ОПТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1997 года по МПК G02B1/00 

Изобретение относится к оптике в частности к линзам, и может использоваться в оптических системах, обладающих улучшенным качеством изображения при теоретически предельных характеристиках. Известны оптические материалы стекла с высоким показателем преломления в частности, сверхтяжелые кроны СТК16 и СТК20 с показателями преломления n_e=1,790 и 1,768 и дисперсиями ν 45,4 и 50 соответственно [1]
По химическому составу сверхтяжелые кроны представляют собой боратные стекла, содержащие 7-39 мол. SiO₂; 24-52 мол. B₂O₃; 34-48 мол. (CaO, ZnO, Al₂O₃ + La₂O₃, TiO₂, ZrO₂) [2]
Известна также [3] группа тяжелых баритовых флинтов, например, ТБФ9 с n_e= 1,8129 и n 42,5, а также ТБФ11 с n_e=1,837 и n 42,8. По химическому составу тяжелые баритовые флинты состоят из 20-40 мол. SiO₂; 20 мол. B₂O₃; 3-43 мол. BaO, PbO с добавками ZnO, CaO, TiO₂, WO₃[2]
Эти стекла довольно перспективны для улучшения качества изображения при разработке оптических систем с характеристиками, близкими к предельным. Однако, показатель преломления этих стекол ограничен величинами, указанными выше, и не может быть более 2,0, при этом они имеют высокие значения дисперсии.

Достаточно сложная технология изготовления таких стекол оптического качества ограничивает их выпуск и определяет высокую стоимость.

Кроме того к недостаткам этих стекол относится их взаимодействие с влагой. По показателю пятнаемости стекла, содержащие >17 мол. B₂O₃ относятся к III группе (пятнающиеся стекла) и IV группе (нестойкие стекла) [4]
Наиболее близким к предлагаемому материалу для изготовления линз является оптический материал: к которому относится группа сверхтяжелых флинтов [5] типа СТФ2 с n_e=1,955, и n 20,2 и СТФ3 с n_e=2,186 и n 16,6. По химическому составу сверхтяжелые флинты состоят из 50 мол. SiO₂; 48-59 мол. PbO и 0,5-1,5 мол. K₂O (Na₂O).

Недостатком таких стекол, является желтый оттенок, что снижает прозрачность в видимой области на 10-20% а также повышенная кристаллизационная способность, что приводит к изменению оптических характеристик вследствие старения [4]
Техническим результатом изобретения является изыскание оптического преломляющего материала с высоким показателем преломления [1, 2] при относительно невысокой дисперсии (n 20), обеспечивающего повышение качества изображения.

Согласно изобретению технический результат обеспечивается за счет того, что ортогерманат висмута Bi₄Ge₃O₁₂, показатель преломления которого n=2,1, а дисперсия n 20.

Указанное соединение описано в литературе [6] и ранее использовалось в качестве сцинтилляционного материала для регистрации гамма-излучения, электроном и др. элементарных частиц в ядерной физике, геологии, медицине. Использование ортогерманата висмута для изготовления линз в литературе не описано.

Применение ортогерманата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ в сравнении с обычными кроновыми и флинтовыми стеклами (аналоги и прототип) при одинаковых (нормированных) фокусных расстояниях приводит к меньшей кривизне преломляющих поверхностей и вследствие этого к снижению абберций всех порядков, а это в свою очередь, приводит к возможности увеличения относительного отверстия оптической системы без ее усложнения. При этом, помимо возможности создания новых систем, возникает возможность упрощения серийно выпускаемых оптических систем, в частности, фотообъективов за счет замены в них сложных коррекционно-силовых компонентов более простыми, содержащими ортогерманат висмута.

Таким образом, применение Bi₄Ge₃O₁₂ в качестве оптического материала при изготовлении линз оптических систем приводит к возможности повышения качества изображения без их усложнения за счет уменьшения кривизны преломляющей поверхности и за счет исправления астигматизма.

Получение монокристаллов ортогерманата висмута.

Исходную смесь оксидов висмута (III) марки ОСФ 13-3 (для монокристаллов) и оксида германия (IV) (ТУ 48-21-72), взятую в соотношении Bi₂O₃:GeO₂ 2:3, в количестве 1,0 кг перемешивают в агатовой ступке и затем проводят твердофазный синтез шихты Bi₄Ge₃O₁₂ в платиновой чашке на воздухе при 750-950^oC. Полученную шихту загружают в платиновый тигель диаметром 200 мм, высотой 300 мм в количестве 40 кг, расплавляют и проводят процесс выращивания монокристаллов методом Чохральского на ориентированную затравку. Получают бесцветные монокристаллы диаметром до 150 мм и длиной до 250 мм.

На чертеже представлен окуляр.

В качестве примера конкретного использования можно привести разработку окуляра для телескопических систем. Окуляр имеет следующие конструктивные параметры (см.таблицу).

Расчет хода действительных лучей свидетельствует, что по сравнению с известным трехлинзовым окулятором, в котором одна линза (N 1) с высоким показателем преломления (n=2,0667), выполненная из сверхтяжелого флинта [7] заменяется на линзу из ортогерманата висмута, данный окуляр обладает улучшенным качеством изображения за счет уменьшения кривизны поверхности линзы, и исправления астигматизма (астигматическая разности в пределах поля ω 30^o не превышает 2 мм, что более чем в три раза лучше, чем в известном окуляре).

Применение линз, выполненных из ортогерманата висмута Bi₄Ge₃O₁₂ при разработке оптических систем при одинаковых (нормированных) характеристиках позволяет повысить качество изображения без усложнения оптической системы, а также существенно расширить спектральный диапазон применения оптических приборов.

Кроме того, использование Bi₄Ge₃O₁₂ выгодно экономически, т.к. позволяет снизить стоимость изделий за счет несложной технологии изготовления предлагаемого оптического материала.

Использование линз, выполненных из ортогерманата висмута позволяет также увеличить срок эксплуатации оптических систем за счет негигроскопичности применяемого материала (отсутствие пятнаемости), высокой радиационной стойкости.

Поскольку в качестве оптического материала используется монокристалл (а не стекло как в прототипе), то устраняется один из основных недостатков высокопреломляющих стекол, а именно повышенная кристаллизационная способность, что также позволяет увеличить срок эксплуатации этого материала.

Источники информации:
1. Бесцветное оптическое стекло СССР. Каталог. М. Госстандарт, 1990, с. 52.

2. Физико-химические основы производства оптического стекла /под ред. Л. И.Демкиной. Л. Химия, 1976, с. 62-77.

3. Бесцветное оптическое стекло СССР. Каталог. М. Госстандарт, 1990, с. 62.

4. Физико-химические основы производства оптического стекла /под ред. Л. И.Демкиной. Л. Химия, 1976, с. 185-186, с. 209-220.

5. Бесцветное оптическое стекло СССР. Каталог. М. Госстандарт, 1990, с. 74.

6. Каргин Ю.Ф. Каргин В.Ф. Скориков В.М. Шадеев Н.И. Пехова Т.И. Синтез и излучение сцинтилляционных свойств монокристаллов Bi₄Ge₃O₁₂. Изв. АН СССР, Неорганические материалы, 1984, т. 20, N 5, с. 815-817.

7. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л. Машиностроение, 1989, с. 202-203.

Использование: в частности оптические системы, обладающие улучшенным качеством изображения при теоретически предельных характеристиках. Сущность изобретения: для изготовления линз используется ортогерманат висмута, что позволяет при разработке оптических систем при одинаковых фокусных расстояниях повысить качество изображения за счет исправления астигматизма вследствие уменьшения кривизны преломляющей поверхности, а также увеличить срок эксплуатации оптических систем за счет негигроскопичности материала, его монокристалличности, а также высокой радиационной стойкости. 1 ил., 1 табл.

Применение монокристаллов ортогерманата висмута Bi₄Ge₃O_1 2 в оптических системах в качестве оптического материала с показателем преломления n 2,1 и дисперсией ν = 20.н