DE2263501C2 - Glaslinsen mit verringerter chromatischer Aberration - Google Patents
Glaslinsen mit verringerter chromatischer AberrationInfo
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Description
worin Nden Brechungsindex in einem Abstand rvon
der Zentralachse der Linse im Querschnitt senkrecht zur Zentralachse, No den Brechungsindex an der
Zentralachse und a eine positive von der Wellenlänge abhängige Konstante angeben, wobei die
Glaslinse einen Durchmesser von 0,2 bis 5 mm besitzt und die Differenz zwischen dem Brechungsindex
der Umfangsoberfläche der Linse und dem Wert N0 mindestens 0,003 beträgt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Glaslinse an der Zentralachse 2 bis 50 MoI-%
Cs20,30 bis 98 Mol-% SiO2 und 0 bis 30 MoI-% B2O3
mit der Maßgabe beträgt, daß (SiO2+B2O3) den
Wert von 55 bis 98 Mol-% hat, und der andere Teil
der Glaslinse eine solche Zusammensetzung besitzt, daß das Cäsium in der Masse mit mindestens einem
der Metalle Natrium, Calcium, Lithium und Rubidium ionenausgetauscht ist und die Konzentration der
Cäsiumionen und der Metallionen in der Linse jeweils von der Zentralachse der Linse zu ihrer
Umfangsoberfläche unter Ausbildung des Brechungsindexgradienten zunimmt und der Wen\AP\/P weniger als 0,05 beträgt, worin P den
Wert ;r/j/2a bei der Wellenlänge der Differenz
zwischen P fü' die C-Linie und P für die F-Linie
angibt
2. Glaslinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Glas weiterhin an der Zentralachse der Linse 0 bis 30 Mol-% jeweils un Na2O, K2O und
Rb2O und 0 bis 10 Mol-% Li2O mit der Maßgabe
enthält, daß der Gesamtanteil von Cs2O+ Na2O+ K2O+ Rb2O+ Li2O 2 bis 50 Molbeträgt,
das Glas weiterhin 0 bis 20 Mol-% mindestens eines der Bestandteile ZnO, CaO und
MgO und weiterhin O bis 10 Mol-% mindestens eines der Bestandteile PbO, BaO, Al2O3 und La2O3 enthält.
3. Glaslinse nach Anspruch 1 oder 2, 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-% B2O3
beträgt, wobei der Gesamtanteil an SiO2 +82O3 55
bis 90 Mol-% ist, sowie O bis 30 Mol-% jeweils an Na2O, K2O und Rb2O, O bis 10 Mol-% an Li2O, wobei
der Gesamtanteil an Na2O + K2O + Rb2O + Li2O
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-% mindestens eines der Bestandteile ZnO, CaO,
MgO, PbO, BaO, Al2O3 und La2O3 beträgt.
4. Glaslinse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung an der
Zentralachse 3 bis 7 Mol-% Cs2O, 55 bis 75 Mol-% SiO2, einen Gesamtbetrag von mindestens einem der
Bestandteile Na2O und K2O von 12 bis 25 Mol-%,
ZnO in einer Menge von 4 bis IO Mol-% umfaßt, wobei der Gesamtanteil an
CsO2 + SiO2 + Na2O + K2O + ZnO mindestens 95
Mol-% beträgt, Rest andere Bestandteile.
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
19 13 358 ist ein Verfahren zur Herstellung einei 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 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:
/V= W0(I - ar2) (1)
worin No der Refraktionsindex an der optischen Achs«, r
der Abstand von der optischen Achse, a eine positive Konstante und π den Refraktionsindex im Abstand r
bedeuten.
Diese Linse hat einen Brennpunktabstand /"entsprechend
der folgenden Gleichung:
/■
No VTa sin (VTä Z)
worin Z die Länge der Linse in Richtung der optischen
Achse darstellt,
sowie einen Hauptebenen-Abstand Λ (Abstand zwischen der Hauptebene und der Endebene der Linse)
entsprechend der folgenden Gleichung
h =
tan
aZ
NoVTE VTZ'
(3)
Die chromatische Aberration der Linse wird durch die Tatsache verursacht, daß, da /Vo 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 Δί/f angeben, worin Aid'ie Differenz des
Brennpunktabstandes zwischen zwei Lichtern unterschiedlicher Wellenlänge angibt, beispielsweise
Ai= fr— ic· worin ic der Brennpunktabstand für die
C-Linie (Wellenlänge 656 π\μ) des Frauenhofer Lichtes
und //der Brennpunklabstand für die F-Linie (Wellenlänge 486 mji) ist. Andererseits kann die chromatische
Seitaberration als Δ (f—h)/i-h definiert werden, worin
l—h der durch Subtraktion des hauptebenen Abstandes von dem Brennpunktabsland erhaltene Wert ist; d.h.
dies gibt den Abstand von der Endebene der Linse bis zum Brennpunkt an und A (l—hj'ist der Abstand in f-h
zwischen zwei Lichtern von unterschiedlichen Wellenlängen fC-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 ι» Bezug auf die F i g. 1 und 2 erläutert.
Die F i g. 1 stellt ein Diagramm dar, das die Variierung des Brennpunktabstandes /der vorstehend angegebenen
Linse für die C-Linie und F-Linie entsprechend der Länge Zder Linse zeigt. Diese Linse wird beispielsweise ι'
mit einem Glasstab mit einem Durchmesser von etwa 1 mm aus 33 Mol-% Tl20,703 Mol-% SiO2,17,0 MoI-%
Na2O und 9,4 Mol-% PbO in einem Kaliumnitratbad, das bei etwa 4600C gehalten ist, während etwa 170 Stunden
hergestellt. Die Fig.2 zeigt ein Diagramm, das die -°
Wege der C-Linie 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 / periodisch mit der Länge der Linse 2i
(
\VTiJ
\VTiJ
bei einer Periode variiert. Dieser Gesichtspunkt ist in F i g. 1 dargestellt. Anschließend wird der Wert
In
VTi
mit 2 Pangegeben, d. h.
mit 2 Pangegeben, d. h.
P =
VTi
Da der Wert a in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts 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 Pc bzw. PF angegeben.
Weiterhin wird als Anzeige de; durchschnittlichen P-Wertes für sichtbare Lichtstrahlen der P-Wert der
D-Linie (Wellenlänge 589 πιμ) 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 te für das C-Linienlicht und des
Brennpunktabstandes />für das F-Linienlicht periodisch
mit einer Periode von 2 Pc-bzw. 2 Pf. Infolgedessen tritt
eine Abweichung zwischen der Kurve für ic und der
Kurve für /rauf, wie aus F i g. 1 ersichtlich. In der F i g. 1
sind die Werte F,r=4.63 mm und Pf= 4,33 m. Der Wert
Pfürdie D-Linie beträgt 4,60 mm.
Die Fig. 2 zeigt die Wege des Lichtes 2 fC-Linienkomponente)
und des Lichtes 3 (F-Linienkomponente), wenn weißes Licht senkrecht auf die Endebene der
Linse 1 fällt, wie durch einen Pfeil gezeigt.
Das C-Linienlicht 2 rnd das F-Linienlicht 3 laufen in
Form einer SinusweJle durch die Linse mil einer Periode von 2 Pc bzw. 2 PF. Falls die Länge der Linse
entsprechend der Stelle (beispielsweise Steüe 4) gewählt wird, wo die Kurve /cund die Kurve /reinander gemäß
Fig. 1 schneiden, werden die Werte Ic und />der Linse
gleich. Wie jedoch aus F i g. 2 ersichtlich, entspricht die Stelle des Lichtes der C-Linie, die aus der Endebene der
Linse austritt, nicht derjenigen des F-Linienlichtes.
Anders ausgedrückt ergibt sich hieraus, daß, obwohl die chromatische Längsaberration der Linse bei einer
Länge entsprechend der Stelle 4 praktisch 0 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 FLinienlicht 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 unmör.iich ist, beide Werte
hiervon auf 0 zu bringen. Deshalb tarn ein Verfahren,
das auf der Wahl der Länge der Linse beruht, nicht zu einer vollständigen Lösung des Problems der chromatischen
Aberration führen.
Es ergibt sich klar aus den F i g. 1 und 2, daß die chromatische Längs- und Seitaberration größer bei
einer größeren Abweichung der Kurven von dem Brennpunktabstand für das C-Linienlicht und das
F-Linienlicht wird und eine größere Abweichung der die Lichtwege angebenden Kurven erhalten wird. Um
deshalb die chromatischen Längs- und Seitaberrationen zu verringern, ist es notwendig, die Abweichungen der
Kurven in den F i g. 1 und 2 auf ein Minimum zu bringen. Falls die Differenz zwischen Pcund P^den Wert zlPhat,
d. h. AP= Pc— Pf, dann wird die chromatische Aberration
einer Linse einer gegebenen Länge kleiner, wenn der Absolutwert von AP/P abnimmt. Weiterhin zeigt
sich eine Neigung, daß die chromatisch-: Aberration einer Linse mit größerer Länge der Linse zunimmt. Pist
der Wert von P für die D-Linie. Die chromatische Aberration einer Linse mit einer Länge Z größer als
einem bestimmten Wert wird durch K =m ■ \AP\IP ausgedrückt, worin m das Verhältnis (Z/P) der Länge
der Linse Z zu der Länge der Halbwertsperiode der Linse (P) lsi. Es wurde experimentell bestätigt, daß, falls
K nicht mehr als 0,2 beträgt, die chromatische Aberration ausreichend klein ist, um die Linse zur
Durchlassung von Bildern geeignet zu machen. Somit ergibt ein Versuch 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 chromatischen Längs- als auch chromatischen Seif-Aberrationen in Betracht zieht.
Außer der chromatischen Aberration gibt es noch weitere Erfordernisse, die eine Linse erfüllen muß. Eines
hiervon ist das Erfordernis eines öffnungswinkel!. Damit die GrunJforderung der Durchlassung eines
Bildes einer gewünschten Größe mit der erforderlichen Helligkeit erfüllt wird, ist es notwendig, daß riie Linse
einen Öffnungswinkel von mindestens IC·3 besitzt. Falls
andererseits der Öffnungswinkel der Linse 20 ist, ist die Gleichung sin Θ = \Ι2 No —Δη gut. In dieser Gleichung
bedeutet N0 den Ivefraktionsindex an der optischen
Achse und beträgt üblicherweise etwa 1,5 bis etwa 1.6. Das Symbol Δη gibt die Differenz zwischen dem
Refraktionsindex /Vi an der Umfangsoberflüche der
Linse und dem Refraklionsindex N» an der optischen Zentralachse an. Es ergibt sich klar aus der vorstehenden
Gleichung, daß der Öffnungswinkel der Linse 26 hauptsächlich durch den Wert Δη bestimmt wird und es
ist. damit der Öffnungswinke! 2Θ mindestens etwa 10°
beträgt, notwendig, daß Δη 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 Auflösungsstärke und Helligkeit hat. Aus diesem Grund muß die Linse einen Durchmesser von
mindestens 0.2 mm, vorzugsweise mindestens 0,3 mm haben. Es ergibt 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 lonenaustauschverfahren
herzustellen sind, wird die obere Grenze des Linsendurchmesser
praktisch automatisch durch Herstellungsbeschränkungen bestimmt.
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 50mal so
groß wie der Durchmesser der Linse.
Falls der Thalüumgehalt der optischen Achse einer thalliumhaltigen Linse erhöht wird, während der
Thalüumgehalt 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\ΙΡ nimmt ab, wenn der Gehalt an Thallium
erhöht wird. Falls beispielsweise der Thalüumgehalt an der optischen Achse der Linse bei 0,5 Mol-%, 2 Mol-%,
8 Mol-% und 16 Mol-% gehalten wird, betragen die Absolutwerte \ΔΡ\ΙΡ 0,17, 0,07, 0.06 und 0.055. Selbst
wenn der Thalüumgehalt an der optischen Achse um mehr als diesen Wert erhöht wird, nimmt der
Absolutwert \ΔΡ\!Ρ nicht weiterhin ab. Da weiterhin das Glas zur Entglasung und ungünstigen Verfärbung
neigt, kann der Thalüumgehalt nicht weiter erhöht werden. Sofern deshalb ein thalliumhaltiges Glas
verwendet wird, ist der Absolutwert \ΔΡ\ΙΡ schwierig
auf einen Wert jenseits von 0,05 zu verringern.
Andererseits kann der K-Wert einer thalliumhaltigen
Linse einer gegebenen Länge durch einen kleineren Thalüumgehalt verringert werden. Falls der Thalliumgehalt
in der Gleichung K=ZZPx \ΔP\IPverringert wird,
nimmt \ΔΡ\ΙΡ in hngsamem Ausmaß zu. und durch
Verringerung des Thalliumgehaltes nimmt der Wert a und infolgedessen auch MP ab. Außerdem wird das
Ausmaß der Abnahme von MP höher als das langsame
Ausmaß des Anstieges von \ΔΡ\ΙΡ. Obwohl es den Anschein hat, daß der /C-Wert einer thalliumhaltigen
Linse auf den gewünschten Wert durch Senkung des Thalliumgehaltes verringert werden kann, wird die
Abnahme des Thalliumgehaltes durch eine Abnahme des Jn-Wertes begleitet, und, um einen Jn-Wert von
mehr als 0.003 zu erhalten, ist die Abnahme des Thalüumgehaltes begrenzt, und der Thalüumgehalt 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 Thalüumgehalt
von 03 Mol-% hat und an deren Oberfläche die
gesamten Thiilliumioncn durch Kaliumionen ersetzt
sind, abgehandelt. Diese Linse hat die kleinste chromatische Aberration unter den thalliumhaltigen
Linsen. Die Linse hat einen Wert Jn von 0.003 und einen Wert \ΔΡ\/Ρνοη 0.1 7. Der P-Wert dieser Linse läßt sich
nach folgender Gleichung berechnen. Allgemein besteht die folgende Beziehung /wischen Jn. /»und dem Radius
/?der linse:
IP2- Dn = .τ2- Nn- «'
Da Nn etwa 1.5 bis etwa 1,6 beträgt, hat /'etwa den Wert
26 mm, falls Jn den Wert 0.003 und R den Wert 0,5 mm
haben.
Falls K in der Gleichung K = ZZP- \ΔΡ\ΙΡ von 0.2
besitzt, beträgt Zetwa 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 mm keine Länge von mehr als etwa 3 cm haben, wenn sie eine verringerte chromatische
Aberration beibehalten sollen.
Falls der Durchmesser der thalliumhaltigen Linse größer, beispielsweise 2,0 mm ist, beträgt ihr P-Wert
etwa 52 mm entsprechend der gleichen Gleichung wie vorstehend. Damit der K-Wert nicht mehr als 0,2 ist.
darf jedech die Länge der Linse nicht mehr als etwa 6 cm sein
Eine Linse mit einem Durchmesser von 1,0 mm, deren optische Achse einen Thalüumgehalt von etwa 1 Mol-%
hat und an deren Oberfläche die gesamten Thalliumionen durch Kaliumionen ersetzt sind, hat einen P-Wert
von 12,8 mm, einen Wert \ΔΡ\ΙΡ von 0,10 und Jn 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, falls 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 IzlPI/Prelativ groß sind.
Der Grund, weshalb die thalliumhaltigen Linsen einen
derartig großen Wert \ΔΡ\ΙΡ besitzen, liegt darin, daß die Dispersion eines thalliumreichen Glases an der
optischen Achse sich relativ stark von der Dispersion eines alkalireichen Glases an der Umfangsoberfläche
der Linse im Vergleich zu dem durch Ionenaustausch erhaltenen Refraktionsindexgradienten der Linse unterscheidet,
d. h. der Differenz zwischen dem Refraktü-nsindex JVo an der optischen Achse der Linse und dem
Refraktionsindex /V1 an der Umfangsoberfläche der
Linse (No- N\) oder Δη. Anders ausgedrückt, ist die
Differenz der Abbe-Zahl des Glases an der optischen Achse und derjenigen des Glases an der Umfangsoberfläche
im Vergleich zu Δη relativ groß.
Es wurde jetzt gefunden, daß beim Kontaktieren eines cäsiumhaltigen Glasstabes mit einer Quelle für
Metallionen wie Natrium, Kalium, Lithium oder Rubidium zum Austausch der Cäsiumionen an der
Oberfläche des Stabes gegen die Metallionen und zur Gleichmachung von Δη der Linsen mit dem Δη der beim
vorstehenden ThaHium-AIkaliionen-Austausch erhaltenen
Linsen, die Abbe-Zahlen der Gläser an der optischen Achse und der Gläser an der Umfangsoberfläche
weit kleiner sind als im Fall von thalliumhaltigen
Linsen und daß deshalb Linsen mit einer verringerten
chromatischen Aberration mil einem sehr kleinen Wert ^/•"!//'erhalten werden können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in einer lichtleitenden Glaslinse in Form einer sog. Gradienten-
> faser, bei der die chromatische Längs- und Seitaberralion
minimalisiert werden soll.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die Schaffung einer Glaslinse mit
verringerter chromatischer Aberration und einem i<> solchen Gradienten des Brechungsindex, daß der
Brechungsindex durch die folgende Gleichung angegeben ist
/V= /V0(I -ar')
worin /V den Brechungsindex in einem Abstand r von der Zentralachse der Linse im Querschnitt senkrecht zur
Zentralachse, /V0 den Brechungsindex an der Zentralachse
und a eine positive von der Wellenlänge abhängige Konstante angeben, wobei die Glaslinse -'<
> einen Durchmesser von 0.2 bis 5 mm besitzt und die Differenz zwischen dem Brechungsindex der Umfangsoberfläche
der Linse und dem Wert /V0 mindestens 0,003 beträgt, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Zusammensetzung der Glaslinse an der Zentralachse 2 .π bis 50 Mol-% Cs2O, 30 bis 98 Mol-% SiO2 und 0 bis 30
Mol-% B2O) mit der Maßgabe beträgt, daß
(SiO2 +B2O3) den Wert von 50 bis 98 Mol-% hat, und
der andere Teil der Glaslinse eine solche Zusammensetzung besitzt, daß das Cäsium in der Masse mit
><> mindestens einem der Metalle Natrium, Calcium, Lithium und Rubidium ionenausgetauscht ist und die
Konzentration der Cäsiumionen und der Metallionen in der Linse jeweils von der Zentralachse der Linse zu
ihrer Umfangsoberfläche unter Ausbildung des Bre- r> chungsindexgradienten zunehmen und der Wert \ΔΡ\ΙΡ
weniger als 0,05 beträgt, worin /'den Wert stl^2a bei der
Wellenlänge der Differenz zwischen P für die C-Linie und Pfürdie F-Linie angibt.
Die Glaslinsen gemäß der Erfindung enthalten 2 bis 4n
50 Mol-% Cs2O, 30 bis 98 Mol-% SiO2 und 2 bis 30
Mol-% B2Oj mit der Maßgabe, daß das Gesamtverhältnis
von SiO2 + B2O3 80 bis 98 Mol-% an deren
Zentralachse beträgt. Gewünschtenfalls können noch weitere Komponenten enthalten sein. Die Cäsiumionen- -»5
konzentration der Glaslinsen nimmt nach auswärts von der Zentralachse allmählich ab. Dieser Gradient der
Cäsiumionenkonzentration kann durch Kontraktieren eines homogenen Glasstabes 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 Metalls, vorzugsweise
ein Nitrat, wie NaNÜ3 oder KNO3 oder Gemische
von Sulfaten wie Gemische von K2SO4 und ZnSO4, an
der Umfangsoberfläche des Glasstabes zum Austausch der in der Umgebung der Oberfläche des Glasstabes
vorhandenen Cäsiumionen gegen die Metallionen bewirkt werden. Der Refraktionsindexgradient
N = /V0(I - ar2) wird praktisch aufgrund des Gradienten M
der Cäsiumkonzentration der hierdurch erhaltenen Linsen induziert Es ist darauf hinzuweisen, daß die
Linsen gemäß der Erfindung praktisch frei von Thallium sind.
Vanationen in der Verteilung dieser Ionen und der Verteilung des Refraktionsindex im Verlauf des
Zeitraumes, während dessen der Glasstab in Kontakt mit der MetalHonenquelle gebracht wird, werden
nachfolgend anhand der F i g. J und 4 beschrieben.
In F i g. 3 ist die Konzentration der Ionen im radialen
Absland von der Zentralachse in einem Querschnitt senkrecht zur Zentralachse des Stabes gezeigt. In der
Anfangsstufe des Kontaktes erfolgt der Ionenaustausch in demjenigen Teil des Glasstabes, der nahe dessen
Oberfläche liegt, und deshalb ist, wie durch die ausgezogene Linie 11 der F i g. 3 gezeigt, die Konzentration
der Cäsiumionen in der Innenseite des Stabes zu diesem Zeitpunkt gleich der Konzentration vor dem
Ionenaustausch im Bereich des Zentralteiles des Stabes, und sie nimmt abrupt zur Oberfläche an einem Teils sehr
nahe der Oberfläche des Stabes ab. Die Konzentration der von der Ionenquelle in den Innenraum des
Glasstabes diffundierenden Ionen, beispielsweise Kaliumionen, nimmt von der Oberfläche zum Innenraum ab,
und am Zentralteil des Stabes ist die Konzentration der Kaliumionen 0, wie sich durch die gestrichelte Linie 1Γ
der Fig. 3zeigt.
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 F i g. 3 gezeigt. Falls der Ionenaustausch weiter fortschreitet, erreichen die
Konzentrationen der Cäsiumionen und Kaliumionen die durch 13 und 13' der F i g. 3 angegebenen Werte.
Dadurch wird die Konzentration der Cäsiumionen in der Mitte des Stabes niedriger als vor dem Ionenaustausch,
und die Konzentration der Kaliumionen in der Mitte des Stabes wird höher. Die Refraktionsindexverteilung
des Glasstabes ist, wenn die Konzentration der Ionen bei den drei in Fig.3 gezeigten Stufen liegen,
durch die Kurven 11", 12" und 13" entsprechend den Cäsiumionenkonzentrationen 11, 12 und 13 der Fig.3
jeweils in F i g. 4 angegeben. Die Refraktionsindexkurve 11" erfüllt die Gleichung N= /V0(I - ar2) 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 13" gezeigt wird. Eine zu lange Kontaktzeit ist ungünstig, da
hierdurch der Gradient der Konzentration der Ionen und der Gradient des Refraktionsindex schwach wird
und infolgedessen der notwendige Wert Δη (Differenz des Refraktionsindex zwischen dem Zentrum und der
Oberfläche) nicht erhalten werden kann.
Falls der Glasstab vor der lonenaustauschbehandlung 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. Da 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 Gradient jeder Ionenkonzentration gebildet wurde. In diesem Fall wird der Gradient der
Konzentration der Cäsiumionen praktisch beibehalten, während die Gradienten der Natrium- und Kaliumionenkonzentrationen
bisweilen flach werden können. Jedoch ändert sich der Refraktionsindex kaum durch
einen Ionenaustausch zwischen Natrium und Kalium. Deshalb beeinflussen die Gradienten der Konzentrationen
dieser Ionen kaum den Gradienten des Refrakiions-
index 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 Umfangsoberfläche der Linsen
gemäß der Erfindung praktisch 0, jedoch ist es insgesamt nicht notwendig, daß er 0 wird. Bisweilen läßt
sich beispielsweise der Wert Δη durch Zusatz einer
geringen Men^e 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 0.
Die Temperatur, bei der der homogene Glasstab mit der äußeren Ionenquelle kontaktiert wird, sollte
mindestens 4000C 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 Kontakttemperatur vorzugsweise einen Wer·, von 5000C 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 Mol-% Cs2O,
30-98 Mol-% SiO2 und 0-30 Mol-% B2O3 enthält,
wobei das Gesamtverhältnis von SiO2 +B2Oj 50 bis 98
Mol-% beträgt, der gewünschtenfalls noch andere Bestandteile enthalten kann, auf 400 bis 6000C mit einer
Schmelze eines Salzes mindestens eines Metalls aus der Gruppe von Natrium, Kalium, Lithium oder Rubidium
kontaktiert wird, so daß die nahe an der Oberfläche des Stabes vorhandenen Cäsiumionen gegen die Metallionen
ausgetauscht werden und der Refraktionsindex an einem Teil näher zur Oberfläche des Stabes stärker
verringert wird als der einheitliche Refraktionsindex. 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-% gehalten werden, um den
gewünschten Refraktionsindexgradienten zu erhalten. Falls dessen Menge jedoch 50 Mol-% überschreitet,
zeigt das Glas eine Neigung zur Entglasung und ist schwierig zu fabrizieren. Das SiO2 muß in einer Menge
von mindestens 30 Mol-% zur Verglasung gehalten werden. B2O3 stellt keinen wesentlichen Bestandteil dar,
wird jedoch bevorzugt, da es den Schmelzpunkt des Glases erniedrigt. Mengen oberhalb von 30% sind
ungeeignet, da eine derartige Menge an B2O3 Schwierigkeiten
der Verglasung verursacht. Falls das Glas B2O3
enthält, ist es für Verglasungszwecke notwendig, daß die Gesamtmenge an SiO2 und B2O3 mindestens 50 Mol-%
beträgt. Das Glas kann gewünschtenfalls andere Bestandteile, wie Na2O, K2O und Rb2O jeweils in
Mengen von 0 bis 30 Mol-%, LiO2 in einer Menge von 0 bis 10 Mol-%, enthalten mit der Maßgabe, daß der
Gesamtanteil an Cs2O + Na2O + K2O + Rb2O + Li2O innerhalb
des Bereiches von 2 bis 50 Mol-% liegt. Falls der Anteil an Li2O den Wert von 10 Mol-% übersteigt, zeigt
das Glas eine Neigung zur Entglasung, und falls die Gesamtmenge Cs2O + Na2O + 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 Glaslinse infolge des
Ionenaustausches auftreten, so daß die optischen und
mechanischen Eigenschaften der Linse verschlechtert werden. Dieses Auftreten von Zugspannungen kann
beispielsweise verhindert werden, wenn Natriumionen. die einen kleineren lonenradius als die Kaliumionen, in
das Glas als Na2O einverleibt werden, falls die
Kaliumionen gegen die Cäsiumionen ausgetasucht werden. Um die Wuterungsbeständigkeit der Gläser zu
verbessern, können ZnO, CaO oder MgO einverleibt werden. Falls der Betrag an ZnO, CaO oder MgO oder
die Gesamtmenge dieser Materialien zu groß ist, wird die Geschwindigkeit des lonenaustausches 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 Fall ist es bisweilen günstig, daß dor
Refraktionsindex (Durchschnittswert) der Linsen gemäß der Erfindung nahe demjenigen der optischen
der Grenzfläche zwischen der Linse gemäß der Erfindung und den optischen Komponententeilen auf
einem Minimum zu halten. In diesem Fall kann der durchschnittliche Refraktionsindex der Linse durch
Einverleibung von weniger als etwa 10 Mol-% mindestens eines der Materialien PbO, BaO, Al2O3 oder
La2O3 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-% B2O3,
wobei der Gesamtanteil an SiO2+ B2O3 55—90 Mol-%
beträgt, 0-30 Mol-% jeweils an Na2O, K2O und Rb2O
und O bis 10 Mol-% an LiO2 mit der Maßgabe, daß der
Gesamtanteil an Na2O+ K2O+ Rb2O+ Li2O 2-40
Mol-% beträgt und der Gesamtanteil 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 AI2O3. Der Grund für diese Begrenzung
der Zusammensetzung der Glaslinsen an ihrer Zentralachse ist der folgende: Falls das Verhältnis an Cs2O 15
Mol-% überschreitet, wird die Witterungslyständigkeit 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 15500C erforderlich, und deshalb wird die Verarbeitungsfähigkeit
des Glases schlecht. Falls Na2O, K2O, Rb2O und
Li2O 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-% überschreitet,
wird die Witterungsbeständigkeit des Glases schlecht. Falls weiterhin die Gesamtmenge an
Cs2O+ Na2O+ K2O+ Rb2O+ Li2O einen Wert von 50
Mol-% übersteigt wird die Verglasung schwierig. Die Einverleibung von mindestens 2 Mol-% mindestens
einer Komponente aus der Gruppe von ZnO, CaO, MgO, PbO, BaO, Al2O3 und La2O3 wird zur Verbesserung
der Witterungsbeständigkeit der Gläser bevorzugt. Falls jedoch die Gesamtmenge 20 Mol-%
übersteigt, wird die Diffusionsgeschwindigkeit des Cäsiums während des Ionenaustausches niedriger und
ist infolgedessen nicht günstig. Falls die Gesamtmenge an SiO2+ B2O3 mehr als 90 Mol-% beträgt wird die
Schmelztemperatur des Glases in ungünstiger Weise hoch.
Die am stärksten bevorzugte Zusammensetzung der
Il
Glaslinsen gemäß der Erfindung an der Zeniralachse ist
die forgende: 3-7 Mol-% Cs2O, 55-75 Mol-% SiO2,
eine Menge von Na2O und/uder K2O von 12 — 25
Mol-%, 4— !O Mol-% ZnO, während die Gesamtmenge
an Cs2O, :\iO2, 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 Mol-% überschreitet, zeigt sich eine Neigung zur Verschlechterung der Witterungsbeständigkeit
der Gläser. Falls der SiO2-Gehalt niedriger als 55
Mol-% ist, wird die Witterungsbeständigkeit des Glases schlecht. Fills der Wert 75 Mol-% überschreitet, tritt die
Neigung auf, daß die Schmelztemperatur zu hoch wird. Die Einverleibung von mindestens 12 Mol-%
Na2O-I-K2O bringt den Vorteil eines leichten Schmelzern
und einer leichten Formung des Glases, jedoch wird, falls die Gesamtmenge dieser Metalloxide· 25
Mol-% überschreitet, die Witterungsbeständigkeit des Glases schiecht. Falls ZnO in einer Menge von
mindestens 4 Mol-% vorhanden ist, kann die Entglasung des Glases während des lonenaustausches verhindert
werden. Falls jedoch die Menge oberhalb 10 Mol-% liegt, tritt die Neigung auf, daß die Diffusion des Cäsiums
während des lonenaustausches gehemmt wird.
Im Hinblick auf die Beibehaltung einer ausreichenden
Auflösungsstärke 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 Urfsngcoberfläche
der Linse und dem Refraktionsindex Λ/ο an der zentralen Achse mindestens 0,003 betragen, damii der
zur Durchlassung optischer Bilder erforderliche öffnungswinkel erhalten wird. Weiterhin sind die Linsen
gemäß der Erfindung durch die Tatsache gekennzeichnet, daß der Wert \ΔΡ\/Ρ, worin \ΔΡ\ der Absolutwert
der Differenz zwischen Pc und Pf 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 Linsen
gemäß der Erfindung beträgt vorzugsweise mindestens 50 mm und stärker bevorzugt 100 mm.
Einige Beispiele der Linsen gemäß der Erfindung sind
in den nachfolgenden Tabellen I und Il hinsichtlich des Verhaltens angegeben.
Linsen, die eine Zusammensetzung an der Zentralachse derselben aus 2 bis 50 Mol-% Cs2O, Rest SiO..,
besitzen und an deren Umfangsoberfläche sämtliche Cäsiumionen praktisch durch Kaliumionen ausgetauscht
sind, haben die in Tabelle I angegebenen Werte von Δη und Δ P/P, wobei R den Radius der Linse angibt.
| Menge an Cs?O | Δη | Λ Ρ/Ρ | P/R |
| (Mol-%) an | |||
| der Zentralachse | |||
| 2 | 0,005 | -0,0121 | 40,0 |
| j | 0,012 | -0,008 ί | 25,7 |
| 10 | 0,015 | -0,0012 | 23,0 |
| 20 | 0,020 | 0,0020 | 19,9 |
| 50 | 0,032 | 0,0089 | 15,7 |
Linsen mit einer Zusammensetzung an der Zentralachse von 10 Mol-% Cs2O und 90 Mol-% SiO2, an deren
Umfangsfläche die gesamten Cäsiumionen praktisch durch Rubidium, Lithium oder Natriumionen ausgetauscht
sind, haben die in Tabelle II aufgeführten Werte von Δη und Δ P/P.
| Tabelle II | A π | AP/P | P/R |
| ausgetauschte Ionen mit den Cäsium ionen |
0,020 0,021 0,010 |
-0,0018 -0,0074 -0.0013 |
19,9 19,4 8,9 |
| Rubidium Lithium Natrium |
|||
50
60
Gemäß Tabelle I hat eine Linse mit einem Gehalt von 5 Mol-% Cs2O einen Wert Δη von 0,012 und einen Wert
AP/P von —0.0081. Falls der Durchmesser dieser Linse 1,0 mm beträgt, beträgt der Wert P, berechnet aus
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 cm. Wie vorstehend angegeben, bestimmt Δη
den Öffnungswinkel der Linse, und bei einem größeren Wert Δη kann die Linse hellere Bilder durchlassen.
Deswegen werden allgemein größere Werte für Δη bevorzugt Gemäß der Erfindung kann Δη durch
Erhöhung des Cs2O-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 gleiche wie im Fall von Tl2O. Falls
deshalb die Länge der Linse relativ groß ist, beträgt der Wert 4/; 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 kürzer als P/2 ist, wird die
chromatische Aberration hauDtsächlirh Hnrrh Variie-
rangen des Brennpunktabstandes beeinflußt.
Falls die Brennpunktabstände f und N0 für das
C-Linienlicht mit /f-und Noc, die Brennpunktabstände Γ
und A/o für das F-Linienlicht mit /pund Nqf, die Länge der
AL =
- cot
PJ P
Unse durch Z der Wert (/>-/"<} durch 4/"und der Wert
(Nof-Noc) durch 4 AZ0 angegeben werden, wird die
folgende Gleichung aus der Gleichung (2) erhalten.
AN0
Eine übliche thalliumhaltige Glaslinse, die durch
Behandlung eines Glasstabes aus 60 Mol-% SiO2, 15 iu
Mol-% B2O3, 24 Mol-% Na3O und 1 Mol-% Tl2O mit
einem Kaliumsalz unter Ausbildung eines TljO-Gehaltes
von 1 Mol-% an der Zentralachse und Austausch der gesamten Thalliumionen durch Kaliumionen an der
Umfangsoberfläche der Linse erhalten wurde, wurde ΐί
hinsichtlich von AUf mit einer Linse gemäß der Erfindung verglichen, weiche durch Behandlung eines
Glasstäbe., mit 60 Mol-% SiO2. 15 Mol-% B2O3, 20
Mol-% Na2O und 5 Mol-% Cs2O mit einem Kaliumsalz
zur Ausbildung eines Cs2O-Gehaltes von 5 Mol-% an
der Zentralachse und Austausch der gesamten Cäsiumionen durch Kaliuiniunen an der Umfangsoberiiäche
der Linse erhalten wurde. Die Zusammensetzungen der Linsen wurden so gewählt, daß die P-Werte beider
Linsen gleich waren. Die Durchmesser der beiden 2ϊ
Linsen waren etwa 0,25 mm. so daß P etwa 3,1 mm beträgt. Die Werte für N0. die Abbe-Zahl V0 an der
Zentralachse, ΔΝ0.ΔΝ0/Ν0 und Δ P/P dieser Linsen sind
in Tabelle 111 angegeben.
JU
ΛΌ
Δ Sa
AN0I /V0
Δ P/P
Cäsiumglas 1,48 66 0,0073 0,0049 -0,008 Thalliumglas 1,49 50 0,0098 0,0066 -0,08
Falls die vorstehenden Werte in die vorstehende -to Gleichung eingesetzt werden, wird die folgende Aussage
für das Cäsiumglas
AL = -0,008 · Z ■ cot Z-0,008-0,005 ^
und die folgenden Werte für das Thalliumglas
AL = -0,08 · Z · cot Z-0,080-0,007 ^
erhalten. Somit beträgt die chromatische Aberration Af/f mit der Länge der Linse 0,5, 1,0 bzw. 1,57 mm,
wie in Tabelle IV gezeigt.
55
Länge der Linse
(mm)
(mm)
J///des Λ///des
Cäsiumglases Tlialliumglascs bn
-0,020
-0.018
-0.013
-0.018
-0.013
-0,160 -0,138 -0.087
Es ergibt sich aus Tabelle IV. daß die chromatische Aberration der Casiumglaslinsen gemäß der Erfindung
kleiner als diejenige von üblichen Thalliumglasünsen ist,
selbst wenn die Länge der Linse kleiner Lt.
Ein weiterer Vorteil der Linsen gemäß der Erfindung liegt darin, daß. während die thalliumhaliigen Linsen
eine große Absorption von Ultraviolettstrahlen aufgrund der Absorption der Thalliumionen besitzen, die
cäsiumhaltigen Linsen gemäß der Erfindung nur eine kleine Absorption von Ultraviolettstrahlen haben und
infolgedessen die Linsen gemäß der Erfindung zur Übermittlung von Ultraviolettstrahlen wirksam sind.
Beispielsweise erlaubt eine 5 mm lange Linse mit einem Gehalt von 3 Mol-% bzw. 1 Mol-% an Thallium an ihrer
Mittelachse die Durchlassung von 0% bzw. 75% eines Lichtes der Wellenlänge von 320 η\μ, 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 ιημ durchlassen kann.
Linsen mit einem Refraktionsindexgradienten können auch durch Kontaktierung eines Glasstabes, der
Lithiumoxid anstelle von Cäsiumoxid enthält, mit einem Salz, welches Natrium-, Kalium- oder Rubidiumionen
enthält, zum Austausch der nahe der Oberfläche des Giasstabes vorhandenen Lithiumionen, beispielsweise
durch Natriumionen oder Kalium- oder Rubidiumionen hergestellt werden. Um jedoch einen großen Refraktionsindexgradienten
zu erhalten, d. h. einen Wert Δη 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.
Ein Glasstab mit einem Durchmesser von etwa 1,2mm und einer Länge von etwa 22 mm mit einem
Refraktionsindex von 1,535 und mit einem Gehalt von 59% SiO3, 18% Cs20,14% Na3O und 9% ZnO, jeweils
auf das Gewicht bezogen, (71,0% SiO3, 4,6% Cs3O,
163% Na3O und 8,1% ZnO1 bezogen als Mol) wurde in
ein Bad von geschmolzenem Kaliumnitrat, das bei 5600C gehalten wurde, während etwa 120 Stunden
eingetaucht.
Um 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
herausgelöst, und die in dem geschmolzenen Salz
vorhandenen Kaliumionen diffundierten in den Glasstab.
Infolgedessen hatten im Inneren des Glasstabes die Cäsiumionen 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 Konzentrationsverteilungen
der Cäsiumionen und Kaliumionen der Refraktionsindex 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 mm hatte, wurde an beiden Endflächen geschnitten und poliert, so
daß eine stabartige Linse mit einer Länge von 20 cm erhalten wurde.
Diese 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 Umfangsoberfläche.
Der Gradient des Refraktionsinex betrug etwa 0,024 mm-2, angegeben als Wert a. Die Abbe-Zahl des
Glases an seiner mittleren Achse betrug 56,64, und die Abbe-Zahl des Glases an seiner Umfangsoberfläche
betrug 56,40. Die Werte P und Δ P/P der Linse betrugen 14 mm bzw. -0,0038.
Wenn ein Bi?d 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 2bis 14
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 Refral.tionsindexen
unter den in Tabelle VI angegebenen Bedingungen unter Anwendung eines geschmolzenen Bades aus
KNO3 oder NaNÜ3 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 Durchnesser von etwa 1,0 mm hergestellt. Die Eigenschaften dieser stabartigen
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.
| Tabelle V | (Mol-%) | der Glasstäbe vor | 3 | dem Ionenaustausch | . 5 | und deren | Refraktionsindexe | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | K) | 00 |
| Zusammensetzungen | Beispiele | 65,7 | 48,1 | 86,2 | 52,0 | 73,8 | 68,0 | 50,0 | 30,0 | 40,0 |
O)
f \ |
|||||
| Zusammensetzung | 1 | 2 | 14,0 | 4 | 4,0 | 6 | 7 | 2,6 | 18,5 | 5,2 | 2,0 | 30,0 | 3,0 | 4,0 | ||
| 71,0 | 64,5 | 15,9 | 68,5 | 12,0 | 56,3 | 76,4 | 16,8 | 20,0 | 22,0 | 21,0 | Oi O |
|||||
| SiO2 | 4,6 | 6,9 | 4,9 | 14,1 | 9,8 | 7,8 | ||||||||||
| Cs2O | 16,3 | 15,6 | 11,0 | 4,7 | 4,0 | |||||||||||
| Na2O | 4,0 | |||||||||||||||
| K2O | 11,5 | 12,7 | 8,0 | 16,0 | 15,0 | 5,0 | ||||||||||
| Li2O | 4,9 | 13,2 | ||||||||||||||
| Rb2O | 8,1 | 4,1 | 19,9 | |||||||||||||
| ZnO | 4,4 | |||||||||||||||
| CaO | ||||||||||||||||
| MgO | 13,0 | 7,2 | ||||||||||||||
| PbO | 16,0 | 6,1 | 2,0 | 30,0 | 30,0 | |||||||||||
| BaO | 1,558 | 1,485 | 8,9 | 1,412 | 1,558 | 1,535 | 1,5244 | 1,5918 | 1,5647 | 1,5396 | ||||||
| Al2O3 | 65,7 | 64,1 | 18,8 | 86,2 | 52 | 73,8 | ||||||||||
| B2O3 | 1,535 | 1,603 | 1,531 | 1,513 | 1,512 | |||||||||||
| Refraktionsindex | 71% | 64,5 | 68,5 | 75,1 | 76,4 | |||||||||||
| SiO2 + B2O3 | ||||||||||||||||
Tabelle VI
lonenaustauschbedingungen
lonenaustauschbedingungen
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Il 12 13 14
Durchmesser des 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 hO
Glasstabes (mm) ' CT)
Zusammensetzung KNO3 KNO3 KNO3 KNO3 NaNO3 KNO3 KNO3 KNO3 KNO3 KNO3 KNO3 KNO3 KNO3 KNO3 OJ
des Salzbades (J^
Temperatur des 5600C -VO0 C 49O0C 490° C 4900C 51O0C 55O°C 600° C 51O0C 6000C 578° C 5740C 548° C 550° C O
Salzbadesund 120 Std. 120 Std. 120 Std. 120 Std. 120 Std. 150 Std. IKOStd. 15OStJ. 150 Std. 150 Std. 110 Std. 75 Std. 50 Std. 160 Std. -1'
Eintauchungszeit
Stärke der ent- 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
lernten Oberflächenschicht
(mwi)
(mwi)
Verhalten der Linsen
It)
11
12
TO Πι 3
Abbe-Zahl an der 56,64 41,77 ZcntriiUichsu
Abbe-Zahl im der 56,40 41,43
Unilangsoberflache
Refraktionsindex 1,5.15 1,603 in der Mitte
Refraktionsindex 1,525 1,5TO
an der Oberfläche
51,58 50,00 1,558 1.535
57,31 60,46
56,61 59,84
1,531 1,485 1,513
1,512 1,475 1,488
63,17 61,92 63,1H) 53,96
62,22 60,68 63,48 52,18
1,512 1,492
1,497 1,487
1,497 1,487
1,558 1,533
1.5J5 1,5244 1,5918 1,5647 1.5396
1,5:2 1,5194 1,5818 1.5616 1,5361
0,024 14
0,023 15
0,04 i 1!
0,035 12
0,019 0,046 0,028 0,009 0.045
16
α (mm ")
/'(mm)
Λ Ρ/Ρ -0,0038 -0,0046 0,0009 -0,0028 -0,0015 -0,003(1 0,0003 0.0010 0.0080 0.0015
K der Linsen mit 0,054 0,062 0,016 0,047 0,019 0,058 0.0045 0.0087 0,152 0.01:1
einer Lunge von 20 cm
Länge einer Linse (cm), die einen Wert A' = 0,2
ergibt
64
253
86
216
893
460
26
0,0Ov 0.017 ι;.i)O55 0.0063
23,3 16.8 29,9 28,0
-0,0094 -0,0386 0.0065 0,0038
0.0081 0.4595 0.0435 0.0275
4,96
8.7
145
CT) CO
Claims (1)
1. Glaslinse mit verringerter chromatischer Aberration und einem solchen Gradienten des
Brechungsindex, daß der Brechungsindex durch die folgende Gleichung angegeben ist
N= N0(I - ar2)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP723143A JPS5121594B2 (de) | 1971-12-25 | 1971-12-25 |
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| DE2263501C2 true DE2263501C2 (de) | 1983-08-25 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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