Optisches Glas und seine Eigenschaften

In diesem Text erhalten Sie Antworten auf die folgenden Fragestellungen:

Welche Spezifikationen werden für die Auswahl von Glas herangezogen?

Welche Bedeutung haben Dichte und Ausdehnungskoeffizient?

Was sind typische Eingenschaften optischer Gläser? - Brechungsindex, Dispersion, Transmission

Welche weiteren Eigenschaften von optischen Gläsern sind relevant?

Wie erfolgt die Auswahl von optischem Glas?

Welche Spezifikationen werden für die Auswahl von Glas herangezogen?

Die sorgfältige Auswahl des Glasmaterials ist deswegen wichtig, weil verschiedene Glassorten natürlich unterschiedliche Eigenschaften haben. Edmund Optics^® bietet eine Vielzahl von Gläsern, deren wichtigste Eigenschaften im Folgenden erklärt werden.

Der Brechungsindex und die Abbe-Zahl eines Glases sind die üblichen Parameter, nach denen Optikdesigner die Gläser für ein bestimmtes System auswählen und aufeinander abstimmen. Der Brechungsindex bezeichnet das Verhältnis aus der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und der Lichtgeschwindigkeit in einem bestimmten Material bei einer bestimmten Wellenlänge. Die Abbe-Zahl eines Materials gibt dann die Schwankungen des Brechungsindex an, wenn sich die Wellenlänge ändert, die sogenannte Dispersion. Je höher der Brechungsindex ist, umso effizienter wird das Licht gebrochen, sodass die Linse weniger stark gekrümmt sein muss. Das reduziert die sphärische Aberration der Linse, dafür sind hochbrechende Gläser aber in der Regel teurer. Material mit einer hohen Abbe-Zahl weist eine geringere Farbdispersion auf und reduziert damit die chromatische Aberration. Ein weiteres Kriterium ist außerdem der Transmissionsbereich, der sich für verschiedene Gläser unterscheiden kann.

Welche Bedeutung haben Dichte und Ausdehnungskoeffizient?

Von der Dichte des Glases hängt das Gewicht einer optischen Baugruppe ab. Neben dem Linsendurchmesser ist dieser Aspekt bei gewichtsempfindlichen Anwendungen besonders wichtig. Die Dichte ist auch ein Anhaltspunkt für die Möglichkeiten, das Glas zu bearbeiten und hängt auch mit den Materialkosten zusammen. Wenn bei einer bestimmten Anwendung extreme Temperaturen und schnelle Temperaturänderungen auftreten, dann wird auch der thermische Ausdehnungskoeffizient eines Glases ein wichtiger Faktor. Konstrukteure von optomechanischen Geräten müssen dies bei der Konstruktion von Optikbaugruppen beachten.

Viele Glashersteller bieten Gläser mit den gleichen Eigenschaften unter verschiedenen Handelsnamen an. Die meisten haben ihre Produkte und Prozesse umweltfreundlich gestaltet (keine Verwendung von Blei und Arsen).

Tabelle 1: Äquivalente Glasmaterialien
Aufgeführte Typbezeichnung	Glasnummer	Schott-Äquivalent	Ohara-Äquivalent	CDGM-Äquivalent
N-BK7	517/642	N-BK7	S-BSL7	H-K9L
N-K5	522/595	N-K5	S-NSL 5	H-K50
N-PK51	529/770	N-PK51	–	–
N-SK11	564/608	N-SK11	S-BAL 41	H-BaK6
N-BAK4	569/561	N-BAK4	S-BAL 14	H-BaK7
N-BAK1	573/576	N-BAK1	S-BAL11	H-BaK8
N-SSK8	618/498	N-SSK8	S-BSM 28	–
N-PSK53A	618/634	N-PSK53A	S-PHM52	–
N-F2	620/364	N-F2	S-TIM 2	H-F4
S-BSM18	639/554	–	S-BSM18	H-ZK11
N-SF2	648/338	N-SF2	S-TIM 22	H-ZF1
N-LAK22	651/559	N-LAK22	S-LAL54	H-LaK10
S-BAH 11	667/483	–	S-BAH 11	H-ZBaF16
N-BAF10	670/472	N-BAF10	S-BAH 10	H-ZBaF52
N-SF5	673/322	N-SF5	S-TIM 25	H-ZF2
N-SF8	689/312	N-SF8	S-TIM 28	H-ZF10
N-LAK14	697/554	N-LAK14	S-LAL14	H-LAK51
N-SF15	699/301	N-SF15	S-TIM35	H-ZF11
N-BASF64	704/394	N-BASF64	–	–
N-LAK8	713/538	N-LAK8	S-LAL8	H-LAK7
S-TIH 18	722/293	–	S-TIH 18	–
N-SF10	728/284	N-SF10	S-TIH 10	H-ZF4
N-SF4	755/276	N-SF4	S-TIH4	H-ZF6
N-SF14	762/265	N-SF14	S-TIH 14	–
N-SF11	785/258	N-SF11	S-TIH 11	H-ZF13
SF65A	785/261	SF65A	S-TIH23	–
N-LASF45	800/350	N-LASF45	S-LAM66	H-ZLaF66
N-LASF44	803/464	N-LASF44	S-LAH 65	H-ZLaF50B
N-SF6	805/254	N-SF6	S-TIH 6	H-ZF7LA
N-SF57	847/238	N-SF57	S-TIH 53	H-ZF52
N-LASF9	850/322	N-LASF9	S-LAH71	–
S-NPH2	923/189	–	S-NPH2	–
N-SF66	923/209	N-SF66	–	–

Was sind typische Eingenschaften optischer Gläser? - Brechungsindex, Dispersion, Transmission

Die Qualität und Integrität optischen Glases wird heute von Optikingenieuren als selbstverständlich vorausgesetzt. Vor fast 125 Jahren revolutionierte Otto Schott die Optikindustrie durch die systematische Erforschung und Entwicklung verschiedener Zusammensetzungen für Gläser. Seine Entwicklungsarbeiten zur Zusammensetzung und zum Produktionsprozess revolutionierten die Glasherstellung und machten Glas zu einem technisch brauchbaren Material, das nicht nach dem Motto "Versuch und Irrtum" hergestellt wurde. Die Eigenschaften optischer Gläser sind heute vorhersagbar, reproduzierbar und homogen – grundlegende Voraussetzungen für einen Werkstoff in der Technik. Die grundlegenden Eigenschaften eines optischen Glases sind:

Brechungsindex

Der Brechungsindex beschreibt das Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und der Lichtgeschwindigkeit in einem bestimmten Material und hat damit grundsätzlich einen Wert >1. Der Brechungsindex für optische Gläser $ \small{n_d} $ wird für eine Wellenlänge von 587,6 nm (d-Linie von Helium) angegeben. Gläser mit einem niedrigen Brechungsindex werden allgemein als "Krongläser" bezeichnet, Glassorten mit einem hohen Brechungsindex dagegen als "Flintgläser". Die typische Toleranz für den Brechungsindex liegt bei den Komponenten in unserem Katalog bei ± 0,0005.

Dispersion

Dispersion ist ein Maß für die Änderung des Brechungsindex in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Angegeben wird die Dispersion als Abbe-Zahl $ \small{v_d} $, die sich aus der Gleichung $ \frac{\small{ \left( n_d - 1 \right)}}{\left( n_F - n_C \right)} $ ergibt, wobei $ \small{n_F} $ und $ \small{n_C} $ die Brechungsindizes bei 486,1 nm (F-Linie von Wasserstoff) und 656,3 nm (C-Linie von Wasserstoff) sind. Eine niedrige Abbe-Zahl entspricht einer hohen Dispersion. Kron-Gläser haben allgemein eine niedrigere Dispersion als Flint-Gläser. Die typische Toleranz der Abbe-Zahl der Komponenten in unserem Katalog liegt bei ± 0,8 %.

Transmission

Optische Standardgläser haben eine hohe Transmission im gesamten sichtbaren Spektrum und darüber hinaus auch im nahen Infrarot- und nahen ultravioletten Bereich. Abbildung 1 zeigt einige typische Transmissionskurven. Krongläser haben eine bessere Transmission im nahen ultravioletten Bereich als Flintgläser. Flintgläser haben aufgrund ihres hohen Brechungsindex einen höheren Verlust durch Fresnelreflexion und sollten daher immer mit einer Antireflexionsbeschichtung bestellt werden.

Sample Optical Glass Transmittance Curve

Abb.1: Beispiel für die Transmissionskennlinien optischer Gläser

Welche weiteren Eigenschaften von optischen Gläsern sind relevant?

Bei der Konstruktion einer Optik, die unter extremen Bedingungen eingesetzt werden soll, ist es wichtig zu wissen, dass jedes optische Glas etwas andere chemische, thermische und mechanische Eigenschaften besitzt. Diese Eigenschaften können dem Glasdatenblatt entnommen werden.

Tabelle 2: Wichtige Werte für alle Glassorten
Glasbezeichnung	Brechungsindex, $ \left( \small{n_d} \right) $	Abbe-Zahl, $ \left( \small{ v_d} \right) $	Dichte$\left[ \small{ \tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3}} \right] $	Thermischer Ausdehnungskoeffizient*	Maximale Betriebstemperatur $\left( ^{\small{\text{o}}} \small{ \text{C}} \right) $
CaF₂	1.434	95.10	3.18	18.85	800
Fused Silica	1.458	67.70	2.20	0.55	1000
Schott BOROFLOAT®	1.472	65.70	2.20	3.25	450
S-FSL5	1.487	70.20	2.46	9.00	457
N-BK7	1.517	64.20	2.46	7.10	557
N-K5	1.522	59.50	2.59	8.20	546
B270/S1	1.523	58.50	2.55	8.20	533
Schott ZERODUR®	1.542	56.20	2.53	0.05	600
N-SK11	1.564	60.80	3.08	6.50	604
N-BAK4	1.569	56.10	3.10	7.00	555
N-BaK1	1.573	57.55	3.19	7.60	592
L-BAL35	1.589	61.15	2.82	6.60	489
N-SK14	1.603	60.60	3.44	7.30	649
N-SSK8	1.618	49.80	3.33	7.10	598
N-F2	1.620	36.40	3.61	8.20	432
BaSF1	1.626	38.96	3.66	8.50	493
N-SF2	1.648	33.90	3.86	8.40	441
N-LAK22	1.651	55.89	3.73	6.60	689
S-BaH11	1.667	48.30	3.76	6.80	575
N-BAF10	1.670	47.20	3.76	6.80	580
N-SF5	1.673	32.30	4.07	8.20	425
N-SF8	1.689	31.20	4.22	8.20	422
N-LAK14	1.697	55.41	3.63	5.50	661
N-SF15	1.699	30.20	2.92	8.04	580
N-BASF64	1.704	39.38	3.20	9.28	582
N-LAK8	1.713	53.83	3.75	5.60	643
N-SF18	1.722	29.30	4.49	8.10	422
N-SF10	1.728	28.40	3.05	7.50	454
S-TIH13	1.741	27.80	3.10	8.30	573
N-SF14	1.762	26.50	4.54	6.60	478
Sapphire**	1.768	72.20	3.97	5.30	2000
N-SF11	1.785	25.80	5.41	6.20	503
N-SF56	1.785	26.10	3.28	8.70	592
N-LASF44	1.803	46.40	4.46	6.20	666
N-SF6	1.805	25.39	3.37	9.00	605
N-SF57	1.847	23.80	5.51	8.30	414
N-LASF9	1.850	32.20	4.44	7.40	698
N-SF66	1.923	20.88	4.00	5.90	710
S-LAH79	2.003	28.30	5.23	6.00	699
ZnSe	2.403	N/A	5.27	7.10	250
Silicon	3.422	N/A	2.33	2.55	1500
Germanium	4.003	N/A	5.33	6.10	100

*$ \tfrac{10^{-6}}{\small{^{\text{o}}} \text{C}} $
**Saphir ist ein doppelbrechendes Material. Alle technischen Daten beziehen sich auf Strahlen parallel zur C-Achse.

Wie erfolgt die Auswahl von optischem Glas?

Figure 2: EO Abbediagramm mit thermischem Ausdehnungskoeffizienten und relativer Teildispersion

Geometrische und farbinduzierte Aberrationen in optischen Systemen können nur durch Verwendung von mehr als einer Glassorte kompensiert werden. In den meisten Fällen werden sogar drei oder mehr Glassorten verwendet. Die Anforderungen an optische Systeme für verschiedene Einsatzzwecke sind so unterschiedlich, dass sie mit ein paar wenigen Glassorten nicht erfüllt werden könnten. Aus diesem Grund wurde eine große Vielzahl von Glassorten entwickelt. Traditionell werden diese in dem Abbe-Diagramm dargestellt, einem Diagramm für den Brechungsindex und die Dispersion.

Das Abbe-Diagramm wurde von SCHOTT erstmals 1923 eingeführt und ist eine seit Langem etablierte Übersicht für die angebotenen optischen Gläser (siehe Abb.2). Die Glassorten werden in einem zweidimensionalen Koordinatensystem mit der Abbe-Zahl $ \small{ \left(v_d \right) } $ als x-Achse und dem Brechungsindex $ \small{ \left(n_d \right) } $ als y-Achse eingetragen. Die x-Achse verläuft in entgegengesetzter Richtung, das heißt, die Zahlenwerte nehmen von rechts nach links zu.

Im Abbe-Diagramm werden die Glassorten in Typbezeichnungen, wie BK, SK, F, SF usw. unterteilt. Diese "Glasfamilien" entsprechen den Bereichen im Abbe-Diagramm, die durch die blauen Linien begrenzt sind. Eine Linie trennt die Krongläser (letzter Buchstabe "K") von den Flintgläsern (letzter Buchstabe "F"). Diese Trennlinie verläuft bei Abbe-Zahl 55 vertikal nach oben bis n = 1,6, dann horizontal bis Abbe-Zahl 50 und dort wieder vertikal bis nach oben.

Die Anfangsbuchstaben der Typbezeichnung geben die in dieser Glassorte verwendeten wichtigen chemischen Elemente an: F – Fluor, P – Phosphor, B – Bor, BA – Barium, LA – Lanthanium. Von dieser Regel weichen die Glassorten der Kron-Flintglasserie ab. Diese Gläser liegen auf einer ansteigenden Kurve, von K ("Kronglas") über KF ("Kron-Flintglas") bis zu den Flintgläsern mit steigendem Bleigehalt und damit steigender Dichte: LLF ("sehr leichtes Flintglas"), LF ("leichtes Flintglas"), F ("Flintglas") und SF ("Schwerflintglas"). Eine andere Abweichung von der Benennungsregel sind die Glassorten SK und SSK: SK ("Schwer-Kron") und SSK ("Schwerst-Kron"). LAK, LAF und LASF beziehen sich auf Lanthanium-Kronglas, Flintglas und dichte Flintgläser.

Weiterführende Informationen

Anwendungshinweis