分级折射率透镜制造技术

一种分级折射率透镜，是通过对棒形玻璃原材料以银离子进行离子交换处理而在所述的棒材的径向形成折射率分布而获得的，其中的玻璃原材料包含以下的玻璃成分：１５＜Ｎａ↓［２］Ｏ≤３０ｍｏｌ％，１０＜Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］≤２５ｍｏｌ％，２７．５≤ＳｉＯ↓［２］≤５５ｍｏｌ％，３≤Ｂ↓［２］Ｏ↓［３］≤１８ｍｏｌ％，２．５≤ＭｇＯ≤１８ｍｏｌ％，０≤Ｔａ↓［２］Ｏ↓［５］≤５ｍｏｌ％０≤Ｌａ↓［２］Ｏ↓［３］≤３ｍｏｌ％，０≤ＢａＯ≤３ｍｏｌ％和０≤ＺｒＯ↓［２］≤３ｍｏｌ％。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及一种折射率分布型透镜(以下称之为分级折射率透镜)，其中对棒形透镜，其折射率是沿着径向改变。尤其是，本专利技术涉及一种通过用银离子交换处理玻璃原材料而在其径向形成一个折射率分布的分级折射率透镜。一种折射率分布型光学元件，其中在截面上的折射率是从中心沿着半径以抛物线形改变，甚至当它的两个侧面都是平面时作为球透镜也具有同样的成象特性。由于这种类型的光学元件具有多种优点，例如具有小直径和短焦距的透镜可易于制得，所以，它广泛地用于复印机、打印机、传真机和类似设备的光学元件头以及其它的光学应用领域中。这种折射率分布型光学元件包括分级折射率透镜和折射率分布型光纤。在相关技术中，通过拉伸和在熔融盐中浸泡而进行离子交换的后续步骤而制得并用作折射率分布型光学元件(例如透镜)的玻璃包括以下主要的三种(1)含铊玻璃，(2)含钯玻璃，和(3)含锂玻璃。由于含铊玻璃具有很高的电极化特性，所以，它能做成具有极大孔径角的分级折射率透镜。然而，这种透镜增加了色差，并因而特别不能用于处理彩色图像的光学系统中。含铯玻璃与含铊玻璃不同，它降低了色差。然而，由于不可能在玻璃中加入大量的铯，所以，由含铯玻璃制得的透镜限于具有小孔径角的那些透镜。而且，这种玻璃有一个缺点，即它们具有极高的熔融温度。含锂玻璃降低了色差，而且具有适中的熔融温度，并因此而得到广泛应用。然而，由于含有大量锂离子的玻璃很容易结晶化，所以，不能用它来制作大孔径角的分级折射率透镜。所以，具有大孔径角的透镜由含铊玻璃制得。然而，由于含铊玻璃是毒性的，所以，从环境污染的观点来看，生产含有大量铊的玻璃和采用含大量铊的熔融盐都是不适宜的。除了上述离子以外，JP-A-61-261238和JP-A-62-100451中认为采用银离子能够实现折射率大的差异(在此所用的“JP-A”一词是指“未审查而公开的日本专利申请”)。相对于采用铊的情况而言，由于采用银离子可以降低色差，所以，从制作用于彩色图像处理的透镜的观点来看，采用银离子是有利的。因为银离子通常易于成为胶质，所以，为了避免银离子形成胶质，以上所引用的参考文献提出了一种含有大量磷成分的玻璃组分。但是，这种含有大量磷成分的玻璃组分具有很差的耐候性且不适于实际应用。这种含有大量磷成分的玻璃组分还有这样的问题在离子交换过程中，它与硝酸盐反应，在该玻璃的表面产生一种反玻璃化物质，而使得该玻璃本身部分地溶解在熔盐中。当采用一种除了硝酸盐以外的熔料例如硫酸盐或卤化物时，也有问题，那就是由于这种熔料对金属和玻璃的高腐蚀性，所以，不容易得到一种用于盛放该熔盐的合适容器。在JP-A-4-2629中公开了一种玻璃组分，它是对JP-A-62-100451中所提出的玻璃组分的改进。但是，这种玻璃组分仍然在熔盐中没有足够稳定性和耐候性，因而不适于实际的应用。另一方面，已知硅铝酸盐玻璃是一种不含磷成分的玻璃组分，其中银离子不会形成胶质。通常，在硅酸盐玻璃中加入一种碱，以打开硅酸盐骨架，形成一种非桥接氧(以下称为“NBO”)而与碱离子牢固地键结。当一种其中具有NBO的玻璃进行离子交换以掺入银离子于其中时，则所加入的银离子将因NBO而减少，形成银胶质，因而使该玻璃着色。所以，这种玻璃不能用作透镜。相反，当把Al2O3加入到一种硅酸盐玻璃中时，该Al2O3以AlO4-的形式掺入并与碱结合。因此，玻璃中NBO量减少，并且银离子以离子形式稳定存在。由于AlO4与碱离子以1∶1的比例结合，所以，当/是1时(和 分别表示碱离子和AlO4-的摩尔浓度)，玻璃中NBO量很小(在某些玻璃中变为零)。因而，其中含有的银离子大部分稳定的玻璃是其中/为1的玻璃。顺便说一下，为了增大具有折射率径向分布的透镜的孔径角，需要增加折射率的径向差异。折射率的差异几乎是与银离子的浓度成比例。为了使玻璃具有增大的孔径角，应该含有大量的被银离子置换的碱。为了使银离子稳定地存在于硅铝酸盐玻璃中，随着该玻璃中碱浓度的增加，需要增加Al2O3的浓度。然而，增加了Al2O3浓度的玻璃的熔融温度提高，因而，很难由它生产出有满意质量(没有裂纹、气泡等)的玻璃制品。尽管可以采用一种降低玻璃中Al2O3浓度的技术以降低熔融温度，但是，这将导致能够含有而不形成胶质的银离子量减少，使得不可能获得折射率大的差异。已知把B2O3混合到玻璃中能有效地降低熔融温度且可抑制银离子形成胶质(Glastech Ber.,64199(1991)；Appl.Opt.,315221(1992)；J.Non-Cryst.Solids,11337(1989))。(在玻璃中，硼象铝一样是三价的)然而，玻璃中B2O3的浓度太高会导致玻璃的耐用性降低和银离子的离子交换速度下降等问题。因而，可混合到玻璃中的B2O3浓度是有限的。JP-A-4-219341中给出除了用B2O3以外，可以使用BeO、CaO、Ga2O3、La2O3、MgO、Nb2O3、Ta2O5、Yb2O3、ZnO和ZrO2作为成分以代替Al2O3，并可抑制银离子形成胶质。但是，其中没有说明这种替代是否能降低熔融温度。如上所述，在相关的技术中没有一种技术能成功地提供具有大径向差异的折射率的径向分布并具有完全满意的性能的高质量透镜。专利技术简介本专利技术的一个目的是解决上述相关技术中存在的问题，它提供一种高耐用的优质透镜，该透镜具有光学设计所需要的折射率径向分布，并且具有满意的质量，即它由具有低熔融温度和能满足实际应用中的离子交换速率并能使银离子稳定存在于玻璃中的一种玻璃成分制得。本专利技术提供一种通过对一种玻璃原材料进行银离子交换处理而在该玻璃原材料中形成一种具有径向折射率分布的分级折射率透镜，这种玻璃原材料是由含有以下组分的玻璃成分所构成15＜Na2O3≤30mol％10＜Al2O3≤25mol％27.5≤SiO2≤55mol％3≤B2O3≤18mol％2.5≤MgO≤18mol％0≤Ta2O5≤5mol％0≤La2O3≤3mol％0≤BaO≤3mol％和0≤ZrO2≤3mol％即，根据本专利技术，通过把MgO加入到硅铝硼酸盐玻璃中，可以降低这种玻璃的熔融温度而同时保持较高的耐用性，而且，银离子可以以离子状态稳定地存在于玻璃中。结果，实现了一种具有必要的折射率的径向分布的透镜。已知，多价离子通常能大幅度地降低单价离子的扩散速度。然而，已有报道表明，MgO和ZnO提供比较少地降低离子交换速度的多价离子(R.H.Doremus,“Glass Science 2nd.ed.”,P.278,John Wiley & Sons)并且这些多价离子可以减少玻璃中的NBO(Appl.Opt.,315221(1992)。然而，本专利技术人所做的实验表明当把ZnO加入到一种硅铝硼酸盐玻璃中时，在该玻璃中会发生相分离。加入MgO完全不会导致这样的相分离。本专利技术人发现，本专利技术的目的可以通过在硅铝硼酸盐玻璃中加入MgO而作为一种玻璃组分以用作一种生产具有折射率径向分布的透镜的玻璃原材料。由此完成本专利技术。在本专利技术中，玻璃组分优选是以下组分18≤Na2O≤30mol％15≤Al2O3≤25mol％30≤SiO2≤50mol％5≤B2O3≤18mol％3≤MgO≤15mol％0≤Ta2O5≤3mol％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过对棒形玻璃原材料以银离子进行离子交换而在所述的棒材的径向形成折射率分布而获得的分级折射率透镜，其中的玻璃原材料包含以下组分的玻璃成分：１５＜Ｎａ↓［２］Ｏ≤３０ｍｏｌ％，１０＜Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］≤２５ｍｏｌ％，２７． ５≤ＳｉＯ↓［２］≤５５ｍｏｌ％，３≤Ｂ↓［２］Ｏ↓［３］≤１８ｍｏｌ％，２．５≤ＭｇＯ≤１８ｍｏｌ％，０≤Ｔａ↓［２］Ｏ↓［５］≤５ｍｏｌ％，０≤Ｌａ↓［２］Ｏ↓［３］≤３ｍｏｌ％，０≤ＢａＯ≤３ｍｏｌ％和０≤Ｚｒ Ｏ↓［２］≤３ｍｏｌ％。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：山口淳，橘高重雄，
申请(专利权)人：日本板硝子株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]