Optisches Glas

Das Abbe-Diagramm gibt eine Übersicht von Brechungsindex und Abbezahl von optischen Glassorten.

Unter optischem Glas versteht man Glas zur Fertigung von optischen Bauteilen (wie Linsen, Prismen und Spiegel) für optische Systeme wie zum Beispiel Objektive, Mikroskope oder Fernrohre. Optisches Glas unterscheidet sich nicht grundsätzlich von normalem Glas, aus dem etwa Fensterscheiben herstellt werden. Jedoch werden seine optischen Eigenschaften viel genauer dokumentiert und kontrolliert.

Optische und physikochemische Eigenschaften

Die optischen Eigenschaften, die von entscheidender Bedeutung für die Verwendung des Glases für optische Bauteile sind, werden bei der Herstellung des Glases innerhalb enger Toleranzen eingehalten und wesentlich genauer kontrolliert als z. B. bei Fensterglas. Weiterhin werden sie vom Hersteller für jede Glassorte genau dokumentiert. Dazu zählen:

• Der Brechungsindex n und dessen Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts (Dispersion). Letztere wird vor allem durch die Abbesche Zahl charakterisiert. Zur genaueren Beschreibung der Dispersion werden Teildispersionen und oft auch die Koeffizienten einer Dispersionsformel wie der Sellmeier- oder der Cauchy-Gleichung angegeben.
• Abweichungen von der Homogenität des Glases, wie Schlieren (bandförmige kurzreichweitige Schwankungen des Brechungsindex innerhalb eines Glasbauteils im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm)^[1] oder der Gehalt an Blasen und anderen Einschlüssen.
• Eigenschaften die für die Fertigung von optischen Bauteilen und deren Verhalten im Einsatz von Bedeutung sind, wie etwa die Schleifbarkeit, Wärmeausdehnung, Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur oder die Empfindlichkeit gegen chemische Einflüsse (Säureempfindlichkeit).

Arten optischer Gläser

Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge für einige optische Glassorten.

Es gibt heute über 250 optische Gläser^[2]. Sie basieren hauptsächlich auf den zwei wichtigsten Glasfamilien Kronglas K (engl. crown) und Flintglas F (engl. flint). Zusätzlich wird bei der Bezeichnung der Schott-Gläser mit dem Zusatz S für „Schwer“ (engl. dense) ein hoher Brechungsindex und mit L für „Leicht“ (engl. light) ein niedriger Brechungsindex angezeigt (z. B. Schwerflintglas SF6, oder Leichtflintglas LF5). Zusätzliche chemische Komponenten, die entscheidend für die optischen Eigenschaften sind, werden bei der Bezeichnung den Hauptglassorten vorangestellt (z. B. Barium-Kronglas N-BaK4 bzw. S-BAL14 oder Fluor-Kronglas FK). Umweltverträgliche arsen- und bleifreie Gläser werden zusätzlich bei Schott mit N- (z. B. N-BK7) bzw. S- bei Ohara (z. B. S-BSL7) gekennzeichnet. Ausnahmen bilden Gläser, die unter ihrem Markennamen geführt werden, wie zum Beispiel der glaskeramische Werkstoff Zerodur.

Beispiele einiger optischer Glassorten verschiedener Hersteller nach ^[2][3][4]
(Brechungsindex n_d bei 587,6 nm)

Glasart	Schott AG	Hoya K.K.	Corning Inc.	Ohara Inc.	Dichte in g/cm3	nd
Quarzglas					2,20	1,46
Fluor-Kronglas	N-FK51A				3,68	1,49
Kronglas	N-K5	C5		S-NSL5	2,59	1,52
Borosilikat-Kronglas	N-BK7	BSC7	BSC B16-64	S-BSL7	2,51	1,52
ZERODUR®					2,53	1,54
Barium-Kronglas	N-BaK4	BaC4		S-BAL14	3,05	1,57
Leichtflintglas	LF5	FL5			3,22	1,58
Schwerkronglas	N-SK4	BaCD4		S-BSM4	3,54	1,61
Flintglas	F2	F2			3,60	1,62
Schwerflintglas	N-SF10	E-FD10	FeD D28-28	S-TIH10	3,05	1,73
Schwerflintglas	SF6	FD6	FeD E05-25		5,18	1,81
Schwerflintglas	N-SF6	FD60		S-TIH6	3,37	1,81
Lanthan-Schwerflintglas	N-LaSF9	TaFD9		S-LAH71	4,41	1,85

Chemische Zusammensetzung und Transmissionsbereich

Die folgende Tabelle gibt die chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent, sowie den Transmissionsbereich der wichtigsten optischen Glassorten wieder. Die Transmissionsbereiche sind ungefähre Angaben und variieren leicht in den Unterglassorten. Weiterhin ist die Transmission von der Glasdicke abhängig.

Glasart	SiO2	Al2O3	Na2O	K2O	CaO	P2O5	B2O3	PbO	BaO	Li2O	TiO2	ZrO2	ZnO	MgO	Nb2O5	Transmissionsbereich
Quarzglas	100															200…3000 nm
Borosilikatglas	80	3	4	0,5			12,5									350…2000 nm
Kronglas (K)	73	2	5	17	3											350…2000 nm
Borosilikat-Kronglas (BK7)[5]	70		8,4	8,4			10		2,5							350…2300 nm
Flintglas (F)	62		6	8				24								400…2500 nm
ZERODUR®[6]	55,4	25,4	0,2	0,6		7,2				3,7	2,3	1,8	1,6	1		400…2700 nm
Schwerflintglas (SF6)[5]	27,3			1,5				71								380…2500 nm
Schwerflintglas (N-SF6 / S-TIH6)[7]	25		10	10	10				10		25	1			5	400…2000 nm

Kombination optischer Gläser

Die Glashersteller bieten ein breites Sortiment von Glassorten mit verschiedenen Brechungs- und Dispersionseigenschaften an. Je mehr Gläser ein Konstrukteur zur Auswahl hat, welche er in einem optischen System (z. B. einem Objektiv) kombinieren kann, umso besser lassen sich die Abbildungsfehler korrigieren. Beispielsweise lässt sich durch die Verwendung von zwei (Achromate), drei (Apochromate) oder mehr Glassorten mit unterschiedlicher Dispersion, in Linsensystemen die chromatische Aberration im sichtbaren Spektrum minimieren bzw. nahezu ganz unterdrucken. Die Maßzahl für den verbleibende Farbfehler ist das sekundäre Spektrum, welches die Schnittweite bei drei Wellenlängen in Beziehung setzt. Mit Glassorten die gezielt auf ein ungewöhnliches Dispersionsverhalten entwickelt worden sind, lässt sich das sekundäre Spektrum ganz beseitigen. Dazu zählen vor allem Gläser mit hohem Brechungsindex bei gleichzeitig hoher Abbe-Zahl, sowie Gläser mit hoher Teildispersion im blauen Spektralbereich.

• 

  Auswirkung des unterschiedlichen Dispersionsverhaltens von Kronglas und Flintglas am Beispiel von Sammellinsen.

• 

  Kombination von Kronglas und Flintglas in einem Achromaten zur Korrektur der chromatischen Aberration.

• 

  Beseitigung des sekundären Spektrums in einem Apochromaten durch Verwendung von mehreren optischen Glasorten.

Weblinks

• Optical Glass - Description of Properties Schott AG 2011 (pdf-Datei in engl.; abgerufen am 7. November 2011)
• Optisches Glas - Datenblätter Schott AG 2011 (Katalog in Excel- oder ZEMAX-Format, sowie Abbe-Diagramme in A0; abgerufen am 7. November 2011)
• Optical Glass HOYA CORP. USA OPTICS DIVISION (pdf-Datei in engl.; abgerufen am 8. November 2011)
• OPTISCHE GLÄSER - Technische Informationen OHARA GmbH 2010 (pdf-Datei; abgerufen am 8. November 2011).
• Datenbank optischer Gläser verschiedener Hersteller (von Mikhail Polyanskiy)

Literatur

• Hans Bach, Norbert Neuroth: The Properties of Optical Glass. 2. Aufl. Springer, 1995, ISBN 978-3540583578.
• Jai Singh: Optical Properties of Condensed Matter and Applications. John Wiley & Sons, 2006, ISBN 978-0470021927, S. 159–196 (Chapter 8 - Optical Properties of Glasses.).
• George H. Steward: Optical Design of Microscopes (SPIE Tutorial Texts). SPIE Press, 2010, ISBN 978-0819480958, S. 169–194 (Chapter 17/18 - Optical Materials / Composition and Spectra of Materials.).

Einzelnachweise

1. ↑ Ralf Jedamzik, Peter Hartmann: Homogenität optischer Gläser. In: DGaO-Proceedings. 2004 (PDF).
2. ↑ ^{a b} Hans Bach, Norbert Neuroth: The Properties of Optical Glass. Springer, 1995, ISBN 978-3540583578, S. 39-76.
3. ↑ Schott AG: Optisches Glas - Datenblätter 2011 (Excel-Datei; abgerufen am 7. November 2011).
4. ↑ OHARA GmbH: OPTISCHE GLÄSER - Technische Informationen. 2010 (PDF; abgerufen am 8. November 2011).
5. ↑ ^{a b} D. Heiman, D. S. Hamilton, R. W. Hellwarth: Brillouin scattering measurements on optical glasses. In: Physical Review B (Condensed Matter). Volume 19, Issue 12, 1979, S. 6583–6592 (PDF).
6. ↑ Michael J. Viens: Fracture Toughness and Crack Growth of Zerodur. In: NASA Technical Memorandum 4185. April 1990 (PDF).
7. ↑ George H. Steward: Optical Design of Microscopes (SPIE Tutorial Texts). SPIE Press, 2010, ISBN 978-0819480958, S.194 (Chapter 18 - Composition and Spectra of Materials.)