DE3319442C2 - - Google Patents

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DE3319442C2
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Schott Glass Technologies Inc
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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von optischen Gläsern in ophthalmischen Linsen, wobei die Gläser einen Brechungsindex von mindestens 1,59 haben, während sie gleichzeitig eine relativ geringe Dispersion (v d 40,5) und geringe Dichte ( 2,67 g · cm-3) aufweisen.
Die ophthalmische Industrie hat traditionell Kronglaslinsen produziert und geliefert, die einen Brechungsindex n d von 1,5231 ± 0,0010, einen v d -Wert von 55 bis 60 und eine Dichte von 2,5 bis 2,6 g · cm-3 haben. Neuerdings hat sich der Gebrauch von ophthalmischen Kunststoff-Linsen, die aus Materialien wie CR 39 bestehen, und die ähnliche optische Eigenschaften aber bemerkenswert geringere Dichten als Glas haben, ausgeweitet. Linsen mit sehr hohen negativen Dioptrien, die aus diesen Materialien bestehen, haben eine sehr große Randdicke, während Linsen für sehr starke positive Dioptrien eine große Mittendicke erfordern. Dies ist sowohl aus kosmetischen als auch aus praktischen Gründen unerwünscht.
Die Einführung des ophthalmischen Glases Schott S-1005 (US-PS 38 98 093), welches einen wesentlichen höheren Brechungsindex als herkömmliches ophthalmisches Kronglas hat und eine relativ geringe Dichte, verglichen mit anderen optischen Gläsern von gleichem Brechungsindex (s. Tabelle 1), hat wesentliche Verringerungen der Rand- und/oder der Mittendicke, sowie eine bedeutende Gewichtsverminderung im Vergleich zu herkömmlichen Krongläsern für hohe Dioptrien erlaubt. Diese Glaszusammensetzung hat jedoch einen erheblichen Nachteil: ihre relativ hohe Dispersion führt zu chromatischen Aberrationseffekten, die unangenehm für die Benutzer der verschriebenen Brillengläser sind.
Seit der Einführung von S-1005 wurden große Anstrengungen unternommen, um ein alternatives Glas mit dem gleichen hohen Brechungsindex und mit relativ geringer Dichte, jedoch
Tabelle 1
Eigenschaften von z. Zt. gebräuchlichen ophthalmischen Materialien
mit geringerer Dispersion zu entwickeln. Das ophthalmische Glas Sovirel D 00.35 (FR-PS 23 95 961) ebenso wie die Hoya-Zusammensetzung LH-1 (US-PS 40 84 978) sind wesentliche alternative Glaszusammensetzungen, die entwickelt worden sind. Ihre Eigenschaften sind ebenfalls in Tabelle 1 aufgeführt. Die Hoya-Zusammensetzung LH1-I zeigt eine wesentlich geringere Dispersion, obgleich ihr Brechungsindex und ihre Dichte sehr nahe bei denen von S-1005 liegen, während die Dispersion des Sovirel-Glases zwischen der von LH 1-I und der von S-1005 liegt.
Erst kürzlich haben die Hoya Glass Works LHl-11 eingeführt, ein alternatives Kronglas mit hohem Brechungsindex und guten Dispersionseigenschaften, welches aber eine wesentlich geringere Dichte besitzt (japanische Offenlegungsschrift 81 59 640). Dieses Glas hat nicht nur einen niedrigeren Brechungsindex als irgendeine der anderen genannten Zusammensetzungen (s. Tabelle 1); es bringt auch noch eine wesentliche Gewichtsverringerung bei Gläsern für hohe Dioptrien, verglichen mit normalen ophthalmischen Krongläsern.
Aufgabe dieser Erfindung ist daher, ein optisches Glas von hoher Qualität mit relativ hohem Brechungsindex, relativ niedriger Dispersion und relativ geringer Dichte, verglichen mit den herkömmlichen ophthalmischen Kronglaszusammensetzungen zu finden, welches für ophthalmische Linsen verwendet werden kann. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Glas zu finden mit den oben genannten Eigenschaften, das mit anderen optischen Krongläsern von vergleichbaren Eigenschaften zur Verschmelzung zu einem Mehrstärkenbrillenglas oder zu anderen optischen Verbundelementen verwendet werden kann.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Glas zu finden mit den oben genannten Eigenschaften, das zur chemischen Härtung durch herkömmliche Ionenaustauschverfahren verwendet werden kann.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Glas von optischer Qualität gelöst, welches für die Verwendung bei Brillengläsern geeignet ist, einen Brechungsindex n d von mindestens 1,59, eine Abbezahl v d von mindestens 40,5, eine Dichte von nicht mehr als 2,67 g · cm-3 und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 90 · 10-7/°C hat, und welches zu mindestens 90 Mol.-% aus SiO₂, Na₂O, Li₂O, K₂O, CaO und TiO₂ besteht und kein Al₂O₃, B₂O₃ oder Oxide mit hohem Molekulargewicht wie Nb₂O₅, La₂O₃ oder ZrO₂, also keine Oxide von Elementen mit einem Atomgewicht <90 enthält; dieses Glas besteht aus:
60-75 Gew.-% SiO₂;
10-15 Gew.-% Li₂O + Na₂O + K₂O, wobei Na₂O = 3-13 Gew.-%;
Li₂O 0-2 Gew.-% und K₂O = 0-12 Gew.-%,
5-12 Gew.-% CaO
12-18 Gew.-% TiO₂.
Die erfindungsgemäß verwendbaren Gläser haben einen Brechungsindex, eine Dispersion und eine Dichte, die denen von LH l-11 ähnlich sind, haben jedoch eine wesentlich unterschiedliche chemische Zusammensetzung als LH l-11 oder irgendeine der anderen bekannten Zusammensetzungen mit hohem Brechungsindex und geringer Dichte. Dieser Unterschied in der chemischen Zusammensetzung führt auch zu wesentlich geringeren Kosten bei der Produktion des Glases, was einen wesentlichen Vorteil sowohl für den Hersteller als auch für den Benutzer der optischen Gläser darstellt.
Der Bereich der erfindungsgemäß verwendbaren Glaszusammensetzungen steht in einem starken Gegensatz zu den Glaszusammensetzungen nach dem Stand der Technik, die einen hohen Brechungsindex und niedrige Dichte haben, einschließlich des S-1005. Wie man aus Tabelle 2 ersehen kann, haben die meisten dieser Gläser hohe Gehalte an Schwermetalloxiden mit Molekulargewichten über 100, wie Nb₂O₅, Ta₂O₅, La₂O₃ und ZrO₂ · LH l-11, das dem erfindungsgemäßen Glas am meisten ähnlich ist, ist in Bezug auf die Konzentration dieser Elemente auf nicht mehr als 2 Gew.-% beschränkt. Die Gehalte an CaO, die erfindungsgemäß erforderlich sind, betragen 5-12 Gew.-%. Das liegt weit außerhalb der Zusammensetzungsgrenzen für den Erdalkaligehalt von LH l-11, dessen typische Zusammensetzung kein Erdalkalimetall enthält. Außerdem enthält das erfindungsgemäße verwendbare Glas kein B₂O₃, während der entsprechende Zusammensetzungsbereich für LH l-11 bei 0-7,0% B₂O₃, typischerweise bei 3,8 Gew.-% B₂O₃ liegt. Weiterhin enthält das gemäß dieser Erfindung verwendbare Glas kein Aluminiumoxid, während der entsprechende Zusammensetzungsbereich bei LH l-11 bei 0-5 Al₂O₃, typischerweise bei 1,4 Gew.-% Al₂O₃ liegt.
Die Kombination aus Calziumoxid und Titanoxid als Teil eines gemischten Alkalimetallkieselsäureglases ist ein einzigartiges Merkmal dieses Glases. Titandioxid ist in der Glasindustrie allgemein dafür bekannt, daß es einen hohen
Tabelle 2
Chemische Zusammensetzung von ophthalmischen Gläsern mit hohem Brechungsindex und geringer Dichte
(Typische Werte auf der Basis chemischer Analyse typischer Proben)
Beitrag zum Brechungsindex und einen geringen zu der Dichte eines Glases liefert.
Andererseits hat es einen stark negativen Einfluß auf die Dispersion; z. B. erniedrigt es die Abbe-Konstante v d , woraus eine unerwünschte prismatische Abberation einer Glaslinse resultiert. Die erfindungsgemäße Menge an TiO₂ führt zu einem ausgewogenen Gleichgewicht zwischen diesen Effekten. Der Gehalt an Calziumoxid, der für die erfindungsgemäß verwendbaren Gläser erforderlich ist, hat eine ausgleichende Wirkung auf die Kombination der Eigenschaften von Brechungsindex, Dispersion und Dichte in dem resultierenden Glassystem. CaO ist in dieser Hinsicht bevorzugt. Die Einführung von Lithiumoxid führt zu einer wesentlich höheren Kompaktheit der Glasmatrix; dadurch bewirkt es einen höheren Brechungsindex bei gleichzeitig geringerem Einfluß auf die Glasdichte, verglichen mit den Oxiden von Natrium und/oder Kalium.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbaren Gläser bestehen im wesentlichen aus SiO₂, Calziumoxid, TiO₂ und R₂O, wobei das letztere eine Kombination aus Li₂O, Na₂O und K₂O ist. Sie enthalten, mit Ausnahme von Läuterungszusätzen in Spurenmenge, keine Elemente mit Atomgewichten <90. Typische Läutermittel sind As₂O₃ oder Sb₂O₃ in Mengen von 0,1- 0,3%. Jedoch können in Abhängigkeit vom Produktionsverfahren höhere Konzentrationen an Läutermitteln, z. B. bis zu 1% verwendet werden. Derartige Mengen an diesen üblicherweise zugesetzten Läutermitteln haben keinen nennenswerten Einfluß auf die optischen Eigenschaften der gemäß dieser Erfindung verwendbaren Gläsern. Das gleiche gilt für die anderen erfindungsgemäß ausgeschlossenen Elemente, d. h. solchen mit Atomgewichten <90. Es ist möglich, daß solche Elemente in Spurenmengen anwesend sein können, z. B. als praktisch nicht vermeidbare Verunreinigungen in Mengen von z. B. weniger als 0,1 Gew.-%. Solche Mengen sind jedoch nicht in der Lage, die optischen Eigenschaften des Glases zu beeinflussen.
Die erfindungsgemäß verwendbaren Gläser können auch gefärbt sein. Zu diesem Zwecke können wirksam färbende Mengen an herkömmlichen Farbzusätzen (mit Atomgewichten auch <90), wie Fe oder Cr usw. enthalten sein; sie beeinträchtigen nicht die spezifischen optischen Eigenschaften.
Die Gläser, die gemäß der Erfindung verwendet werden können haben die folgenden Eigenschaften:
  • a) Brechungsindex n d 1,59, im allgemeinen 1,601-1,605,
  • b) Abbezahlen v d 40,5, im allgemeinen 40,5-42,0,
  • c) Dichten S2,67 g · cm-3, im allgemeinen 2,62-2,65,
  • d) Ausdehnungskoeffizienten α 90 · 10-7/°C, im allgemeinen 78-87.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Gläser haben auch andere wertvolle Eigenschaften. Sie können z. B. in herkömmlicher Weise mit anderen Gläser zu Mehrstärkengläsern oder anderen Arten von optischen Verbundelementen verschmolzen werden. Sie können, ebenfalls nach herkömmlichen Techniken zu Linsenrohlingen gepreßt werden. Außerdem können sie nach üblichen Ionenaustauschverfahren chemisch gehärtet werden, s. z. B. US-PS 37 90 260.
Die gemäß dieser Erfindung verwendbaren Gläser können nach beliebigen herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, die zur Erzeugung optischer Gläser, insbesondere solcher mit ähnlicher Zusammensetzung üblich sind; gewöhnlich werden sie kontinuierlich in der Wanne erschmolzen. Desgleichen können optische Elemente aus den Gläsern dieser Erfindung nach solchen herkömmlichen Techniken hergestellt werden, wie sie bei optischen Gläsern, insbesondere solchen mit ähnlicher Zusammensetzung angewandt werden.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert. In diesen Beispielen sind alle Temperaturen in °C angegeben, soweit nichts anderes gesagt ist; alle Mengen - und Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht.
Beispiel 1
Eine Anzahl von beispielhaften Glaszusammensetzungen, die erfindungsgemäß verwendbar sind sowie deren typischen Eigenschaften sind in Tabelle 3 in Gew.-% und in Tabelle 4 in Mol.-% angegeben. Unter diesen Zusammensetzungen sind die Beispiele 1, 2, 3 und 4 bevorzugt.
Alle Gläser dieser Beispiele wurden konventionell durch Gemengeschmelzen hergestellt. Beispielsweise wurden entsprechende Mengen Gemengebestandteile in einem 1/2 l-Platintiegel durch induktive Erwärmung, z. B. auf 1250-1280°C für 2 Stunden, erschmolzen. Das Glas wurde dann bei 1450°C 3,5 Stunden geläutert, bei 1500°C unter Rühren eine Stunde homogenisiert und dann bei 1260°C gegossen. Das Produkt wurde 2 Stunden bei einer Temperatur von 20°C oberhalb Tg getempert und dann mit einer Geschwindigkeit von 40°C/Stunde auf Raumtemperatur abgekühlt.
Typische Gemengebestandteile waren SiO₂ = Quarz; Na₂O = Na₂CO₃, NaCl und Na₂SO₄; K₂O = K₂CO₃; Li₂O = Li₂CO₃; CaO = CaCO₃; TiO₂ = TiO₂ und As₂O₃ = As₂O₃.
Tabelle 5
Bevorzugte Zusammensetzungen
Tabelle 6
Bevorzugte Zusammensetzungen
Beispiel 2
Drei bevorzugte Zusammensetzungen, Nr. 14, 15 und 16 sind, ebenso wie ihre wichtigsten Eigenschaften, in Tabelle 5 in Gew.-% und in Tabelle 6 in Mol.-% angegeben. Diese Zusammensetzungen sind wegen der Kombination von hohem Brechungsindex und niedriger Dichte besonders bevorzugt.
Beispiel 3
Unter Verwendung der Zusammensetzung Nr. 14 wurden polierte Proben von 2,0 × 5,0 cm × 0,2 cm in einer chemischen Standard-Härtunganlage (OMI Automatic Lens Hardener) behandelt. Die chemische Zusammensetzung des Bades aus geschmolzenem Salz war 99% KNO₃, 0,5% NaNO₃ und 0,5% Kieselsäure. Die Behandlungstemperatur betrug 450-460°C und die Behandlungszeit 16 Stunden. Die Oberflächendruckspannung nach der Behandlung, bestimmt durch Doppelbrechungsmessung, betrug 1156 nm/cm, vergleichbar der Oberflächendruckspannung, wie sie nach der chemischen Härtung eines ophthalmischen S-1-Standard-Kronglases erhalten wurde.
Beispiel 4
Wiederum unter Verwendung der Zusammensetzung Nr. 14 wurden die Massen und die Randdicken einer Anzahl von unterschiedlichen Korrekturlinsen mit negativen Dioptriewerten auf herkömmliche Weise berechnet. Entsprechende Berechnungen wurden anhand der Eigenschaften von S-3, S-1005 und CR 39 als Linsenmaterial durchgeführt. Besonders beachtlich ist, daß die Verwendung erfindungsgemäßer Gläser bei Brillengläsern mit negativen Dioptriewerten zu einer wesentlich größeren Verringerung des Gewichts und der Kantendicke führt als ihre Verwendung bei Brillengläsern mit positiven Dioptriewerten. Deshalb sind sie besonders gut geeignet für Brillengläser mit negativen Dioptriewerten, obgleich Gewichtsersparnisse im Vergleich zu ophthalmischen Standard- Zink-Krongläsern in beiden Fällen auftreten.
Die Berechnungen zeigen, daß für negative Werte von -1 Dioptrien die erfindungsgemäß zu verwendenden Gläser eine erhebliche Gewichtsverminderung gegenüber Brillengläsern aus S-3-Kronglas bringen. Für viele Brillengläser mit hohen Dioptriewerten beträgt diese Gewichtsersparnis 15% oder mehr. Für einige sehr stark negative Brillengläser (über 10 Dioptrien) bringt S-1005 eine etwas größere Gewichtsersparnis als das erfindungsgemäße Glas, jedoch ermöglicht das letztere bei der Mehrzahl aller relativ schwachen Brillengläser (niedrige Dioptriewerte) wesentlich größere Gewichtsersparnisse als S-1005. Für eine Linse von 6,5 mm Durchmesser, die eine Frontbrechkraft von 0 Dioptrien besitzt, erbringt z. B. das erfindungsgemäße Glas anstelle von S-1005 eine größere prozentuale Gewichtsersparnis, verglichen mit S-3-Kronglas, für Brillenstärken bis zu -12 Dioptrien. Oberhalb dieses Wertes erbringt S-1005 dank seines höheren Brechungsindex eine größere prozentuale Gewichtsersparnis. Die berechneten absoluten Massen von Linsen mit 6,5 mm Durchmesser, die eine Frontbrechkraft von 0 Dioptrien oder von +1,25 Dioptrien besitzen, demonstrieren eindrucksvoll, wenn sie aus dem gemäß dieser Erfindung zu verwendenden Glas oder aber aus S-3 oder S-1005 hergestellt sind, welche Gewichtsersparnis im Vergleich zu den traditionellen ophthalmischen Gläsern erzielt werden kann.
In allen Fällen führt das erfindungsgemäß verwendbare Glas zu einer erheblichen Verringerung der Randdicke im Vergleich zu äquivalenten Linsen aus S-3 oder CR 39-Plastiklinsenmaterial. Für hohe Dioptriewerte ist diese Verringerung der Randdicke im Vergleich zu CR 39 wesentlich; in einigen Fällen ist sie größer als 35%.
Beispiel 5
Wie in Beispiel 4 und unter Verwendung der Zusammensetzung Nr. 14 wurden die Massen und die Mittendicken einer Anzahl von verschiedenen Korrekturlinsen mit positiven Dioptriewerten in üblicher Weise aus den Brechungsindex- und Dichtwerten von Tabelle 5 berechnet. Entsprechende Berechnungen für die gleiche Serien von Linsen wurden gemacht für ophthalmisches Kronglas S-3, S-1005-Glas mit hohem Brechungsindex und niedriger Dichte, und für CR 39- Kunststofflinsenmaterial. Die Werte zeigen deutlich, daß für beinahe jede gegebene Linsengestalt das erfindungsgemäße Glas eine meßbare Gewichtsverringerung bringt, verglichen mit typischen ophthalmischen Zinkkrongläsern wie Schott S-3. Für viele der getesteten Brillengläser mit hohen positiven Dioptriewerten liegt diese Gewichtsersparnis nahe bei 15%. Für sehr stark positive Korrekturlinsen (hohe Dioptriewerte) bringt S-1005 eine etwas größere Gewichtsersparnis als das erfindungsgemäße Glas. In allen berechneten Beispielen liefert jedoch das erfindungsgemäße Glas eine größere Gewichtsersparnis als S-1005 bei Brillengläsern mit Stärken unter 5 Dioptrien. So ermöglicht z. B. bei einer Linse mit 6,5 mm Durchmesser, die eine Frontbrechkraft von +8,25 Dioptrien besitzt, das erfindungsgemäße Glas anstelle von S-1005 eine größere prozentuale Gewichtsersparnis als das S-3-Kronglas für Stärken bis zu 5 Dioptrien. Oberhalb dieses Wertes bringt S-1005 dank seines höheren Brechungsindex eine größere prozentuale Gewichtsersparnis. Die berechneten absoluten Massen von Linsen mit 6,5 mm Durchmesser, die eine Frontbrechkraft von +6,25 Dioptrien oder von +8,25 Dioptrien besitzen und aus dem erfindungsgemäßen Glas, S-3 und S-1005 hergestellt sind, zeigen erneut die Gewichtsersparnis, die dank dieser Erfindung erzielt wird.
In allen untersuchten Fällen ermöglicht das erfindungsgemäß zu verwendende Glas eine erhebliche Verminderung der Randdicke, verglichen mit äquivalenten positiven Linsen aus S-3 oder CR-39-Kunststoffmaterial. Für hohe Dioptriewerte kann diese Dickenminderung gegenüber CR-39 25% betragen.

Claims (8)

1. Verwendung eines optischen Glases für ophthalmische Linsen mit einem Brechungsindex n d von mindestens 1,59, einer Abbezahl v d von mindestens 40,5, einer Dichte S von nicht mehr als 2,67 g · cm-3 und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α von weniger als 90 × 10-7 °C-1 und folgender Zusammensetzung 60 bis 75 Gew.-% SiO₂
 0 bis  2 Gew.-% Li₂O
 3 bis 13 Gew.-% Na₂O
 0 bis 12 Gew.-% K₂O
10 bis 15 Gew.-% Li₂O + Na₂O + K₂O
 5 bis 12 Gew.-% CaO
12 bis 18 Gew.-% TiO₂.
2. Verwendung eines optischen Glases nach Anspruch 1, wobei dieses Glas einen Gehalt von 0,1 Gew.-% As₂O₃ oder Sb₂O₃ als Läutermittel aufweist.
3. Verwendung eines optischen Glases nach Anspruch 1 oder 2, wobei dieses Glas einen Gehalt an färbenden Elementen, deren Atomgewicht auch <90 sein kann, aufweist.
4. Verwendung eines optischen Glases nach Anspruch 1, wobei dieses Glas 0,1 bis 0,5 Gew.-% Li₂O und
0,1 bis 10 Gew.-% K₂O aufweist.
5. Verwendung eines optischen Glases nach Anspruch 1, wobei dieses Glas einen Gehalt von 7,4 bis 9,6 Gew.-% Calciumoxid aufweist.
6. Verwendung eines optischen Glases nach Anspruch 1, wobei dieses Glas folgende Zusammensetzung aufweist: 62,6 bis 63,0 Gew.-% SiO₂
 4,8 bis  5,2 Gew.-% Na₂O
 7,8 bis  8,2 Gew.-% K₂O
 7,75 bis 8,05 Gew.-% CaO
16,0 bis 16,4 Gew.-% TiO₂, sowie gegebenenfalls
 0 bis 0,1 Gew.-% As₂O₃.
7. Verwendung eines optischen Glases nach Anspruch 1, wobei dieses Glas folgende Zusammensetzung aufweist: 62,95 bis 63,35 Gew.-% SiO₂
 0,18 bis  0,28 Gew.-% Li₂O
 4,8 bis 5,2 Gew.-% Na₂O
 7,1 bis 7,5 Gew.-% K₂O
 7,8 bis 8,2 Gew.-% CaO
16,1 bis 16,5 Gew.-% TiO₂, sowie gegebenenfalls
 0 bis 0,1 Gew.-% As₂O₃.
8. Verwendung eines optischen Glases nach Anspruch 1, wobei dieses Glas folgende Zusammensetzung aufweist: 63,0 bis 63,4 Gew.-% SiO₂
 0,30 bis 0,40 Gew.-% Li₂O
 4,8 bis 5,2 Gew.-% Na₂O
 7,1 bis 7,5 Gew.-% K₂O
 7,8 bis 8,2 Gew.-% CaO
15,8 bis 16,2 Gew.-% TiO₂, sowie gegebenenfalls
 0 bis 0,1 Gew.-% As₂O₃.
DE19833319442 1982-06-11 1983-05-28 Optisches glas mit n(pfeil abwaerts)d(pfeil abwaerts) >=1,59, v(pfeil abwaerts)d(pfeil abwaerts) >=40,5, s <= 2,67 g.cm(pfeil hoch)-(pfeil hoch)(pfeil hoch)3(pfeil hoch) und (alpha) <=90,10(pfeil hoch)-(pfeil hoch)(pfeil hoch)7(pfeil hoch)/(grad)c Granted DE3319442A1 (de)

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