DE112005000009B4

DE112005000009B4 - Durchscheinende Keramiken, Verfahren zum Herstellen durchscheinender Keramik, Verwendung der durchscheinenden Keramiken für ein optisches Bauelement und ein optisches Gerät

Info

Publication number: DE112005000009B4
Application number: DE112005000009T
Authority: DE
Inventors: Yuji Kintaka
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2025-03-10
Also published as: JP4245047B2; US7294597B2; JPWO2005097707A1; WO2005097707A1; WO2005097708A1; JP4245048B2; TWI294411B; TWI306090B; DE112005000009T5; JPWO2005097708A1; TW200602287A; US20060287187A1

Abstract

Durchscheinende Keramik, die hauptsächlich eine durch die Formel Ba{Tix1Mx2(Mg1-tZnt)y(Ta1-uNbu)z}vOw wiedergegebene Zusammensetzung enthält, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist; w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität; x1 + x2 + y + z = 1; 0,55 < x1 + x2 5 ≤ 0,90; 0 < x1 < 0,90; 0 < x2 ≤ 0,60; 1,60 ≤ z/y ≤ 2,40; 1,00 ≤ v ≤ 1,05; 0 < t < 1; und 0 ≤ u ≤ 1.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft durchscheinende Keramiken, die für optische Bauelemente wie Linsen geeignet sind, einen Prozess für das Herstellen solcher durchscheinenden Keramiken sowie deren Verwendung für ein und für ein das optische Bauelement enthaltendes optisches Gerät.
Stand der Technik
Wie in der JP 5127078 A bzw. der JP 7244865 A offenbart wird, werden zur Herstellung optischer Bauelemente, zum Beispiel von Linsen, die in optischen Geräten wie optischen Aufnehmern enthalten sind, folgende Materialien verwendet: Glas, Kunststoff und monokristallines Lithiumniobat (LiNbO₃).
Da Glas und Kunststoff einen hohen Lichttransmissionsgrad haben und mühelos zu Erzeugnissen mit einer gewünschten Form verarbeitet werden könne, werden sie hauptsächlich zur Herstellung optischer Bauelemente wie Linsen verwendet. Da monokristallines Lithiumniobat dagegen hohe elektro-optische Eigenschaften aufweist und doppelbrechend ist, wird es hauptsächlich zur Herstellung von optischen Bauelementen wie optischen Wellenleitern verwendet. Klein bemessene und/oder dünne optische Geräte, beispielsweise optische Aufnehmer, die solche optischen Bauteile enthalten, sind gefragt.
Da bekannte Arten von Glas und Kunststoff eine Brechzahl von unter 1,9 haben, weisen aus solchen Materialien gefertigte optische Bauelemente und solche optische Bauelemente enthaltende optische Geräte hinsichtlich Größe und Dicke Beschränkungen auf. Die bekannten Arten von Kunststoff haben insbesondere den Nachteil, dass auftreffendes Licht nicht genügend durchgelassen und damit gesammelt werden kann, da sie eine geringe Feuchtebeständigkeit haben und doppelbrechend sind.
Monokristallines Lithiumniobat hat dagegen eine hohe Brechzahl von zum Beispiel 2, 3. Monokristallines Lithiumniobat hat aber den Nachteil, dass es für optische Bauelemente wie Linsen ungeeignet ist und beschränkt anwendbar ist, da es doppelbrechend ist.
Beispiele für ein Material, das nicht doppelbrechend ist und zufrieden stellende optische Eigenschaften aufweist, umfassen durchscheinende Keramiken, die hauptsächlich Ba(Mg, Ta)O₃- oder Ba(Zn, Ta)O₃-Perowskit enthalten. Solche Keramiken werden in den Patentschriften 3 und 4 offenbart.
Bei einer in der JP 2004075512A offenbarten durchscheinenden Keramik, die hauptsächlich Ba(Mg, Ta)O₃-Perowskit enthält, können deren optische Eigenschaften, zum Beispiel ihre Brechzahl und ihre Abbe'sche Zahl verändert werden, indem Mg und/oder Ta teilweise durch Sn und/oder Zr ersetzt werden, das ein tetravalentes Element ist. Eine Zunahme der Anzahl ersetzter Elemente verstärkt die Änderungen der Eigenschaften. Es ist aber schwierig, die Brechzahl und die Abbe'sche Zahl der durchscheinenden Keramik stark zu verändern, da die Obergrenze der Anzahl ersetzter Elemente klein ist, 0,40. Ihre Brechzahl kann zum Beispiel in dem Bereich von 2,071 bis 2,082 verändert werden.
Bei einer in der JP 2004075516A offenbarten durchscheinenden Keramik, die hauptsächlich Ba(Zn, Ta)O₃-Perowskit enthält, können Zn und/oder Ta durch Zr ersetzt werden; die Obergrenze der Anzahl ersetzter Elemente ist aber klein, 0,06. Daher ist es schwierig, ihre Brechzahl und Abbe'sche Zahl stark zu verändern. Ihre Brechzahl kann zum Beispiel in dem Bereich von 2,128 bis 2,132 verändert werden.
In der Schrift DE 101 95 586 T1 ist eine durchscheinende Keramik beschrieben, die im Wesentlichen aus Ba(Mg, Ta)O₃ besteht, wobei die tetravalenten Elemente Sn, Zr oder Hf substituiert sein können. Um den linearen Transmissionsgrad jedoch nicht zu sehr abfallen zu lassen, wird eine Menge an tetravalenten Elementen von weniger als 0,55 vorgesehen.
Weiterhin beschreibt die Schrift „Hofmann, Christian: „Optical Materials” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry”, dass bei konventionellen optischen Materialien die mittlere Dispersion näherungsweise eine lineare Funktion des Brechungsindex ist.
Generell führt die Verwendung durchscheinender Keramiken bei der Herstellung optischer Bauelemente bei der Ausgestaltung optischer Geräte zu einer Abnahme des Freiheitsgrads.
Im Allgemeinen ist der lineare Transmissionsgrad von sichtbarem Licht durch ein optisches Bauelement wie eine Linse vorzugsweise von der Wellenlänge unabhängig. Daher gibt es ein Problem, da eine Abnahme der Wellenlänge den linearen Transmissionsgrad eines optischen Bauelements, das aus einer der durchscheinenden Keramiken gefertigt ist, senkt.
Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Die vorliegende Erfindung erfolgte zur Lösung der vorstehenden Probleme. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine durchscheinende Keramik an die Hand zu geben, die eine große Brechzahl hat und deren Brechzahl und Abbe'sche Zahl in einem breiten Bereich verändert werden können, sowie einen Prozess für das Herstellen der durchscheinenden Keramik an die Hand zu geben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine durchscheinende Keramik an die Hand zu geben, bei der der lineare Transmissionsgrad von sichtbarem Licht im Wesentlichen von der Wellenlänge unabhängig ist, und auch einen Prozess für das Herstellen der durchscheinenden Keramik an die Hand zu geben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optisches Bauelement mit kleinen Außenmaßen und zufrieden stellenden optischen Eigenschaften sowie ein optisches Gerät, das ein solches optisches Bauelement enthält, an die Hand zu geben.
Mittel für das Lösen der Probleme
Eine durchscheinende Keramik nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung enthält hauptsächlich eine Zusammensetzung, die durch die Formel Ba{Ti_x1M_x2(Mg_1-tZn_t)_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w wiedergegeben wird, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist; w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität ist; x1 + x2 + y + z = 1; 0,55 < x1 + x2 ≤ 0,90; 0 < x1 < 0,90; 0 < x2 ≤ 0,60; 1,60 ≤ z/y ≤ 2,40; 1,00 ≤ v ≤ 1,05; 0 < t < 1; und 0 ≤ u ≤ 1.
Eine durchscheinende Keramik nach einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung enthält hauptsächlich eine Zusammensetzung, die durch die Formel Ba{Ti_x1M_x2Zn_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w wiedergegeben wird, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist; w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität ist; x1 + x2 + y + z = 1; 0,55 < x1 + x2 ≤ 0,60; 0 < x1 < 0,60; 0 < x2 ≤ 0,30; 1,60 ≤ z/y ≤ 2,40; 1,00 ≤ v ≤ 1,05; und 0 ≤ u ≤ 1.
Eine durchscheinende Keramik nach einer dritten erfindungsgemäßen Ausgestaltung enthält hauptsächlich eine Zusammensetzung, die durch die Formel Ba{Ti_x1M_x2Mg_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w wiedergegeben wird, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist; w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität ist; x1 + x2 + y + z = 1; 0,55 < x1 + x2 ≤ 0,80; 0 < x1 < 0,80; 0 < x2 ≤ 0,40; 1,60 ≤ z/y ≤ 2,40; 1,00 ≤ v ≤ 1,05; und 0 ≤ u ≤ 1.
Die erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken haben einen linearen Transmissionsgrad von 20% oder höher, wobei der lineare Transmissionsgrad mit Hilfe sichtbaren Lichts mit einer Wellenlänge von 633 nm und einer Probe mit einer Dicke von 0,4 mm ermittelt wird.
Die erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken haben eine Brechzahl von 2,01 oder höher, wobei die Brechzahl mit Hilfe sichtbaren Lichts mit einer Wellenlänge von 633 nm ermittelt wird.
Die erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken haben eine polykristalline Struktur.
Die vorliegende Erfindung gibt einen Prozess für das Herstellen einer beliebigen der durchscheinenden Keramiken an die Hand. Der erfindungsgemäße Prozess umfasst einen Schritt des Erzeugens eines eine vorbestimmte Form aufweisenden ungesinterten keramischen Körpers, der mit Hilfe eines Gemisches aus keramischen Rohmaterialpulvern gebildet wird; einen Schritt des Erzeugens einer so genannten Co-firing-Zusammensetzung (Co-firing = gemeinsames Sintern) mit im Wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie bei dem Gemisch der keramischen Rohmaterialpulver; und einen Schritt des so gearteten Sinterns des ungesinterten keramischen Körpers in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von 90 Vol.-% oder mehr, dass der ungesinterte keramische Körper in Berührung mit der Co-firing-Zusammensetzung steht.
Bei dem erfindungsgemäßen Prozess ist die Co-firing-Zusammensetzung ein Pulver und der Schritt des Sinterns wird so ausgeführt, dass der ungesinterte keramische Körper in der Co-firing-Zusammensetzung eingebettet ist.
Die vorliegende Erfindung gibt eine durch den erfindungsgemäßen Prozess hergestellte durchscheinende Keramik an die Hand.
Die vorliegende Erfindung gibt ein aus einer beliebigen der durchscheinenden Keramiken gefertigtes optisches Bauelement und ein das optische Bauelement enthaltendes optisches Gerät an die Hand.
Vorteile
Die vorliegende Erfindung gibt durchscheinende Keramiken an die Hand, die nicht doppelbrechend sind und eine Brechzahl von 1,9 oder mehr und bevorzugter von 2,01 oder mehr haben. Dies führt zur Verwirklichung von optischen Bauelementen mit relativ kleinen Außenmaßen, die die erwünschten optischen Eigenschaften aufweisen können.
Die erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken sind bezüglich der Brechzahl und der Abbe'schen Zahl in einem breiten Bereich steuerbar. Dies führt zu einem größeren Freiheitsgrad bei der Ausgestaltung optischer Geräte, die optische Bauelemente enthalten, die aus einer der erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken hergestellt wurden.
Der lineare Transmissionsgrad von erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken ist im Wesentlichen unabhängig von der Wellenlänge. Dies führt zur Verwirklichung von hochtransparenten optischen Bauelementen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht einer bikonvexen Linse 10, die ein erstes Beispiel eines optischen Bauelements ist, das aus einer der erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken hergestellt wurde.
2 ist eine Schnittansicht einer bikonkaven Linse 11, die ein zweites Beispiel des optischen Bauelements ist.
3 ist eine Schnittansicht einer Meniskuslinse 12, die ein drittes Beispiel des optischen Bauelements ist.
4 ist eine Schnittansicht einer Vorrichtung 13 zur Einstellung der optischen Weglänge, die ein viertes Beispiel des optischen Bauelements ist.
5 ist eine Schnittansicht einer sphärischen Linse 14, die ein fünftes Beispiel des optischen Bauelements ist.
6 ist eine schematische Vorderansicht eines optischen Aufnehmers 9, der ein Beispiel eines optischen Geräts ist, das ein optisches Bauelement enthält, das aus einer der erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken gefertigt wurde.
Bezugszeichenliste

1: Aufzeichnungsträger
2: Objektivlinse
3: halbdurchlässiger Spiegel
4: Kollimatorlinse
5: Halbleiterlaser
6: Kondensorlinse
7: Fotodetektor
8: Laserlichtstrahlen
9: optischer Aufnehmer
10: bikonvexe Linse
11: bikonkave Linse
12: Meniskuslinse
13: Vorrichtung zur Einstellung der optischen Weglänge
14: sphärische Linse

Beste Art der Ausführung der Erfindung
Erfindungsgemäße durchscheinende Keramiken werden im Allgemeinen durch die Zusammensetzungsformel Ba{(Mg, Zn)(Ta, Nb)}O₃ wiedergegeben. Die durchscheinenden Keramiken enthalten eine komplexe Perowskit-Verbindung mit einer hexagonalen Kristallstruktur. Ba besetzt die A-Plätze der Perowskit-Struktur, und bivalente Elemente wie Mg und Zn sowie pentavalente Elemente wie Ta und Nb besetzen die B-Plätze derselben.
In der in der ersten Ausgestaltung beschriebenen Formel Ba{Ti_x1M_x2(Mg_1-tZn_t)_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w, in der in der zweiten Ausgestaltung beschriebenen Formel und in der in der dritten Ausgestaltung beschriebenen Formel Ba{Ti_x1M_x2Mg_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w wird das Molverhältnis von Ta oder Nb zu Mg oder Zn durch z/y wiedergegeben und liegt aufgrund der Perowskit-Struktur in dem Bereich von 1,60 bis 2,40. Es ist nicht bevorzugt, dass das Verhältnis z/y außerhalb des obigen Bereichs liegt, da die durchscheinenden Keramiken einen linearen Transmissionsgrad von unter 20% aufweisen. Das Verhältnis der B-Plätze zu den A-Plätzen wird durch v wiedergegeben und liegt aufgrund des gleichen vorstehend beschriebenen Grunds in dem Bereich von 1,00 bis 1,05. Die Häufigkeit von O wird durch w wiedergegeben und ist nahe 3. Wenn die B-Plätze dieser Perowskit-Verbindungen durch mindestens eines der tetravalenten Elemente wie Ti, Sn, Zr und Hf besetzt werden, haben diese Perowskit-Verbindungen eine kubische Kristallstruktur und sind durchscheinend.
Die Brechzahl der erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken kann durch das Ersetzen mindestens eines der tetravalenten Elemente wie Ti, Sn, Zr und Hf verändert werden. Sn ist bei der Senkung ihrer Brechzahl effektiv, Ti, Zr und Hf sind dagegen bei der Anhebung der Brechzahl effektiv. Insbesondere ist die Wirkung von Ti groß. Der absolute Wert einer Änderung der Brechzahl ist im Wesentlichen proportional zur Anzahl ersetzter tetravalenter Elemente. Um die Brechzahl stark zu verändern, wird daher vorzugsweise die Anzahl ersetzter tetravalenter Elemente erhöht. Mindestens eines von Ti und Sn und mindestens eines von Zr und Hf können kombiniert bei einem geeigneten Verhältnis verwendet werden, wodurch die Brechzahl der durchscheinenden Keramiken frei gesteuert werden kann. Die Abbe'sche Zahl, die die wellenlängenabhängige Änderung der Brechzahl anzeigt, kann durch Erhöhen der Anzahl ersetzter tetravalenter Elemente wie Ti, Sn, Zr und Hf stark verändert werden. Sn ist bei der Anhebung der Abbe'schen Zahl effektiv, Ti, Zr und Hf sind dagegen bei der Senkung der Abbe'schen Zahl effektiv.
Die durchscheinenden Keramiken nach der ersten bis dritten erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden nun bezüglich Zusammensetzung einzeln eingehend beschrieben. Die durchscheinenden Keramiken der ersten bis dritten erfindungsgemäßen Ausgestaltung unterscheiden sich in der Anzahl an ersetzten tetravalenten Elementen voneinander.
Die durchscheinende Keramik nach der ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung enthält hauptsächlich eine Zusammensetzung, die durch die Formel Ba{Ti_x1M_x2(Mg_1-tZn_t)_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w wiedergegeben wird, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist; w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität; x1 + x2 + y + z = 1; 0,55 < x1 + x2 ≤ 0,90; 0 < x1 < 0,90; 0 < x2 ≤ 0,60; 1,60 < z/y ≤ 2,40; 1,00 ≤ v ≤ 1,05; 0 < t < 1; und 0 ≤ u ≤ 1.
Einfacher ausgedrückt: die durchscheinende Keramik der ersten Ausgestaltung enthält sowohl Mg als auch Zn, die bivalente Elemente sind. Dies führt zu einer Anhebung der Obergrenze der Anzahl ersetzter tetravalenter Elemente, wobei die Anzahl durch x1 + x2 wiedergegeben wird. Weiterhin enthält die durchscheinende Keramik Ti, das ein tetravalentes Element ist. Dies führt auch zu einer Anhebung der Obergrenze von x1 + x2. Bei der durchscheinenden Keramik ist die Obergrenze von x1 + x2 0,90 und ist größer als die bekannter Ba(Mg, Ta)O₃-Keramiken. Bei der durchscheinenden Keramik kann die Brechzahl in dem Bereich von 2,079 bis 2,362 stark verändert werden und die Abbe'sche Zahl kann in dem Bereich von 13,2 bis 29,9 stark verändert werden. Es ist nicht bevorzugt, dass der Wert von x1 + x2 unter 0,015 liegt, da die durchscheinende Keramik keine kubische Kristallstruktur aufweisen kann und ihr linearer Transmissionsgrad unter 20% liegt. Weiterhin ist es nicht bevorzugt, dass der Wert von x1 + x2 größer als 0,90 ist, da der lineare Transmissionsgrad unter 20% liegt.
Die durchscheinende Keramik der zweiten Ausgestaltung enthält hauptsächlich eine Zusammensetzung, die durch die Formel Ba{Ti_x1M_x2Zn_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w wiedergegeben wird, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist; w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität ist; x1 + x2 + y + z = 1; 0,55 < x1 + x2 ≤ 0,60; 0 < x1 < 0,60; 0 < x2 ≤ 0,30; 1,60 ≤ z/y ≤ 2,40; 1,00 ≤ v ≤ 1,05; und 0 ≤ u ≤ 1.
Das obige Ba{Zn(Ta, Nb)O₃-System enthält Ti, Sn oder Hf, das ein tetravalentes Element ist. Dies führt zu einer Anhebung der Obergrenze der Anzahl ersetzter tetravalenter Elemente, wobei die Anzahl durch x1 + x2 wiedergegeben wird. Ti ist insbesondere beim Anheben der Obergrenze von x1 + x2 effektiv. Bei dieser durchscheinenden Keramik ist die Obergrenze von x1 + x2 0,60 und ist größer als die bekannter Ba(Mg, Ta)O₃-Keramiken. Bei dieser durchscheinenden Keramik kann die Brechzahl in dem Bereich von 2,116 bis 2,294 stark verändert werden und die Abbe'sche Zahl kann in dem Bereich von 15,3 bis 29,3 stark verändert werden. Es ist nicht bevorzugt, dass der Wert von x1 + x2 unter 0,01 liegt, da diese durchscheinende Keramik keine kubische Kristallstruktur aufweisen kann und ihr linearer Transmissionsgrad unter 20% liegt. Weiterhin ist es nicht bevorzugt, dass der Wert von x1 + x2 größer als 0,60 ist, da der lineare Transmissionsgrad unter 20% liegt.
Die durchscheinende Keramik der dritten Ausgestaltung enthält hauptsächlich eine Zusammensetzung, die durch die Formel Ba{Ti_x1M_x2Mg_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w wiedergegeben wird, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist; w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität ist; x1 + x2 + y + z = 1; 0,55 < x1 + x2 ≤ 0,80; 0 < x1 < 0,80; 0 < x2 ≤ 0,40; 1,60 ≤ z/y ≤ 2,40; 1,00 ≤ v ≤ 1,05; und 0 ≤ u ≤ 1.
Die durchscheinende Keramik der dritten Ausgestaltung ist ein Ba{Mg(Ta, Nb)O₃-Typ und enthält Ti, das ein tetravalentes Element ist. Dies führt zu einer Anhebung der Obergrenze von x1 + x2. Die Obergrenze von x1 + x2 ist 0,80. Die Brechzahl kann in dem Bereich von 2,080 bis 2,307 verändert werden und die Abbe'sche Zahl kann in dem Bereich von 18,2 bis 29,8 verändert werden. Es ist nicht bevorzugt, dass der Wert von x1 + x2 unter 0,04 liegt, da diese durchscheinende Keramik keine kubische Kristallstruktur aufweisen kann und der lineare Transmissionsgrad unter 20% liegt. Weiterhin ist es nicht bevorzugt, dass der Wert von x1 + x2 größer als 0,80 ist, da der lineare Transmissionsgrad unter 20% liegt.
Wie vorstehend beschrieben können die durchscheinenden Keramiken nach der ersten und zweiten Ausgestaltung bezüglich Brechzahl und Abbe'sche Zahl gegenüber bekannten durchscheinenden Keramiken stärker verändert werden. Dies führt zu einer Zunahme des Freiheitsgrads bei der Ausgestaltung optischer Geräte.
Warum das Vorliegen von Ti die Obergrenze der Anzahl ersetzter tetravalenter Elemente anhebt, ist nicht klar, und als Grund kann folgendes vermutet werden: der Ionenradius von Ti ist kleiner als der von Zr, Sn und Hf, und dies führt zu einer Anhebung der Obergrenze der Anzahl ersetzter tetravalenter Elemente (der Radius von Zr⁴⁺ ist 0,072 nm, der Radius von Sn⁴⁺ ist 0,069 nm, der Radius von Ti⁴⁺ ist 0,061 nm und der Radius von Hf⁴⁺ ist 0,071 nm).
Die erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken können innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung unvermeidbare Verunreinigungen enthalten. Beispiele für Verunreinigungen, die in Ausgangsstoffoxiden oder Carbonaten enthalten sind, und Verunreinigungen, die durchscheinende Keramiken während ihrer Herstellungsschritte verunreinigen, umfassen SiO₂, Fe₂O₃, B₂O₃, CaO, Y₂O₃, ZrO₂, Al₂O₃, SrO, WO₃, Bi₂O₃, und Seltenerdoxide wie Sb₂O₅ und La₂O₃.
Nun wird ein Prozess für das Herstellen einer erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramik beschrieben.
Um die durchscheinende Keramik zu herzustellen, wird ein ungesinterter keramischer Körper mit einer vorbestimmten Form durch Formen eines Gemisches keramischer Rohmaterialpulver erzeugt. Ferner wird eine Co-firing-Zusammensetzung mit der gleichen Zusammensetzung wie beim Gemisch der keramischen Rohmaterialpulver erzeugt. Der ungesinterte keramische Körper wird in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von 90 Vol.-% oder mehr so gesintert, dass der ungesinterte keramische Körper in Berührung mit der Co-firing-Zusammensetzung steht.
Bei dem obigen Prozess ist die Co-firing-Zusammensetzung zum Beispiel ein durch Kalzinieren eines Ausgangsmaterials mit der gleichen Zusammensetzung wie der des keramischen Körpers und dann Pulverisieren des kalzinierten Ausgangsmaterials erzeugtes Pulver. Die Verwendung der Co-firing-Zusammensetzung verhindert, dass ein flüchtiger Bestandteil in dem keramischen Körper während des Sinterns verdampft wird. Daher wird der Sinterschritt vorzugsweise so ausgeführt, dass der ungesinterte keramische Körper in der pulvrigen Co-firing-Zusammensetzung eingebettet ist. Die Co-firing-Zusammensetzung ist nicht auf Pulver beschränkt und kann ein Formteil oder ein gesinterter Körper sein.
Die Co-firing-Zusammensetzung weist vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung wie das Pulvergemisch für das Bilden des keramischen Körpers auf und kann im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie das Pulvergemisch haben. Der Satz „die Co-Firing-Zusammensetzung hat im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie das Pulvergemisch” bedeutet, dass die Co-firing-Zusammensetzung und das Pulvergemisch die gleichen Bestandteile enthalten und die Zusammensetzung der Co-firing-Zusammensetzung ähnlich zu der des Pulvergemisches ist, und bedeutet auch, dass die Zusammensetzung der Co-firing-Zusammensetzung nicht vollständig gleich der des Pulvergemisches sein muss. Die Co-firing-Zusammensetzung muss nicht durchscheinend sein.
Der Schritt des Sinterns kann bei einem Druck unter oder gleich dem Atmosphärendruck ausgeführt werden. Daher ist ein Druckregler, beispielsweise eine isostatische Heisspresse (HIP), nicht notwendig.
Die erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken haben einen hohen linearen Transmissionsgrad, und ihr linearer Transmissionsgrad kann durch Vorsehen einer reflexmindernden Schicht auf jeder durchscheinenden Keramik erhöht werden. Wenn zum Beispiel eine Probe einen linearen Transmissionsgrad von 74,8% und eine Brechzahl von 2,114 aufweist, ist der theoretische Höchstwert des linearen Transmissionsgrad nach dem Fresnelschen Gesetz gleich 76,0%. Bei dieser Probe ist der relative Transmissionsgrad gleich 98,4% des theoretischen Transmissionsgrads. Dies bedeutet, dass die Probe kaum Transmissionsgradverlust aufweist. Daher kann der lineare Transmissionsgrad der Probe durch Vorsehen einer solchen reflexmindernden Schicht auf der Probe bis nahe dem theoretischen Transmissionsgrad angehoben werden.
Die erfindungsgemäßen Keramiken können für die Herstellung optischer Bauelemente wie Linsen eingesetzt werden. Insbesondere sind die durchscheinenden Keramiken bei der Erzeugung einer bikonvexen 10, einer bikonkaven Linse 11, einer Meniskuslinse 12, einer Vorrichtung 13 zur Einstellung der optischen Weglänge und einer sphärischen Linse 14 brauchbar, die in 1 bis 5 gezeigt werden.
Ein optisches Gerät mit einem dieser optischen Bauelemente wird nun beschrieben, wobei ein optischer Aufnehmer als Beispiel herangezogen wird.
6 zeigt einen optischen Aufnehmer 9, bei dem kohärente Laserlichtstrahlen 8 auf einen Aufzeichnungsträger 1, beispielsweise eine Compact Disk oder eine Mini Disk; gerichtet und auf dem Aufzeichnungsträger 1 aufgezeichnete Informationen mit Hilfe der von diesem reflektierten Lichtstrahlen abgerufen werden.
Der optische Aufnehmer 9 weist eine Kollimatorlinse 4 für das Umwandeln der von einem Halbleiterlaser 5 emittierten Laserlichtstrahlen 8 in parallele Lichtstrahlen auf und enthält ferner einen halbdurchlässigen Spiegel 3, der in dem Weg angeordnet wird, in dem sich die parallelen Lichtstrahlen fortpflanzen. Der halbdurchlässige Spiegel 3 lässt Licht, das sich von der Kollimatorlinse 4 fortpflanzt, durch, ändert aber durch Reflexion die Fortpflanzungsrichtung des von dem Aufzeichnungsträger 1 reflektierten Lichts um etwa 90 Grad.
Der optische Aufnehmer 9 weist weiterhin eine Objektivlinse 2 für das Bündeln des sich von dem halbdurchlässigen Spiegel 3 fortpflanzenden Lichts auf einer Aufzeichnungsfläche des Aufzeichnungsträgers 1 auf. Die Objektivlinse 2 kann von dem Aufzeichnungsträger 1 reflektiertes Licht effizient zu dem halbdurchlässigen Spiegel 3 durchlassen. Da die Phase des auf den halbdurchlässigen Spiegel 3 auftreffenden reflektierten Lichts aufgrund der Reflexion verschoben wird, wird die Fortpflanzungsrichtung des reflektierten Lichts geändert.
Der optische Aufnehmer 9 weist weiterhin einen Kondensorlinse 6 für das Bündeln des reflektierten Lichts, dessen Fortpflanzungsrichtung geändert wurde. Der optische Aufnehmer 9 weist weiterhin für das Abfragen von Informationen, die aus dem reflektierten Licht erhalten werden, einen Photodetektor 7 auf, der an einer Position angeordnet ist, an der das reflektierte Licht gebündelt wird.
Bei dem optischen Aufnehmer 9 mit einer solchen Konfiguration können, wenn die Objektivlinse 2 aus einer der erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken gefertigt ist, die Größe und Dicke des optischen Aufnehmers 9 reduziert werden, da die durchscheinende Keramik eine große Brechzahl hat.
Nun werden die erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken unter Bezug auf Experimente beschrieben.
[Experiment 1]
Experiment 1 entspricht der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Es wurden die folgenden Rohmaterialpulver erzeugt: ein BaCO₃-Pulver, ein MgCO₃-Pulver, ein ZnO-Pulver, ein Ta₂O₅-Pulver, ein TiO₂-Pulver, ein SnO₂-Pulver, ein ZrO₂-Pulver und ein HfO₂-Pulver, wobei diese Pulver eine hohe Reinheit aufwiesen. Die Rohmaterialpulver wurden so abgewogen, dass die in den Tabellen 1 und 2 gezeigten Proben erhalten wurden, wobei die Proben durch die Formel Ba{Ti_x1M_x2(Mg_1-tZn_t)_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w, wiedergegeben werden, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist und w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität ist. Die sich ergebenden Pulver wurden 16 Stunden lang mit einer Kugelmühle nassaufbereitet. Das Gemisch wurde getrocknet und dann drei Stunden lang bei 1.300°C kalziniert, wodurch ein kalziniertes Pulver erhalten wurde. Der Wert w in dem kalzinierten Pulver lag bei etwa 3. [Tabelle 1]
[Tabelle 2]
In der Spalte „Durch M wiedergegebenes Element und Gehalt”, die in Tabelle 1 bzw. 2 gezeigt wird, ist der Gehalt eines durch M wiedergegebenen Elements gleich x2 und der Gesamtgehalt der durch M wiedergegebenen zwei oder mehr Elemente ist gleich x2.
Das kalzinierte Pulver wurde zusammen mit Wasser und einem organischen Bindemittel in eine Kugelmühle gegeben und dann 16 Stunden lang nassaufbereitet. Das organische Bindemittel war Ethylcellulose.
Das pulverisierte Pulver wurde getrocknet und dann durch ein Sieb mit der Siebnummer 50 gegeben. Das sich ergebende Pulver wurde bei einem Druck von 196 MPa pressgeformt, wodurch ein scheibenförmiger ungesinterter keramischer Körper mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Dicke von 2 mm erhalten wurde.
Der ungesinterte keramische Körper wurde in Pulver mit der gleichen Zusammensetzung wie die des Gemisches der darin enthaltenen keramischen Rohmaterialpulver eingebettet. Der sich ergebende keramische Körper wurde in einen Sinterofen gegeben und dann in einer Luftatmosphäre erhitzt, wodurch das Bindemittel aus dem keramischen Körper entfernt wurde. Der Luftatmosphäre wurde Sauerstoff zugeführt, während die Ofentemperatur angehoben wurde, so dass der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre um etwa 98 Vol.-% angehoben wurde, als die Höchsttemperatur von 1.625°C erreicht wurde. Der keramische Körper wurde 20 Stunden lang so gesintert, dass die Sintertemperatur und der Sauerstoffgehalt unverändert beibehalten wurden, wodurch ein gesinterter Körper erhalten wurde.
Der erhaltene gesinterte Körper wurde hochglanzpoliert, wodurch eine scheibenförmige durchscheinende Keramikprobe mit einer Dicke von 0,4 mm erhalten wurde.
Die wie vorstehend beschrieben erzeugten Proben wurden mit Hilfe eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge λ von 633 nm auf linearen Transmissionsgrad und Brechzahl hin gemessen. Zur Ermittlung des linearen Transmissionsgrads, der eine der durchscheinenden Eigenschaften ist, wurde ein Shimadzu-Spektralphotometer (UV-200S) verwendet. Zur Ermittlung der Brechzahl wurde ein Metricon Prismenkoppler (Modell 2010) eingesetzt.
Weiterhin wurde jede Probe mit Hilfe von Lichtstrahlen mit einer Wellenlänge λ von 405, 532 bzw. 830 nm auf die Brechzahl hin gemessen. Die Beziehung zwischen Wellenlänge und Brechzahl wurde so bestimmt, dass Konstanten a, b und c mit folgender Gleichung berechnet wurden, wobei die für jede der vier Wellenlängen (405, 532, 633 und 830 nm) ermittelte Brechzahl verwendet wurde: n = a/λ⁴ + b/λ² + c 1 wobei n für die Brechzahl steht, λ für die Wellenlänge und a, b und c jeweils für eine Konstante stehen.

Um die Abbe'sche Zahl (v_d) zu ermitteln, wurde die Brechzahl für jede der drei Wellenlängen (F-Linie (486,13 nm), d-Linie (587,56 nm) und C-Linie (656,27 nm)) aus Gleichung 1 berechnet. Die Abbe'sche Zahl wurde mit folgender Gleichung berechnet:

v_d = (n_d – 1)/(n_F – n_C) 2

wobei n_d für die Brechzahl steht, die mit Hilfe der d-Linie ermittelt wurde, n_F für die Brechzahl steht, die mit Hilfe der F-Linie ermittelt wurde, und n_C für die Brechzahl steht, die mit Hilfe der C-Linie ermittelt wurde. Der lineare Transmissionsgrad, die Brechzahl und die Abbe'sche Zahl, die wie vorstehend beschrieben ermittelt wurden, werden in den Tabellen 3 und 4 gezeigt. [Tabelle 3]

Proben	Linearer Transmissionsgrad (%) (633 nm)	Brechzahl (633 nm)	Abbe'sche Zahl v_d
*1	15.2	2.098	28.2
*2	20.8	2.099	28.1
*3	73.4	2.150	24.1
*4	66.7	2.205	20.5
*5	52.3	2.260	17.5
*6	38.2	2.315	15.0
*7	22.1	2.342	13.9
*8	18.8	2.348	13.7
*9	76.0	2.092	28.7
*10	76.2	2.096	28.3
*11	76.3	2.103	27.8
*12	74.8	2.12	26.3
*13	68.8	2.146	24.4
14	53.0	2.171	22.6
15	41.0	2.197	21.0
16	27.2	2.210	20.2
17	21.2	2.165	23.0
*18	25.0	2.096	28.3
*19	70.5	2.123	26.1
*20	70.5	2.098	28.1
*21	74.2	2.102	27.8
*22	74.8	2.111	27.1
*23	67.9	2.152	24.0
24	30.8	2.180	22.0
25	21.8	2.223	19.4
26	20.0	2.183	21.8
*27	75.2	2.127	25.8
*28	76.0	2.108	27.4
*29	75.7	2.109	27.2
*30	21.2	2.079	29.9
*31	72.8	2.130	25.6
*32	51.9	2.240	18.5
*33	21.8	2.322	14.7

[Tabelle 4]

Proben	Linearer Transmissionsgrad (%) (633 nm)	Brechzahl (633 nm)	Abbe'sche Zahl v_d
*34	20.9	2.081	29.7
*35	73.1	2.132	25.4
*36	52.0	2.242	18.4
*37	20.8	2.324	14.6
*38	21.0	2.117	26.6
*39	73.2	2.168	22.8
*40	52.3	2.278	16.6
*41	21.5	2.360	13.3
*42	21.1	2.119	26.4
*43	72.1	2.170	22.7
*44	51.1	2.280	16.5
*45	20.6	2.362	13.2
*46	13.0	2.101	27.8
*47	28.7	2.103	27.6
*48	42.1	2.120	26.2
*49	60.3	2.164	22.8
*50	53.2	2.208	19.9
*51	31.2	2.318	14.4
*52	60.1	2.156	23.4
*53	64.0	2.142	24.4
*54	67.1	2.129	25.5
*55	67.2	2.137	24.8
*56	68.9	2.132	25.2
*57	69.2	2.122	26
*58	67.1	2.117	26.5
*59	Nicht gesintert	-	-
*60	32.2	2.143	24.3
*61	49.2	2.182	21.5
*62	27.7	2.191	21.0
*63	Nicht gesintert	-	-
*64	18.8	2.166	22.7
*65	58.0	2.165	22.7
*66	52.3	2.162	22.9
*67	44.1	2.160	23.1
*68	15.0	2.157	24.9

In den Tabellen 1 bis 4 liegen die mit Sternchen gekennzeichneten Proben außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezug auf die Tabellen 1 und 2 erfüllen die Proben 2 bis 7, 9 bis 45, 47 bis 58, 60 bis 62 und 65 bis 67, die innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen, die folgenden Bedingungen: 0,015 ≤ x1 + x2 ≤ 0,90, 0 < x1 ≤ 0,90,0 ≤ x2 ≤ 0,60, 1,60 ≤ z/y ≤ 2,40, 1,00 ≤ v ≤ 1,05, 0 < t < 1 und 0 ≤ u ≤ 1. Unter Bezug auf die Tabellen 3 und 4 weisen diese Proben einen linearen Transmissionsgrad von 20% oder höher, eine große Brechzahl von 2,01 oder höher, d. h. eine Brechzahl von 2,079 bis 2,362, und eine Abbe'sche Zahl von 13,2 bis 29,9 auf. Die Unterschiede bei Brechzahl und Abbe'scher Zahl sind bei diesen Proben groß.
Die Vergleiche zwischen den Proben 2 bis 7, zwischen den Proben 30 bis 33, zwischen den Proben 34 bis 37, zwischen den Proben 38 bis 41, zwischen den Proben 42 bis 45 und zwischen den Proben 47 bis 51 zeigen, dass eine Zunahme des Ti-Gehalts die Brechzahl steigen lässt, die Abbe'sche Zahl aber sinken lässt.
Die Vergleiche zwischen den Proben 9 bis 29 und zwischen den Proben 54 bis 58 zeigen, dass die Brechzahl und die Abbe'sche Zahl mit Hilfe mindestens eines von Ti und Sn und mindestens eines von Zr und Hf kombiniert bei einem geeigneten Verhältnis frei gesteuert werden können.
Bei den Proben 1 und 46, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen, liegt der lineare Transmissionsgrad dagegen unter 20%, da der Wert von x1 + x2 unter 0,015 liegt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass diese Proben keine kubische Kristallstruktur haben können.
Bei der Probe 8, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt, liegt der lineare Transmissionsgrad unter 20%, da der Wert von x1 größer als 0,90 ist und der Wert von x1 + x2 größer als 0,90 ist.
Bei den Proben 59 und 63, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen, liegt der Wert von z/y außerhalb des Bereichs von 1,60 bis 2,40. Bei den Proben 64 und 68, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen, liegt der Wert von v außerhalb des Bereichs von 1,00 bis 1,05. Diese Proben konnten bei dem Schritt des Sinterns nicht gesintert werden oder haben, selbst wenn sie gesintert wurden, einen linearen Transmissionsgrad von unter 20%.
[Experiment 2]
Experiment 2 entspricht der zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.

Es wurden die folgenden Rohmaterialpulver erzeugt: ein BaCO₃-Pulver, ein ZnO-Pulver, ein Ta₂O₅-Pulver, ein TiO₂-Pulver, ein SnO₂-Pulver, ein ZrO₂-Pulver und ein HfO₂-Pulver, wobei diese Pulver eine hohe Reinheit aufwiesen. Die Rohmaterialpulver wurden so abgewogen, dass die in der Tabelle 5 gezeigten Proben erhalten wurden, wobei die Proben durch die Formel Ba(Ti_x1M_x2Zn_y(Ta_1-uNb_u}_z}_vO_w, wiedergegeben werden, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist und w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität ist. Die sich ergebenden Pulver wurden 16 Stunden lang mit einer Kugelmühle nassaufbereitet. Das Gemisch wurde getrocknet und dann drei Stunden lang bei 1.300°C kalziniert, wodurch ein kalziniertes Pulver erhalten wurde. Der Wert w in dem kalzinierten Pulver lag bei etwa 3. [Tabelle 5]

Proben	x1	Durch M wiedergegebenes Element und Gehalt	x2	y	z	z/y	u	v
*101	0.005	-	0	0.329	0.666	2.03	0	1.005
*102	0.010	-	0	0.327	0.663	2.03	0	1.005
*103	0.020	-	0	0.324	0.656	2.03	0	1.005
*104	0.027	-	0	0.322	0.651	2.03	0	1.005
*105	0.054	-	0	0.313	0.633	2.03	0	1.005
*106	0.108	-	0	0.295	0.597	2.03	0	1.005
*107	0.162	-	0	0.277	0.561	2.03	0	1.005
*108	0.270	-	0	0.241	0.489	2.03	0	1.005
*109	0.300	-	0	0.231	0.469	2.03	0	1.005
*110	0.450	-	0	0.182	0.368	2.03	0	1.005
*111	0.600	-	0	0.132	0.268	2.03	0	1.005
*112	0.650	-	0	0.116	0.234	2.03	0	1.005
*113	0.010	Sn:0.054	0.054	0.309	0.627	2.03	0	1.005
*114	0.020	Sn:0.054	0.054	0.306	0.620	2.03	0	1.005
*115	0.030	Sn:0.054	0.054	0.303	0.613	2.03	0	1.005
*116	0.054	Sn:0.054	0.054	0.295	0.597	2.03	0	1.005
*117	0.108	Sn:0.108	0.108	0.259	0.525	2.03	0	1.005
*118	0.162	Sn:0.162	0.162	0.223	0.453	2.03	0	1.005
*119	0.270	Sn:0.270	0.270	0.152	0.308	2.03	0	1.005
120	0.300	Sn:0.300	0.300	0.132	0.268	2.03	0	1.005
*121	0.027	Zr:0.027	0.027	0.313	0.633	2.03	0	1.005
*122	0.010	Hf:0.054	0.054	0.309	0.627	2.03	0	1.005
*123	0.020	Hf:0.054	0.054	0.306	0.620	2.03	0	1.005
*124	0.030	Hf:0.054	0.054	0.303	0.613	2.03	0	1.005
*125	0.054	Hf:0.054	0.054	0.295	0.597	2.03	0	1.005
*126	0.162	Hf:0.162	0.162	0.223	0.453	2.03	0	1.005
127	0.300	Hf:0.300	0.300	0.132	0.268	2.03	0	1.005
*128	0.027	Sn:0.054, Zr:0.027	0.081	0.295	0.597	2.03	0	1.005
*129	0.027	Sn:0.027, Zr:0.027 Hf:0.027	0.081	0.295	0.597	2.03	0	1.005
*130	0.161	-	0	0.284	0.555	1.95	1	1.005
*131	0.161	-	0	0.284	0.555	1.95	0.5	1.005

Die Gehaltsangaben der Spalte „Durch M wiedergegebenes Element und Gehalt” in Tabelle 5 sind gleich denen in Tabelle 1 bzw. 2.
Das kalzinierte Pulver mittels des gleichen Verfahrens wie in Experiment 1 beschrieben verarbeitet, wodurch ein scheibenförmiger ungesinterter keramischer Körper mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Dicke von 2 mm erhalten wurde.
Der ungesinterte keramische Körper wurde in Pulver mit der gleichen Zusammensetzung wie die des Gemisches der darin enthaltenen keramischen Rohmaterialpulver eingebettet. Der sich ergebende keramische Körper wurde in einen Sinterofen gegeben und dann in einer Luftatmosphäre erhitzt, wodurch ein Bindemittel aus dem keramischen Körper entfernt wurde. Der Luftatmosphäre wurde Sauerstoff zugeführt, während die Ofentemperatur angehoben wurde, so dass der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre um etwa 98 Vol.-% angehoben wurde, als die Höchsttemperatur von 1.600°C erreicht wurde. Der keramische Körper wurde 20 Stunden lang so gesintert, dass die Sintertemperatur und der Sauerstoffgehalt unverändert beibehalten wurden, wodurch ein gesinterter Körper erhalten wurde.
Der erhaltene gesinterte Körper wurde hochglanzpoliert, wodurch eine scheibenförmige durchscheinende Keramikprobe mit einer Dicke von 0,4 mm erhalten wurde.

Die wie vorstehend beschrieben erzeugten Proben wurden in gleicher Weise wie in Experiment 1 beschrieben auf linearen Transmissionsgrad, Brechzahl und Abbe'sche Zahl hin beurteilt. Tabelle 6 zeigt die Beurteilung. Tabelle 6

Proben	Linearer Transmissionsgrad (%) (633 nm)	Brechzahl (633 nm)	Abbe'sche Zahl v_d
*101	10.3	2.116	29.3
*102	20.3	2.116	29.3
*103	46.8	2.121	28.7
*104	63.8	2.123	28.5
*105	66.7	2.130	27.8
*106	63.1	2.145	26.2
*107	61.8	2.160	24.8
*108	59.1	2.190	22.3
*109	57.0	2.198	21.6
*110	38.2	2.239	18.6
*111	22.0	2.280	16.1
*112	18.3	2.294	15.3
*113	74.0	2.116	29.3
*114	73.9	2.120	28.9
*115	74.0	2.122	28.6
*116	71.3	2.129	27.9
*117	70.0	2.143	26.5
*118	55.8	2.156	25.2
*119	41.2	2.184	22.7
120	21.3	2.192	22.1
*121	71.5	2.124	28.4
*122	72.8	2.118	29.0
*123	72.8	2.121	28.7
*124	72.1	2.124	28.4
*125	69.9	2.130	27.7
*126	51.8	2.161	24.7
127	22.9	2.200	21.4
*128	68.1	2.123	28.6
*129	68.9	2.124	28.5
*130	62.1	2.167	22.6
*131	64.2	2.153	23.6

In den Tabellen 5 und 6 liegen die mit Sternchen gekennzeichneten Proben außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezug auf Tabelle 5 erfüllen die Proben 102 bis 111 sowie 113 bis 131, die innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen, die folgenden Bedingungen: 0,01 ≤ x1 + x2 ≤ 0,60, 0 < x1 ≤ 0,60, 0 ≤ x2 ≤ 0,30, 1,60 ≤ z/y ≤ 2,40, 1,00 ≤ v ≤ 1,05 und 0 ≤ u ≤ 1. Unter Bezug auf Tabelle 6 weisen diese Proben einen linearen Transmissionsgrad von 20% oder höher, eine Brechzahl von 2,01 oder höher, d. h. eine Brechzahl von 2,116 bis 2,294, und eine Abbe'sche Zahl von 15,3 bis 29,3 auf. Die Unterschiede bei Brechzahl und Abbe'scher Zahl sind bei diesen Proben groß.
Die Vergleiche zwischen den Proben 102 bis 111 zeigen, dass ein Ansteigen des Ti-Gehalts die Brechzahl steigen lässt, die Abbe'sche Zahl aber sinken lässt.
Die Vergleiche zwischen den Proben 113 bis 129 zeigen, dass die Brechzahl und die Abbe'sche Zahl mit Hilfe mindestens eines von Ti und Sn und mindestens eines von Zr und Hf kombiniert bei einem geeigneten Verhältnis frei gesteuert werden können.
Bei der Probe 101 dagegen, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt, liegt der lineare Transmissionsgrad unter 20%, da der Wert von x1 + x2 unter 0,01 liegt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass diese Probe keine kubische Kristallstruktur haben kann.
Bei der Probe 112, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt, liegt der lineare Transmissionsgrad unter 20%, da der Wert von x1 größer als 0,60 ist und der Wert von x1 + x2 größer als 0,60 ist.
[Experiment 3]
Experiment 3 entspricht der dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.

Es wurden die folgenden Rohmaterialpulver erzeugt: ein BaCO₃-Pulver, ein MgCO₃-Pulver, ein Ta₂O₅-Pulver, ein TiO₂-Pulver, ein SnO₂-Pulver, ein ZrO₂-Pulver und ein HfO₂-Pulver, wobei diese Pulver eine hohe Reinheit aufwiesen. Die Rohmaterialpulver wurden so abgewogen, dass die in der Tabelle 7 gezeigten Proben erhalten wurden, wobei die Proben durch die Formel Ba{Ti_x1M_x2Mg_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w wiedergegeben werden, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist und w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität ist. Die sich ergebenden Pulver wurden 16 Stunden lang mit einer Kugelmühle nassaufbereitet. Das Gemisch wurde getrocknet und dann drei Stunden lang bei 1.300°C kalziniert, wodurch ein kalziniertes Pulver erhalten wurde. Der Wert w in dem kalzinierten Pulver lag bei etwa 3. [Tabelle 7]

Proben	x1	Durch M wiedergegebenes Element und Gehalt	x2	y	z	z/y	u	v
*201	0.030	-	0	0.329	0.641	1.95	0	1.025
*202	0.040	-	0	0.325	0.635	1.95	0	1.025
*203	0.080	-	0	0.312	0.608	1.95	0	1.025
*204	0.161	-	0	0.284	0.555	1.95	0	1.025
*205	0.242	-	0	0.257	0.501	1.95	0	1.025
206	0.322	-	0	0.230	0.448	1.95	0	1.025
207	0.400	-	0	0.203	0.397	1.95	0	1.025
208	0.500	-	0	0.169	0.331	1.95	0	1.005
209	0.600	-	0	0.136	0.264	1.95	0	1.005
210	0.700	-	0	0.102	0.198	1.95	0	1.005
211	0.800	-	0	0.068	0.132	1.95	0	1.005
*212	0.850	-	0	0.051	0.099	1.95	0	1.005
*213	0.121	Sn:0.121	0.121	0.257	0.501	1.95	0	1.025
*214	0.121	Zr:0.121	0.121	0.257	0.501	1.95	0	1.025
*215	0.121	Hf:0.121	0.121	0.257	0.501	1.95	0	1.025
*216	0.020	Zr:0.020	0.020	0.325	0.635	1.95	0	1.025
*217	0.200	Zr:0.200	0.200	0.203	0.397	1.95	0	1.025
218	0.300	Zr:0.300	0.300	0.136	0.264	1.95	0	1.005
219	0.400	Zr:0.400	0.400	0.068	0.132	1.95	0	1.005
*220	0.081	Sn:0.081, Zr:0.081	0.162	0.257	0.500	1.95	0	1.025
*221	0.060	Sn:0.060, Zr:0.060 Hf:0.060	0.180	0.258	0.502	1.95	0	1.025
*222	0.242	-	0	0.297	0.461	1.55	0	1.025
*223	0.242	-	0	0.292	0.466	1.60	0	1.025
*224	0.242	-	0	0.266	0.492	1.85	0	1.025
*225	0.242	-	0	0.245	0.513	2.10	0	1.025
*226	0.242	-	0	0.233	0.525	2.25	0	1.025
*227	0.242	-	0	0.223	0.535	2.40	0	1.025
*228	0.242	-	0	0.220	0.538	2.45	0	1.025
*229	0.242	-	0	0.257	0.501	1.95	0	0.990
*230	0.242	-	0	0.257	0.501	1.95	0	1.000
*231	0.242	-	0	0.257	0.501	1.95	0	1.010
*232	0.242	-	0	0.257	0.501	1.95	0	1.035
*233	0.242	-	0	0.257	0.501	1.95	0	1.050
*234	0.242	-	0	0.257	0.501	1.95	0	1.055
*235	0.161	-	0	0.284	0.555	1.95	1	1.015
*236	0.161	-	0	0.284	0.555	1.95	0.5	1.015

Die Gehaltsangaben der Spalte „Durch M wiedergegebenes Element und Gehalt” in Tabelle 7 sind gleich denen in Tabelle 1 bzw. 2.
Das kalzinierte Pulver mittels des gleichen Verfahrens wie in Experiment 1 beschrieben verarbeitet, wodurch ein scheibenförmiger ungesinterter keramischer Körper mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Dicke von 2 mm erhalten wurde.
Der ungesinterte keramische Körper wurde in Pulver mit der gleichen Zusammensetzung wie die des Gemisches der darin enthaltenen keramischen Rohmaterialpulver eingebettet. Der sich ergebende keramische Körper wurde in einen Sinterofen gegeben und dann in einer Luftatmosphäre erhitzt, wodurch ein Bindemittel aus dem keramischen Körper entfernt wurde. Der Luftatmosphäre wurde Sauerstoff zugeführt, während die Ofentemperatur angehoben wurde, so dass der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre um etwa 98 Vol.-% angehoben wurde, als die Höchsttemperatur von 1.625°C erreicht wurde. Der keramische Körper wurde 20 Stunden lang so gesintert, dass die Sintertemperatur und der Sauerstoffgehalt unverändert beibehalten wurden, wodurch ein gesinterter Körper erhalten wurde.
Der erhaltene gesinterte Körper wurde hochglanzpoliert, wodurch eine scheibenförmige durchscheinende Keramikprobe mit einer Dicke von 0,4 mm erhalten wurde.

Die wie vorstehend beschrieben erzeugten Proben wurden in gleicher Weise wie in Experiment 1 beschrieben auf linearen Transmissionsgrad, Brechzahl und Abbe'sche Zahl hin beurteilt. Tabelle 8 zeigt die Beurteilung. [Tabelle 8]

Proben	Linearer Transmissionsgrad (%) (633 nm)	Brechzahl (633 nm)	Abbe'sche Zahl v_d
*201	3.3	2.081	29.6
*202	20.2	2.084	29.4
*203	32.8	2.095	28.3
*204	61.9	2.117	26.4
*205	65.0	2.140	24.6
206	61.2	2.162	23.0
207	57.6	2.183	21.2
208	48.8	2.211	20.5
209	42.5	2.238	19.3
210	36.0	2.266	18.8
211	22.2	2.293	18.6
*212	10.5	2.307	18.2
*213	67.3	2.104	27.5
*214	70.1	2.112	26.8
*215	70.1	2.108	27.2
*216	22.0	2.080	29.8
*217	62.3	2.138	24.8
218	45.8	2.170	22.4
219	25.7	2.202	20.7
*220	71.5	2.099	28.0
*221	70.2	2.094	28.5
*222	Nicht gesintert	-	-
*223	32.2	2.119	26.3
*224	58.9	2.134	25.1
*225	61.0	2.149	23.9
*226	49.2	2.158	23.3
*227	27.7	2.167	22.6
*228	Nicht gesintert	-	-
*229	18.8	2.145	24.2
*230	58.0	2.144	24.3
*231	63.1	2.142	24.4
*232	52.3	2.138	24.7
*233	44.1	2.136	24.9
*234	15.0	2.136	24.9
*235	60.7	2.146	24.1
*236	63.8	2.132	25.2

In den Tabellen 7 und 8 liegen die mit Sternchen gekennzeichneten Proben außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezug auf Tabelle 7 erfüllen die Proben 202 bis 211, 213 bis 221, 223 bis 227, 230 bis 233, 235 sowie 236, die innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen, die folgenden Bedingungen: 0,04 ≤ x1 + x2 ≤ 0,80, 0 < x1 ≤ 0,80, 0 ≤ x2 ≤ 0,40, 1,60 ≤ z/y ≤ 2,40, 1,00 ≤ v ≤ 1,05 und 0 ≤ u ≤ 1. Unter Bezug auf Tabelle 8 weisen diese Proben einen linearen Transmissionsgrad von 20% oder höher, eine große Brechzahl von 2,01 oder höher, d. h. eine Brechzahl von 2,080 bis 2,307, und eine Abbe'sche Zahl von 18,2 bis 29,8 auf. Die Unterschiede bei Brechzahl und Abbe'scher Zahl sind bei diesen Proben groß.
Die Vergleiche zwischen den Proben 202 bis 211 zeigen, dass ein Ansteigen des Ti-Gehalts die Brechzahl steigen lässt, die Abbe'sche Zahl aber sinken lässt.
Die Vergleiche zwischen den Proben 213 bis 221 zeigen, dass die Brechzahl und die Abbe'sche Zahl mit Hilfe mindestens eines von Ti und Sn und mindestens eines von Zr und Hf kombiniert bei einem geeigneten Verhältnis frei gesteuert werden können.
Bei der Probe 201 dagegen, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt, liegt der lineare Transmissionsgrad unter 20%, da der Wert von x1 + x2 unter 0,04 liegt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass diese Probe keine kubische Kristallstruktur haben kann.
Bei der Probe 212, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt, liegt der lineare Transmissionsgrad unter 20%, da der Wert von x1 größer als 0,80 ist und der Wert von x1 + x2 großer als 0,80 ist.
Bei den Proben 222 und 228, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen, liegt der Wert von z/y außerhalb des Bereichs von 1,60 bis 2,40. Bei den Proben 229 und 234, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen, liegt der Wert von v außerhalb des Bereichs von 1,00 bis 1,05. Diese Proben konnten bei dem Schritt des Sinterns nicht gesintert werden oder haben, selbst wenn sie gesintert wurden, einen linearen Transmissionsgrad von unter 20%.
[Experiment 4]
Die in den Tabellen 1,5 bzw. 7 gezeigten Proben 3, 115 und 205 wurden mit Hilfe eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge von 633 nm in einer TE- oder TM-Mode auf die Brechzahl hin gemessen. Tabelle 9 zeigt die Messung. [Tabelle 9]

Proben Brechzahl

TE-Mode TM-Mode

*3 2.150 2.150

*115 2.122 2.122

*205 2.140 2.140
Tabelle 9 zeigt, dass die Brechzahl jeder Probe, die in der TE-Mode gemessen wurde, gleich der der Probe ist, die in der TM-Mode gemessen wurde. Dies bedeutet, dass diese Proben nicht doppelbrechend sind.
[Experiment 5]
Durch ein Gießverfahren wurden zwei x zwei Zoll (5,08 cm × 5,08 cm) große ungesinterte keramische Körper so erzeugt, dass Materialien mit jeweils der gleichen Zusammensetzung wie die in Tabelle 1, 5 bzw. 7 gezeigte Probe 3, 115 bzw. 205 bei 1.625°C, 1.600°C bzw. 1.625°C gesintert wurden, wodurch gesinterte Körper erhalten wurden. Ein Vorgehen für das Erzeugen der durch das Gießverfahren erzeugten Probe 3, 115 bzw. 205 war im Wesentlichen gleich dem für das Erzeugen der Probe 3, 115 bzw. 205, die in Experiment 1, 2 bzw. 3 erhalten wurde, wobei aber die in Experiment 1, 2 bzw. 3 erhaltenen Proben 3, 115 bzw. 205 durch das Pressverfahren erzeugt wurden.

Die durch das Gießverfahren erzeugten Proben 3, 115 und 205 wurden in gleicher Weise wie in Experiment 1 beschrieben auf linearen Transmissionsgrad, Brechzahl und Abbe'sche Zahl hin beurteilt. Tabelle 10 zeigt die Beurteilung. Tabelle 10 zeigt ferner den linearen Transmissionsgrad, die Brechzahl und die Abbe'sche Zahl der in den Experimenten 1, 2 bzw. 3 erhaltenen Proben 3, 115 und 205. [Tabelle 10]

Proben	Formverfahren	Linearer Transmissionsgrad (%) (633 nm)	Brechzahl (633 nm)	Abbe'sche Zahl v_d
*3	Pressen	73.4	2.150	24.1
*3	Gießen	73.8	2.150	24.1
*115	Pressen	74.0	2.122	28.6
*115	Gießen	74.3	2.122	28.6
*205	Pressen	65.0	2.140	24.6
*205	Gießen	66.2	2.140	24.6

Wie aus Tabelle 10 ersichtlich ist, sind der lineare Transmissionsgrad, die Brechzahl und die Abbe'sche Zahl der durch das Pressverfahren erzeugten Proben im Wesentlichen gleich den der durch das Gießverfahren erzeugten Proben. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken unabhängig vom Verfahren für das Formen der durchscheinenden Keramiken zufrieden stellende Eigenschaften aufweisen.
[Experiment 6]
Materialien mit jeweils der gleichen Zusammensetzung wie die der in Tabelle 1, 5 bzw. 7 gezeigte Probe 3, 115 bzw. 205 wurden bei 1.650°C, 1.650°C bzw. 1.550°C gesintert, wodurch gesinterte Körper erzeugt wurden. Ein Vorgehen für das Erzeugen der in diesem Experiment erzeugten Probe 3, 115 bzw. 205 war im Wesentlichen gleich dem für das Erzeugen der Probe 3, 115 bzw. 205, die in Experiment 1, 2 bzw. 3 erhalten wurde, wobei aber die Sintertemperatur der in diesem Experiment erhaltenen Probe 3, 115 bzw. 205 sich von der Sintertemperatur der in Experiment 1, 2 bzw. 3 erhaltenen Probe 3, 115 bzw. 205 unterschied.
Die Proben 3, 115 und 205, die bei anderen Temperaturen als beim Sintern der in den vorherigen Experimenten erhaltenen Proben gesintert wurden, wurden in gleicher Weise wie in Experiment 1 beschrieben auf linearen Transmissionsgrad, Brechzahl und Abbe'sche Zahl hin beurteilt. Tabelle 11 zeigt die Beurteilung.

Tabelle 11 zeigt ferner den linearen Transmissionsgrad, die Brechzahl und die Abbe'sche Zahl der Proben 3, 115 und 205, die bei 1.625°C, 1.600°C bzw. 1.625° wie in Experiment 1, 2 bzw. 3 beschrieben gesintert wurden. [Tabelle 11]

Proben	Sintertemperatur	Linearer Transmissionsgrad (%) (633 nm)	Brechzahl (633 nm)	Abbe'sche Zahl v_d
*3	1625°C	73.4	2.091	28.8
*3	1650°C	73.6	2.091	28.8
*115	1600°C	74.0	2.122	28.6
*115	1650°C	74.5	2.122	28.6
*205	1625°C	65.0	2.140	24.6
*205	1550°C	65.8	2.140	24.6

Wie aus Tabelle 11 ersichtlich ist, sind bei diese Proben der lineare Transmissionsgrad, die Brechzahl und die Abbe'sche Zahl unabhängig von der Sintertemperatur im Wesentlichen gleich. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken bei unterschiedlichen Sintertemperaturen erzeugt werden können.
Auch wenn die vorliegende Erfindung vorstehend eingehend unter Bezug auf die Experimente beschrieben wird, sind Ausführungen der vorliegenden Erfindung nicht auf die Experimente beschränkt. Die hier verwendeten Rohmaterialien sind nicht auf Oxide und auch nicht auf Carbonate beschränkt, und es können alle für das Erzeugen gesinterter Körper mit den erwünschten Eigenschaften geeignete Materialien verwendet werden. Bei den obigen Experimenten liegt der Sauerstoffgehalt in einer Sinteratmosphäre bei etwa 98 Vol.-% und ist für die verwendeten Experimentiervorrichtungen äußerst geeignet. Daher ist der Sauerstoffgehalt nicht auf 98 Vol.-% beschränkt. Ein gesinterter Körper mit den gewünschten Eigenschaften kann erzeugt werden, wenn der Sauerstoffgehalt bei 90 Vol.-% oder mehr gehalten wird.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die erfindungsgemäßen durchscheinenden Keramiken haben über einen breiten Wellenlängenbereich einen hohen linearen Transmissionsgrad sowie eine große Brechzahl, sie sind bezüglich Brechzahl und Abbe'sche Zahl in einem breiten Bereich steuerbar und sind nicht doppelbrechend. Aus einer der durchscheinenden Keramiken hergestellte Linsen sind für optische Aufnehmer, Digitalkameras und andere Geräte geeignet, die kompakt und dünn sein müssen.

Claims

Durchscheinende Keramik, die hauptsächlich eine durch die Formel Ba{Ti_x1M_x2(Mg_1-tZn_t)_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w wiedergegebene Zusammensetzung enthält, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist; w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität; x1 + x2 + y + z = 1; 0,55 < x1 + x2 5 ≤ 0,90; 0 < x1 < 0,90; 0 < x2 ≤ 0,60; 1,60 ≤ z/y ≤ 2,40; 1,00 ≤ v ≤ 1,05; 0 < t < 1; und 0 ≤ u ≤ 1.
Durchscheinende Keramik, die hauptsächlich eine durch die Formel Ba(Ti_x1M_x2Zn_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w wiedergegebene Zusammensetzung enthält, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist; w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität ist; x1 + x2 + y + z = 1; 0,55 < x1 + x2 ≤ 0,60; 0 < x1 < 0,60; 0 < x2 ≤ 0,30; 1,60 ≤ z/y ≤ 2,40; 1,00 ≤ v ≤ 1,05; und 0 ≤ u ≤ 1.
Durchscheinende Keramik, die hauptsächlich eine durch die Formel Ba{Ti_x1M_x2Mg_y(Ta_1-uNb_u)_z}_vO_w wiedergegebene Zusammensetzung enthält, wobei M mindestens eines gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sn, Zr und Hf ist; w eine positive Zahl für das Beibehalten der elektrischen Neutralität ist; x1 + x2 + y + z = 1; 0,55 < x1 + x₂ ≤ 0,80; 0 < x1 < 0,80; 0 < x2 ≤ 0,40; 1,60 ≤ z/y ≤ 2,40; 1,00 ≤ v ≤ 1,05; and 0 ≤ u ≤ 1.
Durchscheinende Keramik nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem linearen Transmissionsgrad von 20% oder höher, wobei der lineare Transmissionsgrad mit Hilfe sichtbaren Lichts mit einer Wellenlänge von 633 nm und einer Probe mit einer Dicke von 0,4 mm ermittelt wird.
Durchscheinende Keramik nach Anspruch 4 mit einer Brechzahl von 2,01 oder höher, wobei der lineare Transmissionsgrad mit Hilfe sichtbaren Lichts mit einer Wellenlänge von 633 nm ermittelt wird.
Durchscheinende Keramik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche eine polykristalline Struktur aufweist.
Verfahren zum Erzeugen der durchscheinenden Keramik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches umfasst: einen Schritt des Erzeugens eines durch Verwenden eines Gemisches aus keramischen Rohmaterialpulvern gebildeten ungesinterten keramischen Körpers mit einer vorbestimmten Form; einen Schritt des Erzeugens einer Co-firing-Zusammensetzung mit im Wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie der des Gemisches der keramischen Rohmaterialpulver; und einen Schritt des so gearteten Sinterns des ungesinterten keramischen Körpers in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von 90 Vol.-% oder höher, dass der ungesinterte keramische Körper in Berührung mit der Co-firing-Zusammensetzung steht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Co-firing-Zusammensetzung ein Pulver ist und der Schritt des Sinterns so ausgeführt wird, dass der ungesinterte keramische Körper in der Co-firing-Zusammensetzung eingebettet ist.
Verwendung der durchscheinenden Keramik nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für ein gefertigtes optisches Bauelement.
Verwendung des die Keramik gemäß Anspruch 1, 2 oder 3 enthaltenden optischen Bauelements nach Anspruch 9 für ein optisches Gerät.