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Optisches Glas
Edmund Optics GmbH

Optisches Glas

SPEZIFIKATIONEN FÜR OPTISCHES GLAS

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.

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 TypbezeichnungGlasnummerSchott-ÄquivalentOhara-ÄquivalentCDGM-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

h2>EIGENSCHAFTEN OPTISCHER GLÄSER

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 (nd) 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 (vd), die sich aus der Gleichung (nd - 1)/(nF - nC) ergibt, wobei nF und nC 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
Sample Optical Glass Transmittance Curve
Abb.1: Beispiel für die Transmissionskennlinien optischer Gläser

Zusätzliche Eigenschaften

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
GlasbezeichnungBrechungsindex (nd)Abbe-Zahl (vd)Dichte (g/cm3)Thermischer Ausdehnungskoeffizient*Maximale Betriebstemperatur(°C)
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

*10-6/°C
**Saphir ist ein doppelbrechendes Material. Alle technischen Daten beziehen sich auf Strahlen parallel zur C-Achse.

AUSWAHL DES OPTISCHEN GLASES

EO Abbediagramm mit thermischem Ausdehnungskoeffizienten und relativer Teildispersion
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 (vd) als x-Achse und dem Brechungsindex (nd) 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.

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