Оптическое стекло

Оптическое стекло

Реферат

Настоящее изобретение относится к оптическому стеклу, пригодному прежде всего для изготовления оптических прозрачных элементов больших размеров, соответственно, большого объема.

Несмотря на наличие у обычных оптических стекол достаточно высокой оптической однородности, достаточно высокой прозрачности для излучения в требуемой области спектра и приемлемых чисел Аббе, изготовление из них оптических прозрачных элементов, таких как линзы, призмы и окна больших размеров, например оптических элементов диаметром более 0,5 м или более 1 м, соответственно, толщиной 50 мм, 100 мм или более, на практике практически невозможно.

Для проверки качества полировки высокоточных зеркал для астрономических телескопов, прежде всего выпуклых вторых (малых) зеркал, обычно используются интерферометрические контрольно-измерительные устройства, часто оснащенные эталонными линзами, так называемыми матрицами. В качестве таких эталонных линз обычно используются, например, двояковыпуклые линзы, по меньшей мере одна поверхность которых имеет значительную асферичность. К материалу, используемому для изготовления этих линз, при этом предъявляются высокие требования касательно отсутствия свилей и однородности показателя преломления. Для изготовления подобных линз предпочтительно использовать материал с малым температурным коэффициентом расширения. Такие линзы, кроме того, должны обладать максимально возможной прозрачностью для обычно используемого при такой проверке качества полировки высокоточных зеркал лазерного излучения с длиной волны, равной 633 нм.

До настоящего времени в описанных выше целях использовались оптические стекла, например, марок ВК7 или FK5. Однако изготавливать из таких материалов столь крупные оптические элементы, например линзы диаметром от 1 до 1,5 м, соответственно, толщиной 100 или 150 мм, невозможно, по крайней мере, при экономически приемлемых затратах.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать оптическое стекло, которое было бы пригодно для изготовления из него оптических прозрачных элементов, таких как линзы, призмы, окна и иные оптические элементы, максимальной протяженностью в поперечном направлении по меньшей мере 0,5 м или 1 м, соответственно, толщиной по меньшей мере от 50 мм или 100 мм, и которое обеспечивало бы возможность рентабельного изготовления из него оптически однородных, высококачественных элементов. Подобное оптическое стекло должно, кроме того, обладать минимально возможным температурным коэффициентом расширения, а также обладать достаточным коэффициентом внутреннего ("чистого") пропускания прежде всего для оптического излучения видимой области спектра.

Еще одна задача изобретения состояла в том, чтобы предложить применение подобного оптического стекла и разработать способ изготовления из него оптических прозрачных элементов больших размеров.

Указанная задача решается согласно изобретению с помощью оптического стекла следующего состава (в мас.%):

SiO2	35-75
Аl2O3	17-35
В2O3	0-5,
Р2O5	1-17
SnO2+ZrO2+TiO2	0,1-8
Na2O+K2O+Cs2O+Li2O	0,1-8
CaO+MgO+SrO+BaO+ZnO	0,1-8,
Осветлители, такие как Sb2О3, Аs2O3, SnO2, CeO2
сульфаты или галогениды	≤2
Окрашивающие оксиды, такие как V2O5, Сr2О3, МnО,
Fе2О3, СоО, NiO и прочие примеси	≤1

Оптическое стекло указанного выше состава позволяет полностью решить положенную в основу изобретения задачу.

Предлагаемое в изобретении оптическое стекло позволяет изготавливать из него прозрачные оптические элементы больших размеров, например линзы диаметром 1,5 м и более. Из предлагаемого в изобретении оптического стекла подобные крупные оптические элементы можно рентабельно изготавливать методом литья. С этой целью для изготовления оптических прозрачных элементов больших размеров, таких как линзы, призмы, окна и иные оптические элементы, оптическое стекло предпочтительно получать варкой стекломассы в стекловаренной печи периодического действия, охлаждением полученного расплава в регулируемом режиме и последующей механической обработкой застывшей стекломассы, прежде всего распиловкой, шлифованием, доводкой и полированием.

Подобное оптическое стекло пригодно прежде всего для изготовления из него оптики контрольно-измерительной аппаратуры для контроля крупных асферических зеркал, соответственно, их сегментов, например для изготовления двояковыпуклых линз диаметром 1,5 м и более, по меньшей мере одна поверхность которых имеет значительную асферичность.

Хотя стекло схожего с предлагаемым в изобретении состава уже и известно из патента DE-PS 1596860 или заявки DE-AS 1902432, тем не менее в этих источниках информации речь идет об исходном стекле для изготовления стеклокерамики, выпускаемой фирмой Schott Glas, Германия, под товарным знаком Zerodur®.

Подобную стеклокерамику, однако, нельзя использовать в качестве оптического стекла, поскольку наличие в ней множества центров рассеяния, образованных кристаллическими включениями, оказывает значительное отрицательное влияние на ее прозрачность, что исключает возможность ее применения для изготовления крупных оптических элементов.

В контексте настоящего описания под "оптическим стеклом" подразумевается наиболее пригодное для изготовления из него оптических прозрачных элементов чистое стекло с максимально возможной прозрачностью для оптического излучения видимой области спектра, по возможности не имеющее неоднородностей структуры и внутренних напряжений. В соответствии с этим предлагаемое в изобретении оптическое стекло не сопоставимо с известными типами стеклокерамики, поскольку специалистом в данной области состав подобной стеклокерамики не рассматривался бы как возможный состав оптического стекла. Используемое для изготовления стеклокерамики таких типов исходное стекло не обладает необходимой для оптического стекла чистотой и обычно имеет слегка желтоватую окраску, которая потенциально не допускает возможность ее применения в качестве оптического стекла.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения предлагаемое в нем оптическое стекло имеет следующий состав (в мас.%):

SiO2	35-70
Аl2О3	17-35
Р2O5	3-17
Li2O	2-6
MgO	0,5-4
ZnO	0,5-3
CaO	≤l
BaO	≤0,5
ТiO2	0,1-6
ZrO2	0,1-3
Na2O	0-1
К2O	0-1
As2O3	≤1
Sb2O3	≤1
Прочие примеси	≤0,5

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения предлагаемое в нем оптическое стекло имеет следующий состав (в мас.%):

SiO2	50-60
Аl2O3	20-30
Р2O5	3-12
Li2O	3-4
MgO	0,5-2,5
ZnO	0,5-3
CaO	<1
BaO	<0,5
TiO2	1,5-3,5
ZrO2	1-2,5
Na2O	0-1
К2О	0-1
As2O3+Sb2O3	≤1
Прочие примеси	≤0,2

Оптическое стекло с содержанием входящих в его состав компонентов прежде всего в подобных интервалах обладает оптимальными показателями прозрачности.

Для дальнейшего повышения прозрачности оптического стекла предпочтительно, чтобы содержание в нем окрашивающих примесей каждого типа, благородных металлов и галогенидов, прежде всего содержание Fe₂O₃, PbO, Pt, Rh, Сl^- и F^-, составляло максимум по 500 ч./млн.

Предпочтительно далее, чтобы содержание Fе₂О₃ в предлагаемом в изобретении оптическом стекле составляло максимум 120 ч./млн, более предпочтительно около 80 ч./млн.

Содержание указанного компонента в предлагаемом в изобретении оптическом стекле предпочтительно снижать до приведенных выше значений с той целью, чтобы даже при большой его толщине обеспечить достаточно высокий коэффициент его внутреннего (“чистого”) пропускания прежде всего для оптического излучения необходимой области спектра и в первую очередь используемого в контрольно-измерительных целях излучения с длиной волны 633 нм.

Температурный коэффициент расширения предлагаемого в изобретении оптического стекла в интервале температур предпочтительно от 0 до 50°С составляет максимум 4,1×10^-6/К, более предпочтительно максимум 3,5×10^-6/К, наиболее предпочтительно примерно 3×10^-6/К.

Предлагаемое в изобретении оптическое стекло благодаря подобным особо малым значениям его температурного коэффициента расширения наиболее пригодно для изготовления из него оптических прозрачных элементов больших размеров. Именно благодаря столь низкому температурному коэффициенту расширения предлагаемого в изобретении оптического стекла вероятность возникновения в нем внутренних напряжений и трещин значительно уменьшается по сравнению с традиционными оптическими стеклами, температурный коэффициент расширения которых обычно составляет ≥4,4×10^-6/К. В результате у предлагаемого в изобретении стекла уменьшаются прежде всего обусловленные колебаниями температуры аберрации.

Показатель преломления n_d у предлагаемого в изобретении оптического стекла предпочтительно составляет 1,42≤n_d≤1,63, более предпочтительно 1,47≤n_d≤1,58.

Помимо этого число Аббе v_d у предлагаемого в изобретении оптического стекла составляет предпочтительно 53≤v_d≤63, более предпочтительно 57,1≤v_d≤59,1. В соответствии с этим на диаграмме Аббе предлагаемое в изобретении оптическое стекло относится к области кронгласов, но имеет иной химический состав.

Коэффициент внутреннего ("чистого") пропускания у предлагаемого в изобретении оптического стекла, измеренный на изготовленном из него образце длиной 100 мм, составляет по меньшей мере 0,55 в диапазоне длин волн от 500 до 750 нм, по меньшей мере 0,7 в диапазоне длин волн от 550 до 750 нм и по меньшей мере 0,8 в диапазоне длин волн от 600 до 750 нм.

Помимо этого коэффициент внутреннего (“чистого”) пропускания у предлагаемого в изобретении оптического стекла предпочтительно имеет максимум в диапазоне длин волн от примерно 600 до 750 нм.

В отношении способа изготовления оптических прозрачных элементов больших размеров положенная в основу изобретения задача решается благодаря тому, что для получения стекла указанного выше состава предпочтительно варят стекломассу в стекловаренной печи периодического действия, полученный расплав охлаждают в регулируемом режиме и затем застывшую стекломассу подвергают механической обработке, прежде всего распиловке, шлифованию, доводке и полированию.

Следует отметить, что рассмотренные выше и в последующем описании отличительные особенности изобретения могут использоваться не только в их указанной в каждом конкретном случае комбинации, но и в любых иных сочетаниях или по отдельности, не выходя при этом за объем изобретения.

Другие отличительные особенности и преимущества изобретения рассмотрены ниже на примере предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемый чертеж.

На прилагаемом к описанию чертеже показан график изменения коэффициента внутреннего (“чистого”) пропускания у предлагаемого в изобретении оптического стекла в зависимости от длины волны и для сравнения приведен аналогичный график для стеклокерамики Zerodur^® того же состава.

Пример

Стекло получали варкой стекломассы следующего состава (в мас.%):

SiO2	57,2
Аl2O3	25,3
P2O5	6,5
Li2О	3,4
MgO	1,0
ZnO	1,4
Na2O	0,2
К2O	0,4
As2O3	0,5
ТiO2	2,3
ZrO2	1,8

Содержание примесей каждого типа, прежде всего окрашивающих примесей, благородных металлов и галогенидов, ограничивали за счет применения особо чистых исходных материалов и материалов стекловаренных горшков величиной в 500 част./млн. Содержание Fе₂О₃ составляло примерно 80 ч./млн.

Стекломассу варили при температуре примерно от 1500 до 1600°С, при этом для осветления стекла температуру его варки повышали до примерно 1600°С. В процессе гомогенизации температуру понижали до примерно 1400°С. При изготовлении линзы диаметром 1,5 м для придания ей необходимой формы расплав заливали в тщательно изолированную форму, предварительно нагретую до примерно 1200°С. После этого расплав максимально быстро охлаждали до температуры выше температуры его стеклования Т_c, т.е. охлаждали, например, до температуры примерно 700°С в течение нескольких часов. За счет охлаждения расплава в таком режиме минимизировали образование центров кристаллизации в процессе охлаждения. Затем на второй стадии стекломассу во избежание образования трещин и возникновения внутренних напряжений охлаждали в регулируемом режиме до комнатной температуры с достаточно низкой скоростью, которая в зависимости от диаметра стеклянного блока не должна превышать 1,0 К/мин и которая в данном примере составляла примерно 0,1 К/мин.

Полученный таким путем стеклянный блок можно подвергать механической обработке для изготовления из него прозрачных оптических элементов, например двояковыпуклой линзы диаметром 1,5 м, по меньшей мере одна поверхность которой имеет значительную асферичность.

Измеренный у изготовленного таким путем стеклянного блока температурный коэффициент его расширения составил 3,02×10^-6 /К в интервале температур от 0 до 50°С и 2,97×10^-6 /К в интервале температур от -30 до 70°С.

Плотность оптического стекла составила 2452,7 кг/м³.

У указанного стеклянного блока температура его стеклования Т_c составила примерно 675°С. Показатель преломления n_d составил 1,526 при числе Аббе v_d, равном 58,12.

График изменения коэффициента внутреннего (“чистого”) пропускания, измеренный на образце предлагаемого в изобретении стекла длиной 100 мм, в зависимости от длины волны излучения показан на прилагаемом к описанию чертеже (под внутренним (“чистым”) пропусканием в отличие от прозрачности подразумевается непосредственно свойство самого материала, поскольку в коэффициенте внутреннего ("чистого") пропускания не учитываются принимаемые во внимание при определении прозрачности потери при отражении, возникающие на входе оптического излучения в образец и на выходе оптического излучения из образца).

На прилагаемом к описанию чертеже для сравнения показан также график изменения коэффициента внутреннего (“чистого”) пропускания для изготовленного из известной из уровня техники стеклокерамики Zerodur® образца длиной 100 мм в зависимости от длины волны оптического излучения.

Из приведенных на прилагаемом к описанию чертеже графиков следует, что у предлагаемого в изобретении стекла даже при его толщине, равной 100 мм, коэффициент его внутреннего (“чистого”) пропускания составляет более 0,8 в диапазоне длин волн от 600 до 750 нм, т.е. такое стекло отличается приближающимся к максимуму внутренним (“чистым”) пропусканием прежде всего в диапазоне длин волн, в котором лежит равная 633 нм длина волны излучения обычно используемого в контрольно-измерительной аппаратуре Не-Ne-лазера. По сравнению с предлагаемым в изобретении стеклом стеклокерамика Zerodur®, которая в остальном имеет тот же состав, обладает значительно меньшим коэффициентом внутреннего (“чистого”) пропускания в представляющей в данном случае интерес спектральной области. Преимущества предлагаемого в изобретении оптического стекла перед известными оптическими стеклами проявляются прежде всего при изготовлении из него оптических элементов еще больших размеров, например толщиной до 500 мм или более, поскольку, как известно, коэффициент внутреннего (“чистого”) пропускания оптического элемента экспоненциально уменьшается с увеличением его толщины.

Предлагаемое в изобретении оптическое стекло наряду с предпочтительной областью его применения в качестве оптики контрольно-измерительной аппаратуры для контроля зеркал больших астрономических зеркальных телескопов может также использоваться в качестве линз в камерах астрономических съемочных систем и в корректирующих оптических системах, а также в качестве призм в подобных телескопах соответственно больших размеров.

1. Оптическое стекло, в состав которого входят следующие компоненты, мас.%:

SiO2	35-75
Аl2O3	17-35
В2O3	0-5
P2O5	1-17
SnO2+ZrO2+TiO2	0,1-8
Na2O+K2O+Cs2O	0,1-8
CaO+MgO+SrO+BaO+ZnO	0,1-8
осветлители, такие как Sb2O3, Аs2O3, SnO2, CeO2
сульфаты или галогениды	≤2
окрашивающие оксиды, такие как V2O5, Сr2O3, МnО
Fе2O3, СоО, NiO и прочие примеси	≤1

причем содержание в нем Fе₂O₃ составляет максимум 120 ч./млн, предпочтительно примерно 80 ч./млн, а коэффициент его внутреннего ("чистого") пропускания, измеренный на образце толщиной 100 мм, составляет по меньшей мере 0,7 в диапазоне длин волн от 550 до 750 нм.

2. Оптическое стекло по п.1, в состав которого входят следующие компоненты, мас.%:

SiO2	35-70
Al2O3	17-35
Р2O5	3-17
Li2O	2-6
MgO	0,5-4
ZnO	0,5-3
CaO	≤1
BaO	≤0,5
TiO2	0,1-6
ZrO2	0,1-3
Na2O	0-1
K2O	0-1
As2O3	≤1
Sb2O3	≤1
прочие примеси	≤0,5

3. Оптическое стекло по п.1, имеющее следующий состав, мас.%:

SiO2	50-60
Аl2O3	20-30
Р2O5	3-12
Li2O	3-4
MgO	0,5-2,5
ZnO	0,5-3
CaO	<1
BaO	<0,5
TiO2	1,5-3,5
ZrO2	1-2,5
Na2O	0-1
K2O	0-1
As2O3+Sb2O3	≤1
прочие примеси	≤0,2

4. Оптическое стекло по п.1, в котором содержание окрашивающих примесей, благородных металлов и галогенидов, прежде всего, PbO, Pt, Rh, С1^- и F^-, составляет максимум по 500 ч./млн.

5. Оптическое стекло по одному из пп.1-4, у которого его температурный коэффициент расширения в интервале температур от 0 до 50°С составляет максимум 4,1·10^-6/К, предпочтительно максимум 3,5·10^-6/К, наиболее предпочтительно примерно 3·10^-6/К.

6. Оптическое стекло по одному из пп.1-4, у которого его показатель преломления n_d составляет 1,42≤n_d≤1,63, предпочтительно 1,47≤n_d≤1,58.

7. Оптическое стекло по одному из пп.1-4, у которого его число Аббе v_d составляет 53≤v_d≤63, предпочтительно 57,1≤v_d≤59,1.

8. Оптическое стекло по одному из пп.1-4, у которого коэффициент его внутреннего ("чистого") пропускания, измеренный на образце толщиной 100 мм, составляет по меньшей мере 0,8 в диапазоне длин волн от 600 до 750 нм.

9. Оптическое стекло по одному из пп.1-4, у которого максимум коэффициента его внутреннего ("чистого") пропускания приходится на диапазон длин волн от примерно 600 до 750 нм.

10. Применение оптического стекла по одному из пп.1-9 для изготовления оптических прозрачных элементов, прежде всего для изготовления линз, призм, окон, максимальной толщиной по меньшей мере 50 мм, предпочтительно по меньшей мере 100 мм.

11. Применение оптического стекла по одному из пп.1-9 для изготовления оптики контрольно-измерительной аппаратуры для контроля зеркал зеркальных телескопов, прежде всего асферических зеркал, или их сегментов.

12. Способ изготовления оптического прозрачного элемента, прежде всего изготовления линз, призм, окон, максимальной толщиной по меньшей мере 50 мм, предпочтительно по меньшей мере 100 мм, заключающийся в том, что для получения стекла по одному из пп.1-9 варят стекломассу предпочтительно в стекловаренной печи периодического действия, полученный расплав охлаждают в регулируемом режиме и затем застывшую стекломассу подвергают механической обработке, прежде всего распиловке, шлифованию, доводке и полированию.