一种光学玻璃及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及玻璃技术领域，尤其涉及一种光学玻璃及其制备方法和应用。


背景技术：

2.虚拟现实是利用计算机技术将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在，让人有种身临其境的感觉，近年来成为信息产业发展的焦点。衍射波导是虚拟现实系统的关键组件，决定了虚拟现实系统的增强现实体验感。高折射率玻璃属于衍射波导的基础材料，其较高的折射率可使系统获得更宽的视场角(fov)和更高清的光学清晰度，同时有利于实现元件小型化和可穿戴化。
3.目前，高折射率玻璃鉴于组分特点，通常含有较高含量的tio2等组分，造成玻璃着色，降低玻璃透过率，尤其是蓝光区的透光率，从而增大玻璃光吸收，降低成像质量。为此，如何制备具有高透过率的高折射率玻璃成为光学玻璃领域的研究热点。


技术实现要素：

4.本发明提供一种光学玻璃及其制备方法和应用，用以解决现有光学玻璃折射率低和内透过率差等问题，本发明一种光学玻璃具有高折射率，可显著提升光学玻璃的透光性，可拓展其应用领域。
5.根据本发明的第一方面，本发明提供一种光学玻璃，包括以下重量百分含量的组分：
6.la2o3：30％-40％；
7.ga2o3：15％-25％；
8.nb2o5：8％-18％；
9.tio2：5％-10％；
10.hfo2：5％-10％；
11.ta2o5：5％-10％；
12.sio2：5％-10％；
13.bao：2％-6％；
14.rf3：1％-3％，r选自la或ga中的一种或两种；
15.c：0.005％-0.02％。
16.进一步地，包括以下重量百分含量的组分：
17.la2o3：32％-35％；
18.ga2o3：16％-20％；
19.nb2o5：12％-15％；
20.tio2：6％-8％；
21.hfo2：6％-8％；
22.ta2o5：5％-8％；
23.sio2：5％-7％；
24.bao：3％-6％；
25.rf3：1％-2％，r选自la或ga中的一种或两种；
26.c：0.01％-0.015％。
27.本发明提供的光学玻璃的组分中，sio2组分是本发明提供的光学玻璃的重要网络形成体，可以提高玻璃的成玻能力、强度和化学稳定性。本发明实施例将sio2组分的重量百分含量控制为5％-10％，优选5％-7％，既可以获得均质玻璃体，又可以保证玻璃具有较高折射率。如果该组分的重量百分含量低于5％，成玻能力和化学性能变坏；如果该组分的重量百分含量超过10％，玻璃的折射率降低。
28.la2o3是光学玻璃具有较高折射率所必需的组分，该组分的重量百分含量控制为30％-40％，优选32％-35％。如果la2o3组分的重量百分含量低于30％，难以保证玻璃的折射率≥2.0，如果la2o3组分的重量百分含量超过40％，导致玻璃析晶，成玻性变差。
29.ga2o3是光学玻璃具有良好化学稳定性和较高折射率所必需的组分，可以提高玻璃耐水性和折射率。本发明将该组分的重量百分含量控制在15％-25％，优选16％-20％。如果该组分的重量百分含量低于15％，对玻璃耐水性提升不明显；如果该组分的重量百分含量超过25％，导致玻璃析晶，成玻性变差。
30.nb2o5是有助于改善光学玻璃的成玻性能和折射率，该组分的重量百分含量控制在8％-18％，优选12％-15％。如果该组分的重量百分含量低于8％，对玻璃折射率提升不明显；如果该组分的重量百分含量超过18％，nb2o5难以在玻璃中充分熔融，玻璃光学均匀性变差。
31.tio2是光学玻璃具有较高折射率所必需的组分，该组分的重量百分含量控制在5％-10％，优选6％-8％。如果该组分的重量百分含量低于5％，对玻璃折射率提升不明显；如果该组分的重量百分含量超过10％，tio2将显著增大玻璃着色，导致内透过率降低。
32.hfo2是光学玻璃具有较高折射率所必需的组分，该组分的重量百分含量控制为5％-10％，优选6％-8％。如果hfo2组分的重量百分含量低于5％，难以保证玻璃的折射率≥2.0，如果hfo2组分的重量百分含量超过10％，导致玻璃析晶，成玻性变差。
33.ta2o5是光学玻璃具有优异化学稳定性所必需的组分，该组分的重量百分含量控制在5％-10％，优选5％-8％。如果该组分的重量百分含量低于5％，对玻璃化学稳定性提升不明显；如果该组分的重量百分含量超过10％，ta2o5将导致玻璃析晶，成玻性变差。
34.bao是光学玻璃具有较高折射率所必需的组分，该组分的重量百分含量控制为2％-6％，优选3％-6％。如果bao组分的重量百分含量低于2％，难以保证玻璃的折射率≥2.0，如果bao组分的重量百分含量超过6％，导致玻璃化学稳定性变差。
35.rf3组分用于光学玻璃的脱色剂，本发明实施例将该组分的重量百分含量控制为1％-3％，优选1％-2％。如果该组分的重量百分含量低于1％，玻璃中的着色不能完全消除，无法获得高透过率玻璃；如果该成分的重量百分含量超过3％，过量的氟化物将对pt坩埚产生腐蚀，降低玻璃的光学质量，甚至发生坩埚破裂现象。
36.c组分用于光学玻璃的脱色剂，本发明实施例将该组分的重量百分含量控制为0.005％-0.02％，优选0.01％-0.015％。如果该组分的重量百分含量低于0.005％，玻璃中的着色不能完全消除，无法获得高透过率玻璃；如果该成分的重量百分含量超过0.015％，
将对pt坩埚产生腐蚀，降低玻璃的光学质量，甚至发生坩埚破裂现象。
37.上述方案中，本发明一种光学玻璃选定la2o3、ga2o3、nb2o5、tio2、hfo2、ta2o5、sio2、bao、rf3和c几种组分作为原料，并对各组分的用量进行特殊的限定，使得各组分之间充分发挥相互协同作用，使得到的光学玻璃具有高折射率、高内透过率和良好耐水稳定性的特定，从而拓展其应用领域。
38.进一步地，所述光学玻璃的折射率≥2.0、440nm处内透过率≥93％、耐水稳定性优于1级。
39.上述特征的光学玻璃，可以作为透镜在虚拟现实系统、数码相机或车载显示等领域中得到很好的应用。
40.根据本发明的第二方面，本发明还提供上述的光学玻璃的制备方法，包括如下步骤：
41.(1)按照所述光学玻璃的各组分含量称取相应的原料，混合均匀；
42.(2)将混合均匀的原料在n2保护条件下进行高温熔制，利用机械搅拌使其澄清和均化，经浇注成形后退火，得到高折射率光学玻璃。
43.上述方案中，本发明一种光学玻璃的制备方法先将各原料混合均匀，然后在混合均匀的原料在n2保护条件下进行高温熔制，利用机械搅拌使其澄清和均化，经浇注成形后退火制备得到，采用上述方案得到的光学玻璃折射率高，且本发明光学玻璃组分中含有较低量的tio2、rf3和极少量的c，采用n2气氛，能提高光学玻璃在440nm处的内透过率。
44.进一步地，所述高温熔制采用的装置包括为高温气氛保护熔化炉、pt-20rh坩埚和pt-30rh搅拌器。
45.采用纯pt坩埚和搅拌器，高温玻璃液对其侵蚀较大，形成pt闪点，导致玻璃透光率和光学均匀性变差，上述方案中采用pt-20rh坩埚和pt-30rh搅拌器用于玻璃的高温熔制，有利于提高光学玻璃透光率和光学均匀性。
46.进一步地，在所述高温熔制的过程中，炉腔内通入纯度5n的n2，炉腔压力为0.11mpa-0.13mpa。
47.上述方案中，通过限定高温熔制过程中炉腔内的气体纯度和炉腔压力，能减少炉腔内氧含量，防止玻璃中离子以高价态形式存在。
48.进一步地，在所述高温熔制的过程中，采用pt-30rh框式搅拌器进行搅拌，促进玻璃液澄清和均化，转速为50rpm-80rpm，搅拌时间为2h-4h。
49.上述方案中，通过对高温熔制的过程中采用的搅拌器类型、搅拌转速和搅拌时间进行进一步地限定，有利于提高高温熔制的效率。
50.进一步地，所述高温熔制的温度为1400℃-1450℃，时间为4h-8h。
51.上述方案中，通过将高温熔制的温度和时间限定在合理的范围值内，能够保证各原料经过高温加热形成均匀的、无气泡的、并符合成型要求的玻璃液，有利于后续的加工成型。
52.进一步地，所述浇注成形的成形温度为1150℃-1250℃，预热模具温度为500℃-560℃。
53.上述方案中，通过将浇注成型的成形温度和预热模具温度限定在合理的范围值内，能够提高浇注成形效率。
54.进一步地，退火温度为700℃-730℃，退火时间为3h-5h。
55.上述方案中，通过将退火温度和退火时间限定在合理的范围值内，有利于更好地消除光学玻璃中的应力，并提高其光透明度和机械强度。
56.根据本发明的第三方面，本发明还提供上述的光学玻璃作为透镜在虚拟现实系统、数码相机或车载显示中的应用。
57.本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
58.1.本发明实施例提供的光学玻璃的组分中含有较大量的重金属氧化物la2o3、nb2o5、hfo2和bao，可提高玻璃本体的折射率，确保玻璃折射率≥2.0。
59.2.本发明实施例提供的光学玻璃组分中含有一定量的ga2o3和ta2o5，显著提高玻璃的化学稳定性，耐水稳定性由3级提升到1级。
60.3.本发明实施例提供的高折射率玻璃组分中含有较低量的tio2、rf3和极少量的c，并采用n2气氛，提高了玻璃在440nm处的内透过率，由88％提高到93％。
61.4.本发明实施例提供的光学玻璃具有2.0以上折射率、较高内透过率和优异化学稳定性等综合性能，可用于虚拟现实、数码相机和车载显示等领域。
具体实施方式
62.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
63.本发明实施例提供的玻璃的组分中，sio2为基础组分，对应的原料为石英砂；la2o3、ga2o3、nb2o5、tio2、hfo2、ta2o5、bao、rf3和c为本发明实施例所提供玻璃的功能组分，这些功能组分均可为各氧化物/氟化物/单质本身、相应的碳酸盐或相应的硝酸盐。这些基础组分与功能组分一同制备光学玻璃。
64.实施例1
65.本实施例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表1所示，其制备方法包括如下步骤：
66.按表1中的玻璃组分称取相应重量的原料，将这些原料混合均匀后得到配合料。将配合料球加入到pt-20rh坩埚中，在n2保护条件下于1450℃进行高温熔化8h，炉腔压力为0.11mpa，利用pt-30rh搅拌器对玻璃液进行机械搅拌，转速为80rpm，搅拌时间为4h。采用浇注成形方式，将均化好的玻璃液浇注到预热的模具中，成形温度为1250℃，预热模具温度为560℃。成形后的玻璃在730℃退火3h，关闭退火炉电源；最后对光学玻璃进行性能测试。
67.实施例2
68.本实施例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表1所示，其制备方法包括如下步骤：
69.按表1中的玻璃组分称取相应重量的原料，将这些原料混合均匀后得到配合料。将配合料球加入到pt-20rh坩埚中，在n2保护条件下于1420℃进行高温熔化4h，炉腔压力为0.11mpa，利用pt-30rh搅拌器对玻璃液进行机械搅拌，转速为60rpm，搅拌时间为3h。采用浇注成形方式，将均化好的玻璃液浇注到预热的模具中，成形温度为1150℃，预热模具温度为
520℃。成形后的玻璃在720℃退火4h，关闭退火炉电源；最后对光学玻璃进行性能测试。
70.实施例3
71.本实施例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表1所示，其制备方法包括如下步骤：
72.按表1中的玻璃组分称取相应重量的原料，将这些原料混合均匀后得到配合料。将配合料球加入到pt-20rh坩埚中，在n2保护条件下于1400℃进行高温熔化6h，炉腔压力为0.11mpa，利用pt-30rh搅拌器对玻璃液进行机械搅拌，转速为50rpm，搅拌时间为2h。采用浇注成形方式，将均化好的玻璃液浇注到预热的模具中，成形温度为1180℃，预热模具温度为540℃。成形后的玻璃在710℃退火4h，关闭退火炉电源；最后对光学玻璃进行性能测试。
73.实施例4
74.本实施例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表1所示，其制备方法包括如下步骤：
75.按表1中的玻璃组分称取相应重量的原料，将这些原料混合均匀后得到配合料。将配合料球加入到pt-20rh坩埚中，在n2保护条件下于1450℃进行高温熔化5h，炉腔压力为0.13mpa，利用pt-30rh搅拌器对玻璃液进行机械搅拌，转速为50rpm，搅拌时间为3h。采用浇注成形方式，将均化好的玻璃液浇注到预热的模具中，成形温度为1200℃，预热模具温度为500℃。成形后的玻璃在700℃退火5h，关闭退火炉电源；最后对光学玻璃进行性能测试。
76.实施例5
77.本实施例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表1所示，其制备方法包括如下步骤：
78.按表1中的玻璃组分称取相应重量的原料，将这些原料混合均匀后得到配合料。将配合料球加入到pt-20rh坩埚中，在n2保护条件下于1430℃进行高温熔化4h，炉腔压力为0.13mpa，利用pt-30rh搅拌器对玻璃液进行机械搅拌，转速为80rpm，搅拌时间为3h。采用浇注成形方式，将均化好的玻璃液浇注到预热的模具中，成形温度为1150℃，预热模具温度为500℃。成形后的玻璃在700℃退火5h，关闭退火炉电源；最后对光学玻璃进行性能测试。
79.实施例6
80.本实施例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表1所示，其制备方法包括如下步骤：
81.按表1中的玻璃组分称取相应重量的原料，将这些原料混合均匀后得到配合料。将配合料球加入到pt-20rh坩埚中，在n2保护条件下于1420℃进行高温熔化5h，炉腔压力为0.12mpa，利用pt-30rh搅拌器对玻璃液进行机械搅拌，转速为60rpm，搅拌时间为4h。采用浇注成形方式，将均化好的玻璃液浇注到预热的模具中，成形温度为1250℃，预热模具温度为520℃。成形后的玻璃在720℃退火4h，关闭退火炉电源；最后对光学玻璃进行性能测试。
82.实施例7
83.本实施例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表1所示，其制备方法包括如下步骤：
84.按表1中的玻璃组分称取相应重量的原料，将这些原料混合均匀后得到配合料。将配合料球加入到pt-20rh坩埚中，在n2保护条件下于1450℃进行高温熔化8h，炉腔压力为0.11mpa，利用pt-30rh搅拌器对玻璃液进行机械搅拌，转速为70rpm，搅拌时间为2h。采用浇
注成形方式，将均化好的玻璃液浇注到预热的模具中，成形温度为1180℃，预热模具温度为560℃。成形后的玻璃在710℃退火4h，关闭退火炉电源；最后对光学玻璃进行性能测试。
85.实施例8
86.本实施例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表1所示，其制备方法包括如下步骤：
87.按表1中的玻璃组分称取相应重量的原料，将这些原料混合均匀后得到配合料。将配合料球加入到pt-20rh坩埚中，在n2保护条件下于1400℃进行高温熔化6h，炉腔压力为0.11mpa，利用pt-30rh搅拌器对玻璃液进行机械搅拌，转速为50rpm，搅拌时间为2h。采用浇注成形方式，将均化好的玻璃液浇注到预热的模具中，成形温度为1200℃，预热模具温度为540℃。成形后的玻璃在730℃退火3h，关闭退火炉电源；最后对光学玻璃进行性能测试。
88.对比例1
89.本对比例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表2所示，其制备方法同实施例6。
90.对比例2
91.本对比例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表2所示，其制备方法同实施例6。
92.对比例3
93.本对比例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表2所示，其制备方法同实施例6。
94.对比例4
95.本对比例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表2所示，其制备方法同实施例6，不同之处在于，光学玻璃制备过程中，不通入n2，在大气环境下进行熔制。
96.对比例5
97.本对比例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表2所示，其制备方法同实施例6。
98.对比例6
99.本对比例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表2所示，其制备方法同实施例6，不同之处在于，光学玻璃制备过程中，采用纯pt坩埚和纯pt搅拌器。
100.对比例7-9
101.本对比例提供一种光学玻璃，其各组分的重量百分含量如下表2所示，其制备方法同实施例6。
102.将本发明实施例和对比例所制备的光学玻璃按以下方法进行性能测试，具体性能测试结果见表1。
103.折射率按gb/t 7962.1-2010《无色光学玻璃测试方法第1部分：折射率和色散系数》的方法进行测试。
104.内透过率按gb/t 7962.12-2010《无色光学玻璃测试方法第12部分：光谱内透过率》的方法进行测试。
105.耐水稳定性按gb/t 6582-2021《玻璃在98℃耐水性的颗粒试验方法和分级》的方法进行测试。
106.光学均匀性按gb/t 7962.2-2010《无色光学玻璃测试方法第2部分：光学均匀性—斐索平面干涉法》的方法进行测试。
107.表1.本发明实施例光学玻璃的组分及性能测试结果
[0108][0109][0110]
表2本发明实施例6与对比例光学玻璃的组分及性能测试结果
[0111][0112]
从表1可以看出，本发明实施例制备的光学玻璃具有高折射率(≥2.0)、良好内透过率(≥93％@440nm)和优异的化学稳定性(1级)等综合性能。
[0113]
从表2可以看出，本对比例1的光学玻璃中tio2含量较高时，玻璃着色加重，内透过率仅为86.1％；对比例2的光学玻璃由于不含有laf3或gaf3氟化物，玻璃中fe离子以高价态fe
3+
形式存在，玻璃着色加重，内透过率仅为72.2％；对比例3的光学玻璃由于不含有c，不利于熔制过程中形成弱还原气氛，fe离子以高价态fe
3+
形式存在，玻璃着色加重，内透过率变差；对比例4的光学玻璃熔制是在大气环境下进行的，玻璃中fe离子不能以低价态fe
2+
形式存在，导致玻璃内透过率低；对比例5的光学玻璃由于ta2o5和ga2o3含量偏低，玻璃耐水稳定性变差，耐水等级为3级；对比例6的光学玻璃由于采用纯pt坩埚和搅拌器，高温玻璃液对其侵蚀较大，形成pt闪点，导致玻璃透光率和光学均匀性变差。对比例7-8与本发明实施例的对比结果可以看出，将rf3组分的重量百分含量控制在合理的范围值内，有利于提升本发明光学玻璃的整体性能，如果该组分的重量百分含量低于1％，玻璃中的着色不能完全消除，无法获得高透过率玻璃；如果该成分的重量百分含量超过3％，过量的氟化物将对pt坩埚产生腐蚀，降低玻璃的光学质量，甚至发生坩埚破裂现象。对比例9与本发明实施例的对比结果可以看出，不添加hfo2组分，难以保证玻璃的折射率≥2.0。
[0114]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种光学玻璃，其特征在于，包括以下重量百分含量的组分：la2o3：30％-40％；ga2o3：15％-25％；nb2o5：8％-18％；tio2：5％-10％；hfo2：5％-10％；ta2o5：5％-10％；sio2：5％-10％；bao：2％-6％；rf3：1％-3％，r选自la或ga中的一种或两种；c：0.005％-0.02％。2.根据权利要求1所述的光学玻璃，其特征在于，包括以下重量百分含量的组分：la2o3：32％-35％；ga2o3：16％-20％；nb2o5：12％-15％；tio2：6％-8％；hfo2：6％-8％；ta2o5：5％-8％；sio2：5％-7％；bao：3％-6％；rf3：1％-2％，r选自la或ga中的一种或两种；c：0.01％-0.015％。3.根据权利要求1所述的光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃的折射率≥2.0、440nm处内透过率≥93％、耐水稳定性优于1级。4.权利要求1-3任一项所述的光学玻璃的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)按照所述光学玻璃的各组分含量称取相应的原料，混合均匀；(2)将混合均匀的原料在n2保护条件下进行高温熔制，利用机械搅拌使其澄清和均化，经浇注成形后退火，得到高折射率光学玻璃。5.根据权利要求4所述的光学玻璃的制备方法，其特征在于，所述高温熔制采用的装置包括为高温气氛保护熔化炉、pt-20rh坩埚和pt-30rh搅拌器。6.根据权利要求5所述的光学玻璃的制备方法，其特征在于，在所述高温熔制的过程中，炉腔内通入纯度5n的n2，炉腔压力为0.11mpa-0.13mpa；和/或，在所述高温熔制的过程中，采用pt-30rh框式搅拌器进行搅拌，促进玻璃液澄清和均化，转速为50rpm-80rpm，搅拌时间为2h-4h。7.根据权利要求4所述的光学玻璃的制备方法，其特征在于，所述高温熔制的温度为1400℃-1450℃，时间为4h-8h。8.根据权利要求4所述的光学玻璃的制备方法，其特征在于，所述浇注成形的成形温度为1150℃-1250℃，预热模具温度为500℃-560℃。9.根据权利要求4所述的光学玻璃的制备方法，其特征在于，退火温度为700℃-730℃，
退火时间为3h-5h。10.权利要求1-3任一项所述的光学玻璃作为透镜在虚拟现实系统、数码相机或车载显示中的应用。

技术总结
本发明涉及玻璃技术领域，尤其涉及一种光学玻璃及其制备方法和应用。光学玻璃包括以下重量百分含量的氧化物组分：La2O3：30％-40％；Ga2O3：15％-25％；Nb2O5：8％-18％；TiO2：5％-10％；HfO2：5％-10％；Ta2O5：5％-10％；SiO2：5％-10％；BaO：2％-6％；RF3：1％-3％，R可以是La或Ga中的一种或两种；C：0.005％-0.02％。该光学玻璃折射率≥2.0、内透过率≥93％@440nm和耐水稳定性1级，可用于虚拟现实、数码相机和车载显示等领域。车载显示等领域。


技术研发人员：王衍行 韩韬 李现梓 杨鹏慧 何坤 祖成奎
受保护的技术使用者：中国建筑材料科学研究总院有限公司
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/9/14