DE112020005773T5 - Glaskeramik für optische Filter und optische Filter - Google Patents

Abstract

Man erhält eine Glaskeramik für ein optisches Filter und ein optisches Filter, die sowohl thermische Ausdehnungseigenschaften zur Verhinderung von Brechungsindexschwankungen bei einer Verwendungstemperatur eines Filterelements als auch mechanische Eigenschaften unter Berücksichtigung der Haltbarkeit aufweisen und darüber hinaus eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit besitzen.Die innere Durchlässigkeit der Glaskeramik für einen optischen Filter beträgt 0,970 oder mehr in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm, wenn die Dicke der Glaskeramik 1 mm beträgt. Die Glaskeramik enthält, in Massenprozent bezogen auf Oxid, 40,0 % bis 70,0 % einer SiO2-Komponente, 11,0 % bis 25,0 % einer Al2O3-Komponente, 5,0 % bis 19,0 % einer Na2O-Komponente, 0 % bis 9,0 % einer K2O-Komponente, 1,0 % bis 18,0 % einer oder mehrerer Komponenten, ausgewählt aus einer MgO-Komponente und einer ZnO-Komponente, 0 % bis 3,0 % einer CaO-Komponente und 0,5 % bis 12,0 % einer TiO2-Komponente.

Description

• GEBIET DER OFFENBARUNG
• Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Glaskeramik für ein optisches Filter und ein optisches Filter, das die Glaskeramik verwendet.
• HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
• Zu den optischen Filtern gehören optische Filter, die eine bestimmte Wellenlänge abschneiden, um eine bestimmte Wellenlänge zu übertragen, und optische Filter, die die Lichtintensität unabhängig von der Wellenlänge verringern. Beispiele für die erste Art von optischen Filtern sind Bandpassfilter, die nur eine bestimmte Wellenlänge durchlassen, Kerbpassfilter, die nur eine bestimmte Wellenlänge schneiden, Hochpassfilter, die nur eine Wellenlänge durchlassen, die kürzer oder länger als eine bestimmte Wellenlänge ist, und Tiefpassfilter. Zu den letztgenannten optischen Filtern gehört auch ein ND-Filter.
• Darüber hinaus gibt es optische Filter vom Absorptionstyp und vom Interferenztyp. Ein typisches Beispiel für einen optischen Filter vom Absorptionstyp ist ein ND-Filter, und ein typisches Beispiel für einen optischen Filter vom Interferenztyp ist ein Bandpassfilter. Kunststoff wird als Substrat für einen optischen Filter vom Absorptionstyp für Fotografien und ähnliches verwendet, aber Glas wird für das Substrat eines optischen Filters mit einem starken Laser verwendet, da Haltbarkeit und Hitzebeständigkeit erforderlich sind.
• Ein Bandpassfilter kann durch einen dielektrischen Mehrschichtfilm mit einer Struktur gebildet werden, bei der beispielsweise ein dielektrischer Dünnfilm (H-Schicht) mit einem hohen Brechungsindex und ein dielektrischer Dünnfilm (L-Schicht) mit einem niedrigen Brechungsindex abwechselnd auf ein Substratmaterial wie Glas laminiert sind.
• Wenn in einem Bandpassfilter, das in einem optischen Wellenlängenmultiplexsystem (WDM) verwendet wird, eine schmale Bandbreite für eine zu übertragende Wellenlänge eingestellt wird, um den Bandpassfilter auf eine Wellenlänge mit höherer Dichte anzuwenden, gibt es ein Problem bezüglich der Temperaturstabilität der mittleren Wellenlänge des Bandes. Das heißt, der Bandpassfilter ist ein empfindliches Element, bei dem die mittlere Wellenlänge des Bandes selbst bei einer leichten Temperaturänderung schwankt, und daher muss die Temperaturkompensation durch einen Temperaturregler durchgeführt werden, wenn der Bandpassfilter verwendet wird. Aufgrund von Platzproblemen bei Verwendung des Bandpassfilters ist es jedoch praktisch unmöglich, einen Temperaturregler anzubringen. Die Bandbreite muss mit zunehmender Menge an optischer Information verringert werden, wodurch die Bedeutung der Temperaturstabilität der mittleren Wellenlänge zunimmt.
• Gewöhnliches optisches Glas hat eine geringe Wärmebeständigkeit und ist daher als Substratmaterial für Bandpassfilter nicht geeignet. Patentdokument 1 offenbart eine Glaskeramik als Substratmaterial für einen Bandpassfilter. Die Glaskeramik hat hervorragende thermische Ausdehnungseigenschaften und mechanische Festigkeit, aber eine hohe Härte und geringe Verarbeitbarkeit.
• [Dokument aus dem Stand der Technik]
• [Patentliteratur]
• [Patentdokument 1] Japanische nicht angemeldete Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2001-318222
• ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
• Technisches Problem
• Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, verschiedene Nachteile zu beseitigen, die in dem oben erwähnten verwandten Stand der Technik gefunden wurden, indem eine Glaskeramik für ein optisches Filter und ein optisches Filter mit thermischen Ausdehnungseigenschaften, die Brechungsindexschwankungen bei einer Verwendungstemperatur eines Filterelements verhindern, mit mechanischen Eigenschaften, die die Dauerhaftigkeit berücksichtigen, und ferner mit ausgezeichneter Verarbeitbarkeit bereitgestellt werden.
• Lösung des Problems
• Als Ergebnis intensiver Tests und Forschungen zur Lösung der oben genannten Probleme fanden die Erfinder heraus, dass eine Glaskeramik mit einer vorbestimmten Zusammensetzung in geeigneter Weise als optischer Filter mit hervorragender Lichtdurchlässigkeit, thermischen Ausdehnungseigenschaften und mechanischen Eigenschaften verwendet werden kann und darüber hinaus eine angemessene Härte und ausgezeichnete Verarbeitbarkeit aufweist, was zu der vorliegenden Offenbarung führte.
• Die vorliegende Offenbarung bietet Folgendes.
• (Konfiguration 1)
• Glaskeramik für einen optischen Filter, wobei die innere Durchlässigkeit der Glaskeramik 0,970 oder mehr in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm beträgt, wenn die Dicke der Glaskeramik 1 mm beträgt.
• Die Glaskeramik enthält in Masse-% Oxide:
• 40,0 % bis 70,0 % einer SiO₂ -Komponente,
• 11,0 % bis 25,0 % einer Al₂ O₃ Komponente,
• 5,0 % bis 19,0 % einer Na₂ O-Komponente,
• 0 % bis 9,0 % einer K₂ O-Komponente,
• 1,0 % bis 18,0 % einer oder mehrerer Komponenten, ausgewählt aus einer MgO-Komponente und einer ZnO-Komponente,
• 0 % bis 3,0 % einer CaO-Komponente und
• 0,5 % bis 12,0 % einer TiO₂ -Komponente.
• (Konfiguration 2)
• Die Glaskeramik für ein optisches Filter gemäß Konfiguration 1, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 70 × 10^-7 /°C bis 95 × 10^-7 /°C bei -30°C bis +70°C aufweist.
• (Konfiguration 3)
• Die Glaskeramik für ein optisches Filter gemäß Konfiguration 1 oder 2 hat einen Elastizitätsmodul von 78 GPa oder mehr.
• (Konfiguration 4)
• Glaskeramik für ein optisches Filter nach einer der Konfigurationen 1 bis 3, die als Hauptkristallphase eine oder mehrere Komponenten enthält, die ausgewählt sind aus MgAl₂ O₄ , MgTi₂ O₄, MgTi₂ O₅ , Mg₂ TiO₄, Mg₂ SiO₄, MgAl₂ Si₂ O₈, Mg₂ Al₄ Si₅ O₁₈, Mg₂ TiO₅, MgSiO₃, NaAlSiO₄, FeAl₂ O₄, und deren festen Lösungen.
• (Konfiguration 5)
• Optisches Filter, das durch Bilden eines dielektrischen Films auf der Glaskeramik gemäß einer der Konfigurationen 1 bis 4 erhalten wird.
• (Konfiguration 6)
• Bandpassfilter, der durch Bildung eines dielektrischen Films auf der Glaskeramik gemäß einer der Konfigurationen 1 bis 4 erhalten wird.
• Vorteilhafte Wirkungen der Offenbarung
• Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, eine Glaskeramik für ein optisches Filter und ein optisches Filter bereitzustellen, die sowohl thermische Ausdehnungseigenschaften zur Verhinderung von Brechungsindexschwankungen bei einer Verwendungstemperatur eines Filterelements als auch mechanische Eigenschaften unter Berücksichtigung der Haltbarkeit aufweisen und darüber hinaus eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit besitzen.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN
• AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Die vorliegende Offenbarung wird insbesondere in den folgenden Beispielen beschrieben, die nur zur Veranschaulichung dienen sollen, da zahlreiche Modifikationen und Variationen darin für den Fachmann offensichtlich sein werden.
• Wenn nicht anders angegeben, werden die Gehalte aller Komponenten in Masse-% in Form von Oxiden angegeben. Hier bedeutet „in Bezug auf Oxid“, dass unter der Annahme, dass alle Komponenten, aus denen die Glaskeramik besteht, aufgelöst und in Oxide umgewandelt werden und die Gesamtmasse der Oxide 100 Masse-% beträgt, die Menge der Oxide in jeder der in der Glaskeramik enthaltenen Komponenten in Masse-% ausgedrückt wird. Wie hier verwendet, bedeutet „A% bis B%“ A% oder mehr und B% oder weniger. Ferner bezieht sich „0%“ in „0% bis C%“ auf einen Gehalt von 0%.
• Die Glaskeramik gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält die folgenden Komponenten in Masse-%, bezogen auf Oxid:
• 40,0 % bis 70,0 % einer SiO₂ -Komponente,
• 11,0 % bis 25,0 % einer Al₂ O₃ Komponente,
• 5,0 % bis 19,0 % einer Na₂ O-Komponente,
• 0 % bis 9,0 % einer K₂ O-Komponente,
• 1,0 % bis 18,0 % einer oder mehrerer Komponenten, ausgewählt aus einer MgO-Komponente und einer ZnO-Komponente,
• 0 % bis 3,0 % einer CaO-Komponente und
• 0,5 % bis 12,0 % einer TiO₂ -Komponente.
• Die Komponente SiO₂ ist eine glasbildende Komponente, die eine Netzwerkstruktur aus Glas bildet. Die Komponente SiO₂ ist vorzugsweise in einer Menge von 45,0 % bis 65,0 % und besonders bevorzugt von 50,0 % bis 60,0 % enthalten.
• Die Komponente Al₂ O₃ ist eine Komponente, die zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit geeignet ist. Die Komponente Al₂ O₃ ist vorzugsweise in einer Menge von 13,0% bis 23,0% enthalten.
• Die Na₂ O-Komponente und die K₂ O-Komponente sind Komponenten, die am Ionenaustausch während der chemischen Verfestigung beteiligt sind. Die Komponente Na₂ O ist vorzugsweise in einer Menge von 8,0 % bis 16,0 % enthalten. Die Na₂ O-Komponente kann in einer Menge von 9,0 % oder mehr oder 10,5 % oder mehr enthalten sein. Die K₂ O-Komponente ist vorzugsweise in einer Menge von 0,1 % bis 7,0 % und besonders bevorzugt in einer Menge von 1,0 % bis 5,0 % enthalten.
• Die MgO-Komponente und die ZnO-Komponente sind Komponenten, die zur mechanischen Festigkeit beitragen. Die ZnO-Komponente ist eine Komponente, die die Viskosität von Glas verringert. Die eine oder mehreren Komponenten, die aus der MgO-Komponente und der ZnO-Komponente ausgewählt sind, sind vorzugsweise in einer Menge von 2,0 % bis 15,0 %, bevorzugter 3,0 % bis 13,0 % und noch bevorzugter 5,0 % bis 11,0 % enthalten. Die eine oder mehrere Komponenten, die aus der MgO-Komponente und der ZnO-Komponente ausgewählt sind, können die MgO-Komponente allein, die ZnO-Komponente allein oder beide Komponenten sein, vorzugsweise jedoch die MgO-Komponente allein.
• Die CaO-Komponente ist eine Komponente, die zur Stabilisierung von Glas beiträgt. Die CaO-Komponente ist vorzugsweise in einer Menge von 0,01 % bis 3,0 % und besonders bevorzugt von 0,1 % bis 2,0 % enthalten.
• Die Komponente TiO₂ ist eine Komponente, die als Keimbildner für die Kristallisation dienen kann. Die Komponente TiO₂ ist vorzugsweise in einer Menge von 1,0 % bis 10,0 % und besonders bevorzugt von 2,0 % bis 8,0 % enthalten.
• Die Glaskeramik kann als Klärmittel eine oder mehrere Komponenten, ausgewählt aus einer Sb₂ O₃ Komponente, einer SnO₂ Komponente und einer CeO₂ Komponente in einer Menge von 0,01% bis 3,0% (vorzugsweise 0,03% bis 2,0% und noch bevorzugter 0,05% bis 1,0%) enthalten.
• Die oben genannten Mischungsmengen können in geeigneter Weise kombiniert werden.
• Die eine oder mehrere Komponenten, die aus der SiO₂ -Komponente, der Al₂ O₃ - Komponente, der Na₂ O-Komponente, der MgO-Komponente und der ZnO₂ -Komponente ausgewählt sind; und die TiO -Komponente können zusammen in einer Menge von 90 % oder mehr, vorzugsweise 95 % oder mehr, noch bevorzugter 98 % oder mehr, und noch bevorzugter 98,5 % oder mehr enthalten sein.
• Die eine oder mehrere Komponenten, die aus der SiO₂ Komponente, der Al₂ O₃ Komponente, der Na₂ O Komponente, der K₂ O Komponente, der MgO Komponente und der ZnO Komponente, der CaO Komponente, der TiO₂ Komponente und der einen oder mehreren Komponenten, die aus der Sb₂ O₃ Komponente, der SnO₂ Komponente und der CeO₂ Komponente ausgewählt sind, können zusammen in einer Menge von 90 % oder mehr, vorzugsweise 95 % oder mehr, noch bevorzugter 98 % oder mehr und noch bevorzugter 99 % oder mehr enthalten sein. Diese Komponenten können auch 100 % der Glaskeramik ausmachen.
• Die Glaskeramik kann eine ZrO₂ Komponente enthalten oder auch nicht, solange die Wirkung der vorliegenden Offenbarung nicht beeinträchtigt wird. Die Mischungsmenge kann 0% bis 5,0%, 0% bis 3,0% oder 0% bis 2,0% betragen.
• Solange die Wirkung der vorliegenden Offenbarung nicht beeinträchtigt wird, kann die Glaskeramik eine B₂ O₃ Komponente, eine P₂ O₅ Komponente, eine BaO Komponente, eine FeO Komponente, eine Li₂ O Komponente, eine SrO Komponente, eine La₂ O₃ Komponente, eine Y₂ O₃ Komponente, eine Nb₂ O₅ Komponente, eine Ta₂ O₅ Komponente, eine WO₃ Komponente, eine TeO₂ Komponente, und eine Bi₂ O₃ Komponente enthalten oder nicht. Die Mischungsmenge jeder der Komponenten kann 0% bis 2,0%, 0% oder mehr und weniger als 2,0% oder 0% bis 1,0% betragen.
• Andere, oben nicht beschriebene Komponenten können der Glaskeramik gemäß der vorliegenden Offenbarung nach Bedarf zugesetzt werden, solange die Eigenschaften der Glaskeramik gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht beeinträchtigt werden. Zum Beispiel kann die Glaskeramik nach der vorliegenden Offenbarung farblos und transparent sein, aber das Glas kann gefärbt sein, solange die Eigenschaften der Glaskeramik nicht beeinträchtigt werden.
• Es besteht die Tendenz, auf die Verwendung von Bestandteilen von Pb, Th, Tl, Os, Be und Se zu verzichten, die in den letzten Jahren als schädliche chemische Substanzen angesehen werden, und daher ist es vorzuziehen, dass die Glaskeramik diese Bestandteile im Wesentlichen nicht enthält.
• Die Glaskeramik gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält als Hauptkristallphase eine oder mehrere Komponenten, die beispielsweise ausgewählt sind aus ZnAl₂ O₄, Zn₂ Ti₃ O₈ , Zn₂ SiO₄, ZnTiO₃, Mg₂ SiO₄, Mg₂ Al₄ Si₅ O₁₈, NaAlSiO₄, Na₂ Zn₃ SiO₄, Na₄ Al₂ Si₂ O₉, LaTiO₃, und festen Lösungen davon.
• Die „Hauptkristallphase“, wie sie hier verwendet wird, entspricht einer kristallinen Phase, die in der Glaskeramik in der größten Menge enthalten ist und anhand des Peaks im Röntgenanalysediagramm bestimmt wird.
• Wenn eine Glaskeramik für einen optischen Filter verwendet wird, ist es bei einer geringen Lichtdurchlässigkeit natürlich schwierig, ein Signal zu extrahieren (Verringerung des S/N-Verhältnisses), und daher ist die Lichtdurchlässigkeit vorzugsweise groß und muss mindestens 60 % oder mehr betragen. Die Glaskeramik gemäß der vorliegenden Offenbarung hat einen internen Transmissionsgrad von 0,970 oder mehr in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm bei einer Probendicke von 1 mm. Der innere Transmissionsgrad beträgt vorzugsweise 0,980 oder mehr, noch bevorzugter 0,985 oder mehr, noch bevorzugter 0,990 oder mehr und besonders bevorzugt 0,995 oder mehr. Der obere Grenzwert des inneren Transmissionsgrades liegt normalerweise unter 1,000, beispielsweise bei 0,999 oder weniger. Die Lichtdurchlässigkeit kann nach den in den Beispielen beschriebenen Methoden gemessen werden.
• Wie oben beschrieben, muss eine Glaskeramik für einen optischen Filter bei der mittleren Wellenlänge des Bandes temperaturstabil sein, und es ist vorzuziehen, dass die Temperaturstabilität höher ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient eines filmbildenden Materials. Der thermische Ausdehnungskoeffizient bei -30°C bis +70°C der Glaskeramik gemäß der vorliegenden Offenbarung beträgt normalerweise 70 × 10^-7 /°C bis 95 × 10^-7 /°C, zum Beispiel 73 × 10^-7 /°C bis 93 × 10^-7 /°C oder 75 × 10^-7 /°C bis 90 × 10^-7 /°C. Der Wärmeausdehnungskoeffizient kann mit den in den Beispielen beschriebenen Methoden gemessen werden.
• In Anbetracht der rauen Einsatzbedingungen ist es wünschenswert, dass eine Glaskeramik für einen optischen Filter einer mechanischen Verformung widersteht. Ein Film der Glaskeramik wird als Trägermaterial gebildet und dann zu einer sehr kleinen Chipform verarbeitet, so dass die Glaskeramik einen hohen Elastizitätsmodul haben muss. Die Glaskeramik gemäß der vorliegenden Offenbarung hat vorzugsweise einen Elastizitätsmodul von 78 GPa oder mehr. Der Elastizitätsmodul beträgt vorzugsweise 79 GPa oder mehr, und noch bevorzugter 80 GPa oder mehr. Die Obergrenze des Elastizitätsmoduls liegt normalerweise bei 95 GPa oder weniger, z. B. 90 GPa oder weniger. Der Elastizitätsmodul kann mit den in den Beispielen beschriebenen Methoden gemessen werden.
• Die Glaskeramik gemäß der vorliegenden Offenbarung hat vorzugsweise eine Vickershärte (Gewicht 200 g) von 550 bis 700. Die Vickershärte beträgt zum Beispiel 580 bis 650. Der Abrieb beträgt vorzugsweise 50 bis 100. Zum Beispiel beträgt der Abrieb 70 bis 95. Bei der Glaskeramik der vorliegenden Offenbarung ist die Härte nicht zu hart, der Abrieb nicht zu gering und die Verarbeitbarkeit ausgezeichnet. Die Vickershärte und der Abrieb können nach den in den Beispielen beschriebenen Methoden gemessen werden.
• Die Glaskeramik gemäß der vorliegenden Offenbarung kann nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Das heißt, die Rohstoffe werden gleichmäßig gemischt und die gemischten Rohstoffe werden geschmolzen und geformt, um ein Rohglas herzustellen. Anschließend wird das Rohglas kristallisiert, um die Glaskeramik herzustellen. Ferner kann die Glaskeramik als Basismaterial verwendet werden, und es kann eine Druckspannungsschicht gebildet werden, um die Glaskeramik zu verstärken.
• Das Rohglas wird einer Wärmebehandlung unterzogen, um die Kristalle im Glas auszufällen. Die Wärmebehandlung kann bei einer einstufigen oder einer zweistufigen Temperatur durchgeführt werden.
• Die zweistufige Wärmebehandlung umfasst einen Keimbildungsschritt, bei dem das Rohglas zunächst mit Wärme bei einer ersten Temperatur behandelt wird, und einen Kristallwachstumsschritt, bei dem das Rohglas nach dem Keimbildungsschritt mit Wärme bei einer zweiten Temperatur behandelt wird, die höher ist als die des Keimbildungsschritts.
• Bei der einstufigen Wärmebehandlung werden der Keimbildungsschritt und der Kristallwachstumsschritt kontinuierlich bei der einstufigen Temperatur durchgeführt. Typischerweise wird die Temperatur auf eine vorbestimmte Wärmebehandlungstemperatur erhöht, nach Erreichen der vorbestimmten Wärmebehandlungstemperatur für eine bestimmte Zeit aufrechterhalten und dann wieder abgesenkt.
• Die erste Temperatur der zweistufigen Wärmebehandlung beträgt vorzugsweise 600°C bis 750°C. Die Verweilzeit bei der ersten Temperatur beträgt vorzugsweise 30 Minuten bis 2000 Minuten, und noch bevorzugter 180 Minuten bis 1440 Minuten.
• Die zweite Temperatur der zweistufigen Wärmebehandlung beträgt vorzugsweise 650°C bis 850°C. Die Verweilzeit bei der zweiten Temperatur beträgt vorzugsweise 30 Minuten bis 600 Minuten und noch bevorzugter 60 Minuten bis 300 Minuten.
• Wenn die Wärmebehandlung bei der einstufigen Temperatur durchgeführt wird, beträgt die Wärmebehandlungstemperatur vorzugsweise 600°C bis 800°C, und noch bevorzugter 630°C bis 770°C. Die Verweilzeit bei der Wärmebehandlungstemperatur beträgt vorzugsweise 30 Minuten bis 500 Minuten, und noch bevorzugter 120 Minuten bis 400 Minuten.
• Bei der Bildung einer Druckspannungsschicht auf einem Substrat, um dessen Festigkeit zu erhöhen, werden in der Regel Mittel wie Schleifen und Polieren eingesetzt, um aus einer Glaskeramik eine dünne plattenförmige Glaskeramik zu bilden. Anschließend wird eine Druckspannungsschicht auf dem Glaskeramiksubstrat gebildet.
• Ein Beispiel für ein Verfahren zur Bildung der Druckspannungsschicht umfasst ein chemisches Verfestigungsverfahren, bei dem beispielsweise eine in einer Oberflächenschicht der Glaskeramik vorhandene alkalische Komponente einer Austauschreaktion mit einer alkalischen Komponente mit einem größeren Ionenradius unterzogen wird, um die Druckspannungsschicht auf der Oberflächenschicht zu bilden. Andere Beispiele sind ein Wärmeverfestigungsverfahren, bei dem die Glaskeramik erhitzt und dann abgeschreckt wird, und ein Ionenimplantationsverfahren, bei dem Ionen in die Oberflächenschicht der Glaskeramik implantiert werden.
• Das chemische Verfestigungsverfahren kann z.B. nach folgenden Schritten durchgeführt werden. Ein glaskeramisches Basismaterial wird mit einem kalium- oder natriumhaltigen Salz, z. B. einem geschmolzenen Salz aus Kaliumnitrat (KNO₃) und Natriumnitrat (NaNO₃) oder einem gemischten Salz oder einem komplexen Salz davon, in Kontakt gebracht oder darin eingetaucht. Die Behandlung, bei der das glaskeramische Grundmaterial mit dem geschmolzenen Salz in Berührung gebracht oder in dieses eingetaucht wird (chemische Verfestigungsbehandlung), kann in einem Schritt oder in zwei Schritten erfolgen.
• Bei der zweistufigen chemischen Härtungsbehandlung wird das glaskeramische Grundmaterial beispielsweise in einer ersten Stufe mit einem auf 350°C bis 550°C erhitzten Natriumsalz oder einem Mischsalz aus Kalium und Natrium in Kontakt gebracht oder in dieses eingetaucht, und zwar für 1 bis 1440 Minuten, vorzugsweise 90 bis 800 Minuten. Anschließend wird in einem zweiten Schritt das entstandene glaskeramische Grundmaterial mit einem Kaliumsalz oder einem Mischsalz aus Kalium und Natrium, das auf 350°C bis 550°C erhitzt wurde, für 1 bis 1440 Minuten, vorzugsweise 60 bis 800 Minuten, in Kontakt gebracht oder darin eingetaucht.
• Bei der einstufigen chemischen Härtung wird das glaskeramische Basismaterial mit einem kalium- oder natriumhaltigen Salz oder einem Mischsalz davon in Kontakt gebracht oder darin eingetaucht und bei 350°C bis 550°C 1 bis 1440 Minuten, vorzugsweise 60 bis 800 Minuten, erhitzt.
• Bei der thermischen Verfestigungsmethode ist es beispielsweise möglich, das Glaskeramik-Basismaterial auf 300°C bis 600°C zu erhitzen und danach eine schnelle Abkühlung, z.B. durch Wasserkühlung und/oder Luftkühlung, durchzuführen, um die Druckspannungsschicht durch einen Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche und dem Inneren des Glassubstrats zu bilden. Wenn das Wärmeverfestigungsverfahren mit dem obigen chemischen Behandlungsverfahren kombiniert wird, ist es möglich, die Druckspannungsschicht effektiver zu bilden.
• Beim Ionenimplantationsverfahren kann z. B. jede Art von Ionen mit einer Beschleunigungsenergie und einer Beschleunigungsspannung, die die Oberfläche des Grundmaterials nicht zerstören, auf die Oberfläche des glaskeramischen Grundmaterials auftreffen, um die Ionen in die Oberfläche des Grundmaterials zu implantieren. Danach ist es möglich, durch eine Wärmebehandlung die Druckspannungsschicht auf der Oberfläche in ähnlicher Weise wie bei den anderen Verfahren zu bilden.
• Die Glaskeramik gemäß der vorliegenden Offenbarung kann in einem optischen Filter verwendet werden und eignet sich für ein optisches Filter vom Interferenztyp, bei dem ein dielektrischer Mehrschichtfilm auf der Oberfläche eines Substrats gebildet wird. Insbesondere eignet sich die Glaskeramik für ein Bandpassfilter mit einer Struktur, in der ein dielektrischer Dünnfilm (H-Schicht) mit einem hohen Brechungsindex und ein dielektrischer Dünnfilm (L-Schicht) mit einem niedrigen Brechungsindex abwechselnd als dielektrischer Mehrschichtfilm laminiert sind.
• Das Dielektrikum ist vorzugsweise ein anorganisches Oxid wie TiO₂ , Ta₂ O₂, Nb₂ O₅, und SiO₂ . In einem Bandpassfilter, das in einem Wellenlängenbereich von 950 nm bis 1600 nm verwendet wird, hat die dielektrische Schicht vorzugsweise eine H-Schicht/L-Schicht-Kombination wie TiO₂ /SiO₂ , Ta₂ O₂ /SiO₂ , und Nb₂ O₅ /SiO₂ . Das optische Filter gemäß der vorliegenden Offenbarung kann durch Bildung eines dielektrischen Dünnfilms auf der Oberfläche eines Glaskeramiksubstrats hergestellt werden. Beispiele für die Filmbildungsmethode sind ein Aufdampfverfahren, ein HF-Ionenplattierungsverfahren, ein Magnetron-Sputterverfahren und ein Plasma-Ionenplattierungsverfahren. Das Aufdampfverfahren ist unter den oben genannten Verfahren vorzuziehen.
• Beispiele
• Beispiele 1 bis 5
• 1. Herstellung von Glaskeramik
• Rohstoffe wie Oxide, Hydroxide, Karbonate, Nitrate, Fluoride, Chloride und Metaphosphatverbindungen, die jedem Rohstoff jeder Komponente der Glaskeramik
  entsprechen, wurden ausgewählt, und die ausgewählten Rohstoffe wurden gewogen und gleichmäßig gemischt, um die folgenden Zusammensetzungsverhältnisse zu erhalten. (Masse% in Bezug auf Oxid)
  Der Anteil von SiO₂ betrug 54%, der Anteil von Al₂ O₃ betrug 18%, der Anteil von Na₂ O betrug 12%, der Anteil von K₂ O betrug 2%, der Anteil von MgO betrug 8%, der Anteil von CaO betrug 1 %, der Anteil von TiO₂ betrug 5% und der Anteil von Sb₂ O₃ betrug 0,1%.
• Anschließend wurden die gemischten Rohstoffe in einen Platintiegel gegeben und darin geschmolzen. Anschließend wurde das geschmolzene Glas gerührt und homogenisiert, in eine Form gegossen und langsam abgekühlt, um Rohglas herzustellen.
• Das erhaltene Rohglas wurde einer einstufigen Wärmebehandlung (bei 665 bis 760°C, fünf Stunden lang) zur Keimbildung und Kristallisation unterzogen, um eine Glaskeramik herzustellen. Die Kristallisationstemperatur in Beispiel 1 war 665°C, die Kristallisationstemperatur in Beispiel 2 war 705°C, die Kristallisationstemperatur in Beispiel 3 war 720°C, die Kristallisationstemperatur in Beispiel 4 war 740°C und die Kristallisationstemperatur in Beispiel 5 war 760°C. Die Kristallphasen wurden anhand des Winkels eines Peaks in einem Röntgenbeugungsmuster bestimmt, das mit einem Röntgenbeugungsanalysator (D8 Discover, hergestellt von Bruker) erhalten wurde. Die Hauptkristallphasen von MgAl₂ O₄ und MgTi₂ O₄ wurden bestätigt.
• Die hergestellte Glaskeramik wurde geschnitten und geschliffen, und die gegenüberliegenden Seiten der entstandenen Glaskeramik wurden parallel weiter poliert, um ein Glaskeramiksubstrat mit einer Dicke von 1 mm zu erhalten.
• 2. Bewertung von Glaskeramik
• Die folgenden physikalischen Eigenschaften der erhaltenen Glaskeramik wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
• (1) Interne Durchlässigkeit
• Gemäß der Norm JOGIS 17-2012 „Measuring Method for Internal Transmittance of Optical Glass“ (Messverfahren für die innere Durchlässigkeit von optischem Glas) wurde die spektrale Durchlässigkeit einschließlich des Reflexionsverlusts der Glaskeramik nach dem parallelen Polieren der gegenüberliegenden Seiten bei einer Dicke von 1 mm und 10 mm gemessen, und die innere Durchlässigkeit (spektrale Durchlässigkeit ohne den Reflexionsverlust) der Glaskeramik mit einer Dicke von 1 mm wurde durch Berechnung ermittelt.
• (2) Wärmeausdehnungskoeffizient
• Der Wärmeausdehnungskoeffizient wurde aus der Wärmeausdehnungskurve ermittelt, die durch Messung des Verhältnisses zwischen der Temperatur und der Dehnung einer Probe gemäß dem Standard JOGIS 16-2003 „Measuring Method for Average Linear Thermal Expansion Coefficient of Optical Glass at Normal Temperature“ (Messverfahren für den durchschnittlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von optischem Glas bei Normaltemperatur) ermittelt wurde.
• (3) Elastizitätsmodul
• Der Elastizitätsmodul wurde mit einem Ultraschallverfahren gemessen.
• (4) Vickers-Härte
• Ein quadratischer pyramidenförmiger Diamanteindringkörper mit einem Winkel von 136° zwischen den gegenüberliegenden Seiten wurde verwendet, um die Vickershärte als Wert zu messen, den man erhält, wenn man die Last, bei der sich die pyramidenförmige Vertiefung auf der Prüffläche gebildet hat, durch die aus der Länge der Vertiefung berechnete Fläche (mm² ) teilt. Die Messung erfolgte mit einem Mikrohärteprüfgerät MVK-E der Firma Akashi Seisakusho, Ltd. mit einer Prüfkraft von 200 gf und einer Verweilzeit von 10 Sekunden.
• (5) Abrasion
• Der Abrieb wurde gemäß der Norm JOGIS 10-1994 der Japan Optical Glass Industry Association „Measuring Method for Abrasion of Optical Glass“ gemessen. Das heißt, eine Probe einer quadratischen Glasplatte mit einer Größe von 30 × 30 × 10 mm wurde in einer festen Position 80 mm von der Mitte einer flachen Gusseisenplatte (250 mm φ) platziert, die sich 60 Mal pro Minute horizontal dreht. Bei einer vertikalen Belastung von 9,8 N (1 kgf) wurde eine Polierlösung, die durch Zugabe von 10 g Läppmaterial #800 (durchschnittlicher Partikeldurchmesser von 20 µm) (Aluminiumoxid-A-Schleifkörner) zu 20 ml Wasser gewonnen wurde, gleichmäßig 5 Minuten lang zugeführt, um die quadratische Glasplatte zu reiben. Schließlich wurde die Probenmasse vor und nach dem Läppen gemessen, um die Verschleißmasse zu bestimmen. In ähnlicher Weise wurde die Abnutzungsmasse einer von der Japan Optical Glass Industry Association spezifizierten Standardprobe bestimmt, und der Abrieb wurde wie folgt berechnet: $$\begin{array}{l}\text{Abrieb}=\{\left(\text{Abriebmasse}/\text{Spezifisches Gewicht der Probe}\right)/(\text{Abriebmasse}/\text{Spezifisches}\\ \text{Gewicht der Standardprobe})\}\times 100.\end{array}$$

  
• Vergleichendes Beispiel 1
• Eine Glaskeramik wurde in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt und bewertet, mit der Ausnahme, dass die Zusammensetzung der Glaskeramik wie unten beschrieben geändert und die Kristallisationstemperatur auf 750 °C eingestellt wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
• (Masse% in Bezug auf Oxid)
• Der Anteil von SiO₂ betrug 76,0 %, der Anteil von Al₂ O₃ betrug 6,4 %, der Anteil von P₂ O₅ betrug 2,0 %, der Anteil von ZrO₂ betrug 3,0 %, der Anteil von ZnO betrug 0,6 %, der Anteil von MgO betrug 0,5 %, der Anteil von CaO betrug 0,3 %, der Anteil von Li2 O betrug 10,0 %, der Anteil von K₂ O betrug 1,0 %, und der Anteil von Sb₂ O₃ betrug 0,2 %.
• Vergleichendes Beispiel 2
• Ein Glas wurde in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt und bewertet, mit dem Unterschied, dass die Zusammensetzung des Glases wie unten beschrieben geändert wurde und das Glas nicht kristallisiert wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
• (Masse% in Bezug auf Oxid)
• Der Anteil von SiO₂ betrug 65,0 %, der Anteil von B₂ O₃ betrug 13,6 %, der Anteil von Al₂ O₃ betrug 2,0 %, der Anteil von ZnO betrug 1,5 %, der Anteil von BaO betrug 3,0 %, der Anteil von Na₂ O betrug 7,4 %, der Anteil von K₂ O betrug 7,0 %, und der Anteil von Sb₂ O₃ betrug 0,5 %.
• [Tabelle 1]

  		Beispiele					Vergleiche ndes Beispiel 1	Vergleiche ndes Beispiel 2
  		1	2	3	4	5
  Innerer Transmissionsgrad (τ/1 mmt)		0.0	0.0
  	320	10	10				0.564	0.978
  		0.7	0.7
  	350	85	86				0.610	0.990
  		0.9	0.9	0.0	0.0	0.0
  	400	61	61	01	01	01	0.692	0.994
  		0.9	0.9	0.0	0.0	0.0
  	440	67	68	02	02	02	0.758	0.994
  		0.9	0.9	0.0	0.0	0.0
  	500	71	72	12	12	12	0.831	0.995
  		0.9	0.9	0.0	0.0	0.0
  	550	77	77	56	56	56	0.873	0.995
  		0.9	0.9	0.1	0.1	0.1
  	600	83	84	51	51	51	0.903	0.995
  		0.9	0.9	0.2	0.2	0.2
  	650	90	90	81	81	81	0.925	0.995
  		0.9	0.9	0.4	0.4	0.4
  	700	94	94	15	15	16	0.941	0.995
  		0.9	0.9	0.6	0.6	0.6
  	800	97	98	36	36	37	0.962	0.992
  		0.9	0.9	0.7	0.7	0.7
  	900	99	99	74	74	75	0.975	0.999
  		0.9	0.9	0.8	0.8	0.8
  	1000	99	99	59	59	60	0.982	0.999
  		0.9	0.9	0.9	0.9	0.9
  	1200	99	99	39	39	40	0.990	0.999
  		0.9	0.9	0.9	0.9	0.9
  	1400	99	99	65	65	66	0.994	0.999
  		0.9	0.9	0.9	0.9	0.9
  	1500	99	99	78	78	79	0.999	0.999
  		0.9	0.9	0.9	0.9	0.9
  	1550	99	99	80	80	81	0.996	0.999
  		0.9	0.9	0.9	0.9	0.9
  	1600	99	99	83	83	85	0.996	0.999
  		0.9	0.9	0.9	0.9	0.9
  	1800	99	99	87	87	88	0.997	0.999
  		0.9	0.9	0.9	0.9	0.9
  	2000	99	99	90	90	91	0.997	0.999
  		0.9	0.9	0.9	0.9	0.9
  	2200	99	99	56	56	57	0.994	0.997
  		0.9	0.9	0.9	0.9	0.9
  	2400	99	99	59	59	61	0.995	0.990
  Wärmeausdehnungskoe ffizient (10-7 /°C)	(-30 bis +70)	81	79	79	80	85	101	67
  Elastizitätsmodul (GPa)		80. 6	80. 6	81. 0	83. 0	84. 3	97.4	76.5
  Vickers-Härte (200 g Gewicht)	Hv_2 00 gf	619	626	622	616	621	755	613
  Abrasion	Aa	78	-	86	86	-	31	88

• Die in dieser Beschreibung beschriebenen Dokumente und die gesamte Offenbarung (einschließlich Beschreibung, Zeichnungen und Ansprüche) der japanischen Patentanmeldung, die die Grundlage für die Priorität der vorliegenden Anmeldung nach der Pariser Verbandsübereinkunft bildet, werden hier durch Bezugnahme aufgenommen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 2001318222 [0007]

Claims (6)

1. Glaskeramik für einen optischen Filter, wobei die innere Durchlässigkeit der Glaskeramik 0,970 oder mehr in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm beträgt, wenn die Dicke der Glaskeramik 1 mm beträgt; die Glaskeramik, die in Masse-% Oxid enthält: 40,0 % bis 70,0 % einer SiO₂ -Komponente; 11,0 % bis 25,0 % einer Al₂ O₃ Komponente; 5,0 % bis 19,0 % einer Na₂ O-Komponente; 0 % bis 9,0 % einer K₂ O-Komponente; 1,0 % bis 18,0 % einer oder mehrerer Komponenten, ausgewählt aus einer MgO-Komponente und einer ZnO-Komponente; 0 % bis 3,0 % einer CaO-Komponente; und 0,5 % bis 12,0 % einer TiO₂ -Komponente.
2. Glaskeramik für ein optisches Filter nach Anspruch 1, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient bei -30°C bis +70°C 70 × 10^-7 /°C bis 95 × 10^-7 /°C beträgt.
3. Glaskeramik für ein optisches Filter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der „Young‟ sche Modul 78 GPa oder mehr beträgt.
4. Glaskeramik für ein optisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend als Hauptkristallphase eine oder mehrere Komponenten, ausgewählt aus MgAl₂ O₄, MgTi₂ O₄ , MgTi₂ O₅, Mg₂ TiO₄, Mg₂ SiO₄, MgAl₂ Si₂ O₈, Mg₂ Al₄ Si₅ O₁₈, Mg₂ TiO₅, MgSiO₃, NaAlSiO₄, FeAl₂ O₄, und festen Lösungen davon.
5. Optisches Filter, erhalten durch Bildung eines dielektrischen Films auf der Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Bandpassfilter, erhalten durch Bildung eines dielektrischen Films auf der Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 4.