ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО Российский патент 1995 года по МПК C03C3/19 

Изобретение относится к производству стекла, в частности к составам оптических стекол, используемых для изготовления фото-, кино-, астрообъективов.

Для изготовления оптических приборов требуется высокопреломляющие стекла типа ТФ, ТБФ с n_е > 1,73 и пропусканием слоя стекла толщиной 10 мм на длине волны 400 нм (τ₄₀₀) не менее 85% высшей категории по бессвильности, а также с n_е > 1,9 и τ₄₀₀ > 40%
Известно стекло со свойствами, близкими к требуемым, полученное на фосфатной основе (авт.св. СССР N 781184, С 03 С 3/12, 1980).

Стекло содержит, мас. P₂O₅ 23-38; K₂O 0,5-3,5; Na₂O 0,5-10; LiPO₃0,5-5; Sb₂O₃ 0,5-2,5; As₂O₃ 0,5-10; B₂O₃, La₂O₃, CeO₂, CaO 0,5-3; Nb₂O₅, Al₂O₃, Ga₂O₃, Y₂O₃ 0,5-5. Оно обладает высоким светопропусканием (τ₄₀₀>85%), но ему присущи следующие недостатки: высокий коэффициент термического расширения (КТР) более 120˙10^-7К^-1 и недостаточная химическая устойчивость к влажной атмосфере (группа "д" по ГОСТ 13917-82). По оптическим постоянным оно относится к БФ и ТБФ, но высокие значения n_e обеспечиваются присутствием слишком больших количеств РbO, что обусловливает низкую термостойкость и химическую устойчивость стекол.

В качестве прототипа выбрано стекло по патенту США N 4115131, кл. 106-47, 1978. Оно содержит, в мас. P₂O₅ 20-50 B₂O₃ 1-25 Nb₂O₅ 22-70 R^I₂O 1-31, R^IIO 0-33, TiO₂ 0-18 GeO₂ 0-19 WO₃ 0-21 где R^' Li, Na, K R^'' Mg, Ca, Sr, Ba, Zn,Pb
В пределах данной области составов стекло-прототип может иметь n_e > 1,73 и ν_e <36 (примеры такого стекла приведены в таблице. Оно обладает значительно большим (на 400 нм) по сравнению с промышленными аналогами ТФ5, ТФ10, СТФ2 светопропусканием, варится при относительно низких температурах (1150-1200^оС), имеет достаточно низкий КТР, химически устойчиво.

Однако, стекло-прототип имеет следующие недостатки: светопропускание слоя 10 мм на 400 нм не превышает 88% при n_e1,73 и 78% при n_e 1,80; оно содержит в больших количествах дорогостоящий компонент Nb₂O₅, а также сильно кристаллизуется.

Изобретение обеспечивает увеличение светопропускания в синей части спектра (уменьшение отношения λ_гр/n_e, где λ_гр так называемая граничная длина волны, соответствующая 50% пропускания, поскольку требуется сдвинуть фундаментальную полосу поглощения в УФ область спектра, уменьшить λ_гр, сохранив высокие значения n_e при снижении кристаллизационной способности.

Сущность изобретения заключается в том, что стекло, включающее P₂O₅, B₂O₃, PbO, Li₂O, K₂O, в отличие от прототипа дополнительно содержит Sb₂O₃ и по крайней мере один оксид из группы Nb₂O₅, Al₂O₃, La₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас. P₂O₅ 14-40 B₂O₃ 0,4-16 PbO 34-54 Li₂O 0,2-2,3 K₂O 0,3-5,5 Sb₂O₃ 0,5-6 и по крайней мере один оксид из группы: Nb₂O₅ 1-20 Al₂O₃ 0,5-2 Na₂O₃ 0,5-2
Кроме того, для увеличения показателя преломления стекла может содержать дополнительно по крайней мере один оксид из группы: BaO 2-13 WO₃ 5-14 GeO₂ 2,5-5
Предлагаемая область составов обеспечивает оптические постоянные, характерные для областей ТФ и ТБФ диаграммы n_e- ν_e, и высокое пропускание в синей части спектра при близких значениях n_e значение τ₄₀₀ на 2-10% выше, чем у стекла-прототипа, и меньшие значение λ_гр/n_e.

Подбор компонентов и их соотношения приводит к сдвигу фундаментальной полосы поглощения в сторону УФ-части спектра при сохранении n_e на уровне 1,73-1,85, следствием чего является уменьшение отношения λ_гр/n_e а также обеспечивает снижение кристаллизационной способности стекла, что очень важно для технологии отлива крупногабаритных установок.

В таблице, где приведены составы и свойства предлагаемого стекла и стекла-прототипа.

Образцы стекла-прототипа после выдержки в градиентной печи в течение 1 ч приобретали синий оттенок, а после трехчасовой выдержки в них обнаруживали скопления темно-синих кристаллов (по-видимому NbO₂), что не характерно для предлагаемого стекла.

Увеличение концентрации Sb₂O₃ приводит к некоторому уменьшению τ₄₀₀, а выше 6% к глушению стекла. В составе стекла с n_e < 1,75 и недостатком Nb₂O₅ для обеспечения химустойчивости дополнительно должны присутствовать один или несколько оксидов из группы Al₂O₃, La₂O₃, GeO₂. С этой же целью из щелочных оксидов выбран Li₂O, но для снижения кристаллизационной способности вводится К₂O в количестве не более 5,5%
Для достижения n_e > 1,85 в стекло вводятся в повышенных концентрациях Sb₂O₃ и Nb₂O₅, а также ВаO, WO₃, GeO₂.

Синтез стекол проведен из шихты, составленной из особо чистых реактивов Li₂CO₃, K₂CO₃, KPO₃, Pb₃O₄, Pb(P₃)₂, H₂BO₃, BPO₄, Sb₂O₃, Ba(PO₃)₂, Al(PO₃)₃, La₂O₃, GeO₂, Nb₂O₅, WO₃, в электропечи с силитовыми нагревателями в пластиновых тиглях емкостью 100 мл с размешиванием платиновой мешалкой в течение 1 ч при 1000-1150^оС, отливом в графитовую форму и грубым отжигом в муфельной печи. Все отливки затем были подвергнуты тонкому отжигу при 400-550^оС с ответственным охлаждением по 2,5 град/ч.

Таким образом, предлагаемое стекло выгодно отличается от всех известных с n_e > >1,73 типа ТФ и ТБФ по комплексу свойств. Его разработка отвечает насущным потребностям оптотехники и открывает новые возможности для создания оптических систем с улучшенной цветопередачей.

Использование: для изготовления фото- , кино- , астрообъективов. Сущность изобретения: оптическое стекло содержит , мас.%: оксид фосфора 14-40; оксид бора 0,4-16; оксид свинца 34-54; оксид лития 0,2-2,3; оксид калия 0,3-5,5; оксид сурьмы 0,5-6; по крайней мере один оксид из группы: оксид ниобия 1-20; оксид алюминия 0,5-2; оксид лантана 0,5-2. Стекло может дополнительно содержать по крайней мере один оксид из группы: оксид бария 2-13; оксид вольфрама 5-14; оксид германия 2,5-5. Светопропускание на длине волны 400 нм слоя 1 см 35-98%. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО, включающее P₂O₅, B₂O₃, PbO, Li₂O, K₂O, отличающееся тем, что стекло дополнительно содержит Sb₂O₃ и по крайней мере один оксид из группы: Nb₂O₅, Al₂O₃, La₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас.

P₂O₅ 14 40
B₂O₃ 0,4 16
PbO 34 54
Li₂O 0,2 2,3
K₂O 0,3 5,5
Sb₂O₃ 0,5 6
по крайней мере один оксид из группы:
Nb₂O₅ 1 20
Al₂O₃ 0,5 2
La₂O₃ 0,5 2
2. Стекло по п.1, отличающееся тем, что стекло дополнительно содержит по крайней мере один оксид из группы:
BaO 2 13
WO₃ 5 14
GeO₂ 2,5 5