-
Optisches Glas mit hohem Brechungsindex und geringem
-
Streuungsvermögen (dispersivity)
Optisches Glas mit
hohem Brechungsindex und geringem Streuungsvermögen Die Erfindung betrifft ein optisches
Glas, das hohen Brechungsindex und geringes Streuungsvermögen, die optischen Konstanten
von 1,85 bis 1,96 für Nd und von 43 bis 28 für id aufweist und aus einem B203-La203-Gd203-W03-ZrO-
und/oder Ta205-System besteht, das frei von giftigen Oxiden, wie ThO2, Cd0 und BeO
und genügend beständig gegen Entglasung ist.
-
Die verschiedensten optischen Gläser, die einen hohen Brechungsindex
und geringes Streuungsvermögen aufweisen und giftige Bestandteile, wie ThO2, CdO
und BeO enthalten, wurden bereits beschrieben. Versuche wurden unternommen, diese
optischen Gläser zu verbessern und sie gefahrlos für den Menschen zu machen. Hierzu
wird auf die GB-PS 1 183 996 und die Japanischen Offenlegungsschriften 37410/1973
und 55705/1974 verwiesen. Mit diesen verbesserten optischen Gläsern können jedoch
nicht ein hohes Brechungsvermögen und geringes Streuungsvermögen erreicht werden,
wie sie die optischen Gläser vor der Verbesserung aufwiesen. Optische Gläser mit
besseren optischen Eigenschaften haben ferner eine stärkere Neigung zu Entglasung
und eignen sich nicht zur Massenproduktion.
-
Die Erfindung stellte sich daher die Aufgabe, die vorstehend beschriebenen
Nachteile der bekannten optischen
Gläser auszuschalten und neue
optische Gläser, die ein hohes Brechungsvermögen und niedriges Streuungsvermögen
aufweisen und frei von giftigen Oxiden sind, verfügbar zu machen.
-
Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe gelöst und ein optisches
Glas mit hohem Brechungsvermögen und geringem Streuungsvermögen mit einem Wert von
1,85 bis 1,96 für Nd und von 43 bis 28 für Q d erhalten werden kann, wenn eine Zusammensetzung
aus B203, La2O3, Gd203, W03, ZrO2 und/oder Ta205 gewählt wird, die in der Forschung
bisher völlig unbekannt war.
-
Das optische Glas gemäß der Erfindung enthält eine verhältnismäßig
geringe Menge B203, eine verhältnismäßig große Menge La203, eine in einem verhältnismäßig
weiten Bereich liegende Menge von Gd203 und WO31 eine geeignete Menge ZrO2 und/oder
Ta205 und weist die gewünschten optischen Eigenschaften und die gewünschte Beständigkeit
und Widerstandsfähigkeit auf. Das optische Glas gemäß der Erfindung besteht (in
Gew.-%) aus 10 bis weniger als 17 % B2031 20 bis 55 % La2O3, 0,5 bis 38 % Gd2O3,
0,5 bis 32 % WO3, 0 bis 10 % ZrO2, 0 bis 30 % Ta205, wobei die Summe von ZrO2 und
Ta205 2 bis 35 % beträgt, 0 bis 5,5 % SiO2, 0 bis 5 % GeO2, 0 bis 16 % Y203, 0 bis
5 % Tb407, 0 bis 38 % Yb203, wobei die Summe von Y203, Ob 407 und Yb203 0 bis 40
% beträgt, 0 bis weniger als 2 TiO2, 0 bis 31 % Nb205, 0 bis 3 % SnO2, 0 bis 5 %
Al 2031 O bis 5 % In2O3, 0 bis 5 % Bi2O3 und einem oder mehreren Oxiden aus der
aus MgO, CaO, SrO, BaO, ZnO und PbO bestehenden Gruppe, wobei die Menge bzw. Gesamtmenge
von MgO, CaO, SrO, BaO, ZnO und PbO 0 bis weniger als 2 % beträgt.
-
In dem optischen Glas gemäß der Erfindung wird die vorstehend genannte
Zusammensetzung aus den nachstehend genannten Gründen gewählt, wobei jeweils Gew.-t
gemeint sind.
-
Wenn der B2O3-Gehalt kleiner ist als 10 %, nimmt die Entglasungsneigung
erheblich zu1 und die Massenproduktion des optischen Glases wird schwierig, während
bei einem 17 % übersteigenden Gehalt an B203 die gewünschten optischen Eigenschaften
nicht erreichbar sind.
-
La203 ist ein wesentlicher Bestandteil bei der Herstellung eines optischen
Glases mit hohem Brechungsvermögen und niedrigem Streuungsvermögen. Ein La203-Gehalt
von wenigstens 20 % ist erforderlich, um die optischen Eigenschaften des optischen
Glases gemäß der Erfindung zu erreichen. Wenn jedoch der La203-Gehalt 55 % übersteigt,
nimmt die Entglasungsneigung zu, und ein stabiles und widerstandsfähiges Glas ist
nicht herstellbar.
-
Gd203, das dem Glas ähnliche optische Eigenschaften wie La203 verleiht,
ist notwendig, um Entglasung zu verhindern und die für die Massenproduktion des
optischen Glases erforderliche Stabilität und Widerstandsfähigkeit aufrecht zu erhalten.
Wenn der Gehalt an Cd 203 kleiner ist als 0,5 %, werden diese Effekte abgeschwächt,
während bei einem 38 % übersteigenden Gehalt an Gd203 Phasentrennung mit der sich
hieraus ergebenden Schwierigkeit, ein homogenes optisches Glas zu erhalten, stattfindet.
-
W03 ist ein wichtiger Bestandteil, der, wie festgestellt wurde, in
einer Menge in einem ziemlich weiten Bereich im Glas enthalten sein kann und den
Brechungsindex erhöht und Entglasung verhindert. Wenn der W03-Gehalt kleiner ist
als 0,5 %, sind diese Wirkungen kaum erzielbar, während eine Erhöhung des W03-Gehalts
über 32 % hinaus die Verfärbung des Glases in unerwünschtem Maße verstärkt.
-
ZrO2 trägt dazu bei, die Entglasung zu verhindern und bewirkt ferner
einen Anstieg des Brechungsindex im Ver-
gleich zu La203. Wenn jedoch
der Zr02-Gehalt 10 % übersteigt, nimmt die Entglasungsneigung zu anstatt abzunehmen.
-
Ta2O5 verleiht dem Glas im wesentlichen den gleichen Brechungsindex
wie La2O3 und trägt bei einem Gehalt bis zu 3C .ur Bildung eines optischen Glases
bei, das gegen Entglasung beständig ist. Wenn der Ta205-Gehalt 30 % übersteigt,
nimmt der Gehalt an unlöslichen Stoffen in der Schmelze zu, so daß sich Schwierigkeiten
in der Bildung eines homogenen optischen Glases ergeben.
-
Die Einbeziehung von ZrO2 und/oder Ta205 als Bestandteil in das optische
Glas gemäß der Erfindung ist wesentlich zur Ausschaltung der Entglasungsneigung
sowie zur Aufrechterhaltung der gewünschten optischen Eigenschaften.
-
Wenn die Summe von ZrO2 und/oder Ta205 geringer ist als 2 %, ist mit
ausreichenden Wirkungen dieser Bestandteile nicht zu rechnen, während bei einer
35 % übersteigenden Summe das Glas schwierig zu schmelzen ist und die Neigung zur
Entglasung zunimmt.
-
Die nachstehend genannten Bestandteile sind nicht wesentlich für das
optische Glas gemäß der Erfindung, jedoch bewirken sie eine Korrektur der optischen
Eigenschaften des Glases und schwächen die Entglasungsneigung weiter ab, wenn sie
in den richtigen Mengen verwendet werden.
-
SiO2 und GeO2 bewirken einen Anstieg der Viskosität des geschmolzenen
Glases und verhindern hierdurch Entglasung.
-
Wenn der SiO2-Gehalt 5,5 % übersteigt, nimmt die Menge unlöslicher
Stoffe in der Schmelze zu, so daß die Bildung eines homogenen optischen Glases schwierig
wird. Wenn die GeO2-Menge 5 % übersteigt, nimmt die Entglasungsneigung zu anstatt
abzunehmen, so daß ein stabiles Glas nicht gebildet werden kann.
-
Y203, Tb407 und Yb203 haben ähnliche Wirkungen auf das erfindungsgemäß
hergestellte optische Glas wie La203 und bewirken die Verhinderung der Entglasung,
wenn der Gehalt an Y203 bis zu 16 %, der Gehalt an Tb407 bis zu 5 % und der Gehalt
an Yb203 bis zu 38 % beträgt. Die Entglasungs-; neigung nimmt jedoch nicht ab, sondern
wird stärker, wenn der Gehalt an Y203 und Yb203 die vorstehend genannten Mengen
übersteigt, so daß ein stabiles Glas nicht herstellbar ist. Eine Erhöhung des Gehalts
an Tb407 über die vorstehend genannte Menge hinaus ist unerwünscht, weil das Glas
hierbei farbig wird. Wenn ferner die Summe der Mengen von Y203, Tb407 und Yb203
40 % übersteigt, nimmt die Entglasungsneigung zu, und das Glas wird instabil.
-
TiO2 und Nb205 erhöhen den Brechungsindex und verhindern Entglasung.
Wenn jedoch der TiO2-Gehalt 2 % übersteigt, ist das Glas in unerwünschtem Maße farbig.
Wenn der Nb205-Gehalt 31 % übersteigt, nimmt die Entglasungsneigung stark zu.
-
Sn02 verhindert Entglasung, jedoch steigert eine Erhöhung des Sn02-Gehalts
über 3 % die Färbung des Glases in unerwünschtem Maße.
-
A1203 erhöht die Viskosität des geschmolzenen Glases und verhindert
Entglasung und Phasentrennung, die durch Gd203 eintritt. Eine Erhöhung des Gehalts
an Al203 über 5 % hinaus verstärkt jedoch die Neigung zur Entglasung.
-
Ion203 und Bi203 erhöhen den Brechungsindex und verhindern Entglasung.
Wenn der Gehalt jedes dieser Bestandteile jedoch 5 % übersteigt, nimmt die Färbung
des Glases in unerwünschtem Maße zu.
-
MgO, CaO, SrO, BaO, ZnO und PbO können wirksam als Schmelzmittel zum
Schmelzen des SiO-Materials verwendet werden. Wenn jedoch die Menge oder die Gesamtmenge
eines oder mehrerer dieser Bestandteile 2 % übersteigt, nimmt die Entglasungsneigung
zu.
-
Eines oder mehrere der vorstehend als Glasbestandteile genannten Oxide,
z.B. Y203, Al203 und MgO, können teilweise oder ganz durch Fluoride wie YF3, AlF3
und MgF2 ersetzt werden, um das Schmelzen des Glases weiter zu erleichtern und Entglasung
zu verhindern. Der Fluorgehalt im Glas sollte vorzugsweise 2 % nicht übersteigen.
-
Beispiele der Zusammensetzung (in Gew.-%) des optischen Glases gemäß
der Erfindung sowie die optischen Eigenschaften (Nd, 1)d) und ihre Liquidustemperaturen
(in OC) sind in der folgenden Tabelle genannt. Diese Liquidustemperaturen wurden
ermittelt, indem ein Glaskorn von etwa 1 mm 30 Minuten in einem Temperaturgradientenofen
gehalten und anschließend die Glasprobe untersucht wurde.
-
Wie die Werte in der Tabelle zeigen, weisen alle optischen Gläser
hohen Brechungsindex und geringes Streuungsvermögen auf. Ferner lassen die Liquidustemperaturen
in der Tabelle erkennen, daß die optischen Gläser genügend beständig gegen Entglasung
sind. Da diese optischen Gläser außerdem eine verhältnismäßig geringe Menge B203
enthalten, haben sie im geschmolzenen Zustand eine höhere Viskosität als übliche
optische Gläser, die B203 und La203 enthalten, so daß sie eine verhältnismäßig hohe
Schmelztemperatur (13400 bis 14200C) erfordern. Sie lassen sich jedoch leicht herstellen,
indem die Rohstoffe in einem Platintiegel o.dgl. geschmolzen werden, die Schmelze
vergütet und zur Homogenisierung gerührt und anschließend in eine Form gegossen
und getempert wird.
-
T a b e l l e Liquidustemperatur Nd #d Nr. B2O3 La2O3 Gd2O3 WO3 ZrO2
Ta2O5 SiO2 Y2O3 (°C) 1 16.3 38.4 9.6 1.4 5.0 15.7 5.0 8.6 1.8538 42.6 1160 2 11.0
38.0 3.0 13.5 4.5 15.0 3.0 12.0 1.9193 36.0 1200 3 16.9 41.1 4.0 15.0 4.0 19.0 1.8932
36.5 1150 4 14.0 28.0 30.0 5.0 6.0 14.0 3.0 1.9013 37.6 1160 5 14.0 24.0 1.0 13.0
6.0 26.0 16.0 1.9178 30.1 1170 6 15.0 55.0 0.5 5.0 24.5 1.9083 35.4 1160 7 10.5
25.0 26.0 30.0 6.0 2.5 1.9128 34.1 1145 8 16.0 39.0 1.0 14.0 30.0 1.8894 31.0 1150
9 15.0 30.0 20.0 0.5 7.0 27.5 1.9147 34.8 1180 10 10.0 34.5 15.0 15.0 4.0 17.0 4.5
1.9166 36.0 1190 11 14.0 40.0 1.0 10.0 7.0 28.0 1.9218 30.5 1140 12 16.0 20.0 38.0
5.0 6.0 15.0 1.9103 37.4 1190 Yb2O3 .
-
13 14.0 20.0 1.5 10.0 3.0 11.0 3.0 1.8802 36.1 1180 37.5 Yb2O3 Tb4O7
14 16.5 21.0 0.5 5.0 3.0 15.0 12.0 1.8945 37.0 1195 24.0 3.0 Nb2O5 15 15.0 36.0
4.0 32.0 2.0 4.0 1.8633 32.1 1130 7.0 Nb2O5 YF3 16 16.6 31.0 9.4 6.9 3.4 9.3 3.0
5.4 1.8843 29.1 1120 10.0 5.0
T a b e l l e Liquidustempera-Nr.
B2O3 La2O3 Gd2O3 WO3 ZrO2 Ta2O5 SiO2 Y2O3 Nd # d tur (°C) TiO2 17 13.0 41.5 1.5
20.0 3.5 17.0 2.0 1.9402 33.2 1.5 Nb2O5 18 16.7 33.0 2.0 5.3 3.5 8.5 31.0 1.9582
28.0 GeO2 SnO2 19 12.0 31.0 6.0 25.0 18.0 1.9098 32.2 5.0 3.0 Al2O3 20 12.0 45.0
1.0 17.0 4.0 14.0 2.0 1.8720 36.4 5.0 In2O3 21 14.0 33.0 7.0 23.0 3.0 15.0 1.9178
32.8 5.0 Bi2O3 22 14.0 34.0 5.0 21.0 4.0 17.0 5.0 1.9254 29.3 SrO 23 16.4 36.0 2.0
18.5 3.5 17.5 4.6 1.5 1.8502 31.2 MgF2 24 15.3 40.0 2.0 17.5 3.0 16.2 3.8 1.8651
32.3 2.2 25 16.0 30.0 10.0 20.0 10.0 2.0 4.0 8.0 1.8666 34.9 26 14.5 30.0 26.5 5.0
6.0 12.5 5.5 1.8586 41.7 CaO 27 16.0 30.0 15.0 12.5 5.0 15.0 5.0 1.5 1.8571 35.5
BaO 28 14.0 35.0 7.0 17.0 5.5 15.0 5.0 1.5 1.8727 32.7 ZnO 29 15.0 29.0 27.0 3.5
6.0 13.0 5.0 1.8591 41.8 1.0 PbO 1.9101 35.3 30 12.1 39.0 4.0 14.5 6.0 15.5 3.0
4.0 1.9 31 13.5 32.0 27.0 4.5 5.0 14.0 4.0 1.8811 40.9 1080 1085 1110 1080 1045
1050 1080 1150 1090 1140