DE102006050118A1

DE102006050118A1 - Optical lens of optical high refractive xerogel for manufacturing of objectives, has certain refractive index and has porosity of fifteen percent and lens consists of material that is selected from group of mixed oxides

Info

Publication number: DE102006050118A1
Application number: DE200610050118
Authority: DE
Inventors: Lorenz Prof. Dr. Ratke; Susanne Lisinski; Jennifer Krause
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2026-10-26
Also published as: DE102006050118B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Linse aus Xerogel, ein Verfahren zur Herstellung dieser Linse sowie die Verwendung der Linse.The invention relates to a xerogel optical lens, a method of manufacturing this lens, and the use of the lens.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Linse aus Xerogel, ein Verfahren zur Herstellung dieser Linse sowie die Verwendung der Linse.The The invention relates to a xerogel optical lens, a method for making this lens and the use of the lens.

Die Optik in vielen Kameras ist zurzeit minderwertig, da die Herstellung von guten Objektiven teuer ist. Daher bestehen viele Linsen aus einem Kunststoff mit einem Brechungsindex von weniger als 1,6. Dieser ist für eine gute Optik nicht hinreichend. Auch Glas besitzt einen Brechungsindex von 1,5 bis 1,9. Nur kann Glas im Gegensatz zu Kunststoff nicht gegossen werden, sondern muss gepresst, geschliffen und poliert werden. Diese notwendige Präparation ist aufwendig und benötigt Präzisionsarbeit.The Optics in many cameras is currently inferior as the manufacture of good lenses is expensive. Therefore, many lenses are made a plastic with a refractive index of less than 1.6. This is for a good look is not sufficient. Glass also has a refractive index from 1.5 to 1.9. Only glass unlike plastic can not but must be pressed, ground and polished become. This necessary preparation is complicated and needed Precision work.

Xerogellinsen als solche sind bereits bekannt aus Sakurai et al. ( J. Mater. Chem., 2001, 11, 1077–1080 ). Diese Linsen werden aus aminiertem Silikasol hergestellt und weisen keine genügende optische Qualität für hochwertige optische Systeme auf, da beispielsweise der Brechungsindex lediglich 1,49 beträgt.Xerogel lenses as such are already known from Sakurai et al. ( J. Mater. Chem., 2001, 11, 1077-1080 ). These lenses are made from aminated silica sol and do not have sufficient optical quality for high quality optical systems, because, for example, the refractive index is only 1.49.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine optische hochwertige Linse bereitzustellen, die leicht herzustellen ist.The The object of the present invention is therefore to provide an optical to provide high quality lens that is easy to manufacture.

Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst in einer ersten Ausführungsform durch eine optische Linse aus Xerogel, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse einen Brechungsindex von mindestens 1,6 aufweist. Dadurch kann die Linse dünner und damit leichter als herkömmliche Linsen gestaltet werden.These The problem underlying the invention is achieved in a first embodiment by an optical lens of xerogel, characterized in that the lens has a refractive index of at least 1.6. Thereby can make the lens thinner and thus lighter than conventional ones Lentils are designed.

Eine optische Linse im Sinne der Erfindung ist ein Formkörper mit für optische Systeme ausreichender Transparenz, der den Strahlengang von auftreffendem sichtbaren Licht ändert.A optical lens according to the invention is a molded body with for optical Systems of sufficient transparency, the beam path of impinging changes visible light.

Ein Xerogel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein poröser Feststoff mit einer netzwerkartigen Struktur, der aus der Trocknung eines Gels hervorgegangen ist und eine Porosität von bis zu 50%, insbesondere bis zu 30% aufweist.One Xerogel in the sense of the present invention is a porous solid with a network-like structure resulting from the drying of a Gels has emerged and a porosity of up to 50%, in particular up to 30%.

Porosität im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dadurch ermittelt, dass die tatsächliche Dichte der optischen Linse ermittelt wird und auf die theoretisch maximale Dichte des Materials normiert wird.Porosity in the sense The present invention is characterized in that the actual Density of the optical lens is determined and on the theoretical maximum density of the material is normalized.

Die Porosität beträgt vorteilhafterweise mindestens 5%, insbesondere mindestens 15%. Dadurch kann gerade bei hochwertigen schweren Teleobjektiven eine erhebliche Gewichtsersparnis gegenüber dem massiven Material bewirkt werden. Die Gewichtsersparnis kommt nicht nur durch die Dichte, sondern weil n > 1,6 ist und deshalb die Linsen dünner sein können.The porosity is advantageously at least 5%, in particular at least 15%. Thereby Especially with high-quality heavy telephoto lenses can be a considerable Weight saving compared caused the massive material. The weight savings comes not only by the density, but because n> 1.6 and therefore the lenses are thinner can.

Die Linse besteht vorteilhafterweise aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe TiO₂, ZrO₂, ZrSiO₄, Schwefel, Zinksulfid, Kohlenstoff, As₂O₃, BaTiO₃, Montanit, FeWO₄, Paralaurionit, PbWO₄, ZnCO₃ oder Mischoxide enthaltend eines dieser Materialien. Durch die Auswahl eines dieser Materialien wird durch den hohen Brechungsindex dieser Materialien eine hohe optische Qualität der entstehenden Linse sichergestellt.The lens is advantageously made of a material selected from the group TiO ₂ , ZrO ₂ , ZrSiO ₄ , sulfur, zinc sulfide, carbon, As ₂ O ₃ , BaTiO ₃ , montanite, FeWO ₄ , paralaurionite, PbWO ₄ , ZnCO ₃ or Mixed oxides containing one of these materials. By selecting one of these materials, the high refractive index of these materials ensures a high optical quality of the resulting lens.

Die erfindungsgemäße optische Linse ist vorteilhafterweise möglichst transparent und streut möglichst wenig Licht. Das Absorptionsverhalten einer erfindungsgemäßen Linse ist in 1 dargestellt. Die Linse ist im Bereich von 500 nm bis 1750 nm weitgehend transparent.The optical lens according to the invention is advantageously as transparent as possible and scatters as little light as possible. The absorption behavior of a lens according to the invention is in 1 shown. The lens is largely transparent in the range of 500 nm to 1750 nm.

In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Linse, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es folgende Schritte umfasst:

– Herstellen einer Vorläufermischung enthaltend Xerogelmaterial, Wasser, Katalysator und ein von Wasser verschiedenes Lösungsmittel,
– Einfüllen der Vorläufermischung in eine Negativform der Linse,
– Gelieren der Mischung, und
– Trocknen des Gels an der Luft.

In a further embodiment, the object underlying the invention is achieved by a method for producing a lens according to the invention, which is characterized in that it comprises the following steps:

Preparing a precursor mixture containing xerogel material, water, catalyst and a solvent other than water,
Filling the precursor mixture into a negative mold of the lens,
- Gelling the mixture, and
- Dry the gel in the air.

Vorteilhafterweise setzt man als Xerogelmaterial ein organisch modifiziertes Metalloxid ein. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn man als Xerogelmaterial Tetra-ethyl-orthotitanat, Tetra-isopropylorthotitanat und/oder Tetra(n-butyl)-orthotitanat einsetzt.advantageously, If one sets as Xerogelmaterial an organically modified metal oxide one. It is particularly preferred if one as xerogel material Tetra-ethyl orthotitanate, tetra-isopropyl orthotitanate and / or tetra (n-butyl) -orthotitanate starts.

Man setzt vorteilhafterweise als Katalysator 25%ige Salzsäure, 32%ige Salzsäure, Essigsäure und/oder Salpetersäure ein.you advantageously uses as catalyst 25% hydrochloric acid, 32% Hydrochloric acid, Acetic acid and / or nitric acid one.

Als Lösungsmittel setzt man vorteilhafterweise einen Alkohol, insbesondere einen Alkohol ausgewählt aus der Gruppe Methanol, Butanol, Ethanol und/oder Isopropanol ein.When solvent it is advantageous to use an alcohol, especially an alcohol selected from the group methanol, butanol, ethanol and / or isopropanol.

Vorteilhafterweise bewahrt man zu Beginn des Trocknens die mit einem Verschluss, insbesondere einer Folie, mit einer Wasserdampfdurchlässigkeit von höchstens 1 g/m² pro Tag bei 37°C und 90% relativer Luftfeuchte verschlossenen Negativform bei einer Temperatur in einem Bereich von 20 bis 60°C für eine Zeitspanne in einem Bereich von 2 bis 48 h auf. Bevorzugt ist es weiterhin, dass man anschließend an die anfängliche Aufbewahrung das dadurch von den Formwänden gelöste Gel aus der Form entfernt und in einen Behälter enthaltend einen Alkohol, insbesondere Isopropanol, gibt und dort mindestens eine Woche lagert. Auch ist es bevorzugt, dass man das Gel anschließend an die Lagerung in Alkohol wieder in die Negativform einsetzt und mit einem Verschluss, insbesondere einer Folie, mit einer Wasserdampfdurchlässigkeit von höchstens 1 g/m²/Tag bei 37°C und 90% relativer Luftfeuchte verschließt und anschließend trocknet bis mindestens 95 Gew.-% des ursprünglich vorhandenen Lösungsmittels entwichen ist.At the beginning of the drying, the negative mold sealed with a closure, in particular a film, with a water vapor permeability of at most 1 g / m ² per day at 37 ° C. and 90% relative humidity is advantageously kept at a temperature in the range from 20 to 60 ° C for a period of time in a range of 2 to 48 hours. It is furthermore preferred that, following the initial storage, the gel dissolved thereby from the mold walls is removed from the mold and placed in a container containing an alcohol, in particular isopropanol, and stored there for at least one week. It is also preferred that the gel is reused in the negative mold after storage in alcohol and with a closure, in particular a film, with a water vapor permeability of at most 1 g / m ² / day at 37 ° C and 90% relative humidity closes and then dried until at least 95 wt .-% of the original solvent has escaped.

Zum Beschleunigen des Trocknens perforiert man vorzugsweise den Verschluss, insbesondere so dass der Verschluss ein Lochflächenverhältnis von höchstens 1% aufweist.To the Accelerating the drying, it is preferable to perforate the closure, in particular so that the closure has a hole area ratio of at most 1%.

Der besondere Vorteil an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass die Linse schnell und unkompliziert in eine Form gegossen werden kann und nach dem Trocknen nicht mehr aufwendig poliert oder geschliffen werden muss. Außerdem war es bislang recht schwierig, optische Komponenten überhaupt mit einem Brechungsindex größer als 1,6 in optischer Qualität, das heißt auch mit ausreichender Transparenz, herzustellen.Of the particular advantage of the inventive method is that the Lens can be quickly and easily poured into a mold and after drying no longer polished or polished must become. Furthermore It has been quite difficult to date, optical components at all with a refractive index greater than 1.6 in optical quality, this means also with sufficient transparency.

Beim Trocknen im erfindungsgemäßen Verfahren kann das Gel um bis zu 90 Vol.-% schrumpfen. Dabei wird es zu einem sogenannten Xerogel. Anschließend kann das so erhaltene Xerogel vorteilhafterweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 600 bis 1000°C, insbesondere bevorzugt bei einer Temperatur in einem Bereich von 700 bis 800°C wärmebehandelt werden, was überraschenderweise dazu führt, dass der Brechungsindex der entstandenen Linse ansteigt.At the Drying in the process according to the invention The gel can shrink by up to 90% by volume. It becomes one so-called xerogel. Subsequently The xerogel thus obtained may advantageously be at a temperature in a range of 600 to 1000 ° C, particularly preferably at a temperature in a range of 700 to 800 ° C heat treated surprisingly causes that the refractive index of the resulting lens increases.

Besonders bevorzugt setzt man ein Stoffmengen-Verhältnis von Xerogelmaterial zu Lösungsmittel in einem Bereich von 1:15 bis 1:25, insbesondere 1:17 bis 1:20 ein. Außerdem setzt man vorteilhafterweise ein Stoffmengen-Verhältnis von Xerogelmaterial zu Wasser in einem Bereich von 1:1 bis 1:5, insbesondere in einem Stoffmengen-Verhältnis im Bereich von 1:2 bis 1:3 ein. Im erfindungsgemäßen Verfahren liegt das Stoffmengen-Verhältnis von Xerogelmaterial zu Katalysator vorteilhafterweise in einem Bereich von 1:0,1 bis 1:0,8, insbesondere in einem Bereich von 0,3 bis 1:0,4.Especially Preferably, a molar ratio of xerogel material is used solvent in a range from 1:15 to 1:25, especially 1:17 to 1:20. Furthermore one sets advantageously a molar ratio of Xerogel material to water in a range from 1: 1 to 1: 5, in particular in a molar ratio in the range of 1: 2 to 1: 3. In the method according to the invention, the molar ratio of Xerogelmaterial to catalyst advantageously in one area from 1: 0.1 to 1: 0.8, especially in a range of 0.3 to 1: 0.4.

Die Negativform der Linse ist vorteilhafterweise eine Gussform, insbesondere hergestellt aus Polystyrol.The Negative form of the lens is advantageously a mold, in particular made of polystyrene.

In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Linse zur Herstellung von Objektiven, insbesondere von Mobiltelefonen oder Kameras.In a further embodiment the problem underlying the invention is achieved by the use of the lens according to the invention for the production of lenses, in particular of mobile phones or Cameras.

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

In eine Gussform aus Polystyrol für eine Linse eines Mobiltelefons wurde eine Vorläufermischung gegeben. Diese Vorläufermischung enthielt Tetra(n-butyl)-orthotitanat (TBOT), Ethanol, Wasser und 25 Gew.-%ige Salzsäure. Diese Komponenten wurden in vier verschiedenen Verhältnissen zueinander in vier getrennten Versuchen gemischt: Stoffmengen-Verhältnis TBOT : EtOH : H₂O : HCl Temperatur (Nachbehandlung) Brechungsindex 1:19,2:2,75:0,37 RT 1,6 1:18,5:2,67:0,36 RT 1,7 1:17,6:2,41:0,32 RT 1,8 1:19,2:2,75:0,37 730°C 2,1 In a polystyrene mold for a lens of a mobile phone, a precursor mixture was added. This precursor mixture contained tetra (n-butyl) -orthotitanate (TBOT), ethanol, water and 25% by weight hydrochloric acid. These components were mixed in four different proportions in four separate experiments: Molar ratio TBOT: EtOH: H ₂ O: HCl Temperature (after treatment) refractive index 1: 19.2: 2.75: 0.37 RT 1.6 1: 18.5: 2.67: 0.36 RT 1.7 1: 17.6: 2.41: 0.32 RT 1.8 1: 19.2: 2.75: 0.37 730 ° C 2.1

Bei allen vier Mischungen bildete sich nach etwa 1 min ein Gel. Die Verschlussform wurde anschließend mit einer Verschlussfolie des Typs Parafilm M^® der Brand GmbH & Co. verschlossen. Anschließend wurde die so verschlossene Form in einem Ofen bei 40°C für 24 h gestellt.All four mixtures formed a gel after about 1 min. The closure mold was then closed with a sealing film of the type Parafilm M ^® Brand GmbH & Co. Subsequently, the thus sealed mold was placed in an oven at 40 ° C for 24 h.

Dadurch war das Gel kaum sichtbar geschrumpft und hatte sich von den Formwänden gelöst. Das Gel wurde anschließend aus der Form in eine Wanne gegeben, die mit Isopropanol gefüllt war. Hierbei fand ein Austausch zwischen Porenflüssigkeit und Isopropanol statt, so dass die Netzwerkstruktur gestärkt werden konnte. In diesem Bad verweilte der Gelkörper etwa 9 Tage. Danach wurde das Gel wieder in seine Form gelegt und die Form mit einer Folie des Typs Parafilm M^® verschlossen.As a result, the gel had shrunk barely visible and had detached itself from the mold walls. The gel was then transferred from the mold to a pan filled with isopropanol. Here an exchange between pore fluid and isopropanol took place, so that the network structure could be strengthened. In this bath, the gel body lingered for about 9 days. The gel was then put back into shape and the mold closed with a film of the type Parafilm M ^®.

Um die Trocknung etwas zu beschleunigen, wurde ein kleines Loch mit einer Stecknadel in den Parafilm gestochen. So konnte etwas Luft eintreten und entweichen. Das Gel wurde so 5 Wochen getrocknet. Beim Trocknen schrumpfte das Gel auf 10% seiner ursprünglichen Größe und wurde so zu einem Xerogel. Im letzten Versuch der Tabelle wurde das Gel bei 730°C wärmebehandelt, wobei der Brechungsindex anstieg. Die fertige Linse wurde aus der Form entfernt und war einsatzbereit. Die Absorption des Linsenmaterials wurde mit Hilfe eines Zweistrahl-Spektrometers (Cary) gemessen (vgl. 1). Titandioxid-Xerogele sind von 500 nm bis 1750 nm transparent.To speed up the drying, a small hole was pierced with a pin in the parafilm. So some air could enter and escape. The gel was dried for 5 weeks. Upon drying, the gel shrank to 10% of its original size, becoming a xerogel. In the last run of the table, the gel was heat treated at 730 ° C, with the refractive index increasing. The finished lens was removed from the mold and was ready for use. The absorption of the lens material was measured by means of a two-beam spectrometer (Cary) (cf. 1 ). Titanium dioxide xerogels are transparent from 500 nm to 1750 nm.

Claims

Optical lens of xerogel, characterized in that the lens has a refractive index of at least 1.6.

Lens according to claim 1, characterized in that the porosity at least 5%, in particular at least 15%.

A lens according to claim 1, characterized in that the lens comprises a material selected from the group consisting of mixed oxides, TiO ₂ , ZrO ₂ , ZrSiO ₄ , sulfur, zinc sulfide, carbon, As ₂ O ₃ , BaTiO ₃ , montanite, FeWO ₄ , Paralaurionite, PbWO ₄ or ZnCO ₃ .

Process for producing a lens according to claim 1, characterized in that it comprises the following steps: - Produce a precursor mixture containing xerogel material, water, catalyst and a water other Solvent, - filling the precursor mixture in a negative form of the lens, - Gelling the mixture, and - Dry of the gel in the air.

Method according to claim 4, characterized in that xerogel material is selected from the group tetra-ethyl orthotitanate, tetra-isopropyl orthotitanate and / or tetra (n-butyl) -orthotitanate.

Method according to claim 4, characterized in that a catalyst selected from 25% Hydrochloric acid, 32% hydrochloric acid, acetic acid and / or nitric acid starts.

Method according to claim 4, characterized in that the solvent is an alcohol, in particular an alcohol selected from the group methanol, Butanol, ethanol and / or isopropanol.

Use of lenses according to one of claims 1 to 3 for the production of lenses.