СТЕКЛО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ ТРАНСЛЯТОРОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ МЕТОДОМ ИОННОГО ОБМЕНА Российский патент 1998 года по МПК C03C3/78 

Изобретение относится к стекольной промышленности и оптотехнике, точнее к составам оптических стекол, предназначенных для изготовления методом ионообменной диффузии в расплавах солей градиентных трансляторов изображения для жестких медицинских эндоскопов.

Известен состав стекла для изготовления световодов путем ионной обработки заготовок из него в расплавах солей. Указанное стекло содержит следующие компоненты, мас.

SiO₂ 11,3 56,8;
B₂O₃ 9,4 17,4;
Al₂O₃ 4,8 5,1;
Li₂O 2,3 7,1;
Na₂O 0,8 5,1;
As₂O₃ 0,5 0,6;
GeO₂ 15,8 65,7.

Стекло варят при 1450^oC. Из готового стекла получают цилиндрические полуфабрикаты, которые затем подвергают высокотемпературному ионному обмену - обработке в расплаве соли нитрата натрия при температуре 550^oC в течение 100 ч. Полученные таким образом готовые световоды (градиентные трансляторы изображения) имеют перепад показателя преломления от оси к поверхности элемента "Δn" от 0,006 до 0,01 при показателе преломления: 1,50 1,63. При длине транслятора изображения 60 мм он имеет разрешающую способность равную 200 линий/мм. Среднеквадратичная волновая аберрация Δ = 0,15 λ. Максимальная волновая аберрация D_m = 0,4 λ где λ средняя длина волны видимого света 550 нм.

Однако изобретение имеет ряд существенных недостатков. Главный из них - относительно малая длина транслятора, не превышающая 60 мм. Попытки увеличить длину транслятора до 100 мм и более приводят к резкому ухудшению качества изображения, так как аберрации возрастают до следующих величин: D > 0,25 λ, Δ_m > 0,9 λ При таком уровне аберраций изображение становится трудно различимым.

По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близким к заявляемому относится изобретение прототип.

Используемый состав стекла для изготовления элементов методом ионного обмена включает в себя следующие компоненты, мол.

SiO₂ 60 78
Li₂O 2 24
Na₂O 6 16
ZrO₂ 5 13
Sb₂O₃ 0,1 1,0
NaCl 2 5
GeO₂ 0,1 0,5
Стекло варят в печи в кварцевых емкостях, объемом 8 л, установленных в шамотный сосуд. Варку и осветление проводят при 1500-1550^oC.

Из полученного стекла изготавливают заготовки трансляторов диаметром до 16 мм, которые затем подвергают обработке в расплаве солей натрия, например NaCl + Na₂SO₄ при температуре 670-700^oC в течение 2-5 ч.

В результате получают градиентный транслятор изображения, который представляет собой стеклянный цилиндр диаметром до 16 мм и длиной до 100 мм.

Уровень среднеквадратичной волновой аберрации при этом составляет: Δ = 0,1 λ максимальной D_m = 0,4 λ Разрешающая способность транслятора не превышает 200 линий/мм. Коэффициент преломления n 1,59, при его перепаде от оси к поверхности элемента: Δn 0,007.

Однако изобретение также имеет ряд существенных недостатков. Так, например, градиентный транслятор изображения имеет относительно малую длину, не превышающую 100 120 мм. При увеличении длины транслятора более 150 мм изображение практически не различимо из-за высоких аберраций:

Целью предлагаемого изобретения является получение стекла, которое позволяет изготовить из него повышенной длины градиентные трансляторы с высоким качеством изображения.

Цель достигается тем, что к известному составу стекла, включающему оксиды кремния, лития, натрия, циркония, сурьмы, вносят структурно-технологическую добавку, содержащую один или несколько оксидов металлов, взятых из ряда: MgO; BaO; CaO; ZnO; SrO; PbO, а также одновременно один или несколько оксидов металлов из ряда La₂O₃; GeO₂; TiO₂; Ta₂O₅; Nb₂O₅; WO₃.

Сущность изобретения состоит в том, что предложенная нами первая добавка позволяет снизить температуру варки стекла и осуществлять технологический процесс при температуре, не превышающей 1450^oC. Поэтому добавка называется "технологической". С другой стороны, введение оксидов металлов, входящих во вторую добавку, позволяет изменять структуру стекла. Изменение структуры стекла отражается на оптических и ионообменных свойствах трансляторов изображения. Поэтому предложенная нами добавка называется также "структурной". Нами было обнаружено и экспериментально подтверждено, что количество добавки, а также окислов металлов, входящих в добавку, позволяет получать оптимальные оптические свойства трансляторов изображения, несмотря на зависимость их оптических свойств от длины транслятора.

Известно, что высокое качество изображения достигается, если максимальная волновая аберрация Δ_m удовлетворяет критерию Релея: где λ средняя длина волны видимого света 550 нм.

В качестве другого критерия высокого качества изображения используют среднеквадратичную волновую аберрацию " D ". Она должна удовлетворять следующему критерию: D ≤ 0,07 λ
Предложенная нами структурно-технологическая добавка позволяет изготовить трансляторы изображения длиной 150-400 мм при резком уменьшении аберраций по сравнению с прототипом, т.е. с высоким качеством изображения при максимальных длинах транслятора.

Нижеследующие примеры иллюстрируют изобретение.

Пример 1. (табл. 1) Опытное стекло варили в платиновом сосуде емкостью 6 литров в печи с электронагревателем при температуре осветления стекло массы 1430^oC. Шихта содержала следующие ингредиенты в мол.

SiO₂ 60,0
ZrO₂ 10,5
Li₂O 10,5
Na₂O 12,5
Sb₂O₃ 0,5
и структурно-технологическую добавку мол.

CaO 2,0
PbO 1,5
La₂O₃ 2,5
При составлении шихты использовались следующие реактивы: аморфный кремнезем, диоксид циркония, углекислый литий, углекислый натрий, углекислый кальций, нитрат свинца, триоксид сурьмы, триоксид лантана.

Из полученного стекла изготавливались цилиндры диаметром 0,8 мм и длиной 200 мм, которые затем обрабатывались в смеси солей лития и натрия при температуре 610^oC. В результате получен градиентный транслятор изображения, оптические свойства которого приведены в табл. 2.

Пример 2-6. В условиях примера 1 получены стекла, состав которых приведен в табл. 1. На основе приготовленных в опытах 2 6 стекол были изготовлены градиентные трансляторы изображения, параметры и оптические свойства которых приведены в табл. 2.

Пример 7. В условиях прототипа изготовлено стекло при следующем соотношении компонентов, мол.

SiO₂ 60,0
Li₂O 14,0
Na₂O 12,5
ZrO₂ 10,0
Sb₂O₃ 1,0
NaCl 2,0
СеО₂ 0,5
Процесс варки протекал при 1550^oC. Из полученного стекла были изготовлены заготовки трансляторов, которые затем обрабатывали в расплаве солей Na₂SO₄ + NaCl при 690^oC в течение 2 ч. Диаметр заготовок 3 мм, длина 80 мм и 300 мм. Параметры и оптические свойства градиентных трансляторов изображения приведены в табл. 2.

Пример 8. В условиях примера 7 изготовлено стекло при следующем соотношении компонентов, мол.

SiO₂ 78,0
Li₂O 5,4
Na₂O 6,0
ZrO₂ 5,0
Sb₂O₃ 0,1
NaCl 5,0
СеО₂ 0,5
Процесс варки протекал при 1500^oC. Диаметр заготовки транслятора 3 мм при длине 40 и 200 мм. Обработку заготовок проводили в расплаве солей Na₂SO₄ + NaCl в течение 2,5 ч при 700^oC. Параметры и оптические свойства готовых градиентных трансляторов изображения приведены в табл. 2.

Из данных, представленных в табл. 1 и 2, видно, что на основе стекла, известного по прототипу, были изготовлены трансляторы (оп. 7 и 8), длина которых составляла 80; 300; 40 и 200 мм (табл. 2, п.3). Из данных п.4 табл. 2 видно, что при длине трансляторов 80 и 40 мм качество изображения удовлетворительное D_m 0,30 и 0,5 соответственно. Это следует из п.5 данной таблицы, характеризующей волновую среднеквадратичную аберрацию, которая должна быть: Δ ≤ 0,07 λ Однако при попытке увеличить длину трансляторов, полученных в условиях прототипа, до 300-200 мм изображение практически не различается, а D = 0,35-1,2 λ и Δ_m = 0,8-4,0 λ соответственно.

Опыты 1-6 свидетельствуют, что при использовании одного или нескольких оксидов металлов в качестве предложенной нами добавки из ряда: MgO, CaO, ZnO, BaO, SrO в количестве 2 ^oC 5 мол. и одновременно одного или несколько оксидов металлов из ряда La₂O₃; GeO₂; TiO₂; Ta₂O₅; Nb₂O₅; WO₃ в количестве 0,5 3 мол. удается достичь поставленной цели: получить градиентные трансляторы с высоким качеством изображения и высокой разрешающей способностью (более 200 линий/мм), при Δ_m = 0,15-0,25 λ и Δ = 0,04-0,07 λ и длине трансляторов в пределах 200 400 мм. Так, например, в оп. 5, длина транслятора составляет 300 мм при толщине 2,5 мм, Δ = 0,06 λ и разрешающей способности 300 линий/мм. Разрешающая способность (качество изображения) транслятора по оп.5 превышает качество изображения для трансляторов из оп. 7 в 7 раз.

Использование оксидов металлов из ряда MgO, CaO. PbO в концентрации менее 2% (мол. ) не позволяет снизить температуру варки стекла до 1450^oC и ниже. Использование указанных оксидов в количестве, большем, чем 5 мол. не дает положительного эффекта.

Использование оксидов металлов из ряда La₂O₃, WO₃ в количестве менее 0,5 мол. практически мало влияет на изменение оптических свойств трансляторов. Использование их в количествах, больших чем 3 мол. отрицательно сказывается на оптических свойствах трансляторов, удорожает их стоимость. Оптимальный диапазон концентраций для оксидов металлов, взятых в виде одного или нескольких оксидов из ряда: MgO, CaO. PbO находится в пределах 2 5 мол.

Оптимальный диапазон концентраций из оксидов металлов, взятых в виде одного или нескольких оксидов из ряда: La₂O₃; GeO₂; TiO₂; WO₃ находится в пределах 0,5 3 мол.

Введение в состав стекла указанной структурно-технологической добавки в указанных оптимальных концентрациях позволило нам достичь поставленной цели: получить градиентные трансляторы изображения требуемой длины с высоким качеством изображения.

Предложенный нами состав стекла для получения градиентных трансляторов изображения не требует повышенных энергетических затрат на стадии варки стекла и его обработки в расплаве солей. Положительный экономический эффект достигается при продаже медицинских эндоскопов, использующих трансляторы, изготовленные на основе предложенной рецептуры стекла и обеспечивающие высокое качество изображения исследуемого органа с любой глубины его нахождения в теле пациента.

Использование: для изготовления градиентных трансляторов изображения для жестких медицинских эндоскопов методом ионообменной диффузии в расплавах солей. Сущность изобретения: стекло для градиентных трансляторов содержит в мол. %: оксид кремния 56-63 БФ SiO₂, оксид лития 10-16 БФ Li₂O, оксид натрия 10-12 БФ Na₂O, оксид циркония 8-11 БФ ZrO₂, оксид сурьмы 0,1-0,5 БФ Sb₂O₃, R'O 2-5, где R'- Mg, Ca, Zn, Ba, Sr, Pb, R"O 0,5-3, где R" - La, Ge, Ti, Ta, Nb, W. Коэффициент преломления стекла 1,52 - 1,61, температура обработки в расплаве солей натрия, ^oC 580 - 700. 2 табл.

Стекло для изготовления градиентных трансляторов изображения методом ионного обмена, включающее SiO₂, Li₂O, Na₂O, ZrO₂, Sb₂O₃, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит один или несколько оксидов металлов R^' и один или несколько оксидов металлов R^''O при следующем соотношении компонентов, мас.

SiO₂ 56 63
Li₂O 10 13
Na₂O 10 12
ZrO₂ 8 11
Sb₂O₃ 0,1 0,5
R^'O, где R^' Mg, Ca, Zn, Ba, Sr, Pb 2 5
R^''O, где R^'' La, Ge, Ti, Ta, Nb, W 0,5 3,0с