DE102004034928A1

DE102004034928A1 - Optisches Glas

Info

Publication number: DE102004034928A1
Application number: DE102004034928A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Dr. Döhring; Ina Dr. Mitra
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2005-02-10

Abstract

Ein optisches Glas für die Herstellung großer Transmissionsoptiken, etwa für die Herstellung von Linsen mit Dicken von 100 mm oder größer, weist vorzugsweise 35 bis 70 Gew.-% SiO¶2¶, 17 bis 35 Gew.-% Al¶2¶O¶3¶, 3 bis 17 Gew.-% P¶2¶O¶5¶, 0 bis 6 Gew.-% Li¶2¶O, DOLLAR A 0,5 bis 4 Gew.-% MgO, 0,5 bis 3 Gew.-% ZnO, höchstens 1 Gew.-% CaO, höchstens 0,5 Gew.-% BaO, 0,5 bis 6 Gew.-% TiO¶2¶, 0,5 bis 3 Gew.-% ZrO¶2¶, 0 bis 1 Gew.-% Na¶2¶O, 0 bis 1 Gew.-% K¶2¶O, Läutermittel (As¶2¶O¶3¶, SP¶2¶O¶3¶) von höchstens 1 Gew.-% und sonstige Verunreinigungen von vorzugsweise 500 ppm auf. Das Glas ermöglicht die Herstellung von optischen Transmissionsoptiken mit besonders großer Dicke auf wirtschaftliche Weise, besitzt ein Transmissionsmaximum etwa im Bereich eines He-Ne-Lasers und einen CTE in der Größenordnung von 3 È 10·-6·/K.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Glas, das insbesondere zur Herstellung optischer Transmissionskomponenten von erheblicher Baugröße bzw. erheblichem Volumen geeignet ist.

Herkömmliche optische Gläser besitzen zwar eine gute Homogenität, gute Transmissionseigenschaften in dem gewünschten Spektralbereich und günstige Abbe-Zahlen, jedoch ist die Herstellung optischer Transmissionskomponenten, wie etwa von Linsen, Prismen und Fenstern mit großen Abmessungen, z.B. mit einem Durchmesser von 0,5 Meter oder 1 Meter bzw. mit einer Dicke von 50 Millimeter, 100 Millimeter oder darüber unter praktischen Gesichtspunkten kaum möglich.

Zum Testen der Polierqualität von hochpräzisen Astronomiespiegeln, insbesondere bei konvexen Sekundärspiegeln, werden in den hierfür üblicherweise verwendeten interferometrischen Prüfeinrichtungen häufig Referenzlinsen, sog. Matrizen, eingesetzt. Üblich sind hierzu beispielsweise bikonvexe Linsen mit mindestens einer stark asphärisch geformten Oberfläche. An das Material dieser Linsen werden dabei hohe Anforderungen bezüglich Schlierenarmut und Brechungsindexhomogenität gestellt. Bevorzugt wird ein Material mit einem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt. Bei der üblicherweise verwendeten Laserwellenlänge von 633 nm wird hierbei zusätzlich eine möglichst hohe Transmission gewünscht.

Bisher werden für solche Anwendungen optische Gläser, wie etwa BK7 oder FKS, eingesetzt. Die Herstellung derart großer optischer Bauteile, wie etwa von Linsen mit einem Durchmesser von 1 bis 1,5 m bzw. mit einer Dicke von 100 oder 150 Millimeter ist hiermit jedoch nicht möglich, zumindest nicht in wirtschaftlich vertretbarer Weise.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein optisches Glas anzugeben, das für die Herstellung von optischen Transmissionskomponenten, wie etwa Linsen, Prismen, Fenstern und dgl., mit einer maximalen Ausdehnung von mindestens 0,5 m oder 1 m bzw, einer Dicke von mindestens 50 mm oder 100 mm, geeignet ist und die Herstellung von optisch homogenen, qualitativ hochwertigen Komponenten auf wirtschaftliche Weise ermöglicht. Das betreffende Glas soll ferner einen möglichst geringen thermi schen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und insbesondere im optisch sichtbaren Bereich eine ausreichende Reintransmission aufweisen.

Ferner sollen eine Verwendung eines derartigen optischen Glases und ein Verfahren zur Herstellung von optischen Transmissionskomponenten großer Baugröße angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optisches Glas gelöst, das folgende Bestandteile enthält (in Gew.-%):

SiO₂:	35–75
Al₂O₃:	17–35
B₂O₃:	0–5
P₂O₅ :	1–17
SnO₂ + ZrO₂ + TiO_Z:	0,1–8
Na₁O + K₂O + Cs₂O + Li₂O:	0,1–8
CaO + MgO + SrO + BaO + ZnO:	0,1–8
Läutermittel wie Sb₂O₃, As₂O₃, SnO₂, CeO₂, Sulfat- oder Halogenidverbindungen:	≤2
färbende Oxide wie V₂O₅, Cr₂O₃, MnO, Fe₂O₃, CoO, NiO und sonstige Verunreinigungen:	≤1.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Das erfindungsgemäße optische Glas erlaubt die Herstellung von transmittierenden, optischen Komponenten in großen Dimensionen, beispielsweise die Herstellung von Linsen mit Durchmessern von 1,5 m oder darüber. Das erfindungsgemäße optische Glas erlaubt die Herstellung derartig großer optischer Bauteile im Gießverfahren auf wirtschaftliche Weise. Das optische Glas wird vorzugsweise in einer diskontinuierlichen Schmelzanlage erschmolzen, gesteuert abgekühlt und anschließend mechanisch bearbeitet, insbesondere gesägt, geschliffen, geläppt und poliert, um optisch transmittierende Komponenten, wie etwa Linsen, Prismen, Fenster und dgl, mit großer Baugröße herzustellen.

Insbesondere ist ein derartiges optisches Glas zur Herstellung von Prüfoptiken für große asphärische Spiegel bzw. Spiegelsegmente davon geeignet, beispielsweise zur Herstellung von bikonvexen Linsen mit mindestens einer stark asphärisch geformten Oberfläche und einem Durchmesser von 1,5 m oder darüber.

Eine ähnliche Glaszusammensetzung ist zwar bereits aus der DE-PS 1 596 860 oder aus der DE-AS 19 02 432 bekannt, jedoch handelt es sich hierbei um ein Ausgangsglas zur Herstellung einer Glaskeramik, die von der Anmelderin unter dem Handelsnamen Zerodur^® vertrieben wird.

Eine derartige Glaskeramik ist jedoch nicht als optisches Glas verwendbar, da infolge der vielen Streuzentren, die durch die kristallinen Einlagerungen gebildet sind, die Transmission stark negativ beeinflusst wird, was insbesondere einen Einsatz bei Großbauteilen unmöglich macht.

Unter einem "optischen Glas" wird im Sinne dieser Anmeldung ein besonders für optisch transmittierende Bauteile geeignetes reines Glas mit möglichst großer Transmission im sichtbaren Spektralbereich verstanden, das möglichst frei von Inhomogenitäten und Spannungen ist. Das erfindungsgemäße optische Glas ist somit durch die vorbekannten Glaskeramiken nicht nahegelegt, da der Fachmann eine derartige Zusammensetzung nicht als optisches Glas in Betracht zieht. Das für die Herstellung solcher Glaskeramiken verwendete Ausgangsglas weist hierzu nicht die notwendige Reinheit auf und besitzt in der Regel eine leicht gelbliche Färbung, die einem Einsatz als optisches Glas potentiell entgegensteht.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung enthält das optische Glas folgende Bestandteile auf:

SiO₂	35–70
Al₂O₃	17–35
P₂O₅	3–17
Li₂O	2–6
MgO	0,5–4
ZnO	0,5–3
CaO	≤1
BaO	≤0,5
TiO₂	0,1–6
ZrO₂	0,1–3
Na₂O	0–1
K₂O	0–1
As₂O₃	≤1
Sb₂O₃	≤1
sonstige Verunreinigungen	0,5.

In weiter vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist das optische Glas folgende Zusammensetzung auf:

SiO₂	50–60
Al₂O₃	20–30
P₂O₅	3–12
Li₂O	3–4
MgO	0,5–2,5
ZnO	0,5–3
CaO	<1
BaO	<0,5
TiO₂	1,5–3,5
ZrO₂	1–2,5
Na₂O	0–1
K₂O	0–1
As₂O₃ + Sb₂O₃	≤1
sonstige Verunreinigungen	≤0,2.

Insbesondere mit derartigen Zusammensetzungsbereichen lassen sich besonders vorteilhafte Transmissionswerte erzielen.

Um die Transmission weiter zu verbessern, ist es bevorzugt, dass färbende Verunreinigungen, Edelmetalle und Halogenide, insbesondere Fe₂O₃, PbO, Pt, Rh, Cl^– und F^– mit höchstens je 500 ppm vorhanden sind.

Weiter ist es bevorzugt, dass das erfindungsgemäße optische Glas einen Gehalt an Fe₂O₃ von höchstens 120 ppm, bevorzugt von etwa 80 ppm, aufweist.

Dies ist vorteilhaft, um auch bei großen Dicken eine ausreichende Reintransmission, insbesondere im gewünschten optischen Bereich und insbesondere bei der Prüfwellenlänge von 633 nm, zu gewährleisten.

Das erfindungsgemäße optische Glas weist bevorzugt im Temperaturbereich zwischen 0°C und 50°C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens 4,1·10^–6/K auf, bevorzugt von höchstens 3,5·10^–6/K, besonders bevorzugt von etwa 3·10^–6/K.

Aufgrund dieses besonders niedrigen Ausdehnungskoeffizienten eignet sich das erfindungsgemäße optische Glas besonders zur Herstellung von optischen Transmissionskomponenten großer Baugröße. Durch den geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird nämlich die Entstehung von Spannungen und Rissen im Vergleich zu herkömmlichen optischen Gläsern, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient in der Regel ≥ 4,4·10^–6/K ist, deutlich reduziert. Hierdurch werden insbesondere auch die durch Temperaturschwankungen hervorgerufenen Abbildungsfehler reduziert.

Das erfindungsgemäße optische Glas weist bevorzugt einen Brechungsindex n_d auf, der im Bereich von 1,42 ≤ n_d ≤ 1,63 liegt, vorzugsweise im Bereich von 1,47 ≤ n_d ≤ 1,58, liegt.

Ferner weist das erfindungsgemäße optische Glas bevorzugt eine Abbe-Zahl V_d im Bereich von 53 ≤ V_d ≤ 63 auf, vorzugsweise im Bereich von 57,1 ≤ V_d ≤ 59,1. Damit liegt das erfindungsgemäße optische Glas im Abbe-Diagramm im Bereich der Kron-Gläser, hat jedoch eine andere chemische Zusammensetzung.

Die Reintransmission des erfindungsgemäßen optischen Glases liegt für einen Prüfkörper von 100 mm Länge im Wellenlängenbereich zwischen 500 und 750 nm bei mindestens 0,55, im Wellenlängenbereich zwischen 550 und 750 nm bei mindestens 0,7 und im Wellenlängenbereich zwischen 600 und 750 nm bei mindestens 0,8, Das erfindungsgemäße optische Glas hat ferner vorzugsweise sein Maximum der Reintransmission im Wellenlängenbereich zwischen etwa 600 und 750 nm.

Die Aufgabe der Erfindung wird hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung einer optischen Transmissionskomponente großer Dimension dadurch gelöst, dass ein Glas der vorstehend erwähnten Zusammensetzung vorzugsweise in einer diskontinuierlichen Schmelzanlage erschmolzen, gesteuert abgekühlt und anschließend mechanisch bearbeitet wird, insbesondere gesägt, geschliffen, geläppt und poliert wird.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Die einzige Figur zeigt einen Vergleich der Reintransmission eines erfindungsgemäßen Glases mit der Reintransmission der Glaskeramik Zerodur^® gleicher Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

Es wurde ein Glas der folgenden Zusammensetzung (in Gew.-%) erschmolzen:

SiO₂ 57,2

Al₂O₃ 25,3

P₂O₅ 6,5

Li₂O 3,4

MgO 1,0

ZnO 1,4

Na₂O 0,2

K₂O 0,4

As₂O₃ 0,5

TiO₂ 2,3

ZrO₂ 1,8
Durch die Verwendung besonders reiner Ausgangsmaterialien und Tiegelmaterialien wurden Verunreinigungen, insbesondere färbende Verunreinigungen, Edelmetalle und Halogenide, auf höchstens je 500 ppm begrenzt. Der Gehalt an Fe₂O₃ betrug etwa 80 ppm.
Der Schmelzvorgang erfolgte bei etwa 1500 bis 1600°C, wobei zur Läuterung die Temperatur auf ungefähr 1600°C angehoben wurde. Während der Homogenisierung wurde die Temperatur auf ungefähr 1400°C abgesenkt. Zur Formgebung zur Herstellung einer Linse mit einem Durchmesser von 1,5 m wurde die Schmelze in eine gut isolierte Form abgegossen, die auf ungefähr 1200°C vorgeheizt wurde. Anschließend erfolgte eine möglichst schnelle Abkühlung bis auf eine Temperatur oberhalb der Glastransformationstemperatur T_g, also beispielsweise bis auf etwa 700°C innerhalb von mehreren Stunden. Auf diese Weise wurde die Kristallisationsbildung während der Abkühlphase minimiert. In einer zweiten Stufe erfolgte sodann eine gesteuerte Abkühlung auf Raumtemperatur mit ausreichend niedriger Abkühlgeschwindigkeit, um Rissbildungen und Spannungen zu vermeiden, wozu je nach Durchmesser des Glasblockes eine Kühlrate von höchstens 1,0 K/min verwendet wird, im vorliegenden Fall etwa 0,1 K/min, verwendet wurden.
Ein derartiger Glasblock kann mechanisch bearbeitet werden, um daraus transmittierende optische Komponenten herzustellen, beispielsweise eine bikonvexe Linse mit mindestens einer stark asphärisch geformten Oberfläche mit einem Durchmesser von 1,5 m.
An dem so hergestellten Glasblock wurde der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) im Bereich zwischen 0°C und 50°C mit 3,02·10^–6/K gemessen, während dieser im Bereich von –30°C und 70°C zu 2,97·10^–6/K bestimmt wurde.
Die Dichte des optischen Glases betrug 2452,7 kg/m³.
Die Glastransformationstemperatur T_g wurde mit etwa 675°C bestimmt. Als Brechungsindex n_d ergab sich ein Wert von 1,526 bei einer Abbe-Zahl V_d von 58,12.
Die gemessene Reintransmission für einen erfindungsgemäßen Prüfkörper von 100 mm Länge ist in Abhängigkeit von der Wellenlänge in 1 angegeben (bei der Reintransmission handelt es sich im Unterschied zur Transmission um eine reine Materialeigenschaft, da die in die Transmission eingehenden Reflexions verluste des Prüfkörpers am Lichteintritt und am Lichtaustritt bei der Reintransmission eliminiert sind).
Zum Vergleich ist in 1 noch die gemessene Reintransmission eines zweiten Prüfkörpers von 100 mm Länge aus der Glaskeramik Zerodur^® nach dem Stand der Technik in Abhängigkeit von der Wellenlänge angegeben.
Es zeigt sich, dass das erfindungsgemäße Glas selbst bei einer Dicke von 100 mm im Bereich zwischen 600 und 750 nm eine Reintransmission von mehr als 0,8 hat, sich also insbesondere für den Wellenlängenbereich eines üblicherweise verwendeten He-Ne-Lasers von 633 nm durch ein annäherndes Maximum der Reintransmission auszeichnet. Im Vergleich dazu hat die Glaskeramik Zerodur^® bei sonst gleicher Zusammensetzung eine deutlich geringere Reintransmission im interessierenden Spektralbereich. Insbesondere wenn man noch größere Abmessungen berücksichtigt, etwa Dicken von bis zu 500 Millimeter oder mehr, zeigt sich die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Glases, da ja die Reintransmission mit zunehmender Dicke exponentiell abnimmt.
Neben der bevorzugten Anwendung als Prüfoptik für große astronomische Spiegelteleskope bestehen weitere denkbare Anwendungen als Linsen in astronomischen Kamerasystemen und Korrekturoptiken, sowie Prismen in solchen Teleskopen mit entsprechend großen Abmessungen.

Claims

Optisches Glas, das folgende Bestandteile enthält (in Gew.-%): SiO₂: 35–75 Al₂O₃: 17–35 B₂O₃: 0–5 P₂O₅: 1–17 SnO₂ + ZrO₂ + TiO₂: 0,1–8 Na₂O + K₂O + Cs₂O + Li₂O: 0,1–8 CaO + MgO + SrO + BaO + Zn0: 0,1–8 Läutermittel wie Sb₂O₃, As₂O₃, SnO₂, CeO₂, Sulfat- oder Halogenidverbindungen: ≤2 färbende Oxide wie V₂O₅, Cr₂O₃, MnO, Fe₂O₃, CoO, NiO und sonstige Verunreinigungen: ≤1.
Optisches Glas nach Anspruch 1, das folgende Bestandteile enthält (in Gew.-%): SiO₂ 35–70 Al₂O₃ 17–35 P₂O₅ 3–17 Li₂O 2–6 MgO 0,5–4 ZnO 0,5–3

CaO ≤1 BaO ≤0,5 TiO₂ 0,1–6 ZrO₂ 0,1–3 Na₂O 0–1 K₂O 0–1 As₂O₃ ≤1 Sb₂O₃ ≤1 sonstige Verunreinigungen 0,5.
Optisches Glas nach Anspruch 1 oder 2, das folgende Bestandteile enthält (in Gew.-%): SiO₂ 50–60 Al₂O₃ 20–30 P₂O₅ 3–12 Li₂O 3–4 MgO 0,5–2,5 ZnO 0,5–3 CaO <1 BaO <0,5 TiO₂ 1,5–3,5 ZrO₂ 1–2,5 Na₂O 0–1 K₂O 0–1 As₂O₃ + Sb₂O₃ ≤1 sonstige Verunreinigungen ≤0,2.
Optisches Glas nach Anspruch 1, mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%): SiO₂: 35–75 Al₂O₃: 17–35 B₂O₃: 0–5 P₂O₅: 1–17 SnO₂ + ZrO₂ + TiO₂: 0,1–8 Na₂O + K₂O + Cs₂O: 0,1–8 CaO + MgO + SrO + BaO + ZnO: 0,1–8 Läutermittel wie Sb₂O₃, As₂O₃, SnO₂, CeO₂, Sulfat- oder Halogenidverbindungen: ≤2 färbende Oxide wie V₂O₅, Cr₂O₃, MnO, Fe₂O₃, CoO, NiO und sonstige Verunreinigungen: ≤1.
Optisches Glas nach Anspruch 4, mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%): SiO₂ 35–70 Al₂O₃ 17–35 P₂O₅ 3–17 Li₂O 2–6 MqO 0,5–4 ZnO 0,5–3 CaO ≤1 BaO ≤0,5 TiO₂ 0,1–6

ZrO₂ 0,1–3 Na₂O 0–1 K₂O 0–1 As₂O₃ ≤1 Sb₂O₃ ≤1 sonstige Verunreinigungen ≤0,5.
Optisches Glas nach Anspruch 4 oder 5, mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%): SiO₂ 50–60 Al₂O₃ 20–30 P₂O₅ 3–12 Li₂O 3–4 MgO 0,5–2,5 ZnO 0,5–3 CaO <1 BaO <0,5 TiO₂ 1,5–3,5 ZrO₂ 1–2,5 Na₂O 0–1 K₂O 0–1 As₂O₃ + Sb₂O₃ ≤1 sonstige Verunreinigungen ≤0,2.
Optisches Glas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das färbende Verunreinigungen, Edelmetalle und Halogenide, insbesondere Fe₂O₃, PbO, Pt, Rh, Cl^–, und F^–, von höchstens je 500 ppm aufweist.
Optisches Glas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen Gehalt an Fe₂O₃ von höchstens 120 ppm, bevorzugt von etwa 80 ppm, aufweist.
Optisches Glas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das im Bereich zwischen 0°C und 50°C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens 4,1·10^–6/K aufweist, bevorzugt von höchstens 3,5·10^–6/K, besonders bevorzugt von etwa 3·10^–6/K aufweist.
Optisches Glas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Brechungsindex n_d im Bereich von 1,42 ≤ n_d ≤ 1,63, vorzugsweise im Bereich von 1,47 ≤ n_d ≤ 1,58, liegt.
Optisches Glas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Abbe-Zahl V_d im Bereich von 53 ≤ V_d ≤ 63 liegt, vorzugsweise im Bereich von 57,1 ≤ V_d ≤ 59,1 liegt.
Optisches Glas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Reintransmission im Wellenlängenbereich zwischen 500 und 750 Nanometer bei mindestens 0,55 für einen Prüfkörper von 100 Millimeter Länge liegt.
Optisches Glas nach Anspruch 12, dessen Reintransmission im Wellenlängenbereich zwischen 550 und 750 Nanometer bei mindestens 0,7 für einen Prüfkörper von 100 Millimeter Länge liegt.
Optisches Glas nach Anspruch 12, dessen Reintransmission im Wellenlängenbereich zwischen 600 und 750 Nanometer bei mindestens 0,8 für einen Prüfkörper von 100 Millimeter Länge liegt.
Optisches Glas nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dessen Maximum der Reintransmission im Wellenlängenbereich zwischen etwa 600 und 750 Nanometer liegt.
Verwendung eines optischen Glases nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung optischer Transmissionskomponenten, insbesondere zur Herstellung von Linsen, Prismen, Fenstern mit einer maximalen Dicke von mindestens 50 Millimeter, vorzugsweise von mindestens 100 Millimeter.
Verwendung des optischen Glases nach Anspruch 16 zur Herstellung von Prüfoptiken für Spiegelteleskope, insbesondere für asphärische Spiegel, oder Segmente davon.
Verfahren zur Herstellung einer optischen Transmissionskomponente, insbesondere zur Herstellung von Linsen, Prismen, Fenstern mit einer maximalen Dicke von mindestens 50 Millimeter, vorzugsweise von mindestens 100 Millimeter, bei dem ein Glas gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 vorzugsweise in einer diskontinuierlichen Schmelzanlage erschmolzen, gesteuert abgekühlt und anschließend mechanisch bearbeitet wird, insbesondere gesägt, geschliffen, geläppt und poliert wird.