專利名稱：一種陶瓷透鏡和增加陶瓷透光率的方法
技術領域：
本發明涉及陶瓷材料技術領域，尤其涉增加陶瓷透光率的方法，以及利用該方法加工后具有較高透光率的陶瓷透鏡。
背景技術：
以往光學元件的材料常使用玻璃、塑料、鈮酸鋰(LiNbO3)等的單結晶。
玻璃或塑料因光穿透率高、元件形狀加工容易等優點常用于鏡片等光學零件，又LiNbO3的單結晶因其電化學特性而常用于光波導路等光學零件。目前，光學零件如相機鏡頭等需更進一步小型化或薄型化。以往的玻璃因其折射率不足1.9，用其制作的光學零件或光學元件，小型化或薄型化受到一定限制。塑料因吸濕性差、折射率低、有復折射，要有效使光纖穿過、集光比較困難。LiNbO3等單結晶雖然折射率高達2.3，但有復折射，用于鏡片等光學零件仍很困難。
透光性陶瓷材料，其透光率及折射率較高，具有發展為透鏡的高度潛力，因此受到廣泛觀注。2004年8月2日，卡西歐公司采用日本村田制作所開發的透光性陶瓷材料(LUMICERA)制成了世界上首款陶瓷數碼鏡頭。該透光性陶瓷材料具有與光學玻璃等同的透光率，且其折射率高達2.08，遠遠超過光學玻璃的折射率(1.5～1.85)，使透光性陶瓷材料在數碼技術領域的應用掀起高潮。
2004年5月11日公告的公告編號為587068的中國臺灣發明專利，揭示了一種透光性陶瓷及其制造方法。該透光性陶瓷折射率為1.9以上且為常介電體。常介電體是指即使施加電場，介電率不變，因此不產生復折射。該透光性陶瓷應用范圍很廣，可適用于鏡片等光學零件，且其折射率為1.9以上，因此，可以實現光學零件的小型化。該專利所揭示的透光陶瓷的制造方法，是通過對陶瓷原料成分進行改進來實現。與此類似，目前制造透光性陶瓷的技術大多集中于原材料的選用以及制造工藝的改進，以得到折射率及透光率都比較高的陶瓷材料。然而，陶瓷燒結過程中，不可避免會出現一些空位、差排或晶界等，使光線發生散射，影響光線的透射率。
有鑒于此，提供一種增加陶瓷材料透光率的方法，實屬必要。
發明內容以下，將以實施例說明一種陶瓷透鏡及增加陶瓷透光率的方法。
為實現上述內容，提供一種增加陶瓷透光率的方法，其包括以下步驟提供一陶瓷材料；將該陶瓷材料固定到一承具上；利用一準分子激光掃描該陶瓷材料，使其產生高溫退火。
所選的準分子激光的能量高于陶瓷材料的能隙。
上述準分子激光掃描時，對陶瓷材料每一位置的打擊為20～50次。
利用能量高于陶瓷材料能隙的準分子激光掃描陶瓷材料之前，預先使用能量低于陶瓷材料能隙的準分子激光光進行掃描。
上述退火處理在真空條件下進行，且退火溫度為400℃以上。
以及，提供一種陶瓷透鏡，其由傳統透光性陶瓷材料制成，利用準分子激光進行掃描后，該陶瓷材料的透光率為73.5％～99％。
本發明增加陶瓷透光率的方法，利用陶瓷材料對高能量準分子激光吸收的原理，選用一種能量高于陶瓷材料能隙的準分子激光，對陶瓷材料進行掃描，使其在高溫下退火處理，消除陶瓷燒結過程中產生的造成光散射的缺陷(空位、差排、晶界等)，使陶瓷材料更加致密化，可使其透光率增加5％～10％。
圖1是本實施例準分子激光掃描陶瓷材料的示意圖。
具體實施方式下面將結合附圖及實施例對上述陶瓷透鏡及增加陶瓷透光率的方法及作進一步詳細說明。
本實施例增加陶瓷透光率的方法包括以下步驟提供一陶瓷材料；將該陶瓷材料固定到一承具上；利用一準分子激光對該陶瓷材料進行掃描，使其產生高溫退火。
圖1為準分子激光掃描陶瓷材料的示意圖。本實施例中陶瓷材料為一四方形陶瓷平板11，其水平固定在一承具12上。一準分子激光裝置13固定在該陶瓷平板11的上方。
準分子激光一般分為三類一為惰性氣體準分子激光，其工作物質為Xe2、Ar2、Kr2等；一為金屬原子和鹵素原子結合形成的準分子，其工作物質為HgCl、HgBr、CuF等；第三類為惰性氣體原子和鹵素氣體原子結合形成的準分子，其工作物質為XeF、XeCl、KrF、KrCl、ArF、F2等，此類準分子激光研究較為廣泛，商品化者較多，本實施例采用該類準分子激光。
表一為本實施例中準分子激光的工作物質及其對應波長列表。一種波長的激光光只能被一定能隙范圍的材料所吸收，如波長248nm的KrF準分子激光，可使能隙5eV或5eV以下的陶瓷材料吸收激光的能量。波長短于248nm的準分子，如ArF、KrCl或F2任一種，可使能隙大于5eV的陶瓷材料吸收激光的能量。
表一本實施例準分子激光的工作物質及其對應波長列表
利用準分子激光掃描陶瓷材料來增加陶瓷透光率，其原理為首先，分析影響陶瓷材料透光性的因素。一束光照射到該陶瓷材料上時，一部分光被反射，一部分光被吸收(能量散失)，其余的光則穿透過去。光的吸收是影響物質透光性的重要因素。光的吸收分為兩大部分本質吸收和光散射。本質吸收是指由材料內的電子吸收了光的能量，而進入激態所致，主要由材料的種類及原子結構決定。
造成光散射的主要原因有三第一，燒結過程所遺留下來的孔隙、相的不規則分布、添加劑以及固溶成分的析出所造成的散射。第二，由缺陷集合體，如空位與差排所造成的散射，也可當作晶界散射。第三，由晶界的光學異向性與不連續晶粒接口的多次折射所造成的散射。因此，要增加陶瓷的透光率，只需消除光散射現象即可。
其次，準分子激光光波對陶瓷材料的作用。陶瓷材料中所存在的缺陷，往往分布于陶瓷材料的導電帶與價電帶之間，即位于能隙中。準分子激光的選擇由陶瓷材料的能隙而定，所選激光的能量最好高于陶瓷材料的能隙，以使陶瓷材料吸收激光的能量熔化，并在高溫下退火，產生粒徑較大的結晶晶粒，修補影響光散射的缺陷(如空位、差排、晶界等)，使陶瓷材料更致密化，提高其透光率。
此外，激光的能量低于陶瓷材料的能隙時，陶瓷材料不會被熔化、再結晶，但對陶瓷材料中一些較小缺陷也可起到一定修補作用，即只可消除部分缺陷。因此，對于提高陶瓷透光率，也有一定作用。
本實施例利用準分子激光掃描陶瓷平板11的具體過程為首先，根據陶瓷平板11面積大小將其分成若干區域，以便分區域掃描。本實施例中將陶瓷平板11分為七各區域，即區域1、區域2、區域3、區域4、區域5、區域6、區域7。
其次，調節準分子激光裝置13，使掃描光纖方向及掃描位置固定不變，本實施例中，陶瓷平板11的能隙小于5eV，所選準分子激光為波長248nm的KrF。激光的掃描方向垂直于陶瓷平板11，且光線自上而下。此外，對不同中陶瓷材料的掃描時，準分子激光的掃描方向可以根據需要具體設定，比如與陶瓷平板11成一夾角。
再次，打開準分子激光開關，并控制承具12的移動方向及速度。承具12按照從左向右的方向移動，依次對區域1至區域7進行掃描。區域1最先移動到準分子激光裝置13的掃描區域內，承具12停止移動并對該區域進行掃描，掃描結束后，準分子激光關閉；按照該順序，依次對區域2至區域7進行掃描。
當KrF激光掃描陶瓷平板11時，陶瓷平板11將會吸收該激光的能量而溫度升高，控制掃描時間使陶瓷平板11達到預定溫度而熔化，停止掃描，陶瓷平板11在高溫下自然退火，陶瓷材料再結晶便形成較大的結晶晶粒，該較大結晶晶粒的形成使晶界變少，并減少陶瓷材料中造成光散射的缺陷，如空缺及差排等。
此外，本實施例，可先選一能量低于陶瓷平板11能隙的準分子激光對其進行預處理，消除部分小缺陷；再選用能量高于該陶瓷平板11能隙的準分子激光進行上述處理。
陶瓷材料退火過程中，必須在真空條件下進行，避免陶瓷材料被氧化。如可將整個裝置放置于一抽真空的腔體中進行。
陶瓷材料退火過程中，結晶晶粒的大小與結晶溫度有關。退火過程中，陶瓷表面溫度由激光的能量密度決定，能量密度越高，陶瓷材料表面溫度越高，形成的結晶晶粒越大，則能更好修補缺陷。由于激光為固定頻率的脈沖波，掃描時，激光對陶瓷平面11每一處的打擊頻率固定不變，因此，通過控制掃描時間達到對激光能量密度的控制，進而達到對溫度的控制。因此，控制承具12的移動速度，使陶瓷平板11表面上每一位置被激光打擊的次數最好控制在20次至50次之間，且每一位置的打擊次數最好相同。如此，退火過程中產生的結晶晶粒體積較大，且比較均勻，可較好的消除光散射的缺陷，提高該陶瓷平板11的透光率。
陶瓷材料退火過程中，結晶晶粒的大小與結晶時間有關。為使陶瓷平板11上每一區域被激光打擊的時間加長，可將承載陶瓷平板11的承具12進行加熱，且溫度控制在400℃以上，延長結晶時間，退火后形成的結晶晶粒會較大，光散射的缺陷越少，陶瓷平板11的透光率將增加。
本實施例還提供一種陶瓷透鏡，其由傳統透光性陶瓷材料制成，該傳統透光性陶瓷材料的透光率為70％～90％，利用上述準分子激光技術對該陶瓷材料進行掃描后，可使陶瓷材料的透光率增加5％～10％，即透光率為73.5％～99％。不同的陶瓷材料經準分子激光掃描后，其透光率增加的程度不同，某些陶瓷材料的透光率可達99％。
本發明增加陶瓷透光率的方法，利用陶瓷材料對高能量準分子激光吸收的原理，選用一種能量高于陶瓷材料能隙的準分子激光，對陶瓷材料進行掃描，使其在高溫下退火處理，消除陶瓷燒結過程中產生的造成光散射的缺陷(空位、差排、晶界等)，使陶瓷材料更加致密化，可使其透光率增加5％～10％。
權利要求
1.一種增加陶瓷透光率的方法，其包括以下步驟提供一陶瓷材料；將該陶瓷材料固定到一承具上；利用一準分子激光掃描該陶瓷材料，使其產生高溫退火。
2.如權利要求1所述的增加陶瓷透光率的方法，其特征在于，該準分子激光所用工作介質包括XeF、XeCl、KrF、KrCl、ArF、F2。
3.如權利要求1所述的增加陶瓷透光率的方法，其特征在于，該準分子激光裝置選用能量比陶瓷材料能隙高的準分子激光進行掃描。
4.如權利要求3所述的增加陶瓷透光率的方法，其特征在于，利用能量比陶瓷材料能隙高的準分子激光掃描前，預先利用能量比陶瓷材料能隙低的準分子激光進行掃描。
5.如權利要求1所述的增加陶瓷透光率的方法，其特征在于，該承具可以移動。
6.如權利要求1所述的增加陶瓷透光率的方法，其特征在于，該準分子激光對陶瓷材料的掃描分區域依次進行掃描。
7.如權利要求1所述的增加陶瓷透光率的方法，其特征在于，該準分子激光光線垂直于陶瓷材料進行掃描。
8.如權利要求6所述的增加陶瓷透光率的方法，其特征在于，該準分子激光對陶瓷材料每一位置的打擊為20～50次。
9.如權利要求1所述的增加陶瓷透光率的方法，其特征在于，該退火溫度為400℃以上。
10.如權利要求1所述的增加陶瓷透光率的方法，其特征在于，該退火處理在真空條件下進行。
11.一種陶瓷透鏡，其由傳統透光性陶瓷材料制成，其特征在于，利用準分子激光掃描后，該陶瓷材料的透光率為73.5％～99％。
12.如權利要求11所述的陶瓷透鏡，其特征在于，該傳統透光性陶瓷材料的透光率為70％～90％。
全文摘要
本發明涉及一種陶瓷透鏡及增加陶瓷透光率的方法。上述增加陶瓷透光率的方法，包括以下步驟提供一陶瓷材料；將該陶瓷材料固定到一承具上；利用一準分子激光掃描該陶瓷材料，使其產生高溫退火。本發明還提供一種陶瓷透鏡，其由傳統透光性陶瓷材料制成，利用準分子激光掃描后，該陶瓷透光率為73.5％～99％。本發明增加陶瓷透光率的方法，利用陶瓷材料對高能量準分子激光吸收的原理，選用一種能量高于陶瓷材料能隙的準分子激光，對陶瓷材料進行掃描，使其在高溫下退火處理，消除陶瓷燒結過程中產生的造成光散射的缺陷(空位、差排、晶界等)，使陶瓷材料更加致密化，可使陶瓷材料的透光率增加5％～10％。
文檔編號C04B41/80GK1834695SQ200510033748
公開日2006年9月20日 申請日期2005年3月19日 優先權日2005年3月19日
發明者顏碩廷 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司, 鴻海精密工業股份有限公司