DE102009033984B4

DE102009033984B4 - Verfahren zur Herstellung von Glas mit definiert inhomogenen optischen Eigenschaften

Info

Publication number: DE102009033984B4
Application number: DE102009033984A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Bliedtner Jens; Günter Gräfe; Dr. Bürger Wolfgang; Harald Meyer; Andrea Barz
Original assignee: Fachhochschule Jena
Current assignee: Fachhochschule Jena
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: DE102009033984A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Glas mit definiert inhomogenen optischen Eigenschaften, umfassend folgende Verfahrensschritte: – Aufbereiten eines Gemenges aus verschiedenen Bestandteilen, die sich bezüglich ihres Einflusses auf die optischen Eigenschaften des Glases unterscheiden, wobei – jedes der Bestandteile in Form von Gemengeteilchen (1, 2...n) aufbereitet wird und dabei für die Gemengeteilchen (1, 2...n) bestimmte, vom Einfluß des betreffenden Bestandteiles auf die optischen Eigenschaften des Glases abhängige Massen oder Größen vorgegeben werden, – das Gemenge der Einwirkung von Kräften ausgesetzt wird, wobei Größe und Wirkungsrichtung der Kräfte so vorgegeben werden, daß – die Gemengeteilchen (1, 2...n) aufgrund der Verschiedenheit ihrer Masse oder Größe ihre Positionen relativ zueinander verändern, – die Einwirkung der Kräfte beendet wird, wenn die Gemengeteilchen (1, 2...n) Positionen eingenommen haben, die mit den zu erzielenden inhomogenen optischen Eigenschaften des Glases korrespondieren, dann – das Gemenge geschmolzen und schließlich – bis zur Erstarrung...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Glas mit definiert inhomogenen optischen Eigenschaften. Dieses Verfahren ist beispielsweise geeignet zur Herstellung von optischen Gläsern mit Brechzahlgraduierung und damit zur Herstellung von optischen Baugruppen mit inhomogenen Brechungseigenschaften, wie sie unter anderem in abbildenden optischen Systemen oder als Scheinwerfergläser im Fahrzeugbau zur Anwendung kommen.
Auf dem Gebiet der Optik werden ständig neue Gläser mit besonderen Eigenschaften für spezielle optische Anwendungen benötigt und entwickelt. Die Eigenschaften von Gläsern, insbesondere Absorption, Brechzahl oder Dispersion, sind abhängig von der Art und Menge an Bestandteilen, wie SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, GeO₂, TiO₂, Alkali-, Erdalkali- und Schwermetallionen, Oxide der Seltenen Erden und Fluoriden.
Es ist hinreichend bekannt, für abbildende optische Systeme Glas mit homogenen Brechzahleigenschaften zu verwenden. Wegen des mit der einheitlichen Brechzahl festgelegten Dispersionsverhaltens muß das Design der optischen Elemente, wie Linsen oder Spiegel, die Teil dieser Systeme sind, den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. Dadurch weisen sie meist komplizierte Oberflächenformen auf, deren Herstellung technologisch aufwendig ist. Außerdem müssen diese optischen Elemente innerhalb des betreffenden optischen Systems in bestimmter Weise zueinander angeordnet und präzise justiert werden, damit ein beabsichtigter Strahlungsverlauf auch tatsächlich erzielt wird.
Neben optischen Elementen aus Glas mit homogenen Brechungseigenschaften sind auch so genannte GRIN-Linsen (Gradient-Index-Linsen) bekannt, bei denen die Brechzahl je nach Vorgabe variierbar ist. Damit besteht gegenüber Glaslinsen mit homogener Brechzahlverteilung der Vorteil, daß anstelle kompliziert geformter Linsenoberflächen einfacher herzustellende plane Linsenoberflächen möglich sind.
Des weiteren sind Verfahren bekannt, bei denen aus einem optischem Material mit homogenen Brechungseigenschaften Material mit Brechzahlgradienten gefertigt wird. Beispielsweise werden Graduierungen in Glas durch Neutronenbestrahlung, Ionenaustausch oder auch Ionen-Einlagerung erzielt. Auch mit dem an sich bekannten Chemical Vapor Deposition(CVD)-Verfahren oder durch Elektrophorese von Sol-Gel-Gemischen sind optische Materialien mit inhomogenen Brechzahleigenschaften herstellbar.
All diese Verfahren eignen sich aufgrund des erheblichen technologischen Aufwandes und auch wegen der lediglich geringfügig erzielbaren Graduierung der Brechzahl innerhalb des Endmaterials nur eingeschränkt zur kommerziellen Nutzung.
In US 2578110 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines Glases beschrieben, welches möglichst homogen sein soll. Die Glasfehler entstehen während der Schmelze und sind rein zufällig örtlich verteilt. Die gezielte Herstellung eines Brechzahlgradienten im Glas ist nicht möglich.
In US 1,173,688 A wird ein Verfahren beschreiben, bei dem zwei Materialien, die unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten haben, in einem angrenzenden Bereich miteinander verbunden werden. Dazu werden beispielsweise ein Glas und Quarz nebeneinander platziert und in den Grenzbereichen so miteinander verschmolzen, dass dort eine Mischung aus den beiden Materialien entsteht. Die optischen Eigenschaften der beiden Materialien bleiben außerhalb dieser Grenzzone homogen und unbeeinflusst von dem jeweils anderen Material.
In DE 32 40 355 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines länglichen Glaskörpers mit inhomogener Brechungsindexverteilung beschrieben. Dieser längliche Glaskörper kann als Preform für die Herstellung von optischen Fasern verwendet werden. Er entsteht aus einer Schüttung verschiedener kornförmiger Materialien, die auf einer Unterlage zu einem zylinderförmigen Schüttkörper aufgehäuft werden. Die Materialien werden gegenüber der Unterlage, nach einer vorgegebenen Verteilung in einem ungleichmäßigen Verhältnis zueinander aufgeschüttet. Unter Erwärmung wird der Schüttkörper zu einem Glaskörper mit einer inhomogenen Brechungsindexverteilung. Die Positionen der optisch wirksamen Glasbestandteile sind durch die Mischung in der Schüttung festgelegt und werden durch das Aufschmelzen nicht verändert. An die Größe und Masse der Körner werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Die Körner müssen nur rieselfähig sein. Mechanische Schwingungen werden eingesetzt, um den Schüttkörper zu verdichten. Die Brechungsindexverteilung wird nur durch die Verteilung der Körner beider Stoffarten währen des Aufschüttens des zylinderförmigen Schüttkörpers bestimmt.
In DE 42 14 259 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gradientenoptiken beschrieben, bei dem ein optisch wirksames Ausgangsmaterial aufgeschmolzen und im aufgeschmolzenen Zustand in Rotation versetzt wird. Aufgrund der Rotation entmischen sich Moleküle mit höherem Molekulargewicht von Molekülen mit geringerem Molekulargewicht, wobei die schwereren Moleküle durch die Zentrifugalkraft stärker nach außen bewegt werden als die leichteren. Wird während der Rotation die Schmelze abgekühlt, entsteht ein Glas mit inhomogenen optischen Eigenschaften.
Nachteilig hierbei ist, daß nach diesem Verfahren keine Gläser herstellbar sind, bei denen sich innerhalb des Glasvolumens verschiedene Brechzahlen alternierend wiederholen oder sich die Brechzahl stufenweise fortschreitend ändert. Kontinuierliche Änderungen sind auch nur mit verhältnismäßig geringen Brechzahlunterschieden innerhalb eines Glasvolumens erzielbar. Auch Gläser mit dreidimensionaler Brechzahlgraduierung lassen sich auf diese Weise nicht erzeugen.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so weiterzuentwickeln, daß die Nachteile des Standes der Technik weitestgehend behoben sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die folgenden Verfahrensschritte:

– Aufbereiten eines Gemenges aus verschiedenen Bestandteilen, die sich bezüglich ihres Einflusses auf die optischen Eigenschaften des Glases unterscheiden, wobei
– jedes der Bestandteile in Form von Gemengeteilchen aufbereitet wird und dabei für die Gemengeteilchen bestimmte, vom Einfluß des betreffenden Bestandteiles auf die optischen Eigenschaften des Glases abhängige Massen oder Größen vorgegeben werden,
– das Gemenge der Einwirkung von Kräften ausgesetzt wird, wobei Größe und Wirkungsrichtung der Kräfte so vorgegeben werden, daß
– die einzelnen Gemengeteilchen aufgrund der Verschiedenheit ihrer Masse oder Größe ihre Positionen relativ zueinander verändern,
– die Einwirkung der Kräfte beendet wird, wenn die Gemengeteilchen Positionen innerhalb des Gemenges eingenommen haben, die mit den zu erzielenden inhomogenen optischen Eigenschaften des Glases korrespondieren, dann
– das Gemenge geschmolzen und anschließend
– bis zur Erstarrung abgekühlt wird.

In einer ersten grundsätzlichen Ausführungsmethode des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Ausgangsmaterial ein Gemenge aufbereitet, in welchem Gemengeteilchen von mehreren Glasarten enthalten sind, die jeweils homogene, jedoch voneinander verschiedene Brechungseigenschaften haben.
Dabei werden in einer ersten Verfahrensweise dieser Ausführungsmethode die Gemengeteilchen der verschiedenen Glasarten so aufbereitet, daß sie sich von Glasart zu Glasart bezüglich ihrer Masse unterscheiden. Davon abweichend erfolgt die Aufbereitung in einer zweiten Verfahrensweise so, daß primär nicht die Masse, sondern die Größe der Gemengeteilchen von Glasart zu Glasart verschieden ist. Ob sich die Gemengeteilchen bezüglich ihrer Masse oder ihrer Größe unterscheiden, wird in Abhängigkeit von der beabsichtigten Weiterverarbeitung vorgegeben, wie nachfolgend erläutert wird.
Beispielsweise können für die Aufbereitung eines Gemenges aus zwei Glasarten Borkron-Glas BK7 mit einer Brechzahl n_e = 1,5 als erste Glasart und Flint-Glas SF15 mit einer Brechzahl n_e = 1,8 als zweite Glasart in Betracht kommen.
Soll beispielsweise die erste der o. g. Verfahrensweisen angewendet werden, wird das Borkron-Glas zu Gemengeteilchen aufbereitet, deren Masse geringer ist als die Masse der Gemengeteilchen aus Flint-Glas. Die Gemengeteilchen beider Glasarten werden nun zu einem Gemenge gemischt, in dem beide Glasarten in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis, beispielsweise im Verhältnis 1:1, vorhanden und dabei auch weitestgehend homogen verteilt sind. Dieses Gemenge wird nun in eine Hohlform gefüllt Fliehkräften ausgesetzt. Die Fliehkräfte bewirken, daß sich die Positionen der einzelnen Gemengeteilchen aufgrund ihrer unterschiedlichen Masse relativ zu einander ändern, wodurch die beiden Glasarten entmischt werden bzw. die anfangs vorhandene homogene Verteilung der beiden Glasarten aufgehoben wird.
Bei der zweiten der o. g. Verfahrensweisen wird das Borkron-Glas zu Gemengeteilchen aufbereitet, deren Größe geringer ist als die Größe der Gemengeteilchen aus Flint-Glas. Die Gemengeteilchen beider Glasarten werden auch hierbei zu einem Gemenge gemischt, in welchem beide Glasarten in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis vorhanden und auch weitestgehend homogen verteilt sind.
Das so aufbereitete Gemenge wird wieder in eine Hohlform gefüllt, nun allerdings Vibrationen ausgesetzt. Die Vibrationen haben insofern unterschiedliche Wirkung auf die Gemengeteilchen unterschiedlicher Größen, wodurch sich auch hier ihre Positionen innerhalb des Gemengevolumens relativ zu einander so verändern, daß die homogene Verteilung der beiden Glasarten aufgehoben wird.
Bei beiden vorgenannten Verfahrensweisen wird das Gemenge nach der Entmischung geschmolzen und anschließend bis zur Erstarrung abgekühlt. Danach liegt ein Glas mit inhomogenen Brechungseigenschaften vor.
Im Rahmen der Erfindung liegen selbstverständlich auch Ausgestaltungen, bei denen mehr als zwei Glasarten miteinander vermischt werden, die zwar voneinander verschiedene, jedoch in sich homogene Brechungseigenschaften haben. Dabei sollen sich die Gemengeteilchen der verschiedenen Glasarten stets bezüglich ihrer Größe oder Masse voneinander unterscheiden, wobei auch Verfahrensweisen eingeschlossen sind, bei denen die Gemengeteilchen der Glasarten mit höherem Brechungsindex mit geringerer Größe oder Masse aufbereitet werden als die Gemengeteilchen der Glasarten mit geringerem Brechungsindex.
Denkbar ist es weiterhin, die Gemengeteilchen zwecks Änderungen ihrer Relativpositionen auch anderen, hier nicht aufgeführten Kräften zu unterwerfen, wie beispielsweise der Einwirkung von Kräften, die mittels Ultraschallwellen erzeugt sind. Die beabsichtigten Positionsänderungen lassen sich auch erzielen, indem die Gemengeteilchen auf vorgegebenen Bahnen bewegt und dabei entsprechenden Beschleunigungskräften ausgesetzt werden, wie beispielsweise bei Exzenterbewegungen. Auch können bei jeder der vorbeschriebenen Verfahrensweisen verschiedenartige Krafteinwirkungen zeitgleich oder zeitlich aufeinander folgend zur Wirkung bebracht werden.
Von der Erfindung eingeschlossen sind auch Verfahrensweisen, bei denen als Ausgangsmaterial ein Gemenge aus Gläsern mit sonstigen, innerhalb ihres Volumens inhomogenen optischen Eigenschaften hergestellt werden, wie beispielsweise inhomogener Färbung, wobei als Ausgangsmaterialien mindesten zwei verschiedenartig gefärbte Gläser dienen.
Abweichend von der bisher beschriebenen ersten Ausführungsmethode des erfindungsgemäßen Verfahrens wird einer zweiten, grundsätzlichen Ausführungsmethode als Ausgangsmaterial ein Gemenge aus Glasrohstoffen (Sand, Soda, Kalk und Zusatzstoffe) verwendet, wie sie üblicherweise zur Herstellung eines optischen Glases mit homogenen Brechungseigenschaften genutzt werden, und zwar beispielsweise in der Zusammensetzung SiO₂ = 21,5 Gew.-%; Al₂O₃ = 4,8 Gew.-%; B₂O₃ = 8,6 Gew.-%; Na₂O = 18,6 Gew.-%; K₂O = 14,3 Gew.-%; BaO = 29,7 Gew.-%; CaO = 1,5 Gew.-% und F = 1 Gew.-%.
Würde ein solches Gemenge nach den im Stand der Technik bekannten Verfahrensschritten verarbeitet, so würde ein optisches Glas mit homogenen Brechungseigenschaften entstehen. Um jedoch aus demselben Gemenge nicht optisches Glas mit homogenen, sondern mit inhomogenen Brechungseigenschaften herzustellen, erfolgt die Aufbereitung der Gemengeteilchen mit von Bestandteil zu Bestandteil unterschiedlicher Masse oder unterschiedlicher Größe.
Und zwar werden diejenigen Bestandteile, welche die Brechungseigenschaften stärker beeinflussen, in Form von Gemengeteilchen aufbereitet, die sich hinsichtlich Masse oder Größe von den Gemengeteilchen von Bestandteilen unterscheiden, welche die Brechungseigenschaften nicht oder weniger stark beeinflussen. Komponenten mit stärkerem Einfluß auf die Brechungseigenschaften sind beispielsweise Oxide der Elemente Barium (Ba), Blei (Pb), Zink (Zn), Lanthan (La), Titan (Ti), Germanium (Ge), Zirkonium (Zr), Niob (Nb).
Unter den Bestandteilen der oben angegebenen konkreten Zusammensetzung hat die Komponente Bariumoxid (BaO) einen stärkeren Einfluß auf die Brechungseigenschaften als die übrigen Komponenten und wird demzufolge erfindungsgemäß in Form von Gemengeteilchen, zum Beispiel aus Bariumcarbonat (BaCO₃), aufbereitet, die bezüglich ihrer Masse oder ihrer Größe von den Gemengeteilchen der übrigen Bestandteile abweichen.
Die so aufbereiteten Gemengeteilchen werden zunächst zu einem Gemenge gemischt, in welchem die Bestandteile in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis vorhanden und dabei wiederum weitestgehend homogen verteilt sind. Dieses Gemenge wird nun in eine Hohlform gefüllt und, ebenso wie oben beschriebenen, vorzugsweise Fliehkräften bzw. Vibrationen ausgesetzt, so daß auch hier eine Entmischung stattfindet. Nach der Entmischung wird das Gemenge geschmolzen und anschließend bis zur Erstarrung abgekühlt. Nach der Erstarrung liegt hier ebenfalls ein Glas mit inhomogenen Brechungseigenschaften vor.
Das Schmelzen der Gemenge erfolgt bei allen beschriebenen Ausführungen der Erfindung in einer hermetisch verschlossenen Hohlform. Dabei entspricht das Volumen des Innenraumes – unter Berücksichtigung von Schwindmaßen, Schaumbildung bei Verwendung von gasabgebenden Gemengebestandteilen und sonstigen Einflüssen auf das verbleibende Glasvolumen – dem aufzunehmenden Gemenge.
Dabei kann die Form des Innenraumes der Außenkontur eines optischen Elementes entsprechen, das nach Abkühlung des Glases erhalten werden soll. Von der Erfindung eingeschlossen ist aber auch eine Verfahrensweise, bei der das Gemenge in einer Hohlform zu Glas geschmolzen und zu einem Glasblock abgekühlt wird, der zunächst als Rohmaterial dient, wobei von diesem Block Bereiche weiter verwertet werden, die eine für einen bestimmten Zweck erforderliche Brechzahlgraduierung aufweisen.
Im Rahmen der Erfindung liegen ausdrücklich auch Ausgestaltungen, bei denen der Innenraum der Hohlform zusätzlich mit einem Gas, bevorzugt mit Stickstoff oder Argon, befüllt oder der Druck in der Hohlform auf einen vorgegeben Betrag über oder unter dem atmosphärischen Druck eingestellt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich weniger aufwendig Brillengläsern mit Gleitfokuseigenschaften, Zylinderlinsen, Linsen mit asphärischer Wirkung mit definiert inhomogenen Brechzahleigenschaften sowie andere Glaserzeugnisse mit inhomogenen optischen Eigenschaften herstellen.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Gemenge aus zwei zu Gemengeteilchen verarbeiteten Glasarten aufbereitet wird, die jeweils homogene, jedoch voneinander verschiedene Brechungseigenschaften haben, wobei sich die Gemengeteilchen der beiden Glasarten hinsichtlich ihrer Größe voneinander unterscheiden und das Gemenge gerichteten Vibrationen ausgesetzt wird,
2 eine symbolische Darstellung eines durch gerichtete Vibrationen entmischten Gemenges als Basis für die Erzeugung von Gläsern mit zwei- oder dreidimensionalen Brechzahlgraduierung.
3 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei welchem das Gemenge im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen nach 1 oder 2 nicht gerichteten Vibrationen, sondern Fliehkräften zum Zweck der Entmischung ausgesetzt wird,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Gemenge aus drei zu Gemengeteilchen in Form von Glaspulver verarbeiteten Glasarten mit jeweils homogenen, jedoch voneinander verschiedenen Brechungseigenschaften aufbereitet wird, wobei sich die Gemengeteilchen der drei Glasarten hinsichtlich ihrer Größe voneinander unterscheiden und das Gemenge Fliehkräften ausgesetzt wird,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel das von einem Gemenge ausgeht, in dem Gemengeteilchen von drei Glasarten vertreten sind.
Bei dem anhand 1 nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiel wird ein Glas mit definiert inhomogenen Brechungseigenschaften aus Borkron-Glas BK7 mit einer Brechzahl n_e = 1,5 und Flint-Glas SF15 mit einer Brechzahl n_e = 1,8 hergestellt. Hierbei wird zunächst ein Gemenge aufbereitet, in welchem beide Glasarten in Form von Glaspulver vertreten sind, wobei jedoch die Korngrößen der Glaspulver von Glasart zu Glasart verschieden sind und in einem Bereich von 10 μm bis 500 μm liegen können.
Wird beispielsweise für das Flint-Glas mit dem höheren Brechungsindex eine größere Körnung vorgegeben als für das Borkron-Glas mit dem niedrigeren Brechungsindex, werden die Korngrößen des Flint-Glases beispielhaft mit 500 μm, die Korngrößen des Borkron-Glases mit 200 μm vorgegeben. Die Größenangaben werden angenähert als Ausdehnung eines Gemengeteilchens in Richtung eines äußeren Durchmessers oder einer Diagonale verstanden.
In dem als Ausgangsmaterial dienenden Gemenge sind beide Glasarten in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis vorhanden, und die Gemengeteilchen 1, 2 sind innerhalb des Gemenges zumindest etwa gleichmäßig verteilt. In 1a sind symbolisch Gemengeteilchen 1 aus Flint-Glas und Gemengeteilchen 2 aus Borkron-Glas dargestellt. Eine gleichmäßige Verteilung der verschiedenartigen Gemengeteilchen läßt sich beispielsweise durch getrennte Zuführung sowie getrennte Steuerung von Einfüllmenge und Einfüllpositionen beim Beschicken einer Hohlform 3 erzielen. Hierzu geeignete Zuführ- bzw. Fülleinrichtungen einschließlich entsprechender Steuerungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und müssen deshalb an dieser Stelle nicht ausführlicher erläutert werden.
Das so aufbereitete Gemenge wird in eine hermetisch verschlossene Hohlform 3 gefüllt und mit der Hohlform 3 so in Vibration versetzt, daß die Gemengeteilchen in Richtung F Beschleunigungskräften ausgesetzt sind, was zur Folge hat, daß sich die Positionen der einzelnen Gemengeteilchen 1, 2 innerhalb des Gemengevolumens verschieben. Mit der Verschiebung tritt aufgrund der Größenunterschiede der Gemengeteilchen 1, 2 eine Siebwirkung ein, die vor allem eine Positionsänderung der kleineren relativ zu den größeren Gemengeteilchen bewirkt und dadurch eine Entmischung des anfangs homogenen Gemenges hervorruft. Die Vibrationen werden aufrecht erhalten, bis die Entmischung soweit fortgeschritten ist, daß die Gemengeteilchen 1, 2 relativ zueinander Positionen eingenommen haben, die der zu erzielenden Inhomogenität der Brechungseigenschaften entsprechen. Die Richtung F kann im speziellen Fall der Schwerkraftrichtung entsprechen, die Stärke der Vibrationen kann während der Entmischung variiert werden.
Ist beispielsweise ein in 1b dargestellter Entmischungsgrad erreicht, werden die Vibrationen beendet, die nun vorhandene Verteilung der Gemengeteilchen 1, 2 innerhalb des Gemengevolumens wird beibehalten, das Gemenge wird in der Hohlform 3 geschmolzen und anschließend bis zur Erstarrung abgekühlt. Im Ergebnis liegt eine neue Glasart mit inhomogenen Brechungseigenschaften vor.
Bei diesem Prozeß entspricht die Geometrie des Innenraumes der Hohlform vorzugsweise der gewünschten Außenkontur eines optischen Elementes, beispielsweise eines Scheinwerferglases, einer Linse oder eines Brillenglases. Somit kann nach Abkühlung des Glases ein solches Element als Rohling aus der Hohlform entnommen werden.
Während des Schmelzprozesses kann der Innenraum der Hohlform 3 zusätzlich mit einem Gas, bevorzugt mit Stickstoff oder Argon, befüllt werden, damit die Form bzw. das Material, aus dem die Form besteht, nicht verzundert. Der Druck im Innenraum der Hohlform 3 wird beispielsweise auf einen Betrag von 0,5 mbar eingestellt, um die Qualität des entstehenden optischen Elementes insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung von Blasen und Schlieren zu verbessern.
Aus 2 ist ersichtlich, in welcher Weise durch gerichtete Vibrationen auf die Gemengeteilchen 1, 2 eingewirkt wird, um eine Entmischung des in 2a dargestellten, noch homogenen Gemenges mit dem in 2b gezeigten Ergebnis zu erzielen. Aus einem auf diese Weise entmischten Gemenge lassen sich Gläser mit einer zwei- oder dreidimensionalen Brechzahlgraduierung herstellen. Werden mittels Vibrationen Beschleunigungskräfte in den Richtungen Fx und Fy generiert, und wird das Gemenge mit der in 2b gezeigten Verteilung der Gemengeteilchen 1, 2 geschmolzen, entsteht ein Glas mit kontinuierlichem Brechzahlgradienten in Richtung Fx oder, auf die Zeichenebene bezogen, in Richtung der Koordinate X.
Der Verlauf der Graduierung wird durch Stärke und Richtung der Vibrationen so gesteuert, daß je nach Vorgabe in den Richtungen Fx und Fy unterschiedliche Beschleunigungskräfte auf die Gemengeteilchen 1, 2 einwirken. Während die Graduierung in 2b in den Koordinaten X, Y der Zeichenebene zweidimensional verläuft, läßt sich ein dreidimensionaler Gradientenverlauf erzielen, wenn zusätzlich Vibrationen in Richtung der Koordinate Z, also senkrecht zur Zeichenebene, vorgegeben werden. Dabei ist sowohl das Generieren von Beschleunigungskräften eingeschlossen, die entweder zeitlich zueinander versetzt oder auch zeitgleich in den Koordinatenrichtungen X, Y und/oder Z wirken.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel nach 3 wird ebenfalls ein Glas mit definiert inhomogenen Brechungseigenschaften aus Borkron-Glas BK7 und Flint-Glas SF15 hergestellt. Hierbei wird für die Gemengeteilchen 1 aus Flint-Glas eine größere Masse vorgegeben als für die Gemengeteilchen 2 aus Borkron-Glas. Dabei kann für die Gemengeteilchen 1 eine Masse aus dem Bereich von 2,1·10^–7 g bis 2,7·10^–4 g und für die Gemengeteilchen 2 eine kleinere Masse aus dem Bereich 1,3·10^–7 g bis 1,6·10^–4 g gewählt werden. Die beiden so aufbereiteten Glasarten werden zunächst wieder zu einem Gemenge gemischt, in welchem sie im wesentlichen gleichmäßig verteilt und beispielhaft auch mit gleichen Anteilen vorhanden sind.
Dieses Gemenge wird in eine Hohlform 4 gefüllt, die von einer kreisförmig gekrümmten Außenwand 5 begrenzt ist und um eine in der Kreismitte liegende, senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtete Achse 6 drehbar gelagert ist.
Die befüllte Hohlform 4 wird in Rotation um die Achse 6 versetzt, so daß die Gemengeteilchen 1, 2 Fliehkräften ausgesetzt sind, was zur Folge hat, daß sich die Positionen der einzelnen Gemengeteilchen 1, 2 innerhalb des Gemengevolumens verschieben. Mit der Verschiebung tritt eine Positionsänderung der schwereren Gemengeteilchen 1 relativ zu den leichteren Gemengeteilchen 2 und dadurch eine Entmischung des anfangs homogenen Gemenges ein. Die Einwirkung der Fliehkräfte wird aufrecht erhalten, bis die Entmischung soweit fortgeschritten ist, daß die Gemengeteilchen 1 relativ zu den Gemengeteilchen 2 Positionen innerhalb des Gemengevolumens eingenommen haben, die der zu erzielenden Inhomogenität der Brechungseigenschaften entsprechen.
Ist der in 3 dargestellte Entmischungsgrad mit Gemengeteilchen 1 aus Flint-Glas und Gemengeteilchen 2 aus Borkron-Glas erreicht, wird die Rotation und damit die Einwirkung der Fliehkräfte beendet. Die Verteilung der Gemengeteilchen 1, 2 innerhalb des Gemengevolumens wird beibehalten, das Gemenge wird in der Hohlform 4 geschmolzen und schließlich bis zur Erstarrung abgekühlt. Im Ergebnis liegt auch hier eine neue Glasart mit inhomogenen Brechungseigenschaften vor.
Während des Schmelzprozesses kann, ebenso wie oben schon beschrieben, der Innenraum der Hohlform 4 zusätzlich mit einem Gas, bevorzugt mit Stickstoff oder Argon, befüllt und der Druck in dem Innenraum der Hohlform 4 beispielhaft auf einen Betrag von 0,5 mbar eingestellt werden.
Eine Alternative zu dem anhand 3 erläuterten Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Hierbei ist die Hohlform 4 um eine Achse 7 drehbar gelagert, die zwar ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet ist, jedoch außerhalb der Hohlform 4 liegt. Die befüllte Hohlform 4 wird in Rotation um die Achse 7 versetzt, wodurch Fliehkräfte erzeugt werden, die auch hier eine Entmischung des anfangs homogenen Gemenges zur Folge haben.
Zur Verdeutlichung dessen, daß das Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur auf ein aus zwei Glasarten aufbereitetes Gemenge beschränkt ist, sind in 4 symbolisch Gemengeteilchen 1, 2, 8 von drei Glasarten dargestellt. Die Gemengeteilchen 1, 2, 8 unterscheiden sich wiederum durch ihre Masse, wobei die Glasart mit dem höchsten Brechungsindex zu Gemengeteilchen 1 mit der größten Masse, die Glasart mit dem niedrigsten Brechungsindex zu Gemengeteilchen 8 mit der geringsten Masse aufbereitet sind.
Aufgrund der Fliehkräfte verschieben sich die Positionen der einzelnen Gemengeteilchen 1, 2, 8 innerhalb des Gemengevolumens, und es tritt auch hier aus den bereits oben beschriebenen Gründen eine Entmischung des anfangs homogenen Gemenges bis zu dem in 4 schematisch dargestellten Zustand ein.
Ist die in 4 gezeigte Entmischung erreicht, wird die Rotation und damit die Einwirkung der Fliehkräfte beendet, die Verteilung der Gemengeteilchen 1, 2, 8 innerhalb des Gemengevolumens wird beibehalten, das Gemenge in der Hohlform 4 geschmolzen und abgekühlt, so daß schließlich auch hier eine neue Glasart mit inhomogenen Brechungseigenschaften vorliegt.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das ebenfalls von einem Gemenge ausgeht, in dem Gemengeteilchen 1, 2, 8 von drei Glasarten vertreten sind. Durch Einwirkung von Vibrationen in Richtung F, die auch hier der Schwerkraftrichtung entsprechen kann, wird das in 5a gezeigte, ursprünglich homogene Gemenge bis zu dem in 5b gezeigten Grad entmischt und in dem nachfolgenden Schmelzprozeß zu einem Glas mit entsprechender Brechzahlverteilung weiterverarbeitet.
Bei den Ausführungsbeispielen nach 1, 2 und 5 wurden für das Ausgangsmaterial Gemengeteilchen vorgegeben, die sich von Glasart zu Glasart hinsichtlich ihrer Korngröße unterscheiden. Alternativ zu dieser Verfahrensweise liegt es, wie anhand 3 und 4 erläutert, im Rahmen der Erfindung, Gemengeteilchen vorzugeben, die sich von Glasart zu Glasart hinsichtlich ihrer Masse unterscheiden. Unabhängig davon, welche Glasart zu Gemengeteilchen mit der größeren Masse oder zu Gemengeteilchen mit der geringeren Masse aufbereitet wird, unterliegen die Gemengeteilchen mit der größeren Masse stets der Wirkung der Fliehkräfte stärker als die Gemengeteilchen mit geringerer Masse, so daß auch bei diesen Vorgaben für das Ausgangsgemenge eine Entmischung hervorgerufen wird wie bereits anhand der obigen Beispiele gezeigt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand eines Gemenges erläutert, wie es üblicherweise zur Herstellung eines optischen Glases mit homogenen Brechungseigenschaften genutzt wird, nämlich beispielsweise in der Zusammensetzung SiO₂ = 21,5 Gew.-%; Al₂O₃= 4,8 Gew.-%; B₂O₃ = 8,6 Gew.-%; Na₂O = 18,6 Gew.-%; K₂O = 14,3 Gew.-%; BaO = 29,7 Gew.-%; CaO = 1,5 Gew.-% und F = 1 Gew.-%.
Würde ein solches Gemenge nach den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensschritten verarbeitet, so würde ein optisches Glas mit homogenen Brechungseigenschaften entstehen. Um jedoch aus demselben Gemenge optisches Glas mit inhomogenen Brechungseigenschaften herzustellen, erfolgt die Aufbereitung der Gemengeteilchen von Bestandteil zu Bestandteil mit unterschiedlicher Masse oder unterschiedlicher Größe.
So werden beispielsweise die für die Brechungseigenschaften relevanten Gemengeteilchen mit einer Größe von 10 μm bis 300 μm oder mit einer Masse von 3·10^–6 g bis 2·10^–4 g aufbereitet, während die Gemengeteilchen der übrigen Bestandteile mit davon abweichender Größe oder Masse aufbereitet werden.
Die so in fester Form aufbereiteten Bestandteile werden zunächst zu einem Gemenge gemischt, in dem die Gemengeteilchen aller Bestandteile im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind. Bevor dieses Gemenge geschmolzen wird, erfolgt eine Entmischung unter Einwirkung von Kräften, bevorzugt wiederum durch Fliehkräfte oder durch mittels Vibrationen ausgelösten Kräften. Aufgrund der Unterschiede der Gemengeteilchen erfolgen dabei die gewünschten Positionsveränderungen der die Brechzahl beeinflussenden Gemengeteilchen relativ zu den übrigen, die Brechzahl nicht beeinflussenden Gemengeteilchen.
Ist mit diesen Ortsveränderungen innerhalb des Gemengevolumens ein Entmischungsgrad erreicht, welcher der beabsichtigten Inhomogenität der Brechzahleigenschaften entspricht, wird das Gemenge geschmolzen und abgekühlt, so daß schließlich wiederum eine Glasart mit inhomogenen Brechungseigenschaften vorliegt.
In Ausgestaltungen der Erfindung wird das Schmelzen des Gemenges und/oder das Abkühlen der Schmelze nach einer Temperatur-Zeit-Steuerung oder auch unter dem Einfluß von Unterdruck, vorzugsweise bei ≤ 10^–2 bar, vorgenommen. Dadurch werden beim Schmelzprozeß aus den Rohstoffen abgegebene Gase abgeführt und auch die sich anfangs im Gemenge befindende Luft entfernt und so die Möglichkeit von Blasenbildungen verringert. Außerdem wird auf diese Weise energiesparend die Schmelztemperatur gesenkt.
Bezugszeichenliste

1, 2: Gemengeteilchen
3, 4: Hohlform
5: Außenwand
6, 7: Achsen
8: Gemengeteilchen

Claims

Verfahren zur Herstellung von Glas mit definiert inhomogenen optischen Eigenschaften, umfassend folgende Verfahrensschritte: – Aufbereiten eines Gemenges aus verschiedenen Bestandteilen, die sich bezüglich ihres Einflusses auf die optischen Eigenschaften des Glases unterscheiden, wobei – jedes der Bestandteile in Form von Gemengeteilchen (1, 2...n) aufbereitet wird und dabei für die Gemengeteilchen (1, 2...n) bestimmte, vom Einfluß des betreffenden Bestandteiles auf die optischen Eigenschaften des Glases abhängige Massen oder Größen vorgegeben werden, – das Gemenge der Einwirkung von Kräften ausgesetzt wird, wobei Größe und Wirkungsrichtung der Kräfte so vorgegeben werden, daß – die Gemengeteilchen (1, 2...n) aufgrund der Verschiedenheit ihrer Masse oder Größe ihre Positionen relativ zueinander verändern, – die Einwirkung der Kräfte beendet wird, wenn die Gemengeteilchen (1, 2...n) Positionen eingenommen haben, die mit den zu erzielenden inhomogenen optischen Eigenschaften des Glases korrespondieren, dann – das Gemenge geschmolzen und schließlich – bis zur Erstarrung abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Glas mit definiert inhomogenen Brechungseigenschaften, wobei ein Gemenge aus mindestens zwei zu Gemengeteilchen (1, 2...n) verarbeiteten Glasarten aufbereitet wird, die jeweils homogene, jedoch voneinander verschiedene Brechungseigenschaften haben, wobei sich die Massen oder die Größen der Gemengeteilchen (1, 2...n) von Glasart zu Glasart unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zwei optische Glasarten verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem Borkron-Glas BK7 mit einer Brechzahl n_e = 1,5 und Flint-Glas SF15 mit einer Brechzahl n_e = 1,8 verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Ausgangsmaterial ein Gemenge aus den Glasrohstoffen Sand, Soda, Kalk und Zusatzstoffen aufbereitet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem als Ausgangsmaterial ein Gemenge der Zusammensetzung SiO₂ = 21,5 Gew.-%; Al₂O₃ = 4,8 Gew.-%; B₂O₃ = 8,6 Gew.-%; Na₂O = 18,6 Gew.-%; K₂O = 14,3 Gew.-%; BaO = 29,7 Gew.-%; CaO = 1,5 Gew.-% und F = 1 Gew.-% aufbereitet wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem sich die Gemengeteilchen (1, 2...n) bezüglich ihrer Massen unterscheiden und das Gemenge mittels Fliehkräften entmischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem sich die Gemengeteilchen (1, 2...n) bezüglich ihrer Größen unterscheiden und das Gemenge mittels Vibrationen entmischt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem sich die Gemengeteilchen (1, 2...n) bezüglich ihrer Massen und ihrer Größen unterscheiden und das Gemenge mittels Fliehkräften und Vibrationen entmischt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem das Gemenge im Innenraum einer hermetisch verschlossenen Hohlform (4, 5) aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Form des Innenraumes der gewünschten Außenkontur eines optischen Elementes nach Abkühlung des Glases bis unter die Erstarrungstemperaturen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Innenraum zusätzlich mit einem Gas, bevorzugt mit Stickstoff oder Argon, befüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem während des Schmelzprozesses der Druck im Innenraum der Hohlform (4, 5) auf 0,5 mbar eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem während der Abkühlung der Schmelze der Druck im Innenraum der Hohlform (4, 5) auf ≤ 10^–2 bar eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem die Hohlform geometrisch der Kontur eines herzustellenden optischen Elementes oder eines Glasblockes entspricht, von dem ausgewählte Bereiche zur Herstellung optischer Elemente verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem das Schmelzen des Gemenges und/oder das Abkühlen der Schmelze in Abhängigkeit von einer Temperatur-Zeit-Steuerung vorgenommen wird.