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Die
vorliegende Erfindung betrifft blei- und arsenfreie optische Lanthan-Flint-Gläser, gekennzeichnet durch
ihre optische Lage mit einem Brechwert von 1,73 ≤ nd ≤ 1,82 und
einem Abbewert von 43 ≤ νd ≤ 53, sowie
deren Verwendung.
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Die
Marktentwicklung im Bereich des so genannten „optischen Datentransfers" strebt zunehmend
in Richtung kleinerer Geräte,
welche dennoch leistungsfähig
sind und immer somit immer höhere
Datentransferraten erzielen können.
Dieser Trend ist auch zu beobachten in den Applikationsfeldern Abbildung,
Digitale Projektion, Photolithographie, Lasertechnologie, Wafer/Chip-Technologie,
sowie für
die Telekommunikation, Optische Nachrichtentechnik und Optik/Beleuchtung
im Sektor Automotive.
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Zudem
wird die traditionelle „Read-Only-Technologie" in sämtliche
Sektoren dieses Applikationsfeldes immer stärker durch „Read&Write-Technologien" verdrängt. Dadurch
verändern
sich die an die optischen Systeme und damit die an die optischen
Materialien gestellten Anforderungen.
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Während „Read-Only"-Technologien in
den beiden zeitlich/räumlich
voneinander streng separierten Betriebsarten (Schreiben bzw. Lesen)
eben aus dieser Separation heraus im monochromatischen Modus betrieben
werden können,
somit der Schreibprozess mit Licht der gleichen Wellenlänge durchgeführt werden kann
wie der im späteren
Betrieb ausschließlich
erfolgende Leseprozess, ist dies für die „Read&Write" Technologien nicht möglich. Hierbei
muss vielmehr die Wellenlänge
des „Schreibstrahls" von der des „Lesestrahls" um mindestens 2–5 nm hin
zu geringeren Werten abweichen. Ansonsten könnten im Gerät nicht
beide Modi mit einem optischen Kopf betrieben werden. Sofern aber
ein Schreibkopf und ein Lesekopf notwendig wären, also zwei verschiedene
Köpfe in
einem Gerät
zu vereinen wären,
würden
sowohl der damit verbundene technische Aufwand als auch folglich
die Größe und schließlich die
Kosten solcher Geräte
inakzeptabel werden.
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Die
Wellenlängendifferenzierung
resultiert aus der Notwendigkeit, Lese- und Schreibstrahl im optischen
System voneinander separieren zu können, um gravierende Abbildungsfehler
durch Interferenz- und Restlichteffekte auszuschließen. Je
geringerer die Differenz der beiden Wellenlängen unter Einhalten der notwendigen
vollständigen
Separation gehalten werden kann, desto einfacher ist ein solches
optisches System zu realisieren. Der Begriff „einfach" bezieht sich in diesem Fall auf den
Umfang der notwendigen optischen Komponenten und damit sowohl auf
die minimale Baugröße des Moduls
als auch auf den Kostenrahmen.
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Die
minimale zur vollständigen
Trennung erforderliche Wellenlängendifferenz
ist jedoch abhängig
von der Dispersion der Glaskomponenten im optischen System. Je höher die
Dispersion (und damit je geringer die Abbé-Zahl), desto weiter werden
die beiden jeweils monochromatischen Strahlen aufgefächert, bzw.
verbreitert, bis sie sich schließlich überlagern, was der angestrebten
Trennung widerspricht. Im Umkehrschluss bedeutet dies für Gläser mit
diesem Applikationsziel: Mit abnehmender Dispersion können nur
geringere Wellenlängendifferenzen
erfolgreich umgesetzt werden, was dem angestrebten Ziel eines günstigeren
Produktes entspricht.
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Neben
diesem Vorteil ergibt sich aus geringer Dispersion noch ein weiterer:
Es ist möglich,
bei prinzipiell gleich bleibender Wellenlängendifferenz absolut gese hen
mit deutlich kleineren Wellenlängen
zu arbeiten. Im Allgemeinen wirkt sich die Dispersion auf Strahlen
fallender Wellenlängen
stärker
aus.
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Bei
herkömmlichen
Gläsern
mit höherer
Dispersion ergibt sich hieraus neben dem Nachteil der größeren minimalen
Wellenlängendifferenz
auch noch eine unerwünscht
erhöhte
Absolutwellenlänge
im Vergleich mit niedrigdispersiven Glastypen. Ein niedriger Absolutwellenlängen-Arbeitsbereich
wird wiederum aus Applikationssicht der Gesamt-Systeme heraus favorisiert:
je geringer die Arbeitswellenlängen
sind, desto höher
gestalten sich die erreichbaren Informations-Packungsdichten (bezogen
auf Flächeneinheiten
des Datenträgermaterials).
So wird, neben der maximierten Informationsdichte, auch die Zugriffszeit
durch kürzere
Wege optimiert, nämlich
verkürzt.
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Auch
die Brechwertlage hat entscheidenden Einfluss auf die Praktikabilität eines
solchen Gesamtsystems: Die eigentlichen „Pick-Up Linsen" bestimmen durch
ihren Brechwert sowohl den Absolutwellenlängen-Arbeitsbereich der Schreib-Lese-Strahlen als
auch die Brennweite des Systems. Was die Brennweite betrifft, so
ist der Zusammenhang wie folgt: Je geringer die Brennweite eines
solchen Systems ist, desto geringer sind dessen geometrischen Ausmaße, was
sich direkt in der Bauteilgröße und damit
massiv in Gewicht und Kosten niederschlägt. Ein hoher Brechwert im
entscheidenden Wellenlängenbereich
ist somit wünschenswert.
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Dies
gilt im Übrigen
vergleichbar für
optische Bauteile aller vorstehend erwähnten Applikationsbereiche.
Ein weiterer Vorteil eines hohen Brechwerts liegt in der Möglichkeit, „Pick-Up-Linsen" asphärisch zu
beschichten: Je geringer der Brechwert des Glases, desto größer muss
die Schichtdicke sein, um einen gewünschten Effekt zu erzielen.
Die erforderliche Schichtdicke geht wiederum direkt in Parameter,
wie die zur Beschichtung notwendige Prozessschrittzahl und damit
in Aufwand und Kosten ein.
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Es
ist bekannt, dass hohe Transmissionen im Arbeitswellenlängenbereich
aller optischen Systeme von größter Bedeutung
sind. Je geringer die Transmissivität der Gläser bei den Arbeitswellenlängen ist,
desto schlechter ist die Lichtausbeute des Systems. Die Lichtintensität geht jedoch
direkt in die Schreib-Lese-Qualität der Systeme
ein. Je schlechter die Lichtausbeute, desto höher muss die Leistung der Lichtquelle
sein, womit wiederum zusätzliche
Kühlaggregate
erforderlich werden, was folglich Kosten und Aufwand in inakzeptable Bereiche
treibt.
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Neben
den optischen Werten sind für
Gläser
zum Einsatz in den oben beschriebenen Anwendungen auch physikalische
und chemische Parameter spezifiziert. Diese sind eine geringe spezifische
Dichte und eine gute Beschichtbarkeit, wobei diese beiden Bedingungen
dazu führen,
dass die Zusammensetzung der Gläser auf
bestimmte Komponenten beschränkt
ist.
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Die
spezifische Dichte der optischen Materialien dieser Systeme ist
von großer
Bedeutung. Die „Pick-Up
Linsen" als Bestandteile
der Schreib-Lese-Köpfe
sind bewegliche Elemente des Systems. Die Köpfe bewegen sich zum eigentlichen
Datentransfer über
den Datenträger.
Die Zugriffszeiten und Spurdichten sind damit von der Möglichkeit
zur schnellen und exakten Positionierung der Köpfe abhängig. Je höher nun die spezifische Dichte
der Glasbauteile, desto größer ist
die Masse der mobilen Einheit, die folglich träger und damit langsamer zu
positionieren ist. Aus diesem Grund sollte die spezifische Dichte
der erfindungsgemäßen Gläser klein
sein.
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Die
Reduzierung der mobilen Masse der erfindungsgemäßen Gläser spielt für weite
Applikationsbereiche eine große
Rolle. Die „Handlichkeit" von Linsensystemen
für z.
B. die Photographie, die Projektion und zukünftig auch für die Glasfaser-
und Glasbauteiltechnologie (z. B. beim Einsatz im Bereich mobiler optischer Rechner,
wie z. B. optischer Lap Tops), ist als ein wesentliches Kriterium
einzustufen.
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Die
asphärische
Beschichtung der Pick-Up-Linsen ist wie die üblichsten Beschichtungen optischer
Linsen und Prismen organisch chemischer Natur. Um eine ausreichend
gute Haftung der optischen Schicht am Basisglas zu erhalten, sollte
das Glasmaterial Komponenten umfassen, die eine starke Bindung und/oder
Adhäsion
an organische Materialien ermöglichen.
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Was
den Aspekt der Verfahrenstechnik bezüglich Schmelze/Heißformgebung
betrifft, so besteht hier verstärkt
ein Bedarf an so genannten „kurzen" Gläsern, womit
solche Gläser
gemeint sind, deren Viskosität stark
mit der Temperatur variiert. Dieses Verhalten hat während des
Prozesses den Vorteil, dass die Zeiten zur Heißformgebung, also die „Formschlusszeiten" verkürzt werden
können.
Folglich wird zum einen der Durchsatz erhöht und gleichzeitig das Formenmaterial
geschont, was sich extrem positiv auf die Gesamtproduktionskosten
niederschlägt.
Auch können
Gläser
mit stärkerer
Kristallisationsneigung verarbeitet werden, da bedingt durch den
höheren
Durchsatz eine schnellere Auskühlung
ermöglicht
wird. So werden Probleme, die bei „längeren" Gläsern
auftreten, wie Vorkeimung mit nachfolgenden Schwierigkeiten bei
der Sekundärheißformgebung,
vermieden.
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Nach
dem Stand der Technik werden Gläser
bereitgestellt, die allesamt nicht den oben beschriebenen Anforderungen
entsprechen: Vielmehr zeigen diese Gläser erhebliche Nachteile:
Die
japanische Schrift
JP
08059282 A beschreibt Gläser des Lanthanboratglassystems
mit verringerter Verarbeitungstemperatur zum Zweck der Präzisionsheißformgebung,
d. h. endgeometrienahe Heißformgebung
im primären
Heißformgebungsschritt.
Solche Gläser
sind wenig kristallisationsstabil und weisen eine stark von der
Temperatur abhängige
Viskosität
auf. Zu diesem Zweck enthalten die Gläser dieser Schrift in Summe
bis zu 12,5 Gew.-% Alkalimetalloxide (gängige Flussmittel), darunter
obligatorisch Li
2O mit bis zu 2,5 Gew.-%.
Der Einsatz dieser Komponenten bewirkt die vorgenannte Verringerung
der Kristallisationsstabilität
bei diesen Gläsern.
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DE 3102690 A1 bezieht
sich auf hoch-niobhaltige Lanthanboratgläser mit hohen Brechwerten bei gleichzeitig
sehr geringen Abbé-Zahlen,
also Lanthanschwerflint-Typen. Ähnliche
Gläser
werden in den Schriften:
JP
56160340 A ,
JP
51017570 B und
JP
50014712 A beschrieben. Bei für die angestrebte Brechwertlage ungünstig hohen
Boratgehalten (zur Stabilisierung der Glasmatrix) werden obligatorisch
hohe Gehalte an teuren Komponenten eingesetzt, was nachteilig ist.
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Gemäß der
DE 3102690 A1 werden
zur Brechwerterhöhung
bis 8 Gew.-% PbO eingesetzt, was äußerst umwelt- und gesundheitsbedenklich
ist.
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In
der
JP 61012856 B werden
Gläser
mit hoher Transmission im UV-Bereich für die Photographie offenbart.
Die Gläser
entstammen dem Lanthanboratglassystem (La
2O
3 20–50
Gew.-%; B
2O
3, 17–45 Gew.-%) mit
obligatorischen Anteilen an Zinn- (bis zu 4 Gew.-%) und Ytterbiumoxid
(bis zu 35 Gew.-%). Diese Verbindungen können jedoch dazu führen, dass
das Glas zu teuer wird.
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Die
Schrift
DE 1061976 A beschreibt
hochlanthanhaltige Gläser
(La
2O
3 22,5–85 Gew.-%)
zur Erreichung hoher Brechwerte, legt jedoch noch Wert auf eine
stark silikathaltige Matrix (SiO
2 5–40 Gew.-%)
neben dem das Lanthan lösenden
Borat (B
2O
3, 2,5–45 Gew.-%).
Das Silikat jedoch führt
zu Kristallisationsproblemen und heutigen Ansprüchen der Verarbeitbarkeit genügen diese
Gläser
auf keinen Fall.
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Die
japanische Schrift
JP
52063211 A trifft hochdispersive Lanthanschwerflintgläser, welche
mindestens 2 Gew.-% TiO
2, mit einem Maximaleinsatz
von bis zu 19 Gew.-%, enthalten. In Kombination mit extrem ungünstigen
La
2O
3/B
2O
3-Verhältnissen
von bis zu 26,5 erzeugt dies ein äußerst starkes, unerwünschtes
Kristallisationspotential.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Gläser bereitzustellen, die die
Nachteile der im Stand der Technik beschriebenen Gläser nicht
aufweisen und zudem allen oben genannten Ansprüchen genügen. Das sind zusammenfassend:
Hohe Brechzahlen bei geringer Dispersion, eine geringe spezifische
Dichte bei gleichzeitig hervorragenden Transmissionseigenschaften.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch Gläser,
wie in den Patentansprüchen
beschrieben. Die erfindungsgemäßen Gläser weisen
hohe Abbé-Werte
auf, was einer geringen Dispersion entspricht, zudem hohe Brechwerte
(bestimmt als nd) und eine geringe spezifische
Dichte.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
weisen Gläser
kleine Anteile an Wolframoxid auf und zeigen sehr gute Transmissionseigenschaften
im Bereich des sichtbaren Lichtes, insbesondere für blaues
Licht, und zudem noch eine sehr gute UV-Transmission. Die erfindungsgemäßen Gläser sind
ferner charakterisiert durch gute chemische Beständigkeit und Bearbeitbarkeit,
durch ausreichende Kristallisationsstabilität sowie durch gute Umweltverträglichkeit.
Letztere wird dadurch erreicht, dass weder PbO noch As2O3 in den Gläsern enthalten ist. Die erfindungsgemäßen Gläser können ferner
gewährleisten,
dass organische Materialien exzellent an diesen haften, was durch
Zugabe von Siliziumdioxid erreicht wird.
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Beispiel 1:
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Ein
erfindungsgemäßes Glas
kann durch folgende Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) beschrieben
werden: (Tabelle 1)
| SiO2 | 0,1–5,5 |
| B2O3 | 27–35 |
| La2O3 | 42–48 |
| BaO | 0–5 |
| ZnO | 0,5–5 |
| Y2O3 | 6–12 |
| ZrO2 | 4–10 |
| Nb2O5 | 0–5 |
| WO3 | 0,1–5 |
wobei das Verhältnis
von La
2O
3 zu B
2O
3 kleiner als 1,5
ist und die Gläser
titanfrei sind.
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Zusätzlich können sie
neben einem maximalen Anteil von 8 Gew.-% Alkalimetalloxiden (ohne
Li2O) und in Summe maximal 8 Gew.-% (MgO
+ CaO + SrO) auch übliche
Läutermittel
beinhalten. Arsenhaltige Läutermittel
sind hierbei jedoch unerwünscht.
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Die
oben gezeigten, erfindungsgemäßen Gläser erfüllen sowohl
die Forderung nach guter Schmelz- und Verarbeitbarkeit, bei einem
Brechwert von 1,73 ≤ nd ≤ 1,82
und einem Abbewert von 43 ≤ νd ≤ 53, sind chemisch
gut beständig
und zudem kristallisationsstabil, bei gleichzeitiger Abwesenheit
der nachteiligen Verbindungen PbO und As2O3.
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Der
obigen Tabelle kann entnommen werden, dass das Glassystem als ein
Lanthanboratglas eingestuft werden kann. Das Borat sorgt für die Löslichkeit
des Lanthans. Ab Verhältnissen
von vorzugsweise La2O3:B2O3 < 1,8 ist mit stabilen
Gläsern
zu rechnen, besonders bevorzugt sind Verhältnisse von kleiner 1,5. Bei
einem La2O3:B2O3 – Verhältnis von
1,39 können
auf 31 Gew.-% B2O3 lediglich
43 Gew.-% La2O3 eingesetzt werden.
Der geforderte Brechwert kann über
einen höheren
Zusatz von ZrO2 erreicht werden. Y2O3 kann verwendet
werden, um die Kristallisationsneigung zu mindern. Zusätzlich enthält dieses
Glassystem geringe Anteile des Glasbildners SiO2 (0,1–5,5 Gew%,
bevorzugt 0,1–4,9
Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5–4
Gew.-%). Dieser dient der Verbesserung der Bearbeitbarkeit durch
Erhöhung
der mechanischen Festigkeit des Materials. So können, korrelierend zur eingesetzten
Menge, gute Abriebhärten
und chemische Resistenzen erzielt werden (z. B. AR = 1). Der Zusatz
des SiO2 sollte sich auf den oben gezeigten
Maximalwert beschränken.
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Alkalien
sind optional vorgesehen für
applikationsbedingte Sonderanpassungen, wie beispielsweise Ionenaustauschfähigkeiten
oder, entsprechend dem optionalen Einsatz der Erdalkalimetalloxide
MgO, CaO und SrO, geringfügige
Variationen am Viskositäts-Temperaturverhalten
zugunsten flexibler, endgeometrienahe Heißformgebung.
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Eine
wichtige Komponente für
das Erreichen der speziellen optischen Lage mit hohem Brechwert
bei geringer Abbe-Zahl ist das Y2O3 (6–12
Gew%, bevorzugt 7–11
Gew.-%). Zudem stabilisiert Y2O3 die
silikathaltige Lanthanboratglasmatrix.
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Erdalkalimetalloxide
und ZnO können
in folgenden Mengen im Glas vorliegen:
ZnO = 0,5–5 Gew.-%,
bevorzugt 0,5–4
Gew.-%, besonders bevorzugt 1 – 4
Gew.-%; BaO: 0–5
Gew.-%, bevorzugt 0,1–3
Gew.-%, besonders bevorzugt 1 – 3
Gew.-%; mit Σ(MgO
+ CaO + SrO) = 0–8
Gew.-% und mit Σ(MO +
ZnO) 0,5–10
Gew.-%). Die Gläser
sind TiO2- frei.
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Der
Einsatz der Erdalkalimetalloxide dient in erster Linie der Modifikation
des Viskositäts-Temperatur-Profils.
Da jedoch auch diese Komponenten Einfluss auf die sensible Optische
Lage nehmen, werden besonders MgO und CaO als tiefbrechende Komponenten
stärker
limitiert (0–8
Gew.-%, bevorzugte Varianten sind frei von ihnen). Die höherbrechenden
Komponenten BaO (0–5
Gew.-%, bevorzugt
0,1–3
Gew.-%, besonders bevorzugt 1–3
Gew.-%) und ZnO (0,5–5
Gew.-%, bevorzugt 0,5–4
Gew.-%, besonders bevorzugt 1–4 Gew.-%)
sind somit zu bevorzugen. ZnO ist in seiner Eigenschaft als Kristallisationshemmer
besonders geeignet.
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Nb2O5 kann der Hemmung
der Kristallisation durch einen antagonistischen Effekt im Keimbildnergehalt
dienen. Wahlweise enthalten die Gläser kein Nb2O5.
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Das
eingesetzte WO3 wird zur Feineinstellung
der Optischen Lage verwendet.
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Beispiel 2:
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Tabelle
2 zeigt 6 Gläser
mit bevorzugten Zusammensetzungsbereichen. Die erfindungsgemäßen Gläser werden
folgendermaßen
hergestellt:
Die Rohstoffe für die Oxide, bevorzugt Carbonate,
Nitrate und/oder Fluoride werden abgewogen, ein oder mehrere Läutermittel,
wie z. B. Sb
2O
3,
zugegeben und anschließend
gut gemischt. Das Glasgemenge wird bei ca. 1300°C in einem kontinuierlichen
Schmelzaggregat eingeschmolzen, danach geläutert (1350°C) und homogenisiert. Bei einer
Gusstemperatur von etwa 1220°C
wird das Glas gegossen und zu den gewünschten Abmessungen verarbeitet. Schmelzbeispiel für 100 kg berechnetes Glas (Tabelle
1a)
| Oxid | Gew.-% | Rohstoff | Einwaage
(kg) |
| SiO2 | 0,1 | SiO2 | 0,09 |
| B2O3 | 27,0 | H3BO3 | 23,91 |
| | | B2O3 | 13,65 |
| La2O3 | 42,0 | La2O3 | 41,86 |
| BaO | 5,0 | Ba(NO3)2 | 0,85 |
| | | BaCO3 | 5,78 |
| ZnO | 5,0 | ZnO | 4,99 |
| Y2O3 | 9,0 | Y2O3 | 8,97 |
| ZrO2 | 7,0 | ZrO2 | 7,20 |
| Nb2O5 | 0,5 | Nb2O5 | 0,50 |
| WO3 | 4,4 | WO3 | 4,39 |
| Sb2O3 | 0,2 | Sb2O3 | 0,20 |
| Summe | 100,2 | | 112,39 |
Tabelle 2 Schmelzbeispiele (in Gew.%)
| | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| SiO2 | 4,0 | 2,0 | 0,5 | 3,0 | 3,9 | 1,0 |
| B2O3 | 35,0 | 31,0 | 33,0 | 29,0 | 30,0 | 32,0 |
| BaO | | 0,5 | 2,0 | | 0,1 | 3,0 |
| ZnO | 1,0 | 0,5 | 1,0 | 4,0 | 0,5 | 2,0 |
| La2O3 | 48,0 | 43,0 | 47,0 | 43,0 | 44,4 | 45,0 |
| Y2O3 | 6,0 | 12,0 | 7,0 | 9,0 | 11,0 | 7,0 |
| ZrO2 | 4,0 | 10,0 | 5,0 | 7,0 | 9,0 | 5,0 |
| Nb2O5 | 2,0 | 1,0 | 4,0 | 3,0 | 1,0 | 2,0 |
| WO3 | | | 0,5 | 2,0 | 0,1 | 3,0 |
| Sb2O3 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 |
| Σ | 100,2 | 100,2 | 100,2 | 100,2 | 100,2 | 100,2 |
| nd 7K/h | 1,74249 | 1,78002 | 1,77286 | 1,78389 | 1,77527 | 1,76956 |
| νd 7K/n | 51,03 | 48,77 | 47,87 | 46,70 | 49,06 | 48,07 |
| Pg,F | 0,5496 | 0,5523 | 0,5554 | 0,5570 | 0,5520 | 0,5553 |
| ΔPg,F | –0,0084 | –0,0095 | –0,0079 | –0,0082 | –0,0093 | –0,0076 |
| τ25mm,390nm | 85,4 | 81,9 | 76,2 | 60,4 | 71,5 | 64,4 |
| τ25mm,400nm | 88,8 | 86,6 | 81,9 | 65,1 | 73,9 | 73,7 |
| τ25mm,420nm | 92,4 | 91,5 | 88,1 | 67,4 | 74,2 | 83,8 |
| α20–300 | 6,5 | 7,0 | 7,0 | 6,9 | 7,0 | 7,1 |
| Tg | 674 | 682 | 662 | 660 | 679 | 652 |
| ρ | 4,02 | 4,24 | 4,20 | 4,28 | 4,22 | 4,25 |