-
Die
Erfindung betrifft ein Glas, insbesondere ein Flintglas mit hoher
innerer Transmission und hoher Stabilität gegen Strahlungsschäden, d.
h. geringer Neigung zu physikalischer Kompaktierung und Solarisation, sowie
dessen Verwendung in Abbildung und Projektion sowie der optischen
Nachrichtentechnik und Telekommunikation und Computerherstellung.
-
Bei
modernen Hochleistungsoptiken werden immer höhere Anforderungen an die Abbildungsgenauigkeit
und Auflösung
gestellt. Dies bedeutet, dass einerseits immer größere Abbildungs-
bzw. Projektionsflächen
erreicht werden, andererseits jedoch die abzubildenden Strukturen
immer kleiner und immer punkt- und detailgenauer abgebildet werden
müssen.
Aus diesem Grund ist es notwendig mit immer kleineren Wellenlängen zu
belichten, d. h. mit Licht höherer
Energie, was die energetische Belastung der Optikelemente erhöht. Darüber hinaus
werden bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen, wie beispielsweise
bei der Mikrolithographie, zur Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit
immer kürzere
Belichtungszeiten gefordert, wodurch die Strahlungsleistung bzw.
Strahlendichte, welche durch die Optik geleitet wird, d. h. Strahlenbelastung pro
Zeit, notgedrungen zunehmen muss. Darüber hinaus wird bei optischen
Systemen, insbesondere in der Nachrichtentechik und der Telekommunikation
eine hohe Lichtausbeute, d. h. eine hohe Transmission angestrebt.
-
Dies
stellt nicht nur hohe Anforderungen an die Entwicklung der jeweiligen
Optiken, sondern auch an das für
die Optik verwendete Material, welches üblicherweise ein Glas ist.
So ist es z. B. bekannt, dass die Anwendung hoher Energiedichten
zu einer als Solarisation bezeichneten Erscheinung führt, durch
welche die Transmission, d. h. die Strahlungsdurchlässigkeit
eines optischen Elementes drastisch abnimmt. Dadurch wird jedoch
nicht nur die gesamte Lichtausbeute eines optischen Elementes verringert,
sondern durch die hierbei absorbierte Strahlung vermehrt Energie
in die Matrix des optischen Elementes eingetragen. Eine solche Deponierung
von Energie in die Matrix führt
außerdem
zu einer Kompaktierung, d. h. zu einer Verdichtung des optischen
Materials. Diese Verdichtung erzeugt ein Schrumpfen der Materialmatrix,
die auch zu einer Veränderung
der optischen Eigenschaften, insbesondere der Brechwerte führt. Derartige
Brechwertveränderungen bewirken
aber eine Veränderung
des für
das optische Element ursprünglich
berechneten Strahlenganges, wodurch die abzubildende Struktur unscharf,
d. h. die Abbildungsgenauigkeit verringert wird.
-
Dieser
Effekt wird noch dadurch verstärkt,
dass solche Kompaktierungen proportional der Strahlung bzw. der
deponierten Energie ist, und sowohl jede einzelne Komponente als
auch lokale Bereiche in diesen Elementen eines optischen Systems
einer unterschiedlichen Strahlungsbelastung ausgesetzt ist. Dadurch
findet in einem optischen System eine geometrisch ungleichmäßige Verzerrung
statt, welche sich im Gesamtobjektiv addiert. Diese Effekte führen beim
Gebrauch somit zu einer starken Abnahme der erzielbaren Punktauflösung sowie
der Abbildungsschärfe.
Da heute aufgrund verbesserter Techniken solche Systeme längere Standzeiten
aufweisen, erfolgt auch eine erhöhte
Bestrahlungsdauer der optischen Elemente, wodurch deren energetische
Belastung zunimmt und deren Anwendungsdauer, und damit deren Amortisation,
bzw. rentabler Einsatz begrenzt wird, was wiederum zu erhöhten Kosten
führt.
-
Es
ist bereits versucht worden, die optische Qualität, d. h. die Strahlungsdurchlässigkeit
derartiger Glasmaterialien zu verbessern. So wird beispielsweise
in der
DE 973 350 B ein
optisches Silikatglas mit einer Brechzahl beschrieben, die bezogen
auf die mittlere Streuung, bzw. den ν-Wert niedrig ist. Dabei sollen
die Gläser
eine hohe Dispersion aufweisen. Solche Gläser die für Negativlinsen gedacht sind,
enthalten 5–30 Gew.-%
Alkalioxide, 30–70
Gew.-% SiO
2 und B
2O
3, sowie 0,15–35 Gew.-% Fluor, wobei bis
zu 5 Gew.-% Erdalkalioxide und wenigstens einer der Stoffe AlO
3, TiO
2, Sb
2O
3, As
2O
3 und PbO enthalten sein müssen. Der
Gehalt an Al
2O
3 und
TiO
2 darf dabei jeder für sich nicht mehr als 30 Gew.-%,
der an PbO nicht mehr als 55 Gew.-%, der an Sb
2O
3 nicht mehr als 35 Gew.-% und der an As
2O
3 nicht mehr als
5 Prozent betragen. Soll dabei ein ν-Wert von größer 63.5 erhalten werden, so
muss der Gehalt an Al
2O
3 +
Sb
2O
3 + As
2O
3 größer als der
Gehalt von B
2O
3 sein.
Gemäß der Lehre
von
DE 973 350 wird der
geringe Brechwert im Wesentlichen dadurch erreicht, dass eine hohe
Menge an Fluorid zugesetzt wird, welche den Sauerstoff im Glasgefüge ersetzen
soll.
-
In
der
DE 26 03 450 A1 erden
optische Bleisilikatgläser
mit einer hohen Durchlässigkeit
im sichtbaren Spektralbereich beschrieben. Auch gemäß dieser
Druckschrift werden die guten optischen Eigenschaften durch einen
hohen Fluoridzusatz erreicht, womit eingeschleppte Verunreinigungen
maskiert werden, welche die Lichttransmission vermindern.
-
DE 303 58 79 A1 beschreibt
Lichtwellenleiter für
die optische Informationsübertragung
in Form einer Kern-Mantel-Glasfaser, wobei die Faser mit einem Kern
aus einem Bleiglas besteht. Dieses Bleiglas kann Arsenoxid enthalten.
-
Die
Erfindung hat daher zum Ziel die zuvor beschriebenen Nachteile bzw.
Probleme des Standes der Technik zu überwinden. Dieses Ziel wird
durch die in den Ansprüchen
definierten Merkmale erreicht.
-
Erfindungsgemäß wurde
gefunden, dass sich mit einem Bleiglas, insbesondere einem Bleiflintglas,
die erfindungsgemäßen Ziele
erreichen lassen, wenn dieses 48–65 Gew.-% SiO2,
3–10 Gew.-%
Na2O, 5–10 Gew.-%
K2O, 20–40
Gew.-% PbO, sowie 0,001–1
Gew.-% As2O3 und
As2O5 enthält und in
der Schmelze bzw. im fertigen Glas As III und As V in einem Verhältnis von
mindestens 0,5 vorliegt. Dies ist dadurch erreichbar, indem man
dem Glas bzw. den Ausgangsmaterialien hierzu vor und/oder ggf. während der
Schmelze eine Sb, Ti, Cu und/oder Fluoridquelle und/oder ein Kohlenstoff-haltiges
Reduktionsmittel zusetzt. Dabei soll der Gehalt an Sb2O3 5000 ppm nicht übersteigen, der Gehalt an TiO2 maximal 500 ppm, an CuO maximal 100 ppm,
an Kohlenstoff-haltigen Reduktionsmitteln maximal 5000 ppm und an
Fluor maximal 1000 ppm betragen. Erfindungsgemäß müssen darüber hinaus die zuvor genannten
Substanzen folgende Bedingung erfüllen:
- I Σ (As2O3, As2O5, Sb2O3,
F) ≥ 20 ppm
und vorzugsweise
- II Σ (Sb2O3 + 5·F + Kohlenstoff-haltiges
Reduktionsmittel + 50·CuO
+ 10·TiO2) ≥ 50
ppm.
-
Oxidierende
Schmelzen zeigen üblicherweise
einen erhöhten
Anteil an As V, wobei das Verhältnis
von As III zu As V bei etwa 0,4 liegt. Bei üblichen nicht oxidierenden
Schmelzen, d. h. ohne Sauerstoffzufuhr, beträgt das Verhältnis dagegen 0,45. Durch die
Zugabe von Reduktionsmitteln läßt sich
in der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung
das Verhältnis
problemlos auf 0,5 verschieben, wobei die Verschiebung direkt von der
Menge bzw. Wirksamkeit des jeweiligen Reduktionsmittels abhängt, wie
dies z. B. in der Summenformel II berücksichtigt ist. Bevorzugte
Verhältnisse
betragen mindestens 0,55, insbesondere mindestens 0,60, wobei mindestens
0,65 und insbesondere mindestens 0,70 besonders bevorzugt sind.
Zweckmäßige Werte
betragen etwa 0,75.
-
Erfindungsgemäß wurde
nämlich
gefunden, dass unter Beachtung obiger Einstellungsregeln optische Gläser erhalten
werden können,
welche nicht nur hervorragende Eigenschaften bzgl. optischer und
physikalischer Stabilität
aufweisen, insbesondere gegenüber
Solarisation und Kompaktierung, sondern die auch eine hervorragende
innere Transmission aufweisen.
-
Die
zweite Summenformel II berücksichtigt,
dass im erfindungsgemäßen Gemisch
die einzelnen Komponenten unterschiedliche Wirkungsfaktoren bzgl.
der Erreichung der Ziele zeigen. Danach ist beispielsweise Kupferoxid
50 mal stärker
wirksam als Zucker und/oder Antimonoxid. Fluor ist 5 mal und Titanoxid
10 mal wirksamer. Bei der obigen Formel ist außerdem zu beachten, dass die
Fluorkonzentration sich auf das reine Fluoridion bezieht. Gemäß obiger
Summenformel bedeutet dies, dass z. B. 10 Gramm Sb2O3 durch 2 Gramm Fluorid in einer Schmelze
ersetzt werden können.
Entsprechend ersetzen 10 Gramm Titanoxid 1 Gramm Kohlenstoff-haltiges
Reduktionsmittel oder Sb2O3.
Erfindungsgemäß ist es
somit möglich
auf hohe Fluoridanteile zu verzichten und fluoridarme oder auch
fluoridfreie Gläser
bereitzustellen.
-
Erfindungsgemäß besonders
bevorzugt ist ein SiO2-Gehalt von 50–63 Gew.-%.
Ein bevorzugter Bereich für
Natriumoxid beträgt
3,5–8
Gew.-% und ein bevorzugter Bereich für K2O
beträgt
6–9,5
Gew.-%. Bevorzugte Bereiche für
PbO betragen 23–36
Gew.-%. Der Gehalt an Sb2O3 beträgt vorzugsweise
0–3000
ppm, TiO2 0–200 ppm und CuO 0–100 ppm.
-
Dabei
beträgt
der Mindestgehalt der läuteraktiven
Mittel der ersten Summenformel I, d. h. Σ (As2O3, Sb2O3,
F) vorzugsweise mindestens 50 ppm. Der maximale Gehalt beträgt vorzugsweise
nicht mehr als 25000 ppm, wobei 20 000 und insbesondere 15000 bevorzugt
sind. Besonders bevorzugt ist eine Obergrenze der Elemente der Summenformel
I von 7000 ppm. Eine besonders bevorzugte Minimalkonzentration beträgt 100 ppm,
wobei mindestens 200 ppm ganz besonders bevorzugt ist.
-
Die
Elemente der Summenformel II sind vorzugsweise in einer Konzentration
von mindestens 100 ppm, insbesondere 200 ppm vorhanden, wobei 300
ppm besonders bevorzugt sind. Bevorzugte Obergrenzen hierfür betragen
20000 ppm, wobei maximal, 15 000 ppm und maximal 10000 ppm besonders
bevorzugt sind.
-
Erfindungsgemäß hat sich
ein Zusatz von mindestens 10 ppm Arsenoxid als besonders zweckmäßig erwiesen.
Es hat sich nämlich
gezeigt, dass sich so noch bessere Transmissionswerte erreichen
lassen. Dabei wird Arsenoxid vorzugsweise als As2O3 in Gegenwart eines Arsen-oxidierenden Additivs,
wie z. B. Natriumnitrit, welches beim Aufschmelzen Arsen III in
das läuteraktive
Arsen V-Oxid überführt, erngesekt.
Eine bevorzugte Obergrenze für
Sb2O3 beträgt 1200
ppm, insbesondere 1000 ppm. In vielen Fällen ist eine Obergrenze von
500 ppm zweckmäßig, wobei
maximal 400 ppm und insbesondere 300 ppm Sb2O3 besonders bevorzugt sind. In einer ganz
besonders bevorzugten Ausführungsform
ist das erfindungsgemäße Glas
frei von Sb2O3.
-
Die
Obergrenze für
TiO2 beträgt erfindungsgemäß 500 ppm,
wobei 400 ppm und insbesondere 300 ppm bevorzugt sind. Ganz besonders
bevorzugt sind maximal 200 ppm, insbesondere maximal 100 ppm TiO2 enthalten.
-
CuO
ist im erfindungsgemäßen Glas
maximal zu 100 ppm enthalten, wobei maximal 80 ppm und maximal 50
ppm bevorzugt sind. Ganz besonders bevorzugt sind Obergrenzen von
maximal 20 ppm und insbesondere maximal 10 ppm.
-
Es
wurde nämlich
erfindungsgemäß gefunden,
dass sich die Solarisationsneigung durch den additiven Zusatz der
erwähnten Dotierungsmittel,
die in der Summenformel II zusammengefasst sind, hervorragend absenken
lässt,
wobei die vorangestellten Zahlen Faktoren für die Wirksamkeit der erfindungsgemäß eingesetzten
Dotierungsmittel sind.
-
Erfindungsgemäß wird Fluor
zweckmäßigerweise
als Fluorid zugesetzt, wobei als Kation üblicherweise (aber nicht notwendigerweise)
ein ohnehin in der Schmelze vorliegendes Kation verwendet wird.
Bevorzugte Fluoride sind NaF, LiF, KF, CaF2,
MgF2 sowie ggf. auch Na2SiF6.
-
Erfindungsgemäß bevorzugte
Leichtflintgläser
enthalten SiO2 in einer Menge von 50–56 insbesondere 51–54 Gew.-%,
Na2O von 3,5–8, insbesondere 5–7,5 Gew.-%,
K2O 6–9,5,
insbesondere 5–8
Gew.-%, PbO 23–36
Gew.-%, insbesondere 30–36
Gew.-%, sowie 0–3
000 ppm Sb2O3, 0–200 ppm
TiO2, 0–100
ppm CuO, wobei die Summe der Läutermittel ≥ 50 ppm und
die Summe der Dotierungsmittel ≥ 100
ppm betragen soll.
-
Werden
erfindungsgemäß Doppel-Leichtflintgläser hergestellt,
so beträgt
die Menge 57–63
Gew.-%, insbesondere 59–63
Gew.-% SiO2, 3,5–8 Gew.-%, vorzugsweise 3,5–6 Gew.-%
Na2O, 6–9,5
Gew.-%, insbesondere 6,5–9
Gew.-% K2O, 23–36 Gew.-%, insbesondere 23–30 Gew.-%
PbO, sowie 0–3
000 ppm Sb2O3, 0–200 ppm
TiO2, 0–100
ppm CuO, 0–500
ppm Zucker und 0–1
000 ppm F. Die Menge an läuteraktiven
Mitteln gemäß Formel
I beträgt
hier ≥ 50
ppm und die Menge der Dotierungsmittel gemäß Formel II mindestens 1000 ppm.
-
Im
erfindungsgemäßen Glas
können
als Kohlenstoff-haltige Reduktionsmittel Graphit bzw. Kohle (auch
in Form von Wannen, Wanneneinbauten, Tiegeln, Stäben, Elektroden, Rührern oder
Teilen davon), Kohlenwasserstoffe, Fettsäuren, Dicarbonsäuren wie
z. B. Oxalsäure,
sowie insbesondere Zucker verwendet werden.
-
Für das erfindungsgemäße Glas
können
sämtliche
Zucker verwendet werden, sowie andere organische Substanzen, insbesondere
Stickstoff und schwefelfreie organische Substanzen, insbesondere
Polyhydroxy-Verbindungen. Besonders bevorzugte Zucker sind Mono-,
Di- und/oder Polysaccharide, insbesondere solche mit der Summenformel
C6H12O6.
In einer besonderen Ausführungsform
wird das erfindungsgemäße Glas
unter einer Schutzgasatmosphäre,
vorzugsweise unter Stickstoff, hergestellt.
-
Die
erfindungsgemäßen Gläser können ggf.
noch geringe Mengen an Oxiden von Fe, Cr, Co, Ni, Mn, Ag und/oder
V, einzeln oder in beliebiger Kombination und zwar vorzugsweise
und unabhängig
voneinander jeweils in einer Menge von ≤ 1000 ppm enthalten.
-
Mit
den erfindungsgemäßen Einstellungsregeln
ist es möglich,
klassische Bleisilikatgläser
herzustellen, die leicht schmelzbar sind. Die Gläser sind außerdem leicht bearbeitbar und
zeigen insbesondere Brechwerte von weniger als 1,6 speziell im bevorzugten
Bereich von 1,5–1,6.
Außerdem
zeigen sie Abbé-Zahlen
zwischen 40 und 50.
-
Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Glases. Dabei werden die
entsprechenden Ausgangsmaterialien als Oxide und/oder Salze wie
sie üblicherweise
zur Glaserzeugung verwendet werden zusammen mit den anderen Glaszusätzen, insbesondere
denjenigen der Summenformeln I und II, auf an sich bekannte Weise
geschmolzen, geläutert
und unter Abkühlung
das gewünschte Glas
erhalten, welches zu den optischen Elementen weiter verarbeitet
wird. Dabei werden die Zusätze
der Summenformeln üblicherweise
bereits dem Ausgangsmaterial vor der Schmelze zugesetzt.
-
Die
erfindungsgemäßen optischen
Gläser
eignen sich besonders zur Herstellung von optischen Vorrichtungen,
insbesondere Objektiven, Licht- und Bildleitern sowie zur Abbildung
und Projektion, zur Mikrolithographie und auch für die Telekommunikation und
optische Nachrichtentechnik.
-
Sie
sind daher besonders zur Herstellung von Linsen, Prismen, Lichtleitstäben, Glasfaserkabeln,
optischen Fenstern, sowie optischen Komponenten für die Photolithographie,
Steppern, Excimerlasern, Wafern, Computerchips, sowie integrierten
Schaltungen und elektronischen Geräten, die solche Schaltungen
und Chips enthalten, geeignet.
-
Die
Erfindung soll an dem folgenden Beispiel näher erläutert werden.
-
Beispiel
-
Dazu
wurden entsprechend die enthaltenen Substanzen als Karbonate und/oder
Nitrate abgewogen, die Dotiermittel und das Basisläutermittel
zugegeben und das Gemenge anschließend gut gemischt. Danach wurde
das Glasgemenge bei ca. 1 350°C
in einem kontinuierlichen Schmelzaggregat eingeschmolzen und danach
bei 1 420°C
geläutert
und homogenisiert. Anschließend
wurde das Glas bei einer Gusstemperatur von 1400°C durch Pressen oder Walzen
verarbeitet, definiert abgekühlt
und zu den gewünschten
Dimensionen weiter verarbeitet. Die folgende Tabelle stellt ein
Schmelzbeispiel für
100 kg berechnetes Glas dar, welches die Basis für die Tabellen 2 und 3 darstellt. Tabelle 1: Schmelzbeispiel für 100 kg
berechnetes Glas
Oxid | Gew.% | Rohstoff | Einwaage
(kg) |
SiO2 | 61,1 | SiO2 | 61.19 |
Na2O | 4,7
0,1 | Na2CO3
als NaNO3 | 8,04
0,27 |
K2O | 8,2 | K2CO3 | 12,02 |
PbO | 25,8 | Pb3O4 | 27,69 |
TiO2 | 0,001 | TiO2 | 0,0005 |
As2O3 | 0,1 | As2O3 | 0,10 |
Summe | 100,0 | | 109,3105 |
Tabelle 2: Ausführungsbeispiele siliziumdioixidarmer
Gläser
(in Gew.-%)
Beispielgläser | Basisglas
I | 1 | 2 | 3 | Basisglas
II | 4 | 5 | 6 |
SiO2 | 48,2 | 48,2 | 48,2 | 48,2 | 52,5 | 52,5 | 52,5 | 52,5 |
Na2O | 8,4 | 8,4 | 8,4 | 8,4 | 6,6 | 6,6 | 6,6 | 6,6 |
K2O | 5,2 | 5,2 | 5,2 | 5,2 | 7,0 | 7,0 | 7,0 | 7,0 |
PbO | 38,0 | 38,0 | 38,0 | 38,0 | 33,8 | 33,8 | 33,8 | 33,8 |
As2O3 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
Sb2O3 | | | | | | 0,09 | | |
TiO2 | | 0,001 | | | | | | |
CuO | | | | 0,0001 | | | 0,001 | |
C6H12O6 | | | 0,1 | | | | | |
F | | | | 0,05 | | | | 0,05 |
| | | | | | | | |
ni | 1,6354 | 1,6350 | 1,6356 | 1,6294 | 1,6193 | 1,6199 | 1,6194 | 1,6189 |
nd | 1,5972 | 1,5968 | 1,5971 | 1,5913 | 1,5814 | 1,5809 | 1,5814 | 1,5811 |
vd | 38,20 | 38,23 | 38,22 | 39,14 | 40,85 | 40,82 | 40,84 | 40,91 |
τi(25mm/365nm) | 93,7 | 93,4 | 93,6 | 92,6 | 95,4 | 95,9 | 94,8 | 93,6 |
Solarisation
Diff (τi)
100 mm/280–500 mm/15
h | 21,4 | 18,9 | 19,0 | 19,2 | 18,9 | 10,9 | 10,2 | 15,9 |
Kompaktion | keine | keine | keine | keine | keine | keine | keine | keine |
Tabelle 3: Ausführung siliziumdioxidreicher
Gläser
(in Gew.%)
Beispielgläser | Basisglas
III | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
SiO2 | 61,1 | 61,1 | 61,1 | 61,1 | 61,1 | 61,1 | 61,1 | 61,1 | 61,1 |
Na2O | 4,8 | 4,8 | 4,8 | 4,8 | 4,8 | 4,8 | 4,8 | 4,8 | 4,8 |
K2O | 8,2 | 8,2 | 8,2 | 8,2 | 8,2 | 8,2 | 8,2 | 8,2 | 8,2 |
PbO | 25,8 | 25,8 | 25,8 | 25,8 | 25,8 | 25,8 | 25,8 | 25,8 | 25,8 |
As2O3 | 0,1 | 0,09 | 0,05 | 0,01 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,05 | 0,1 |
Sb2O3 | | 0,01 | 0,05 | 0,09 | | | | | |
TiO2 | | | | | 0,001 | | | | |
CuO | | | | | | 0,001 | | | |
C6H12O6 | | | | | | | 0,1 | | |
F | | | | | | | | 0,05 | 0,05 |
| | | | | | | | | |
ni | 1,5822 | 1,5826 | 1,5823 | 1,5827 | 1,5817 | 1,5824 | 1,5824 | 1,5821 | 1,5820 |
nd | 1,5506 | 1,5509 | 1,5507 | 1,5510 | 1,5501 | 1,5507 | 1,5507 | 1,5504 | 1,5504 |
τi(25mm/365nm) | 45,30 | 45,26 | 45,29 | 45,26 | 45,36 | 45,31 | 45,32 | 45,37 | 45,37 |
Solarisation Diff
(τi) 100 mm/280–500 mm/15 h | 13,5 | 10,8 | 8,6 | 7,8 | 11,8 | 7,3 | 11,9 | 11,9 | 10,6 |
Kompaktion | keine | keine | keine | keine | keine | keine | keine | keine | keine |