Optikglas: Arten, Eigenschaften und Auswahlhilfe

Optikglas erklärt: Eigenschaften, Arten und die Auswahl der richtigen Glassorte Optikglas ist das Ausgangsmaterial für jede Präzisionslinse, jedes Prisma und jedes bildgebende System – von Kamerahandys bis zur Halbleitertechnik. Doch gerade die Auswahl der optimalen Glassorte ist für Optikfachleute oft am schwierigsten nachzuvollziehen. Dieser praxisnahe Leitfaden zu transparenten optischen Werkstoffen erläutert messbare optische Eigenschaften, grundlegende Glasfamilien, konkrete Auswirkungen auf die Fertigung und konstruktive Überlegungen, die darüber entscheiden, ob ein Optikprojekt erfolgreich wird oder in einem kostspieligen Albtraum aus Überarbeitungen endet. Er hilft Ihnen ebenso bei der Bestellung von BK7-Glasrohlingen für ein industrielles Bildverarbeitungssystem wie bei der zügigen Qualifizierung von Quarzglas für ein UV-Lasersystem.

Was ist Optikglas — und warum ist es für die Präzisionsoptik wichtig?

Als Glasart unterscheidet sich Optikglas im Grunde nicht von einfachem Floatglas. Es besteht aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Alkalien und weiteren Oxiden, deren Zusammensetzung auf einen sehr hohen Reinheitsgrad und eine sehr hohe Homogenität „ausgelegt“ und größtenteils nach einer vorgegebenen Rezeptur abgestimmt wird, um bestimmte Brechungs- und Dispersionseigenschaften zu erzielen. Im Vergleich dazu enthält eine durchschnittliche Scheibe Fensterglas Tausende winziger Blasen und Einschlüsse und weist keine Eigenschaftsschwankungen über 110 hinaus auf. Optikglas wird dagegen aus denselben grundlegenden Rohstoffen hergestellt, jedoch nahezu vollständig auf Reinheitsgrade von über 99,9 % gereinigt und einem Kühlzyklus von 72+ Stunden unterzogen, der eine Gesamthomogenität (Falzabweichung) von 210 erzielen soll – ein Homogenitätskennwert, der sicherstellen soll, dass im fertigen Spectraul aus Quarzglas keine inneren Interferenzstreifen vorhanden sind. In der Praxis lässt sich das Ergebnis quantifizieren: Ein Optikglasrohling mit entsprechend festgelegten Spezifikationen lässt mit Antireflexbeschichtung pro Oberfläche mehr als 99 % des einfallenden Lichts über das sichtbare Spektrum (380-780 nm) durch, während eine Floatglasscheibe Absorptions- oder Streuverluste von 8-15 % aufweist. Bei Anwendungen, in denen die Klarheit digitaler Signale, die Auflösung hoher Ortsfrequenzen oder Grenzwerte für die Laserenergiedichte entscheidend sind, lässt sich Optikglas durch handelsübliches Floatglas schlicht nicht ersetzen. Dieser Unterschied zeigt sich besonders deutlich bei optischen Systemen mit mehreren Elementen wie Zoomobjektiven, bei denen eine einzige Inhomogenität in einem einzigen Element einen vollständigen Zusammenbruch der Wellenfront verursachen und zu Farbsäumen, Tonwertverschiebungen und Bildfeldwölbungsartefakten führen kann, die sich digital schlicht nicht korrigieren lassen.

“Die Entwicklung moderner Optikglaswerkstoffe begann mit Otto Schott in den 1880er-Jahren, als er systematisch verschiedene Glaszusammensetzungen voneinander abgrenzte und transparente Glasformen mit bestimmten Brechungsindex- und Dispersionswerten herstellte – ein Schritt, der die Glasherstellung von einer Kunst zur Wissenschaft machte. Jedes heute hergestellte Weltraumteleskop und Endoskop baut noch immer auf dieser historischen Entwicklung auf.” — Nach historischen Archiven von SCHOTT zu den Grundlagen der wissenschaftlichen Glasherstellung

Was ist der Unterschied zwischen Optikglas und normalem Glas?

Vier Faktoren unterscheiden Optikglas von Fensterglas. Erstens die Reinheit: Die Rohstoffe für Optikglas enthalten weniger als 10 ppm an Verunreinigungen wie Eisenoxid (Fe₂O₃), das sichtbares Licht absorbiert — bei normalem Glas sind Hunderte ppm zulässig. Zweitens die Homogenität: Optische Glasrohlinge werden mindestens 72 Stunden lang kontrolliert im Ofen entspannungsgekühlt, bis die Schwankung des Brechungsindex über das gesamte Werkstück unter ±2×10⁻⁶ liegt (Klasse H5 gemäß ISO 12123). Drittens der thermische Verlauf: Das gesamte Entspannungskühlprofil wird so ausgelegt, dass ein bestimmter Brechungsindex bis auf die fünfte Nachkommastelle eingestellt wird — eine derart genaue Steuerung gibt es bei Architekturglas schlicht nicht. Viertens die zertifizierten optischen Kennwerte: Für jede Schmelze werden die gemessenen Werte für Brechungsindex, Abbe-Zahl und Spannungsdoppelbrechung dokumentiert.

Arten von Optikglas — Kron-, Flint- und Spezialgläser

Optikglas wird mithilfe des Abbe-Diagramms klassifiziert, das nd und Vd gegenüberstellt. Die beiden Hauptfamilien Kron- und Flintglas liegen an den entgegengesetzten Enden des Dispersionsspektrums, und die meisten Konstruktionen kombinieren Elemente beider Familien, um die chromatische Aberration auszugleichen. Kronglassorten haben einen Vd-Wert über 55 und weisen daher im sichtbaren Spektrum nur eine geringe Dispersion auf. BK7 (Borosilikat-Kronglas) hat sich in der Industrie als wichtigstes Glas für alle Standardanwendungen etabliert, mit Vd=64.17. Es ist ein beständiges Glas mit hoher Transmission im sichtbaren Bereich, berechenbarem Polierverhalten und guter chemischer Beständigkeit. BK7 bleibt bei der Bildgebung, industriellen Bildverarbeitung und allgemeinen Laboroptik ‘der’ Ausgangspunkt, sofern keine anderen anwendungsspezifischen Faktoren einen Wechsel zu einer anderen Glassorte erfordern. Flintglassorten haben meist Vd-Werte unter 50 und höhere Brechungsindizes, wodurch sie den Lichtweg auf kleinerem Raum stärker ablenken können. Schwerflintsorten wie SF11 — früher für einen hohen Brechungsindex mit Bleioxid und Barium formuliert — lassen sich in achromatischen Dubletten mit Kronglaselementen kombinieren – der klassischen Linsenanordnung aus zwei Elementen, die Farbsäume bei zwei verschiedenen Wellenlängen korrigiert. Ohne Flintglaselemente wären solche Ergebnisse bei vielen Kamera- und Mikroskopobjektiven selbst mit einem Dutzend Komponenten nicht erreichbar. Spezialgläser erhalten die Transmission in bestimmten Wellenlängenbereichen oder Einsatzumgebungen aufrecht, in denen Kombinationen aus Kron- und Flintglas zur Bildkorrektur nicht ausreichen. Komponenten aus erschmolzenen Oxiden wie Quarzglas können bis tief in den ultravioletten Bereich hinab zu 185 nm transmittieren, was für die Halbleiterlithografie bei 193 nm (ArF-Laser) entscheidend ist. Chalkogenidgläser erweitern die TIR-Transmission weit in den thermischen Infrarotbereich von 1-12 µm und werden für FLIR und Raketensuchköpfe eingesetzt. Bestimmte optische Filtersubstratgläser, darunter optische Farbfilter und Neutraldichtefiltergläser, werden so hergestellt, dass sie bestimmte Wellenlängenbereiche mit engen Toleranzen selektiv absorbieren oder transmittieren. Laserverstärkungsmedien wie Phosphatglas können eine breite Palette an Seltenerddotierungen einschließlich Phosphor und Bor aufnehmen, ohne den thermischen Linseneffekt, der bei herkömmlichen silikatischen Wirtsmaterialien auftritt. Lanthan-Krongläser (N-LAK-Serie) bieten einen hohen Brechungsindex bei mittlerer Dispersion und eignen sich daher für stark miniaturisierte Bauformen wie Endoskopoptiken, AR-Brillen und am Kopf getragene VR-Displays. Ein Detail, das viele Wettbewerber bei der Beschreibung von Glasarten übersehen: N-BK7 ist nicht dasselbe wie BK7. Das ‘N’ steht für die bleifreie Neuformulierung von SCHOTT, die für die Herstellung von Kalk-Natron-Glas und arsenfreiem Glas entwickelt wurde, um RoHS zu erfüllen (RoHS umfasst Beschränkungen für die Verwendung gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten). Obwohl die Brechungsindizes und die Abbe-Zahl ähnlich sind, gibt es Unterschiede bei der Transmission im nahen UV-Bereich (350-400 nm) sowie geringfügige Abweichungen bei den thermischen Eigenschaften; beim Ersatz von BK7 durch N-BK7 müssen daher möglicherweise die Berechnungen für die Fassung angepasst werden. Kunden sollten die konkrete Schmelze für das betreffende Bauteil angeben.

Glasart	Brechungsindex (nd)	Abbe-Zahl (Vd)	Transmissionsbereich	Typische Anwendungen
BK7 / N-BK7	1.5168	64.17	350–2.000 nm	Allgemeine Optik, Bildgebung
SF11 (Schwerflintglas)	1.7847	25.76	380–2.500 nm	Objektive mit hoher numerischer Apertur
Quarzglas	1.4585	67.82	185–2.500 nm	UV-/DUV-Lithografie, Laser
N-LAK (Lanthan-Kronglas)	1.6727	51.49	350–2.000 nm	Medizinische Endoskope, miniaturisierte Optiken
Chalkogenidglas (IRG)	2.4+	20–30	1.000–12.000 nm	Wärmebildtechnik, IR-Sensoren
Phosphatglas	~1.52	~63	400–2.000 nm	Laserverstärkungsmedien

Die Tabellendaten stammen aus den verfügbaren Katalogdaten von Ohara Corporation, dem TIE-Katalog von SCHOTT und Einträgen der RP-Photonics-Enzyklopädie. Die im Katalog angegebenen Werte sind typische Werte für ein Fertigungslos, können jedoch geringfügig abweichen.

Wichtige Eigenschaften von Optikglas — Brechungsindex, Dispersion und Transmission

Drei messbare Eigenschaften bestimmen, wie sich Optikglas im Zusammenspiel mit Licht verhält – indem vor Beginn der Linsenkonstruktion für jede davon ein Zielwert festgelegt wird, entsteht ein erster Anforderungskatalog. Der Brechungsindex nd des Glases ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Geschwindigkeit des Lichts im Glas. Dieser Index wird für die Helium-d-Linie (587.6 nm) gemessen. Der Brechungsindex bestimmt, wie stark ein Lichtstrahl gebrochen wird, wenn ein Teil des Lichts die Grenzfläche zwischen Luft und Glas passiert. Je höher der Brechungsindex des Glases, desto stärker wird der Lichtstrahl je Dickeneinheit des Glases abgelenkt, sodass Optikkonstrukteure kürzere und kompaktere Linsenbaugruppen entwickeln können. Optikgläser haben Brechungsindizes von etwa 1.44 (Quarzglas) bis über 1.95 (Lanthan-Schwerflintglas), wobei die meisten universell einsetzbaren Sorten zwischen 1.50 und 1.75 liegen. Einfach ausgedrückt kann Glas mit hohem Brechungsindex dieselbe Brechkraft mit einem dünneren und damit leichteren Element erzielen; dieses Prinzip wird bei miniaturisierten Optiken in Endoskopspitzen und bei Linsen für Handykameramodule genutzt. Die Abbe-Zahl (Vd) quantifiziert die chromatische Dispersion — also die Veränderung des Brechungsindex über verschiedene Wellenlängen hinweg. Sie wird als Vd = (nd − 1) / (nF − nC) berechnet, wobei nF und nC die Brechungsindizes an der Wasserstoff-F-Linie (486.1 nm) beziehungsweise der C-Linie (656.3 nm) sind. Eine hohe Abbe-Zahl (etwa 64.17 bei BK7) bedeutet geringe Dispersion: Das Glas bricht blaues und rotes Licht nahezu gleich stark. Eine niedrige Abbe-Zahl (etwa 25.76 bei SF11) bedeutet hohe Dispersion, die bei achromatischen Dubletten durchaus erwünscht ist, da ein Flintglaselement dort den Farbfehler eines Kronglaselements ausgleicht. Das Abbe-Diagramm — ein Streudiagramm von nd gegenüber Vd für alle verfügbaren Glasfamilien — ist das wichtigste Arbeitsmittel, mit dem Optikkonstrukteure Glaspaare zur Farbkorrektur auswählen. Teildispersionsverhältnisse verfeinern diese Auswahl, indem sie das Verhalten des Glases in bestimmten Spektralbereichen jenseits der üblichen d-Linie beschreiben; die Sellmeier-Gleichung liefert dabei das mathematische Modell zur Vorhersage des Brechungsindex bei jeder beliebigen Wellenlänge. Die Transmission — der prozentuale Lichtanteil, der eine bestimmte Dicke durchdringt — bestimmt den nutzbaren Wellenlängenbereich. Im Allgemeinen weisen die meisten gängigen silikatischen Optikgläser von etwa 350 nm bis 2.000 nm eine gute Transmission auf. Unterhalb von 350 nm steigt die Absorption in normalen Gläsern aufgrund elektronischer Übergänge in den Metalloxidverunreinigungen rasch an. Quarzglas eignet sich bis hinab zu 185 nm und wird daher häufig für sämtliche Anwendungen im UV- und tiefen UV-Bereich eingesetzt, etwa für die Lithografie mit ArF-Excimerlasern (193 nm). Oberhalb von 2.000 nm endet der Transmissionsbereich von Silikaten an der starken Si-O-Grundschwingungsbande bei 4,45 m, wodurch eine harte Grenze bei 5 μm entsteht. Die UV-Transmission im nahen Ultraviolettbereich (200-380 nm) ist eine entscheidende Spezifikation für Spektralanalyse und Fotolithografie. Werden Linsen oder Fenster jenseits dieser Grenze benötigt, müssen ausgefallenere Werkstoffe wie Chalkogenidglas oder kristallines Germanium eingesetzt werden. Homogenität: Sie bewertet die Schwankung des Brechungsindex über die Breite des Glasrohlings (die Einstufung H1, n 110 auf der Homogenitätsskala nach ISO 12123:2018 ist für einfache Kondensoroptiken geeignet. Für interferometrische und lithografische Optiken muss ein Glasrohling der Klasse H5, n 210 entsprechen). H5-Glasrohlinge werden mit sehr langen Entspannungskühlzyklen hergestellt – teilweise dauert die Abkühlung bei einer Rate von 2 K/Stunde über 72 Stunden –, und jeder Rohling wird vor dem Versand interferometrisch geprüft. Unter den Materialeigenschaften mag der Wärmeausdehnungskoeffizient nebensächlich erscheinen, doch auf Systemebene ist er das keineswegs. Wird ein Optikglaselement in eine Metall- oder Keramikfassung eingekittet oder eingespannt, erzeugen unterschiedliche Wärmeausdehnungen bei Temperaturwechseln Spannungen an der Grenzfläche. Diese Spannungen verursachen Doppelbrechung (eine polarisationsabhängige Änderung des Brechungsindex), Verformungen der Oberfläche oder im schlimmsten Fall einen Bruch. Zum Vergleich: Die Wärmeausdehnung von BK7 mit 7.110/K ist mit Aluminiumfassungen gut verträglich, mit Titan bei 8.610/K dagegen schlecht; die äußerst geringe Ausdehnung von Quarzglas mit 0.5510/K erfordert für die Maßstabilität eine Konstruktion aus Invar oder Kohlenstofffasern. Neben der optischen Leistung fließen auch die mechanischen Eigenschaften (Knoop-Härte, Bruchzähigkeit) und die physikalischen Eigenschaften (Dichte, chemische Beständigkeit) jeder Glasart in die Konstruktion ein — besonders bei Geräten für den Feldeinsatz, die Vibrationen und Temperaturschocks ausgesetzt sind.

Warum ist Optikglas so teuer?

Vier Faktoren kommen zusammen und machen Optikglas teuer. Erstens müssen Verunreinigungen aus den Rohstoffen bis in den ppm-Bereich entfernt werden, wodurch sie 10 bis 100 Mal mehr kosten als ein herkömmliches Glasgemenge; für das Schmelzen müssen platinausgekleidete Tiegel verwendet werden, um die Rohstoffe nicht zu verunreinigen (ebenfalls extrem teuer), und bei Quarzglas sind Temperaturen von 1400-2000 °C oder mehr erforderlich; auch der Energieaufwand pro Kilogramm Glasrohling ist bei der Verwendung solch großer Tiegel enorm. Hinzu kommt, dass die Entspannungskühlung je Charge 72 Stunden oder länger dauern kann, sodass die Form während der Hochtemperatur-Entspannungskühlung lange belegt ist und hohe Kosten entstehen; es ist sicherzustellen, dass die betreffenden Tier-/Hühner-/Ei-/Pflanzenkulturen keine Verunreinigung verursacht haben. Schließlich muss jeder flache Glasrohling einzeln auf interferometrische Homogenität, spektrofotometrische Transmission und Spannungsdoppelbrechung geprüft werden, bevor er für den Verkauf zertifiziert wird. Aus einer Rohstoffcharge entsteht dann ein Fertigungslos von 1-8 Glasrohlingen mit etwa 200 mm Durchmesser und 30 mm Höhe (die bei Fehlern schlicht unbrauchbar sind), wobei von der Schmelze bis zum Versand möglicherweise 10 Tage vergehen.

Anwendungen von Optikglas — von Kameraobjektiven bis zu Lasersystemen

Optikglas wird in jeder Branche eingesetzt, in der Licht gelenkt, moduliert oder gemessen werden muss; die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Anwendungen und Branchen im Zusammenhang mit den Eigenschaften der jeweiligen Glasarten.

Anwendung	Glasart	Entscheidende Eigenschaft	Branche
Kameraobjektive / Abbildungslinsen	BK7, Kronglassorten	Geringe Dispersion (Vd > 60)	Konsumgüter, Industrie
Mikroskopobjektive	Schwerflintglas (SF-Serie)	Hoher Brechungsindex (nd > 1.7)	Medizin, Forschung
UV-/DUV-Lithografie	Quarzglas	Transmission im tiefen UV-Bereich (185 nm+)	Halbleiterindustrie
Wärmebildtechnik	Chalkogenidglas, Germanium	IR-Transparenz bei 3–12 μm	Verteidigung, Automobilglas
Medizinische Endoskope	Lanthan-Kronglas (N-LAK)	Hoher nd + kompakte Bauform	Gesundheitswesen
AR-/VR-Headsets	Glas mit hohem Brechungsindex (nd > 1.8)	Dünne, leichte Waferlinse	Unterhaltungselektronik
Lasersysteme	Phosphatglas, Quarzglas	Laserzerstörschwelle (J/cm²)	Fertigung, Forschung

Marktdaten zufolge wurde der Wert der Optikglasbranche im Jahr 2024 auf $2 Milliarden geschätzt; bis 2033 wird eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 5,5 % prognostiziert, angetrieben durch das Wachstum in der Halbleiterlithografie, der medizinischen Bildgebung und bei AR-/VR-Geräten für Verbraucher. Autonome Fahrzeuge verfügen beispielsweise inzwischen über jeweils mehr als 15 optische Sensoren — LiDAR, Kameras, Regensensoren —, die alle Präzisionsglaskomponenten benötigen. Für die Produktion von AR-/VR-Headsets werden schätzungsweise 10 Millionen Optikglaskomponenten pro Jahr benötigt, und rund 70 % der modernen Endoskope verwenden fortschrittliche Linsenschichtaufbauten aus Optikglas anstelle faserbasierter Bildgebung. Szenario – Auswahl einer AR-/VR-Waferlinse: Ein Hersteller von Unterhaltungselektronik entwickelt einen möglichen Entwurf für ein künftiges AR-Headset und möchte die Dicke des Linsenwafers auf unter 2 mm reduzieren, um ein Zielgewicht von weniger als 85 Gramm zu erreichen. Bei Verwendung von standardmäßigem BK7 mit nd = 1.5168 beträgt die erforderliche Mindestdicke der Linse aufgrund ihrer gemessenen Brechkraft 3,2 mm. Durch den Wechsel zu einem Lanthan-Kronglas mit nd = 1.80 beträgt die minimale Brennweite wiederum 3,2 mm, doch das Glas muss nur 1,8 mm dick sein, um die erforderliche Brechkraft zu erzielen. Dabei gilt es abzuwägen: Lanthan-Kronglas kostet in der Regel 4+ pro kg mehr als BK7, und die Auslegung des Formwerkzeugs wird schwieriger, wenn ein thermisches Durchgehen während der Formgebungsserie vermieden werden soll. Bei jährlich 500.000+ ausgelieferten Geräten stehen den zusätzlichen Glaskosten von 0.40 pro Stück insgesamt 38 % Gewichtseinsparung gegenüber, was sich unmittelbar auf den Tragekomfort und die Tragedauer des Geräts auswirkt.

Wie Optikglas hergestellt wird — vom Rohstoffgemenge zum fertigen Glasrohling

Die Herstellung von Glas für optische Anwendungen ist ein sechsstufiger Prozess, der ebenso anspruchsvoll ist wie die optische Konstruktion selbst. Während bei Standardglas der Mengendurchsatz im Vordergrund steht, hat bei der Herstellung von Optikglas in jeder Phase Präzision Vorrang vor Geschwindigkeit.

1. Gemengebereitung – Hochreine Silikatoxide (SiO, B2O3, BaO, La2O3 usw.) werden bis auf wenige Gramm genau eingewogen und gemischt. Der Siliziumdioxid-Rohstoff muss weniger als 10 ppm Eisen enthalten, um eine IR-Abschneidegrenze im blauen Spektralbereich zu vermeiden.
2. Schmelzen – Das Rohstoffgemenge kommt in einen Schmelzofen mit Platintiegel, bei den meisten Gläsern bei 1400-1600 0C, bei Quarzglas bei 1800-2000 0C. Der Tiegel verhindert Verunreinigungen durch die Rohstoffe selbst. Kontinuierliches Rühren der Schmelze verbessert die Homogenisierung und erleichtert das Entweichen destillierter Flüssigkeit.
3. Feinkühlen – Im zeitaufwendigsten Schritt wird der Glasrohling mit einer Abkühlrate von 2-10 K pro Stunde oder weniger durch den maßgeblichen Temperaturbereich geführt. In diesem Temperaturbereich wird der Brechungsindex im Material „eingefroren“. Dadurch verringert sich die Doppelbrechung im fertigen Glasrohling.
4. Prüfung und Tests – Die Glasrohlinge werden auf ihren Brechungsindex (bis auf 0.00001), ihre Homogenität (mittels Transmissionsinterferometrie), Schlieren mittels Schattenaufnahmen sowie Blasen und Einschlüsse durch visuelle Zählung in einem Volumen von 100 cm geprüft. Glasrohlinge, die die Prüfung nicht bestehen, werden ausgesondert oder einer niedrigeren Leistungsklasse zugeordnet. Spezialprodukte wie hochhomogenes Glas (Klasse H4-H5) und strahlungsbeständiges Glas für nukleare Anwendungen oder die Raumfahrt durchlaufen zusätzliche Prüfungen.
5. Zuschnitt und Schleifen – Glasrohlinge, die die Prüfung bestanden haben, werden mit einer Diamantsäge annähernd auf Endkontur zugeschnitten und anschließend vor der Endbearbeitung CNC-geschliffen, um der Endkontur noch näher zu kommen. Dabei können große Abfallmengen entstehen (bis zu 4/5 des Rohlingvolumens können zu Schleifschlamm werden).
6. Endpolitur – Optische Oberflächen werden mit üblichen Poliertellern und Schleifmitteln gemäß Spezifikation nasspoliert. Die endgültige Oberflächenebenheit liegt beim interferometrischen „Bestwert“ /10 oder besser, mit festgelegten Kratzer- und Punktfehlerkennwerten gemäß MIL-PRF-13830B.

Beispielszenario – Lieferantenqualifizierung für die Halbleiterindustrie: Eine Halbleiterfabrik benötigt Quarzglasrohlinge mit der Homogenitätsklasse H4 (n 510) für eine neue Linsenbaugruppe eines 193 nm-Lithografiesteppers. Der Qualifizierungsprozess dauert etwa 6 Monate: 3 Monate benötigt der Glashersteller, um aus einer streng kontrollierten Schmelze Prü fro hlinge herzustellen, anschließend folgen weitere 3 Monate für Wareneingangsprüfung, Umweltbelastungsprüfungen und die Integration in eine Pilotfertigung in der Halbleiterfabrik. Jede einzelne nicht bestandene Qualifizierung – etwa ein Glasrohling außerhalb der Spezifikation in einem Prüflos von 20 – setzt die Zeitrechnung auf 0 zurück. Deshalb sichern sich die Einkaufsteams großer Chiphersteller qualifizierte Zweitlieferanten und halten für kritische Glassorten Sicherheitsreserven für 12+ Monate vor. Eine Knoop-Härte über 600 (BK7 liegt bei etwa 610) weist auf ein Glas hin, das der Belastung beim Polieren ohne Ausbrüche standhält. Einige Spezialgläser – bei manchen Phosphatgläsern liegen die Messwerte unter 400 – erfordern angepasste Poliermittel und geringere Vorschubgeschwindigkeiten, wodurch sich die Fertigungszeit um 20-30 % verlängert. Eine Tatsache, die Berichte nie hervorheben: Ein einzelner guter Prototypenrohling garantiert keine reproduzierbare Serienfertigung. Schwankungen des Brechungsindex zwischen Chargen aus unterschiedlichen Schmelzen können bis zu 0.0005 betragen, wenn der Hersteller den Prozess nicht streng kontrolliert, und diese Abweichungen summieren sich in Linsensystemen mit mehreren Elementen zu einem Wellenfrontfehler.

So wählen Sie das richtige Optikglas für Ihre Anwendung

Die Glasauswahl beginnt mit einer klaren Spezifikation der Aufgaben, die das optische System erfüllen muss. Die folgende Entscheidungstabelle ordnet gängigen Anwendungsbereichen geeignete Glassorten als Ausgangspunkt, entscheidende Prüfspezifikationen und mögliche Verschleißprobleme zu.

Ihre Anwendung	Ausgangspunkt	Zu prüfende Spezifikation	Darauf sollten Sie achten
Allgemeine Bildgebung (sichtbarer Spektralbereich)	N-BK7 (Kronglas)	Vd > 60	Für UV unter 350 nm unzureichend
UV- / DUV-Systeme	Quarzglas	Transmission bei der Zielwellenlänge	Solarisation bei längerer UV-Bestrahlung
Mikroskopie mit hoher numerischer Apertur	SF-Serie (Flintglas)	nd > 1.7	Höhere Kosten, Temperaturempfindlichkeit
Wärmebildgebung / IR-Bildgebung	Chalkogenidglas oder Ge	Abdeckung des IR-Bereichs 3–12 μm	Mechanische Zerbrechlichkeit
Medizinprodukte	N-LAK (Lanthanglas)	Lieferantenzertifizierung nach ISO 13485	Bleigehalt (bleifreie Glassorten verwenden)
Laseroptik	Quarzglas oder Phosphatglas	Zerstörschwelle (J/cm²)	Absorption bei der Betriebswellenlänge

Bei der Auswahl greifen die Entscheidungen schrittweise ineinander: Betriebswellenlängenbereich, erforderliche Dispersionskontrolle, thermische Stabilität, mechanische Beständigkeit und Kosten. Wer zu einem früheren Entscheidungsschritt zurückkehren muss, muss die Konstruktion überarbeiten. Wählt ein Ingenieur das Material ausschließlich anhand des Brechungsindex aus, kann sich bei Umweltprüfungen herausstellen, dass Unterschiede in der thermisch induzierten Spannungsdoppelbrechung im Zusammenspiel mit dem Gehäuse bei Ihren extremen Betriebstemperaturen zum Systemausfall führen. Kundenbeispiel – Beschaffung für ein medizinisches Endoskop: Ein Medizintechnik-Startup entwickelt ein Endoskop der nächsten Generation. Entwicklungsziel: eine kleine, hochauflösende und robuste Spitzenoptik. Konstruktionsspezifikation: Lanthankronglas N-LAK, nd 1.6727 für eine optimierte kompakte Bauweise. Regulatorische Anforderung: Die gesamte Charge jedes Lieferanten von Materialien für das Gerät muss nach ISO 13485 für das Qualitätsmanagement von Medizinprodukten zertifiziert sein. Bei der Qualifizierung fanden die verantwortlichen Entwicklungsingenieure drei Optikglaslieferanten mit Erfahrung im Präzisionsschleifen, doch nur einer konnte die N-LAK-Charge liefern und die gesamte Dokumentationskette nach ISO 13485 bereitstellen – vom Rohglaszertifikat bis zum Wareneingangsprüfbericht. Fazit: Bei regulierten Medizinproduktkomponenten ist die Lieferantenqualifizierung oft ein stärker begrenzender Faktor als die optischen Spezifikationen allein.

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Häufig gestellte Fragen zu Optikglas

Welches Optikglas wird am häufigsten verwendet?

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Das weltweit gebräuchlichste und am weitesten verbreitete Optikglas ist BK7 sowie seine bleifreie Alternative N-BK7. Mit einem Brechungsindex von 1.5168 und einer Abbe-Zahl von 64.17 bietet es eine ausgewogene Kombination aus geringer Dispersion, guter Transmission vom sichtbaren bis zum infraroten Spektralbereich, chemischer Beständigkeit und einem ausreichend niedrigen Preis, um als Standardglas für die allgemeine Bildgebung, Prismen und optische Fenster zu dienen.

Was ist K9-Optikglas?

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K9 ist eine typische chinesische BK7-Variante: Plattenglas, das nach dem Glaskatalog von CDGM (Chengdu Optoelectronic Materials) hergestellt wird. Die optischen Konstanten von K9 sind denen von BK7 sehr ähnlich: nd = 1.5163, Vd = 64.06. Damit eignet es sich in vielen unkritischen Anwendungen hervorragend als Ersatz für BK7. K9 ist in der chinesischen Optikfertigung weit verbreitet und kann bei vergleichbaren Abmessungen üblicherweise 30-50 % günstiger sein als N-BK7 der Marke SCHOTT.

Kann Optikglas für UV-Anwendungen eingesetzt werden?

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Das hängt von der Glassorte ab. Standard-BK7 ist bis etwa 350 nm durchlässig, absorbiert unterhalb dieser Wellenlänge jedoch stark und eignet sich daher nicht für Anwendungen im tiefen UV-Bereich. Für UV-Anwendungen ist Quarzglas das Standardmaterial, das in synthetischen Qualitäten bis hinunter zu 185 nm durchlässig ist. Bei der 193 nm-Linie des Ar F-Excimerlasers für die Halbleiterlithografie bietet nur hochreines Quarzglas in Excimerqualität die erforderliche Transmission und erfüllt Ihre Anforderungen an die Zerstörschwelle. Prüfen Sie die Transmissionswerte für Ihre Betriebswellenlänge immer sorgfältig, bevor Sie ein Glas spezifizieren.

Was ist die Abbe-Zahl und warum ist sie wichtig?

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Die Abbe-Zahl (Vd) beschreibt, wie stark ein Glas Licht dispergiert – also wie stark sich sein Brechungsindex bei unterschiedlichen Wellenlängen verändert. Höhere Abbe-Zahlen (55+) bedeuten eine geringere Dispersion und weniger chromatische Aberration, was für die Bildgebung erwünscht ist. Niedrigere Abbe-Zahlen weisen auf eine höhere Dispersion hin, die für die Korrektur mit achromatischen Dubletts nützlich ist. Sie wird anhand von Standardspektrallinien als Vd = (nd − 1)/(nF − nC) berechnet.

Worin unterscheidet sich Optikglas von Borosilikatglas?

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Borosilikatglas (Pyrex) und Optikglas (etwa BK7) haben dieselbe grundlegende chemische Zusammensetzung – beide bestehen aus SiO und BO. Entscheidend sind die Fertigungsgenauigkeit und -qualität. Borosilikatglas in optischer Qualität wird aus reineren Ausgangsstoffen erschmolzen, durchläuft einen zusätzlichen, längeren Kühlprozess zum Abbau von Eigenspannungen und erhält eine Brechungsindextoleranz von 0.0003. Das für Bechergläser und Reagenzgläser verwendete Borosilikatglas in Laborqualität erhält nicht dieselbe optische Zertifizierung, enthält mehr Verunreinigungen und weist Brechungsindexschwankungen auf, die bei einer Linse oder einem Prisma nicht zulässig sind. Gleiche Glasfamilie, sehr unterschiedliche Qualitätsstufen. Prüfen Sie bei der Beschaffung für optische Anwendungen immer, ob der Lieferant ein Schmelzzertifikat mit gemessenen nd- und Vd-Werten bereitstellt.

Welche Zertifizierungen sollten Optikglashersteller haben?

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ISO 9001:2015 wäre das absolute Minimum für das allgemeine Qualitätsmanagement. Für Optiken in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich verlangen die meisten Hauptauftragnehmer eine Zertifizierung nach AS9100D. Anwendungen in der Medizintechnik erfordern ISO 13485 entlang der gesamten Lieferkette – vom Rohglaslieferanten über die Fertigung bis zur Beschichtung. Einige militärische Aufträge verlangen außerdem eine ITAR-Registrierung und die Konformität der fertigen optischen Elemente mit MIL-PRF-13830B.

Über diesen technischen Leitfaden

Dieser Leitfaden wurde entwickelt, um Optikingenieuren und Einkäufern eine zentrale Informationsquelle zum Vergleich von Optikglasarten, zu Brechungsindex- und Dispersionsspezifikationen sowie zur Auswahl des geeigneten Glases zu bieten. Alle technischen Daten stammen aus einer NIST-Veröffentlichung, ISO-Normen und Herstellerkatalogen, jedoch nicht aus eigenen Prüfungen. Wo sich kein genauer Wert angeben lässt, wurden entsprechend eingeschränkte Aussagen verwendet und mit Quellen belegt.

Geprüft vom Ingenieurteam von Saiwei Glass — seit 2014 nach ISO 9001:2015, AS9100D und ISO 13485 zertifizierter Optikglashersteller.