DE2011165A1

DE2011165A1 - Sphärische Glaslinse und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE2011165A1
Application number: DE19702011165
Authority: DE
Inventors: Ichiro Kobe; Matsumura Hiroyoshi Ashiya; Hyogo Kitano (Japan). M G02b
Original assignee: Nippon Selfoc K,K,, Tokio
Priority date: 1969-03-17
Filing date: 1970-03-10
Publication date: 1970-10-01
Also published as: US3666347A; NL7003599A; GB1294182A; FR2039633A5; JPS4922898B1

Description

Dn Werner Hauler Lüdenscheid, den 9. März 1970-4

PATENTANWALT A 7037

588 LPDENSCHEID
Asenberg 36-Postfach 1/04

Inmelderin: Firma Nippon Selfoc Kabushiki Kai-sha ;

7-15_f 5-Chome, Shib.a, Minato-KUj Tokyo-To, Japan

Sphärische Glaslinse und Verfahren zu deren ■-. Herstellung

Die Erfindung "betrifft eine sphärische Glaslinse und ein Verfahren zu deren Herstellung. .

Nach der herkömmlichen Technik ist. die Fertigung von Linsen mit kleiner Öffnung und außerdem kurzer Brennweite ungemein schwierig. Vor allem lassen sich Linsen mit kleiner Öffnung und sehr großem Winkel des Gesichtsfeldes nicht herstellen, die. in der Praxis verwendbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer sphärischen Glaslinse mit'sehr kleiner.Öffnung und sehr großem Bildfeld-• winkel. Weiterhin betrifft die Erfindung die Bereitstellung J eines Verfahrens zur Herstellung solcher sphärischen Linsen.

,■-■■'■■ ■ . ■ ■■ ^y -^: . ■ \ ! Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelost, daß sich rdie Konzentrationen von mindestens zwei Arten von Abwandlungs- ! oxide bildenden Kationen innerhalb des Glases vom Zentrum zur : Außenfläche der Linse entsprechend einer Verteilung des

Brechungsindex innerhalb der Linse im wesentlichen nach der ' ; Beziehung

ändern mit η als Brechungsindex innerhalb der Linse In trinem

"-■" 00 9 8 40713f 7 :

BAD ORIGINAL

radialen Abstand r vom Zentrum, η als Brechungsindex im Zentrum j j der Linse, a als einer positiven Konstanten und (r/a) <-; 1.

ι Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Verfahren I zur Herstellung solcher Linsen dadurch gekennzeichnet, daß ein ! sphärischer Glaskörper mit einem Gehalt einer ersten Kationenarij ! zur Bildung von Abwandlungsoxiden und mit vergleichsweise i großem Beitrag zur Vergrößerung des Brechungsindex über die j gesamte Oberfläche der Einwirkung eines Salzes ausgesetzt wird, I das eine zweite Kationenart zur Bildung von Abwandlungsoxiden J und mit vergleichsweise kleinem Beitrag zur Vergrößerung des j Brechungsindex enthält, wodurch die erste Kationenart durch die

; zweite Kationenart im Austausch durch die Außenfläche substituj iert wird, damit die Konzentration der ersten Kationenart vom

Zentrum zur Außenfläche des Glaskörpers abnimmt, die Konzentraj tion der zweiten Kationenart entsprechend zunimmt, wobei die I entstehende Verteilung des Brechungsindex im wesentlichen durch ; die Beziehung

.η = η.

: ausgedrückt werden kann mit η als Brechungindex im radialen

ι ι

[ Abstand r vom Zentrum des Glaskörpers, η als Brechungsindex j

^; im Zentrum, a als einer positiven Konstanten und (r/a) < 1. j

i ! ι

; Die Erfindung wird im folgenden in ihrer allgemeinen Zielsetzung,

■ und anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die !

i anliegende Zeichnung erläutert, in der darstellen; i

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Lichtweges im Innern einer sphärischen Linse,

! Ii¹ in· Ο

Fig. 2 eine vergrößerte, schematische Seitenansich teilweise aufgebrochen zur Erläuterung des Bildfeldes bei einer sphärischen Linse nach der Erfindung, die als Objektivliru.e eines Fasersichtgerätes benutzt ist,

/» n/1317

BAD ORIGfNAL

Fig. 3- eiiHiVertikalschhitt durch ein Gerät zur

Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 4 ein Schaubild der Verteilung des Brechungsindex innerhalb eines Glaskörpers nach der · Erfindung. " . . .

j Nach der theoretischen Optik tritt im Innern eines optischen j Systems überhaupt keine Aberration auf, dessen Verteilung des • Brechungsindex der obigen Gleichung (1) folgt. Ein Beispiel : eines solchen Systems ist die Maxwell'sehe Fischaugenlinse.

[ Die Erfindung stellt ein praktisch ausführbares Beispiel einer ' solchen Linse zur Verfügung, wo das genannte Prinzip Anwendung

■ findet.

Γ Nach Figur 1 breitet sich ein Lichtstrahl, der von einem

j Punkt P im Außenraum der sphärischen Linse 1 ausgeht,innerhalb i der Linse 1, deren Verteilung, des Brechungsindex der Gleichung "I (1) genügt, auf einer gebogenen Bahn aus. Diese Bahn kann

i durch die folgende Gleichung in x-, y-Koordinaten entsprechend

! Figur 1 ausgedrückt werden:

(x+c sin α) +{y-c cos α) = a +c

(2)

; mit

C -

2g

(3)

, In diesen Gleichungen sind α und g Konstanten, die von den

j Lichteinfallbedingungen abhängen.

' Wenn der Abstand 1 vom Zentrum O der Linse 1 zum Punkt P nach ; der folgenden Beziehung gewählt ist: ' ■

(4)

009 8 40/1317

a²n_o -2(a²-d²)

: mit d als Radius der sphärischen Linse 1, werden achsennahe ! ' Lichtstrahlen, die vom Punkt P ausgehen und an Punkten in j der Nähe des Punktes A in die sphärische Linse 1 eintreten, J auf der Oberfläche B auf der dem Punkt P gegenüberliegenden j Seite des Linsenkörpers 1 gesammelt.

! Demzufolge kann man ein Bild 3 eines Gegenstandes 2 erhalten, ! der vor der sphärischen Linse 1 in einem Abstand 1 nach j Gleichung (4) aufgestellt ist und im wesentlichen über einen

■ Bildfeldbereich von 180° reicht. Dieses Bild 3 liegt auf der I dem Gegenstand 2 gegenüberliegenden Außenfläche der Linse 1,

Figur 2. Indem ein Ende eines optischen Faserbündels 4 in ι geordnetem Zustand dicht auf die das Bild 3 aufnehmende Oberi fläche der Linse 1 aufgebracht wird, vorzugsweise indem die ! Enden aller Fasern senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet sind, j Figur 2, kann man das Bild 3 zum andern Ende des Faserbündels ¹ 4 übertragen, so daß man ein Bild 3a erhält.

Sphärische Linsen nach der Erfindung lassen sich in folgender \ Weise herstellen. Zunächst wird eine Glaszubereitung mit einem ι Anteil von Kationen zur Bildung von Abwandlungsoxiden aufge- ! schmolzen, vorzugsweise ein Glas mit Oxiden eines Metalls, j wie Tl und Pb, dessen Ionen einen vergleichsweise großen Beitrag j j zur Vergrößerung des Brechungsindex liefern, d.h. ein j

■ vergleichsweise großes Verhältnis Elektronenpolarisierbarkeit/ I

.(Ionenradius)' haben. Die Glasschmelze wird nach einem bekannten! i · I

! Verfahren zu Kugelkörpern ausgeformt. Das genannte Metall i j wird im folgenden als Metall A bezeichnet. Erforderlichenfalls : ; kann eine Feinformung des sphärischen Glaskörpers durch Polieren '■■ oder Ätzen erfolgen. Damit man eine Verteilung des Brechungs- ι : index nach Gleichung (1) innerhalb der Glaskugel erhält, wird ι ' der Glaskörper in eine Salzschmelze eingetaucht, bspw. ein ! Nitrat oder Sulfat eines Metalls, wie Li, Na oder K mit j vergleichsweise kleinem Beitrag zur Vergrößerung des Brechungsindex oder einem vergleichsweise kleinen Verhältnis Elektronenpolarisierbarkeit/lonenradius . Dieses Metall wird im folgenden

00 9840/1317

als Metall B bezeichnet. Die Α-Ionen innerhalb des Glaskörpers werden im Austausch durch die Oberfläche durch die B-Ionen substituiert. Infolgedessen werden die Α-Ionen· in der Nähe der Außenfläche des Glaskörpers in größerer Anzahl durch die B-Ionen ersetzt. Dadurch ergibt sich eine Konzentrationsverteilun^; der Α-Ionen innerhalb des Glaskörpers, daß die Konzentration fortschreitend vom Zentrum zur Außenfläche abnimmt, wogegen die Konzentration der B-Ionen so verteilt ist, daß sie fortschreitend vom Zentrum zur Außenfläche zunimmt. Da sich der Grad dieses Ionenaustauschs mit der Temperatur der Salzschmelze und der Tauchzeit ändert, kann man einen sphärischen Glaskörper mit einer gewünschten Verteilung des Brechungsindex herstellen, indem man diese Größen entsprechend· auswählt.

Ferner hat es sich gezeigt, daß durch Verwendung einer Salzschmelze, die nicht nur B-Ionen enthält, sondern vielmehr eine Salzmischung mit einem Gehalt von A—Ionen in geringerer Konzentration als innerhalb des Glases, die Substitutionsmenge und die Substitutionsgeschwindigkeit der A- und B-Ionen eingestellt werden kann.

Da in der obigen Gleichung (1) die Größe (r/a) normalerweise sehr viel kleiner als ' 1' ist, kann man die Gleichung (1) näherungsweise folgendermaßen ausdrücken:

η = η

- (r/a)² J

(1a)

Der Ionenaustausch erfolgt im wesentlichen nach der Diffusionsgleichung. Wenn man den Glaskörper eine sojlange Zeitdauer der Ionenaustauschbehandlung in der Salzschmelze aussetzt, bis der Ionenaustausch im wesentlichen den Mittelteil des Glaskörpers erreicht, erhält man auch in dem Fall, wo der Ionenaustausch unter konstanten Behandlungsbedingungen erfolgt, einen sphärischen Glaskörper mit im wesentlichen quadratischer Verteilung des Brechungsindex vom Zentrum bis zur Außenfläche, • mit Ausnahme des Außenbereichs. Somit kann die Gleichung

00984071317

ί -6-

ti as.

! im wesentlichen erfüllt werden. Der Wert der Konstanten a
j ergibt sich normalerweise zwischen 1,5 und 4 mm, wenn der
Durchmesser des sphärischen Glaskörpers etwa 1,5 mm beträgt.

Wenn der sphärische Glaskörper eine konstante Lage innerhalb : des Gefässes während der Einwirkungsbehandlung einnimmt, kann
kein gleichförmiger Ionenaustausch über die gesamte Außenfläche j des Glaskörpers erfolgen. Infolgedessen läßt sich die gewünscht^ , Verteilung des Brechungsindex nicht erreichen. Deshalb muß man j pp fortgesetzt den Auflagepunkt des sphärischen Glaskörpers auf j dem Gefäß ändern oder überhaupt eine Auflage des Glaskörpers ' ι an dem Gefäß ausschließen. Hierfür sind zahlreiche Verfahren ' '■ geeignet, jedoch ist die gleichmäßige Zufuhr von Gasblasen
\ in die Salzschmelze am zweckmäßigsten, wodurch die Glaskugel ; ! in einem Schwebezustand innerhalb des Bades in mittlerer Tiefe · ' gehalten wird. j

t Wenn die Verteilung des Brechungsindex eines sphärischen
ι Glaskörpers, der in der oben beschriebenen Weise behandelt
i ist, von der Gleichung (1) im Randbereich abweicht, kann dieser ! Bereich durch chemische Ätzung oder durch Abschleifen und [ fe ί -Polieren abgetragen werden. j

' i

! Das folgende Ausführungsbeispiel dient zur Erläuterung der ,

ι Erfindung im einzelnen, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke
auf die einzelnen Bemessungen eingeschränkt werden soll.

I ;

Ein Glas einer Gewichtszusammensetzung von 40 % SiO₀, j

10 % Na₂O, 50 % TljjO wird in eine Kugel von 1,3 mm Durchmesser !

geformt. Der Brechungsindex dieser Glaskugel hat gleichmäßig ; den Wert 1,727.

Zur Einstellung der gewünschten Verteilung des Brechungsindex
innerhalb der Glaskugel wird dieselbe in eine Salzschmelze
' innerhalb der Einrichtung nach B'igur getaucht. Dort ist der
ι Glaskörper 5 in eine Salzschmelze 6 innerhalb eines Metall-

009840/1317

—7—

jgefässes 7 eingetaucht. Ein Metallrohr 8 mit einem horizontal !ausgerichteten Endteil, der zahlreiche schmale Durchgänge 9 !aufweist, befindet sich innerhalb der Salzschmelze 6, so daß ]sich der horizontale .Endteil in der Nähe des Bodens des Gefässes j7 befindet. Die Salzschmelze 6 wird durch eine nichtdargestellte '"Heizeinrichtung in Schmeteustand gehalten. Die Heizeinrichtung !befindet sich außerhalb des Gefässes 7. Durch das Rohr 8 wird j !Druckluft eingeleitet, die durch die schmalen Durchgänge 9 in die j Salzschmelze gelangt. Infolgedessen steigen Luftblasen auf und j ischweben nach oben, so daß die Glaskugel 5." .berührungsfrei inner-j [halb des Gefässes 7 gehalten wird, wobei die Glaskugel 5 sich !fortgesetzt dreht.

'Die Salzschmelze 6 ist eine Mischung von 0,5 Gewichts-% Thalliumjnitrat mit Kaliumnitrat. Das Gefäß 7 wird durch die Heizeinrich-j jtung aufgeheizt, so daß die Salzschmelze 6 eine Temperatur von \ etwa 400°C hat. Die Einwirkungszeit zwischen der Glaskugel 5 ' und der Salzschmelze 6 beträgt 300 h, damit der gewünschte j ,Ionenaustausch erfolgt. Im einzelnen treten die zunächst in ;dem Glaskörper 5 enthaltenen Tl - und Na -Ionen durch die Ober- !fläche in die Salzschmelze 6 aus, umgekehrt treten K -Ionen aus !der Salzschmelze 6 ins Glasinnere ein. Infolgedessen erhält !man eine fortschreitende Änderung der Konzentration der Tl-IIonen, der Na -Ionen und der K -Ionen von der Außenfläche gegen !das Zentrum des Glaskörpers 5 hin. Die Konzentration der Tl ίIonen und der Na -Ionen nimmt vom Zentrum gegen die Außenfläche !fortschreitend ab, wogegen die Konzentration der K -Ionen vom !Zentrum zur Außenfläche, fortschreitend zunimmt.

|Da die Außenschicht des Glaskörpers 5 eine unerwünschte ^! ₍Verteilung des Brechungsindex hat, wird dieselbe abgetragen. Der Glaskörper 5 wird aus der Salzschmelze 6 herausgenommen, langsam /abgekühlt, in Wasser gespült, getrocknet und dann in eine 3»3- j • gewichtsprozentige wässrige Lösung von Fluorwasserstoffsäure j 'einer Temperatur von 2Q⁰C getaucht und umgerührt, damit zwischen" dem Glaskörper und der Lösung eine Bewegung vorhanden ist, Nach j etwa 5 min. wird der Glaskörper aus der Lösung herausgenommen ;

^: Οθ"984Ϊ/ΐϊΐ7

'und in Wasser gespült, damit Stoffe, wie Siliziumfluorid, von
jder Außenfläche entfernt werden. Die Tauchung in die Fluorwasserstoff säurelösung und die Spülung in Wasser wird 15-mal
■wiederholt, worauf man einen sphärischen Glaskörper mit etwa
11,2 mm Durchmesser erhält. Die Oberfläche dieses Körpers wird
idann poliert, so daß man eine optisch vollkommene Kugel erhält.

jDie Konzentrationsverteilungen von Thallium,Natrium und Kalium

!auf radialen Linien durch das Zentrum der Kugel werden mit
^:X-Strahlen gemessen. Die Ergebnisse werden in Werte für den
Brechungsindex umgerechnet,so daß man in Abhängigkeit von der
Tiefe gegenüber der Oberfläche des Körpers eine Verteilung nach
!Figur 4 erhält. Eine unmittelbare Messung des Brechungsindex
,ergibt eine Verteilung,die mit der berechneten Verteilung übereinstimmt.

'Da die Verteilung im wesentlichen der Gleichung (1) genügt,
wird diese Glaskugel als Linse mit kurzer Brennweite und kleiner!

iÖffnung benutzt. Im Rahmen des beschriebenen Ausführungsbeispiels hat die Größe η einen Wert von 1,727 und die Größe a einen j

,Wert von 1,57 (mm). I

lln-dem die Kugellinse mit einem Ende eines optischen Faser- ;

;bündeis mit einem Durchmesser von etwa 1,2 mm in geordneter ι

'Weise in innige Berührung gebracht wird, kann die Anordnung als j

■Objektivlinse eines sog. Fasersichtgerätes benutzt werden. Bei ;

j der Überprüfung dieses Fasersichtgerätes durch Beobachtungen |

ι zeigt es sich, daß ein Gegenstand in einem Abstand von etwa {

;5,5 cm vor der Stirnfläche der Kugellinse innerhalb eines , [Gesichtsfeldes von etwa 180° deutlich beobachtet werden kann.

Die Kugellinse nach der Erfindung hat eine kürzere Brennweite |

und eine geringere Aberration als eine herkömmliche Kugellinse j oder eine Glasperle mit gleichförmigem Brechungsindex. Insbe- ; ,sondere wenn eine Kugellinse nach der Erfindung mit einem unend-!

I liehen Wert der Größe 1 in Gleichung (4),also mit einem ver- '

009840/1317

I schwindendem Nenner auf der rechten Seite der Gl v.chung (4) j die folgende Gleichung erfüllt: . . λ 2 η
d _Ί . ο
-ö = 1

a . 2

iund wenn ein Teil der Außenfläche, nämlich der Rückseite, mit "einem lichtreflektierenden Belag überzogen ist, werden Paralleljstrahlen, die in beliebiger Richtung in die Kugellinse durch jdie Stirnfläche einfallen an der Rückseite der Linse reflektiert :und in die Ausgangsrichtung zurückgeworfen. . ;

[Eine Kugellinse mit η = 1,60, d = 0,5 mm und a .= 2,25 mm [erfüllt die obige Beziehung. Solche sphärischen Linsen können ·, jbspw. in einer Anzeigetafel, bspw. einem Wegweiser, benutzt !werden, womit man. eine Anzeigetafel mit stärker reflektierenden [Beschriftungen erhält, als es bei einer Anzeigetafel herkömm- !liehen Zylinderlinsen mit gleichförmigem Brechungsindex, vorzugsweise einem Brechungsindex von 2,0, möglich war.' -

ilm Falle einer Kugellinse, die die Bedingung 1 = d in ■Gleichung (4) erfüllt, also a=d, erhält man ein Bild gleicher 'Größe wie der Gegenstand auf der gegenüberliegenden Linsen- |flache ohne jede Aberration, wenn ein Gegenstand einen Teil der •Außenfläche dieser Linse berührt. . .

009840/1317

Claims

-10-Patentansprüche

Sphärische Glaslinse, dadurch gekennzeichnet, daß sich die !Konzentrationen von mindestens zwei Arten von Abwandlungsoxide j bildenden Kationen innerhalb des Glases vom Zentrum zur Außen-Ifläche der Linse entsprechend einer Verteilung des Brechungsindex innerhalb der Linse im wesentlichen nach der Beziehung

η - η

j * 1+(r/a)²

!ändern mit η als Brechungsindex innerhalb der Linse in einem ' !radialen Abstand r vom Zentrum,η als Brechungsindex im Zentrum [ !der Linse, a als einer positiven Konstanten und (r/a) <' 1. j

ι j

j 2. Glaslinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ι !beiden Kationenarten einerseits Thalliumionen und andererseits j !mindestens eine Art von Metallionen aus der Gruppe von

I Lithiumionen, Natriumionen und Kaliumionen sind. ι

•3. Glaslinse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dieselbe aufgrund der Verteilung des Brechungsindex ein Optisches Faserbündel angeschlossen ist.

j 4. Verfahren zur Herstellung eines sphärischen Glaslinse nach 'einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennnzeichnet, daß ein !sphärischer Glaskörper mit einem Gehalt einer ersten Kationenart

;zur Bildung von Abwandlungsoxiden und mit vergleichsweise j großem Beitrag zur Vergrößerung des Brechungsindex über die 'gesamte Oberfläche der Einwirkung eines Salzes ausgesetzt wird, ■ das eine zweite Kationenart zur Bildung von Abwandlungsoxiden und mit vergleichsweise kleinem Beitrag zur Vergrößerung des !Brechungsindex enthält, wodurch die erste Kationenart durch die !zweite Kationenart im Austausch durch die Außenfläche substituiert wird, damit die Konzentration der ersten ^ationenart vom j Zentrum zur Außenfläche des Glaskörpers abnimmt, die Konzentration der zweiten Kationenart entsprechend zunimmt, wobei die

009840/1317

-11-

ί entstehende Verteilung des .Brechungsindex im wesentlichen durch j die Beziehung

η = η

ausgedrückt werden kann mit η als Brechungsindex im radialen Abstand r vom Zentrum des Glaskörpers, η als Brechungsindex im Zentrum, a als einer positiven Konstanten und (r/a) < -1,

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Thalliumionen als erste Kationenart und mindestens einer Metallionenart aus der Gruppe von Lithiumionen, Natriumionen -und Kaliumionen als zweite Kationenart.

j Ö.Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, ¹ daß der sphärische Glaskörper innerhalb eines Gefässes der ; Einwirkung des Salzes inform einer Schmelze ausgesetzt wird und 1 daß der Auflagepunkt der Kugeloberfläche an der Gefäßwandung . fortgesetzt geändert bzw. eine Auflage auf einem Teil des , Gefässes oder einem anderen festen Gegenstand überhaupt ver- : hindert wird,
ι

I 7, Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

j im Bodenbereich des Gefässes Gasblasen in die Salzschmelze

I eingeleitet und darin aufsteigen gelassen werden, damit der

1 sphärische Glaskörper innerhalb der Salzschmelze in mittlerer

1 Höhe ohne Berührung mit einem Gefäßteil oder einem anderen

1 festen Gegenstand im' Schwebezustand gehalten wird.

009840/1317

Leerseite