[发明专利]具有减小的应力-光学系数的玻璃

说明书

优先权要求

本申请特此要求2006年7月26日提交的美国临时专利申请序列号60/833,365、2006年11月28日提交的美国临时专利申请序列号60/861,315、和2007年4月3日提交的美国临时专利申请序列号60/921,670的优先权，将其中的每一专利申请特此引入本文作为参考。

技术领域

本发明涉及可用在光学系统中的玻璃。本发明还提供光学系统和制备可用于其中的玻璃的方法。

背景技术

玻璃是均匀的无定形固体材料，通常在粘性熔融材料冷却至低于其玻璃化转变温度的温度而没有足够的时间形成规则的晶格时产生。当玻璃适当退火时，其是光学各向同性的。

然而，许多光学各向同性的玻璃在施加各向异性应力时呈现光学各向异性。当穿过材料的光线经历两种不同的折射率并因此分解成寻常光(垂直于各向异性方向的偏振光)和非寻常光(平行于各向同性方向的偏振光)时产生的光学各向异性称作双折射。这种使用各向异性应力在不然就是光学各向同性的材料上诱导双折射称作光弹性。

许多光学晶体显示出双折射或双重折射的性质。然而，光弹性材料在施加各向异性应力时显示出额外的双折射。因此，在光学各向同性材料中，光弹性是在通过施加各向异性应力诱导双折射时观察到的光学性质。在光弹性材料中，材料中各点处折射率的大小与该点处的应力状态直接相关。

工程师和建筑师使用光弹性作为实验方法以测定材料中的应力分布。与应力测定的分析方法不同，光弹性甚至在材料中突然的不连续点周围也给出相当精确的应力分布图。该方法用作测定材料中的临界应力点的重要工具并通常用于测定不规则几何结构中的应力集中系数。工程师和建筑师从光学各向同性材料如聚碳酸酯构建模型。为评价该模型上的应力，施加各向异性应力，并且在该结构中受应力的点处观察到双折射。

受应力的材料中的双折射程度和因此的光弹性效应依赖于所施加的应力负载。因此，根据应力和光程差之间的关系，样品中的高应力区域可通过观察高程度的双折射鉴别。

然而，在需要光学透明度的系统(例如透镜系统、可视显示器、投光器、或光导纤维)中，光弹性是不希望的性质。为实现均匀的光学特性，即光学各向同性，必须避免双折射。

典型地，向这种玻璃施加各向异性应力将破坏光学对称性。当受到各向异性应力时具有可忽略的双折射或没有双折射的玻璃可用在光学系统中，其中该玻璃遭受各向异性应激原(例如机械应力、热应力、或其组合)。这些光学玻璃可引入玻璃添加剂，例如其浓度足以提供在受到各向异性应力时具有减小的或为零的光弹性的玻璃的氧化铅(II)。

硅酸铅玻璃特别具有工业重要性，因为它们具有利用诸如高的亮度因子、大的加工范围和高的电阻率的性质的光学和电学用途。然而，铅含量也导致化学耐久性的损失。结果，这些玻璃容易被环境因素如湿气沾污或降解。而且，这些传统的铅-二氧化硅玻璃非常昂贵。

还认识到氧化铅(II)玻璃添加剂是有毒的。铅本身在环境中不分解。虽然暴露在环境作用如阳光、降水下，且无机物可改变铅化合物，但铅本身不分解或反应为生物无害的化合物。当铅释放到空气中时，其可传播长的距离才沉降到地面上。一旦铅落到土壤上，其通常粘附到土壤颗粒上。因此，人类暴露在铅之下可由呼吸被铅污染的空气或灰尘、食用受污染的食品、或饮用受污染的水而发生。

发明内容

本发明提供包含至少一种玻璃形成体(former)和至少一种选自SnO、Sb₂O₃、AS₂O₃和HgO的玻璃改性剂的无铅玻璃，其中所述玻璃包含足以赋予所述玻璃在施加到所述玻璃上的各向异性应力的存在下在可见波长下基本上光学各向同性的响应的浓度的玻璃改性剂。

本发明的另一方面提供制备玻璃的方法，其包括提供玻璃形成体和提供选自SnO、Sb₂O₃、As₂O₃、HgO和其任意组合的玻璃改性剂的步骤，其中所述玻璃包含足以赋予所述玻璃在施加到所述玻璃上的各向异性应力的存在下在可见波长下基本上光学各向同性的响应的浓度的玻璃改性剂。