Оптическое стекло

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к бесцветному оптическому стеклу с высоким показателем преломления в диапазоне 1,91≤nd≤2,02, коэффициентом дисперсии 27≤νd≤36 и пониженной плотностью (ρ<5,0 г/см3), которое может быть использовано в качестве материала для изготовления оптических линз и оптических систем (фото- и видео объективы сверхвысокого разрешения, оптические устройства оборонно-промышленного комплекса, оптика гражданского сегмента, материал для объемной записи волноводных светопроводящих структур с помощью локального лазерного модифицирования и др.). Заявленное оптическое стекло содержит следующие компоненты, мас.%: La2O3 34-50; В2O3 11-20; ТiO2 4-10, СаО 0,5-4; ZnO 0,2-2,5; Nb2O5 16-40; ZrO2 0-2; Y2O3 1-5; Gd2O3 5-10; Sb2O3 0,2-2,0 и дополнительно содержит Ga2O3 0,5-5, WO3 0-5. Соотношения CaO/ZnO=1,5-2,5 и La2O3/B2O3=2,5-4 обеспечивают оптимальную устойчивость стекла к кристаллизации и технологичность его варки и выработки. Оптическое стекло из данной области составов обладает высоким показателем преломления в сочетании с невысокой плотностью, низкой кристаллизационной способностью и экологической безопасностью. 7 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности, к бесцветному оптическому стеклу с высоким показателем преломления в диапазоне 1,91≤nd≤2,02, коэффициентом дисперсии в диапазоне 27≤νd≤36 и пониженной плотностью (ρ≤5,0 г/см3), которое может быть использовано в качестве материала для изготовления оптических линз и оптических систем (фото- и видео объективы сверхвысокого разрешения, оптические устройства оборонно-промышленного комплекса, оптика гражданского сегмента, материал для объемной записи волноводных светопроводящих структур с помощью локального лазерного модифицирования и др.).

За последнее десятилетие темпы развития профессионального фото- и видеооборудования значительно возросли. Сферы массового и общедоступного телевидения, кинематограф, фотография, мобильные устройства, летательные аппараты, устройства воспроизведения изображения, такие как проекторы и проекционные экраны, устройства для записи и считывания информации, проекционные устройства выдвигают все более жесткие требования к качеству передаваемого изображения. Все более актуальной становится снижение массы оптических систем, а следовательно, повышается актуальность разработок высокопреломляющих стекол с минимально возможной плотностью, что позволит сократить массу разрабатываемых оптических систем.

Для изготовления требуемых оптических элементов используются стекла, имеющие показатель преломления nd>1,90 и коэффициент дисперсии (число Аббе) νd>25, что в совокупности с пониженной плотностью позволяет уменьшить общий вес и габариты оптической системы.

Одной из наиболее традиционных добавок в составе высокопреломляющих стекол является добавка оксида свинца [WO 2018154960 A1, RU 2631707 C1]. PbO позволяет существенно увеличить показатель преломления, делает вязкость стекла более «длинной», т.е. улучшает его технологичность. Для удаления из расплава стекла газовых пузырей в состав стекол часто вводится As2O3. Однако современные экологические требования вынуждают отказываться от добавок оксида свинца и мышьяка, так как эти оксиды являются веществами 2 и 1 класса опасности, соответственно.

Близким по достигаемому результату является оптическое стекло, представленное в патентном документе CN 112125511 А. Изобретение содержит составы стекол с повышенной устойчивостью к кристаллизации. Стекла характеризуются значением показателя преломления (nd) в интервале 1,74-1,82, коэффициентом дисперсии (νd) в интервале 25-35. Состав стекла (масс. %): SiO2 25-45%; ZrO2 2-15%; Nb2O5 35-60%; Li2O 1-10%; Na2O 2-15%; K2O 0-10%; B2O3 0-10%; Al2O3 0-5%; La2O3 0-10%; Gd2O3 от 0 до 10%; Y2O3 0-10%; Yb2O3 0-10%; BaO 0-10%; SrO 0-10%; CaO 0-10%; MgO 0-5%; ZnO 0-10%; TiO2 0-10%; WO3 0-10%; Bi2O3 0-5%; Ta2O5 0-5%; Sb2O3 0-1%. Недостатком представленных составов является их малый показатель преломления при высоком содержании модифицирующих добавок. Дополнительная трудность заключается в необходимости точного регулирования окислительно-восстановительных условий в процессе варки, так как есть высокая вероятность получения окрашенного стекла в виду присутствия в нем Bi2O3.

Близким по достигаемому результату является также оптическое стекло, представленное в патентном документе JP 2020037514 A. Изобретение содержит составы высокопреломляющих стекол с содержанием SiO2 не более 10 мол. %, в то время как показатель преломления составляет (nd) 1,81-1,93 и коэффициент дисперсии (νd) находится в пределах 33-47. Достижение результата обеспечивается следующим содержанием компонентов (масс. %): SiO2 2-10%, B2O3 10-25%, ZnO 2-10%, La2O3 20-55%, WO3 1-10% и Na2O+K2O в интервале 0-0,1%, Gd2O3 0-9%, Nb2O5 0-3%, BaO 0-5%, Y2O3 0-15%, ZrO2 0-10%, TiO2 0-10%, Ta2O5 0-20%, Sb2O3 0-1%. Основным недостатком данного изобретения является высокое содержание WO3, который способствует окрашиванию оптического стекла и снижает светопропускание. Еще одним недостатком является существенная склонность стекла к кристаллизации из-за высокого содержания таких компонентов как La2O3, Y2O3 и Ta2O5.

Близким к заявляемыми оптическим характеристикам соответствует оптическое стекло, представленное в изобретении JP 2021054693 А. Показатель преломления стекла (nd) составляет 1,71-1,90, а коэффициент дисперсии (νd) 24-34. Результат достигается наличием следующих компонентов в составе (масс. %): SiO2 17-35%, B2O3 0-13%, ZrO2 0-10%, Nb2O5 34-52%, Na2O 0-10%, MgO 0-10%, Li2O 0-10%, WO3 0-3%. Стекла данного состава невозможно получать методом традиционной варки расплава в больших объемах из-за низкой склонности к стеклообразованию. Синтез стекла возможен только методом плавления с помощью технологии аэродинамической левитации (ADL), используя в качестве источника нагрева CO2-лазер. Такой метод не позволяет получать заготовки оптического стекла размером более 8 мм, что является основным недостатком данного изобретения.

Также близким по заявленным характеристикам является патент JP 2020186161 A. Заявляемые стекла обладают показателем преломления (nd) в интервале 2,0-2,35, а коэффициент дисперсии (νd) в интервале 5-40. Стекла содержат в составе следующие компоненты (мол. %): В2О3 1-29%, La2O3 20-50%, TiO2 5-20%, Al2O3 0-10%, Nb2O5 51-90%. Суммарное содержание La2O3+Nb2O5 предпочтительно составляет минимум 60%. Верхний предел суммарного содержания La2O3+Nb2O5 не ограничивается, однако не должен превышать 95%. Главным недостатком изобретения является высокая склонность к кристаллизации расплавов стекла, а также малые размеры синтезируемых образцов, затрудняющих применения этих составов в промышленности.

Близким по достигаемому результату является патент WO 2021/085271 A1. Стекла характеризуются значением показателя преломления (nd) в интервале 1,90-2,30 коэффициентом дисперсии (νd) в интервале 20-35. Также составы стекол характеризуются плотностью высокопреломляющих составов в интервале 5,1-5,5 г/см3. Составы стекол (масс. %): SiO2 1-20%, B2O3 1-25%, TiO2 1-30%, Nb2O5 1-30%, La2O3 10-60%, Gd2O3 0-20%, ZrO2 0-15%, Y2O3 0-5%, SrO 0-5%, CaO 0-5%.

Главными недостатками являются высокое значение плотности стекол, что негативно сказывается на массе оптических систем. Также авторы сообщают о высокой склонности расплавов к кристаллизации в виду большого содержания в составе стекол нестеклообразующих добавок. Представленный в патентном документе состав выбран в качестве прототипа заявляемому изобретению.

Задачей настоящего изобретения является разработка состава высокопреломляющего оптического стекла с низкой склонностью к кристаллизации. Состав должен обеспечить получение стекла со значением показателей преломления в диапазоне 1,91≤nd≤2,02, числом Аббе 27≤νd≤36 и пониженной плотностью ρ не более 5,0 г/см3 с сохранением возможности синтеза однородного стекла в объеме до 5 л.

Решение поставленной задачи изобретения достигается составом оптического стекла, включающим (масс. %): La2O3 34-50%; B2O3 11-20%; TiO2 4-10%, CaO 0,5-4%; ZnO 0,2-2,5%; Nb2O5 16-40%; ZrO2 0-2%; Y2O3 1-5%; Gd2O3 5-10%; Sb2O3 0,2-2,0% и дополнительно содержащим Ga2O3 0,5-5%, WO3 0-5%. Соотношения CaO/ZnO=1,5-2,5 и La2O3/B2O3=2,5-4 обеспечивают оптимальную кристаллизационную устойчивость и технологичность составов заявляемых высокопреломляющих оптических стекол.

Совокупность заявляемых компонентов позволяет получать высокопреломляющее оптическое стекло с низкой плотностью и пониженной склонностью к кристаллизации в объемах, пригодных для промышленного применения.

Y2O3 и Gd2O3 добавляются с целью увеличения показателя преломления стекла. Суммарное содержание этих компонентов не более 15 масс. % позволяет сохранять приемлемую стеклообразующую способность. Наиболее предпочтительное суммарное содержание не более 12 масс. %.

TiO2 и ZrO2 в значительной степени увеличивают показатель преломления, а также увеличивают химическую стойкость стекла. Однако оба этих компонента снижают коэффициент дисперсии, поэтому максимальное суммарное содержание должно быть не более 12 масс. %. Наиболее предпочтительное суммарное содержание не более 7 масс. %.

ZnO и СаО вводится в составы стекол с целью улучшения их технологических свойств и снижения значений характеристических температур (стеклования, начала деформации, размягчения).

Добавление Ga2O3 в диапазоне концентраций 0,5-5 масс. % способствует повышению устойчивости расплава к ликвации. При этом Ga2O3 позволяет увеличить показатель преломления стекла при сохранении низкой дисперсии.

Введение WO3 способствует увеличению показателя преломления, а при его содержании менее 5 масс. % в заявляемом диапазоне составов стекол, как показали проведенные нами исследования, улучшает стеклообразующую способность расплавов и не вызывает окрашивания оптического стекла и, соответственно, снижения светопропускания, что имело место в патенте JP 2020037514 A при содержаниях WO3 до 10 масс. %.

Достижение высокого показателя преломления стекол в заявляемой области составов осуществляется высоким суммарным содержанием нестеклообразующих оксидов (La2O3+Nb2O5+TiO2+ZrO2+Y2O3+Gd2O3+WO3). Однако, по сравнению с составами высокопреломляющих оптических стекол, упомянутыми в вышеупомянутых патентах, в том числе в протопите, в заявляемой области составов удается сохранить возможность синтеза стекла с высоким показателем преломления в объемах, пригодных для промышленного производства, а также сохранение значений плотности, не превышающих 5 г/см3. Достижение указанного уровня свойств стекла в совокупности с высокой стеклообразующей способностью, позволяющей получать отливки массой более 3 кг, не содержащей следов кристаллизации, обусловлено введением в состав стекла оксида галлия, снижением концентрации оксида иттрия при оптимизации соотношений CaO/ZnO и La2O3/B2O3, что отражено в данных таблицы 1.

Синтез стекол заявляемых составов выполняется традиционным для оптического стекловарения способом в электрических высокотемпературных печах шахтного типа в платиновых тиглях объемом до 5 л с перемешиванием платиновой мешалкой, выработкой стекломассы в металлическую форму и отжигом при температуре 600°С в течение 4 ч.

Положительной особенностью предлагаемых в заявляемом изобретении стекол является отсутствие в их составе компонентов первого и второго класса опасности (свинца, кадмия, мышьяка и др.).

Примеры составов стекол и их характеристические свойства приведены в таблице 1.

Пример 1

Стекло состава 1 (табл. 1) получено из сырьевых материалов категории не ниже ХЧ, которые смешивают в смесителе в течение 1 ч. Приготовленную шихту загружают в платиновый тигель порциями при температуре 1200°С, помещенный в электрическую печь шахтного типа с SiC-нагревателями. После загрузки шихты, температуру в печи поднимают до 1400°С и выдерживают в течении 4 ч. Для гомогенизации расплава стекла использовалась платиновая винтовая мешалка. Перемешивание выполнялось со скоростью до 80 об/мин в течение 1,5 ч до полной гомогенизации расплава. После осветления стекломассы температуру снижают инерционно до 1250°С и вырабатывают в разогретую до 600°С металлическую форму и отжигают в муфельной печи при температуре 600°С в течение 5 ч с последующим инерционным охлаждением до комнатной температуры. При этом масса заготовки, не содержащей следов кристаллизации, достигает примерно 3 кг.

Стекло обладает следующими свойствами: показатель преломления nd = 1,9102; число Аббе νd = 36,1; плотность ρ = 4,22 г/см3; ТКЛР α(50-500°C)=82⋅10-7 град-1; температура стеклования Tg = 632°С; коэффициент светопропускания стекла толщиной 10 мм на длине волны λ = 400 нм - τ400 (10 мм) = 0,915.

Пример 2

Стекло состава 2 (табл. 1) полученное по аналогии с примером 1, обладает свойствами: показатель преломления nd = 1,9248; число Аббе νd = 35,8; плотность ρ = 4,30 г/см3; ТКЛР α(50-500°C)=80⋅10-7 град-1; температура стеклования Tg = 635°С; коэффициент светопропускания стекла толщиной 10 мм на длине волны λ = 400 нм - τ400 (10 мм) = 0,910.

Пример 3

Стекло состава 3 (табл. 1), полученное по аналогии с примером 1, обладает свойствами: показатель преломления nd = 1,9950; число Аббе νd = 29,4; плотность ρ = 4,82 г/см3; ТКЛР α(50-500°C)=72⋅10-7 град-1; температура стеклования Tg = 665°С; коэффициент светопропускания стекла толщиной 10 мм на длине волны λ = 400 нм - τ400 (10 мм) = 0,899.

Пример 4

Стекло состава 4 (табл. 1), полученное по аналогии с примером 1, обладает свойствами: показатель преломления nd = 1,9714; число Аббе νd = 31,4; плотность ρ = 4,65 г/см3; ТКЛР α(50-500°C)=74⋅10-7 град-1; температура стеклования Tg = 682°С; коэффициент светопропускания стекла толщиной 10 мм на длине волны λ = 400 нм - τ400 (10 мм) = 0,902.

Пример 5

Стекло состава 5 (табл. 1), полученное по аналогии с примером 1, обладает свойствами: показатель преломления nd = 2,0216; число Аббе νd = 27,0; плотность ρ = 4,99 г/см3; ТКЛР α(50-500°C)=70⋅10-7 град-1; температура стеклования Tg = 690°С; коэффициент светопропускания стекла толщиной 10 мм на длине волны λ = 400 нм - τ400 (10 мм) = 0,892.

Пример 6

Стекло состава 6 (табл. 1), полученное по аналогии с примером 1, обладает свойствами: показатель преломления nd = 1,9467; число Аббе νd = 34,9; плотность ρ = 4,45 г/см3; ТКЛР α(50-500°С) = 77⋅10-7 град-1; температура стеклования Tg = 640°С; коэффициент светопропускания стекла толщиной 10 мм на длине волны λ = 400 нм - τ400 (10 мм) = 0,906.

Пример 7

Стекло состава 7 (табл. 1), полученное по аналогии с примером 1, обладает свойствами: показатель преломления nd = 1,9864; число Аббе νd = 30,7; плотность ρ = 4,96 г/см3; ТКЛР α(50-500°С) = 71⋅10-7 град-1; температура стеклования Tg = 678°С; коэффициент светопропускания стекла толщиной 10 мм на длине волны λ = 400 нм - τ400 (10 мм) = 0,901.

При любых отклонениях состава за пределы обозначенных допусков, наблюдается либо снижение устойчивости стекла к кристаллизации и невозможности получения отливок из тигля объемом до 5 л, либо уменьшение показателя преломления ниже значения 1,9, либо увеличение плотность свыше значения 5,0 г/см3.

Таким образом, задача настоящего изобретения решается составом стекла с приведенными выше диапазонами концентраций основных компонентов. Отличительной особенностью данного оптического стекла является совокупность высокого показателя преломления и невысоких для таких показателей преломления значений плотности, низкая склонность к кристаллизации и экологическая безопасность.

Оптическое стекло, содержащее La2O3, В2О3, Nb2O5, ZrO2, TiO2, Y2O3, Gd2O3, CaO, ZnO, Sb2O3, отличающееся тем, что дополнительно содержит Ga2O3 и WO3 при соотношении CaO/ZnO=1,5-2,5 и La2O32О3=2,5-4 и следующих диапазонах содержания компонентов, мас.%:

La2O3 34-50
В2О3 11-20
Nb2O5 16-40
TiO2 4-10
ZrO2 0-2
Ga2O3 0,5-5
CaO 0,5-4
ZnO 0,2-2,5
Y2O3 1-5
WO3 0-5
Gd2O3 5-10
Sb2O3 0,2-2,0 сверх 100%



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к медицине. Офтальмологическое устройство может содержать офтальмологическую линзу для по меньшей мере одного из замедления, сдерживания или предотвращения прогрессирования миопии.

Изобретение относится к способу образования оптического защитного устройства, при этом способ содержит этапы, на которых: предоставляют первую расходуемую компоновку фокусирующих элементов, расположенную поверх компоновки пиктограммных элементов; образуют шаблон из первого контрастирующего материала и шаблон из второго контрастирующего материала на пиктограммных элементах или в них путем направленного отверждения под первым углом отверждения по меньшей мере первого контрастирующего материала на пиктограммных элементах или в них через расходуемую компоновку фокусирующих элементов; располагают постоянную компоновку фокусирующих элементов поверх компоновки пиктограммных элементов так, что пиктограммные элементы проецируют по меньшей мере одно искусственное изображение, если смотреть через постоянную компоновку фокусирующих элементов; причем у постоянной компоновки фокусирующих элементов есть первый постоянный шаблон линз, который образует несовпадение шаблонов линзы–пиктограммы между первым постоянным шаблоном линз и шаблонами из первого и второго контрастирующих материалов; а у расходуемой компоновки фокусирующих элементов есть первый расходуемый шаблон линз, который совпадает с шаблоном из первого контрастирующего материала под первым углом отверждения; причем по меньшей мере одно искусственное изображение является проекцией шаблонов из первого и второго контрастирующих материалов, если смотреть по меньшей мере под одним углом; и причем по меньшей мере одно искусственное изображение создает эффект цветового перехода, который соответствует смещению угла наблюдения.

Изобретение может быть использовано в методах рентгеновской микроскопии, высокоразрешающей томографии, спектроскопии, флуоресцентной спектрометрии для решения задач, требующих фокусировки, коллимации или сбора рентгеновского излучения. Технический результат - уменьшение фокусного расстояния рентгеновской линзы при уменьшении ее геометрических размеров за счет обеспечения усадки линзы в процессе пиролиза, с уменьшением радиуса кривизны рабочей поверхности линзы, а также повышение устойчивости линзы к рентгеновскому излучению.

Изобретение относится к области выращивания монокристаллических сапфировых заготовок из расплава для изготовления деталей из сапфира для оптических применений, микроскопии, измерительной техники. Способ получения торцевых поверхностей с кривизной на монокристаллах сапфира включает затравливание с поверхности формообразователя 1 на затравочный кристалл 3, выращивание из столба расплава 5 кристалла 4 требуемой формы и резкий отрыв кристалла 4 от формообразователя 1, который выполнен с цилиндрическими выемками 2 с диаметром рабочей поверхности d, равным или большим поперечных размеров поверхностей с кривизной 7, и глубиной Н, равной или большей d, положение выемок 2 соответствует положению поверхностей с кривизной 7 в сечении кристалла 4, перед отрывом кристалла 4 заполненные расплавом 5 выемки располагают под фронтом кристаллизации 6.

Устройство для формирования оптического пучка содержит коллиматор для приема света от оптического источника и оптическую пластинку, которая содержит двумерный массив линз на входной стороне и соответствующий двумерный массив линз на противоположной выходной стороне. Каждая из линз на входной стороне имеет точку фокусировки на соответствующей линзе на выходной стороне, а каждая из линз на выходной стороне имеет точку фокусировки на соответствующей линзе на входной стороне.
Изобретение относится к технологии получения менисков, оболочек и заготовок линз оптических систем современных оптических, оптоэлектронных и лазерных приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК-областях спектров, и может быть использовано для получения выпукло-вогнутых линз из кристаллов фтористого лития.

Группа изобретений относится к офтальмологии. Офтальмологическая линза может содержать асферическую первую поверхность и аторическую вторую поверхность, расположенную противоположно первой поверхности и выполненную с возможностью размещения смежно с глазом пользователя.

Изобретение относится к оптическим материалам, способным создавать ряд визуальных эффектов. Однослойная система проецирования изображений для проецирования одного или более изображений включает структуру отражающих дугообразных элементов, имеющих верхнюю дугообразную поверхность, нижнюю поверхность и ограниченную верхней дугообразной и нижней поверхностями дугообразную зону, а также отражающий узор из рельефных микроструктур изображений, расположенных по крайней мере на некоторых из верхних дугообразных поверхностей дугообразных элементов или внутри них.

Использование: для рентгеновской микроскопии, микротомографии, спектроскопии, флуоресцентной спектрометрии. Сущность изобретения заключается в том, что линза для рентгеновского излучения, выполненная из полимерного материала, включает по меньшей мере одну рабочую поверхность, выполненную в виде параболоида вращения с радиусом кривизны в вершине параболоида до 0,4 мкм.

Изобретение относится к подложке для защищенных документов, таких как банкноты, и способу ее изготовления. Указанная подложка (S) содержит один или более бумажных слоев (11, 12) и полимерный слой (20), выполненный с возможностью приклеивания к стороне по меньшей мере одного из бумажных слоев (11, 12).

Изобретение направлено на получение стеклокристаллических материалов и изделий из них различных форм и размеров с высокими физико-механическими показателями, такими как высокие пределы прочности при сжатии и на изгиб, низкая плотность, высокая кислотоустойчивость, низкие водопоглощение, истираемость. Шихта для получения стеклокристаллического материала состоит из золошлака ТЭС или доменного шлака и корректирующих добавок и при этом содержит, вес.ч.
Наверх