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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Glaszusammensetzung geeignet für die Herstellung eines optischen
Elements mit Indexverteilung, das einen Brechungsindex aufweist,
der in Radialrichtung verteilt ist durch ein thermisches Interdiffusionsverfahren
unter Verwendung eines Doppeltiegels, und ein optisches Element mit
Indexverteilung, das mittels dieser Glaszusammensetzung hergestellt
wird.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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Ein optisches Element mit Indexverteilung,
das eine parabolisch ungleichmäßige Brechungsindexverteilung über seinen
Querschnitt aufweist, ist häufig
z. B. für
optische Köpfe
in einer Kopiermaschine, einem optischen Drucker, einem Fernkopiergerät und ähnlichem,
verwendet worden, da das optische Element mit Indexverteilung einen
Mechanismus zum Bildaufbau gleich einer sphärischen Linse aufweist, sogar
wenn die Stirnfläche
des Elements flach ist, und Vorteile wie die Möglichkeit zum Herstellen einer
Linse mit einem kleineren Durchmesser und einer kürzeren Brennpunktlänge aufweist.
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Gewöhnlich hat es drei Arten von
Glas gegeben, und zwar Thalliumglas, Cäsiumglas und Lithiumglas, die
als Glasmaterialien für
ein optisches Element mit Indexverteilung (z. B. eine Stablinse)
verwendet worden sind, das durch Faserbildung und nachfolgenden
Ionenaustausch in Salzschmelze hergestellt wird.
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Thalliumglas ermöglicht, dass eine Stablinse
mit Indexverteilung aufgrund ihrer großen elektronischen Polarisation
einen sehr großen
Akzeptanzwinkel aufweist, wobei andererseits ein Farbfehler der
aus Thalliumglas hergestellten Stablinse so groß wird, dass eine solche Stablinse
nicht für
Farboptiksysteme verwendet werden kann.
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Im Gegensatz zu Thalliumglas kann
Cäsiumglas
einen Farbfehler der Stablinse durch das Material verkleinern, jedoch
kann eine solche Stablinse nur einen kleinen Unterschied der Brechungsindizes
aufweisen, da das Glas unmöglich
eine größere Menge
an Cäsium
enthalten kann. Darüber
hinaus ist die Schmelztemperatur von Cäsiumglas ziemlich hoch. Des
weiteren weist Cäsiumglas
wirtschaftliche Nachteile in Form von sehr hohen Kosten auf.
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Im Unterschied zu diesen Thallium-
und Cäsiumgläsern ermöglicht Lithiumglas
einer daraus hergestellten Stablinse einen geeigneten Unterschied
der Brechungsindizes und einen ziemlich kleinen Farbfehler, womit
es ein sehr brauchbares Glas für
Hochleistungsstablinsen mit Indexverteilung darstellt, was die optischen
Eigenschaften betrifft. Auch die Schmelztemperatur von Lithiumglas
ist für
die Faserbildung geeignet. Das Lithiumglas neigt jedoch zum Entglasen,
so dass Vorsicht geboten ist, was den Faserbildungsschritt betrifft.
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Bezüglich dem Verfahren zum Formen
einer Grundglasfaser für
die Stablinse mit Indexverteilung, bei dem die Entglasung von Glas
verhindert wird, schlägt
die Japanische Patentschrift Nr. 5-72337 ein Verfahren vor, bei
dem die Außenfläche eines
stark entglasenden Lithiumglaskerns von einem schwach entglasenden Glas
umhüllt
wird. Gemäß diesem
Verfahren wird eine Brechungsindexverteilung für die Grundglasfaser durch einen
Ionenaustauschvorgang anschließend
an die Faserbildungs- und Schneidvorgänge geschaffen.
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Die Zusammensetzungen für Lithiumglas
sind zum Beispiel in den folgenden Entgegenhaltungen bekannt.
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Japanische Patentschrift Nr. 63-64941
offenbart die Glaszu sammensetzung, die durch Ionenaustausch zum
Schaffen einer Brechungsindexverteilung geeignet ist, d. h. die
Glaszusammensetzung, bei der SiO2, TiO2 und MgO als Hauptbestandteile und Li2O und Na2O als basische
Bestandteile gemischt werden, wobei die Maximalkonzentration von
Li2O 15 Mol% beträgt.
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Die Japanische Patentschrift Nr.
59-49134 offenbart die Glaszusammensetzung, die SiO2,
TiO2, MgO + PbO, Li2O
und Na2O als Hauptbestandteile umfasst,
wobei die Maximalkonzentration von Li2O
18 Mol% beträgt.
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Die Entgegenhaltung „Soviet
J. Glass Phy. & Chem.
1979, vol. 5, p207" offenbart die Kombination von Alkaliionen als
Beitrag zu einem großen
Unterschied der Brechungsindizes, sowie dass die Kombination von Lithium-
und Natrium wünschenswert
ist. Diese Entgegenhaltung erörtert
des weiteren die Entglasung und die chemische Haltbarkeit (oder
Lebensdauer) von Lithiumglas, und zeigt, die Glaszusammensetzung,
die 40 Mol% SiO2, 20 Mol% B2O3, 6,5 Mol% Al2O3, 25 Mol% Li2O,
5 Mol% Na2O und 3,5 Mol% ZrO2 umfasst.
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Die folgenden Entgegenhaltungen offenbaren
die Glaszusammensetzungen, die eine große Menge an Lithium enthalten.
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Die Entgegenhaltung „J. Am.
Ceram. Soc., 1969, vol. 52, p169" offenbart die Glaszusammensetzung, die
75 Mol% SiO2 und 25 Mol% Li2O
umfasst, und die Glaszusammensetzung, in der ein Teil des Li2O dieser Zusammensetzung durch Na2O, K2O oder Cs2O ersetzt ist.
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Die Entgegenhaltung „J. Am.
Ceram. Soc., 1972, vol55, p254" offenbart die Glaszusammensetzung, die
50,0 Mol% SiO2, 25,0 Mol% Al2O3 und 25 Mol% Li2O
umfasst.
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Die Entgegenhaltung „J.Non-Crystalline
Solids, 1980, vol38, p705" offenbart die Glaszusammensetzung, die
74 Mol% SiO2, 25 Mol% Li2O
und 1 Mol% P2O5 umfasst.
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Die Entgegenhaltung „ICG, 1980,
vol. 12, p385" offenbart die Glaszusammensetzungen, die 65,0 Mol%
SiO2, 4,5 Mol% B2O3, 12,5 Mol% Al2O3 und 18,0 Mol% Li2O;
bzw. 60,0 Mol% SiO2, 10,0 Mol% Al2O3 und 30,0 Mol%
Li2O umfassen.
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Die Entgegenhaltung „J.Material
Science, 1983, vol. 18, p1049" offenbart die Glaszusammensetzung, die
66,75 Mol% SiO2, 23,45 Mol% Li2O,
1,00 Mol% K2O, 8,00 Mol% ZnO und 0,80 Mol%
P2O5 umfasst.
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Die Entgegenhaltung „J. Am.
Ceram. Soc., 1984, vol. 67, p270" offenbart die Glaszusammensetzungen,
die 76,9 Mol% SiO2 und 23,1 Mol% Li2O; 71,4 Mol% SiO2 und
28,6 Mol% Li2O; 50 Mol% SiO2,
20 Mol% Al2O3 und
20 Mol% Li2O; 50 Mol% SiO2,
25 Mol% Al2O3 und
25 Mol% Li2O; 72,5 Mol% SiO2,
7,25 Mol% Al2O3 und
20, 25 Mol% Li2O; 69,4 Mol% SiO2,
6,95 Mol% Al2O3 und
23,65 Mol% Li2O; 66,7 Mol% SiO2,
6,65 Mol% Al2O3 und
26,65 Mol% Li2O; bzw. 64,1 Mol% SiO2, 6,4 Mol% Al2O3 und 29,5 Mol% Li2O
umfassen.
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Als Verfahren zum Herstellen einer
Stablinse mit Indexverteilung durch einen anderen Vorgang als Ionenaustausch
ist eine Anzahl von Verfahren bekannt, bei denen eine Brechungsindexverteilung
durch thermische Interdiffusion zwischen Kernglas und Ummantelungsglas
geschaffen wird, wobei ein Doppeltiegel verwendet wird (zum Beispiel
in den Japanischen Patentschriften 47-824, 47-26983, 49-48774 und
62-21737).
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Gemäß dem thermischen Interdiffusionsvorgang
unter Verwendung eines Doppeltiegels, der Doppelmantelstutzen aufweist,
werden zwei Arten von Glas für
Kern und Umhüllung
in den Doppeltiegel gegossen und darin erwärmt. Die dabei entstehenden
zwei Arten von Glasfluss werden aus den Doppelmantelstutzen des
Doppeltiegels gezogen. Der Glas fluss für den Kern aus dem inneren
Tiegel und der Glasfluss für
die Umhüllung
aus dem äußeren Tiegel
werden bei hoher Temperatur in Kontakt gebracht, um positive Ionen,
die Modifikationsoxid im Glas für
den Kern darstellen, mit positiven Ionen, die Modifikationsoxid
im Glas für
die Umhüllung
darstellen, auszutauschen. Als Ergebnis bildet sich eine Brechungsindexverteilung,
die in Radialrichtung der Grundglasfaser stufenlos variiert, in
einer Grundglasfaser des Kern-Umhüllungs-Typs. Stablinsen mit Indexverteilung
können
erlangt werden, indem die Grundglasfaser auf eine geeignete Länge zugeschnitten wird.
Folglich weist das Verfahren durch den thermischen Interdiffusionsvorgang
die Vorteile auf, dass die Stablinsen mit Indexverteilung kontinuierlich
in kurzer Zeit hergestellt werden können.
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Das Profil der Brechungsindexverteilung
der Stablinse mit Indexverteilung des Kern-Umhüllungs-Typs ist in 1 gezeigt, in der der obere
Abschnitt den Querschnitt der Stablinse darstellt, und der untere
Abschnitt die Brechungsindexverteilungskurve zeigt, in dem die Abszisse
ein Brechungsindex n und die Ordinate ein Abstand r von der Mitte
der Stablinse ist. In der Figur bezeichnet die Bezugsziffer 1 Kernglas
und die Bezugsziffer 2 Umhüllungsglas. Die Verteilungskurve 3 zeigt,
dass der Brechungsindex in einer Radialrichtung variiert, und dass
das Zentrum vom Kernglas 1 den maximalen Brechungsindex
n aufweist. Die Brechungsindexverteilung im Kernglas 1 zeigt
eine parabolische Kurve, während
die im Umhüllungsglas 2 eine
Verteilung außerhalb
der parabolischen Kurve zeigt.
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In dieser Beschreibung wird das Bilden
einer Brechungsindexverteilung durch thermische Interdiffusion von
Ionen zwischen zwei Arten hochviskoser Flüssigkeit in Kontakt als ein
thermischer Interdiffusionsvorgang bezeichnet, und das Bilden einer
Brechungsindexverteilung durch Ionenaustausch zwischen Festkörper und
Flüssigkeit
(d. h. Salzschmelze) wird als ein Ionenaustauschvorgang bezeichnet.
Bilden einer Brechungsindexverteilung durch Eintauchen eines Glasstabs
des Kern-Umhüllungs-Typs
in Salzschmelze wird ebenfalls als Ionenaustauschvorgang bezeichnet.
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Gemäß dem Verfahren, das in der
Japanischen Patentschrift Nr. 5-72337 beschrieben ist, muss die Dicke
eines schwach entglasenden Glases, das das Kernglas umhüllt, so
dünn wie
möglich
sein, um den Ionenaustausch zum Kernglas durchzuführen. Ist
die Dicke des schwach entglasenden Glases zu dick, um die Entglasung
des Kernglases zu unterdrücken,
kann die erhaltene Stablinse mit Indexverteilung keine guten optischen
Eigenschaften aufweisen. Ist die Dicke des schwach entglasenden
Glases zu dünn,
um den Ionenaustausch erfolgreich durchzuführen, kann es unmöglich sein,
die Entglasung von Glas zu verhindern. Darum beträgt die Konzentration
von Li2O im Glas bis zu 15 Mol% und der
Akzeptanzwinkel der erhaltenen Stablinse höchstens 15,3 Grad, wenn sich
die Grundglasfaser bildet, während
die Außenfläche des
hoch entglasenden Lithiumglases mit dem schwach entglasenden Glas
umhüllt
ist.
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Es ist anzumerken, dass der Akzeptanzwinkel,
wie in 2 gezeigt, der
zulässige
Maximalauffallwinkel ΘMAX eines Lichtstrahls 6 in Bezug
auf die Mittelachse 5 der Stablinse mit Indexverteilung 4 ist,
wobei sinΘmax = √A·n0·r0, wobei √A eine Beugungsindexverteilungskonstante,
n0 ein Brechungsindex auf der Mittelachse
und r0 ein Radius des Abschnitts ist, der
als eine Linse verwendet werden kann.
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Das Verfahren zum Herstellen einer
Stablinse mit Indexverteilung unter Verwendung eines Ionenaustauschvorgangs
weist die Schwierigkeit auf, dass es lange dauert, die Stablinse
herzustellen, da eine Grundglasfaser gebildet und dann auf eine
geeignete Länge
abgeschnitten wird, und dann die geschnittene Grundglasfaser einem
Ionenaustauschvorgang ausgesetzt wird. Des weiteren ist der Ionenaustauschvorgang
eine Chargenverarbeitung, wodurch die Länge der Stablinse, die hergestellt
werden soll, beschränkt
ist.
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Im Gegensatz dazu kann beim Verfahren
zum Herstellen einer Stablinse mit Indexverteilung unter Verwendung
eines thermischen Interdiffusionsvorgangs ein Doppeltiegel verwendet
werden, so dass die kontinuierliche Faserbildung unter der Bedingung
möglich
ist, dass die Glasmaterialien für
Kern und Umhüllung
kontinuierlich zugeführt
werden, wodurch die Länge
der herzustellenden Stablinse nicht beschränkt ist. Demgemäß kann nicht
nur eine Stablinse mit Indexverteilung, sondern auch eine lange
Faser mit Indexverteilung hergestellt werden.
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Der thermische Interdiffusionsvorgang
ist eine weitgehend bekannte Technik, und dieser Vorgang ist häufig bei
Thalliumglas angewendet worden. Es gab jedoch wenige Fälle, in
denen Lithiumglas mit Hilfe des thermischen Interdiffusionsvorgangs
fasergeformt wurde. Obwohl den Erfindern dieser Patentanmeldung
die Stablinsen mit Indexverteilung, die in der Japanischen Patentschrift
Nr. 52-121333 und 52-124013
beschrieben sind, bekannt gewesen sind, ist die Li2O-Konzentration
im Glas in jeder Stablinse, die in diesen Patentschriften offenbart
ist, kleiner oder gleich 11,3 Mol%, wodurch sich ein kleiner Akzeptanzwinkel
ergibt.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist eine Glaszusammensetzung bereitzustellen, die geeignet ist für einen
Kern-Umhüllungs-Aufbau,
der für
ein optisches Element mit Indexverteilung verwendet wird, das einen
geringen Farbfehler und einen großen Akzeptanzwinkel aufweist.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist das Bereitstellen eines optischen Elements mit Indexverteilung,
das aus der Glaszusammensetzung hergestellt ist.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens zum Herstellen
eines optischen Elements mit Indexverteilung unter Verwendung der
Glaszusammensetzung.
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Die vorliegende Erfindung stellt
Glaszusammensetzungen für
ein optisches Element mit Indexverteilung des Kern-Umhüllungs-Typs
bereit, das durch einen thermischen Interdiffusionsvorgang unter
Verwendung eines Doppeltiegels hergestellt wird. Die Glaszusammensetzungen
umfassen eine Glaszusammensetzung für den Kern, die 18 Mol% < Li2O ≤ 30 Mol%,
0 Mol% ≤ Na2O ≤ 12
Mol%, 0 Mol% ≤ PbO ≤ 5 Mol%, 8
Mol% ≤ MgO ≤ 18 Mol%,
0,5 Mol% ≤ BaO ≤ 5 Mol%, 1
Mol% ≤ TiO2 ≤ 10
Mol% und 40 Mol% ≤ SiO2 ≤ 65
Mol% als Hauptbestandteile enthält,
wobei 18 Mol% < (Li2O + Na2O) ≤ 30 Mol%,
50 Mol% ≤ (SiO2 + TiO2) ≤ 66 Mol% und
8 Mol% ≤ (MgO
+ PbO) ≤ 22
Mol% gilt; und umfassen eine Glaszusammensetzung für die Umhüllung, die
18 Mol% < R2O ≤ 30
Mol% (R2O = Na2O
+ K2O), 0 Mol% ≤ PbO ≤ 5 Mol%, 8 Mol% ≤ MgO ≤ 18 Mol%,
0,5 Mol% ≤ BaO ≤ 5 Mol%, 1
Mol% ≤ TiO2 ≤ 10
Mol% und 40 Mol% ≤ SiO2 ≤ 65
Mol% als Hauptbestandteile enthält, wobei
50 Mol% ≤ (SiO2 + TiO2) ≤ 66 Mol% und
8 Mol% ≤ (MgO
+ PbO) ≤ 22
Mol% gilt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
kann die Konzentration von Li2O für Kernglas
so hoch sein, dass sie im Bereich von 18 Mol% < Li2O ≤ 30 Mol% liegt,
so dass es möglich
ist, eine Stablinse mit Indexverteilung herzustellen, die einen
großen
Akzeptanzwinkel von bis zu 25,3 Grad aufweist. Die mit einem thermischen
Interdiffusionsvorgang unter Verwendung eines Doppeltiegels hergestellte
Stablinse mit Indexverteilung weist Kernglas und Umhüllungsglas
auf, das das Kernglas konzentrisch umhüllt. Diese Stablinse weist
denselben Aufbau auf, wie die Stablinse, die in der Japanischen
Patentschrift Nr. 5-72337 beschrieben ist. Gemäß dem thermischen Interdiffusionsvorgang,
der sich vom Ionenaustauschvorgang unterscheidet, ist die Dicke
des Umhüllungsglases
während
dem Vorgang nicht beschränkt.
Folglich wird es möglich,
die Stablinse mit Indexverteilung herzustellen, die eine Kernglaszusammensetzung,
die Li2O (neigt zum Entglasen) im Ausmaß von 18
Mol% < Li2O ≤ 30
Mol% enthält,
aufweist, indem die Dicke des Umhüllungsglases abhängig von
der Entglasung des Glases kontrolliert wird.
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Gemäß dem Ionenaustauschvorgang,
sind die optischen Eigenschaften der Stablinse mit Indexverteilung
(siehe Japanische Patent-Auslegeschrift Nr. 63-64941) beeinträchtigt,
wenn das Verhältnis
der Konzentration von Li2O zu der von Na2O keine besonderen Werte, z. B. von 1,2
bis 1,6 aufweist. Im Gegensatz dazu hat man herausgefunden, dass
eine Stablinse mit Indexverteilung des Kern-Umhüllungs-Typs der vorliegenden
Erfindung gute optische Eigenschaften aufweisen kann, sogar wenn
das Verhältnis
der Li2O-Konzentration zur Na2O-Konzentration
im Kernglas nicht im Bereich der genannten besonderen Werte liegt.
Man hat des weiteren herausgefunden, dass es wünschenswert ist, wenn Na2O im Kernglas enthalten ist, obwohl die
Qualität der
Stablinse in einem bestimmten Ausmaß auch erhalten werden kann,
so lange die von der Stablinse abgebildeten Bilder bewertet werden,
sogar wenn gar kein Na2O im Kernglas enthalten
ist.
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Die Konzentration aller Alkalimetalle
(Li2O + Na2O + K2O) im Glas weist eine große Wirkung
auf die chemische Haltbarkeit des Glases auf. Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Li2O-Konzentration im Kernglas
unabhängig
von der Na2O-Konzentration kontrolliert werden, so
dass alle Alkalimetalle Lithium zugeordnet werden können, um
die Stablinse mit Indexverteilung herzustellen. In diesem Fall wird
vorzugsweise die Glaszusammensetzung, die Li2O
im Bereich von 18 Mol% < Li2O ≤ 30
Mol% enthält,
als Kernglas verwendet.
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Wenn die Li2O-Konzentration
des Kernglases kleiner oder gleich 18 Mol% ist, wird der Akzeptanzwinkel
der Stablinse groß,
und wenn die Li2O-Konzentration größer als
30 Mol% ist, ist die Entglasung des Glases zu groß, um eine
Faser zu bilden, sogar wenn thermische Interdiffusion durch einen Doppeltiegel
verwendet wird. Es ist darum wünschenswert,
dass die Li2O-Konzentration 18 Mol% < Li2O ≤ 30 Mol%,
noch besser 18 Mol% < Li2O ≤ 25
Mol%, oder sogar 20 Mol% < Li2O ≤ 25
Mol% beträgt.
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Die Konzentration aller Alkalimetalle
ist vorzugsweise kleiner oder gleich 30 Mol% angesichts der chemischen
Haltbarkeit des Kernglases. Folglich beträgt die Na2O-Konzentration ≤ 12 Mol%,
noch besser ≤ 10 Mol%,
oder sogar 3 Mol% ≤ Na2O ≤ 7
Mol%.
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Es ist daher nicht notwendig, dass
das Verhältnis
der Na2O-Konzentration
zur Li2O-Konzentration auf die Werte von
1,2 bis 1,6 beschränkt
ist, wie in der Japanischen Patentschrift Nr. 59-41934 beschrieben.
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SiO2 ist
ein Hauptbestandteil, der die Netzstruktur von Glas darstellt. Wenn
die SiO2-Konzentration kleiner als 40 Mol%
beträgt,
sind die Entglasung und die chemische Haltbarkeit des Glases übermäßig beeinträchtigt.
Wenn die SiO-2 Konzentration andererseits mehr als 65
Mol% beträgt,
ist der Gehalt an Modifikationsoxid zum Bilden einer Brechungsindexverteilung
eingeschränkt
und der Unterschied der Brechungsindizes der Stablinse wird klein.
Als Ergebnis davon kann keine Stablinse mit Indexverteilung erreicht
werden, die für praktische
Verwendung geeignet ist, und manchmal macht das sich ergebende Ansteigen
der Schmelztemperatur die Faserbildung des Glases schwierig. Demgemäß beträgt die SiO2-Konzentration vorzugsweise 40 Mol% ≤ SiO2 ≤ 65
Mol%, oder noch besser 50 Mol% < SiO2 ≤ 60
Mol%.
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TiO2 ist
ein Hauptbestandteil zum Bilden einer geeigneten Brechungsindexverteilung
und ist ein wesentlicher Bestandteil der Glaszusammensetzung gemäß der vorliegenden
Erfindung. Es ist wünschenswert, dass
der Gehalt an TiO2 so gut wie möglich an
den Gehalt an Li2O und anderen Bestandteilen
angepasst ist. Wenn die TiO2-Konzentration
jedoch weniger als 1 Mol% beträgt,
ist seine Auswirkung auf die Bildung einer Brechungsindexverteilung
nicht ausreichend, und wenn sie mehr als 10 Mol% beträgt, wird
die Entglasung des Glases so stark, dass die Faserbildung schwierig
wird. Besonders da die Glaszusammensetzung der vorliegenden Erfindung
eine große
Menge an Li2O enthält, wird die Entglasung des
Glases leicht hervorgerufen.
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Obwohl TiO2 ein
wesentlicher Bestandteil ist, ist es demgemäß angesichts der Entglasung
des Glases wünschenswert,
den Gehalt an TiO2 zu beschränken auf
den Bereich, in dem ein geeigneter Brechungsindex gebildet wird.
Folglich beträgt
die TiO2-Konzentration vorzugsweise 1 Mol% ≤ TiO2 ≤ 10
Mol%, noch besser 2 Mol% ≤ TiO2 ≤ 7
Mol%, oder sogar 3 Mol% ≤ TiO2 ≤ 6
Mol%.
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Gemäß der Glaszusammensetzung,
die in der Japanischen Patentschrift Nr. 59-41934 beschrieben ist,
wird die Brechungsindexverteilung durch den Ionenaustauschvorgang
geschaffen, so dass die TiO2-Konzentration
größer oder
gleich 2 Mol% betragen muss. Es ist auch beschrieben, dass die TiO2-Konzentration bis zu 16 Mol% betragen kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird die Brechungsindexverteilung durch den thermischen Interdiffusionsvorgang
geschaffen, so dass die Untergrenze der TiO2-Konzentration
1 Mol betragen kann, und die Obergrenze 10 Mol%.
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SiO2 + TiO2 sind Bestandteile zum Bilden der Glasvernetzung,
und ihr Gehalt beträgt
vorzugsweise 50 Mol% ≤ (SiO2 + TiO2) ≤ 66 Mol%.
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MgO und PbO sind als das Modifikationsoxid
für Glas
enthalten, und sind anderen RO-Oxiden überlegen angesichts der Vergrößerung des
Unterschieds zwischen dem Brechungsindex im Zentrum der Stablinse
und dem an deren Rand.
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Insbesondere MgO ist ein wichtiger
Bestandteil zum Bilden einer geeigneten Brechungsindexverteilung,
und ist somit ein wesentlicher Bestandteil in der Glaszusammensetzung
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Wenn die MgO-Konzentration kleiner oder gleich 8 Mol%
beträgt,
wird der Unterschied der Brechungsindizes klein, und wenn sie mehr
als 18 Mol% beträgt,
kann keine geeignete Brechungsindexverteilung erlangt werden.
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PbO ist kein wesentlicher Bestandteil,
ist jedoch der bessere Bestandteil angesichts der Verbesserung der
Entglasung des Glases ohne den Unterschied der Brechungsindizes
zu verkleinern. Die PbO-Konzentration kann im Bereich von 0 Mol ≤ PbO ≤ 5 Mol% liegen.
Ist die PbO-Konzentration größer als
5 Mol%, wird die chemische Haltbarkeit des Glases beeinträchtigt.
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Folglich liegt die Konzentration
von MgO+PbO vorzugsweise im Bereich von 8 Mol% ≤ (MgO + PbO) ≤ 22 Mol%, oder noch besser 10
Mol% ≤ (MgO
+ PbO) ≤ 20
Mol%.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
kann den Hauptbestandteilen zumindest ein Stabilisator aus der Gruppe
bestehend aus 0 Mol% ≤ ZrO2 ≤ 3
Mol%, 0 Mol% ≤ Sb2O3 ≤ 1 Mol%, 0
Mol% ≤ BPO4S4 Mol%, 0 Mol% ≤ ZnO ≤ 3 Mol%, 0
Mol% ≤ La2O3S3 Mol%,
0 Mol% ≤ Y2O3 ≤ 3 Mol%, 0
Mol% ≤ Al2O3 ≤ 3 Mol% und
0 Mol% ≤ As2O3 ≤ 1 Mol% zugefügt werden,
wobei die Hauptbestandteile insgesamt 100 Mol% ausmachen, ohne die Eigenschaften
der Stablinse mit Indexverteilung zu beeinträchtigen.
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Es ist wünschenswert, dass das Umhüllungsglas,
das zusammen mit dem Kernglas verwendet wird, abgesehen von den
Alkalimetallen dieselbe Zusammensetzung wie das Kernglas aufweist.
Das Umhüllungsglas
weist im Vergleich zum Kernglas eine hohe Widerstandsfähigkeit
gegen Entglasung auf, da das gesamte Li2O
durch R2O (Na2O
+ K2O) ersetzt ist. Des weiteren weist das
Umhüllungsglas
dieselbe Netzstruktur wie das Kernglas auf, so dass thermische Interdiffusion
dazu neigt, leicht ausgelöst
zu werden, was eine Brechungsindexverteilung entlang der idealen
parabolischen Kurve ergibt.
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Des weiteren weist das Umhüllungsglas
dieselbe Dichte auf, wie das Kernglas, da die Bestandteile des Umhüllungsglases
und des Kernglases im Wesentlichen dieselben sind. Es ist wichtig
für den
thermischen Interdiffusionsvorgang unter Verwendung eines Doppeltiegels,
dass die jeweiligen Dichten von Kernglas und Umhüllungsglas nahe beieinander
liegen. Das beruht auf der Tatsache, dass die Geschwindigkeiten
und Mengen an Kernglas und Umhüllungsglas,
die aus dem Doppeltiegel zu ziehen sind, verschieden sind, wenn
die Dichten rdes Kernglases und des Umhüllungsglases sehr verschieden
sind, so dass die Kontrolle der Faserbildung schwierig wird, die
thermische Interdiffusion nicht erfolgreich verläuft und keine Brechungsindexverteilung
entlang einer parabolischen Kurve erreicht werden kann.
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Gemäß dem thermischen Interdiffusionsvorgang
unter Verwendung eines Doppeltiegels vermischen sich Ionen zwischen
dem Kernglas und dem Umhüllungsglas
untereinander. Es ist daher wünschenswert,
dass die entsprechende Anzahl (Konzentration) von Alkaliionen im
Kernglas und im Umhüllungsglas
sehr ähnlich ist.
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Liegt die Anzahl von Alkaliionen
im Kernglas und im Umhüllungsglas übermäßig weit
auseinander, könnten
die gegenseitigen Ionen, die wechselseitig zu vermischen sind, nicht
vorhanden sein, so dass die thermische Interdiffusion nicht erfolgreich
abläuft.
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Folglich ist es wünschenswert, dass das Verhältnis der
Konzentration von (Li2O + Na2O),
das Alkaliionen im Kernglas enthält,
zur Konzentration von (Na2O + K2O),
das Alkaliionen in der Umhüllung
enthält,
im Bereich von 0,8–1,2
liegt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Man wird die oben genannten und andere
Aufgaben, Aspekte und Vorteile aus der folgenden detaillierten Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen besser verstehen.
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1 zeigt
eine Brechungsindexverteilungskurve einer Linse mit Indexverteilung.
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2 zeigt
einen Akzeptanzwinkel einer Linse mit Indexverteilung.
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3 zeigt
einen Doppeltiegel, der zum Herstellen einer Stablinse mit Indexverteilung
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
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4 zeigt
eine Balkengraphik, die eine Beziehung zwischen dem Gehalt an Li2O und einem Akzeptanzwinkel wiedergibt.
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5A und 5B zeigen eine Fotografie
einer Gitterstruktur, die von einer Stablinse der vorliegenden Erfindung
abgebildet ist, und eine nachgezogene Zeichnung eines Abschnitts
der Linse.
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BESCHREIBUNG
DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Im Folgenden wird die vorliegende
Erfindung gemäß den bevorzugten
Ausführungsformen
erklärt.
Es ist jedoch anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf
diese Ausführungsformen
beschränkt
ist.
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Zunächst ist ein thermischer Interdiffusionsvorgang
unter Bezugnahme auf 3,
die einen schematischen Querschnitt eines Faserbildungsofens 10,
der einen Doppeltiegel verwendet, besprochen.
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Ein Topfabschnitt weist eine Doppelkonstruktion
auf, die einen inneren Topf 11, der in der Mitte angeordnet
ist, und einen äußeren Topf 12,
der die Außenseite
des inneren Topfes kreisförmig
umgibt, umfasst. Ein Kernstutzen 13 und ein Umhüllungsstutzen 14,
der eine Doppelkonstruktion mit dem Stutzen 13 bildet,
erstrecken sich vom Boden des inneren Topfes 11, wobei
die Töpfe 11 und 12 aus
Platin hergestellt sind.
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Jeweils aus einer Glasbruchzuführung 20,
wird der Glasbruch für
das Kernglas in den inneren Topf 11 und der Glasbruch für das Umhüllungsglas
in den äußeren Topf 12 zugeführt, danach
werden diese Materialien in den Töpfen geschmolzen. Diese zwei
Arten von Glasfluss fließen
abwärts
und treffen an einer Verbindungsstelle 16 der Stutzen 13 und 14 zusammen,
wodurch eine Grundglasfaser mit Kern-Umhüllungs-Aufbau entsteht. Der Glasfluss in Topf 11 wird
vorzugsweise homogenisiert, indem er mit Hilfe eines Rührers 22 gerührt wird.
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Ersatzweise kann der Glasbruch auch
in anderen Schmelztöpfen
geschmolzen werden, und die damit erhaltenen zwei Arten von Glasfluss
für den
Kern und die Umhüllung
können
jeweils in die Töpfe
gefüllt
werden. Es ist des weiteren wünschenswert,
dass das Oberflächenniveau
des Glasflusses in jedem Topf konstant gehalten wird, um das Mengenverhältnis zwischen
Kern und Umhüllung
konstant zu halten.
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Während
das geschmolzene Kernglas und Umhüllungsglas durch einen Stutzen 15 fließen, der
ein Einzelstutzen ist, der vom äußeren Topf 12 ausgeht,
werden Al+-Ionen, die im Kernglas bzw. im
Umhüllungsglas
enthalten sind, untereinander thermisch interdiffundiert, wodurch
eine Brechungsionenverteilung im Glas entsteht.
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Der Abschnitt des Doppeltiegels 11, 12,
die Verbindungsstelle 16 und die Stutzen 13, 14, 15,
sind in einige Heiz bereiche 17 eingeteilt (sechs Bereiche
in 3). Durch Kontrollieren
der Temperaturen in den jeweiligen Heizbereichen 17, kann
die Interdiffusion von Al+-Ionen kontrolliert
werden.
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Die Temperaturbedingungen für die Heizbereiche 17 hängen von
der Zusammensetzung des verwendeten Glases ab, kontrollierte Temperaturen
reichen zum Beispiel von einer Flüssigkeitsphasentemperatur (ungefähr 1000°C) in den
Töpfen 11, 12 bis
zu einer Betriebstemperatur (ungefähr 600°C) an der Spitze des Stutzens 15.
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Das aus der Spitze des Stutzens 15 austretende
Glas, das die Heizbereiche 17 passiert, wird mit gleich
bleibender Geschwindigkeit mit Hilfe von Ziehwalzen (nicht gezeigt)
gezogen und wird durch eine Aufnahmewalze (nicht gezeigt) wieder
aufgewickelt. Ein Durchmessermesselement kann in der Linie bereitgestellt sein,
um den Durchmesser der gezogenen Glasfaser zu messen, um so die
Menge an Glasbruch oder Glasfluss zu steuern, die zugeführt werden
muss, sowie die Geschwindigkeit der Aufnahmewalze, so dass der Durchmesser
der gezogenen Glasfaser gleich bleibt.
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Stablinsen mit Indexverteilung mit
Kern-Umhüllungs-Aufbau
können
durch Schneiden der gezogenen Glasfaser hergestellt werden, das
heißt,
die Grundglasfaser ist auf die vorherbestimmte Länge abzuschneiden.
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Die gemessenen Ergebnisse für dadurch
erlangte Stablinsen (Muster) sind in den Tabellen 1–9 gezeigt,
die Glaszusammensetzungen, verschiedenen Eigenschaften der Glaszusammensetzung,
die Menge an hinzugefügtem
Stabilisator und den Akzeptanzwinkel umfassen.
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In Tabelle 1 sind Hauptbestandteile
des Glases für
Kern/Umhüllung,
das für
das Herstellen der Muster (1)–(4) verwendet worden
ist, gezeigt. Bei diesen Mustern variiert vor allem der Gehalt (Mol%)
an Li2O und Na2O,
wobei der Gesamtgehalt der Hauptbestandteile 100 Mol% beträgt.
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Die Menge der dem Glas für Kern/Umhüllung, das
zum Herstellen der Muster (1)–(4) verwendet worden
ist, hinzugefügten
Stabilisatoren ist in Tabelle 2 angegeben.
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Es ist anzumerken, dass der Gehalt
an Stabilisatoren in Mol% in Bezug auf die Gesamtsumme von 100 Mol%
der Hauptbestandteile angegeben ist.
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Tabelle 3 zeigt verschiedene Eigenschaften
des Kernglases und des Umhüllungsglases
für die
Muster (1)–(4).
In der Tabelle ist Nd ein Brechungsindex, D eine Dichte, Tg eine
Umwandlungstemperatur, At eine Glaserweichungstemperatur und α ein Ausdehnungskoeffizient.
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Die Tabellen 4 und 5 zeigen die Messergebnisse
für einen
Durchmesser (mm), ein Kernverhältnis
(%) und einen Akzeptanzwinkel (Grad) für mehrere Muster in Bezug auf
jedes der Muster (1)–(4),
wobei die Muster bei verschiedenen Faserbildungsbedingungen hergestellt
worden sind. Die hierin gemessenen Akzeptanzwinkel sind abhängig von
der Annahme, dass der Umhüllungsabschnitt
der Stablinse ebenfalls zur Konvergenz von Licht beiträgt, und
das gesamte Glas, also das Kernglas als auch das Umhüllungsglas,
eine Linse darstellt. Das Kernverhältnis ist das Verhältnis des
Radius des Kernabschnitts zu dem der Stablinse. Die Tabellen 4 und 5
zeigen, dass der maximal erreichte Akzeptanzwinkel 25,3 Grad beträgt (siehe
die Muster Nr. (3-10) in Tabelle 5).
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Tabelle 6 zeigt Hauptbestandteile
von Glas für
Kern/Umhüllung,
das für
Vergleichsmuster (5)–(8)
einer Stablinse mit Indexverteilung verwendet worden ist, um einen
Vergleich mit den Messergebnisse für die Akzeptanzwinkel, die
in Tabelle 4 und 5 angegeben sind, herzustellen.
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Zusätzlich zu Tabelle 6 zeigt Tabelle
7 die Menge an Stabilisatoren, die dem Kernglas und dem Umhüllungsglas,
das zum Herstellen der Vergleichsmuster (5)–(8)
verwendet worden ist, hinzugefügt
worden sind.
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Die Messergebnisse für einen
Durchmesser, ein Kernver hältnis
und einen Akzeptanzwinkel für
mehrere Muster aus den Vergleichsmustern (5)–(8)
sind in den Tabellen 8 und 9 angegeben.
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Gemäß Tabelle 9 ist ersichtlich,
dass das Vergleichsmuster Nr. 8, das 31 Mol% Li2O
in der Glaszusammensetzung für
den Kern enthält,
entglast ist. Man wird auch verstehen, dass ein Akzeptanzwinkel
nicht groß werden
kann, wenn der Gehalt an Li2O in der Glaszusammensetzung
für den
Kern kleiner oder gleich 18 Mol% ist.
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4 zeigt
die Balkengraphik, die eine Beziehung zwischen dem Gehalt an Li2O und einem Akzeptanzwinkel Θ darstellt.
Die Abszisse gibt den Gehalt (Mol%) an Li2O
an und die Ordinate den Akzeptanzwinkel Θ. Die Balken 1–4 zeigen
die Verteilungen der Akzeptanzwinkel für die Muster (1)-(4), und
die Balken 5–7 zeigen
die für
die Vergleichsmuster (5)–(7).
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Gemäß der Balkengraphik in 4 ist ersichtlich, dass
der Akzeptanzwinkel Θ sich
annähernd
proportional zum Gehalt an Li2O vergrößert. Die
Japanische Patentschrift Nr. 59-41934
offenbart, dass der Unterschied der Brechungsindizes nicht unbedingt
linear ansteigt, auch wenn der Gehalt (oder die Konzentration) an
Li2O zunimmt. Eine solche Tendenz tritt
jedoch in der Stablinse gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht auf, bei der die Brechungsindexverteilung durch
thermische Interdiffusion geschaffen ist.
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5A und 5B zeigen eine Fotografie
eines Bildes einer Gitterstruktur, das von einer Stablinse mit Indexverteilung
gemäß der vorliegenden
Erfindung gebildet ist, und eine nachgezogene Zeichnung eines Abschnitts
der Linse. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, dass die Gitterstruktur
im Kern abgesehen von der Umhüllung
klar abgebildet ist, wodurch eine Stablinse, die eine hohe Qualität aufweist,
erlangt werden kann.
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Während
die Ausführungsformen
gemäß Stablinsen
mit Indexverteilung erläutert
worden sind, ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung
auf Fasern mit Indexverteilung angewendet werden kann.
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Wie oben beschrieben, können gemäß der vorliegenden
Erfindung die Glaszusammensetzungen, die zum Herstellen des Kern-Umhüllungs-Typs
optischer Elemente mit Indexverteilung geeignet sind, bereitgestellt
werden. Des weiteren können
unter Verwendung dieser Glaszusammensetzungen Stablinsen oder Fasern
mit Indexverteilung, die einen kleinen Farbfehler, einen großen Akzeptanzwinkel
und eine gute Haltbarkeit aufweisen, hergestellt werden.
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Des weiteren ist es gemäß der Glaszusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, dass das Glas, wie
in der Japanischen Patentschrift Nr. 59-41934 beschrieben, eine
große
Menge an TiO2 enthält, was nützlich zum Vermeiden der Entglasung
von Glas ist.
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Obwohl die Erfindung in Form von
bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung
mit Abänderungen
im Sinn und im Schutzumfang der angehängten Ansprüche praktiziert werden kann.