新闻动态 News
联系我们 Contact
你的位置:首页 > 新闻动态 > 行业新闻

光学行业工作离不开它们,一览新型光学材料

2018-3-6 16:04:52 点击:

  多年以来,我国光学材料的研究开发水平与国外发达国家相比还有一定的差距,特别是与日本和德国等国际知名光学材料生产厂家相比,无论从光学玻璃品种还是生产工艺及设备都存在着明显的差距。新型光学材料是指光电数码及信息产品所应用的技术含量高、制作难度大、光学性能优越的光学材料。

目前我国光学材料行业仍以生产传统的光学玻璃为主,一些新型材料需从国外进口,不能完全满足我国高科技发展的需要。在光学材料方面,我国急待需要进行技术研究和技术创新工作,即开发新型的光学材料,研究先进的制造工艺以及测试技术,尽快形成我国的产业化规模生产。

新型光学材料对促进我国光学材料行业优化升级,提高工艺技术和产品质量,改善环境质量,赶超世界先进水平起到了积极地带动作用,对中国光学材料行业的发展具有重要的意义。

光学材料的现状

在过去,光电信息技术取得了很大的成就。为了适应这一迅速发展的要求,必须在较宽的前沿领域寻求新的突破,如传输、开关、数据存储和显示技术等。

由于现代光学工业同电子工业、信息技术、通信技术的紧密结合,光电子技术、光子技术、电子工业技术在光学制造上的应用,突破了在光学元件和光学加工行业中的传统观念。

由于现代光学、光电子学等的迅猛发展,光学材料也取得了快速的发展。目前,光学材料的种类多达几十种:无色光学玻璃和有色光学玻璃,红外光学材料,光学晶体,光学石英玻璃,人造光学石英晶体,微晶玻璃,光学塑料,光学纤维,航空有机玻璃,乳白漫射玻璃以及有关液体材料等。其中光学玻璃在成像元件中使用得最多。塑料透镜的质量在很多地方可以达到玻璃透镜的质量要求,特别是在眼镜行业,大有取而代之的趋势,但是由于它受到折射率低、散射高、不均匀性以及其它方面的使用限制,所以使它的使用范围不如光学玻璃广泛。

为了降低成本、增强竞争力,全球的光电相关产业纷纷向中国大陆进行转移。从20世纪90年代开始,日本、台湾等十几个光学加工厂纷纷到中国大陆办厂。中国东南沿海地区已逐渐形成了实力雄厚的世界光电产品生产基地,也由此促进了国内光学玻璃行业的发展。

目前我国光学材料的开发水平与发达国家相比还存在着一定的差距,特别是与日本和德国等国际知名光学材料生产厂家相比,无论是从光学玻璃品种还是生产工艺及设备等方面都存在着明显的差距。目前我国光学材料行业仍以生产传统的光学玻璃为主,一些新型材料需从国外进口,不能完全满足我国高科技发展的需要,急需要进行技术研究和技术创新工作。开发新型的光学材料,研究先进的制造工艺和测试技术,只要这样才能尽快形成我国产业化规模生产。

镧系光学玻璃

光学材料中的稀土光学玻璃,也称为镧系光学玻璃,在其组分中含有较多的稀土氧化镧(La2O3),具有高折射率低色散的特性。其特点是能有效地扩大镜头的视场,改善仪器的成像质量,使镜头小型化、轻量化,是目前在数码摄相机、数码照相机、扫描仪、LCD投影仪、数码复印机、CD2ROM和DVD2ROM读取镜头中广泛应用的高端光学电子信息材料,近期又被用于可拍照手机的光学系统,其发展前景相当可观。它随着光电信息产业的迅猛发展,已逐渐成为光学材料的主导产品。

我国镧系光学玻璃的生产到20世纪末一直处于工艺技术落后、设备陈旧、产量小、品种少、质量低、成本高的状况;该玻璃在高温熔制过程中粘度小、易析晶、成型困难,光学常数波动大,色散差,气泡与条纹不易消除,并对熔制用的陶瓷坩埚腐蚀严重。因此使用传统生产设备和工艺无法解决产量低、质量差、成本高等问题。高端光学产品所需的光学玻璃和光学原器件基本上需从国外进口。为了加快发展我国的光电信息产业和稀土工业,成都光明光电信息材料有限公司将镧系光学玻璃的产业化工程作为重点攻关项目投入了很大的资金和研发力量,解决了高质量镧系光学玻璃的产业化生产难题,并能够生产过去许多难以制造的高难度镧玻璃品种及环保系列镧玻璃。

环保系列光学玻璃

随着人类对生存环境保护意识的日趋加强,发达国家陆续颁布实施了环保法。如果禁止在玻璃中使用对人体有害的氧化铅和氧化砷,则要求在光学仪器及光电产品中必须使用环保化光学玻璃。为达到这一规定,世界上生产光学玻璃的主要厂家,已经开发出了多种系列的环保光学玻璃。所以光学玻璃环保化已是世界光学材料行业发展的必然趋势。

从化学稳定性、高折射率高色散和价格等方面考虑,在普通光学玻璃中需加入PbO;从改善气氛条件、澄清除泡等方面考虑,在普通光学玻璃中需加入As2O3。大部分光学玻璃都含有这两种成分。由于光学玻璃的折射率和色散在组成中是由各氧化物的比例决定的,为取代PbO和As2O3,必须用具有性质相似的氧化物替代。PbO可以由TiO2和Nb2O5取代,As2O3可以由Sb2O3取代。对于铅含量较高的火石(F)和重火石(ZF)类玻璃来说,需要用较多的氧化钛(TiO2)替代。而氧化钛属于变价态氧化物,加入过多将使生产技术的难度大大增加,所出现的问题是在短波范围内透过率下降,玻璃的耐失透性、透明性和除泡性变差。特别是铂熔制坩埚易对玻璃产生污染,使玻璃着色,在产品出口时着色度达不到要求。为了解决这些问题,从优化玻璃的组成、采用高纯度原料、改进熔化工艺等方面着手,已取得了比较好的效果。今后在用TiO2和Nb2O5取代PbO后,可能会对某些具有特殊色散性能的产品带来影响。

磷酸盐光学玻璃

磷酸盐和氟磷酸盐光学玻璃都属于低色散光学玻璃,具有特殊的相对部分色散。短波方向的相对部分色散比一般冕牌玻璃大,可用它来消除二级光谱的特殊色散。磷酸盐光学玻璃一般具有较低的软化温度,可用于精密模压成型,其良好的性能还表现在具有较高的荧光强度、荧光峰值位于短波长的一侧和负的折射率及温度系数(dn/dt)等。它在掺入有色离子后具有良好的光谱性能,可用于生产大功率的激光玻璃。它与普通的光学玻璃有很大的区别:光学均匀性2折射率误差可达到±2×10-6;在波长为1054nm处其损耗低于010015/cm;玻璃中的OH根和Pt含量极低。为满足其高均匀性,在后期必须进行严格的精密退火。

由于磷酸盐和氟磷酸盐光学玻璃在物化性能和制造工艺上难度较大,所以目前只有日本的HOY2A、德国的肖特等厂家能够批量生产。近年来,日本、韩国对氟磷酸盐光学玻璃的询价大幅增加,表明国内外厂家对氟磷酸盐光学玻璃的需求呈上升趋势。成都光明公司现已完成了前期的研究工作,解决了在生产上容易挥发、脱水等问题,并已开始了小批量的生产。

低软化点玻璃的精密压型

低熔点光学玻璃主要应用于非球面精密压型。在光学系统中使用非球面元件可以明显地改善像质,消除球面光学元件很难去除的球差,减少光学系统中的光学零件数目(通常可以减少2个或更多的球面透镜),从而简化了系统结构,缩小了系统的体积,减轻了系统的重量。正是由于非球面元件具有诸多优点,所以它在现代光电子产品、光通讯产品和图像处理产品,如数码相机、传真机、读取头、可拍照手机等方面的应用越来越广泛。用传统的加工方法制造非球面元件主要靠高级光学加工技术人员采用手工修磨,其结果是精度稳定性差,加工效率低,难以满足生产要求。随着科技的发展,目前在加工非球面元件方面已有了较大地进步,一般大尺寸非球面元件的制造采用的是计算机控制光学表面成型技术(CCOS),小元件生产使用是直接精密模压成型的方式,尤其是直径小于15mm的非球面透镜。

直接模压成型光学玻璃对压型用的模具有较高的要求。一般传统的光学玻璃的软化温度大多在500——700℃(近年来开发的环保玻璃的软化温度有增无减,大多在600——700℃),进行模压的温度通常超过玻璃的软化温度50——60℃,也就是说在650℃以上才能进行模压。压型用的精密模具易损伤,使用寿命很低,在生产环节中压型模具所占的成本是最高的。模压光学玻璃的厂商在模具上的成本投入直接影响产品市场。为解决这个问题,国外公司研制生产了适宜于精密模压成型的低软化点温度的光学玻璃,使玻璃的软化温度降到了600℃以下,从而可延长模具的使用寿命,可达到降低成本的目的。

日本和美国在低熔点玻璃和非球面压型研究方面起步较早,技术水平较先进。近年来,韩国的LG和Samsung等公司也开始研究生产低熔点玻璃。美国的康宁公司是美国的主要生产厂商,日本的HOYA,OHARA和Sumita是日本的主要生产厂商。

从日本和美国的光学玻璃生产厂商来看,在研制、生产方面方兴未艾,市场需求也越来越大。随着数码相机的普及以及可拍照彩屏手机的兴起,尤其是130万以上像数的可拍照手机逐步成为未来的主流,可以预测,用于非球面透镜的低熔点光学玻璃的市场需求将会得到迅速的增长。在中国大陆和台湾几个厂家中,几年前就已开始开发非球面模压成型,中国大陆的非球面加工也开始起步。在2002年3月,第一个非球面光学元件产业化基地在中国昆明建成,现已开始产业化生产。但低熔点光学玻璃的研发生产尚处于起步阶段,成都光明公司作为中国最大最先进的光学材料生产厂家,其低熔点玻璃的开发已取得初步成功,现已有数个牌号正处于中试阶段。

硬磁盘玻璃基片

目前用于制造磁盘基片的材料有塑料、金属、金属合金、碳、陶瓷、玻璃、微晶玻璃、玻璃陶瓷等,但主要使用的是塑料、金属合金、微晶玻璃、玻璃、玻璃陶瓷。光盘所用的基片主要是塑料,而硬盘基片主要是铝合金和玻璃。

玻璃基板是在人们放弃微晶玻璃后首选的用来代替NiP/AL基板的材料。由于玻璃的刚度大,适合制造薄盘,所以还可以省掉NiP层。加之玻璃在宏观上是均匀的,抛光时无塑性变形,能得到非常光滑的表面,可保证磁头在较低的飞行高度上,可提高盘片的储存密度。但由于玻璃是一种脆性材料,玻璃表面的微裂纹在高速旋转中可能会扩展而引起玻璃开裂。通过离子交换来钢化玻璃基盘,使玻璃表面形成一应力层,可钝化裂纹尖端,阻止裂纹扩展,提高强度,可成为理想的用来取代NiP/AL基板的材料。强化后的玻璃在进一步薄片化时,增强层会受到影响。由于玻璃中含有碱金属,所以成膜性能差,在应力作用下碱离子发生迁移,使得力学性能和表面性能恶化。

化学钢化玻璃基盘

采用离子交换增强法可以改变玻璃基板表面的结构特性,使其产生压缩应力,使玻璃强度增加。

离子交换法主要是以一种半径较大的离子取代玻璃中相应半径较小的离子,可导致玻璃尤其是玻璃表面的结构发生变化。半径较大的离子挤进半径较小的离子位置,形成体积膨胀,使其产生压缩应力,此压缩应力有利于抑制使玻璃破裂的张力。一般离子交换所产生的压缩应力层的厚度约为75μm,可以使玻璃的强度增强,从而满足使用要求。用离子交换法强化的玻璃基板,它所形成的应力层,特别是双面强化的基板,在受力不均匀时容易破裂。

不含碱金属离子的玻璃基板

此基板材料由于不含碱金属离子,不进行离子交换,因此提高了玻璃本身的比弹性模量或使弹性模量成为开发的重点。例如在HOYA公司的CN97191572.5专利中认为,在引入大量的AL2O3,Y203,MgO和TiO2之后,稀土金属氧化物对提高玻璃的杨氏模量会起很大的作用。目前玻璃基板的生产一般采用两种方式:模压成型和板料成型。

其它研究方向

未来新型光学玻璃,包括未来光学和光电子等光电信息技术领域中可能应用到的光学玻璃、电子玻璃、半导体玻璃陶瓷、激光玻璃、I线高均匀玻璃、高透过低光学系数玻璃、DWDM薄膜滤光片、玻璃陶瓷衬基、超低膨胀玻璃陶瓷、玻璃光盘(用于磁头浮动测试)、PLC用玻璃陶瓷衬基和负热膨胀玻璃陶瓷等,这些产品在国外的一些大公司正在开发研究,部分产品已开始应用。

在进入21世纪后,随着光电子信息产品的迅猛发展和更新换代,光学及光电子行业的材料研究进入了一个全新的时代。光学材料已经向高精密、多功能的光电信息材料方向发展。我国在新型光学光电信息材料发展方面与国外相比还存在着较大的差距,其中液晶显示基板的高精密薄板玻璃、低熔点光学玻璃、非球面压型工艺、磷酸盐光学玻璃、高密度光磁盘玻璃在国内还处于空白;环保型光学玻璃、镧系光学玻璃的品种和质量及熔炼工艺技术还有待进一步提高,很多产品还有待进一步开发。