DE3431215A1 - Optisches glas mit hohem brechungsindex und geringer dispersion - Google Patents

Optisches glas mit hohem brechungsindex und geringer dispersion

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DE3431215A1 DE19843431215 DE3431215A DE3431215A1 DE 3431215 A1 DE3431215 A1 DE 3431215A1 DE 19843431215 DE19843431215 DE 19843431215 DE 3431215 A DE3431215 A DE 3431215A DE 3431215 A1 DE3431215 A1 DE 3431215A1
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • (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.
  • 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.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wurden erfindungsgemäss zahlreiche Untersuchungen an optischen Gläsern aus dem Sechskomponentensystem SiO - B203 - La203 - Yb203 - Nb 203 - Ta205 durceführt.
  • Dabei wurde festgestellt, dass die nachstehend angegebene Zusammensetzung besonders günstig ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Liegt der Gehalt an La203 unter 30 Prozent, so ist es unmöglich, den gewünschten hohen Brechungsindex zu erreichen.
  • Liegt der Gehalt über 60 Prozent, so erweist sich das Glas instabil gegenüber Entglasung.
  • 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.
  • Wenn der Nb205-Gehalt unter 1 Prozent oder über 20 Prozent liegt, so wird die Stabilität gegenüber Entglasung verringert.
  • Die Farbe des Glasprodukts wird gelbbraun, wenn der Gehalt an dieser Komponente über 20 Prozent liegt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine geringe Menge an anderen Substanzen kann zu der erfindungsgemässen Glaszusammensetzung zugegeben werden, wenn dadurch die Ziele der Erfindung nicht beeinträchtigt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. Patentansprüche 1. Optisches Glas mit hohem Brechungsindex und geringer Dispersion, gekennzeichnet durch einen Brechungsindex #d im Bereich von 1,80 bis 1,92 und eine Abbe-Zahl #d im Bereich von 33 bis 50 sowie durch folgende, auf das Gewicht bezogene Zusammensetzung SiO2 2 # 9,5% B203 10 # 17% mit der Massgabe SiO2/B2O3 # 0,8 La2O3 30 # 60% Yb2O3 1 # 25% Nb2O5 1 # 20% Ta2O5 1 # 31% Y2O3 0 # 20% TiO2 0 # 10% ZrO2 0 # 10% PbO 0 # 8% ZnO 0 # 5% Al2O3 0 # 5% F O % 3% 2. Optisches Glas nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Brechungsindex #d im Bereich von 1,80 bis 1,86 und eine Abbé-Zahl #d im Bereich von 40 bis 50, sowie durch folgende auf das Gewicht bezogene Zusammensetzung: SiO2 4 # 9,5% B2O3 12 # 17% mit der Massgabe SiO2/B2O3 # 0,8 La2O3 30 # 50% Yb2O3 1 ~ 25% Nb205 1 5% Ta2O5 1 # 26% Y2O3 0 # 20% TiO2 0 # 10% ZrO2 0 # 10% PbO 0 # 8% ZnO 0 % 5% Al2O3 0 # 5% F 0 # 3% 3. Optisches Glas nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Brechungsindex #d im Bereich von 1,85 bis 1,92 und eine Abbézahl fd im Bereich von 33 bis 46 sowie durch folgende, auf das Gewicht bezogene Zusammensetzung SiO2 2 # 6,5% B2O3 10 # 16,5% mit der Massgabe SiO2/B2O3 # 0,8 La2O3 40 # 60% Y2O3 1 # 25% Nb2O5 2 # 10% Ta2O5 10 # 31% y203 0 # 20% TiO2 0 # 10% ZrO2 0 # 10% PbO2 0 # 8% ZnO O # 5% Al2O3 0 # 5% F O # 3%
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