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Beschreibung Optisches Glas mit hohem Brechungsindex und geringer
Dispersion Die Erfindung betrifft optische Gläser mit hohem Brechungsindex und geringer
Dispersion, deren Brechungsindex fld im Bereich von 1,80 bis 1;92 und Abbé-Zahl
Vd im Bereich von 33 bis 50 liegen. Insbesondere betrifft die Erfindung derartige
optische Gläser von hohem Brechungsindex und geringer Dispersion, die weder Thoriumoxid
(ThO2) und Cadmiumoxid (CdO), die für den Menschen giftig sind, noch Gadoliniumoxid
(Gd203) und Hafniumoxid (HfO2),die sehr teuer sind und für die es nur geringe Ressourcen
gibt, enthalten.
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Herkömmliche Gläser mit hohem Brechungsindex und geringer Dispersion
enthalten ThO2 oder CdO als einen wesentlichen Bestandteil. Jedoch sind ThO2 und
CdO für den Menschen giftig, sodass die Verwendung derartiger Substanzen vermieden
werden sollte. Aus diesem Grund wurde vorgeschlagen, in optischen Gläsern mit hohem
Brechungsindex und geringer Dispersion Gd203, Ob 203 oder HfO2 anstelle von ThO2
und CdO zu verwenden. Jedoch sind Gd203 und HfO2 teuer und stehen nur in geringen
blengen zur Verfügung. Ihre Verwendung in optischen Gläsern ist daher unerwünscht.
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Optische Gläser mit hohem Brechungsindex und geringer Dispersion,
die Yb203 enthalten, sind beispielsweise in der JA-PS 25323/1978
und
der JA-OS78447/1981 beschrieben. Bei dem in der JA-PS 25323/1978 beschriebenen Glas
handelt es sich um ein B203 -La203 - Yb 203 - Ta205 - System. Jedoch ist dieses
Glas gegenüber einer Entglasung nicht ausreichend stabil und eignet sich daher nicht
zur grosstechnischen Produktion. Bei dem in der JA-OS 78447/1981 beschriebenen Glas
handelt es sich um ein SiO2 - B2O3 - La203 - Ob 203 -System. Dieses Clas weist einen
hohen SiO2-Gehalt von über 10 Gew.Prozent auf.
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(Sofern nichts anderes angegeben ist, beziehen sich Prozentangaben
auf das Gewicht). Ferner beträgt in sämtlichen Beispielen mit Ausnahme der Beispiele
18, 22, 53, 37, 41 und 43 das Gewichtsverhältnis SiO2/B203 > 1. Es wurde experimentell
festgestellt, dass bei einem SiO2-Gehalt von mehr als 10 Prozent und einem SiO2/B203-Verhältnis
von mehr als i die Liquidus-Temperatur und die Schmelz temperatur des Glases deutlich
ansteigen, so dass sich diese Gläser für eine Massenproduktion nicht eignen. Ferner
liegen die Brechungsindices Nd der Gläser der Beispiele 18,22, 33, 37 und 43 alle
unter 1,80, womit das erfindungsgemäss gestellte Ziel eines hohen Brechungsindex
nicht erreicht ist. Das Glas von Beipiel 41 weist einen hohen Brechungsindex Nd
von 1,84 auf, jedoch ist die Abbe-Zahl # d von 36,2 zu gering, was bedeutet, dass
ein Glas mit hoher Dispersion vorliegt. Dies ist ohne weiteres ersichtlich, wenn
man das Beispiel 41 der vorgenannten JA-OS mit dem Beispiel 15 der vorliegenden
Anmeldung vergleicht. Wie aus der nachstehenden Beschre bung hervorgeht, weist das
Glas von Beispiel 15 der vorliegenden Anmeldung den gleichen Brechungsindex wie
das Glas von
Beispiel 41 der JA-OS auf, das heisst 1,84. Jedoch
weist das erfindungsgemässe Glas eine höhere Abbé-Zahl als das herkömmliche Glas
auf. Die Abbé-Zahl #d von Beispiel 15 der vorliegenden Anmeldung beträgt 43,7, was
das Vorliegen eines Glases von geringer Dispersion anzeigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Glas mit hohem Brechungsindex
und geringer Dispersion bereitzustellen, dessen Brechungsindex #d 1,80 bis 1,92
und dessen Abbe-Zahl #d 33 bis 50 betragen, das weder giftige Bestandteile, wie
Th02 oder CdO, noch teure und seltene Bestandteile, wie Cd 203 oder Hf02, enthält,
das gegenüber einer Entglasung stabil ist und eine geringe Liquidus-Temperatur sowie
eine ausreichend hohe Schmelztemperatur aufweist, um eine grosstechnische Massenproduktion
zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wurden erfindungsgemäss zahlreiche Untersuchungen
an optischen Gläsern aus dem Sechskomponentensystem SiO - B203 - La203 - Yb203 -
Nb 203 - Ta205 durceführt.
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Dabei wurde festgestellt, dass die nachstehend angegebene Zusammensetzung
besonders günstig ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ein optisches Glas mit den optischen
Konstanten #d = 1,80 bis 1,92 und #d = 33 bis 50 und der folgenden auf das Gewicht
bezogenen Zusammensetzung:
SiO2 2 # 9,5% B203 10 ~ 17% mit der Massgabe
SiO2/B2O3 # 0,8 La203 30 # 60% Yb2O3 1 # 25% Nb205 1 # 20% Ta2O5 1 # 31% Y203 0
# 20% TiO2 0 # 10% ZrO2 0 ~ 10% PbO 0 # 8% ZnO O # 5% Al2O3 0 # 5% F O N 3% Die
vorgenannten Prozentsätze der einzelnen Bestandteile des erfindungsgemässen optischen
Glases wurden aus folgenden Gründen festgelegt: Beträgt der Si02-Gehalt unter 2
Prozent, so wird die Viskosität des geschmolzenen Glases zu gering und es ergibt
sich eine geringe Stabilität gegen Entglasung. Liegt der Gehalt über 9,5 Prozent,
so steigt der Schmelz- bzw. Fliesspunlct des Ansatzes an und es besteht die Tendenz
zur Bildung von ungeschmolzenen Bestandteilen, die die Homogenität des fertigen
Glases beeinträchtigen.
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Liegt der B203-Gehalt unter 10 Prozent,so erweist sich das Glas als
instabil gegenüber einer Entglasung. Bei einem Gehalt von mehr als 17 Prozent ist
es unmöglich, den beabsichtigten hohen Brechungsindex zu erreichen.
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Wenn das Gewichtsverhältnis von SiO2/B203 über 0,8 liegt, so steigen
die Liquidus-Temperatur und die Schmelztemperatur an. Die Stabilität gegenüber einer
Entglasung wird verringert.
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Liegt der Gehalt an La203 unter 30 Prozent, so ist es unmöglich, den
gewünschten hohen Brechungsindex zu erreichen.
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Liegt der Gehalt über 60 Prozent, so erweist sich das Glas instabil
gegenüber Entglasung.
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Bei Verwendung von Yb203 in einer Menge von weniger als 1 Prozent
ist es nicht möglich, das gewünschte Glas von geringer Dispersion zu erhalten. Übersteigt
dieser Gehalt 25 Prozent, so erweist sich das Glas als instabil gegenüber Entglasung.
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Wenn der Nb205-Gehalt unter 1 Prozent oder über 20 Prozent liegt,
so wird die Stabilität gegenüber Entglasung verringert.
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Die Farbe des Glasprodukts wird gelbbraun, wenn der Gehalt an dieser
Komponente über 20 Prozent liegt.
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Die Verwendung von Ta205 in einer Menge von weniger als 1 Prozent
oder mehr als 31 Prozent bewirkt in beiden Fällen eine
Verringerung
der Stabilität gegenüber Entglasung.
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Der Zusatz von Y 203 stellt eine Eventualmassnahme dar. Dieser Bestandteil
bewirkt eine Steigerung der Abbe-Zahl und eine Verbesserung der chemischen Stabilität.
Beträgt der Anteil daran mehr als 20 Prozent, so wird die Stabilität gegen Entglasung
verringert.
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TiO2 bewirkt eine Erhöhung des Brechungsindex und auch eine Verbesserung
der chemischen Beständigkeit. Daher kann es gegebenenfalls in einer Menge von nicht
mehr als 10 Prozent zugesetzt werden. Beträgt der Anteil daran über 10 Prozent,
so ist das Glas für praktische Anwendungszwecke zu stark gefärbt.
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Zero, bewirkt eine Steigerung des Brechungsindex und eine Verbesserung
der chemischen Beständigkeit. Es kann in einer Menge von nicht mehr als 10 Prozent
zugesetzt werden. Wird die Obergrenze von 10 Prozent überschritten, so ergibt sich
eine Verringerung der Stabilität gegenüber Entglasung.
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Die Zugabe von PbO stellt ebenfalls eine Eventualmassnahme dar. Es
bewirkt eine Steigerung des Brechungsindex. Beträgt der Gehalt daran über 8 Prozent,
so ergibt sich ein für praktische Zwecke zu stark gefärbtes Glas.
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ZnO bewirkt eine Verbesserung der Stabilität gegenüber Entglasung.
Gegebenenfalls kann es in einer Menge von nicht mehr als 5 Prozent zugesetzt werden.
Wird es in einer Menge von mehr als 5 Prozent zugesetzt, so ist es nicht möglich,
das gewünschte Glas von hohem Brechungsindex zu erhalten.
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Au203 bewirkt eine Verbesserung der Stabilität gegenüber Entglasung.
Gegebenenfalls kann es in einer Menge von nicht mehr als 5 Prozent zugesetzt werden.
Wird es in einer Menge von mehr als 5 Prozent zugesetzt, ist es unmöglich, das gewünschte
Glas von hohem Brechungsindex zu erhalten.
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F bewirkt eine Verbesserung der Stabilität gegenüber Entglasung. F
ist flüchtig und kann daher in einer Menge von nicht mehr als 3 Prozent zugesetzt
werden. Wird es in einer Menge von mehr als 3 Prozent verwendet, so kommt es zu
fehlerhafter Glasbildung und es lässt sich kein homogenes Glas erhalten.
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Eine geringe Menge an anderen Substanzen kann zu der erfindungsgemässen
Glaszusammensetzung zugegeben werden, wenn dadurch die Ziele der Erfindung nicht
beeinträchtigt werden.
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Beispielsweise kann eine geringe Menge an Erdalkalimetalloxiden, wie
gO, CaO, SrO oder BaO, undjoder Alkalimetalloxiden, wie Li20, Na20 oder K20, zugesetzt
werden. Eine Zugabe von W03 verbietet sich, da dadurch die Durchlässigkeit des Glases
verringert wird.
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Eine bevorzugte Gruppe von Gläsern mit besserer Stabilität gegenüber
Entglasung und einem Brechungsindex #d von 1,80 bis 1,86 und einer Abbé-Zahl #d
von 40 bis 50 weist folgende Zusammensetzung auf: SiO2 4 # 9,5% B2O3 12 # 17% mit
der Massgabe SiO2/B2O3 -< 0X8 La203 30 # 50% Yb203 1 25% Nb2O5 1 # 5% Ta205 1
# 26% Y2O3 0 # 20% TiO2 0 # 10% ZrO2 0 # 10% PbO O # 8% ZnO O # 5% AR203 0 # 5%
F O # 3% Eine weitere bevorzugte Gruppe von Gläsern mit ausgezeichneter Stabilität
gegen Entglasung und einem Brechungsindex td von 1,85 bis 1,92 und einer Abbé-Zahl
#d von 33 bis 46 weist folgende Zusammensetzung auf:
SiO2 2 # 6.5%
B2O3 10 # 16.5% mit der Massgabe SiO2/B203 < 0.8 La2O3 40 # 60% Yb2O3 1 ~ 258
Nb2O5 2 ~ 10% Ta2O5 10 # 31% Y2O3 0 # 20% T102 0 10% ZrO2 0 # 10% PbO2 0 # 8% ZnO
O N 5% Al2O3 0 # 5% F 0 # 3% Das erfindungsgemässe optische Glas lässt sich auf
folgende Weise herstellen: Die Rohmaterialien der einzelnen Bestandteile werden
im gewünschten Mengenverhältnis eingewogen und sodann gründlich zu einem Pulver
vermischt. Gegebenenfalls kann ein Klärungsmittel zugesetzt werden. Als Rohmaterialien
für die einzelnen Bestandteile können die entsprechenden Oxide, Carbonate, Nitrate
oder in einigen Fällen auch Fluoride verwendet werden. Das erhaltene Gemisch aus
den Rohmaterialien wird in einen Platintiegel, der sich in einem auf 1300 bis 14000C
erwärmten
elektrischen Ofen befindet, gegeben. Nach Schmelzen und Klären des Gemisches wird
es unter Bildung einer homogenisierten geschmolzenen Masse gerührt, die dann in
eine Eisenform gegossen wird. Nach dem Giessen wird das gebildete Glas auf herkömmliche
Weise getempert.
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Die nachstehende Tabelle I enthält die Beispiele 1 bis 16 für erfindungsgemässe
Gläser. Dabei sind jeweils die Zusammensetzung (sämtliche Werte in Gew.trozent),
der Brechungsindex ( Ad) und die Abbé-Zahl (Ad) angegeben.
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Tabelle I
Beispiel 1 2 3 4 5 6 7 8 |
SiO2 7,00 7,00 7,00 7,00 9,00 7,00 5,00 6,00 |
B2O3 16,00 16,00 16,00 16,00 16,00 13,00 14,00 12,00 |
La2O3 44,00 45,00 42,00 41,00 38,00 44,00 44,00 46,00 |
Yb2O3 9,00 17,00 11,00 5,00 18,00 9,00 9,00 5,00 |
Nb2O5 2,00 2,00 6,00 2,00 4,00 5,00 5,00 7,00 |
Ta2O5 13,00 13,00 18,00 25,00 13,00 16,00 17,00 16,00 |
Y2O3 4,00 2,00 4,00 |
TiO2 |
ZrO2 5,00 2,00 2,00 6,00 6,00 4,00 |
PbO |
ZnO |
Al2O3 |
F |
#d 1,838700 1,828140 1,842550 1,841640 1,820420 1,876520 1,880260
1,896530 |
#d 43,28 44,31 40,66 41,22 43,09 39,59 39,39 38,02 |
Tabelle I (Forts.)
Beispiel 9 10 11 12 13 14 15 16 |
SiO2 6,00 7,00 7,00 5,00 3,00 7,00 7,00 7,00 |
B2O3 17,00 16,00 16,00 15,00 15,00 16,00 16,00 16,00 |
La2O3 43,80 45,00 42,00 44,00 48,00 41,00 50,00 48,00 |
Yb2O3 14,00 10,00 9,00 9,00 3,00 21,00 11,00 5,00 |
Nb2O5 4,00 2,00 8,00 5,00 7,00 2,00 4,00 2,00 |
Ta2O5 5,00 11,00 15,00 16,00 18,00 13,00 5,00 13,00 |
Y2O3 4,00 3,00 2,00 2,00 4,00 |
TiO2 |
ZrO2 5,00 6,00 3,00 6,00 4,00 5,00 5,00 |
PbO |
ZnO |
Al2O3 |
F 1,20 |
#d 1,825511 1,837440 1,852150 1,977970 1,903290 1,826640 1,840200
1,841740 |
#d 43,93 43,50 39,58 39,80 37,81 44,32 43,74 43,17 |
Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, dass erfindungsgemäss
wertvolle optische Gläser von hohem Brechungsindex und geringer'Dispersion bereitgestellt
werden, die weder schädliche Bestandteile, wie ThO2 und CdO, noch teure Bestandteile,
wie Gd203 und Hf02, deren Ressourcen knapper werden, enthalten, Das erfindungsgemässe
optische Glas weist die optischen Konstantenrld d = 1,80 bis 1,92 und wa = 33 bis
50 auf und ist gegenüber Entglasung stabil. Die Flüssigphasentemperatur sowie der
Schmelzpunkt des Glases sind ausreichend nieder, um eine grosstechnische Massenproduktion
zu gewährleisten.