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TWI803559B - 光學硼鋁酸鹽玻璃 - Google Patents

光學硼鋁酸鹽玻璃 Download PDF

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TWI803559B
TWI803559B TW108101481A TW108101481A TWI803559B TW I803559 B TWI803559 B TW I803559B TW 108101481 A TW108101481 A TW 108101481A TW 108101481 A TW108101481 A TW 108101481A TW I803559 B TWI803559 B TW I803559B
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約翰可里斯多福 馬羅
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美商康寧公司
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Abstract

一種光學硼鋁酸鹽玻璃製品，包含：從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於30.0莫耳%的Al2 O3 ；從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於55.0莫耳%的CaO；從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於25.0莫耳%的B2 O3 ；從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於30.0莫耳%的SiO2 ；及從大於或等於1.0莫耳%至小於或等於20.0莫耳%的折射率升高組分。該光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有在589.3 nm下測得之該玻璃製品之折射率為大於或等於1.62，並具有小於或等於4.00 g/cm3 的密度。

Description

光學硼鋁酸鹽玻璃
本說明書一般涉及適用於光學顯示器(例如用於擴增實境裝置或虛擬實境裝置之顯示器)、光纖和光學透鏡的玻璃成分。更具體而言，本說明書涉及可在擴增實境裝置或虛擬實境裝置之顯示器中使用的硼鋁酸鹽玻璃。
近幾十年來，對高折射率(即， 折射率(RI) ＞ 1.60)的光學玻璃之需求隨著擴增實境和虛擬實境裝置市場的增長而增加。用於擴增實境或虛擬實境裝置的這些光學玻璃之其他要求是在可見光範圍內的良好透射率、良好的玻璃可成形性、化學耐久性和相對低的生產成本。具高折射率的玻璃之製造與顯示器玻璃的生產完全不同，顯示器玻璃不需要如此高的折射率。模製是用於製備由高RI玻璃製成之光學物品的典型方法，並且通常需要研磨和拋光以實現這種光學物品的期望表面性質，這在顯示器玻璃中可能是不需要的。因此，高RI光學玻璃之需求與顯示器玻璃之需求不同，並且光學高RI玻璃可能需要與顯示器玻璃不同的玻璃成分。
用於擴增實境或虛擬實境裝置之光學玻璃的另一個要求是低密度(即， 密度小於4.00 g/cm3 )。由於許多擴增實境或虛擬實境設備被製成可穿戴裝置，因此裝置的重量由使用者承受。在長時間下，即使是相對輕的裝置也會變得累贅。因此，期望的是輕量、低密度玻璃用作擴增實境或虛擬實境裝置中的光學玻璃。
除了高折射率和低密度之外，用於擴增實境或虛擬實境裝置的光學玻璃還可具有良好的化學耐久性，使得它們能夠經受清潔和各種環境條件，低熱膨脹以限制在形成期間玻璃的翹曲，還有可防止光學玻璃在擴增實境或虛擬實境裝置中使用期間受損的其他機械特性。
因此，需要具有上述屬性並且適用於擴增實境或虛擬實境設備的玻璃。
根據第一實施例，一種光學硼鋁酸鹽玻璃製品包含：從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於30.0莫耳%的Al2 O3 ；從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於55.0莫耳%的CaO；從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於25.0莫耳%的B2 O3 ；從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於30.0莫耳%的SiO2 ；及從大於或等於1.0莫耳%至小於或等於20.0莫耳%的折射率升高組分。光學硼鋁酸鹽玻璃製品在589.3 nm下測得之玻璃製品的折射率為大於或等於1.62，並具有小於或等於4.00 g/cm3 的密度。
附加的特徵和優點將在隨後的詳細描述中闡述，並且部分地對於本領域技術人員來說從該描述是顯而易見的，或可藉由實踐本文描述的實施例，包括下面的詳細描述、請求項還有附圖而認知。
應理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都描述了各種實施例，且旨在提供用於理解所要求保護的主題的性質和特性之概述或框架。包括附圖以提供對各種實施例的進一步理解，並且附圖被併入並構成本說明書的一部分。圖式繪示本文描述的各種實施例，並且與說明書一起用於解釋所要求保護的主題之原理和操作。
現在將詳細參考根據各種實施例之光學硼鋁酸鹽玻璃。硼鋁酸鹽玻璃較習用的矽酸鹽玻璃具有許多優點，例如，對鹼金屬侵蝕(腐蝕)的良好抗性、相對低的最大聲子能量(maximum phonon energy；MOPE)，例如，約800 cm-1 、顯著低的散射損失(如，瑞利散射值)、良好的紅外透射、長波長截止(cut-off)，例如約6 µm，和優異的機械性質，例如約90 MPa的拉伸強度。此外，硼鋁酸鹽玻璃對紫外(UV)輻射具光敏性，且可開發為光度計裝置。
主要還關注硼鋁酸鹽玻璃的結構和高脆性指數(m)，例如，m大於60。在CaO-Al2 O3 二元相圖(64CaO-36Al2 O3 ，以莫耳%計，CaO/Al2 O3 比例約1.78)的共晶點處，平均Al配位數約4.2，且因此AlO4 四面體為鈣硼鋁酸鹽玻璃的結構中之主要網絡形成劑。就某些鈣硼鋁酸鹽玻璃而言，富含Al2 O3 的成分中存在五倍和六倍配位的Al3+ 離子預期會降低玻璃成形能力。
硼鋁酸鹽玻璃在各種應用中的主要限制是它們的高液相線溫度，例如，高於1300 °C、低液相線黏度，例如，小於15泊，且因此具有強烈的失透傾向。與習用矽酸鹽玻璃相比，非矽酸鹽類硼鋁酸鹽玻璃的低黏度限制了它們在光學材料中的應用。少量添加鹼金屬氧化物、鹼土金屬、SiO2 和B2 O3 可大幅度增進硼鋁酸鹽玻璃的玻璃成形能力和熱穩定性，但代價是最佳光學性質。將B2 O3 和SiO2 添加入鈣硼鋁酸鹽玻璃可穩定玻璃結構並改善玻璃的熱穩定性。咸信，將少量(例如，小於15莫耳%)的SiO2 引入鈣硼鋁酸鹽玻璃會升高Tg 並改善玻璃網絡連接度，從而改善玻璃形成和穩定性。然而，大量(例如，大於30莫耳%，或在某些實施例中，大於15莫耳%)的SiO2 會將主要失透相從12CaO·7Al2 O3 轉變為2CaO·Al2 O3 ·SiO2 ，且大量添加SiO2 可能降低玻璃熱穩定性。二價陽離子的種類也影響硼鋁酸鹽玻璃的結晶行為和熱穩定性。相較於CaO-Al2 O3 共晶成分，CaO對不同改質劑氧化物(MgO、SrO、BaO及ZnO)之部分置換改善了由微差掃描熱卡計(differential scanning calorimetry；DSC)和X射線繞射(X-ray diffraction；XRD)所顯示之玻璃熱穩定性。
在本文描述之玻璃成分的實施例中，以氧化物為基準，以莫耳百分比(莫耳%)給定構成組分(如，Al2 O3 、SiO2 、B2 O3 等等)的濃度，除非另有指明。以下單獨討論根據實施例之光學硼鋁酸鹽玻璃成分的組分。應理解到，一種組分的各種記載範圍之任何範圍可與任何其他組分的各種記載範圍之任何範圍單獨組合。
在本文揭示之光學硼鋁酸鹽玻璃成分的實施例中，Al2 O3 是最大的組分，因此，Al2 O3 是由玻璃成分形成之玻璃網絡的主要組分。Al2 O3 可增加玻璃成分的黏度，這是由於其在由玻璃成分形成之玻璃熔體中之AlO4 四面體及/或AlO6 八面體配位之故，當Al2 O3 的含量過高時會降低玻璃成分之可成形性。然而，當Al2 O3 的濃度與其他玻璃網絡形成劑的濃度和玻璃成分中之鹼金屬氧化物的濃度達平衡時，Al2 O3 可增進液相黏度並改善玻璃成分與若干成形製程之相容性。在實施例中，玻璃成分通常包含以下濃度之Al2 O3 ：從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於30.0莫耳%，及在前述值之間的所有範圍和子範圍。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的Al2 O3 ：大於或等於12.0莫耳%、大於或等於14.0莫耳%、大於或等於16.0莫耳%、大於或等於18.0莫耳%、大於或等於20.0莫耳%、大於或等於22.0莫耳%、大於或等於24.0莫耳%、大於或等於26.0莫耳%，或大於或等於28.0莫耳%。在實施例中，玻璃成分包含以下含量的Al2 O3 ：小於或等於28.0莫耳%、小於或等於26.0 莫耳%、小於或等於24.0莫耳%、小於或等於22.0莫耳%、小於或等於20.0莫耳%、小於或等於18.0莫耳%、小於或等於16.0莫耳%、小於或等於14.0莫耳%，或小於或等於12.0莫耳%。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在其他實施例中，玻璃成分包含以下含量的Al2 O3 ：從大於或等於12.0莫耳%至小於或等於28.0莫耳%，如從大於或等於14.0莫耳%至小於或等於26.0莫耳%、從大於或等於16.0莫耳%至小於或等於24.0莫耳%，或從大於或等於18.0莫耳%至小於或等於22.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
與Al2 O3 類似，可將B2 O3 添加至玻璃成分作為玻璃網絡形成劑，從而增加或增強玻璃成分的可熔性和可成形性。與Al2 O3 類似，硼主要以其BO4 四面體的形式存在。因此，可添加不會過度減損這些性質之量的B2 O3 ，並可改善玻璃熱穩定性。在實施例中，玻璃成分可包含以下含量的B2 O3 ：從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於25.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的B2 O3 ：大於或等於12.0莫耳%、大於或等於14.0莫耳%、大於或等於16.0莫耳%、大於或等於18.0莫耳%、大於或等於20.0莫耳%、大於或等於22.0莫耳%，或大於或等於24.0莫耳%。在實施例中，玻璃成分包含以下含量的B2 O3 ：小於或等於24.0莫耳%、小於或等於22.0莫耳%、小於或等於20.0莫耳%、小於或等於18.0莫耳%、小於或等於16.0莫耳%、小於或等於14.0莫耳%，或小於或等於12.0莫耳%。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的B2 O3 ：從大於或等於12.0莫耳%至小於或等於24.0莫耳%、從大於或等於14.0莫耳%至小於或等於22.0莫耳%，或從大於或等於16.0莫耳%至小於或等於20.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
在本文揭示之光學硼鋁酸鹽玻璃成分之實施例中，可添加SiO2 作為額外的玻璃網絡形成劑。純SiO2 具有相對低的CTE。然而，純SiO2 具有高熔點。因此，添加SiO2 可提升玻璃熱穩定性。因此，若玻璃成分中之SiO2 的濃度過高，則玻璃成分的可成形性可能會降低，因為較高濃度的SiO2 增加熔融玻璃的難度，從而對玻璃的可成形性產生不利影響。在實施例中，玻璃成分通常包含以下含量的SiO2 ：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於30.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。較佳地，SiO2 的含量大於0，例如大於0.1莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的SiO2 ：大於或等於0.6莫耳%、大於或等於1.0莫耳%、大於或等於2.0莫耳%、大於或等於4.0莫耳%、大於或等於6.0莫耳%、大於或等於8.0莫耳%、大於或等於10.0莫耳%、大於或等於12.0莫耳%、大於或等於14.0莫耳%、大於或等於16.0莫耳%、大於或等於18.0莫耳%、大於或等於20.0莫耳%、大於或等於22.0莫耳%、大於或等於24.0莫耳%、大於或等於26.0莫耳%，或大於或等於28.0莫耳%。在實施例中，玻璃成分包含以下含量的SiO2 ：小於或等於28.0莫耳%、小於或等於26.0莫耳%、小於或等於24.0莫耳%、小於或等於22.0莫耳%、小於或等於20.0莫耳%、小於或等於18.0莫耳%、小於或等於16.0莫耳%、小於或等於14.0莫耳%、小於或等於12.0莫耳%、小於或等於10.0莫耳%、小於或等於8.0莫耳%、小於或等於6.0莫耳%、小於或等於4.0莫耳%、小於或等於2.0莫耳%、小於或等於1.0莫耳%，或小於或等於0.5莫耳%。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在其他實施例中，玻璃成分包含以下含量的SiO2 ：從大於或等於0.5莫耳%至小於或等於28.0莫耳%、從大於或等於1.0莫耳%至小於或等於26.0莫耳%、從大於或等於2.0莫耳%至小於或等於24.0莫耳%、從大於或等於4.0莫耳%至小於或等於22.0莫耳%、從大於或等於6.0莫耳%至小於或等於20.0莫耳%、從大於或等於8.0莫耳%至小於或等於18.0莫耳%、從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於16.0莫耳%，或從大於或等於14.0莫耳%至小於或等於16.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
除了玻璃網絡形成劑外，CaO的添加可降低玻璃的黏度，從而增進可成形性、應變點和楊氏模數。然而，當過量的CaO被添加至玻璃成分時，玻璃熔體可能因冷卻而結晶並失透(devitrify)。上文討論了CaO在玻璃中的其他影響。在實施例中，玻璃成分通常包含以下濃度的CaO：從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於55.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的CaO：大於或等於12.0莫耳%、大於或等於14.0莫耳%、大於或等於16.0莫耳%、大於或等於18.0莫耳%、大於或等於20.0莫耳%、大於或等於22.0莫耳%、大於或等於24.0莫耳%、大於或等於26.0莫耳%、大於或等於28.0莫耳%、大於或等於30.0莫耳%、大於或等於32.0莫耳%、大於或等於34.0莫耳%、大於或等於36.0莫耳%、大於或等於38.0莫耳%、大於或等於40.0莫耳%、大於或等於42.0莫耳%、大於或等於44.0莫耳%、大於或等於46.0莫耳%，或大於或等於48.0莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的CaO：小於或等於48.0莫耳%、小於或等於46.0莫耳%、小於或等於44.0莫耳%、小於或等於42.0莫耳%、小於或等於40.0莫耳%、小於或等於38.0莫耳%、小於或等於36.0莫耳%、小於或等於34.0莫耳%、小於或等於32.0莫耳%、小於或等於30.0莫耳%、小於或等於28.0莫耳%、小於或等於26.0莫耳%、小於或等於24.0莫耳%、小於或等於22.0莫耳%、小於或等於20.0莫耳%、小於或等於18.0莫耳%、小於或等於16.0莫耳%、小於或等於14.0莫耳%，或小於或等於12.0莫耳%。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的CaO：從大於或等於12.0莫耳%至小於或等於48.0莫耳%，如從大於或等於14.0莫耳%至小於或等於46.0莫耳%、從大於或等於16.0莫耳%至小於或等於44.0莫耳%、從大於或等於18.0莫耳%至小於或等於42.0莫耳%、從大於或等於20.0莫耳%至小於或等於40.0莫耳%、從大於或等於22.0莫耳%至小於或等於38.0莫耳%、從大於或等於24.0莫耳%至小於或等於38.0莫耳%、從大於或等於26.0莫耳%至小於或等於36.0莫耳%、從大於或等於28.0莫耳%至小於或等於34.0莫耳%，或從大於或等於30.0莫耳%至小於或等於32.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
BaO降低了玻璃的黏度，這增進了可成形性、應變點和楊氏模數，並可改善玻璃的RI。然而，當過量的BaO被添加至玻璃成分時，玻璃成分的密度和結晶傾向增加。在實施例中，玻璃成分通常包含以下濃度的BaO：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於25.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的BaO：大於或等於0.5莫耳%、大於或等於1.0莫耳%、大於或等於2.0莫耳%、大於或等於4.0莫耳%、大於或等於6.0莫耳%、大於或等於8.0莫耳%、大於或等於10.0莫耳%、大於或等於12.0莫耳%、大於或等於14.0莫耳%、大於或等於16.0莫耳%、大於或等於18.0莫耳%、大於或等於20.0莫耳%、大於或等於22.0莫耳%，或大於或等於24.0莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的BaO：小於或等於24.0莫耳%、小於或等於22.0莫耳%、小於或等於20.0莫耳%、小於或等於18.0莫耳%、小於或等於16.0莫耳%、小於或等於14.0莫耳%、小於或等於12.0莫耳%、小於或等於10.0莫耳%、小於或等於8.0莫耳%、小於或等於6.0莫耳%、小於或等於4.0莫耳%、小於或等於2.0莫耳%、小於或等於1.0莫耳%，或小於或等於0.5莫耳%。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在其他實施例中，玻璃成分包含以下含量的BaO：從大於或等於0.5莫耳%至小於或等於24.0莫耳%，如從大於或等於1.0莫耳%至小於或等於22.0莫耳%、從大於或等於2.0莫耳%至小於或等於20.0莫耳%、從大於或等於4.0莫耳%至小於或等於18.0莫耳%、從大於或等於6.0莫耳%至小於或等於16.0莫耳%、從大於或等於8.0莫耳%至小於或等於14.0莫耳%，或從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於12.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
SrO降低了玻璃的黏度，這增進了可成形性、應變點和楊氏模數，並可改善玻璃的RI。然而，當過量的SrO被添加至玻璃成分時，玻璃成分的密度會增加。在實施例中，玻璃成分通常包含以下濃度的SrO：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於1.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的SrO：大於或等於0.1莫耳%、大於或等於0.2莫耳%、大於或等於0.3莫耳%、大於或等於0.4莫耳%、大於或等於0.5莫耳%、大於或等於0.6莫耳%、大於或等於0.7莫耳%、大於或等於0.8莫耳%，或大於或等於0.9莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的SrO：小於或等於0.9莫耳%、小於或等於0.8莫耳%、小於或等於0.7莫耳%、小於或等於0.6莫耳%、小於或等於0.5莫耳%、小於或等於0.4莫耳%、小於或等於0.3莫耳%、小於或等於0.2莫耳%，或小於或等於0.1莫耳%。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在其他實施例中，玻璃成分包含以下含量的SrO：從大於或等於0.1莫耳%至小於或等於0.9莫耳%，如從大於或等於0.2莫耳%至小於或等於0.8莫耳%、從大於或等於0.3莫耳%至小於或等於0.7莫耳%，或從大於或等於0.4莫耳%至小於或等於0.6莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
可將La2 O3 添加至光學硼鋁酸鹽玻璃成分，以提升光學硼鋁酸鹽玻璃的RI。然而，當過量的La2 O3 被添加至玻璃成分時，玻璃成分的密度會增加，且玻璃熔體容易因冷卻而失透。在實施例中，玻璃成分通常包含以下濃度的La2 O3 ：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於8.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的La2 O3 ：大於或等於0.2莫耳%、大於或等於0.5莫耳%、大於或等於1.0莫耳%、大於或等於1.5莫耳%、大於或等於2.0莫耳%、大於或等於2.5莫耳%、大於或等於3.0莫耳%、大於或等於3.5莫耳%、大於或等於4.0莫耳%、大於或等於4.5莫耳%、大於或等於5.0莫耳%、大於或等於5.5莫耳%、大於或等於6.0莫耳%、大於或等於6.5莫耳%、大於或等於7.0莫耳%，或大於或等於7.5莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的La2 O3 ：小於或等於7.5莫耳%、小於或等於7.0莫耳%、小於或等於6.5莫耳%、小於或等於6.0莫耳%、小於或等於5.5莫耳%、小於或等於5.0莫耳%、小於或等於4.5莫耳%、小於或等於4.0莫耳%、小於或等於3.5莫耳%、小於或等於3.0莫耳%、小於或等於2.5莫耳%、小於或等於2.0莫耳%、小於或等於1.5莫耳%、小於或等於1.0莫耳%、小於或等於0.5莫耳%，或小於或等於0.2莫耳%。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在其他實施例中，玻璃成分包含以下含量的La2 O3 ：從大於或等於0.2莫耳%至小於或等於7.5莫耳%，如從大於或等於0.5莫耳%至小於或等於7.0莫耳%、從大於或等於1.0莫耳%至小於或等於6.5莫耳%、從大於或等於1.5莫耳%至小於或等於6.0莫耳%、從大於或等於2.0莫耳%至小於或等於5.5莫耳%、從大於或等於2.5莫耳%至小於或等於5.0莫耳%，或從大於或等於3.0莫耳%至小於或等於4.5莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
可將Nb2O5添加至光學硼鋁酸鹽玻璃成分，以升高光學硼鋁酸鹽玻璃之RI。在實施例中，玻璃成分通常包含以下濃度的Nb2O5：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於20.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的Nb2O5：大於或等於2.0莫耳%、大於或等於4.0莫耳%、大於或等於6.0莫耳%、大於或等於8.0莫耳%、大於或等於10.0莫耳%、大於或等於12.0莫耳%、大於或等於14.0莫耳%、大於或等於16.0莫耳%，或大於或等於18.0莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的Nb2O5：小於或等於18.0莫耳%、小於或等於16.0莫耳%、小於或等於14.0莫耳%小於或等於12.0莫耳%、小於或等於10.0莫耳%、小於或等於8.0莫耳%、小於或等於6.0莫耳%、小於或等於4.0莫耳%，或小於或等於2.0莫耳%。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在其他實施例中，玻璃成分包含以下含量的Nb2O5：從大於或等於2.0莫耳%至小於或等於20.0莫耳%，如從大於或等於4.0莫耳%至小於或等於18.0莫耳%、從大於或等於6.0莫耳%至小於或等於 16.0莫耳%、從大於或等於8.0莫耳%至小於或等於14.0莫耳%，或從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於12.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
類似Nb2O5，可將ZrO2添加至光學硼鋁酸鹽玻璃成分以提升光學硼鋁酸鹽玻璃的RI。在實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃成分中可存在以下含量的ZrO2：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於5.0莫耳%，如從大於或等於0.1莫耳%至小於或等於2.0莫耳%，或從大於或等於0.2莫耳%至小於或等於1.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
類似地，可將TiO2添加至光學硼鋁酸鹽玻璃成分，以升高光學硼鋁酸鹽玻璃的RI。在實施例中，TiO2可以以下含量存在：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於15.0莫耳%，如從大於或等於0.5莫耳%至小於或等於14.5莫耳%、從大於或等於1.0莫耳%至小於或等於14.0莫耳%、從大於或等於1.5莫耳%至小於或等於13.5莫耳%、從大於或等於2.0莫耳%至小於或等於13.0莫耳%、從大於或等於2.5莫耳%至小於或等於12.5莫耳%、從大於或等於3.0莫耳%至小於或等於12.0莫耳%、從大於或等於3.5莫耳%至小於或等於11.5莫耳%、從大於或等於4.0莫耳%至小於或等於11.0莫耳%、從大於或等於4.5莫耳%至小於或等於10.5莫耳%、從大於或等於5.0莫耳%至小於或等於10.0莫耳%、從大於或等於5.5莫耳%至小於或等於9.5莫耳%、從大於或等於6.0莫耳%至小於或等於9.0莫耳%、從大於或等於6.5莫耳%至小於或等於8.5莫耳%，或從大於或等於7.0莫耳%至小於或等於8.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
若有需要，SnO2 可改善光學硼鋁酸鹽玻璃的RI，且可作為光學硼鋁酸鹽玻璃中之澄清劑而存在。在實施例中，玻璃成分通常包含以下濃度的SnO2 ：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於1.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的SnO2 ：大於或等於0.1莫耳%、大於或等於0.2莫耳%、大於或等於0.3莫耳%、大於或等於0.4莫耳%、大於或等於0.5莫耳%、大於或等於0.6莫耳%、大於或等於0.7莫耳%、大於或等於0.8莫耳%，或大於或等於0.9莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的SnO2 ：小於或等於0.9莫耳%、小於或等於0.8莫耳%、小於或等於0.7莫耳%、小於或等於0.6莫耳%、小於或等於0.5莫耳%、小於或等於0.4莫耳% 小於或等於0.3莫耳%、小於或等於0.2莫耳%，或小於或等於0.1莫耳%。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在其他實施例中，玻璃成分包含以下含量的SnO2 ：從大於或等於0.1莫耳%至小於或等於0.9莫耳%，如從大於或等於0.2莫耳%至小於或等於0.8莫耳%、從大於或等於0.3莫耳%至小於或等於0.7莫耳%，或從大於或等於0.4莫耳%至小於或等於0.6莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
若有需要，Sb2 O3 可改善光學硼鋁酸鹽玻璃的RI，且可作為光學硼鋁酸鹽玻璃中之澄清劑而存在。在實施例中，玻璃成分通常包含以下濃度的Sb2 O3 ：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於1.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的Sb2 O3 ：大於或等於0.1莫耳%、大於或等於0.2莫耳%、大於或等於0.3莫耳%、大於或等於0.4莫耳%、大於或等於0.5莫耳%、大於或等於0.6莫耳%、大於或等於0.7莫耳%、大於或等於0.8莫耳%，或大於或等於0.9莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分包含以下含量的Sb2 O3 ：小於或等於0.9莫耳%、小於或等於0.8莫耳%、小於或等於0.7莫耳%、小於或等於0.6莫耳%、小於或等於0.5莫耳%、小於或等於0.4莫耳% 小於或等於0.3莫耳%、小於或等於0.2莫耳%，或小於或等於0.1莫耳%。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在其他實施例中，玻璃成分包含以下含量的Sb2 O3 ：從大於或等於0.1莫耳%至小於或等於0.9莫耳%，如從大於或等於0.2莫耳%至小於或等於0.8莫耳%、從大於或等於0.3莫耳%至小於或等於0.7莫耳%，或從大於或等於0.4莫耳%至小於或等於0.6莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
除了上述組分之外，根據一個或多個實施例，光學硼鋁酸鹽玻璃可包括鹼金屬氧化物，舉例而言，Li2 O、Na2 O和K2 O。可添加鹼金屬氧化物來改質玻璃成分的各種性質，舉例而言，熔融溫度、黏度、機械強度和化學耐久性。在實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃成分中之所有鹼金屬氧化物的總和可從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於10.0莫耳%，如從大於或等於2.0莫耳%至小於或等於8.0莫耳%，或從大於或等於4.0莫耳%至小於或等於6.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
根據一或多個實施例，除了上文討論之CaO和BaO之外的鹼土金屬氧化物，舉例而言，MgO和SrO，可被添加至光學硼鋁酸鹽玻璃，以改質玻璃的物理性質和玻璃可成形性，並提升折射率。在實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃成分中除了CaO和BaO之外的所有鹼土金屬樣化物的總和可從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於5.0莫耳%，如從大於或等於0.1莫耳%至小於或等於2.0莫耳%，或從大於或等於0.2莫耳%至小於或等於1.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
折射率升高組分—除了上文討論之La2 O3 和Nb2 O5 以外—包括過渡金屬氧化物，舉例而言，ZnO、TiO2 、ZrO2 、Ta2 O5 和HfO2 。根據實施例，可將這些過渡金屬氧化物添加至光學硼鋁酸鹽玻璃，以升高折射率。在實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃成分中之所有折射率升高組分(包括La2 O3 和Nb2 O5 )的總和可從大於或等於1.0莫耳%至小於或等於20.0莫耳%，如從大於或等於8.0莫耳%至小於或等於18.0莫耳%、從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於16.0莫耳%，或從大於或等於12.0莫耳%至小於或等於14.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
在實施例中，其他組分可少量添加至光學硼鋁酸鹽玻璃作為澄清劑。此類澄清劑包括CeO2 、F- 、Cl- 、硫酸鹽和硫化物。在實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃成分中之所有澄清劑的總和可從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於2.0莫耳%，如從大於或等於0.2莫耳%至小於或等於1.0莫耳%。在其他實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃可包含以下含量的澄清劑：小於或等於1.0莫耳%、小於或等於0.7莫耳%、小於或等於0.5莫耳%、小於或等於0.2莫耳%，或小於或等於0.1莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
在某些實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃可不含鉛、砷和鉈中的一或多者。
不受任何特定理論的束縛，光學硼鋁酸鹽玻璃成分的某些實施例在CaO-Al2 O3 二元系統(binary system)的共晶點(eutectic point)附近形成，所述CaO-Al2 O3 二元系統具有之CaO/Al2 O3 比例為約1.78。在此CaO/Al2 O3 比例下，光學硼鋁酸鹽玻璃成分的熔點為CaO-Al2 O3 二元系統的最小值或接近最小值。使用CaO/Al2 O3 的共晶比例，可將其他鹼土金屬，舉例而言，BaO和SrO，添加至光學硼鋁酸鹽玻璃成分，以改質玻璃成分的物理性質。因此，在實施例中，CaO+BaO+SrO的總和對Al2 O3 之比例接近CaO/Al2 O3 的共晶比例。在實施例中，以莫耳%計，(CaO+BaO+SrO)/Al2 O3 的比例為從大於或等於1.10至小於或等於2.40，如從大於或等於1.15至小於或等於2.35、從大於或等於1.20至小於或等於2.30、從大於或等於1.25至小於或等於2.25、從大於或等於1.30至小於或等於2.20、從大於或等於1.35至小於或等於2.15、從大於或等於1.40至小於或等於2.10、從大於或等於1.45至小於或等於2.05、從大於或等於1.50至小於或等於2.00、從大於或等於1.55至小於或等於1.95、從大於或等於1.60至小於或等於1.90、從大於或等於1.65至小於或等於1.85，或從大於或等於1.70至小於或等於1.80及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
此外，在某些實施例中，CaO+BaO+SrO+Al2 O3 的和大於或等於43.0莫耳%，如大於或等於45.0莫耳%、大於或等於50.0莫耳%、大於或等於55.0莫耳%、大於或等於60.0莫耳%、大於或等於65.0莫耳%、大於或等於70.0莫耳%，或大於或等於75.0莫耳%。在某些實施例中，CaO+BaO+SrO+Al2 O3 的和小於或等於78.0莫耳%，如小於或等於75.0莫耳%、小於或等於70.0莫耳%、小於或等於65.0莫耳%、小於或等於60.0莫耳%、小於或等於55.0莫耳%、小於或等於50.0莫耳%，或小於或等於45.0莫耳%。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在其他實施例中，CaO+BaO+SrO+Al2 O3 的和從大於或等於43.0莫耳%至小於或等於78.0莫耳%，如從大於或等於45.0莫耳%至小於或等於75.0莫耳%、從大於或等於50.0莫耳%至小於或等於70.0莫耳%，或從大於或等於55.0莫耳%至小於或等於65.0莫耳%及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
硼鋁酸鹽玻璃，如本文揭示並描述之光學硼鋁酸鹽玻璃，與矽酸鹽玻璃或甚至鋁矽酸鹽玻璃相當不同。例如，不像矽酸鹽或鋁矽酸鹽玻璃，硼鋁酸鹽玻璃可能難以熔融，且部分因為較低含量的SiO2 和較高含量的Al2 O3 ，硼鋁酸鹽玻璃可能具有降低的化學穩定性和耐久性。此外，當將組分添加至基礎CaO-Al2 O3 系統時，硼鋁酸鹽玻璃可能難以熔融、難以形成或者不適合形成玻璃製品。因此，將組分添加至CaO-Al2 O3 二元系統，舉例而言，將B2 O3 添加入光學硼鋁酸鹽玻璃成分，不能保證降低玻璃轉變溫度並改善光學硼鋁酸鹽玻璃的化學耐久性和化學穩定性。然而，發現到，將本文揭示並描述之含量的B2 O3 添加至CaO-Al2 O3 二元系統所提供之玻璃具可成形性、具有良好的化學耐久性和化學穩定性，並且在加熱時具有更好的熱穩定性。
即使在(CaO+BaO+SrO)/Al2 O3 的比例處於或接近系統的共晶點之實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃成分的熔點仍然可能高得無法接受，且光學硼鋁酸鹽玻璃的化學穩定性可能不足。因此，在某些實施例中，將B2 O3 添加至系統來改善玻璃的可成形性和化學穩定性。下表1顯示了將B2 O3 添加至CaO-Al2 O3 二元系統之效果。
表1
Figure 108101481-A0304-0001
如表1和第1圖(其以圖表形式顯示表1中之結果)所示，隨著B2 O3 添加至光學硼鋁酸鹽玻璃成分，玻璃轉變溫度(Tg )降低，且當玻璃再加熱時，結晶開始的溫度(Tx )亦降低。然而，Tx 與Tg 之間的差異隨著將B2 O3 添加至玻璃成分而變大。添加B2 O3 也降低了硼鋁酸鹽玻璃的液相線溫度。
在一或多個實施例中，以莫耳%計，B2 O3 /(CaO+BaO+SrO+Al2 O3 )的比例大於或等於0.15，如大於或等於0.20、大於或等於0.25、大於或等於0.30、大於或等於0.35、大於或等於0.45，或大於或等於0.50。(比例越高，玻璃成形性越好。然而，如果比例太高，則化學耐久性(例如，耐水性)可能受到負面影響)。在某些實施例中，B2 O3 /(CaO+BaO+SrO+Al2 O3 )的比例，以莫耳%計，為小於或等於0.55，如小於或等於0.50、小於或等於0.45、小於或等於0.40、小於或等於0.35、小於或等於0.30、小於或等於0.25，或小於或等於0.20。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在其他實施例中，B2 O3 /(CaO+BaO+SrO+Al2 O3 )的比例，以莫耳%計，為從大於或等於0.15至小於或等於0.55，如從大於或等於0.20至小於或等於0.50、從大於或等於0.25至小於或等於0.45，或從大於或等於0.30至小於或等於0.40及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
從此CaO-Al2 O3 -B2 O3 三元系統可發現，可將其他組分添加到光學鋁矽酸鹽玻璃中以改善玻璃的各種光學性質，舉例而言，光學硼鋁酸鹽玻璃的折射率。值得注意的是，過渡金屬元素和La2 O3 能被添加至硼鋁酸鹽玻璃成分來提升光學硼鋁酸鹽玻璃的RI。以前沒預期的是，可將諸如過渡金屬元素和La2O3等組分添加至硼鋁酸鹽玻璃，所述過渡金屬元素和La2O3等組分的量可顯著提升玻璃成分的RI但不會妨礙玻璃成分的其他性質(如Tg、透射率、液相線溫度及液相線黏度)。然而，發現足夠量的過渡金屬元素和La2O3可添加至玻璃成分，以顯著提升RI而不會過度阻礙光學硼鋁酸鹽玻璃成分的其它性質。以下討論在本文的實施例中揭示和描述的光學硼鋁酸鹽玻璃的各種性質。
藉由將過渡金屬元素和La2O3添加至玻璃成分中，可影響實施例中揭示之光學硼鋁酸鹽玻璃的折射率。具體而言，將鑭和鈮的氧化物添加至玻璃成分可提升玻璃成分的RI。在一或多個實施例中，藉由Metricon Model 2010稜鏡耦合器(Prism Coupler)來測量RI。使用各種雷射源，在406nm、473nm、532nm、633nm、790nm及981nm等波長下，於Metricon Model 2010稜鏡耦合器上進行RI測量。Metricon 2010稜鏡耦合器作為全自動折射儀般運作，其中可以測量塊體材料及/或膜的折射率。諸如所提供之玻璃樣品(描述於表2及3)等塊體材料的折射率由Metricon 2010稜鏡耦合器測量。測得之折射率結果擬合到Cauchy或Sellmeier色散方程式並決定常數。在589.3nm的波長下確定光學玻璃的折射率。使用擬合之折射率分散值，就各玻璃成分計算VD阿貝數(Abbe number)。在一或多個實施例中，當在589.3 nm下測量，光學硼鋁酸鹽玻璃可具有以下RI：大於或等於1.62、大於或等於1.63、大於或等於1.64、大於或等於1.65、大於或等於1.66、大於或等於1.67、大於或等於1.68、大於或等於1.69、大於或等於1.70、大於或等於1.71、大於或等於1.72、大於或等於1.73、大於或等於1.74、大於或等於1.75、大於或等於1.76、大於或等於1.77、大於或等於1.78，或大於或等於1.79。在某些實施例中，當在589.3 nm下測量，光學硼鋁酸鹽玻璃可具有以下RI：小於或等於1.80、小於或等於1.79、小於或等於1.78、小於或等於1.77、小於或等於1.76、小於或等於1.75、小於或等於1.74、小於或等於1.73、小於或等於1.72、小於或等於1.71、小於或等於1.70、小於或等於1.69、小於或等於1.68、小於或等於1.67、小於或等於1.66、小於或等於1.65，或小於或等於1.64。應理解的是，在實施例中，任何上述範圍可以與任何其他範圍組合。然而，在其他實施例中，當在589.3 nm下測量，光學硼鋁酸鹽玻璃可具有以下RI：從大於或等於1.62至小於或等於1.80，如從大於或等於1.63至小於或等於1.79、從大於或等於1.64至小於或等於1.78、從大於或等於1.65至小於或等於1.78、從大於或等於1.66至小於或等於1.77、從大於或等於1.67至小於或等於1.76、從大於或等於1.68至小於或等於1.75、從大於或等於1.69至小於或等於1.74，或從大於或等於1.70至小於或等於1.73，及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
如上所揭示，在一或多個實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃的密度可以相對較低。在某些實施例中，根據ASTM C693來測量密度，且光學硼鋁酸鹽玻璃的密度可為：小於或等於4.00 g/cm3 ，如小於或等於3.75 g/cm3 、小於或等於3.50 g/cm3 、小於或等於3.25 g/cm3 、小於或等於3.00 g/cm3 ，或小於或等於2.75 g/cm3 。在一或多個實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃成分的密度可為：從大於或等於2.25 g/cm3 至小於或等於4.00 g/cm3 ，如從大於或等於2.25 g/cm3 至小於或等於3.75 g/cm3 、從大於或等於2.25 g/cm3 至小於或等於3.50 g/cm3 、從大於或等於2.25 g/cm3 至小於或等於3.25 g/cm3 、從大於或等於2.25 g/cm3 至小於或等於3.00 g/cm3 ，或從大於或等於2.25 g/cm3 至小於或等於2.75 g/cm3 及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
藉由梯度爐法(gradient furnace method)測量本文所用之液相線溫度。此方法符合ASTM C829-81用於測量玻璃的液相線溫度之標準規範。在一或多個實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃的液相線溫度可為：從大於或等於1000 °C至小於或等於1350 °C，如從大於或等於1010 °C至小於或等於1340 °C、從大於或等於1020 °C至小於或等於1330 °C、從大於或等於1030 °C至小於或等於1320 °C、從大於或等於1040 °C至小於或等於1310 °C、從大於或等於1050 °C至小於或等於1300 °C、從大於或等於1060 °C至小於或等於1290 °C、從大於或等於1070 °C至小於或等於1280 °C、從大於或等於1080 °C至小於或等於1270 °C、從大於或等於1090 °C至小於或等於1260 °C、從大於或等於1100 °C至小於或等於1250 °C、從大於或等於1110 °C至小於或等於1240 °C、從大於或等於1120 °C至小於或等於1230 °C、從大於或等於1130 °C至小於或等於1220 °C、從大於或等於1140 °C至小於或等於1210 °C、從大於或等於1150 °C至小於或等於1200 °C、從大於或等於1160 °C至小於或等於1190 °C，或從大於或等於1170 °C至小於或等於1180 °C及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
如本文所用，本文揭示之光學硼鋁酸鹽玻璃的「化學耐久性(chemical durability)」是藉由先進光學(AO)損耗測試(Advanced Optics losses test)和奈米帶2X測試(Nano Strip 2X test)來測量，將於下文更詳細地描述彼等測試。
就AO損耗測試而言，在10重量%的HCl中，於25 °C下，對具有0.33 cm- 1 的表面積對體積比之乾燥玻璃樣品進行蝕刻達10分鐘。在蝕刻10分鐘後，使樣品在去璃子(DI)水中淬火並在18 MΩ水中漂洗。接著用高純氮氣乾燥樣品並將樣品置於乾燥器中過夜。然後計算就表面積常態化之重量損失(mg/mm2 )及重量損失百分比(重量%)。在實施例中，AO損耗為小於或等於0.040 mg/mm2 ，如小於或等於0.035 mg/mm2 、小於或等於0.030 mg/mm2 、小於或等於0.025 mg/mm2 、小於或等於0.020 mg/mm2 、小於或等於0.015 mg/mm2 、小於或等於0.010 mg/mm2 、小於或等於0.005 mg/mm2 、小於或等於0.004 mg/mm2 、小於或等於0.003 mg/mm2 、小於或等於0.003 mg/mm2 、小於或等於0.002 mg/mm2 ，或小於或等於0.001 mg/mm2 。
在奈米帶2X測試中，於70 °C下，將具有0.08 cm-1 的表面積對體積比之乾燥玻璃樣品浸入600 mL的奈米帶2X溶液(Capitol Scientific，85% H2 SO4 和 ＜1% H2 O2 )達50分鐘，期間伴隨著400 rpm速度之攪拌。在50分鐘後，使樣品在DI水中淬火並在18 MΩ水中漂洗。接著用高純氮氣乾燥樣品並將樣品置於乾燥器中過夜。計算就表面積常態化之重量損失(mg/mm2 )及重量損失百分比(重量%)。在實施例中，奈米帶2X測試導致之損失小於或等於0.015 mg/mm2 ，如小於或等於0.014 mg/mm2 、小於或等於0.013 mg/mm2 、小於或等於0.012 mg/mm2 、小於或等於0.011 mg/mm2 、小於或等於0.010 mg/mm2 、小於或等於0.009 mg/mm2 、小於或等於0.008 mg/mm2 、小於或等於0.007 mg/mm2 、小於或等於0.006 mg/mm2 、小於或等於0.005 mg/mm2 、小於或等於0.004 mg/mm2 、小於或等於0.003 mg/mm2 、小於或等於0.002 mg/mm2 ，或小於或等於0.001 mg/mm2 。
如本文所描述，使用Magnaflux製造之Quasar RUSpec 4000，藉由共振超音波頻譜法(Resonant Ultrasound Spectroscopy)測量「楊氏模數(Young’s modulus)」。光學硼鋁酸鹽玻璃的楊氏模數為從大於或等於75.0 GPa至小於或等於110.0 GPa，如從大於或等於80.0 GPa至小於或等於105.0 GPa、從大於或等於85.0 GPa至小於或等於100.0 GPa，或從大於或等於90.0 GPa至小於或等於95.0 GPa及在前述值之間的所有範圍和子範圍。
可藉由測量Tx 與Tg 之間的差異(即 ，Tx – Tg )來測定光學硼鋁酸鹽玻璃成分的熱穩定性。如上文之描述測量Tx – Tg 值。在一或多個實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃的Tx – Tg 可從大於或等於100 °C至小於或等於250 °C，如從大於或等於110 °C至小於或等於240 °C、從大於或等於120 °C至小於或等於230 °C、從大於或等於130 °C至小於或等於220 °C、從大於或等於140 °C至小於或等於210 °C、從大於或等於150 °C至小於或等於200 °C、從大於或等於160 °C至小於或等於190 °C，或從大於或等於170 °C至小於或等於180 °C，及在前述值之間的所有範圍和子範圍。在其他實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃的Tx – Tg 可從大於或等於130 °C至小於或等於170 °C，如從大於或等於140 °C至小於或等於165 °C。
在一或多個實施例中，硼鋁酸鹽玻璃成分的軟化點可從大於或等於700.0 °C至小於或等於810.0 °C，如從大於或等於710.0 °C至小於或等於790.0 °C、從大於或等於720.0 °C至小於或等於780.0 °C、從大於或等於730.0 °C至小於或等於770.0 °C、從大於或等於740.0 °C至小於或等於760.0 °C，或從大於或等於745.0 °C至小於或等於755.0 °C及在前述值之間的所有範圍和子範圍。使用ASTM C1351M-96(2012)之平行板黏度法(parallel plate viscosity method)來測定軟化點。
在實施例中，光學硼鋁酸鹽玻璃的退火溫度可為從大於或等於550 °C至小於或等於680 °C，如從大於或等於560 °C至小於或等於670 °C、從大於或等於570 °C至小於或等於660 °C、從大於或等於580 °C至小於或等於650 °C、從大於或等於590 °C至小於或等於640 °C、從大於或等於600 °C至小於或等於630 °C，或從大於或等於610 °C至小於或等於620 °C及在前述值之間的所有範圍和子範圍。使用ASTM C598-93(2013)之束彎曲黏度法(beam bending viscosity method)來測定退火溫度。應理解，本文所用之「退火溫度(annealing temperature)」和「退火點(annealing point)」同義。
在實施例中，硼鋁酸鹽玻璃成分的熱膨脹係數可為：從大於或等於5.50 ppm/°C至小於或等於13.50 ppm/°C，如從大於或等於5.75 ppm/°C至小於或等於13.25 ppm/°C、從大於或等於6.00 ppm/°C至小於或等於13.00 ppm/°C、從大於或等於6.25 ppm/°C至小於或等於12.75 ppm/°C、從大於或等於6.50 ppm/°C至小於或等於12.50 ppm/°C、從大於或等於6.75 ppm/°C至小於或等於12.25 ppm/°C、從大於或等於7.00 ppm/°C至小於或等於12.00 ppm/°C、從大於或等於7.25 ppm/°C至小於或等於11.75 ppm/°C、從大於或等於7.50 ppm/°C至小於或等於11.50 ppm/°C、從大於或等於7.75 ppm/°C至小於或等於11.25 ppm/°C、從大於或等於8.00 ppm/°C至小於或等於11.00 ppm/°C、從大於或等於8.25 ppm/°C至小於或等於10.75 ppm/°C、從大於或等於8.50 ppm/°C至小於或等於10.50 ppm/°C、從大於或等於8.75 ppm/°C至小於或等於10.25 ppm/°C，或從大於或等於9.00 ppm/°C至小於或等於10.00 ppm/°C及在前述值之間的所有範圍和子範圍。根據ASTM E228-11，使用推桿式膨脹計(dilatometer)來測定熱膨脹係數(CTE)。
如上所述，根據本文揭示及描述之實施例的光學硼鋁酸鹽玻璃可用於增強真實裝置、虛擬真實裝置、光纖或光學透鏡。
根據第一項，一種光學硼鋁酸鹽玻璃製品包含：從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於30.0莫耳%的Al2 O3 ；從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於55.0莫耳%的CaO；從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於25.0莫耳%的B2 O3 ；從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於30.0莫耳%的SiO2 ；從大於或等於1.0莫耳%至小於或等於20.0莫耳%的折射率升高組分，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有在589.3 nm下測得之大於或等於1.62的折射率，且光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有小於或等於4.00 g/cm3 的密度。
第二項包括根據第一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品包含：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於8.0莫耳%的La2 O3 。
第三項包括根據第一和二項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品包含：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於20.0莫耳%的Nb2 O5 。
第四項包括根據第一至三項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品包含：從大於或等於6.0莫耳%至小於或等於16.0莫耳%的Nb2 O5 。
第五項包括根據第一至四項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品包含：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於25.0莫耳%的BaO；從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於1.0莫耳% SrO；從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於1.0莫耳% SnO2 ；及從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於1.0莫耳%的Sb2 O3 。
第六項包括根據第一至五項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品包含：從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於10.0莫耳%的鹼金屬氧化物；從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於5.0莫耳%的MgO和SrO；及從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於1.0莫耳%的澄清劑。
第七項包括根據第一至六項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中，以莫耳%計，CaO+BaO+SrO/Al2 O3 的比例為從大於或等於1.10至小於或等於2.40。
第八項包括根據第一至七項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中，以莫耳%計，B2 O3 /(CaO+BaO+SrO+Al2 O3 )的比例為大於或等於0.15。
第九項包括根據第一至八項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中，以莫耳%計，B2 O3 /(CaO+BaO+SrO+Al2 O3 )的比例為大於或等於0.20至小於或等於0.50。
第十項包括根據第一至九項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有在589.3 nm下測得之大於或等於1.69的折射率。
第十一項包括根據第一至十項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有在589.3 nm下測得之從大於或等於1.69至小於或等於1.80的折射率。
第十二項包括根據第一至十一項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有從大於或等於2.25 g/cm3 至小於或等於4.00 g/cm3 的密度。
第十三項包括根據第一至十二項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有從大於或等於2.25 g/cm3 至小於或等於3.00 g/cm3 的密度。
第十四項包括根據第一至十三項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有光學硼鋁酸鹽玻璃之液相線溫度可為從大於或等於1000 °C至小於或等於1350 °C。
第十五項包括根據第一至十四項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有小於或等於0.040 mg/mm2 的AO損耗(AO losses)。
第十六項包括根據第一至十五項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有小於或等於0.005 mg/mm2 的AO損耗。
第十七項包括根據第一至十六項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有小於或等於0.015 mg/mm2 的奈米帶2X測試損耗(Nano Strip 2X test losses)。
第十八項包括根據第一至十七項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有從大於或等於550 °C至小於或等於680 °C之玻璃退火溫度。
第十九項包括根據第一至十八項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有從大於或等於80 °C至小於或等於250 °C的Tx – Tg 值。
第二十項包括根據第一至十九項中任一項之光學硼鋁酸鹽玻璃，其中光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有從大於或等於130 °C至小於或等於170 °C的Tx – Tg 值。實例
將藉由以下實例來進一步闡明實施例。應理解，這些實例不限於上述實施例。
藉由常規玻璃形成方法製備具有下表2中列出的組分之玻璃成分。在表2中，所有組分均以莫耳%計。
代表性玻璃成分和性質分別總結在表2和表3中。表2列出玻璃成分之公開實例。玻璃由來源批料(如，1000g的100%理論產率的玻璃熔體；由於如機械損失之故，通常產率為約900g或90重量%)或初始材料製成，所述初始材料包括，例如，B2O3(Chemical Distributors Inc.,98.69%)、Al2O3(Almatis,99.78%)、SiO2(MinTec,99.999%)、Li2CO3(ChemPoint(FMC))、Na2CO3(Fisher Scientific,99.99%)、CaCO3(Fisher Scientific,99.9%)、BaCO3(AMREX Chemical)、ZnO(Zochem Inc.Distributor：Meyers Chemical Inc.)、ZrO2(MEL Chemicals PRC)、TiO2(Harry W Gaffney,99.68%)、La2O3(MolyCorp)、Nb2O5(Alfa Aesar)、SnO2(Endeka Ceramics)及Sb2O3(Alfa Aesar)，以上材料在具有鋁蓋之Pt坩堝中，於1350℃至1500℃下，在空氣中熔融。
Figure 108101481-A0305-02-0038-1
Figure 108101481-A0305-02-0039-1
根據表2形成之玻璃的各種性質在下表3中提供。如本文所述進行AO損耗和奈米帶2X測試。表3中之Vd 為阿貝數，並使用以下等式計算：
Figure 02_image001
在以上等式中，nD 、nF 和nC 為分別在589.3 nm、486.1 nm和565.3 nm下測量之折射率。表3中列出的其餘性能通過常規方法測量。藉由習用方法測量表3中列出的其餘性質。
表3
Figure 108101481-A0304-0003
表3 (續)
Figure 108101481-A0304-0004
Tx 與Tg 之間的差異隨著將B2 O3 引入硼鋁酸鹽玻璃而增加。B2 O3 的添加亦降低硼鋁酸鹽玻璃的液相線溫度。就樣品4至8而言，(CaO+BaO+SrO)/Al2 O3 的比例約為1.93，且B2 O3 含量從14.7莫耳%增加至23.6莫耳%，且液相線溫度從＞1310 °C降低至1155 °C。SiO2 的添加降低硼鋁酸鹽玻璃的液相線溫度。就實例6、7及8而言，其中SiO2 含量從3.7莫耳%增加至9.6莫耳%，而液相線溫度從1240 °C降低至1160 °C。
Nb2 O5 對提升RI有很大的影響。如實例10至12所示，當Nb2 O5 含量從4.9莫耳%增加至15.2莫耳%時，589.3 nm下之RI從1.6622提升至1.7616。然而， SiO2 的添加對RI之下降的影響很小。在實例6至8和15至17中，隨著SiO2 含量從3.7莫耳%增加至9.6莫耳%和從12.0莫耳%增加至14.9莫耳%，RI下降至0.0093和0.022。
除非另有說明，否則本說明書中描述的所有組成成分、關係和比例均以莫耳%提供。此說明書中揭示的所有範圍包括廣泛揭示之範圍所涵蓋的任何和所有範圍和子範圍，無論是否在範圍揭示之前或之後明確指明。
對於本領域技術人員顯而易見的是，在不脫離所要求保護的主題之精神和範圍的情況下，可對本文描述的實施例進行各種修飾和變化。因此，本說明書旨在覆蓋本文描述的各種實施例的修飾和變化，只要這些修飾和變化落入隨附請求項及其均等物的範圍內。
無
第1圖以圖像化方式描繪了根據本文揭示和描述的實施例之B2 O3 對玻璃轉變溫度和對再加熱之熱穩定性的影響。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

Claims (10)

  1. 一種光學硼鋁酸鹽玻璃製品，包含：從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於30.0莫耳%的Al2O3；從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於55.0莫耳%的CaO；從大於或等於10.0莫耳%至小於或等於25.0莫耳%的B2O3；從大於或等於0.0莫耳%至小於或等於30.0莫耳%的SiO2；及以下一者：(a)大於或等於3.0莫耳%的La2O3，或(b)大於或等於4.0莫耳%的Nb2O5，其中該光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有在589.3nm下測得之大於或等於1.62的折射率，且該光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有小於或等於4.00g/cm3的密度。
  2. 如請求項1所述之光學硼鋁酸鹽玻璃製品，其中該光學硼鋁酸鹽玻璃製品包含：從大於或等於3.0莫耳%至小於或等於8.0莫耳%的La2O3。
  3. 如請求項1所述之光學硼鋁酸鹽玻璃製品，其中該光學硼鋁酸鹽玻璃製品包含：從大於或等於4.0莫耳%至小於或等於20.0莫耳%的Nb2O5。
  4. 如請求項1所述之光學硼鋁酸鹽玻璃製品，其中以莫耳%計，CaO+BaO+SrO/Al2O3的比例係從大於或等於1.10至小於或等於2.40，且以莫耳%計，B2O3/(CaO+BaO+SrO+Al2O3)的比例係大於或等於0.15。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之光學硼鋁酸鹽玻璃製品，其中該光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有在589.3nm下測得之大於或等於1.69的折射率。
  6. 如請求項1至4中任一項所述之光學硼鋁酸鹽玻璃製品，其中該光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有從大於或等於2.25g/cm3至小於或等於4.00g/cm3的密度。
  7. 如請求項1至4中任一項所述之光學硼鋁酸鹽玻璃製品，其中該光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有從大於或等於1000℃至小於或等於1350℃的液相線溫度。
  8. 如請求項1至4中任一項所述之光學硼鋁酸鹽玻璃製品，其中該光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有小於或等於0.040mg/mm2的AO損耗(AO losses)。
  9. 如請求項1至4中任一項所述之光學硼鋁酸鹽玻璃製品，其中該光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有小於或等於0.015mg/mm2的奈米帶2X測試損耗(Nano Strip 2X test losses)。
  10. 如請求項1至4中任一項所述之光學硼鋁酸鹽玻璃製品，其中該光學硼鋁酸鹽玻璃製品具有從大於或等於80℃至小於或等於250℃的Tx-Tg值。
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