DE102005020423B4

DE102005020423B4 - Blei- und arsenfreies optisches Lanthanboratglas und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102005020423B4
Application number: DE102005020423A
Authority: DE
Inventors: Simone Monika Dr. Ritter; Ute Wölfel; Stefanie Hansen
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2025-04-30
Also published as: FR2885127A1; CN1876589A; KR101298373B1; TW200702312A; KR20060113433A; US7638450B2; DE102005020423A1; JP4531718B2; US20060247119A1; JP2006306717A; TWI404690B; CN1876589B

Abstract

Blei- und arsenfreies optisches Glas mit einem Brechwert n_d von 1,75 ≤ n_d ≤ 1,83 und einer Abbe-Zahl ν_d von 34 ≤ ν_d ≤ 44, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas die folgende Zusammensetzung umfasst (in Gew.-% auf Oxidbasis): SiO₂ 0,5–8 B₂O₃ 10–25 ZnO 10–26 La₂O₃ 18–34 Ta₂O₅ > 15–25 Nb₂O₅ 0,5–15 Al₂O₃ 0–2 Li₂O 0,1–4 Na₂O 0–6 K₂O 0–8 Cs₂O 0–9 MgO 0–5 CaO 0–5 SrO 0–5 BaO 0–5 Y₂O₃ 0–10 TiO₂ 0–6 ZrO₂ 0–11 HfO₂ 0–6 Σ B₂O₃, ZnO 30–45 Σ Alkalioxide 0,1–10 Σ Erdalkalioxide 0–8 Σ Al₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, Erdalkalioxide 0–15 übliche Läutermittel 0–1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein blei-, und arsenfreies und vorzugsweise gadoliniumfreies und fluorfreies optisches Lanthanboratglas sowie die Verwendung eines solchen Glases für die Bereiche Abbildung, Projektion, Telekommunikation, optische Nachrichtentechnik, Mobile Drive und Lasertechnologie, optische Elemente bzw. Vorformen (so genannte „Preformen") solcher optischen Elemente.
In den letzten Jahren geht der Markttrend bei sowohl optischen als auch optoelektronischen Technologien (Applikationsbereiche Abbildung, Projektion, Telekommunikation, optische Nachrichtentechnik, Mobile Drive und Lasertechnologie) verstärkt in Richtung Miniaturisierung. Dies ist an den immer kleiner werdenden Endprodukten erkennbar und erfordert natürlich eine zunehmende Miniaturisierung der einzelnen Bauteile und Komponenten solcher Endprodukte. Für die Produzenten optischer Gläser ist diese Entwicklung trotz steigender Stückzahlen der Endprodukte mit einem deutlichen Absinken der nachgefragten Volumina an Rohglas verbunden. Gleichzeitig ergibt sich ein zunehmender Preisdruck von Seiten der Nachverarbeiter auf die Glashersteller, da bei der Herstellung solcher kleineren Komponenten aus Block- und/oder Barrenglas prozentual auf das Produkt bezogen deutlich mehr Ausschuss anfällt und die Bearbeitung solcher Kleinstteile einen höheren Aufwand als bei größeren Bauteilen erfordert.
Anstelle des bisher üblichen Heraustrennens von Glasportionen für optische Komponenten aus Block- oder Barrenglas, gewinnen daher in jüngerer Zeit Herstellungsverfahren an Bedeutung, bei welchen direkt im Anschluss an die Glasschmel ze möglichst endkonturnahe bzw. endgeometrienahe Preforms bzw. Vorformlinge wie z. B. Gobs oder Kugeln erhalten werden können. Beispielsweise steigen die Anfragen der Nachverarbeiter nach endgeometrienahen Vorformen für das Wiederverpressen, sogenannte „Precision Gobs". Unter „Precision Gobs" werden in der Regel vorzugsweise vollständig feuerpolierte, halbfrei- oder freigeformte Glasportionen verstanden, welche bereits portioniert sind und eine der Endform der optischen Komponente nahe Geometrie aufweisen.
Solche „Precision Gobs" können vorteilhafterweise auch durch das sogenannte (Präzisions-)Blankpressen (engl. „precise pressing" oder „precise molding") in optische Elemente wie Linsen, Asphären usw. umgewandelt werden. Eine weitere Bearbeitung der geometrischen Form oder der Oberfläche durch z. B. eine Oberflächenpolitur ist dann nicht mehr erforderlich. Durch dieses Verfahren kann den kleineren Glasschmelzvolumina (verteilt auf eine große Stückzahl kleiner Materialstücke) durch geringe Rüstzeiten flexibel entgegengekommen werden. Aufgrund der vergleichsweise geringeren Takt- bzw. Stückzahl und bei den in der Regel kleinen Geometrien kann die Wertschöpfung des Verfahrens jedoch nicht aus dem Materialwert alleine stammen. Die Produkte müssen die Presse daher in einem Zustand verlassen, der „fertig zum System-Einbau" ist, d. h. man muss auf eine aufwendige Nachrichtung, Kühlung und/oder Kaltnachverarbeitung verzichten können. Für ein solches Pressverfahren müssen aufgrund der hohen geforderten Geometriegenauigkeiten Präzisionsgeräte mit hochwertigen und somit teuren Formenmaterialien herangezogen werden. In die Rentabilität der hergestellten Produkte und/oder Materialien gehen dabei die Standzeiten solcher Formen massiv ein. Ein äußerst wichtiger Faktor für eine hohe Standzeit der Formen ist eine möglichst geringe Betriebstemperatur, welche jedoch nur soweit gesenkt werden kann, dass die Viskosität der zu verpressenden Materialien für den Pressvorgang noch ausreichend ist. Es ergibt sich also eine direkte Kausalitätskette zwischen der Verarbeitungstemperatur und damit der Transformationstemperatur Tg eines zu verarbeitenden Glases und der Rentabilität eines solchen Pressvorgangs: Je geringer die Transformationstemperatur des Glases ist, um so höher sind die Standzeiten der Formen und um so größer ist die Gewinnspanne. Aus diesem Zusammenhang ergibt sich das Erfordernis nach sogenannten „Low-Tg-Gläsern", also Gläsern mit geringen Schmelz- und Transformationspunkten, d. h. Gläsern, die bei möglichst geringen Temperaturen eine zur Verarbeitung ausreichende Viskosität aufweisen.
Als weiterer Wunsch aus Sicht der Verfahrenstechnik der Schmelze wird neuerdings verstärkt der Bedarf nach „kurzen" Gläsern gemeldet, also nach Gläsern, deren Viskosität stark mit einer relativ geringen Änderung der Temperatur in einem bestimmten Viskositätsbereich variiert. Dieses Verhalten hat im Schmelzprozess den Vorteil, dass die Heißformgebungszeiten, d. h. die Formschlusszeiten gesenkt werden können. Dadurch wird zum einen der Durchsatz erhöht, d. h. die Taktzeit reduziert. Zum anderen wird auch hierdurch das Formenmaterial geschont, was sich, wie vorstehend beschrieben, ebenfalls positiv auf die Gesamtproduktionskosten niederschlägt. Solche „kurzen" Gläser weisen den weiteren Vorteil auf, dass durch die schnellere Auskühlung als bei entsprechend längeren Gläsern auch Gläser mit stärkerer Kristallisationsneigung verarbeitet werden können. Eine Vorkeimung, welche in nachfolgenden Sekundärheißformgebungsschritten problematisch sein könnte, wird dadurch vermieden. Dies eröffnet die Möglichkeit, solche Gläser auch zu Fasern verziehen zu können.
Ferner ist es auch wünschenswert, dass die Gläser neben den genannten und den erforderlichen optischen Eigenschaften ausreichend chemisch resistent sind.
Im Stand der Technik werden zwar bereits Gläser mit ähnlicher optischer Lage oder vergleichbarer chemischer Zusammensetzung beschrieben, jedoch weisen diese Gläser erhebliche Nachteile auf. Insbesondere enthalten viele der Gläser größere Anteile an Gd₂O₃, das als Seltenerdoxid eine schwache Bande um 590 nm aufweist und somit die Reintransmission verschlechtert, und/oder Komponenten, die die Kristallisationsneigung erhöhen, wie z. B. TiO₂.
US20030211929 A1 betrifft ein optisches Glas für präzise Presslinge mit einem Tg unter 630°C. Letztere Eigenschaft wird durch eine sehr hohe B₂O₃-ZnO-Zugabe erreicht. Das Glas enthält zwingend Gd₂O₃ in einem Anteil von mindestens 5 Mol.%.
JP 2003201142 A beschreibt ein optisches Glas für präzise Presslinge mit ebenfalls niedrigem Tg. Auch hier wird diese Eigenschaft durch eine sehr hohe Zugabe an B₂O₃ und ZnO erreicht. Das Glas enthält zwingend Gd₂O₃ in einem Anteil von mindestens 6 Gew.-%.
US 20030191008 A1 umfasst ein optisches hoch brechendes Glas für die präzise Presstechnologie. Das Glas enthält sehr hohe Anteile Nb₂O₅ von mindestens 30 Gew.-%. Nb₂O₅ verschlechtert in so hohen Anteilen die Reintransmission des Glases.
JP 2003-238198 A beschreibt ein optisches Glas für präzise Presslinge mit einem niedigen Tg. Letztere Eigenschaft wird durch LiF und/oder ZnF-Zugabe, wobei Fluor als zwingende Komponente von mindestens 9 Gew.-% enthalten ist, erreicht. Fluor ist vor allem wegen der starken Verdampfung bzgl. eines stabilen Schmelz- und Fertigungsprozess von Nachteil.
JP 2003-300751 A beschreibt ein niedrig schmelzendes Glas für präzise Presslinge. Der niedrige Tg von 480 bis 580°C wird u. a. durch Zugabe von Bi₂O₃ erreicht. Bi₂O₃ ist zwingend enthalten und bringt eine Eigenfärbung ins Glas ein, was die Reintransmission des Glases verschlechtert.
JP 2002-173336 A beschreibt ein niedrig schmelzendes Phosphatglas mit einer hohen Dispersion bzw. niedrigeren Abbe-Zahl von 20–32.
DE 35 34 575 A1 betrifft ein Glas für Augenglaslinsen, welches zwingend eine Färbungskomponente umfasst. Lanthanoxid ist hier nur eine optionale Komponente.
DE 36 05 668 A1 betrifft ein optisches Tellurit-Glas, welches toxisches Telluroxid als eine zwingende Komponente umfasst.
DE 101 26 554 A1 beschreibt Borosilikatgläser mit sehr hohen Brechungsindizes.
Die Schriften EP 1 236 694 A1 , US 20030100433 A1 und US 20030211929 A1 beschreiben optische Gläser, die zwar blei- und fluorfrei sind, jedoch zwingend Gd₂O₃ enthalten.
JP 60-221338 A betrifft Gläser, die Lithiumoxid zwingend als eine Komponente beinhalten und bei welchen zumindest ein Teil eines Oxides durch Fluor ersetzt ist.
JP 62100449 A beschreibt ein optisches Glas mit einem hohen Brechungsindex. Durch die Zugabe von B₂O₃, La₂O₃, ZnO, Sb₂O₃ und Li₂O, die zwingend als Komponente im optischen Glas enthalten sind, können gute Eigenschaften, die für die Heißformgebung relevant sind, erzeugt werden. Allerdings enthält dieses optische Glas mindestens 2 Gew.-% des toxischen Läutermittels Sb₂O₃.
JP 56005345 A betrifft optische Gläser, die 5,5 bis 31 Gew.-% WO₃ zwingend als eine Komponente beinhalten, um sehr hohe Brechungsindizes und Abbe-Zahlen einstellen zu können. Desweiteren wird die notwendige chemische Haltbarkeit durch den Zusatz von SiO₂ und Erdalkalimetalloxiden erzeugt.
DE 2 257 635 A1 umfasst ein optisches Glas mit den Brechungsindizes n_d von 1,69 bis 1,84 und die Abbe-Zahl ν_d von 34 bis 51, das frei von den toxischen Kaliumoxid und Thoriumoxid ist. Außerdem enthalten die offenbarten Gläser in DE 2 257 635 A1 als Bestandteile keine Alkalimetalloxide.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Glas bereitzustellen, mit welchem, insbesondere auch aufgrund ökologischer Erwägungen, ohne die Verwendung von PbO und As₂O₃ und vorzugsweise auch ohne die Komponenten Gd₂O₃ und Fluor, gewünschte und vorteilhafte optische Eigenschaften (n_d/ν_d) bei gleichzeitig geringen Transformationstemperaturen ermöglicht werden. Diese Gläser sollen ferner über das Blankpressverfahren verarbeitbar sein und für die Appli kationsbereiche Abbildung, Projektion, Telekommunikation, optische Nachrichtentechnik, Mobile Drive und Lasertechnologie geeignet sein, einen Brechwert n_d von 1,75 ≤ n_d ≤ 1,85, eine Abbe-Zahl ν_d von 35 ≤ ν_d ≤ 44 und vorzugsweise eine möglichst geringe Transformationstemperatur Tg ≤ 560°C aufweisen. Auch sollen sie gut zu schmelzen und zu verarbeiten sein, sowie eine ausreichende Kristallisationsstabilität aufweisen, die eine Fertigung in kontinuierlich geführten Aggregaten möglich macht. Wünschenswert ist ein möglichst „kurzes" Glas in einem Viskositätsbereich von 10^7,6 bis 10¹³ dPas. Unter einem so genannten kurzen Glas versteht man im Allgemeinen ein Glas, welches im Viskositätsbereich von 10² bis 10¹³ dPas eine sehr steile Viskositätskurve durchschreitet. Für die erfindungsgemäßen Gläser soll der Begriff „kurz" für einen Viskositätsbereich von 10^7,6 bis 10¹³ dPas gelten.
Die vorstehende Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst.

Insbesondere wird ein blei- und arsen-, und vorzugsweise gadolinium- und fluorfreies optisches Glas mit einem Brechwert n_d von 1,75 ≤ n_d ≤ 1,85 und einer Abbe-Zahl ν_d von 34 ≤ ν_d ≤ 44 bereitgestellt, welches die folgenden Komponenten umfasst (in Gew.-% auf Oxidbasis):

SiO₂	0,5–8
B₂O₃	10–25
ZnO	10–26
La₂O₃	18–34
Ta₂O₅	> 15–25
Nb₂O₅	0,5–15
Al₂O₃	0–2
Li₂O	0,1–4
Na₂O	0–6
K₂O	0–8
Cs2O	0–9
MgO	0–5
CaO	0–5
SrO	0–5
BaO	0–5
Y₂O₃	0–10
TiO₂	0–6
ZrO₂	0–11
HfO₂	0–6
Σ B₂O₃ + ZnO	33–41
Σ Alkalioxide	0–10
Σ Erdalkalioxide	0–8
Σ Al₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, Erdalkalioxide	0–15
übliche Läutermittel	0–1

Vorzugsweise ist die Summe der Oxide La₂O₃ + Ta₂O₅ + Nb₂O₅ + Y₂O₃ + ZrO₂ größer oder gleich 50 Gew.-% auf Oxidbasis.
Vorzugsweise sind die Gläser frei von nicht genannten Komponenten.
Die erfindungsgemäßen Gläser haben mit bekannten optischen Gläsern ähnlicher Glasfamilien die optische Lage, wie die Abbe-Zahl und den Brechwert, gemeinsam. Sie zeichnen sich jedoch durch eine gute Schmelz- und Verarbeitbarkeit, geringe Produktionskosten durch reduzierte Verarbeitungskosten, sowie durch eine gute Umweltverträglichkeit aus.
Insbesondere sind diese Gläser zum endkonturennahen Verarbeiten, wie z. B. der Herstellung von Precision Gobs, sowie einen Blankpressvorgang zum Herstellen einer optischen Komponente mit exakter Endkontur geeignet. In diesem Zusammenhang wurde das Viskositätstemperaturprofil und Verarbeitungstemperatur der erfindungsgemäßen Gläser vorzugsweise so eingestellt, dass eine solche endgeometrienahe bzw. endkonturgebenden Heißformgebung auch mit empfindlichen Präzisionsmaschinen möglich ist.
Zudem kann die Kombination von Kristallisationsstabilität und Viskositätstemperaturprofil der erfindungsgemäßen Gläser eine nahezu problemlose thermische (Weiter-)Behandlung (Pressen bzw. Wiederverpressen) der Gläser ermöglichen.
Insbesondere weisen die erfindungsgemäßen Gläser einen Brechwert n_d von 1,75 ≤ n_d ≤ 1,85, vorzugsweise 1,78 ≤ n_d ≤ 1,83, besonders bevorzugt 1,80–1,81, eine Abbe-Zahl von 34 ≤ ν_d ≤ 44, vorzugsweise 36 ≤ ν_d ≤ 43, vorzugsweise 39 ≤ ν_d ≤ 43, besonders bevorzugt 40 ≤ ν_d ≤ 42.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die erfindungsgemäßen Gläser eine Transformationstemperatur Tg ≤ 560°C, vorzugsweise Tg ≤ 550°C auf.
Erfindungsgemäß wird unter einem so genannten „Low-Tg-Glas" ein Glas mit mit einer niedrigen Transformationstemperatur Tg, d. h. vorzugsweise einer Tg von höchstens 560°C verstanden.
Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Gläser möglichst „kurz" in einem Viskositätsbereich von 10^7,6 bis 10¹³ dPas. Unter „kurzen Gläsern" werden dabei Gläser verstanden, deren Viskosität stark mit einer relativ geringen Änderung der Temperatur in einem bestimmten Viskositätsbereich variiert. Vorzugsweise beträgt das Temperaturintervall ΔT, in welchem die Viskosität dieses Glases von 10^7,6 bis 10¹³ dPas absinkt, höchstens 100°K.
1 zeigt die Viskositätskurve eines erfindungsgemäßen Glases gemäß Beispiel 10. In 1 zeigen die senkrechten Linen das Temperaturintervall ΔT, in welchem die Viskosität dieses Glases von 10^7,6 bis 10¹³ dPas absinkt. ΔT liegt hier zwischen 542 und 637°C, d. h. beträgt 95°K.
2 zeigt eine Transmissionskurve eines erfindungsgemäßen Glases gemäß Beispiel 19. Die Wellenlängen, bei welchen die Transmission 5% und 80% beträgt, sind gezeigt. Aus diesen ergibt sich der Farbcode 38/32.
Unter der „inneren Qualität" eines Glases wird erfindungsgemäß verstanden, dass das Glas einen möglichst geringen Anteil an Blasen und/oder Schlieren und/oder ähnlichen Fehlern enthält, bzw. vorzugsweise frei von diesen ist.
Im folgenden bedeutet der Ausdruck „X-frei" bzw. „frei von einer Komponente X", dass das Glas diese Komponente X im wesentlichen nicht enthält, d. h. dass eine solche Komponente höchstens als Verunreinigung in dem Glas vorliegt, jedoch der Glaszusammensetzung nicht als einzelne Komponente zugegeben wird. X steht dabei für eine beliebige Komponente, wie beispielsweise Gd₂O₃.
Im Folgenden sind alle Anteilsangaben der Glaskomponenten in Gew.-% und auf Oxidbasis angegeben, sofern nicht anders beschrieben.
Das Grundglassystem des erfindungsgemäßen Glases ist das Lanthanborat-System, welches intrinsisch eine gute Basis für die angestrebten Eigenschaften aufweist.
Das erfindungsgemäße Glas weist einen ZnO-Anteil von mindestens 10 Gew.-%, bevorzugt mindestens 12 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 14 Gew.-% auf, sowie einen B₂O₃-Anteil von ebenfalls mindestens 10 Gew.-%, bevorzugt mindestens 15 Gew.-%, besonders bevorzugt von 17 Gew.-% und ist daher ein gutschmelzendes Low-Tg-Glas. Der ZnO-Anteil beträgt höchstens 26 Gew.-%, bevorzugt höchstens 24 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 22 Gew.-%. ZnO trägt zum gewünschten Viskositäts-Temperatur-Verhalten („kurzes” Glas) im Viskositätsbereich von 10^7,6 bis 10¹³ dPas bei.
Der maximale B₂O₃-Anteil beträgt 25 Gew.-%, bevorzugt höchstens 24 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 23 Gew.-%, Die stark netzwerkbildenden Eigenschaften von B₂O₃ erhöhen die Stabilität der Gläser gegen Kristallisation und die chemische Beständigkeit. Der Anteil sollte jedoch nicht mehr als 25 Gew.-% betragen, da sonst die Gläser „länger" werden, was ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung nicht bevorzugt ist. Ferner können während des Schmelz- und Aufschmelzvorgangs Teile des zugesetzten B₂O₃ verdampfen, wodurch eine genaue Einstellung der Zusammensetzung erschwert ist.
In Summe beträgt der Anteil an ZnO und B₂O₃ mindestens 30 Gew.-%, bevorzugt mindestens 34 Gew.-%, besonders bevorzugt 38 Gew.-%. Eine Reduzierung des ZnO-B₂O₃-Gehaltes unter 30 Gew.-% würde zu Gläsern führen, die nicht mehr das Prädikat „Low-Tg-Glas" für sich beanspruchen könnten. Die Summe aus B₂O₃ und ZnO beträgt höchstens 45 Gew.-%, bevorzugt höchstens 42 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 41 Gew.-%. Eine weitere Erhöhung über 45 Gew.-% hinaus würde den Brechwert zu sehr verringern.
Neben B₂O₃ ist SiO₂ als Netzwerkbildner in diesen Gläsern mit mindestens 0,5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 1 Gew.-%, besonders bevorzugt 2 Gew.-% auf enthalten. Der maximale SiO₂-Anteil beträgt 8 Gew.-%, bevorzugt 7 Gew.-%, besonders bevorzugt 6 Gew.-%. Eine Erhöhung des SiO₂-Anteils über 8 Gew.-% würde zum Anstieg der Transformationstemperatur auf über 560°C führen und zu einer Brechwertverringerung.
Das erfindungsgemäße Glas weist einen La₂O₃-Anteil von mindestens 18 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 20 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 21 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 23 Gew.-% auf. Der Anteil an La₂O₃ ist auf höchstens 34 Gew.-%, bevorzugt höchstens 33 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 32 Gew.-% beschränkt. Die angegebene Obergrenze von 34 Gew.-% sollte nicht überschritten werden, da sonst die Viskosität des Glases zu stark erhöht wird. Der Mindestanteil von 20 Gew.-% sollte nicht unterschritten werden, um den hohen Brechwert zu gewährleisten.
Das erfindungsgemäße Glas weist einen Ta₂O₅-Anteil von mindestens > 15 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 15,5 Gew.-%, auf. Der maximale Anteil an Ta₂O₅ beträgt 25 Gew.-%, bevorzugt höchstens 24 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 20 Gew.-%. Die angegebene Obergrenze von 25 Gew.-% sollte nicht überschritten werden, da das Glas sonst zu teuer wird und somit nicht mehr wirtschaftlich ist. Der Mindestanteil von > 15 Gew.-% sollte nicht unterschritten werden, um den hohen Brechwert bei gleichzeitig hoher Abbe-Zahl zu gewährleisten.
Das erfindungsgemäße Glas weist einen Nb₂O₅-Anteil von mindestens 0,5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 1 Gew.-%, besonders bevorzugt 2 Gew.-% auf. Der maximale Anteil an Nb₂O₅ beträgt 15 Gew.-%, bevorzugt höchstens 10 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 8 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 7 Gew.-%. Die angegebene Obergrenze von 15 Gew.-% sollte nicht überschritten werden, da Nb₂O₅ eine leichte Eigenfärbung ins Glas einbringt und somit die Reintransmission des Glases verschlechtert wird. Außerdem führt ein höherer Anteil als 15 Gew.-% Nb₂O₅ zu einer zu starken Absenkung der Abbe-Zahl. Der Mindestanteil von 0,5 Gew.-% sollte nicht unterschritten werden, um den hohen Brechwert zu gewährleisten.
Das Glas ist frei von WO₃.
Y₂O₃ kann im Glas von 0 bis maximal 10 Gew.-%, bevorzugt bis 9 Gew.-% besonders bevorzugt bis 8 Gew.-% enthalten sein. Y₂O₃ dient zur Einstellung des Brechwertes und der Abbe-Zahl.
Das Glas ist besonders bevorzugt frei von TiO₂ und HfO₂. Es kann von 0 bis maximal 6 Gew.-%, bevorzugt bis maximal 3 Gew.-% enthalten sein. Beide Komponenten bringen hohe Brechwerte und hohe Dispersionen, sowie führen zu erhöhten Tgs und Viskositäten des Glases. TiO₂ beeinflusst außerdem die Transmission, durch Absorption im UV und das Kristallisationsverhalten negativ.
Das erfindungsgemäße Glas kann bis zu maximal 11 Gew.-% ZrO₂, auch bis zu maximal 10 Gew.-%, weiter bis zu maximal 9 Gew.-% enthalten. Die angegebene Obergrenze von 11 Gew.-% sollte nicht überschritten werden, da so hohe Anteile ZrO₂ im Glas zur verstärkten Entglasung führen. Beispielsweise enthält das Glas mindestens 2 Gew.-%, mindestens 1 Gew.-% oder ist frei von ZrO₂.
Die erfindungsgemäßen Gläser enthalten Li₂O als Alkalimetalloxid in einer Menge von maximal 4 Gew.-%, bevorzugt 3 Gew.-%.
Das erfindungsgemäße Glas enthält höchstens 6 Gew.-%, bevorzugt höchstens 5 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 4 Gew.-% Na₂O.
Das erfindungsgemäße Glas enthält höchstens 8 Gew.-%, bevorzugt höchstens 7 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 6 Gew.-% K₂O.
Sofern das Glas Cäsiumoxid enthält, ist dieses in Mengen von höchstens 9 Gew.-%, bevorzugt höchstens 8 Gew.-% und weiter bevorzugt von höchstens 7 Gew.-% enthalten.
Die Summe an Alkalimetalloxiden im erfindungsgemäßen Glas beträgt 0 bis 10 Gew.-%. Bevorzugt sind höchstens 7 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 6 Gew.-%. Die Summe an Akalimetalloxiden beträgt maximal 10 Gew.-%, welcher Wert nicht überschritten werden sollte, da ansonsten der Brechwert in einem solchen Glassystem zu stark absinkt. Die Zugabe der Alkalimetalloxide dient der Optimierung des Aufschmelzverhaltens, d. h. sie wirken als Flussmittel. Außerdem tragen sie zur Absenkung des Tg bei.
Zur flexiblen Regulierung des Viskositätstemperaturverhaltens kann das erfindungsgemäße Glas gegebenenfalls Erdalkalien (MO) enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus MgO, CaO, SrO, und/oder BaO. Diese Summe MO beträgt höchstens 8 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 5 Gew.-% und am meisten bevorzugt höchstens 4 Gew.-%.
Das erfindungsgemäße Glas enthält höchstens 2 Gew.-%, bevorzugt höchstens 1,5 und besonders bevorzugt höchstens 1 Gew.-% Al₂O₃.
Das erfindungsgemäße Glas ist als optisches Glas vorzugsweise auch frei von färbenden, und/oder optisch aktiven, wie laseraktiven, Komponenten.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Glas vorzugsweise auch frei von Komponenten, welche redoxempfindlich sind, wie beispielsweise Ag, und/oder frei von toxischen bzw. gesundheitsschädlichen Komponenten, wie beispielsweise die Oxide von Tl, Te, Be und As. Jedenfalls ist das Glas frei von PbO und Arsen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erfindungsgemäße Glas auch vorzugsweise frei von anderen, in den Ansprüchen nicht genannten Komponenten, d. h. gemäß einer derartigen Ausführungsform besteht das Glas im wesentlichen aus den genannten Komponenten. Der Ausdruck „im wesentlichen bestehen aus" bedeutet dabei, dass andere Komponenten höchstens als Verunrei nigungen vorliegen, jedoch der Glaszusammensetzung nicht als einzelne Komponente beabsichtigt zugegeben werden.
Das erfindungsgemäße Glas kann übliche Läutermittel in geringen Mengen beinhalten. Vorzugsweise beträgt die Summe der zugesetzten Läutermittel höchstens 1,0 Gew.-%. Als Läutermittel kann in dem erfindungsgemäßen Glas mindestens eine der folgenden Komponenten enthalten sein (in Gew.-%, additiv zur übrigen Glaszusammensetzung):

Sb₂O₃ 0–1 und/oder

SnO 0–1 und/oder

SO₄ ^2– 0–1 und/oder

F^– 0–1
Auch Fluor und fluorhaltige Verbindungen neigen während des Schmelz- und Aufschmelzvorgangs zum Verdampfen und erschweren dadurch ein genaues Einstellen der Glaszusammensetzung. Das erfindungsgemäße Glas ist daher vorzugsweise auch fluorfrei.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen Gläser für die Applikationsbereiche Abbildung, Projektion, Telekommunikation, optische Nachrichtentechnik, Mobile Drive und Lasertechnologie.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung des erfindungsgemäßen Glases für optische Elemente. Optische Elemente können dabei insbesondere Linsen, Asphären, Prismen und Kompaktbauteile sein. Der Begriff „optisches Element" umfasst dabei erfindungsgemäß auch Vorformen bzw. Preformen eines solchen optischen Elements, wie beispielsweise Gobs, Precision Gobs und ähnliches.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden durch eine Reihe von Beispielen näher erläutert. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf die genannten Beispiele beschränkt.
Beispiele
Die Tabellen 2 bis 4 unter Beispiel 2 enthalten Ausführungsbeispiele im bevorzugten Zusammensetzungsbereich. Die in den Beispielen beschriebenen Gläser wurden wie in Beispiel 1 hergestellt:
Beispiel 1:

Die Rohstoffe für die Oxide werden abgewogen, ein oder mehrere Läutermittel, wie z. B. Sb₂O₃, zugegeben und anschließend gut gemischt. Das Glasgemenge wird bei ca. 1150°C in einem kontinuierlichen Schmelzaggregat eingeschmolzen, danach geläutert (1200°C) und homogenisiert. Bei einer Gusstemperatur von etwa 1180°C kann das Glas gegossen und zu den gewünschten Abmessungen verarbeitet werden. Im großvolumigen, kontinuierlichen Aggregat können die Temperaturen erfahrungsgemäß um mindestens ca. 100 K abgesenkt werden, und das Material kann im endgeometrienahen Pressverfahren verarbeitet werden. Tabelle 1: Schmelzbeispiel für 100 kg berechnetes Glas (gemäß Beispiel 10)

Oxid	Gew.-%	Rohstoff	Einwaage (g)
SiO₂	3,69	SiO₂	3686,90
B₂O₃	20,00	H₃BO₃	35469,99
ZnO	17,20	ZnO	17164,71
Al₂O₃	1,00	Al(OH)₃	1547,16
Li₂O	0,88	LiNO₃	4052,58
	1,00	Li₂CO₃	2482,46
Nb₂O₅	4,21	Nb₂O₅	4209,78
La₂O₃	28,52	La₂O₃	28462,62
Ta₂O₅	16,00	Ta₂O₅	15965,33
Y₂O₃	4,50	Y₂O₅	4491,22
ZrO₂	3,00	ZrO₂	2998,04
Sb₂O₃	0,20	Sb₂O₃	200,33
Summe	100,20		120731,12

Die Eigenschaften des so erhaltenen Glases sind in der Tabelle 3 als Beispiel 10 angegeben.
Beispiel 2:
Tabellen 2 bis 4 enthalten erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 20.

Alle erfindungsgemäßen Gläser weisen einen Tg von weniger als oder gleich 560°C auf, weisen eine sehr gute Alkalibeständigkeit auf und lassen sich gut verarbeiten. Der Farbcode der erfindungsgemäßen Gläser erricht einen Wert von bis zu 38/32. Tabelle 2: Beispiele 1 bis 6 (Angaben in Gew.-% auf Oxidbasis, n. b. steht für „nicht bestimmt):

Bsp.	1	2	3	4	5	6
SiO₂	4,79	4,79	4,99	4,69	4,69	3,69
B₂O₃	19,89	19,89	19,89	19,89	19,89	19,89
ZnO	19,46	19,5	18,46	18,96	18,96	18,96
Al₂O₃						1,00
Li₂O	1,88	1,88	1,88	1,88	1,88	1,88
Nb₂O₅	1,77	2,77	3,77	2,27	3,77	3,77
La₂O₃	28,32	28,32	28,52	28,52	28,52	28,52
Ta₂O₅	18,98	15,98	16,08	16,38	16,38	16,38
Y₂O₃
ZrO₂	4,91	6,91	6,41	7,41	5,91	5,91
Sb₂O₃				0,20	0,20	0,20
Σ	100,0	100,0	100,0	100,2	100,2	100,2
La₂O₃ + ZrO₂ + Nb₂O₅ + Ta₂O₅ + Y₂O₃+ HfO₂	54,0	54,0	54,8	54,6	54,6	54,6
Σ R₂O (Alkalien)	1,88	1,88	1,88	1,88	1,88	1,88
Σ RO (Erdalkalien)
Σ B₂O₃, ZnO	39,35	39,35	38,35	38,85	38,85	38,85
Σ Al₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, ZrO, HfO₂, R₂O	4,91	6,91	6,41	7,41	5,91	6,91
Eigenschaften
τ_{i(10 mm, 400 nm)}	0,98	0,97	0,96	0,97	0,96	0,96
τ_{i(10 mm, 500–550 nm)}	>=0,994	>=0,991	>=0,994	>=0,99	>=0,994	>=0,993
Farbcode	38/31	40/31	39/31	38/31	42/32	42/31
n_d (7 K/h)	1,80159	1,80490	1,80790	1,80592	1,80879	1,81066
ν_d (7 K/h)	41,54	41,24	40,80	41,35	40,68	40,56
Pg,F	0,5651	0,5655	0,5667	0,5654	0,5672	0,5669
ΔP_g,F	–0,0088	–0,0089	–0,0085	–0,0089	–0,0082	–0,0087
α_{(20–300°C)} [10^–6/K]	7,09	7,12	7,09	7,12	7,07	7,10
Tg [°C]	533	536	536	540	541	538
ρ [g/cm³]	4,59	4,55	4,5427	4,561	4,559	4,574
ΔT = [T(η = 10^7,6) – T(η = 10¹³ dPas)]		94
SR	51.0	51.3
AR	1.2	1.0

Tabelle 3: Beispiele 7 bis 13 (Angaben in Gew.-% auf Oxidbasis)

Bsp.	7	8	9	10	11	12	13
SiO₂	3,69	3,69	3,70	3,69	4,19	4,69	3,69
B₂O₃	19,89	20,00	20,00	20,00	20,00	20,00	20,00
ZnO	18,96	19,20	19,20	17,20	16,20	18,20	15,70
Al₂O₃	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00
Li₂O	1,88	1,88	2,00	1,88	1,88	1,88	1,88
Nb₂O₅	3,77	4,21	4,50	4,21	4,21	6,21	4,21
La₂O₃	28,52	28,52	30,60	28,52	28,52	26,52	28,52
Ta₂O₅	16,38	16,00	16,00	16,00	16,00	16,00	16,00
Y₂O₃	2,00	2,50	3,00	4,50	5,00	2,50	6,00
ZrO₂	3,91	3,00	-	3,00	3,00	3,00	3,00
Sb₂O₃	0,20	0,20	0,20	0,20	0,20	0,20	0,20
Σ	100,2	100,20	100,00	100,20	100,20	100,20	100,20
La₂O₃ + ZrO₂ + Nb₂O₅ + Ta₂O₅ + Y₂O₃ + HfO₂	54,6	54,2	54,1	56,2	56,7	54,2	57,7
Σ R₂O (Alkalien)	1,88	1,88	2,00	1,88	1,88	1,88	1,88
Σ RO (Erdalkalien)
Σ B₂O₃, ZnO	38,85	39,20	39,20	37,20	36,20	38,20	35,70
Σ Al₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, ZrO, HfO₂, R₂O	6,91	6,50	4,00	8,50	9,00	6,50	10,00
Eigenschaften
τ_{i(10 mm, 400 nm)}	0,96	0,96	0,95	0,96	0,95	0,96	0,96
τ_{i(10 mm, 500–550 nm)}	>=0,992	>=0,995	>=0,987	0,995	0,98	>=0,985	>=0,98
Farbcode	42/31	38/32	42/31	42/31	42/31	42/31	42/31
n_d (7 K/h)	1,80663	1,80517	1,80109	1,80774	1,80563	1,80472	1,80835
ν_d (7 K/h)	41,02	41,04	41,47	41,21	41,40	40,15	41,39
Pg,F	0,5665	0,5667	0,5665	0,5662	0,5665	0,5687	0,5658
ΔP_g,F	–0,0083	–0,0081	–0,0075	–0,0083	–0,0077	–0,0075	–0,0084
α_{(20–300°C)} [10^–6/K]	7,25	7,27	7,48	7,33	7,30	7,06	7,42
Tg [°C]	533	532	529	544	545	540	546
ρ [g/cm³]	4,57	4,56	4,57	4,5659	4,5452	4,4827	4,560
ΔT = [T(η = 10^7,6) – T(η = 10¹³ dPas)]		93		95		96
SR						51.3
AR						1.0

Tabelle 4: Beispiele 13 bis 20 (Angaben in Gew.-% auf Oxidbasis)

Bsp.	14	15	16	17	18	19	20
SiO₂	3,69	3,69	3,69	3,19	3,69	3,40	3,57
B₂O₃	20,00	20,00	20,00	20,00	20,00	18,80	20,00
ZnO	16,20	14,70	14,70	16,20	17,20	18,40	19,10
Al₂O₃	0,50	0,50	0,30	1,00	1,00	1,08	1,02
Li₂O	1,88	1,88	2,08	1,88	1,88	1,79	1,65
Nb₂O₅	4,21	4,21	4,21	4,21	4,21	4,06	14,50
La₂O₃	28,52	28,52	28,52	28,52	28,52	31,60	18,70
Ta₂O₅	16,00	16,00	16,00	16,00	18,00	15,60	15,80
Y₂O₃	6,00	7,50	7,50	6,00	2,50	2,40	2,47
ZrO₂	3,00	3,00	3,00	3,00	3,00	2,90	2,97
Sb₂O₃	0,20	0,20	0,20	0,20	0,20	0,17	0,17
Σ	100,2	100,2	100,2	100,2	100,2	100,2	100
La₂O₃ + ZrO₂ + Nb₂O₅ + Ta₂O₅ + Y₂O₃ + HfO₂	57,7	59,2	59,2	57,7	56,2	56,6	54,4
Σ R₂O (Alkalien)	1,88	1,88	2,08	1,88	1,88	1,79	1,65
Σ RO (Erdalkalien)	-	-	-	-	-	-	-
Σ B₂O₃, ZnO	36,20	34,70	34,70	36,20	37,20	37,20	39,10
Σ Al₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, ZrO, HfO₂, R₂O	9,50	11,00	10,80	10,00	6,50	6,38	6,46
Eigenschaften
τ_{i(10 mm, 400 nm)}	0,96	0,96	n. b.	0,96	n. b.	0,98	85
τ_{i(10 mm, 500–550 nm)}	>=0,99	>=0,98	n. b.	>=0,99	n. b.	>=0,995	>=92
Farbcode	42/31	42/31	n. b.	42/31	n. b.	38/32	48/33
n_d (7 K/h)	1,81043	1,81213	1,81153	1,80894	1,81066	1,81138	1,82953
ν_d (7 K/h)	41,29	41,41	41,43	40,69	40,12	41,22	35,42
Pg,F	0,5662	0,566	0,5657	0,5674	0,5682	0,5674	0,5795
ΔP_g,F	–0,0082	–0,0082	–0,0084	–0,008	–0,0082	–0,0070	–0,0048
α_{(20–300°C)} [10^–6/K]	7,44	7,49	7,62	7,23	7,11	7,44	6,66
Tg [°C]	543	546	543	540	536	540	534
ρ [g/cm³]	4,5797	4,5795	4,5765	4,5831	4,6054	4,39970	4,3997
ΔT = [T(η = 10^7,6) – T(η = 10¹³ dPas)]
SR		51.2				51.2
AR		1.0				1.0

Claims

Blei- und arsenfreies optisches Glas mit einem Brechwert n_d von 1,75 ≤ n_d ≤ 1,83 und einer Abbe-Zahl ν_d von 34 ≤ ν_d ≤ 44, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas die folgende Zusammensetzung umfasst (in Gew.-% auf Oxidbasis): SiO₂ 0,5–8 B₂O₃ 10–25 ZnO 10–26 La₂O₃ 18–34 Ta₂O₅ > 15–25 Nb₂O₅ 0,5–15 Al₂O₃ 0–2 Li₂O 0,1–4 Na₂O 0–6 K₂O 0–8 Cs₂O 0–9 MgO 0–5 CaO 0–5 SrO 0–5 BaO 0–5 Y₂O₃ 0–10 TiO₂ 0–6 ZrO₂ 0–11 HfO₂ 0–6 Σ B₂O₃, ZnO 30–45 Σ Alkalioxide 0,1–10 Σ Erdalkalioxide 0–8 Σ Al₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, Erdalkalioxide 0–15 übliche Läutermittel 0–1
Glas nach Anspruch 1, wobei die Summe an La₂O₃ + Ta₂O₅ + Nb₂O₅ + Y₂O₃ + ZrO₂ größer als 50 Gew.-% auf Oxidbasis ist.
Glas nach Anspruch 1 und/oder 2 welches die folgende Zusammensetzung umfasst (in Gew.-% auf Oxidbasis): SiO₂ 1–7 B₂O₃ 15–24 ZnO 12–24 La₂O₃ 23–33 Ta₂O₅ 15,5–23 Nb₂O₅ 1–8 Al₂O₃ 0–1,5 Li₂O 0,1–4 Na₂O 0–5 K₂O 0–6 Cs₂O 0–8 MgO 0–4 CaO 0–4 SrO 0–4 BaO 0–4 Y₂O₃ 0–9 TiO₂ 0–3 ZrO₂ 1–10 HfO₂ 0–3 Σ B₂O₃, ZnO 34–42 Σ La₂O₃, Ta₂O₅, Nb₂O₅, Y₂O₃, ZrO₂ > 50 Σ Alkalioxide 0,1–7 Σ Erdalkalioxide 0–5 Σ Al₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, Erdalkalioxide 0–13 übliche Läutermittel 0–1
Glas nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, welches die folgende Zusammensetzung umfasst (in Gew.-% auf Oxidbasis): SiO₂ 1–7 B₂O₃ 15–23 ZnO 12–24 La₂O₃ 23–33 Ta₂O₅ 15,5–23 Nb₂O₅ 1–8 Al₂O₃ 0–1,5 Li₂O 0,5–4 Na₂O 0–4 K₂O 0–4 Cs₂O 0–4 MgO 0–4 CaO 0–4 SrO 0–4 BaO 0–4 Y₂O₃ 0–9 TiO₂ 0–3 ZrO₂ 1–10 HfO₂ 0–3 Σ B₂O₃, ZnO 38–41 Σ La₂O₃, Ta₂O₅, Nb₂O₅, Y₂O₃, ZrO₂ > 50 Σ Alkalioxide 0,5–6 Σ Erdalkalioxide 0–4 Σ Al₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, Erdalkalioxide 0–13 übliche Läutermittel 0–1
Glas nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, welches es als Läutermittel mindestens eine der folgenden Komponenten enthält (in Gew.-%): Sb₂O₃ 0–1 und/oder SnO 0–1 und/oder SO₄ ^2– 0–1 und/oder F 0–1
Glas nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, welches gadolinium- und/oder fluorfrei ist.
Verwendung eines Glases nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 für die Bereiche Abbildung, Projektion, Telekommunikation, optische Nachrichtentechnik, Mobile Drive und/oder Lasertechnologie.
Verwendung eines Glases nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 für optische Elemente.