DE973470C - Fuer optische Systeme geeignete monokristalline Masse mit hohem Brechungswert und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 3. MÄRZ 1960

T 686p IVc/32 b

Die Erfindung bezieht sich auf eine für optische Systeme geeignete monokristalline Masse und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Bei der erfindungsgemäßen monokristallinen Masse handelt es sich insbesondere um eine solche, die bei hohen Brechungsexponenten eine große Farbenzerstreuung besitzt.

Es sind bereits viele Arten von Stoffen in der optischen Industrie verwendet worden. Meistenteils bestehen diese Stoffe aus Glas verschiedener Zusammensetzung. Die optischen Eigenschaften der verwendeten Gläser, die üblicherweise charakterisiert werden durch den Brechungswert und auch durch die Farbenzerstreuung, schwanken in beträchtlichen Grenzen. So besitzen beispielsweise Kronglas und Flintglas als die beiden hauptsächlichen Typen für optisches Glas einen Brechungswert n_D zwischen ungefähr 1,45 und 1,65 bzw. zwischen ungefähr 1,5 bis 2,0. Diese Gläser zerlegen das Licht in seine Farbkomponenten. Der ao Grad der Farbenzerstreuung, der im allgemeinen gemessen wird durch den Abbeschen y-Wert, schwankt zwischen 50 und 75 für Kronglas und zwischen 19 bis 50 für Flintglas. Hier ist darauf hinzuweisen, daß ein Stoff mit hoher Farben-Zerstreuung einen niedrigen v-Wert besitzt.

In weitem Umfange werden für optische Zwecke geeignete Materialien mit hohen Brechungswerten und hoher Farbenzerstreuung bei der Fertigung von Linsen und Prismen benötigt. So sind beispielsweise Materialien mit hohen Brechungsexponenten bei der Konstruktion optischer Systeme erforder-

909 722/38

lieh, wie beispielsweise bei Fernrohren oder bei Mikroskopobjektiven. Außerdem werden bei der Herstellung achromatischer Linsen Kombinationen optischer Materialien benötigt, die in weiten Grenzen verschiedene, individuelle optische Eigenschaften besitzen müssen. Für die Fertigung von Prismen u. dgl. sind auch hohe Streuungswerte erforderlich.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung einer für optische Systeme geeigneten monokristallinen Masse, die einen außerordentlich hohen Brechungsexponenten besitzt bei hoher Farbenzerstreuung und dementsprechend niedrigem v-Wert. Die erfindungsgemäße Masse ist insbesondere geeignet für die Herstellung von Linsen mit hohem Vergrößerungsvermögen; sie kann auf einfache und ökonomische Weise hergestellt werden.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine monokristalline Masse mit hohem Brechungsvermögen gebildet wird durch Zusammenschmelzen von Strontiumtitanat-Teilchen. Hierbei wird erfindungsgemäß eine monokristalline Masse erhalten, die karottenförmige Gestalt besitzt und zur Herstellung optischer Systeme geeignet ist.

Strontiumtitanat als solches ist bekannt, und man hat schon gesintertes Strontiumtitanat hergestellt, das eine multikristalline Masse darstellt, deren Kristalle mikroskopisch kleine Abmessungen besitzen. Das Strontiumtitanat in dieser bekannten Form ist für optische Systeme nicht verwendbar, da hier vielmehr monokristalline Körper entsprechender Größe und entsprechender Eigenschaften gefordert werden. Das erfinderische Verdienst der Erfinderin besteht darin, erkannt zu haben, daß sich durch Zusammenschmelzen von Strontiumtitanat-Teilchen monokristalline Körper erzielen lassen, die für optische Zwecke verwendet werden können und besonders günstige Eigenschäften aufweisen.

Die erfindungsgemäße monokristalline Masse ist auch nicht als für den Durchschnittsfachmann naheliegend anzusehen auf Grund der Tatsache, daß es bereits bekannt ist, Rutil-Einkristalle durch Schmelzen von Titandioxyd nach dem Verneuilschen Verfahren zu erhalten. Rutil ist ein Oxyd eines einzigen Metalls, während Strontiumtitanat als eine Verbindung zweier Metalloxyde angesehen werden kann. Die Flüchtigkeiten des Strontiumtitanats einerseits und des Titandioxyds andererseits sind außerdem derart voneinander verschieden, daß von dem Titandioxyd nicht auf das vermutliche Verhalten des Strontiumtitanats bei dem Schmelzen in der Flamme geschlossen werden kann.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen monokristallinen Masse, bei dem die Masse durch allmählichen Aufbau unter fortlaufender Schmelzung des feinverteilten Ausgangsmaterials in einer Flamme gebildet wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß feinverteiltes Strontiumtitanat einer Heizquelle mit geeigneter Temperatur, vorzugsweise einem Sauerstoff-Wasserstoff-Gebläse, derart zugeführt wird, daß zunächst zur Bildung der Kristall-Endfläche eine entsprechend geringe Menge Strontiumtitanat geschmolzen wird, auf der unter allmählicher Vergrößerung der am Sauerstoff-Wasserstoff-Gebläse zugeführten Strontiumtitanatmengen ein karottenförmiger Einkristall mit wachsendem Durchmesser aufgebaut wird, und daß der Einkristall bei ge-' eigneter Temperatur, beispielsweise 700⁰ C, eine ausreichende Zeit, beispielsweise 14 Stunden, an der Luft ausgeglüht und dann langsam, beispielsweise 4 Stunden lang, gekühlt wird zwecks Bildung eines farblosen, klaren und transparenten Kristalls. Um eine monokristalline Masse durch Zusammenschmelzen von Strontiumtitanat-Teilchen zu erhalten, ist es erforderlich, hohe Temperaturen zu verwenden. Strontiumtitanat schmilzt in der Nähe von 2100⁰ C, und daher wird zweckmäßigerweise ein Sauerstoff-Wasserstoff-Gebläse zur Erzielung der erforderlichen Temperaturen benutzt. Es ist zweckmäßig, feinverteilte Strontiumtitanat-Teilchen allmählich dem von dem Sauerstoff-Wasserstoff-Gebläse gebildeten Bereich intensiver Hitze zuzuführen. Das Strontiumtitanat schmilzt innerhalb dieses intensiven Hitzebereiches und baut sich bei sorgfältiger Kühlung zu einem Einkristall auf einer Endfläche auf, die das geschmolzene Strontiumtitanat umfaßt. Es ist an sich allgemein bekannt, einen Körper dadurch allmählich aufzubauen, daß das feinverteilte Ausgangsmaterial fortlaufend in einer Flamme geschmolzen wird, indem es auf eine gebildete Grundfläche fortlaufend aufgebracht wird. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Einkristalle bietet dieses Verfahren besondere Vorteile. Um die Bildung eines solchen Einkristalls einzuleiten, ist es zweckmäßig, zunächst eine kleine Menge Strontiumtitanat auf der Endfläche zu kristallisieren und dann allmählich die Menge des geschmolzenen Materials auf dem Ende des so gebildeten Kristalls zu erhöhen. Diese Methode gestattet es, einen Kristall allmählich aus einem Pulver der gleichen Zusammensetzung aufzubauen, wobei ein karottenförmiger Einkristall aus Strontiumtitanat mit am Anfang wachsendem Durchmesser entsteht. Durch Bemessung der Mündungen des Sauerstoff-Wasserstoff-Gebläses ist es möglich, die Fläche des Bereiches intensiver Hitze zu vergrößern, wodurch sich eine Vergrößerung des Durchmessers des karottenförmigen Kristalls erreichen läßt.

An sich kann jedes brennbare Gas und jede geeignete Vorrichtung Verwendet werden, sofern sich die erforderliche Temperatur in einem konzentrierten Bereich erreichen läßt, in dem der Kristall gebildet wird.

Als Strontiumtitanat kann sowohl reines als auch praktisch reines Material benutzt werden, wobei das letztere Verunreinigungen oder Färbeoder Modifizierungsmittel enthält, die entweder in dem Material selbst vorhanden sind oder ihm zugesetzt sein können und ihrer Natur und Menge nach derart beschaffen sind, daß sie die monokristalline Struktur des Strontiumtitanats nicht

beeinflussen können. In den meisten Fällen übersteigt der Anteil der Verunreinigungen oder Modifizierungsmittel nicht den Betrag von einigen Zehntelprozent, ist jedoch nicht höher als i°/o.
Als Ausgangsmaterial wird zweckmäßigerweise feinverteiltes und in der Korngröße völlig gleichmäßiges Strontiumtitanat benutzt, das frei von ungeeigneten und unverträglichen Verunreinigungen ist, die die Kristallstruktur nachteilig beeinflüssen können. Solches Material läßt sich bequem darstellen, indem zunächst Titanoxalat mit Strontiumchlorid zwecks Ausfällung von Strontiumtitanoxalat zur Reaktion gebracht wird. Nach gründlichem Waschen des Strontiumtitanoxalates wird dieses auf eine Temperatur von wenigstens 500⁰ C erhitzt zwecks Austreibung des Oxalatanteiles und Bildung von Strontiumtitanat. Das Strontiumtitanat wird dann gebrochen und zu einem feinverteilten Material vermählen, aus dem der Einkristall dann hergestellt wird.

Bei Verwendung eines Sauerstoff-Wasserstoff-Gebläses mit einem gesamten Gasverbrauch an Sauerstoff und Wasserstoff von 35 l/Min, wird eine karottenförmige monokristalline Masse aus Strontiumtitanat von 20 mm Länge und 13 mm Durchmesser in einer Zeit von 4V2 Stunden gebildet. Diese Masse war praktisch schwarz gefärbt. Nach einem Ausglühen in Gegenwart von Luft bei einer Temperatur von 700⁰ C in einer Zeit von 14 Stunden und bei einer anschließenden 4stündigen Kühlung erhielt die Masse ein klares, praktisch farbloses und transparentes Aussehen. Diese transparente, karottenförmige, monokristalline Masse kann zu vielen, für optische Zwecke brauchbaren Körpern umgeformt werden; so kann die Masse beispielsweise in Rohlinge zur Herstellung von Linsen, Prismen oder anderen optischen Gegenständen geschnitten werden. Die Masse kann auch in verschiedene Formen und Größen zerlegt werden zur Herstellung vieler anderer Artikel, beispielsweise von Schmuckgegenständen, Schmucksteinen u. dgl., die in ihrer Wirkung und in ihrer Verwendbarkeit abhängig sind von einem hohen Brechungswert.

Um die optischen Eigenschaften des Einkristalls aus Strontiumtitanat näher zu beschreiben, wurde eine doppelseitig konvexe Linse aus dem Querschnitt des Kristalls geschnitten. Die Linse besaß einen Krümmungsradius von 2 cm, einen Durchmesser von 8,7 mm und eine Stärke von 2,5 mm.

Die Linse besaß eine Brennweite von 7 mm und eine Vergrößerung von 143 Dioptrien. Der Brechungswert n_D betrug 2,409 und der v-Wert 13.

Zu Vergleichszwecken wurde eine Linse gleicher Größe und Form aus dichtem Flintglas geschnitten. Die Linse besaß einen Brechungswert von 1,9 und eine Brennweite von 1,14 cm und eine Vergrößerung von 87,6 Dioptrien.

Die Abbesche Zahl ν betrug ungefähr 28.

Die Figur zeigt als Vergleich zwischen Krönglas, Flintglas und monokristallinem Strontiumtitanat die beiden Gläser und das Strontiumtitanat-Kristall hinsichtlich ihrer Brechungswerte n_D und ihrer Abbeschen Zahl v. Es zeigt sich klar, daß der Einkristall aus Strontiumtitanat einen Brechungswert und eine Farbenzerstreuung besitzt, die wesentlich verschieden ist von den Größenbereichen für Krön- und Flintglas.

Der Brechungswert % des Strontiumtitanat-Kristalls liegt außerordentlich hoch, nämlich bei 2,4, während der r-Wert bei 13 liegt. Diese Werte schwanken in geringen Grenzen in Abhängigkeit von dem Ausgangsmaterial und den Herstellungsbedingungen.

Claims (8)

75 Patentansprüche:

1. Für optische Systeme geeignete monokristalline Masse mit hohem Brechungs wert, bestehend aus Strontiumtitanat, das durch Zusammenschmelzen von Strontiumtitanat-Teilchen erhalten ist.

2. Monokristalline Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zur Herstellung von optischen Systemen geeignete karottenförmige Gestalt besitzt.

3. Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Masse nach Anspruch 2, wobei die Masse durch allmählichen Aufbau unter fortlaufender Schmelzung des feinverteilten Ausgangsmaterials in einer Flamme gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß feinverteiltes Strontiumtitanat einer Heizquelle mit ge-

■ eigneter Temperatur, vorzugsweise einem Sauerstoff-Wasserstoff-Gebläse, derart zügeführt wird, daß zunächst zur Bildung der Kristall-Endfläche eine entsprechend geringe Menge Strontiumtitanat geschmolzen wird, auf der unter allmählicher Vergrößerung der am Sauerstoff-Wasserstoff-Gebläse zugeführten Strontiumtitanatmengen ein karottenförmiger Einkristall mit wachsendem Durchmesser aufgebaut wird, und daß der Einkristall bei geeigneter Temperatur, beispielsweise 700⁰ C, eine ausreichende Zeit, beispielsweise 14 Stunden, an der Luft ausgeglüht und dann langsam, beispielsweise 4 Stunden lang, gekühlt wird zwecks Bildung eines farblosen, klaren und transparenten Kristalls.

110

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 303588, 379245; »Enzyklopädie der technischen Chemie« von Ulimann, 2. Auflage, 1929, 4. Band, S. 127S₁;

»Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie«,

8. Auflage, Bd. 41, S. 228/229 ^und 433/434·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

I 909 722/3» 2.60