi)，其在546nm的光彈性常數(shù)在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.5×10-5nm·cm-1·Pa-1的范圍內(nèi)，并且在644nm與在436nm的光彈性常數(shù)之差在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1范圍內(nèi)。
8.一種如權(quán)利要求1至5之任意一項(xiàng)所述的光學(xué)玻璃，其折射率(nd)在1.60至1.65范圍內(nèi)，阿貝數(shù)(νd)在50至小于65的范圍內(nèi)，其中在546nm的光彈性常數(shù)在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.3×10-5nm·cm-1·Pa-1范圍內(nèi)，且在644nm與在436nm的光彈性常數(shù)之差在-0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1至0.1×10-5nm·cm-1·Pa-1的范圍內(nèi)。
9.一種用于液晶顯示投影儀的偏振分束器，其使用權(quán)利要求1-5之任意一項(xiàng)所述的光學(xué)玻璃。
10.一種用于液晶顯示投影儀的偏振分束器，其使用如權(quán)利要求6所述的光學(xué)玻璃。
11.一種用于液晶顯示投影儀的偏振分束器，其使用如權(quán)利要求7所述的光學(xué)玻璃。
12.一種用于液晶顯示投影儀的偏振分束器，其使用如權(quán)利要求8所述的光學(xué)玻璃。
全文摘要
一種光彈性常數(shù)(β)小的玻璃，其適用于偏振光學(xué)系統(tǒng)部件和光偏振控制元件，并且其折射率(nd)在1.60至1.68范圍之間，阿貝數(shù)(νd)在40至小于65之間，并包含如下構(gòu)成光學(xué)玻璃的原子P5－10mol％、Al1－3mol％、Ba8－13mol％、Gd1－5mol％、Nb0.1－3mol％、F15－35mol％和O40－52mol％。
文檔編號(hào)C03C3/247GK1597583SQ20041009004
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月16日
發(fā)明者石岡順子 申請(qǐng)人:株式會(huì)社小原