DE2263501A1

DE2263501A1 - Glaslinsen mit verringerter chromatischer aberration

Info

Publication number: DE2263501A1
Application number: DE2263501A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Matsushita; Koichi Nishizawa; Minoru Toyama
Original assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Current assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Priority date: 1971-12-25
Filing date: 1972-12-27
Publication date: 1973-07-05
Also published as: GB1410818A; JPS4873160A; FR2169860B1; DE2263501C2; FR2169860A1; NL7217530A; US3827785A; JPS5121594B2; NL156665B

Description

DR. M. KÖHLER Dl PL-I NG. C. GERNHARDT 2 263501

TELEFON: 55547Ä 8000 MÖNCHEN 15, * !,If-äi, 1972

TELEGRAMME:KARPATENT NUSSBAUMSTRASSEIO

¥ 41 429/72 - Ko/DE

Nippon Selfoc Go., Ltd*, Tokyo / Japan

Glaslinsen mit verringerter öhromatischer Aberration

Die Erfindung befaßt sich mit Glaslinsen mit verringerter chromatischer Aberration und einer solchen Refraktionsindexverteilung, daß der Refraktionsindex allmählich etwa im Verhältnis zum Quadrat des Abstandes von der optischen Achse abnimmt.

Es ist bekannt, daß ein transparenter Körper mit einer solchen Refraktionsindexverteilung, daß der Refraktionsindex allmählich etwa im Verhältnis zum Quadrat des Abstandes von der optischen Achse abnimmt, eine Linsenwirkung besitzt. In der deutschen Patentschrift 1 913 358 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Linse mit einer derartigen Refraktionsindexverteilung beschrieben, wonach ein Thallium-haltiger Glasstab oder derartige Fasern in ein alkalihaltiges Salz zum Zweck des Ionenaustausches zwischen den Thalliumionen und den Alkaliionen eingetaucht wird. Da diese

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Linse einen großen Refraktionsindexgradienten besitzt, ist sie zur Anwendung in den Übertragungswegen für monochromatisches Licht, beispielsweise Laserstrahlen, geeignet« Jedoch zeigt sie eine große chromatische Aberration und ist zur Anwendung als optische Bildübertragungslinse unter Anwendung von nicht-monochromatischem Licht oder weißem Licht ungeeignet.

Linsen mit einer solchen Refraktionsindexverteilung, daß der Refraktionsindex allmählich etwa im Verhältnis des Quadrates des Abstandes von der optischen Achse, was nachfolgend einfach als "Linse" bezeichnet wird, abnimmt, haben einen Refraktionsindex entsprechend der folgenden Gleichung!

N = No (1 - ar²) (1)

worin No der Refraktionsindex an der optischen Achse, r der Abstand von der optischen Achse, a eine positive Konstante und η den Refraktionsindex im Abstand r bedeuten.

Diese Linse hat einen Brennpunktabstand f entsprechend der folgenden Gleichung:

No \f~2ä sin ( \/"2a Z)

worin Z die Länge der Linse in Richtung der optischen Achse darstellt,

sowie einen Hauptebenen-Abstand h (Abstand zwischen der Hauptebene und der Endebene der Linse) entsprechend der folgenden Gleichung

1 aZ

tan ——- (3)

No\/~2a

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Die chromatische Aberration der Linse wird durch die Tatsache verursacht, daß, da No und a sich entsprechend der Wellenlänge des Lichtes unterscheiden, der Brennpunktabstand a entsprechend der Gleichung (2) und der Hauptebenen-Abstand h entsprechend der Gleichung (3) unterschiedliche Werte entsprechend der Wellenlänge des Lichtes besitzen. Die chromatische Aberration kann in eine chromatische Längsaberration und eine chromatische Seitaberration unterteilt werden. Die chromatische Längsaberration läßt sich durch Δ f/f angeben, worin Δ f die Differenz des Brennpunktabstandes zwischen zwei Lichtern unterschiedlicher Wellenlänge angibt, beispielsweise, Δ f = f-, - f„, worin f_n der Brennpunktabstand für die C-Linie (Wellenlänge 656 m/u) des Erauenhofer Lichtes und f-, der Brennpunktabstand für die F-Linie (Wellenlänge 486 m/u) ist. Andererseits kann die chromatische Seitaberration als. A (f-h)/f-h definiert werden, worin f-h der durch Subtraktion des hauptebenen Abstandes von dem Brennpunktabstand erhaltene Wert- ist; d. h.· dies gibt den Abstand von der Endebene der Linse bis zum Brennpunkt an und 4(f-h) ist der Abstand in f-h zwischen zwei Lichtern von unterschiedlichen Wellenlängen (C-Linie und F-Linie).

Das Ausmaß der chromatischen Längs- und Seitaberrationen der Linse variiert periodisch mit der Länge Z der Linse in Richtung ihrer optischen Achse. Dies wird anhand einer spezifischen Ausführungsform unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 erläutert.

Die Pig. 1 stellt ein Diagramm dar, das die Variierungen des Brennpunktabstandes f der vorstehend angebenen Linse für die C-Linie und F-Linie entsprechend der Länge Z der Linse zeigt. Diese Linse wird beispiels-

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weise mit einem Glasstab mit einem Durchmesser von etwa 1 mm aus 3,3 MoI-* Tl₂O, 70,3 MoI-* SiO₂, 17,0 MoI-* Na₂O und 9,4 MoI-* PbO in einem Kaliumnitratbad, das bei etwa 46O⁰C gebalten ist, während etwa 170 Stunden hergestellt. Die Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Wege der C-Iinie und der F-Linie zeigt, welche senkrecht auf die Endebene der Linse gefallen sind. Aus Gleichung (2) läßt sich selbstverständlich

erwarten, daß der Wert des Brennpunktabstandes f perio-

2 TC disch mit der Länge der Linse (-= ) bei einer Periode

>/2

oder einem Cyclus variiert. Dieser Gesichtspunkt ist in Fig. 1 dargestellt. Anschließend wird der Wert

\T2a mit 2P angegeben, d. ta. P =s

Da der Wert a in Abhängigkeit von dem Licht der C-Linie und dem Licht der F-Linie variiert, unterscheidet sich der Wert P für das C-Linienlicht von demjenigen für das F-Linienlicht. Es werden hier die P-Werte für das C-Linienlicht und das F-Linienlicht jeweils als Pn bzw. P-p angegeben. Weiterhin wird als Anzeige des durchschnittlichen P-Wertes für sichtbare Lichtstrahlen der P-Wert der D-Linie (Wellenlänge 589 m/u) der Fraunhofer Strahlen angewandt und mit P bezeichnet. Im allgemeinen werden bei optischen Parametern, die mit der Wellenlänge variieren, die Werte der D-Linie als Durchschnittswert für die sichtbaren Strahlen angenommen. Wie vorstehend angegeben, differiert jedoch der Wert a in Abhängigkeit von dem C-Linienlicht und dem F-Linienlicht. Deshalb variieren die Kurven des Brennpunktabstandes f_c für das C-Linienlicht und des Brennpunktabstandes f™ für das F-Linienlicht periodisch mit einer Periode von 2 P„ bzw. 2 Pp. Infolgedessen tritt eine Abweichung zwischen der Kurve für f_n und der Kurve für f,, auf, wie aus Fig.1

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ersichtlich. In der Fig. 1 sind die Werte P_c = 4,65 rom und Pj₁ = 4,35 m. Der Wert P für die D-Linie beträgt 4,60 mm.

Die Fig. 2 zeigt die Wege des lichtes 2 (O-Linienkomponente) und des lichtes- 5 (F-Linienkomponente), wenn weißes Licht senkrecht auf die Endebene der Linse 1 fällt, wie durch einen Pfeil gezeigt.

Das C-Linienlicht 2 und das F-Linienlicht 5 laufen in Form einer Sinuswelle durch die Linse mit einer Periode von 2 P_c bzw. 2 P„. Falls die Länge der Linse entsprechend der Stelle (beispielsweise Stelle 4) gewählt wird, wo die Kurve f_c und die Kurve f^₁ einander gemäß Fig. 1 schneiden, werden die Werte f« und f^₁ der Linse gleich. Wie jedoch aus Fig. 2 ersichtlich, entspricht die Stelle des Lichtes der C-Linie, die aus der Endebene der Linse austritt, nicht derjenigen des F-Linienlichtes, Inders ausgedrückt ergibt sich hieraus, daß, obwohl die chromatische Längsaberration der Linse bei einer Länge entsprechend der Stelle 4 praktisch O ist, deren chromatische Seitaberration beträchtlich groß ist. Falls weiterhin eine Linse betrachtet wird, die hinsichtlich der Stelle geschnitten ist, beispielsweise Stelle 5, wo das C-Linienlicht und das F-Linienlicht einander in der Endebene überschneiden, ist die Seitaberration dieser Linse 0, jedoch wird die Längsaberration derselben nicht 0. Dies bedeutet, daß entweder die chromatische Längs-oder die chromatische Seitaberration einer Linse durch geeignete Wahl der Länge der Linse entfernt werden kann, daß es jedoch unmöglich ist, beide Werte hiervon auf 0 zu bringen. Deshalb kann ein Verfahren, das auf der Wahl der Länge der Linse beruht, nicht zu einer vollständigen Lösung des Problemes der chromatischen Aberration führen.

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ES ergibt sich klar aua den Flg. 1 und 2, daß die'chromatische'Längs- und Seitaberration größer ' bei einer größeren Abweichung der Kurven von A#fi ^1:= Brennpunktabstand für das C-Linienlicht unA 4i* f* Linienlicht wird und eine größere Abweichung der die Lichtwege angebenden Kurven erhalten wird· Um deahalb die chromatischen Längs- und Seitaberrationen zu verringern, ist es notwendig, die Abweichungen der Kurven in den Fig. 1 und 2 auf ein Minimum zu bringen. Pa11a die Differenz zwischen P« und P™ den Weft,A 1. bat» d. h. Δ P=P_C - Pj₁, dann wird die cbrOmatisehe Aberration einer Linse einer gegebenen Länge kleiner, wenn der Absolutwert von A P/P abnimmt. Weiterhin etigt eich eine Neigung, daß die chromatische Aberration einer Linse mit größerer Länge der Linse zunimmt, f iet der Wert von P für die D-Linie. Die öhroaatische Aberration einer Linse mit einer Länge Z größer als einem bestimmten Wert wird durch K=m*|4P|/P auegedrückt» worin m das Verhältnis (Z/P) der Länge der Linie Z zu der Länge der Halbwertsperiode der Linse (f) iflt. Es wurde experimentell bestätigt, daß, falls K nicht mehr als 0,2 beträgt, die chromatische Aberration ausreichend klein ist, um die Linse zur Durchlassuhg von Bildern geeignet zu machen. Somit ergibt ein Veriuch zur Verringerung der chromatischen Aberration einer Linse durch Verkleinerung des K-Wertes ein Verfahren* um praktisch das Problem der chromatischen Aberration zu lösen. Dadurch wird es möglich, die chromatische Gesamtaberration zu verringern, welche sowohl die Ohromatischen Längs- als auch chromatischen Seit-Aberrationen in Betracht zieht. *

Außer der chromatischen Aberration gibt es noch weitere Erfordernisse, die eine Linse erfüllen muß.

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Eines hiervon ist das Erfordernis, eines öffnungswinkels« Damit die Grundforderung der Durchlassung eines Bildes einer gewünschten Größe mit der erforderlichen Helligkeit erfüllt wird, ist es notwendig, daß die Linse einen öffnungswinkel von mindestens 10° besitzt. Palis andererseits der Öffnungswinkel der Linse 2 θ ist, ist die Gleichung sin Θ= /2No -δώ. gut. In dieser Gleichung "bedeutet lio den Refraktionsindex an der optischen Achse und "beträgt üblicherweise etwa 1,5 bis etwa 1,6. Das Symbol Δη gibt die Differenz zwischen dem Refraktionsindex N^ an der Uinfangsoberfläche der Linse und dem Refraktionsindex.No an der optischen Zentralachse an. Es ergibt sich klar aus der vorstehenden Gleichung, daß der Öffnungswinkel der Linse 2 θ hauptsächlich durch den Wert Δη bestimmt wird und es ist, damit der öffnungswinkel 2 θ mindestens etwa 10° beträgt, notwendig, daß^n mindestens

0,003 beträgt.

Für die Linse ist weiterhin erforderlich, daß der Durchmesser größer als ein bestimmter Wert ist, da, falls der Durchmesser der Linse zu klein ist, die Linse nicht die zur Durchlassung eines optischen Bildes erforderliche Auflö'sungs stärke und Helligkeit hat. Aus diesem Grund> muß die Linse einen Durchmesser von mindestens 0,2 mm, vorzugsweise mindestens 0,3 mm haben. Es gibt keinen spezifischen Grund, eine obere Grenze für den Durchmesser der Linse aufzustellen, falls das Verhalten der Linse in Betracht gezogen wird. Da jedoch Linsen mit einem Durchmesser oberhalb von 5 mm schwierig nach dem Ionenaustauschverfahren herzustellen sind, wird die obere Grenze des Linsendurchmessers praktisch automatisch durch Her- ' stellungsbeschränkungen bestimmt.

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Weiterhin hat die Linse günstigerweise eine große länge, daß der Transmissionsabstand vorteilhafterweise bei größeren Längen der Linse zunimmt. Die Länge der Linse beträgt mindestens 5 cm und sehr bevorzugt mindestens 10 cm. Anders ausgedrückt ist die Länge Z der Linse mindestens 3 P oder mindestens 50 mal so groß wie der Durchmesser der Linse.

Falls der Thalliumgehalt der optischen Achse einer thalliumhaltigen Linse erhöht wird, während der Thalliumgehalt an der Oberfläche der Linse praktisch bei 0 gehalten wird, nimmt der Wert a der Linse zu und infolgedessen nimmt der Wert P ab. Der Absolutwert von /<ΔΡ//Ρ nimmt ab, wenn der Gehalt an Thallium erhöht wird. Falls beispielsweise der Thalliumgehalt an der optischen Achse der Linse bei 0,5 Mol-#, 2 Mol-#, 8 Mol-# und Ϊ6 Mol-# gehalten wird, betragen die Absolutwerte [δΡι/Ρ 0,17» 0,07, 0,06 und 0,055· Selbst wenn der Thalliumgehalt an der optischen Achse um mehr als diesen wert erhöht wird, nimmt der Absolutwert [δρΙ/Ρ nicht weiterhin ab. Da weiterhin das Glas zur Entglasung und ungünstigen Verfärbung neigt, kann der Thalliumgehalt nicht weiter erhöht werden. Sofern deshalb ein thalliumhaltiges Glas verwendet wird, ist der Absolutwert |ΔΡ| /P schwierig auf einen Wert jenseits von 0,05 zu verringern.

Andererseits kann der K-Wert einer thalliumhaltigen Linse einer gegebenen Länge durch einen kleineren Thallium· gehalt verringert werden. Falls der Thalliumgehalt in der Gleichung K = Ζ/Ρ χ |δΡ|/Ρ verringert wird, nimmt |δρΙ/Ρ in langsamem Ausmaß zu und durch Verringerung de,a Thalliumgehaltes nimmt der Wert a und infolgedessen auch 1/P ab. Außerdem wird das Ausmaß der Abnahme von 1/P höher als das langsame Ausmaß des Anstieges von \Δ Pl/P. Obwohl

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es den Anschein hat, daß der K-Wert einer thalliumhaltigen linse auf den gewünschten Wert durch Senkung des Thalliumgehaltes verringert werden kann,_v wird die Abnahme des Thalliumgehaltes durch eine Abnahme des An-Wertes begleitet, und, um einen A η-Wert von mehr als 0,003 zu erhalten, ist die Abnahme des Thalliumgehaltes begrenzt und der Thalliumgehalt der optischen Achse der linse kann nicht kleiner als 0,5 Mol-$ gemacht werden. Nachfolgend wird eine Linse mit einem Durchmesser von 1,0 mm, deren optische Achse einen Thalliumgehalt von 0,5 Mol-$ hat und an deren Oberfläche die gesamten Thalliumionen durch Kaliumioneh ersetzt sind, abgehandelt. Diese Linse hat die kleinste chromatische Aberration unter den thalliumhaltigen Linsen. Die Linse hat einen Wert A,η von 0,003 und einen Wert [apJ/P. von 0,17. Der P-Wert dieser Linse läßt sich nach folgender Gleichung berechnen. Allgemein besteht die folgende Beziehung zwischen An, P und dem Radius R der Linse:

2P² -An =JT* ² · No-R¹

Da No etwa 1,5 bis etwa 1,6 beträgt, hat P etwa den Wert 26 mm, falls An den Wert 0,003 und R den Wert 0,5 mm haben. ·

Palls K in der Gleichung Κ=Ζ/Ρ.|δρ|/Ρ von 0,2 besitzt, beträgt Z etwa 3 cm. Da K nicht mehr als 0,2 sein darf, haben Linsen mit einer größeren Länge als etwa 3 cm eine große chromatische Aberration und können nicht zur Durchlassung von optischen Bildern aus weißem Licht verwendet werden. Anders ausgedrückt, können die üblichen thalliumhaltigen Linsen mit einem Durchmesser von 1,0 mmkeine Länge von mehr als etwa 3 cm haben, wenn sie eine verringerte chromatische Aberration beibehalten sollen.

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Falls der Durchmesser der thalliumhaltigen Linse größer, beispielsweise 2,0 mm ist, beträgt iTar P-¥ert etwa 52 mm entsprechend der gleichen Gleichung wie vorstehend. Damit der K-Wert nicht mehr als 0,2 ist, darf jedoch die Länge der Linse nicht mehr als etwa 6 cm sein.

Eine Linse mit einem Durchmesser von 1,0 mm, deren optische Achse einen Thalliumgehalt von etwa 1 ljfol-56 hat und an deren Oberfläche die gesamten Thalliumionen durch Kaliumionen ersetzt sind, hat einen P-Wert von 12,8 mm, einen Wert |ap|/P von 0,10 und An von 0,012 und ihre Länge ist, um einen K-Wert von 0,2 zu erhalten, 2,6 cm.

Wie sich klar aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, wird gemäß dem Stand der Technik, falle man versucht, thalliumhaltige Linsen mit brauchbarer chromatischer Aberration zu erhalten, die Länge der Linsen unvermeidlich begrenzt und es war unmöglich, Linsen von ausreichenden Längen herzustellen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß in den thalliumhaltigen Linsen die Werte IA pi/P relativ groß sind.

Der Grund, weshalb die thalllumhaltigen Linsen einen derartig großen Wert [^P[/P besitzen, liegt darin, daß die Dispersion eines thalliumreichen Glasee an der optischen Achse sich relativ stark von der Dispersion eines alkalireichen Glaaes an der Umfangsoberfläche der Linse im Vergleich zu dem durch Ionenaustausch erhaltenen Refraktionsindexgradienten der Linse unterscheidet, d. h., der Differenz zwischen dem RefraktLonsindex Ii an der optischen Achse der Linse und dem Refraktioneindex TL an der Umfnngaoberfläche der Lin3e (N-N₁) oder Zl n. Andere ausgedrückt, ist die Differenz der Abbe-Zahl des Cilaaes an der optischen Achse und derjenigen des Glases an der Umfangaoberfläche im Vergleich

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zu Δ η relativ groß.

Es wurde jetzt gefunden, daß beim Kontaktieren eines cäsiumhaltigen Glasstabes mit einer Quelle für Metallionen wie Natrium, Kalium, Lithium oder Rubinium zum Austausch der Cäsiumionen an der Oberfläche des Stabes gegen die Metallionen und zur Gleichmachung von An der Linsen mit dem Δ η der beim vorstehenden Thallium-Alkali ionen-Aüs tausch erhaltenen Linsen, die Abbe-Zahlen der Gläser an der optischen Achse und der Gläser an der Umfangsoberfläche weit kleiner sind als im Fall von thalliumhalt igen Linsen und daß deshalb Linsen mit einer verringerten chromatischen Aberration mit einem sehr kleinen Wert |.A Pj /P erhalten werden können. ;

Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in neuen Linsen mit einem Refraktionsindexgradienten, der eine verringerte chromatische Aberration ergibt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in Linsen mit einer verringerten chromatischen Aberration und einer ausreichenden Länge.

Aufgrund der Erfindung ergibt sich eine Glaslinse mit einem solchen Refraktionsindexgradienten, daß ihr Refraktionsindex durch die folgende Gleichung wiedergegeben wird

N=No (1-ar²)

worin N der Refraktionsindex in einem Abstand r von der Zentralachse in einem Querschnitt senkrecht zur Zentralachse, No der Refraktionsindex an der Zentralachse und a eine positive Konstante bedeuten, wobei die Linse an ihrer Zentralachse zwei bis 50 Mol-# Cs₂O, 30-98 Mol-# SiO₂ und 0-30 Mol-$ B₂O,, mit der Maßgabe, daß (SiO₂ + B₂O*) 50-98 Mol-$ ist, und gegebenenfalls andere Bestandteile enthält, während die Konzentration der Cäsiumionen

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in der Linse allmählich von der Zentralachse der⁵linse zu ihrer Uinfangsoberfläche abnimmt, so daß der Refraktionsindexgradient erhalten wird, und die Glaslinsen einen Durchmesser von 0,2 bis 5 mm haben, während die Differenz zwischen dem Refraktionsindex der Umfangsoberflache der Linse und dem Wert No mindestens 0,003 beträgt und der Wert|£P|/P weniger als 0,5 beträgt, worin P die Bedeutung hat und P der Absolut-

f2ä

wert der Differenz zwischen dem P-Wert für das C-linienlicht (P_c) und dem P-Wert für das F-Linienlicht (P_p) ist und P den P-Wert für das D-Linienlicht angibt.

Die Glaslinsen gemäß der Erfindung enthalten 2 bis 50 Mol-# Cs₂O, 30 bis 98 Mol-# SiO₂ und 2 bis 30 Mol-# B₂O, mit der Maßgabe, daß das Gesamtverhältnis von SiO,, + B₂O, 80 bis 98 Mol-# an deren Zentralachse beträgt. Gewünschtenfalls können noch weitere Komponenten enthalten sein. Die Cäsiumionenkonzentration der Glaslinsen nimmt nach auswärts von der Zentralachse allmählich ab. Dieser Gradient der Cäsiumionenkonzentration kann durch Kontaktieren eines homogenen Glasatabes der vorstehenden Zusammensetzung mit einer Ionenquelle, welche mindestens ein Metallion aus der Gruppe von Lithium, Natrium, Kalium oder Rubidium enthält, beispielsweise ein geschmolzenes Salz des jeweiligen Metalles, vorzugsweise ein Nitrat, wie NaNO, oder KNO, oder Gemische von Sulfaten wie Gemische von K₂SO, und ZnSO*, an der ümfangsoberfläche des Glasstabes zum Austausch der in der Umgebung der Oberfläche des Glasstabes vorhandenen Cäsiumionen gegen die Metallionen bewirkt werden. Der Refraktionsindexgradient N=NO(I-ar ) wird praktisch aufgrund des Gradienten der Cäsiumionenkonzentration der hierdurch erhaltenen Linsen induziert. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Linsen gemäß der Erfindung praktisch frei von Thallium sind.

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in der Verteilung dieser Ionen «md des lefraktionaindesie im Yerlauf des , während dessen der Criasstab in Kontakt '' Kit der Metallioneneiu-elle gebracht wiM, wurden nachfolgend anband der· fig> 5- unä 4 beschrieben« In fig> 5 ist iie lOR^ent^a-feioit atr* Ione« im fa-

am Kcmtafetea erfolgt ^fe^ Ion emin dleiöjenigeB 3?eil iea Grlaastalies, Oberfläolie liegt xkuä ^&shsuM ist* wie iiaroii

11 ier Fig. ί gezfeigt, äie <äer OisiamiDBen in öeir Innenseite eiea diesem Zeitpunkt gleich der Konzentration yut äew enaustattsch im lereiett des Zentralteiles des Stabea sie nimmt abrupt zu? Oberfläelie. an einem Teil öete nabe der Oberfläcbe des Stabes ab* Bie Kanzentration der Ton der· loneii^uelle In den Innenranm des Criassta-» bes diffundierenden Ionen, beispielsweise Kaliumionen,, nimmt von der Oberfläche zum Innenraum ab und am Zen·?· tralteil des Stabes ist die Konzentration der Kaliumionen 0, wie sieb durch die gestrichelte Linie ti¹ der, Fig. 3 zeigt.

Bei fortschreitender Kontaktzeit schreitet auch der Ionenaustausch zu dem Innenraum des. Glasstabes fort; anders ausgedrückt, diffundieren die Kaliumionen weiter nach innerhalb. Die Konzentration der Cäsiumionen und Kaliumionen zu dem Zeitpunkt, wo die Kaliumionen praktisch die Mitte erreicht haben, sind durch die Kurven 12 und 12' der Fig. 3 gezeigt. Palis der Ionenaustausch weiter fortschreitet, erreichen die Konzentrationen der Cäsiumionen und Kaliumionen die durch 13 und 15* der Fig. 3 angegebenen Werte. Dadurch wird die Konzentration der Cäsiumionen in der Mitte des Stabes niedriger

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als vor dem Ionenaustausch und die Konzentration der _; Kaliumionen in der Mitte des Stabes wird höher. Die Refraktionsindexverteilung des Glaaatabes ist, wenn AiO Konzentrationen der Ionen bei den drei in Fig. 3 gezeigten Stufen liegen, dutch die Kurven 11% T2" and 15^N entsprechend den Cäsiumionenkonzentrationen 11, 12 und 13 der flg. 3 jeweils in Fig. 4 angegeben. Die Refraktionsindexkurve 11" erfüllt die Gleichung H=Ho(I-ar ) nicht, während die Kurven 12" und 13* diese Gleichung erfüllen.

Die geeignete Kontaktzeit wird somit so bestimmt, daß die Cäsiumionenkonzentration durch 12 und 13 und die Refraktionsindexverteilung durch 12" und I)* ge~ zeigt wird. Eine zu lange Kontaktzeit ist ungünstig, da hierdurch der Gradient der Konzentration, der Ionen und der Gradient des Refractionsindex achwach wird und Infolgedessen der notwendige Wert Δ η (Differenz des Refractionsindex zwischen dem Zentrum und der Oberfläche) nicht erhalten werden kann.

Falls der Glasstab vor der Ionenaustauschbehandlung Cäsiumionen und Alkaliionen, beispielsweise Natriumionen enthält, ergibt die Konzentration der Natriumionen üblicherweise ähnliche Kurven wie die Konzentration der Cäsiumionen 11, 12 und 13 infolge des Ionenaustausches. Sa jedoch die Natriumionen und Kaliumionen größere Diffusionsgeschwindigkeiten als die Cäsiumionen besitzen, kann der Ionenaustausch zwischen den Natriumionen in dem Glasstab und den Kaliumionen aus der äußeren Ionenquelle stattfinden, nachdem der Gradiat jeder .lonenkonzentra&ion gebildet wurde. In diesem Fall wird der Gradient der Konzentration der Cäsiumibnen praktisch beibehalten, während die Gradienten der Natrium- und Kaliumionenkonzentrationen bisweilen flach werden können. Jedoch ändert sich der Refraktionsindex kaum durch einen Ionenaustausch zwischen

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Natrium und Kalium. Deshalb beeinflussen die Gradienten, der Konzentrationen dieser Ionen kaum den Gradienten des Refraktionsindex der Linsen und der Refraktionsindexgradient wird hauptsächlich durch den Gradienten der Konzentration der Cäsiumionen gebildet.

In zahlreichen Fällen ist die Konzentration der Cäsiumionen an^der TJmfangs oberfläche der Linsen gemäß der Erfindung praktisch O, jedoch ist es insgesamt nicht notwendig, daß er O wird. Bisweilen läßt sich beispielsweise der Wert A η durch Zusatz einer geringen Menge von Cäsiumionen zu der Metallionenquelle, die mit den Cäsiumionen im Glas auszutauschen ist, steuern und in diesen Fällen wird die Konzentration der Cäsiumionen an der Umfangsoberfläche nicht O.

Die Temperatur, bei der der homogene Glasstab mit der äußeren Ionenquelle kontaktiert wird, sollte mindestens 40O⁰C betragen, damit die in dem Glasstab vorhandenen Cäsiumionen diffundieren und sich bewegen. Falls jedoch diese Temperatur zu hoch ist, zeigt das Glas eine Neigung zur Verformung und infolgedessen überschreitet die Kontakttemperatür vorzugsweise einen Wert von 600⁰C nicht.

Die Linsen gemäß der Erfindung können nach einem Verfahren hergestellt werden, wobei ein Glasstab mit einem kreisförmigen Querschnitt und einem einheitlichen Refraktionsindex, welcher 2 bis 50 Mo1-$ Cs₂O, 30-99 Mol-jS SiO₂ und 0-30 Mol-$ B₂O, enthält, wobei das Gesamtverhältnis von SiO₂ + B₂O, 50 bis 98 Mol-# beträgt, der gewünscht enfaIls noch andere Bestandteile enthalten kann, auf 400 bis 600⁰C mit einer Schmelze eines Salzes mindestens eines Metalles aus der Gruppe von Natrium, Kalium, Lithium oder Rubidium kontaktiert wird, so daß die nahe an der Oberfläche des Stabes vorhandenen Cäsiumionen gegen

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die Metallionen ausgetauscht werden und der Refraktionsindex an einem Teil näher zur Oberfläche dee Stabes stärker verringert wird als der einheitliche Refrakti ons index. Bei den Linsen gemäß der Erfindung ist die Glaszusammensetzung an der Zentralachse in der vorstehend angegebenen Weise aus den nachfolgenden Gründen begrenzt. Die Menge an Cs₂O muß in einem Betrag von mindestens 2 Mol-56 gehalten werden, um den gewünschten Refraktionsindexgradienten zu erhalten. Falls dessen Menge jedoch 50 Mol-# berschreitet, zeigt das Glas eine Neigung zur Entglasung und ist schwierig zu fabrizieren. Bas SiO₂ muß in einer Menge von mindestens 30 Mol-# zur Verglasung gehalten werden. B₂0» jSteilt keinen wesentlichen Bestandteil dar, wird jedoch bevorzugt, da es den Schmelzpunkt dee Glases erniedrigt. Mengen oberhalb von 30 % sind ungeeignet, da eine derartige Menge an B₂O, Schwierigkeiten der Verglasung verursacht. Falls das Glas B₂O, enthält, ist es für Verglasungszwecke notwendig, daß die Gesamtmenge an SiO₂ und B₂O, mindestens 50 Mol-56 beträgt. Das Glas kann gewünschtenfalls andere Bestandteile, wie Na₂O, K₂O und Rb₂O jeweils in Mengen von 0 bis 30 Mol-$, Li₂O in einer Menge von 0 bis 10 M0I-7S, enthalten mit der Maßgabe, daß der Gesamtanteil an Cs₂O + Na₂O + K₂O + Rb₂O + LigO innerhalb des Bereiches von 2 bis 50 MoI-^ liegt. Falls der Anteil an Li₂O den Wert von 10 Mol-# tibersteigt, zeigt das Glas eine Neigung zur Entglasung und falls die Gesamtmenge an Cs₂O + Na₂O -f K₂O + Rb₂O + Li₂O einen Wert von 50 Mol-# überschreitet, wird die Entglasung "schwierig. Die mit den Cäsiumionen in dem Glas auszutauschenden Natrium-, Kalium-, Lithium- oder Rubidiumionen haben einen kleineren Ionenradius als die Cäsiumionen und deshalb können Zugspannungen an der Umfangsoberfläche der

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Glaslinse infolge des Ionenaustausches auftreten, sodaß die optischen und mechanischen Eigenschaften der linse verschlechtert werden. Dieses Auftreten von Zugspannungen kann beispielsweise verhindert werden, wenn Natriumionen, die einen kleineren Ionenradius als die Kaliumionen, in das Glas als Na₂O einverleibt werden, falls die Kaliumionen gegen die Cäsiumionen ausgetauscht werden. ITm die Witterungsbeständigkeit der Gläser zu verbessern, können ZnO, CaO oder MgO einverleibt werden. Palis der Betrag an ZnO, CaQ oder MgO oder die Gesamtmenge dieser Materialien zu groß ist, wird die Geschwindigkeit des Ionenaustausches langsam. Deshalb sollte die Gesamtmenge dieser Bestandteile einen Wert von 20 Mol-% nicht überschreiten.

Die Linsen gemäß der Erfindung werden bisweilen in innigem Kontakt mit weiteren optischen Komponententeilen, wie Linsen oder Prismen verwendet. In einem derartigen Pail ist es bisweilen günstig, daß der Refraktion3index (Durchschnittswert) der Linsen gemäß der Erfindung nahe demjenigen der optischen Komponententeile liegt, um den Reflektionsverlust an der Grenzfläche zwischen der Linse gemäß der Erfindung und den optischen Koniponententeilen auf einem Minimum zu halten. In diesem Pail kann der durchschnittliche Refraktionsindex der Linse durch Einverleibung von weniger als etwa 10 Mol-$ mindestens eines der Materialien PbO, BaO, Al₂O, oder La₂O, in das Glas gesteuert werden.

Die bevorzugte Zusammensetzung der Glaslinse an ihrer zentralen Achse ist die folgende: 2 bis 15-Mol-# Cs₂O, 45-85 Mol-# SiO₂ und 0-30 Mol-# B₃O₅, wobei der Gesamtanteil an SiO₂ + B₃O₅ 55-90 Mol-# beträgt, 0-30 Mol-% jeweils an Na₂O, K₃O und RbgO und 0 bis 10 Mol-% an Li₂O mit der Maßgabe, daß der Gesamtanteil an Na₂O + K₂O + Rb₂O + Li₂O 2-40 Mol-$ beträgt und der Gesamt-

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anteil an Cs₂O + Na₂O + K₂O + Rb₂O + Li₂O einen Wert von 4 bis 50 Mol-# beträgt, und 2-20 Mol-# mindestens einer Komponente aus der Gruppe von ZnO, CaO, MgO, PbO, BaO und Al₂O*. Der Grund für diese Begrenzung der Zusammensetzung der Glaslinsen an ihrer Zentra1-achse ist der folgende: Falls das Verhältnis an Cs₂O 15 Mol-# überschreitet, wird die Witterungebeetändigkeit des Glases schlecht. Falls das Verhältnis an SiO₂ niedriger als 45 Mol-$ ist, wird die Witterungsbeständigkeit des Glases schlecht und falls sie höher als 85 Mol-# ist, ist eine Schmelztemperatur oberhalb 155O⁰C erforderlich und deshalb wird die Verarbeitungsfähigkeit des Glases schlecht. Palls Na₂O, KgO, Rt>₂0 und I»i₂O in den vorstehend angegebenen Mengen enthalten sind, tritt der Vorteil ein, daß das Schmelzen und die Fabrikation des Glases leicht wird. Falls das Gesamtverhältnis dieser 4 Alkalioxide 40 Mol-# tiberschreitet, wird die Witterungsbeständigkeit des Glases schlecht. Falls weiterhin die Gesamtmenge an Cs₂O + Na₂O * K₂O + Rb₂O + Ii₂O einen Wert von 50 Mol-# übersteigt, wird die Verglasung schwierig. Die Einverleibung von mindestens 2 Mo1-% mindestens einer Komponente aus der Gruppe von ZnO, CaO, MgO, PbO, BaO, Al₂O, und Ia₂O, wird zur Verbesserung der Witterungsbeständigkeit der Gläser bevorzugt. Falls jedoch die Gesamtmenge 20 Mol-# übersteigt, wird die Diffusiohsgeschwindigkeit des Cäsiums während des Ionenaustausches niedriger und ist infolgedessen nicht günstig. Falls die Gesamtmenge an SiO₂ + B₂O₅ mehr als 90 Mol-# beträgt, wird die Schmelztemperatur des Glases in ungünstiger Weise hoch·

Die am stärksten bevorzugte Zusammensetzung der Glaslinsen gemäß der Erfindung an der Zentralachse ist die folgende: 3-7 Mol-# Cs₂O, 55-75 Mol-# SiO₂, eine

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Menge von ITa₂O und/oder KgO von 12-25 Mol-#, 4-10 Mol-56 ZnO, während die Gesamtmenge an Cs₂O, SiO₂» Na₂O, K₂O und ZnO mindestens 95 Mol-$ beträgt. Andere Bestandteile können in einer Menge von nicht.mehr als 5 Mol-# enthalten sein. Der Grund für diese stärkste Bevorzugung ist der folgende: damit die Linse mit dem günstigsten Refraktionsindexgradienten ausgestattet wird, ist Cs₂O vorzugsweise in einer Menge von mindestens 2 Mol-% enthalten. Falls jedoch der Wert 7 Mo1-$ überschreitet, zeigt sich eine Neigung zur Verschlechterung der Witterungsbeständigkeit der Gläser. Falls der SiO₂-Gehalt niedriger als 55 Mo1-$ ist, wird die Witterungsbeständigkeit des Glases schlecht. Falls der Wert 75 M0I-7S überschreitet, tritt die Neigung auf, daß die Schmelztemperatur zu hoch wird. Die Einverleibung von mindestens 12 Mol-$ an Na₂O * K₂O bringt den Vorteil eines leichten Schmelzens und einer leichten Formung des Glases, jedoch wird, falls die Gesamtmenge dieser Metalloxide 25 Mol-$ überschreitet, die Witterungsbeständigkeit des Glases schlecht. Falls ZnO in einer Menge von mindestens 4 Mol-# vorhanden ist, kann die Entglasung des Glases während des Ionenaustausches verhindert werden. Falls jedoch die Menge oberhalb 10 Mol-# liegt, tritt die Neigung auf, daß die Diffusion des Cäsiums während des Ionenaustausches gehemmt wird.

Im Hinblick auf die Beibehaltung einer ausreichenden Auflb'sungs stärke und Helligkeit haben die Linsen gemäß der Erfindung einen Durchmesser von 0,2 bis 5 mm, vorzugsweise mindestens 0,3 mm. Linsen mit einem Durchmesser von oberhalb 5 mm sind schwierig durch den Ionenaustausch herzustellen. Weiterhin muß bei den Linsen gemäß der Erfindung die Differenz zwischen dem Refraktionsindex an der ümfangsoberfläche der Linse und dem Refraktionsindex

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Nq an der zentralen Achse mindestens 0,003 betragen, damit der zur Durchlassung optischer Bilder erforderliche öffnungswinkel erhalten wird. Weiterhin sind die linsen gemäß der Erfindung durch die Tatsache gekennzeichnet, daß der Wert \δ PJ/P, worin fΔ Pl der Absolutwert der Differenz zwischen P_c und, P^, ist, nicht mehr als 0,05 beträgt. Infolgedessen besitzen die Linsen gemäß der Erfindung die überlegene Eigenschaft, daß sie die chromatische Aberration markant im Vergleich zu den üblichen Linsen verringern. Die Länge der Linfj?n,^emä|, der Erfindung beträgt vorzugsweise mindestena 50 mm und stärker bevorzugt 100 mm.

Einige Beispiele der Linsen gemäß der Erfindung sind in den nachfpigenden Tabellen I und II hinsichtlich des Verhaltens angegeben.

Linsen, die eine Zusammensetzung an der Zentralachse derselben aus 2 bis 50 Mol-$ Cs₂O, Rest SiO₂, besitzen und an deren ümfangsoberfläche sämtliche Cäsiumionen praktisch durch Kaliumionen ausgetauscht sind, haben die in Tabelle I angegebenen Werte für Λ η und Δ P/P, wobei R den Radius der Linse angibt.

Tabelle I

Menge an Cs₉O (Mol-%) an der Zentral achse	Δ η	Δ Ρ/Ρ	P/R
CVJ	0,005	-0,01.21	4ο,ο
	0,012	-0,0081	,25,7
10	0,015	-0,0012	23,0 .
20 ■'■'■ ' ''■	0,020	0,0020	.19,9
'■' '"5O '^;"^: '^:· ■·	0,032	0,0089	. 15,7 ,

3 0 9 8 2 7/0 8.JB₈I_{3 β} , _ν , _{g e 0}

Linsen mit einer Zusammensetzung an der Zentralachse von 10 Mol-fo Cs₂O und 90 Mol-# SiO₂ , an deren TJmfangsfläche die gesamten Cäsiumionen praktisch durch Rubidium, Lithium oder Natriumionen ausgetauscht sind, haben die in Tabelle II aufgeführten Werte von Δ η und Δ Ρ/Ρ. .

	Tabelle	-■	II	-	P/R	9 4 9
	Δη	Δ Ρ/Ρ	19, 19, a,
ausgetauschte Ionen mit den Cäsiumionen	0,020 0,021 0,010	-0,0018 -0,0074 -0,0013
Rubidium Lithium JSTa tr ium

Gemäß Tabelle I hat eine Linse mit einem Gehalt von

5 Mol-# Cs₂O einen Wert Λ η von 0,012 und einen Wert

6 P/P von -0,0081. Falls der Durchmesser dieser Linse 1,0 mm beträgt, beträgt der Wert P; berechnet au3 P/R= 25,7, etwa 12,8 mm. Die chromatische Aberration K dieser Linse mit einem Radius von 0,5 mm und einer Länge von 20 cm beträgt 0,13 und eine Linse mit einem Radius von 0,5 mm, deren chromatische Aberration K gleich dem kritischen Wert 0,2 ist, hat eine Länge von etwa 32 cnu Wie vorstehend angegeben, bestimmten den Öffnungswinkel der Linse und bei einem größeren Wert Δ η kann die Linse hellere Bilder durchlassen. Deswegen werden allgemein größere Werte fürA η bevorzugt. Gemäß der Erfindung kann Δ η durch Erhöhung des Cs₂0-Gehaltes der Linse an ihrer Zentralachse erhöht werden und diese Erhöhung des Gehaltes an Cs₂O ergibt einen Anstieg der chromatischen Aberration der Linse von einer Länge Z. Diese neigung ist die

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gleiche wie im Fall von TIpO. Falls deshalb die Länge der Linse relativ groß ist, beträgt der Wert Δ η der Linse vorzugsweise 0,005 bis 0,025·

Es wurde bereits angegeben, daß, falls die Länge der Linse beträchtlich groß ist, die chromatische Aberration der Linse hauptsächlich vom K-Wert abhängig ist. Falls andererseits die Länge der Linse klein ist, insbesondere wenn die Länge der Linse kurzer als P/2 ist, wird die chromatische Aberration hauptsächlich durch Variierungen des Brennpunktsbstandes beeinflußt.

Falls die Brennpunktabstände f und Nq für das C-Linienlicht mit f~ und N_oc, die Brennpunktabstände f und N₀ für das F-Linienlicht mit ty und F_Op, die Länge der Linse durch Z, der Wert (fj, - f„) durch At und der Wert (Nqji - Nqq) durch ANq angegeben werden, wird die folgende Gleichung aus der Gleichung (2) erhalten.

-. _π. I. _{cot (} ". ζ >^._ *ΐ.

Eine übliche thalliumhaltige Glaslinse, die durch Behandlung eines Glasstabes aus 60 Mol-56 SiO₂, 15MoI-Ji B₂O,, 24 Mol-# Na₂O und 1 Mol-# Tl₂O mit einem Kaliumsalz unter Ausbildung eines Tl₂O-Gehaltes von 1 Mol-56 an der Zentralachse und Austausch der gesamten Thalliumionen durch Kaliumionen an der !Anfangsoberfläche der Linse erhalten wurde, wurde hinsichtlich von4f/f mit einer Linse gemäß der Erfindung verglichen, welche durch Behandlung eines Glasstabes mit 60 Mol-36 SiO₂, 15 Mol-?£ B₂O^, 20 Mol-?6 Na₂O und 5 Mol-# Cs₂O mit einem Kaliumsalz zur Ausbildung eines Cs₂O-Gehaltes von 5 Mol-ji an der Zentralachse und Austausch der gesamten Cäsiumionen durch Ealiumionen an der Umfangsoberfläche der Linse er-

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halten wurde. Die Zusammensetzungen der Linsen wurden so --'gewählt, daß die P-Werte beider linsen gleich warep. Die Durchmesser der beiden Linsen waren etwa 0,25 mm,
so daß P etwa 3,1 mm'beträgt. Die Werte 'für Nq, die
Abbe-Zahl T_Q an der Zentra!achse, Δ ΪΓ₀, Δ Kq/Nq und Δ Ρ/Ρ dieser Linsen'sind in Tabelle ΪΙΙ angegeben.

	]	1 1	,48	Tabelle	"III	Δ	K₀ZN₀;	■;-■-- -"	---'-■ j _
..--.-< ..;_■■■.;,			" -. -. · --	P Q	,0066	A	Ρ/Ρ
		V			-ο, -Oy	008 08;
Cäsiumglas Thalliumglas	.66. 50	0,0,073 Oy0098

Palls^! die vorstehenden Werte in jdi© vorstehende '" Gleichung eingesetzt werden, wird die folgende Aussage für^; das..Cäsiumglas ...-».·.· ■ ;-. - \

= -0,008 - Z · cot Z - 0,008 - 0,005

und die folgenden Werte für das Thailiumigias

■''■■■' =------Ö^Ö8 ·■ Z - cot Z "^ Ö,^:Ö80 ^- 0,007

erhalten. Somit bfeträgt die^: chromatische Äberrätioii ^; Δ f/f mit der Länge dler" LinsMe 0,5, t;O' bzw. 1,57 mii;
wie in Tabelle i^ gezeigte " ^{! :} ,^ ,

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	Tabelle IV	Af/f des Thallium- glasea
Länge der Mnse (mm)	Af ff des Cäsium- glases	-0,160 -0,138 -0,087
0,5 1,0 1,57 ·	-0,020 -0,018 -0,013

Es ergibt sich aua Tabelle IV, daß die chromatische Aberration der Cäsiumglaslinsen gemäß der Erfindung kleiner als diejenige von üblichen Thalliumglaslinsen ist, selbst wenn die länge der linse kleiner ist.

Ein weiterer Vorteil der Linsen gemäß der Erfindung liegt darin, daß, während die thalliumhaltigen Linsen eine große Absorption von ültraviolettstrahlen aufgrund der Absorption der Thalliumionen besitzen, die cäsiumhaItigen Linsen gemäß der Erfindung nur eine kleine Absorption von Ultraviolettstrahlen haben und infolgedessen die Linsen gemäß der Erfindung zur Übermittlung von Ultra violettstrahlen wirksam sind. Beispielsweise erlaubt eine 5 mm lange Linse mit einem Gehalt von 3 Mo.l-jf bzw. i Molan Thallium an ihrer Mittelachse die Durchlassung von 0 # bzw. 75 i> eines Lichtes der Wellenlänge von 320 m/u» während eine Linse gemäß der Erfindung mit einer Länge von 5 mm und einem Gehalt von 5 Mol-# Cäsium in der Mitte 98 # eines Lichtes der Wellenlänge von 320 m/U durchlassen kann«

Linsen mit einem Refraktionsindexgradienten können auch durch Kontaktierung eines Glasstabes, der Lithium* oxid anstelle von Cäsiumoxid enthält, mit einem Salz, welches Natrium-, Kalium- oder Rubidiumionen enthält, zum Austausch der nahe der Oberfläche des Glasstabes vor-

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handenen Lithiumionen, beispielsweise durch Natriumionen oder Kalium- oder Rubidiumionen hergestellt werden. TTm jedoch einen großen Refraktionsindexgradienten zu erhalten, d. h. einen Werten von mindestens 0,003, ist es notwendig, eine große Menge an lithiumoxid in das Glas einzubauen. Glas mit einem Gehalt einer grossen Menge an lithiumoxid hat jedoch den Fehler, daß es zur Entglasung neigt und schwierig zu Stangenform zu fabrizieren ist. Aufgrund der vorliegenden Erfindung zeigen sich diese Fehler nicht.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Ein Glasstab mit einem Durchmesser von etwa 1,2 mm und einer länge von etwa 22 mm mit einem Refraktionsindez von 1,535 und mit einem Gehalt von 59 $> SiO₂* 18 (Es₂O, 14 $> Na₂O und 9 $ ZnO, jeweils auf das Gewicht bezogen, (71,0 $> SiO₂, 4,6 # Cs₂O, 16,3 $ Na₂O und 8,1 # ZnO, bezogen als Mol) wurde in ein Bad von geschmolzenem Kaliumnitrat, das bei 56O⁰C gehalten wurde, während etwa 120 Stunden eingetaucht.

ITm die Zersetzung des Kaliumnitrats bei hohen Temperaturen zu verhindern, war das geschmolzene Bad in einem verschließbaren Gefäß enthalten und das Gefäß war verschlossen. Das geschmolzene Bad wurde bei der hohen Temperatur durch eine außerhalb des Gefäßes angebrachte Heizvorrichtung gehalten. Durch diese Eintauchung wurden die nahe der Oberfläche des Glasstabes befindlichen Natriumionen und Cäsiumionen durch Kaliumionen im geschmolzenen Bad ausgetauscht. Die Natriumionen und Cäsiumionen nahe der Oberfläche des Glasstabes wurden in dem geschmolzenen Salzbad aus der Oberfläche des Glasstabes herausge-

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löst und die in den geschmolzenen Salz vorhandenen Kaliumionen diffundierten in den Glasstab. Infolgedessen hatten im Inneren des Glasstabes die Cäsium-Ionen und Natriumionen eine allmählich von der Mittelachse zu der Oberfläche abnehmende Konzentration und die Kaliumionen nahmen allmählich von der Zentralachse zu der Oberfläche zu. Dies wurde durch einen Elektronenmikroproben-Röntgenstrahlanalysator bestätigt. Es wurde durch ein Refraktionsindexmeßgerät festgestellt, daß durch die Konzentrationverteilungen der Cäsiumionen und Kaliumionen der Refraktionsindez kontinuierlich von der optischen Achse des Glasstabes zu der Oberfläche praktisch entsprechend dem Quadrat des Abstandes von der Zentralachse abnahm. Da die Oberflächenschicht in etwa 0,1 mm Tiefe des Glasstabes geringfügig von dieser Refraktionsindexverteilung abwich, wurde die Oberflächenschicht durch Eintauchung des Glasstabes in eine wässrige Lösung mit 3 Gew.-^ Flußsäure entfernt. Der Glasstab, der nach der Entfernung der Oberflächenschicht einen Durchmesser von etwa 1,0 mn hatte, wurde an beiden Endflächen geschnitten und poliert, so daß eine stabartige Linse mit einer Länge von 20 cm erhalten wurde.

Biese stabartige Linse hatte die gleiche Zusammensetzung an ihrer Zentralachse wie der ursprüngliche Glasstab und hatte einen Refraktionsindex von 1,535 an ihrer Zentralachse und von 1,525 an ihrer Tftafangsoberfläche.

_—2 Der Gradient des Refraktionsindex betrug etwa 0,024 mm , angegeben als Wert a. Die Abbe-Zahl des Glases an seiner mittleren Achse betrug 56,64 und die Abbe-Zahl des Glases an seiner Umfangeoberfläche betrug 56,40. Die Verte F und λP/P der Linse betrugen 14 mm bzw. -0,0038.

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Wenn ein Bild eines Gegenstandes unter Anwendung dieser linse beobachtet wurde, wurde festgestellt, daß es kaum eine verringerte chromatische Aberration zeigte. Die chromatische Aberration K dieser Linse mit einer länge von 20 cm betrug 0,06. Die länge einer linse, die einen kritischen Wert K von 0,2 entsprach, beträgt etwa 70 cm.

Beispiele 2 bis 10

Bei jedem Versuch wurde ein Glasstab mit einem Durchmesser von etwa 1,2 mm und einer länge von etwa 22 cm und den verschiedenen, in Tabelle V angegebenen Zusammensetzungen und RefraktionsIndexen unter den in Tabelle VI angegebenen Bedingungen unter Anwendung eines geschmolzenen Bades aus KNO, oder ITaNO, als lonenaustauschbad nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 behandelt. Dadurch wurde eine Vielzahl von stabartigen linsen mit einer länge von 20 cm und einem Durchmesser von etwa 1,0 mm hergestellt. Die Eigenschaften dieser Btabartigen linsen sind in Tabelle VII angegeben. Zum leichteren Vergleich sind die in Beispiel 1 aufgeführten Werte ebenfalls in den Tabellen V, VI und VII erhalten.

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Tabelle V

Zusammensetzungen (M0I-9S) der Glasstäbe vor dem Ionenaustausch und deren RefraktionsIndexe

	SiO₂	1	2	3	Beispiele	4	5	6	7	8	9	10
	Cs₂O	71,0	64,5	65,7	68,5	48,1	56,3	76,4	86,2	52,0	73,8
	Na₂O	4,6	6,9	14,0	4,9	4,0	4,1	9,8	2,6	18,5	5,2
	K₂O	16,3	15,6	15,9	11,0	12,0	4,7			16,8
	Li₂O										7,8
	Rb₂O ZnO CaO MgO				11,5
nnensetzung	PbO BaO	8,1			4,1	19,9		4,9	4,0	12,7	13,2
Zusan	Al₂O₅		13,0	4,4			6,1
	B₂O₅							8,9	7,2
	Refrak tions- index					16,0	18,8
	1,535	1,603	1,558	1,531	1,485	1,51	J 1,91s	2 1,412	1,558	1,535

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Tabelle TI Ionena us ta uschbedingungen

CO σ co CO ro

ο οσ

	1	2	Beispiele	4	5	6	7	8	9	10
	1,2	1,2	3	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2
Durchmesser des Glasstabes (mm)	KITQ₅	KlTO₂	1,2	KNO₅	NaITO₅	KNO₅	KNO₅	KNO₅	KNO₅	KNO₅
Zusammensetzung des Salzbades	56O⁰C 120 Std.	470⁰C 120 Std.	KlTO₃	490⁰C 120 Std.	490⁰C 120 Std.	510⁰C 150 Std.	55O⁰C 180 Std.	600⁰C 150 Std.	510⁰C 150 Std.	600⁰C 150 Std.
Temperatur des Salzbades und Eintauchungszeit	0,1	0,1	490⁰C 120 Std.	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1
Stärke der ent fernten Ober flächenschicht (mm)		0,1

ro vo

CD

cn CD

Tabelle 711

"Verhalten der Linsen

O CO OO

CD OD CO

A.bbe-Zahl an der Zentral- ichse	1	2	3	Beispiele	5	6	7	8	9	10
A.bbe-Zahl an der ümfangs- oberflache	56,64	H, 77	51,58	4	60,46	63,17	61,92	63,90	53,96	60,68
Refraktions index in der Mitte	56,40	M, 43	50,00	57,31	59,84	62,22	60,68	63,48	52,18	59,53
Refraktions index an der Oberfläche	1,535	1,603	1,558	56,61	1,485	1,513	1,512	1,492	1,558	1,535
a (πκο )	1,525	1,590	1,535	1,531	1,475	1,488	1,497	1,487	1,533	1,522
P (aas)	0,024	0,023	0,041	1,512	0,019	0,046	0,028	0,009	0,045	0,024
ΔΡ/Ρ	H	15	11	0,035	16	10	13	23	11	15
Σ der Linsen nit einer Länge ύόώ. 20 cm	-0,005S	-0,004€	0,0009	12	-0,0015	-0,0030	0,0003	0,0010	0,0080	0,0015
Länge einer Linse (cm), die einen Wert Ks0,2 ergibt	0,054	0,062	0,016	-0,G028	0,019	0,058	0,0045	0,0087	0,152	0,021
	70	64	253	0,047	216	69	893	460	26	193
		86

Claims

Patentansprüche

Iy Glaslinsen mit einer verringerten chromatischen Aberration und einem solchen Refraktionsindexgradienten, daß der Refraktibnsindex durch die folgende Gleichung

N=No. (1-ar²)

wiedergegeben wird, worin N den Refraktionsindex in einem Abstand r von der Zentralachse der linse in einem Querschnitt senkrecht zur Zentralachse, No den Refraktionsindex an der Zentralachse und a eine positive Konstante bedeuten, wobei die Zusammensetzung der Glaslinse an ihrer zentralen Achse 2 bis 50 Mol-$£ Cs₂O, 30 bis 98 Mol-96 SiO₂ und 0 bis 30 Mol-# B₂O₃ , während der Betrag (SiO₂ + Br>0») einen Wert

von 50 bis 98 Mol-$ hat, sowie gegebenenfalls weitere

ist
Bestandteile,'/während die Konzentration der Cäsiumionen in der Linse allmählich von der Zentralachse der Linse zu ihrem Umfangsteil unter Bildung des Refraktionsindexgradienten abnehmen, die Glaslinse einen Durchmesser von 0,2 bis 5 mm besitzt, die Differenz zwischen dem Refraktionsindex an der Umfangsoberfläche der linse und No mindestens 0,003 beträgt und der Wert \λ p|/P mindestens 0,005 ist, worin P den Wert TZ »}ΔΡ| den Absolutwert der Differenz zwischen

VTä

P für das C-linienlicht (P_Q) und P für das P-linienlicht (Pp), P den P-Wert für das D-linienlicht bedeuten*
2. Glaslinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als andere Bestandteile das Glas an der Zentralachse der linse 0 bis 30 Mol-56 jeweils an Na₂O₉ KgO und Pb₂O und 0 bis 10 Mol-$ an IiO₂, wobei jedoch das Gesamt-

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verhältnis von Cs₂O + Na₂O * K₂O + Rb«O + MgO einen Wert von 2 bis 50 Mol-# beträgt, sie weiterhin O bis 20 Mol-# mindestens einen der Bestandteile ZnO₁ CaO oder MgO und weiterhin 0 bis 10 Mol-# mindestens einen der Bestandteile FbO, BaO, Al₂O, und La₅O₅ enthält.
3. Linse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Länge Z von mindestens 50 min und einen Wert K=Z/P * |*Δ.Ρ |/P von nicht mehr als 0,2 hat.
4. Glaslinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Glaslinse an ihrer Zentralachse 2 bis 15 Mol-# Cs₂O, 45 bis 85 Mol-# SiO₂ und O bis 30 Mol-# B₂O^ beträgt, wobei der Gesamtanteil an SiO₂ + B₂O₅ 55 bis 90 Mol-# ist, sowie O bis 30 Moljeweils an Na₂O, K₂O und Rb₂O, O bis 10 Mol-# an LiO₂, wobei der Gesamtanteil an Na₂O + K₂O +Rb₂O + LigO einen Wert von 2 bis 40 Mol-# hat und der Gesamtanteil an Cs₂O + Na₂O + K₂O + Rb₂O + Li₂O einen Wert von 4 bis 50 Mol-# beträgt, und 2 bis 20 Mol-96 mindestens eines der Bestandteile ZnO, CaO, MgO, PbO, BaO, Al₂O, und La₂O^ beträgt.
5. Glaslinse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung an ihrer Zentralachse 3 bis 7 Mol-# Cs₂O, 55 bis 75 Mol-# SiO₂, einem Gesamtbetrag mindestens eines der Bestandteile Na₂O und KpO von 12 bis 25 Mol-#, ZnO in einer Menge von 4 bis 10 Mol-56 beträgt, wobei der Gesamtanteil an CsO₂ + SiO₂ + Na₂O + K₂O + ZnO mindestens 95 Mol-# beträgt. Rest andere Bestandteile.
6. Glaslinse nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Konzentration der Ionen mindestens eines der Metalle Lithium, Natrium, Kalium und Rubidium besitzt, die allmählich von der Zentralachse der Linse

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zu der Umfangsoberfläche zunimmt.
7. Verfahren zur Herstellung von Glaslinsen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glasstab mit einem kreisförmigen Querschnitt und einem einheitlichen Refraktionsindex, welcher 2 bis 50 M°l-$ Cs₂O, 30 bis 98 Mol-# SiO₂ und 0 bis 30 Mol-# B₃O₃ enthält, wobei der Gesamtanteil an SiO₂ + B₂O, 50 bis 98 Mol-$ beträgt, gegebenenfalls mit weiteren Bestandteilen, auf 400 bis 600⁰C mit einer Schmelze eines Salzes mindestens eines der Metalle Natrium, Kalium, Lithium oder Rubidium unter Austausch der nahe an der Oberfläche des Stabes vorhandenen Cäsiumionen mit den Metallionen unter Verringerung des Refraktionsindexes an dem Teil näher zur Oberfläche des Stabes i,n stärkerer Weise als dem einheitlichen Refraktionsindex kontaktiert wird.

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