Оптические стекла – Оптическое стекло — Википедия

Оптическое стекло — Википедия

Опти́ческое стекло́ — прозрачное стекло специального состава, используемое для изготовления различных деталей оптических приборов.

От обычного технического стекла отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью, дисперсией, в необходимых случаях — цветом. Выполнение всех этих требований значительно усложняет и удорожает производство оптического стекла.

В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения в оптических системах, естественно возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стекла, различных по своим свойствам.

Химический состав

В состав шихты для варки оптического стекла обычно входит чистый кремнезём, сода, борная кислота, нередко — соли бария, оксид свинца, фториды и другие компоненты.

Видео по теме

Основные оптические свойства стекла

Основные свойства оптического стекла характеризуются показателем преломления

, средней дисперсией и коэффициентом дисперсии. В отдельных случаях для характеристики оптических стёкол используется частные дисперсии и относительные частные дисперсии.

Показатель преломления

С XIX века (со времён Шотта и Аббе) и до недавнего времени для характеристики оптических стёкол использовался показатель преломления nD{\displaystyle n_{D}}, определяемый для жёлтой спектральной D-линии натрия (λ=589,3 нм).

Однако это не одиночная линия, а пара: так называемый «натриевый дублет», что не могло не сказаться на точности измерений. Поэтому сейчас в качестве главного показателя преломления (nλ{\displaystyle n_{\lambda }}) принимают его значение либо для жёлтой d-линии гелия с λ=587,56 нм, либо для жёлто-зелёной e-линии ртути с λ=546,07 нм. Первый (nd{\displaystyle n_{d}}) используется такими производителями как Schott, Hoya, Ohara и др., второй (ne{\displaystyle n_{e}}), в частности, принят в документации российских производителей.

В настоящее время достигнутые пределы значений nd{\displaystyle n_{d}} промышленных оптических стёкол составляют примерно 1,43 — 2,17.

Допустимое отклонение зависит от категории оптического стекла и нормируется величиной ±(3-20)·10⁻⁴.

Средняя дисперсия

Средняя дисперсия — определяется как разность показателей преломления n_F для синей линии спектра λ=488,1 нм и n_C для красной линии спектра с λ=656,3 нм; Величина средней дисперсии представляется как (n_F-n_C)·10⁵ и лежит в диапазоне 639 — 3178, с допустимым отклонением ±(3-20)·10⁻⁵.

Коэффициент дисперсии

Коэффициент дисперсии (число Аббе, νλ{\displaystyle \nu _{\lambda }}) — задаётся отношением разности показателя преломления nλ{\displaystyle n_{\lambda }} без единицы к средней дисперсии.
Ранее определялось выражением, включающим показатель преломления nD{\displaystyle n_{D}} для жёлтой спектральной линии натрия.

νD=nD−1nF−nC{\displaystyle \nu _{D}={\frac {n_{D}-1}{n_{F}-n_{C}}}}

В настоящее время основными вариантами коэффициента дисперсии являются, либо

νd=nd−1nF−nC{\displaystyle \nu _{d}={\frac {n_{d}-1}{n_{F}-n_{C}}}}

либо

νe=ne−1nF′−nC′{\displaystyle \nu _{e}={\frac {n_{e}-1}{n_{F’}-n_{C’}}}}

где средняя дисперсия определяется, как разность показателей преломления для голубой (F’ ) и красной (C’ ) линий кадмия.

В настоящее время значения νd{\displaystyle \nu _{d}} для промышленных оптических стёкол находятся в пределах от 17 до 95.

Частные дисперсии и относительные частные дисперсии

Частные дисперсии — это разности nλ4−nλ5{\displaystyle n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}} двух значений показателя преломления при некоторых произвольно выбранных длинах волн λ4{\displaystyle \lambda _{4}} и λ5{\displaystyle \lambda _{5}}, не совпадающих с длинами волн λ2{\displaystyle \lambda _{2}} и λ3{\displaystyle \lambda _{3}}, выбранными для расчёта средней дисперсии (и как правило, с более узким спектральным интервалом).

Относительные частные дисперсии Pλ4λ5{\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}} — это отношения частных дисперсий к средней дисперсии.

Pλ4λ5=nλ4−nλ5nλ2−nλ3{\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}={\frac {n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}}{n_{\lambda _{2}}-n_{\lambda _{3}}}}}

Хотя, для большинства оптических стёкол зависимость относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (числа Аббе) близка к линейной, однако, зависимость показателя преломления оптического материала от длины волны света представляет собой сложную кривую. Форма этой кривой определяется параметрами конкретного материала и будет различной для разных типов оптических стёкол. Таким образом, частные дисперсии и относительные частные дисперсии служат для детализации зависимости изменений показателя преломления стекла от изменений длины волны.

Такая детализация необходима при расчёте высококачественных ахроматических и апохроматических компонентов, поскольку учёт хода относительных дисперсий, на этапе выбора стёкол, позволяет в дальнейшем значительно уменьшить вторичный спектр. Так как, в общем случае, величина вторичного спектра пропорциональна отношению разности частных дисперсий выбранной пары стёкол к разности показателей средних дисперсий этих стёкол.

Δs=f′P1−P2ν1−ν2{\displaystyle \Delta s=f'{\frac {P_{1}-P_{2}}{\nu _{1}-\nu _{2}}}}

где: P1{\displaystyle P_{1}} и P2{\displaystyle P_{2}} — относительные частные дисперсии; ν1{\displaystyle \nu _{1}} и ν2{\displaystyle \nu _{2}} — коэффициенты средней дисперсии; f′{\displaystyle f’} -фокусное расстояние объектива.

Для практики наиболее важны — частная дисперсия для синего участка спектра ng−nF{\displaystyle n_{g}-n_{F}} или ng−nF′{\displaystyle n_{g}-n_{F’}} (где ng{\displaystyle n_{g}} — показатель преломления для фиолетовой g-линии ртути) и соответствующая ей относительная частная дисперсия PgF{\displaystyle P_{gF}} (или PgF′{\displaystyle P_{gF’}}), поскольку в пределах именно этого участка показатель преломления материалов изменяется с длиной волны наиболее значительно.

Показатель ослабления излучения

Интенсивность оптического излучения, проходящего через стекло, уменьшается вследствие поглощения и рассеяния излучения стеклом. Степень уменьшения интенсивности излучения, обусловленного суммарным действием обоих механизмов, характеризуют показателем ослабления стекла.

Различают и используют показатель ослабления монохроматического излучения и показатель ослабления для белого света стандартного источника А^[1]μA{\displaystyle \mu _{A}}.

По величине показателя ослабления для белого света излучения источника А установлены восемь категорий качества, определяемых предельными значениями μA{\displaystyle \mu _{A}}^[2].

К первой, высшей категории, относятся стёкла у которых μA{\displaystyle \mu _{A}} лежит в пределах от 0,0002 до 0,0004 см⁻¹. У таких стёкол коэффициент внутреннего пропускания слоя толщиной 10 см составляет величины от 0,991 до 0,995

[2].

Стёкла, относящиеся к восьмой, низшей категории, имеют μA{\displaystyle \mu _{A}}, располагающийся в пределах от 0,0066 до 0,013 см⁻¹. Этому диапазону значений показателя ослабления соответствует диапазон значений коэффициента внутреннего пропускания слоя стекла толщиной 10 см от 0,741 до 0,859^[2].

Типы оптических стёкол

В основу исторически сложившейся классификации оптических стёкол легло общее представление о связи между химическим составом и оптическими постоянными. До работ Шотта оптические стёкла состояли почти исключительно из кремнезёма в соединении с окислами натрия, калия, кальция и свинца. Для таких стёкол существует функциональная зависимость между показателями преломления n и коэффициентами средней дисперсии v, что и было отражено в так называемой диаграмме Аббе. На этой диаграмме бесцветные оптические стёкла располагаются в виде широкой области вытянутой от нижнего левого угла диаграммы к её правому верхнему углу. Таким образом, можно было увидеть взаимосвязь изменения двух основных оптических характеристик с химическим составом оптических стёкол. Причём, с возрастанием показателя преломления, коэффициент дисперсии, как правило, уменьшался.

В связи с этим были выделены два основных типа оптических стёкол: кро́ны (стёкла с низким показателем преломления и высоким значениями коэффициента дисперсии) и фли́нты (стёкла с низкими значениям коэффициента дисперсии и высоким показателем преломления). При этом к группе кронов относились натриево-силикатные стекла, а к группе флинтов — стёкла, содержащие свинец.

В дальнейшем, в связи с ростом числа оптических стёкол, потребовалось делить диаграмму Аббе на бо́льшее число участков, соответствующих новым типам. Так, от кронов отделились лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые кроны (ЛК, ТК, СТК), а от флинтов — лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые флинты (ЛФ, ТФ, СТФ). К тому же, между лёгкими кронами и лёгкими флинтами появилась группа кронфлинтов.

Появились новые типы стёкол, как на основе несиликатных стеклообразователей (боратные, фосфатные, фторидные и др.), так и включающие новые компоненты (окислы лантана, тантала, титана). Такие типы часто (в каталогах зарубежных производителей — как правило) обозначаются с применением названий химических элементов, окислы которых и придают стёклам специфические свойства.

Использование подобных стёкол, для которых характерны иные сочетания главного показателя преломления и коэффициента дисперсии, существенно расширили область занимаемую оптическими стёклами на диаграмме Аббе. К тому же, связь между уменьшением коэффициента дисперсии и возрастанием показателя преломления стала менее заметной.

«Особые» стёкла

Отклонения относительных частных дисперсий некоторых оптических стёкол и кристаллов (CaF₂ и BaF₂) от «нормальной прямой»

Кроме того, существуют так называемые

«особые» стёкла, или стёкла с «особым ходом частных дисперсий». Большинство из них относятся к двум типам, объединённым собирательными терминами «ланг-кроны» (кроны с увеличенными относительными частными дисперсиями) и «курц-флинты» (флинты с уменьшенными частными дисперсиями). Эти наименования, происходящие от немецких слов lang (длинный) и kurz (короткий), весьма условны, и для большинства «особых» стёкол не связаны напрямую с особенностями химического состава и/или структуры.

В современных каталогах оптических стёкол для отображения «особых» характеристик используются графики (диаграммы) зависимости относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (например, PgF{\displaystyle P_{gF}} от νd{\displaystyle \nu _{d}} в каталоге Schott). На этих графиках оптические стёкла располагаются вдоль так называемой «нормальной прямой», непосредственно на которой находятся стёкла с линейной зависимостью PgF{\displaystyle P_{gF}} от νd{\displaystyle \nu _{d}}.

При этом, стёкла с незначительным отклонением хода частных дисперсий (Δνλ1≤3{\displaystyle \Delta \nu _{\lambda _{1}}\leq 3}) и находящиеся вблизи нормальной прямой принято называть «нормальными», а расположенные на бо́льшем удалении (имеющие бо́льшее отклонение хода частных дисперсий) — «особыми» («abnormal»).

Диаграмма «относительная частная дисперсия — коэффициент дисперсии» так же была предложена Эрнстом Аббе, однако, во избежание путаницы, её не принято называть именем автора.

Из стёкол, относящихся к первому из типов (ланг-кроны), следует отметить так называемые низкодисперсные стёкла, различные по составу, но отличающиеся как высокими значениями коэффициента средней дисперсии, так и высоким значением относительной частной дисперсии (то есть, значительным отклонением хода частных дисперсий от «нормального»).

Группа «курц-флинтов» так же объединяет различные по составу стёкла. В частности, под это определение подпадают практически все Шоттовские стёкла типов LaK, LaF, LaSF, а также российские СТК и ТБФ с высоким содержанием окиси лантана. Причём отклонения особых флинтов от «нормальной прямой», как правило, невелики.

«Особые» флинты с повышенными значениями относительной частной дисперсии (ланг-флинты) — это, как правило, либо тяжёлые и сверхтяжёлые флинты с максимальным содержанием окиси свинца, либо титановые флинты с высоким содержанием окиси титана.

Производство

Для получения цветного стекла в состав бесцветного стекла при варке вводят вещества, содержащие медь, золото, селен и др.

Варка оптического стекла производится из шихты в специальных огнеупорных горшках, помещаемых в стекловаренную печь. В составе шихты может быть до 40 % стеклобоя того же состава, что и варящееся стекло. Процесс варки длится около 24 часов. Нагрев производится, как правило, с помощью водородных горелок, при этом температура в печи достигает 1500 °C. В процессе варки стекломассу непрерывно перемешивают керамической или платиновой мешалкой для достижения однородного состояния и несколько раз берут пробу для контроля качества. Одним из этапов варки является осветление. На этом этапе в стекломассе выделяется большое количество газов из веществ-осветлителей, добавляемых в шихту. Образующиеся крупные пузыри быстро поднимаются к поверхности, захватывая по пути более мелкие, которые в любом случае образуются при варке. По окончании плавки стекла горшок извлекается из печи и подвергается замедленному охлаждению, длящемуся 6-8 дней. При неравномерном остывании массы в ней образуются механические напряжения, которые могут вызывать растрескивание стекла на большое количество кусков.

После остывания куски стекла сортируются по размерам и качеству, затем годные отправляются для дальнейшей обработки. В целях сокращения времени на механическую обработку оптические детали изготавливаются не из обычных кусков стекла, полученных после варки, а из специальных прессованных плиток или заготовок. Во избежание возникновения напряжений, вызываемых неравномерным охлаждением массы, полученные таким способом заготовки нагревают до 500 °C и затем подвергают исключительно медленному охлаждению в электрических печах, так называемому отжигу. Если при этом температура упадет резко, в стекле возникнут напряжения, которые приведут к появлению анизотропии, включая анизотропию показателя преломления. Также может образоваться вторичная мошка.

После отжига получившуюся заготовку исследуют с помощью оптических приборов контроля качества и составляют карту дефектов, на которой указывают размеры, местоположение и характер пороков стекла.

Технологические дефекты

К технологическим дефектам оптических стёкол относят камни, пузыри, мошку, дымки, свили и напряжения.

• Камни представляют собой мелкие непрозрачные частицы, отделившиеся от горшка во время варки стекла, или нерасплавившиеся частицы шихты. Небольшое количество и малые размеры камней, если они не находятся в фокальной плоскости или вблизи неё, на качество изображения не влияют, так как задерживают лишь незначительную часть проходящего через стекло света.
• Пузыри образуются в процессе варки стекла ввиду выделения газов составными частями шихты, вступающими в реакцию. Практически неизбежны при изготовлении стекла. Пузыри вызывают светорассеяние и некоторую потерю яркости изображения, так как лучи света, преломляясь на поверхностях пузырей под значительно бо́льшими углами, чем на остальной площади линзы, почти полностью поглощаются внутренними поверхностями камеры и оправы объектива.
• Мо́шка представляет собой большое скопление в массе стекла мельчайших пузырей, занимающих значительную часть его объёма. Мошка вызывает рассеяние большого количества проходящего через стекло света.
• Дымки́ имеют вид паутины или легкой волнистой дымки в среде стекла. Происходят в основном от спекания складок, образующихся в процессе прессовки, а также при спекании ранее не замеченных трещин.
• Сви́ли наблюдаются в массе стекла в виде прозрачных полосок или нитей вследствие неодинакового показателя преломления массы стекла. Представление о свиле может дать сравнение с каплей насыщенного сахарного раствора, введённой в стакан с водой. При растворении капля раствора будет образовывать в воде хорошо заметный след в виде волнистых полос и нитей.
• Напряже́ния возникают вследствие неоднородности стекла, вызываемой, как правило, его неравномерным охлаждением в процессе изготовления. Механически напряжённое состояние стекла вызывает так называемое двойное лучепреломление. В обычных условиях двойное лучепреломление незаметно на глаз, и определяется проверкой стекол при помощи специального прибора — полярископа. Непосредственно в оптических деталях напряжения (и соответствующее двойное лучепреломление) могут возникать под действием собственной массы детали, или давления на стекло при закреплении его в оправах.

Для оптических стёкол установлены категории и классы по качеству (ГОСТ 23136-93). То есть весь спектр дефектов разбит на диапазоны (по их количеству, размеру, форме) в которые должны входить марки стёкол. Для бесцветного оптического стекла существуют нормы ГОСТ 3514-94 (ранее ГОСТ 3514-76). Для цветного оптического стекла — ГОСТ 9411-91 (ранее ГОСТ 9411-76).

Поскольку оптическое стекло изготавливается для конкретных целей, то нормируются не только наличие дефектов, но и отклонения оптических показателей от нормы. Выбирать стекло для своих нужд легче, если заранее определить критерии качества.

Обработка

Обычно, руководствуясь картой дефектов, заготовку распиливают алмазными пилами на более мелкие прямоугольные или вырезают из неё цилиндры с помощью круговых пил. Получающимся заготовкам стараются придать форму, максимально приближенную к форме будущего оптического изделия с небольшим запасом. Также достаточно часто прямоугольные заготовки нагревают до состояния пластической деформации и прессованием получают из них изделия формы, близкой к требуемой. Затем эти заготовки закрепляют в блоки (как правило, из гипса) и шлифуют. Шлифование включает в себя несколько стадий; на каждой из последующей используют все более мелкие абразивные зерна. После каждой стадии шлифования стекло промывают. После того, как стекло отшлифовано, заготовку полируют и затем контролируют его форму (фигуру). Полирование стекла является длительным физико-химическим процессом, который длится до 3-х суток. После полирования получается готовая рабочая поверхность изделия, готовая к использованию. Эту поверхность защищают, извлекают заготовку из блока и вновь собирают блок, но заготовки крепят другой стороной кверху и аналогично шлифуют и полируют другие рабочие поверхности.

Просветление оптики

После полирования производится контроль качества поверхности стекла и затем для улучшения характеристик изделия может быть произведено просветление оптики путём нанесения тонких прозрачных плёнок, как правило, диэлектрических. Эти плёнки улучшают оптические характеристики и могут улучшать механические, например, защищать стекло от помутнения при длительном нахождении во влажной атмосфере.

История

Одни из первых серьёзных попыток получения оптического стекла, то есть стекла достаточной химической и физической однородности, и обладающего специфическими оптическими свойствами, можно отнести к XVII веку. Так, в труде немецкого химика Кункеля (Johannes Kunckel) «Ars vitraria experimentalis» (1689 г.) упоминается о борной и фосфорной кислотах, как компонентах стекла, и о боросиликатном кроне, близком по составу к некоторым современным сортам. В 1663 г. в патенте англичанина Тильсона упоминается о введении окиси свинца в «флинт-глас», а в XVIII веке это стекло начинают применять для изготовления ахроматических линз сперва Честер Мур Холл (1729 г.), а затем, и с бо́льшим успехом, Питер Доллонд (1758 г.).

Началом промышленного производства оптического стекла можно считать результат многолетней работы швейцарца Гинана, которому, совместно с Фраунгофером, удалось внедрить на заводе Утцшнайдера в Бенедиктбойерне (Бавария) более или менее надёжный способ получения хорошего оптического стекла в горшках емкостью до 400 кг. Ключом к успеху был изобретённый Гинаном приём механического перемешивания расплава во время варки, круговыми движениями глиняного стержня, вертикально опущенного в стекло. В 1811 году, Гинаном и Фраунгофером, было запущено в производство два сорта оптического стекла: крон (72 % SiO₂, 18 % K₂O, 10 % CaO) и флинт (45 % SiO₂, 12 %K₂O, 43 % PbO)

Разработанный технологический процесс позволял изготавливать вполне удовлетворительные линзы диаметром до 200—250 мм. Однако сортамент оптических стёкол выпускаемых стекольными заводами в первой половине XIX века был практически ограничен двумя его типами.

Во второй половине XIX века немецкий химик Отто Шотт осуществляет, по предложению Эрнста Аббе, фундаментальное исследование влияния на свойства стекла различных компонентов, а в 1884 г. О. Шотт и Э. Аббе и К. Цейсс основывают в Йене завод начавший выпуск разнообразных сортов оптического стекла.

См. также

Примечания

Литература

• И. Я. Бубис и др., под общ. ред. С. М. Кузнецова и М. А. Окатова, Справочник технолога оптика. Л. Машиностроение. 1983
• Волосов Д. С. Фотографическая оптика. М., «Искусство», 1971.
• Кулагин, С. В. Оптическое стекло // Фотокинотехника: Энциклопедия / Гл. ред. Е. А. Иофис. — М.: Советская энциклопедия, 1981.
• Качалов Н. Стекло. Издательство АН СССР. Москва. 1959
• Н. Н. Качалов и В. Г. Воано. Основы производства оптического стекла. Л. ОНТИ-Химтеорет, 1936
• Краткий фотографический справочник. Под общей редакцией д.т. н. Пуськова В. В., изд. 2-е, М., Искусство, 1953.
• Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съемка, формулы, термины, рецепты. Изд. 4-е, сокр. М., «Искусство», 1977.
• ГОСТ 23136-93 — Материалы Оптические — Параметры
• ГОСТ 3514-94 — Стекло Оптическое Бесцветное — Технические условия
• ГОСТ 9411-91 — Стекло Оптическое Цветное — Технические условия

Ссылки

wiki2.red

Оптическое стекло — WiKi

Опти́ческое стекло́ — прозрачное стекло специального состава, используемое для изготовления различных деталей оптических приборов.

От обычного технического стекла отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью, дисперсией, в необходимых случаях — цветом. Выполнение всех этих требований значительно усложняет и удорожает производство оптического стекла.

В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения в оптических системах, естественно возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стекла, различных по своим свойствам.

Химический состав

Основные оптические свойства стекла

Основные свойства оптического стекла характеризуются показателем преломления, средней дисперсией и коэффициентом дисперсии. В отдельных случаях для характеристики оптических стёкол используется частные дисперсии и относительные частные дисперсии.

Показатель преломления

С XIX века (со времён Шотта и Аббе) и до недавнего времени для характеристики оптических стёкол использовался показатель преломления nD{\displaystyle n_{D}} , определяемый для жёлтой спектральной D-линии натрия (λ=589,3 нм).

Однако это не одиночная линия, а пара: так называемый «натриевый дублет», что не могло не сказаться на точности измерений. Поэтому сейчас в качестве главного показателя преломления (nλ{\displaystyle n_{\lambda }} ) принимают его значение либо для жёлтой d-линии гелия с λ=587,56 нм, либо для жёлто-зелёной e-линии ртути с λ=546,07 нм. Первый (nd{\displaystyle n_{d}} ) используется такими производителями как Schott, Hoya, Ohara и др., второй (ne{\displaystyle n_{e}} ), в частности, принят в документации российских производителей.

В настоящее время достигнутые пределы значений nd{\displaystyle n_{d}}  промышленных оптических стёкол составляют примерно 1,43 — 2,17.

Допустимое отклонение зависит от категории оптического стекла и нормируется величиной ±(3-20)⋅10⁻⁴.

Средняя дисперсия

Средняя дисперсия — определяется как разность показателей преломления n_F для синей линии спектра λ=488,1 нм и n_C для красной линии спектра с λ=656,3 нм; Величина средней дисперсии представляется как (n_F-n_C)⋅10⁵ и лежит в диапазоне 639 — 3178, с допустимым отклонением ±(3-20)⋅10⁻⁵.

Коэффициент дисперсии

Коэффициент дисперсии (число Аббе, νλ{\displaystyle \nu _{\lambda }} ) — задаётся отношением разности показателя преломления nλ{\displaystyle n_{\lambda }}  без единицы к средней дисперсии.
Ранее определялось выражением, включающим показатель преломления nD{\displaystyle n_{D}}  для жёлтой спектральной линии натрия.

νD=nD−1nF−nC{\displaystyle \nu _{D}={\frac {n_{D}-1}{n_{F}-n_{C}}}} 

В настоящее время основными вариантами коэффициента дисперсии являются, либо

νd=nd−1nF−nC{\displaystyle \nu _{d}={\frac {n_{d}-1}{n_{F}-n_{C}}}} 

либо

νe=ne−1nF′−nC′{\displaystyle \nu _{e}={\frac {n_{e}-1}{n_{F’}-n_{C’}}}} 

где средняя дисперсия определяется, как разность показателей преломления для голубой (F’ ) и красной (C’ ) линий кадмия.

В настоящее время значения νd{\displaystyle \nu _{d}}  для промышленных оптических стёкол находятся в пределах от 17 до 95.

Частные дисперсии и относительные частные дисперсии

Частные дисперсии — это разности nλ4−nλ5{\displaystyle n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}}  двух значений показателя преломления при некоторых произвольно выбранных длинах волн λ4{\displaystyle \lambda _{4}}  и λ5{\displaystyle \lambda _{5}} , не совпадающих с длинами волн λ2{\displaystyle \lambda _{2}}  и λ3{\displaystyle \lambda _{3}} , выбранными для расчёта средней дисперсии (и как правило, с более узким спектральным интервалом).

Относительные частные дисперсии Pλ4λ5{\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}}  — это отношения частных дисперсий к средней дисперсии.

Pλ4λ5=nλ4−nλ5nλ2−nλ3{\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}={\frac {n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}}{n_{\lambda _{2}}-n_{\lambda _{3}}}}} 

Хотя, для большинства оптических стёкол зависимость относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (числа Аббе) близка к линейной, однако, зависимость показателя преломления оптического материала от длины волны света представляет собой сложную кривую. Форма этой кривой определяется параметрами конкретного материала и будет различной для разных типов оптических стёкол. Таким образом, частные дисперсии и относительные частные дисперсии служат для детализации зависимости изменений показателя преломления стекла от изменений длины волны.

Такая детализация необходима при расчёте высококачественных ахроматических и апохроматических компонентов, поскольку учёт хода относительных дисперсий, на этапе выбора стёкол, позволяет в дальнейшем значительно уменьшить вторичный спектр. Так как, в общем случае, величина вторичного спектра пропорциональна отношению разности частных дисперсий выбранной пары стёкол к разности показателей средних дисперсий этих стёкол.

Δs=f′P1−P2ν1−ν2{\displaystyle \Delta s=f'{\frac {P_{1}-P_{2}}{\nu _{1}-\nu _{2}}}} 

где: P1{\displaystyle P_{1}}  и P2{\displaystyle P_{2}}  — относительные частные дисперсии; ν1{\displaystyle \nu _{1}}  и ν2{\displaystyle \nu _{2}}  — коэффициенты средней дисперсии; f′{\displaystyle f’}  -фокусное расстояние объектива.

Для практики наиболее важны — частная дисперсия для синего участка спектра ng−nF{\displaystyle n_{g}-n_{F}}  или ng−nF′{\displaystyle n_{g}-n_{F’}}  (где ng{\displaystyle n_{g}}  — показатель преломления для фиолетовой g-линии ртути) и соответствующая ей относительная частная дисперсия PgF{\displaystyle P_{gF}}  (или PgF′{\displaystyle P_{gF’}} ), поскольку в пределах именно этого участка показатель преломления материалов изменяется с длиной волны наиболее значительно.

Показатель ослабления излучения

Интенсивность оптического излучения, проходящего через стекло, уменьшается вследствие поглощения и рассеяния излучения стеклом. Степень уменьшения интенсивности излучения, обусловленного суммарным действием обоих механизмов, характеризуют показателем ослабления стекла.

Различают и используют показатель ослабления монохроматического излучения и показатель ослабления для белого света стандартного источника А^[1]μA{\displaystyle \mu _{A}} .

По величине показателя ослабления для белого света излучения источника А установлены восемь категорий качества, определяемых предельными значениями μA{\displaystyle \mu _{A}} ^[2].

К первой, высшей категории, относятся стёкла у которых μA{\displaystyle \mu _{A}}  лежит в пределах от 0,0002 до 0,0004 см⁻¹. У таких стёкол коэффициент внутреннего пропускания слоя толщиной 10 см составляет величины от 0,991 до 0,995^[2].

Стёкла, относящиеся к восьмой, низшей категории, имеют μA{\displaystyle \mu _{A}} , располагающийся в пределах от 0,0066 до 0,013 см⁻¹. Этому диапазону значений показателя ослабления соответствует диапазон значений коэффициента внутреннего пропускания слоя стекла толщиной 10 см от 0,741 до 0,859^[2].

Типы оптических стёкол

В основу исторически сложившейся классификации оптических стёкол легло общее представление о связи между химическим составом и оптическими постоянными. До работ Шотта оптические стёкла состояли почти исключительно из кремнезёма в соединении с окислами натрия, калия, кальция и свинца. Для таких стёкол существует функциональная зависимость между показателями преломления n и коэффициентами средней дисперсии v, что и было отражено в так называемой диаграмме Аббе. На этой диаграмме бесцветные оптические стёкла располагаются в виде широкой области вытянутой от нижнего левого угла диаграммы к её правому верхнему углу. Таким образом, можно было увидеть взаимосвязь изменения двух основных оптических характеристик с химическим составом оптических стёкол. Причём, с возрастанием показателя преломления, коэффициент дисперсии, как правило, уменьшался.

В связи с этим были выделены два основных типа оптических стёкол: кро́ны (стёкла с низким показателем преломления и высоким значениями коэффициента дисперсии) и фли́нты (стёкла с низкими значениям коэффициента дисперсии и высоким показателем преломления). При этом к группе кронов относились натриево-силикатные стекла, а к группе флинтов — стёкла, содержащие свинец.

В дальнейшем, в связи с ростом числа оптических стёкол, потребовалось делить диаграмму Аббе на бо́льшее число участков, соответствующих новым типам. Так, от кронов отделились лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые кроны (ЛК, ТК, СТК), а от флинтов — лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые флинты (ЛФ, ТФ, СТФ). К тому же, между лёгкими кронами и лёгкими флинтами появилась группа кронфлинтов.

Появились новые типы стёкол, как на основе несиликатных стеклообразователей (боратные, фосфатные, фторидные и др.), так и включающие новые компоненты (окислы лантана, тантала, титана). Такие типы часто (в каталогах зарубежных производителей — как правило) обозначаются с применением названий химических элементов, окислы которых и придают стёклам специфические свойства.

Использование подобных стёкол, для которых характерны иные сочетания главного показателя преломления и коэффициента дисперсии, существенно расширили область занимаемую оптическими стёклами на диаграмме Аббе. К тому же, связь между уменьшением коэффициента дисперсии и возрастанием показателя преломления стала менее заметной.

«Особые» стёкла

  Отклонения относительных частных дисперсий некоторых оптических стёкол и кристаллов (CaF₂ и BaF₂) от «нормальной прямой»

Кроме того, существуют так называемые «особые» стёкла, или стёкла с «особым ходом частных дисперсий». Большинство из них относятся к двум типам, объединённым собирательными терминами «ланг-кроны» (кроны с увеличенными относительными частными дисперсиями) и «курц-флинты» (флинты с уменьшенными частными дисперсиями). Эти наименования, происходящие от немецких слов lang (длинный) и kurz (короткий), весьма условны, и для большинства «особых» стёкол не связаны напрямую с особенностями химического состава и/или структуры.

В современных каталогах оптических стёкол для отображения «особых» характеристик используются графики (диаграммы) зависимости относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (например, PgF{\displaystyle P_{gF}}  от νd{\displaystyle \nu _{d}}  в каталоге Schott). На этих графиках оптические стёкла располагаются вдоль так называемой «нормальной прямой», непосредственно на которой находятся стёкла с линейной зависимостью PgF{\displaystyle P_{gF}}  от νd{\displaystyle \nu _{d}} .

При этом, стёкла с незначительным отклонением хода частных дисперсий (Δνλ1≤3{\displaystyle \Delta \nu _{\lambda _{1}}\leq 3} ) и находящиеся вблизи нормальной прямой принято называть «нормальными», а расположенные на бо́льшем удалении (имеющие бо́льшее отклонение хода частных дисперсий) — «особыми» («abnormal»).

Диаграмма «относительная частная дисперсия — коэффициент дисперсии» так же была предложена Эрнстом Аббе, однако, во избежание путаницы, её не принято называть именем автора.

Из стёкол, относящихся к первому из типов (ланг-кроны), следует отметить так называемые низкодисперсные стёкла, различные по составу, но отличающиеся как высокими значениями коэффициента средней дисперсии, так и высоким значением относительной частной дисперсии (то есть, значительным отклонением хода частных дисперсий от «нормального»).

Группа «курц-флинтов» так же объединяет различные по составу стёкла. В частности, под это определение подпадают практически все Шоттовские стёкла типов LaK, LaF, LaSF, а также российские СТК и ТБФ с высоким содержанием окиси лантана. Причём отклонения особых флинтов от «нормальной прямой», как правило, невелики.

«Особые» флинты с повышенными значениями относительной частной дисперсии (ланг-флинты) — это, как правило, либо тяжёлые и сверхтяжёлые флинты с максимальным содержанием окиси свинца, либо титановые флинты с высоким содержанием окиси титана.

Производство

Для получения цветного стекла в состав бесцветного стекла при варке вводят вещества, содержащие медь, золото, селен и др.

Варка оптического стекла производится из шихты в специальных огнеупорных горшках, помещаемых в стекловаренную печь. В составе шихты может быть до 40 % стеклобоя того же состава, что и варящееся стекло. Процесс варки длится около 24 часов. Нагрев производится, как правило, с помощью водородных горелок, при этом температура в печи достигает 1500 °C. В процессе варки стекломассу непрерывно перемешивают керамической или платиновой мешалкой для достижения однородного состояния и несколько раз берут пробу для контроля качества. Одним из этапов варки является осветление. На этом этапе в стекломассе выделяется большое количество газов из веществ-осветлителей, добавляемых в шихту. Образующиеся крупные пузыри быстро поднимаются к поверхности, захватывая по пути более мелкие, которые в любом случае образуются при варке. По окончании плавки стекла горшок извлекается из печи и подвергается замедленному охлаждению, длящемуся 6-8 дней. При неравномерном остывании массы в ней образуются механические напряжения, которые могут вызывать растрескивание стекла на большое количество кусков.

После остывания куски стекла сортируются по размерам и качеству, затем годные отправляются для дальнейшей обработки. В целях сокращения времени на механическую обработку оптические детали изготавливаются не из обычных кусков стекла, полученных после варки, а из специальных прессованных плиток или заготовок. Во избежание возникновения напряжений, вызываемых неравномерным охлаждением массы, полученные таким способом заготовки нагревают до 500 °C и затем подвергают исключительно медленному охлаждению в электрических печах, так называемому отжигу. Если при этом температура упадет резко, в стекле возникнут напряжения, которые приведут к появлению анизотропии, включая анизотропию показателя преломления. Также может образоваться вторичная мошка.

После отжига получившуюся заготовку исследуют с помощью оптических приборов контроля качества и составляют карту дефектов, на которой указывают размеры, местоположение и характер пороков стекла.

Технологические дефекты

К технологическим дефектам оптических стёкол относят камни, пузыри, мошку, дымки, свили и напряжения.

• Камни представляют собой мелкие непрозрачные частицы, отделившиеся от горшка во время варки стекла, или нерасплавившиеся частицы шихты. Небольшое количество и малые размеры камней, если они не находятся в фокальной плоскости или вблизи неё, на качество изображения не влияют, так как задерживают лишь незначительную часть проходящего через стекло света.
• Пузыри образуются в процессе варки стекла ввиду выделения газов составными частями шихты, вступающими в реакцию. Практически неизбежны при изготовлении стекла. Пузыри вызывают светорассеяние и некоторую потерю яркости изображения, так как лучи света, преломляясь на поверхностях пузырей под значительно бо́льшими углами, чем на остальной площади линзы, почти полностью поглощаются внутренними поверхностями камеры и оправы объектива.
• Мо́шка представляет собой большое скопление в массе стекла мельчайших пузырей, занимающих значительную часть его объёма. Мошка вызывает рассеяние большого количества проходящего через стекло света.
• Дымки́ имеют вид паутины или легкой волнистой дымки в среде стекла. Происходят в основном от спекания складок, образующихся в процессе прессовки, а также при спекании ранее не замеченных трещин.
• Сви́ли наблюдаются в массе стекла в виде прозрачных полосок или нитей вследствие неодинакового показателя преломления массы стекла. Представление о свиле может дать сравнение с каплей насыщенного сахарного раствора, введённой в стакан с водой. При растворении капля раствора будет образовывать в воде хорошо заметный след в виде волнистых полос и нитей.
• Напряже́ния возникают вследствие неоднородности стекла, вызываемой, как правило, его неравномерным охлаждением в процессе изготовления. Механически напряжённое состояние стекла вызывает так называемое двойное лучепреломление. В обычных условиях двойное лучепреломление незаметно на глаз, и определяется проверкой стекол при помощи специального прибора — полярископа. Непосредственно в оптических деталях напряжения (и соответствующее двойное лучепреломление) могут возникать под действием собственной массы детали, или давления на стекло при закреплении его в оправах.

Для оптических стёкол установлены категории и классы по качеству (ГОСТ 23136-93). То есть весь спектр дефектов разбит на диапазоны (по их количеству, размеру, форме) в которые должны входить марки стёкол. Для бесцветного оптического стекла существуют нормы ГОСТ 3514-94 (ранее ГОСТ 3514-76). Для цветного оптического стекла — ГОСТ 9411-91 (ранее ГОСТ 9411-76).

Поскольку оптическое стекло изготавливается для конкретных целей, то нормируются не только наличие дефектов, но и отклонения оптических показателей от нормы. Выбирать стекло для своих нужд легче, если заранее определить критерии качества.

Обработка

Обычно, руководствуясь картой дефектов, заготовку распиливают алмазными пилами на более мелкие прямоугольные или вырезают из неё цилиндры с помощью круговых пил. Получающимся заготовкам стараются придать форму, максимально приближенную к форме будущего оптического изделия с небольшим запасом. Также достаточно часто прямоугольные заготовки нагревают до состояния пластической деформации и прессованием получают из них изделия формы, близкой к требуемой. Затем эти заготовки закрепляют в блоки (как правило, из гипса) и шлифуют. Шлифование включает в себя несколько стадий; на каждой из последующей используют все более мелкие абразивные зерна. После каждой стадии шлифования стекло промывают. После того, как стекло отшлифовано, заготовку полируют и затем контролируют его форму (фигуру). Полирование стекла является длительным физико-химическим процессом, который длится до 3-х суток. После полирования получается готовая рабочая поверхность изделия, готовая к использованию. Эту поверхность защищают, извлекают заготовку из блока и вновь собирают блок, но заготовки крепят другой стороной кверху и аналогично шлифуют и полируют другие рабочие поверхности.

Просветление оптики

После полирования производится контроль качества поверхности стекла и затем для улучшения характеристик изделия может быть произведено просветление оптики путём нанесения тонких прозрачных плёнок, как правило, диэлектрических. Эти плёнки улучшают оптические характеристики и могут улучшать механические, например, защищать стекло от помутнения при длительном нахождении во влажной атмосфере.

История

Одни из первых серьёзных попыток получения оптического стекла, то есть стекла достаточной химической и физической однородности, и обладающего специфическими оптическими свойствами, можно отнести к XVII веку. Так, в труде немецкого химика Кункеля (Johannes Kunckel) «Ars vitraria experimentalis» (1689 г.) упоминается о борной и фосфорной кислотах, как компонентах стекла, и о боросиликатном кроне, близком по составу к некоторым современным сортам. В 1663 г. в патенте англичанина Тильсона упоминается о введении окиси свинца в «флинт-глас», а в XVIII веке это стекло начинают применять для изготовления ахроматических линз сперва Честер Мур Холл (1729 г.), а затем, и с бо́льшим успехом, Питер Доллонд (1758 г.).

Началом промышленного производства оптического стекла можно считать результат многолетней работы швейцарца Гинана, которому, совместно с Фраунгофером, удалось внедрить на заводе Утцшнайдера в Бенедиктбойерне (Бавария) более или менее надёжный способ получения хорошего оптического стекла в горшках емкостью до 400 кг. Ключом к успеху был изобретённый Гинаном приём механического перемешивания расплава во время варки, круговыми движениями глиняного стержня, вертикально опущенного в стекло. В 1811 году, Гинаном и Фраунгофером, было запущено в производство два сорта оптического стекла: крон (72 % SiO₂, 18 % K₂O, 10 % CaO) и флинт (45 % SiO₂, 12 %K₂O, 43 % PbO)

Разработанный технологический процесс позволял изготавливать вполне удовлетворительные линзы диаметром до 200—250 мм. Однако сортамент оптических стёкол выпускаемых стекольными заводами в первой половине XIX века был практически ограничен двумя его типами.

Во второй половине XIX века немецкий химик Отто Шотт осуществляет, по предложению Эрнста Аббе, фундаментальное исследование влияния на свойства стекла различных компонентов, а в 1884 г. О. Шотт и Э. Аббе и К. Цейсс основывают в Йене завод начавший выпуск разнообразных сортов оптического стекла.

См. также

Примечания

Литература

• И. Я. Бубис и др., под общ. ред. С. М. Кузнецова и М. А. Окатова, Справочник технолога оптика. Л. Машиностроение. 1983
• Волосов Д. С. Фотографическая оптика. М., «Искусство», 1971.
• Кулагин, С. В. Оптическое стекло // Фотокинотехника: Энциклопедия / Гл. ред. Е. А. Иофис. — М.: Советская энциклопедия, 1981.
• Качалов Н. Стекло. Издательство АН СССР. Москва. 1959
• Н. Н. Качалов и В. Г. Воано. Основы производства оптического стекла. Л. ОНТИ-Химтеорет, 1936
• Краткий фотографический справочник. Под общей редакцией д.т. н. Пуськова В. В., изд. 2-е, М., Искусство, 1953.
• Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съемка, формулы, термины, рецепты. Изд. 4-е, сокр. М., «Искусство», 1977.
• ГОСТ 23136-93 — Материалы Оптические — Параметры
• ГОСТ 3514-94 — Стекло Оптическое Бесцветное — Технические условия
• ГОСТ 9411-91 — Стекло Оптическое Цветное — Технические условия

Ссылки

ru-wiki.org

Оптическое стекло — Википедия РУ

Опти́ческое стекло́ — прозрачное стекло специального состава, используемое для изготовления различных деталей оптических приборов.

От обычного технического стекла отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью, дисперсией, в необходимых случаях — цветом. Выполнение всех этих требований значительно усложняет и удорожает производство оптического стекла.

В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения в оптических системах, естественно возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стекла, различных по своим свойствам.

Химический состав

Основные оптические свойства стекла

Основные свойства оптического стекла характеризуются показателем преломления, средней дисперсией и коэффициентом дисперсии. В отдельных случаях для характеристики оптических стёкол используется частные дисперсии и относительные частные дисперсии.

Показатель преломления

С XIX века (со времён Шотта и Аббе) и до недавнего времени для характеристики оптических стёкол использовался показатель преломления nD{\displaystyle n_{D}} , определяемый для жёлтой спектральной D-линии натрия (λ=589,3 нм).

Однако это не одиночная линия, а пара: так называемый «натриевый дублет», что не могло не сказаться на точности измерений. Поэтому сейчас в качестве главного показателя преломления (nλ{\displaystyle n_{\lambda }} ) принимают его значение либо для жёлтой d-линии гелия с λ=587,56 нм, либо для жёлто-зелёной e-линии ртути с λ=546,07 нм. Первый (nd{\displaystyle n_{d}} ) используется такими производителями как Schott, Hoya, Ohara и др., второй (ne{\displaystyle n_{e}} ), в частности, принят в документации российских производителей.

В настоящее время достигнутые пределы значений nd{\displaystyle n_{d}}  промышленных оптических стёкол составляют примерно 1,43 — 2,17.

Допустимое отклонение зависит от категории оптического стекла и нормируется величиной ±(3-20)⋅10⁻⁴.

Средняя дисперсия

Средняя дисперсия — определяется как разность показателей преломления n_F для синей линии спектра λ=488,1 нм и n_C для красной линии спектра с λ=656,3 нм; Величина средней дисперсии представляется как (n_F-n_C)⋅10⁵ и лежит в диапазоне 639 — 3178, с допустимым отклонением ±(3-20)⋅10⁻⁵.

Коэффициент дисперсии

Коэффициент дисперсии (число Аббе, νλ{\displaystyle \nu _{\lambda }} ) — задаётся отношением разности показателя преломления nλ{\displaystyle n_{\lambda }}  без единицы к средней дисперсии.
Ранее определялось выражением, включающим показатель преломления nD{\displaystyle n_{D}}  для жёлтой спектральной линии натрия.

νD=nD−1nF−nC{\displaystyle \nu _{D}={\frac {n_{D}-1}{n_{F}-n_{C}}}} 

В настоящее время основными вариантами коэффициента дисперсии являются, либо

νd=nd−1nF−nC{\displaystyle \nu _{d}={\frac {n_{d}-1}{n_{F}-n_{C}}}} 

либо

νe=ne−1nF′−nC′{\displaystyle \nu _{e}={\frac {n_{e}-1}{n_{F’}-n_{C’}}}} 

где средняя дисперсия определяется, как разность показателей преломления для голубой (F’ ) и красной (C’ ) линий кадмия.

В настоящее время значения νd{\displaystyle \nu _{d}}  для промышленных оптических стёкол находятся в пределах от 17 до 95.

Частные дисперсии и относительные частные дисперсии

Частные дисперсии — это разности nλ4−nλ5{\displaystyle n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}}  двух значений показателя преломления при некоторых произвольно выбранных длинах волн λ4{\displaystyle \lambda _{4}}  и λ5{\displaystyle \lambda _{5}} , не совпадающих с длинами волн λ2{\displaystyle \lambda _{2}}  и λ3{\displaystyle \lambda _{3}} , выбранными для расчёта средней дисперсии (и как правило, с более узким спектральным интервалом).

Относительные частные дисперсии Pλ4λ5{\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}}  — это отношения частных дисперсий к средней дисперсии.

Pλ4λ5=nλ4−nλ5nλ2−nλ3{\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}={\frac {n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}}{n_{\lambda _{2}}-n_{\lambda _{3}}}}} 

Хотя, для большинства оптических стёкол зависимость относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (числа Аббе) близка к линейной, однако, зависимость показателя преломления оптического материала от длины волны света представляет собой сложную кривую. Форма этой кривой определяется параметрами конкретного материала и будет различной для разных типов оптических стёкол. Таким образом, частные дисперсии и относительные частные дисперсии служат для детализации зависимости изменений показателя преломления стекла от изменений длины волны.

Такая детализация необходима при расчёте высококачественных ахроматических и апохроматических компонентов, поскольку учёт хода относительных дисперсий, на этапе выбора стёкол, позволяет в дальнейшем значительно уменьшить вторичный спектр. Так как, в общем случае, величина вторичного спектра пропорциональна отношению разности частных дисперсий выбранной пары стёкол к разности показателей средних дисперсий этих стёкол.

Δs=f′P1−P2ν1−ν2{\displaystyle \Delta s=f'{\frac {P_{1}-P_{2}}{\nu _{1}-\nu _{2}}}} 

где: P1{\displaystyle P_{1}}  и P2{\displaystyle P_{2}}  — относительные частные дисперсии; ν1{\displaystyle \nu _{1}}  и ν2{\displaystyle \nu _{2}}  — коэффициенты средней дисперсии; f′{\displaystyle f’}  -фокусное расстояние объектива.

Для практики наиболее важны — частная дисперсия для синего участка спектра ng−nF{\displaystyle n_{g}-n_{F}}  или ng−nF′{\displaystyle n_{g}-n_{F’}}  (где ng{\displaystyle n_{g}}  — показатель преломления для фиолетовой g-линии ртути) и соответствующая ей относительная частная дисперсия PgF{\displaystyle P_{gF}}  (или PgF′{\displaystyle P_{gF’}} ), поскольку в пределах именно этого участка показатель преломления материалов изменяется с длиной волны наиболее значительно.

Показатель ослабления излучения

Интенсивность оптического излучения, проходящего через стекло, уменьшается вследствие поглощения и рассеяния излучения стеклом. Степень уменьшения интенсивности излучения, обусловленного суммарным действием обоих механизмов, характеризуют показателем ослабления стекла.

Различают и используют показатель ослабления монохроматического излучения и показатель ослабления для белого света стандартного источника А^[1]μA{\displaystyle \mu _{A}} .

По величине показателя ослабления для белого света излучения источника А установлены восемь категорий качества, определяемых предельными значениями μA{\displaystyle \mu _{A}} ^[2].

К первой, высшей категории, относятся стёкла у которых μA{\displaystyle \mu _{A}}  лежит в пределах от 0,0002 до 0,0004 см⁻¹. У таких стёкол коэффициент внутреннего пропускания слоя толщиной 10 см составляет величины от 0,991 до 0,995^[2].

Стёкла, относящиеся к восьмой, низшей категории, имеют μA{\displaystyle \mu _{A}} , располагающийся в пределах от 0,0066 до 0,013 см⁻¹. Этому диапазону значений показателя ослабления соответствует диапазон значений коэффициента внутреннего пропускания слоя стекла толщиной 10 см от 0,741 до 0,859^[2].

Типы оптических стёкол

В основу исторически сложившейся классификации оптических стёкол легло общее представление о связи между химическим составом и оптическими постоянными. До работ Шотта оптические стёкла состояли почти исключительно из кремнезёма в соединении с окислами натрия, калия, кальция и свинца. Для таких стёкол существует функциональная зависимость между показателями преломления n и коэффициентами средней дисперсии v, что и было отражено в так называемой диаграмме Аббе. На этой диаграмме бесцветные оптические стёкла располагаются в виде широкой области вытянутой от нижнего левого угла диаграммы к её правому верхнему углу. Таким образом, можно было увидеть взаимосвязь изменения двух основных оптических характеристик с химическим составом оптических стёкол. Причём, с возрастанием показателя преломления, коэффициент дисперсии, как правило, уменьшался.

В связи с этим были выделены два основных типа оптических стёкол: кро́ны (стёкла с низким показателем преломления и высоким значениями коэффициента дисперсии) и фли́нты (стёкла с низкими значениям коэффициента дисперсии и высоким показателем преломления). При этом к группе кронов относились натриево-силикатные стекла, а к группе флинтов — стёкла, содержащие свинец.

В дальнейшем, в связи с ростом числа оптических стёкол, потребовалось делить диаграмму Аббе на бо́льшее число участков, соответствующих новым типам. Так, от кронов отделились лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые кроны (ЛК, ТК, СТК), а от флинтов — лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые флинты (ЛФ, ТФ, СТФ). К тому же, между лёгкими кронами и лёгкими флинтами появилась группа кронфлинтов.

Появились новые типы стёкол, как на основе несиликатных стеклообразователей (боратные, фосфатные, фторидные и др.), так и включающие новые компоненты (окислы лантана, тантала, титана). Такие типы часто (в каталогах зарубежных производителей — как правило) обозначаются с применением названий химических элементов, окислы которых и придают стёклам специфические свойства.

Использование подобных стёкол, для которых характерны иные сочетания главного показателя преломления и коэффициента дисперсии, существенно расширили область занимаемую оптическими стёклами на диаграмме Аббе. К тому же, связь между уменьшением коэффициента дисперсии и возрастанием показателя преломления стала менее заметной.

«Особые» стёкла

  Отклонения относительных частных дисперсий некоторых оптических стёкол и кристаллов (CaF₂ и BaF₂) от «нормальной прямой»

Кроме того, существуют так называемые «особые» стёкла, или стёкла с «особым ходом частных дисперсий». Большинство из них относятся к двум типам, объединённым собирательными терминами «ланг-кроны» (кроны с увеличенными относительными частными дисперсиями) и «курц-флинты» (флинты с уменьшенными частными дисперсиями). Эти наименования, происходящие от немецких слов lang (длинный) и kurz (короткий), весьма условны, и для большинства «особых» стёкол не связаны напрямую с особенностями химического состава и/или структуры.

В современных каталогах оптических стёкол для отображения «особых» характеристик используются графики (диаграммы) зависимости относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (например, PgF{\displaystyle P_{gF}}  от νd{\displaystyle \nu _{d}}  в каталоге Schott). На этих графиках оптические стёкла располагаются вдоль так называемой «нормальной прямой», непосредственно на которой находятся стёкла с линейной зависимостью PgF{\displaystyle P_{gF}}  от νd{\displaystyle \nu _{d}} .

При этом, стёкла с незначительным отклонением хода частных дисперсий (Δνλ1≤3{\displaystyle \Delta \nu _{\lambda _{1}}\leq 3} ) и находящиеся вблизи нормальной прямой принято называть «нормальными», а расположенные на бо́льшем удалении (имеющие бо́льшее отклонение хода частных дисперсий) — «особыми» («abnormal»).

Диаграмма «относительная частная дисперсия — коэффициент дисперсии» так же была предложена Эрнстом Аббе, однако, во избежание путаницы, её не принято называть именем автора.

Из стёкол, относящихся к первому из типов (ланг-кроны), следует отметить так называемые низкодисперсные стёкла, различные по составу, но отличающиеся как высокими значениями коэффициента средней дисперсии, так и высоким значением относительной частной дисперсии (то есть, значительным отклонением хода частных дисперсий от «нормального»).

Группа «курц-флинтов» так же объединяет различные по составу стёкла. В частности, под это определение подпадают практически все Шоттовские стёкла типов LaK, LaF, LaSF, а также российские СТК и ТБФ с высоким содержанием окиси лантана. Причём отклонения особых флинтов от «нормальной прямой», как правило, невелики.

«Особые» флинты с повышенными значениями относительной частной дисперсии (ланг-флинты) — это, как правило, либо тяжёлые и сверхтяжёлые флинты с максимальным содержанием окиси свинца, либо титановые флинты с высоким содержанием окиси титана.

Производство

Для получения цветного стекла в состав бесцветного стекла при варке вводят вещества, содержащие медь, золото, селен и др.

Варка оптического стекла производится из шихты в специальных огнеупорных горшках, помещаемых в стекловаренную печь. В составе шихты может быть до 40 % стеклобоя того же состава, что и варящееся стекло. Процесс варки длится около 24 часов. Нагрев производится, как правило, с помощью водородных горелок, при этом температура в печи достигает 1500 °C. В процессе варки стекломассу непрерывно перемешивают керамической или платиновой мешалкой для достижения однородного состояния и несколько раз берут пробу для контроля качества. Одним из этапов варки является осветление. На этом этапе в стекломассе выделяется большое количество газов из веществ-осветлителей, добавляемых в шихту. Образующиеся крупные пузыри быстро поднимаются к поверхности, захватывая по пути более мелкие, которые в любом случае образуются при варке. По окончании плавки стекла горшок извлекается из печи и подвергается замедленному охлаждению, длящемуся 6-8 дней. При неравномерном остывании массы в ней образуются механические напряжения, которые могут вызывать растрескивание стекла на большое количество кусков.

После остывания куски стекла сортируются по размерам и качеству, затем годные отправляются для дальнейшей обработки. В целях сокращения времени на механическую обработку оптические детали изготавливаются не из обычных кусков стекла, полученных после варки, а из специальных прессованных плиток или заготовок. Во избежание возникновения напряжений, вызываемых неравномерным охлаждением массы, полученные таким способом заготовки нагревают до 500 °C и затем подвергают исключительно медленному охлаждению в электрических печах, так называемому отжигу. Если при этом температура упадет резко, в стекле возникнут напряжения, которые приведут к появлению анизотропии, включая анизотропию показателя преломления. Также может образоваться вторичная мошка.

После отжига получившуюся заготовку исследуют с помощью оптических приборов контроля качества и составляют карту дефектов, на которой указывают размеры, местоположение и характер пороков стекла.

Технологические дефекты

К технологическим дефектам оптических стёкол относят камни, пузыри, мошку, дымки, свили и напряжения.

• Камни представляют собой мелкие непрозрачные частицы, отделившиеся от горшка во время варки стекла, или нерасплавившиеся частицы шихты. Небольшое количество и малые размеры камней, если они не находятся в фокальной плоскости или вблизи неё, на качество изображения не влияют, так как задерживают лишь незначительную часть проходящего через стекло света.
• Пузыри образуются в процессе варки стекла ввиду выделения газов составными частями шихты, вступающими в реакцию. Практически неизбежны при изготовлении стекла. Пузыри вызывают светорассеяние и некоторую потерю яркости изображения, так как лучи света, преломляясь на поверхностях пузырей под значительно бо́льшими углами, чем на остальной площади линзы, почти полностью поглощаются внутренними поверхностями камеры и оправы объектива.
• Мо́шка представляет собой большое скопление в массе стекла мельчайших пузырей, занимающих значительную часть его объёма. Мошка вызывает рассеяние большого количества проходящего через стекло света.
• Дымки́ имеют вид паутины или легкой волнистой дымки в среде стекла. Происходят в основном от спекания складок, образующихся в процессе прессовки, а также при спекании ранее не замеченных трещин.
• Сви́ли наблюдаются в массе стекла в виде прозрачных полосок или нитей вследствие неодинакового показателя преломления массы стекла. Представление о свиле может дать сравнение с каплей насыщенного сахарного раствора, введённой в стакан с водой. При растворении капля раствора будет образовывать в воде хорошо заметный след в виде волнистых полос и нитей.
• Напряже́ния возникают вследствие неоднородности стекла, вызываемой, как правило, его неравномерным охлаждением в процессе изготовления. Механически напряжённое состояние стекла вызывает так называемое двойное лучепреломление. В обычных условиях двойное лучепреломление незаметно на глаз, и определяется проверкой стекол при помощи специального прибора — полярископа. Непосредственно в оптических деталях напряжения (и соответствующее двойное лучепреломление) могут возникать под действием собственной массы детали, или давления на стекло при закреплении его в оправах.

Для оптических стёкол установлены категории и классы по качеству (ГОСТ 23136-93). То есть весь спектр дефектов разбит на диапазоны (по их количеству, размеру, форме) в которые должны входить марки стёкол. Для бесцветного оптического стекла существуют нормы ГОСТ 3514-94 (ранее ГОСТ 3514-76). Для цветного оптического стекла — ГОСТ 9411-91 (ранее ГОСТ 9411-76).

Поскольку оптическое стекло изготавливается для конкретных целей, то нормируются не только наличие дефектов, но и отклонения оптических показателей от нормы. Выбирать стекло для своих нужд легче, если заранее определить критерии качества.

Обработка

Обычно, руководствуясь картой дефектов, заготовку распиливают алмазными пилами на более мелкие прямоугольные или вырезают из неё цилиндры с помощью круговых пил. Получающимся заготовкам стараются придать форму, максимально приближенную к форме будущего оптического изделия с небольшим запасом. Также достаточно часто прямоугольные заготовки нагревают до состояния пластической деформации и прессованием получают из них изделия формы, близкой к требуемой. Затем эти заготовки закрепляют в блоки (как правило, из гипса) и шлифуют. Шлифование включает в себя несколько стадий; на каждой из последующей используют все более мелкие абразивные зерна. После каждой стадии шлифования стекло промывают. После того, как стекло отшлифовано, заготовку полируют и затем контролируют его форму (фигуру). Полирование стекла является длительным физико-химическим процессом, который длится до 3-х суток. После полирования получается готовая рабочая поверхность изделия, готовая к использованию. Эту поверхность защищают, извлекают заготовку из блока и вновь собирают блок, но заготовки крепят другой стороной кверху и аналогично шлифуют и полируют другие рабочие поверхности.

Просветление оптики

После полирования производится контроль качества поверхности стекла и затем для улучшения характеристик изделия может быть произведено просветление оптики путём нанесения тонких прозрачных плёнок, как правило, диэлектрических. Эти плёнки улучшают оптические характеристики и могут улучшать механические, например, защищать стекло от помутнения при длительном нахождении во влажной атмосфере.

История

Одни из первых серьёзных попыток получения оптического стекла, то есть стекла достаточной химической и физической однородности, и обладающего специфическими оптическими свойствами, можно отнести к XVII веку. Так, в труде немецкого химика Кункеля (Johannes Kunckel) «Ars vitraria experimentalis» (1689 г.) упоминается о борной и фосфорной кислотах, как компонентах стекла, и о боросиликатном кроне, близком по составу к некоторым современным сортам. В 1663 г. в патенте англичанина Тильсона упоминается о введении окиси свинца в «флинт-глас», а в XVIII веке это стекло начинают применять для изготовления ахроматических линз сперва Честер Мур Холл (1729 г.), а затем, и с бо́льшим успехом, Питер Доллонд (1758 г.).

Началом промышленного производства оптического стекла можно считать результат многолетней работы швейцарца Гинана, которому, совместно с Фраунгофером, удалось внедрить на заводе Утцшнайдера в Бенедиктбойерне (Бавария) более или менее надёжный способ получения хорошего оптического стекла в горшках емкостью до 400 кг. Ключом к успеху был изобретённый Гинаном приём механического перемешивания расплава во время варки, круговыми движениями глиняного стержня, вертикально опущенного в стекло. В 1811 году, Гинаном и Фраунгофером, было запущено в производство два сорта оптического стекла: крон (72 % SiO₂, 18 % K₂O, 10 % CaO) и флинт (45 % SiO₂, 12 %K₂O, 43 % PbO)

Разработанный технологический процесс позволял изготавливать вполне удовлетворительные линзы диаметром до 200—250 мм. Однако сортамент оптических стёкол выпускаемых стекольными заводами в первой половине XIX века был практически ограничен двумя его типами.

Во второй половине XIX века немецкий химик Отто Шотт осуществляет, по предложению Эрнста Аббе, фундаментальное исследование влияния на свойства стекла различных компонентов, а в 1884 г. О. Шотт и Э. Аббе и К. Цейсс основывают в Йене завод начавший выпуск разнообразных сортов оптического стекла.

См. также

Примечания

Литература

• И. Я. Бубис и др., под общ. ред. С. М. Кузнецова и М. А. Окатова, Справочник технолога оптика. Л. Машиностроение. 1983
• Волосов Д. С. Фотографическая оптика. М., «Искусство», 1971.
• Кулагин, С. В. Оптическое стекло // Фотокинотехника: Энциклопедия / Гл. ред. Е. А. Иофис. — М.: Советская энциклопедия, 1981.
• Качалов Н. Стекло. Издательство АН СССР. Москва. 1959
• Н. Н. Качалов и В. Г. Воано. Основы производства оптического стекла. Л. ОНТИ-Химтеорет, 1936
• Краткий фотографический справочник. Под общей редакцией д.т. н. Пуськова В. В., изд. 2-е, М., Искусство, 1953.
• Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съемка, формулы, термины, рецепты. Изд. 4-е, сокр. М., «Искусство», 1977.
• ГОСТ 23136-93 — Материалы Оптические — Параметры
• ГОСТ 3514-94 — Стекло Оптическое Бесцветное — Технические условия
• ГОСТ 9411-91 — Стекло Оптическое Цветное — Технические условия

Ссылки

http-wikipediya.ru

Оптическое стекло Вики

Опти́ческое стекло́ — прозрачное стекло специального состава, используемое для изготовления различных деталей оптических приборов.

От обычного технического стекла отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью, дисперсией, в необходимых случаях — цветом. Выполнение всех этих требований значительно усложняет и удорожает производство оптического стекла.

В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения в оптических системах, естественно возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стекла, различных по своим свойствам.

Химический состав[ | код]

В состав шихты для варки оптического стекла обычно входит чистый кремнезём, сода, борная кислота, нередко — соли бария, оксид свинца, фториды и другие компоненты.

Основные оптические свойства стекла[ | код]

Основные свойства оптического стекла характеризуются показателем преломления, средней дисперсией и коэффициентом дисперсии. В отдельных случаях для характеристики оптических стёкол используется частные дисперсии и относительные частные дисперсии.

Показатель преломления[ | код]

С XIX века (со времён Шотта и Аббе) и до недавнего времени для характеристики оптических стёкол использовался показатель преломления nD{\displaystyle n_{D}}, определяемый для жёлтой спектральной D-линии натрия (λ=589,3 нм).

Однако это не одиночная линия, а пара: так называемый «натриевый дублет», что не могло не сказаться на точности измерений. Поэтому сейчас в качестве главного показателя преломления (nλ{\displaystyle n_{\lambda }}) принимают его значение либо для жёлтой d-линии гелия с λ=587,56 нм, либо для жёлто-зелёной e-линии ртути с λ=546,07 нм. Первый (nd{\displaystyle n_{d}}) используется такими производителями как Schott, Hoya, Ohara и др., второй (ne{\displaystyle n_{e}}), в частности, принят в документации российских производителей.

В настоящее время достигнутые пределы значений nd{\displaystyle n_{d}} промышленных оптических стёкол составляют примерно 1,43 — 2,17.

Допустимое отклонение зависит от категории оптического стекла и нормируется величиной ±(3-20)⋅10⁻⁴.

Средняя дисперсия[ | код]

Средняя дисперсия — определяется как разность показателей преломления n_F для синей линии спектра λ=488,1 нм и n_C для красной линии спектра с λ=656,3 нм; Величина средней дисперсии представляется как (n_F-n_C)⋅10⁵ и лежит в диапазоне 639 — 3178, с допустимым отклонением ±(3-20)⋅10⁻⁵.

Коэффициент дисперсии[ | код]

Коэффициент дисперсии (число Аббе, νλ{\displaystyle \nu _{\lambda }}) — задаётся отношением разности показателя преломления nλ{\displaystyle n_{\lambda }} без единицы к средней дисперсии.
Ранее определялось выражением, включающим показатель преломления nD{\displaystyle n_{D}} для жёлтой спектральной линии натрия.

νD=nD−1nF−nC{\displaystyle \nu _{D}={\frac {n_{D}-1}{n_{F}-n_{C}}}}

В настоящее время основными вариантами коэффициента дисперсии являются, либо

νd=nd−1nF−nC{\displaystyle \nu _{d}={\frac {n_{d}-1}{n_{F}-n_{C}}}}

либо

νe=ne−1nF′−nC′{\displaystyle \nu _{e}={\frac {n_{e}-1}{n_{F’}-n_{C’}}}}

где средняя дисперсия определяется, как разность показателей преломления для голубой (F’ ) и красной (C’ ) линий кадмия.

В настоящее время значения νd{\displaystyle \nu _{d}} для промышленных оптических стёкол находятся в пределах от 17 до 95.

Частные дисперсии и относительные частные дисперсии[ | код]

Частные дисперсии — это разности nλ4−nλ5{\displaystyle n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}} двух значений показателя преломления при некоторых произвольно выбранных длинах волн λ4{\displaystyle \lambda _{4}} и λ5{\displaystyle \lambda _{5}}, не совпадающих с длинами волн λ2{\displaystyle \lambda _{2}} и λ3{\displaystyle \lambda _{3}}, выбранными для расчёта средней дисперсии (и как правило, с более узким спектральным интервалом).

Относительные частные дисперсии Pλ4λ5{\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}} — это отношения частных дисперсий к средней дисперсии.

Pλ4λ5=nλ4−nλ5nλ2−nλ3{\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5}}}={\frac {n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}}{n_{\lambda _{2}}-n_{\lambda _{3}}}}}

Хотя, для большинства оптических стёкол зависимость относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (числа Аббе) близка к линейной, однако, зависимость показателя преломления оптического материала от длины волны света представляет собой сложную кривую. Форма этой кривой определяется параметрами конкретного материала и будет различной для разных типов оптических стёкол. Таким образом, частные дисперсии и относительные частные дисперсии служат для детализации зависимости изменений показателя преломления стекла от изменений длины волны.

Такая детализация необходима при расчёте высококачественных ахроматических и апохроматических компонентов, поскольку учёт хода относительных дисперсий, на этапе выбора стёкол, позволяет в дальнейшем значительно уменьшить вторичный спектр. Так как, в общем случае, величина вторичного спектра пропорциональна отношению разности частных дисперсий выбранной пары стёкол к разности показателей средних дисперсий этих стёкол.

Δs=f′P1−P2ν1−ν2{\displaystyle \Delta s=f'{\frac {P_{1}-P_{2}}{\nu _{1}-\nu _{2}}}}

где: P1{\displaystyle P_{1}} и P2{\displaystyle P_{2}} — относительные частные дисперсии; ν1{\displaystyle \nu _{1}} и ν2{\displaystyle \nu _{2}} — коэффициенты средней дисперсии; f′{\displaystyle f’} -фокусное расстояние объектива.

Для практики наиболее важны — частная дисперсия для синего участка спектра ng−nF{\displaystyle n_{g}-n_{F}} или ng−nF′{\displaystyle n_{g}-n_{F’}} (где ng{\displaystyle n_{g}} — показатель преломления для фиолетовой g-линии ртути) и соответствующая ей относительная частная дисперсия PgF{\displaystyle P_{gF}} (или PgF′{\displaystyle P_{gF’}}), поскольку в пределах именно этого участка показатель преломления материалов изменяется с длиной волны наиболее значительно.

Показатель ослабления излучения[ | код]

Интенсивность оптического излучения, проходящего через стекло, уменьшается вследствие поглощения и рассеяния излучения стеклом. Степень уменьшения интенсивности излучения, обусловленного суммарным действием обоих механизмов, характеризуют показателем ослабления стекла.

Различают и используют показатель ослабления монохроматического излучения и показатель ослабления для белого света стандартного источника А^[1]μA{\displaystyle \mu _{A}}.

По величине показателя ослабления для белого света излучения источника А установлены восемь категорий качества, определяемых предельными значениями μA{\displaystyle \mu _{A}}^[2].

К первой, высшей категории, относятся стёкла у которых μA{\displaystyle \mu _{A}} лежит в пределах от 0,0002 до 0,0004 см⁻¹. У таких стёкол коэффициент внутреннего пропускания слоя толщиной 10 см составляет величины от 0,991 до 0,995^[2].

Стёкла, относящиеся к восьмой, низшей категории, имеют μA{\displaystyle \mu _{A}}, располагающийся в пределах от 0,0066 до 0,013 см⁻¹. Этому диапазону значений показателя ослабления соответствует диапазон значений коэффициента внутреннего пропускания слоя стекла толщиной 10 см от 0,741 до 0,859^[2].

Типы оптических стёкол[ | код]

В основу исторически сложившейся классификации оптических стёкол легло общее представление о связи между химическим составом и оптическими постоянными. До работ Шотта оптические стёкла состояли почти исключительно из кремнезёма в соединении с окислами натрия, калия, кальция и свинца. Для таких стёкол существует функциональная зависимость между показателями преломления n и коэффициентами средней дисперсии v, что и было отражено в так называемой диаграмме Аббе. На этой диаграмме бесцветные оптические стёкла располагаются в виде широкой области вытянутой от нижнего левого угла диаграммы к её правому верхнему углу. Таким образом, можно было увидеть взаимосвязь изменения двух основных оптических характеристик с химическим составом оптических стёкол. Причём, с возрастанием показателя преломления, коэффициент дисперсии, как правило, уменьшался.

В связи с этим были выделены два основных типа оптических стёкол: кро́ны (стёкла с низким показателем преломления и высоким значениями коэффициента дисперсии) и фли́нты (стёкла с низкими значениям коэффициента дисперсии и высоким показателем преломления). При этом к группе кронов относились натриево-силикатные стекла, а к группе флинтов — стёкла, содержащие свинец.

В дальнейшем, в связи с ростом числа оптических стёкол, потребовалось делить диаграмму Аббе на бо́льшее число участков, соответствующих новым типам. Так, от кронов отделились лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые кроны (ЛК, ТК, СТК), а от флинтов — лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые флинты (ЛФ, ТФ, СТФ). К тому же, между лёгкими кронами и лёгкими флинтами появилась группа кронфлинтов.

Появились новые типы стёкол, как на основе несиликатных стеклообразователей (боратные, фосфатные, фторидные и др.), так и включающие новые компоненты (окислы лантана, тантала, титана). Такие типы часто (в каталогах зарубежных производителей — как правило) обозначаются с применением названий химических элементов, окислы которых и придают стёклам специфические свойства.

Использование подобных стёкол, для которых характерны иные сочетания главного показателя преломления и коэффициента дисперсии, существенно расширили область занимаемую оптическими стёклами на диаграмме Аббе. К тому же, связь между уменьшением коэффициента дисперсии и возрастанием показателя преломления стала менее заметной.

«Особые» стёкла[ | код]

Отклонения относительных частных дисперсий некоторых оптических стёкол и кристаллов (CaF₂ и BaF₂) от «нормальной прямой»

Кроме того, существуют так называемые «особые» стёкла, или стёкла с «особым ходом частных дисперсий». Большинство из них относятся к двум типам, объединённым собирательными терминами «ланг-кроны» (кроны с увеличенными относительными частными дисперсиями) и «курц-флинты» (флинты с уменьшенными частными дисперсиями). Эти наименования, происходящие от немецких слов lang (длинный) и kurz (короткий), весьма условны, и для большинства «особых» стёкол не связаны напрямую с особенностями химического состава и/или структуры.

В современных каталогах оптических стёкол для отображения «особых» характеристик используются графики (диаграммы) зависимости относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии (например, PgF{\displaystyle P_{gF}} от νd{\displaystyle \nu _{d}} в каталоге Schott). На этих графиках оптические стёкла располагаются вдоль так называемой «нормальной прямой», непосредственно на которой находятся стёкла с линейной зависимостью PgF{\displaystyle P_{gF}} от νd{\displaystyle \nu _{d}}.

При этом, стёкла с незначительным отклонением хода частных дисперсий (Δνλ1≤3{\displaystyle \Delta \nu _{\lambda _{1}}\leq 3}) и находящиеся вблизи нормальной прямой принято называть «нормальными», а расположенные на бо́льшем удалении (имеющие бо́льшее отклонение хода частных дисперсий) — «особыми» («abnormal»).

Диаграмма «относительная частная дисперсия — коэффициент дисперсии» так же была предложена Эрнстом Аббе, однако, во избежание путаницы, её не принято называть именем автора.

Из стёкол, относящихся к первому из типов (ланг-кроны), следует отметить так называемые низкодисперсные стёкла, различные по составу, но отличающиеся как высокими значениями коэффициента средней дисперсии, так и высоким значением относительной частной дисперсии (то есть, значительным отклонением хода частных дисперсий от «нормального»).

Группа «курц-флинтов» так же объединяет различные по составу стёкла. В частности, под это определение подпадают практически все Шоттовские стёкла типов LaK, LaF, LaSF, а также российские СТК и ТБФ с высоким содержанием окиси лантана. Причём отклонения особых флинтов от «нормальной прямой», как правило, невелики.

«Особые» флинты с повышенными значениями относительной частной дисперсии (ланг-флинты) — это, как правило, либо тяжёлые и сверхтяжёлые флинты с максимальным содержанием окиси свинца, либо титановые флинты с высоким содержанием окиси титана.

Производство[ | код]

Для получения цветного стекла в состав бесцветного стекла при варке вводят вещества, содержащие медь, золото, селен и др.

Варка оптического стекла производится из шихты в специальных огнеупорных горшках, помещаемых в стекловаренную печь. В составе шихты может быть до 40 % стеклобоя того же состава, что и варящееся стекло. Процесс варки длится около 24 часов. Нагрев производится, как правило, с помощью водородных горелок, при этом температура в печи достигает 1500 °C. В процессе варки стекломассу непрерывно перемешивают керамической или платиновой мешалкой для достижения однородного состояния и несколько раз берут пробу для контроля качества. Одним из этапов варки является осветление. На этом этапе в стекломассе выделяется большое количество газов из веществ-осветлителей, добавляемых в шихту. Образующиеся крупные пузыри быстро поднимаются к поверхности, захватывая по пути более мелкие, которые в любом случае образуются при варке. По окончании плавки стекла горшок извлекается из печи и подвергается замедленному охлаждению, длящемуся 6-8 дней. При неравномерном остывании массы в ней образуются механические напряжения, которые могут вызывать растрескивание стекла на большое количество кусков.

После остывания куски стекла сортируются по размерам и качеству, затем годные отправляются для дальнейшей обработки. В целях сокращения времени на механическую обработку оптические детали изготавливаются не из обычных кусков стекла, полученных после варки, а из специальных прессованных плиток или заготовок. Во избежание возникновения напряжений, вызываемых неравномерным охлаждением массы, полученные таким способом заготовки нагревают до 500 °C и затем подвергают исключительно медленному охлаждению в электрических печах, так называемому отжигу. Если при этом температура упадет резко, в стекле возникнут напряжения, которые приведут к появлению анизотропии, включая анизотропию показателя преломления. Также может образоваться вторичная мошка.

После отжига получившуюся заготовку исследуют с помощью оптических приборов контроля качества и составляют карту дефектов, на которой указывают размеры, местоположение и характер пороков стекла.

Технологические дефекты[ | код]

К технологическим дефектам оптических стёкол относят камни, пузыри, мошку, дымки, свили и напряжения.

• Камни представляют собой мелкие непрозрачные частицы, отделившиеся от горшка во время варки стекла, или нерасплавившиеся частицы шихты. Небольшое количество и малые размеры камней, если они не находятся в фокальной плоскости или вблизи неё, на качество изображения не влияют, так как задерживают лишь незначительную часть проходящего через стекло света.
• Пузыри образуются в процессе варки стекла ввиду выделения газов составными частями шихты, вступающими в реакцию. Практически неизбежны при изготовлении стекла. Пузыри вызывают светорассеяние и некоторую потерю яркости изображения, так как лучи света, преломляясь на поверхностях пузырей под значительно бо́льшими углами, чем на остальной площади линзы, почти полностью поглощаются внутренними поверхностями камеры и оправы объектива.
• Мо́шка представляет собой большое скопление в массе стекла мельчайших пузырей, занимающих значительную часть его объёма. Мошка вызывает рассеяние большого количества проходящего через стекло света.
• Дымки́ имеют вид паутины или легкой волнистой дымки в среде стекла. Происходят в основном от спекания складок, образующихся в процессе прессовки, а также при спекании ранее не замеченных трещин.
• Сви́ли наблюдаются в массе стекла в виде прозрачных полосок или нитей вследствие неодинакового показателя преломления массы стекла. Представление о свиле может дать сравнение с каплей насыщенного сахарного раствора, введённой в стакан с водой. При растворении капля раствора будет образовывать в воде хорошо заметный след в виде волнистых полос и нитей.
• Напряже́ния возникают вследствие неоднородности стекла, вызываемой, как правило, его неравномерным охлаждением в процессе изготовления. Механически напряжённое состояние стекла вызывает так называемое двойное лучепреломление. В обычных условиях двойное лучепреломление незаметно на глаз, и определяется проверкой стекол при помощи специального прибора — полярископа. Непосредственно в оптических деталях напряжения (и соответствующее двойное лучепреломление) могут возникать под действием собственной массы детали, или давления на стекло при закреплении его в оправах.

Для оптических стёкол установлены категории и классы по качеству (ГОСТ 23136-93). То есть весь спектр дефектов разбит на диапазоны (по их количеству, размеру, форме) в которые должны входить марки стёкол. Для бесцветного оптического стекла существуют нормы ГОСТ 3514-94 (ранее ГОСТ 3514-76). Для цветного оптического стекла — ГОСТ 9411-91 (ранее ГОСТ 9411-76).

Поскольку оптическое стекло изготавливается для конкретных целей, то нормируются не только наличие дефектов, но и отклонения оптических показателей от нормы. Выбирать стекло для своих нужд легче, если заранее определить критерии качества.

Обработка[ | код]

Обычно, руководствуясь картой дефектов, заготовку распиливают алмазными пилами на более мелкие прямоугольные или вырезают из неё цилиндры с помощью круговых пил. Получающимся заготовкам стараются придать форму, максимально приближенную к форме будущего оптического изделия с небольшим запасом. Также достаточно часто прямоугольные заготовки нагревают до состояния пластической деформации и прессованием получают из них изделия формы, близкой к требуемой. Затем эти заготовки закрепляют в блоки (как правило, из гипса) и шлифуют. Шлифование включает в себя несколько стадий; на каждой из последующей используют все более мелкие абразивные зерна. После каждой стадии шлифования стекло промывают. После того, как стекло отшлифовано, заготовку полируют и затем контролируют его форму (фигуру). Полирование стекла является длительным физико-химическим процессом, который длится до 3-х суток. После полирования получается готовая рабочая поверхность изделия, готовая к использованию. Эту поверхность защищают, извлекают заготовку из блока и вновь собирают блок, но заготовки крепят другой стороной кверху и аналогично шлифуют и полируют другие рабочие поверхности.

Просветление оптики[ | код]

После полирования производится контроль качества поверхности стекла и затем для улучшения характеристик изделия может быть произведено просветление оптики путём нанесения тонких прозрачных плёнок, как правило, диэлектрических. Эти плёнки улучшают оптические характеристики и могут улучшать механические, например, защищать стекло от помутнения при длительном нахождении во влажной атмосфере.

История[ | код]

Одни из первых серьёзных попыток получения оптического стекла, то есть стекла достаточной химической и физической однородности, и обладающего специфическими оптическими свойствами, можно отнести к XVII веку. Так, в труде немецкого химика Кункеля (Johannes Kunckel) «Ars vitraria experimentalis» (1689 г.) упоминается о борной и фосфорной кислотах, как компонентах стекла, и о боросиликатном кроне, близком по составу к некоторым современным сортам. В 1663 г. в патенте англичанина Тильсона упоминается о введении окиси свинца в «флинт-глас», а в XVIII веке это стекло начинают применять для изготовления ахроматических линз сперва Честер Мур Холл (1729 г.), а затем, и с бо́льшим успехом, Питер Доллонд (1758 г.).

Началом промышленного производства оптического стекла можно считать результат многолетней работы швейцарца Гинана, которому, совместно с Фраунгофером, удалось внедрить на заводе Утцшнайдера в Бенедиктбойерне (Бавария) более или менее надёжный способ получения хорошего оптического стекла в горшках емкостью до 400 кг. Ключом к успеху был изобретённый Гинаном приём механического перемешивания расплава во время варки, круговыми движениями глиняного стержня, вертикально опущенного в стекло. В 1811 году, Гинаном и Фраунгофером, было запущено в производство два сорта оптического стекла: крон (72 % SiO₂, 18 % K₂O, 10 % CaO) и флинт (45 % SiO₂, 12 %K₂O, 43 % PbO)

Разработанный технологический процесс позволял изготавливать вполне удовлетворительные линзы диаметром до 200—250 мм. Однако сортамент оптических стёкол выпускаемых стекольными заводами в первой половине XIX века был практически ограничен двумя его типами.

Во второй половине XIX века немецкий химик Отто Шотт осуществляет, по предложению Эрнста Аббе, фундаментальное исследование влияния на свойства стекла различных компонентов, а в 1884 г. О. Шотт и Э. Аббе и К. Цейсс основывают в Йене завод начавший выпуск разнообразных сортов оптического стекла.

См. также[ | код]

Примечания[ | код]

Литература[ | код]

• И. Я. Бубис и др., под общ. ред. С. М. Кузнецова и М. А. Окатова, Справочник технолога оптика. Л. Машиностроение. 1983
• Волосов Д. С. Фотографическая оптика. М., «Искусство», 1971.
• Кулагин, С. В. Оптическое стекло // Фотокинотехника: Энциклопедия / Гл. ред. Е. А. Иофис. — М.: Советская энциклопедия, 1981.
• Качалов Н. Стекло. Издательство АН СССР. Москва. 1959
• Н. Н. Качалов и В. Г. Воано. Основы производства оптического стекла. Л. ОНТИ-Химтеорет, 1936
• Краткий фотографический справочник. Под общей редакцией д.т. н. Пуськова В. В., изд. 2-е, М., Искусство, 1953.
• Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съемка, формулы, термины, рецепты. Изд. 4-е, сокр. М., «Искусство», 1977.
• ГОСТ 23136-93 — Материалы Оптические — Параметры
• ГОСТ 3514-94 — Стекло Оптическое Бесцветное — Технические условия
• ГОСТ 9411-91 — Стекло Оптическое Цветное — Технические условия

Ссылки[ | код]

ru.wikibedia.ru

Оптическое стекло

Федеральное агентство по здравоохранению и социальному развитию Федеральное государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования «Санкт-Петербургский медико-технический колледж Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию» (ФГОУ СПО «СПб МТК Росздрава»)

Реферат

Оптическое стекло

Санкт-Петербург 2007-2008

План

I Часть. Оптические постоянные стекла

1. Оптическое бесцветное стекло

2. Оптические постоянные стекла

3. Показатели качества оптического стекла

II Часть. Астигматические линзы, их конструкция, назначение. Особенности изготовления, контроль параметров

1. Конструкция

2. Назначение

3. Особенности изготовления

4. Контроль параметров

IЧасть. Оптические постоянные стекла

1. Оптическое бесцветное стекло

Оптическим бесцветным стеклом называется однородное, прозрачное и специально не окрашенное неорганическое стекло любого химического состава, но с определенными оптическими постоянными. Оптическое стекло является основным материалом для изготовления большинства оптических деталей. Основное назначение оптических деталей заключается в закономерном изменении хода световых лучей.

При выборе стекол для оптического прибора руководствуются большим числом параметров, которые можно разделить на три группы.

1. Оптические постоянные стекол: показатель преломления и дисперсии.

2. Показатели качества оптического стекла: показатель ослабления, оптическая однородность, пузырность, бессвильность, двойное лучепреломление. Эти параметры определяются, в основном технологией производства стекла.

3. Физико-химические свойства стекол: механические, термические, радиационные, химическая устойчивость. Эти характеристики определяются химическим, составом стекол и обеспечиваются постоянным его соблюдением.

2. Оптические постоянные стекла

Одно из самых положительных свойств стекла — его прозрачность для прохождения света и других видов лучистой энергии. При прохождении луча света из среды А (воздух) в среду В (стекло) с иной плотностью он меняет свое направление на границе этих сред, так как скорость распространения света в средах А и В обратно пропорциональна их плотности.

Основной характеристикой оптического стекла является его показатель преломления. От величины показателя преломления зависит изменение направления луча света при переходе из одной среды в другую с иной плотностью. Чем больше показатель преломления стекла, тем меньше угол преломления β при том же угле падения α.

Угол падения и угол преломления связаны соотношением:

где α — угол падения луча;

β — угол преломления луча;

n — показатель преломления, величина постоянная для данного стекла, не зависящая от угла падения луча; здесь n — относительный показатель преломления, т. е. показатель преломления стекла, определенный относительно показателя преломления воздуха.

Чем больше плотность среды В, тем выше значение показателя преломления. Поскольку плотность стекол тем выше, чем больше плотность входящих в них оксидов, то наибольшим показателем преломления будут обладать стекла, содержащие оксиды тяжелых элементов, а наименьшим — стекла, содержащие оксиды легких элементов.

По ГОСТ 3514-76 «Стекло оптическое бесцветное» показатель преломления принято обозначать в общем виде n_λ . Индекс λ означает длину волны в нанометрах, для которой дается показатель преломления. Вместо длины волны в качестве индекса служит обозначение соответствующей спектральной линии. Согласно ГОСТ 3514-76 предусматриваются следующие оптические постоянные: показатель преломления n_е ; средняя дисперсия n_F^, — n_C^, и коэффициент дисперсии:

ν_e =

,

где е — линия спектра ртути с λ_e = 546,07 нм; F^, и С^, — линии спектра кадмия с λ_F^, = 479,99 нм; λ_C^, = 643,85 нм. Значения показателя преломления и дисперсий приводятся при температуре

20°C и нормальном атмосферном давлении. Стекла для оптических систем, работающих совместно с глазом, характеризовались ранее показателем преломления n_D , n_F , n_C . Для получения линии D спектра пользуются пламенем паров натрия, дающим спектральный свет с λ=589,3 нм, для линии d установлена длина волны гелия λ=587,56 им, для линий F и С — пламенем водорода, дающим спектральный свет с длинами воли λ=486 нм и λ = 656,3 нм.

Для отечественных оптических стекол значение n_е изменяется от 1,4891 до 1,8138. Имеются стекла и с большим показателем преломления, например, стекло марки СТФЗ имеет n_е более 2,0.

Показатель преломления для оптических стекол измеряют и указывают в справочной литературе с точностью не меньше чем до одной единицы четвертого десятичного знака, например n_d = 1,5215 для очковых стекол марки ОЧК-80; n_е = 1,5183 для марки стекла К8.

Вследствие различного преломления лучей с разной длиной волны луч белого света, проходя через стеклянную призму, разлагается на цветные лучи: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Это разложение называется дисперсией. Дисперсия света определяется разностью показателей преломления для волн различной длины. Средняя дисперсия стекол деталей приборов для наблюдения глазом определяется разностью

_F^, — n_C^, . Частные дисперсии света определяются разностью других показателей преломления, например _D – n_C , n_F – n_D .

Значения средней и частных дисперсий измеряют и задают с точностью до одной единицы пятого десятичного знака. Если оптический прибор предназначен для наблюдения в видимой области спектра, то расчет радиусов кривизны поверхностей линз ведут так, чтобы фокус Fc’ красных лучей совпал с фокусом Ff’ — синих лучей. При расчете используют функцию показателя преломления и средней дисперсии стекла — так называемый коэффициент дисперсии (число Аббе):

ν_e =

Величину ν_e вычисляют с точностью до одной единицы первого десятичного знака.

Для большинства оптических стекол ν_e изменяется в пределах от 76 до 17.

Дисперсия зависит от состава стекла, она возрастает при увеличении содержания в стекле тяжелых оксидов. Показатель преломления и дисперсия очень важны при использовании стекла в оптических приборах. По показателю преломления судят также об однородности стекла , и им широко пользуются в практике стекловарения.

Показатель преломления любого вещества, в том числе и стекла, меняется с изменением длины волны излучения — для фиолетовой части спектра он больше, а для красной — меньше. Оптическое стекло, выпускаемое стекловаренными заводами, по допускаемым отклонениям оптических свойств делят на пять категорий:

При тщательном проведении анализа химического состава сырьевых материалов, строгом соблюдении режима варки по категории 1 выход стекла составляет 50—70%, а по категории 2—90—95%.

По однородности показателя преломления и средней дисперсии в партии заготовок оптическое стекло делят на четыре класса:

К однородности партии по показателю преломления и средней дисперсии предъявляются довольно жесткие требования. Это возможно выдержать лишь при специальном сопровождении данной партии, когда исключено перемешивание с заготовками других партий.

3. Показатели качества оптического стекла

На основании расчета оптической системы производится выбор допусков по показателям качества при изготовлении заготовки будущей оптической детали.

Оптическое стекло бесцветное делят на категории и классы по следующим показателям качества:

а) допускаемым отклонением показателя преломления n_е и средней дисперсии n_F ‘ — n_C ‘ от значений, установленных для стекла каждой марки;

б) однородности партии заготовки стекла по показателям преломления и средней дисперсии;

в) оптической однородности;

г) двойному лучепреломлению;

д) показателю ослабления ε_А ;

е) бессвильности;

ж) пузырности.

IIЧасть.Астигматические линзы, их конструкция, назначение. Особенности изготовления, контроль параметров

астигматический линза оптический преломление

1. Конструкция

Глаза человека, с астигматизмом нуждаются в корригирующих линзах, сила которых различна по главным меридианам.

Изменение силы астигматических линз происходит таким образом, что минимальная сила приходится на один меридиан, а максимальная сила имеет место на меридиане, расположенном под прямым углом к меридиану с минимальной силой.

Рис. 1. Цилиндрическая поверхность и плоскоцилиндрические линзы.

Рис 2. Движения изображения, подобные движениям ножниц, происходящие при вращательном тесте, который производится с цилиндрическими линзами.

Такие меридианы минимальной и максимальной силы называются главными меридианами линзы. Если коррекция вдоль одного из меридианов не требуется, можно использовать линзы цилиндрической формы. В цилиндрической поверхности (из рис. 1 а) сечение, параллельное оси вращения, имеет плоскую форму, а сечение, расположенное под прямым углом к осевому меридиану, представляет собой круг. Меридиан, расположенный под прямым углом к осевому меридиану, называется меридианом оптической силы цилиндра.

mirznanii.com

ТЕХНОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

К оптическим относят однородные высокопрозрачные стекла различного химического состава. Оптическое стек­ло предназначено для изготовления из него деталей раз­личных оптических приборов, которые могут пропускать, отклонять или преломлять световые лучи в точно опре­деленных направлениях с наименьшим светопоглоще- нием. Из оптического стекла изготовляют линзы, приз­мы и другие изделия, применяемые в разнообразных областях науки и техники, быту и военном деле.

Основное требование к оптическим стеклам заклю­чается в необходимости достижения высокой однород­ности. Наряду с этим оптическое стекло должно быть высокопрозрачным, термически стойким и химически устойчивым главным образом к действию атмосферной влаги и слабых растворов кислот.

Ассортимент оптических стекол достаточно широк. Отечественная стекольная промышленность выпускает практически все известные марки оптических стекол и полностью удовлетворяет потребности народного хозяй­ства.

СОСТАВЫ И СВОЙСТВА

Оптические стекла подразделяют в зависимости от их показателя преломления и коэффициента дисперсии. Условно можно выделить две большие группы: кроны и флинты. К кронам относят стекла, не содержащие ок­сиды свинца или содержащие его в небольших количе­ствах. Они характеризуются невысоким показателем преломления и большим коэффициентом дисперсии. Флинты содержат большое количество РЬО (в особен­ности тяжелые флинты), они обладают высоким пока­зателем преломления и малым коэффициентом диспер­сии.

Значения показателя преломления nD оптических стекол изменяются в пределах 1,44—1,8, а коэффициен­ты дисперсии — в пределах 70—25,4. В табл. 21.1 при-

Таблнца 21.1. Химические составы и свойства оптических стекол Стекла Химические составы, % по массе Si о, Bs03 А1203 As203 РЬО ВаО ZnO Крон: Легкий (ЛК) 50 16,2 8,8 0,2 — — — Фосфатный (ФК) — 3 10 0,5 — Р206 — Крон (К) 72 8,1 _ 0,2 _ 70,5 Баритовый (БК) 49,5 4,8 — 0,2 2,6 — — Тяжелый (ТК) 32,6 13,3 3,1 1,6 — 21,6 12,5 Кронфлинт (КФ) 63 1,8 — 0,2 16 45,9 3,5 Флинт: —. — Баритовый (БФ) 41,8 — — 0,2 33,2 11,4 5,2 Легкий (ЛФ) 61 — — 0,2 26,3 — — Флинт (Ф) 47 — — 0,2 46,4 — — Тяжелый (ТФ) 31,5 — — 0,3 65,4 — .— Особый (ОФ) 54,1 16,5 1,1 0,5 21,3

Продолжение табл. 21.1 Стекла Химические составы по массе % Свойства СаО MgO Кго №гО Показа­тель пре­ломления Диспер­сия Крон: Легкий (ЛК) — . — 16,2 5,3 1,47 67 Фосфатный (ФК) — 4 12 — 1,516 70 Крон (К) 1,5 0,5 10,5 7,2 1,51 63,4 Баритовый (БК) — — 7,6 1,2 1,5688 56 Тяжелый (TK) — — — — 1,6126 58,6 Кронфлинт (КФ) 2 — 11 6 1,536 51,1 Флинт: Баритовый (БФ) — — 8,2 — 1,6259 39,1 Легкий (ЛФ) — — 8 4,5 1,548 45,9 Флинт (Ф) — — 6,4 — 1,6164 . 36,6 Тяжелый (ТФ) — — 2,8 — 1,755 27,5 Особый (ОФ) — — 6,5 — 1,523 59,3

Водятся химические составы некоторых оптических сте­кол и оптические свойства. Как видно из табл. 21.1, в состав оптических стекол входят те же компоненты, что и в состав обычных технических стекол. Достижение за­данных оптических свойств обусловливается определен­ным сочетанием составляющих стекло оксидов, повы­шенным содержанием одного из них и высокой однород­ностью.

Обычно фактические составы несколько отличаются от расчетных в силу того, что ряд компонентов оптичес­ких стекол (PbO, F, Na203, В203) склонно к улетучива­нию при варке.

Плотность оптических стекол в зависимости от содер­жания РЬО и ВаО может колебаться от 2330 кг/м3 (лег­кий крон) до 5190 кг/м3 (тяжелый флинт).

ТЕХНОЛОГИЯ

При выборе сырьевых материалов для варки опти­ческих стекол основное внимание уделяют их чистоте, содержанию в них загрязняющих стекло примесей. Для
введения в состав стекла SiC>2, как правило, используют молотый кварц, содержание оксидов железа в котором допускается не более 0,001—0,005%- При введении дру­гих компонентов используют чистые искусственно полу­чаемые соединения и оксиды металлов. Ограничивается в составе стекол также содержание С1 и SO3, которые могут вызвать в них опалесценцию. Особое значение при приготовлении шихты приобретает контроль однородно­сти сырьевых материалов и полноты их смешивания. С целью устранения попадания в стекло аппаратур­ного железа производственные емкости и инструменты для приготовления шихты изготовляют из дерева, цинка и алюминия.

Варку оптических стекол осуществляют в одно-двух — горшков’ых пламенных печах. В качестве сосудов для варки применяют огнеупорные (шамотные или кварце­вые) горшки емкостью 100—1000 л. В отдельных слу­чаях для варки используют ванные печи. В тех случаях, когда варят стекла, обильно выделяющие пузыри или агрессивно воздействующие на стенки огнеупорного горш­ка, применяют электрические печи. Стекло варят в платиновом тигле, помещенном в магнитном поле индук­тора. Платиновый тигель находится в защитном керами­ческом горшке.

При варке оптических стекол перед технологами ста­вится задача не только его сварить, осветлить в соответ­ствии с заданным составом, но и достичь высокой одно­родности стекломассы. С этой целью при варке таких стекол применяют приемы механического перемешива­ния стекломассы. В качестве мешалки используют ша­мотный или из кварцевого стекла стержень, снабженный внизу двумя лопастями наподобие гребневого винта. Ме­шалка укреплена на охлаждаемой водой штанге, прохо­дящей через свод печи. Мешалки приводят во вращение с помощью электродвигателя.

Температурные режимы варки оптических стекол в значительной степени отличаются друг от друга в силу большого многообразия составов стекол. Более длитель­ные режимы устанавливают для оптического стекла марок тяжелого крона (до 40 ч) и менее длительные режимы — для стекол марок флинтов (до 20 ч). На рис. 21.1 приведен температурный режим варки боросй — ликатного крона в шамотном горшке емкостью 600 л в газопламенной печи с механическим перемешиванием. Здесь же указывается режим работы мешалки.

23—468

Рис. 21.1. Температурный режим варки боросиликатного крона в горшковой Печи

Технологический процесс варки стекол заключается в следующем. Вначале подготавливают горшок для вар­ки стекла. Шамотный горшок после формования подвер­гают сушке, затем обжигу при 850—900 °С. Высокотем­пературный обжиг осуществляют в горшковой печи при 1450—1550 °С, куда его вставляют после обжига. После окончания выводки горшок готов для варки в нем стек­ла, которую начинают засыпкой в него сначала возврат­ного боя стекла (при температуре около 1350°С), а за­тем шихты (при температуре около 1400°С).

Осветляют стекломассу при максимальных темпера­турах, для ряда стекол они составляют 1400—1450 °С. В период осветления иногда проводят бурление стекло­массы и хальмование поверхности стекла. Механическое перемешивание стекломассы осуществляют или вскоре после засыпки шихты, или после осветления и снижения температуры на 80—100°С. Охлаждение стекломассы до температур выработки продолжается несколько часов, после чего горшок выставляют из печи и начинают от­ливку стекла.

Выработку оптического стекла производят четырьмя основными способами: «классическим» — охлаждением стекла непосредственно в стекловаренном горшке с по-

Г

Следующей разбивкой на куски; отливкой в виде бло­ка; в этом случае стекломассу отливают из горшка в разборную квадратную стальную форму, установленную на стальную плиту; прокаткой в виде листа, при которой стекломассу отливают из горшка на стальной охлаждае­мый водой стол и прокатывают стальным валом в лист заданной толщины; отливкой в виде бруска; в данном случае стекломассу выливают через отверстие в дне пла­тинового тигля в виде бруска заданного сечения. Могут быть использованы и другие способы формования опти­ческого стекла (например, способ ВВС очковых стекол).

Получаемые блоки и бруски оптического стекла сле­дует рассматривать как полуфабрикат. Для получения заготовок заданной формы выработанное оптическое стекло подвергают разделке. Ее можно осуществлять как термической, так и механической обработкой. Под термической обработкой следует понимать моллирова — ние, т. е. придание размягченному стеклу заданной фор­мы под воздействием сил собственной тяжести. Этот спо­соб чаще всего используют для стекол, полученных «классическим» способом, т. е. тогда, когда стекло, ос­тавленное охлаждаться в горшке, потом было разбито на отдельные куски. Моллирование проводят в терми­ческих печах при температуре 600—1000°С.

В одних случаях моллирование осуществляют в ша­мотных прямоугольных формах, в которых с текло при размягчении принимает конфигурацию самой формы. В других случаях моллирование стекла совмещают с прессованием. Этот способ осуществляют в туннельных печах для моллирования. Заготовки, полученные по первому и второму способам, подвергают шлифованию и полированию, которые производят на обычных карусель­ных шлифовально-полировальных станках диаметром до 3 м.

При механической обработке отливки оптического стекла в виде блоков подвергают разделке на специаль­ных колочных прессах. С помощью этих прессов блок раскалывается последовательно на два, четыре, восемь и т. д. кусков правильной прямоугольной формы. С целью изготовления из них заготовок заданной кон­фигурации их подвергают распиловке на циркульных пилах.

Особое место в технологическом процессе получения оптических стекол занимает отжиг. От качества его про-‘ ведения зависят такие ведущие свойства стекла, как

23* 355

Двойное лучепреломление и оптическая однородность. Поэтому все оптические стек­ла подвергаются тонкому отжигу, который занимает достаточно длительное вре­мя. Так, в случае отжига больших астрономических дисков продолжительность его составляет несколько месяцев. Отжигают в перио­дических, как правило элек­трических, печах. Температура отжига в зависимости от марки стекла может составлять 380—660 °С. Допускае­мые остаточные напряжения при этом не должны превы­шать 50 ммк/см. В зависимости от размера заготовки и требуемого качества стекла по двойному лучепреломле­нию и оптической однородности режим отжига может быть различным для одной и той же марки стекла.

На рис. 21.2 приведены температурные графики от­жига для заготовки размером 75 мм с низшей категори­ей отжига по оптической однородности и двойному луче­преломлению (кривая 1) и для заготовки размером 150 мм с высшей категорией отжига (кривая 2). Режим отжига регулируется автоматически.

Многослойное стекло относят к группе защитных без­опасных безосколочных стекол, которые отличаются наи­более совершенными защитными свойствами. Наиболь­шее распространение получило трехслойное стекло — триплекс, состоящее из двух листов стекла и эластичной прокладки. …

Химический состав исходных стекол, предназначен­ных для получения шлакоситаллов, должен удовлетво­рять ряду требований; одни из них определяются эксплу­атационными свойствами конечного материала, другие диктуются технологией их промышленного производства. Первые из них требуют, …

Характеристика изделий. Стеклянные строительные блоки представляют собой изделия с герметически за­крытой полостью, образованной в результате сварки двух отпрессованных коробок с гладкими или рифлеными по­верхностями. Их выпускают квадратными, прямоуголь­ными, шестиугольными, угловыми; …

msd.com.ua

Оптические свойства стекла. Оптические стекла

Для нас слово «стекло» воспринимается не как что-то застывшее или спекшееся. Для нас оно стало синонимом слова «свет». То есть, даже на уровне подсознания мы оцениваем его оптические свойства. К этим  свойствам относятся: отражение света и его преломление, светопрозрачность и светопоглощение, а также рассеивание и разложение.

 

Понятие об оптических свойствах стёкол

Через окно мы всё видим на улице, и это свойство пропускать световые лучи называется светопрозрачностью стекла. Но, выйдя из комнаты на улицу, мы замечаем, там и краски ярче, и оттенки другие. Выходит, часть света не доходит и по дороге теряется. Куда?

А почему мы забыли о солнечных «зайчиках», о пылающих на закате окнах? Часть света отражается, не попадая внутрь стекла. Это обычное явление, когда оптические лучи отражаются на границе двух сред (в нашем случае воздуха и стекла). При строго перпендикулярном падении часть лучей возвращается обратно, при падении под углом ― школьное «угол падения равен углу отражения».

Попав внутрь стекла, световой луч преломляется (вспомните, как визуально изменяется в воде направление погруженного туда куска палки). Правда, толщина оконного стекла невелика, поэтому преломления мы практически не замечаем. Чем выше плотность стекла, тем преломление больше. То есть, у хрусталя и кварцевого стекла преломление больше, чем у обыкновенного оконного.

Но, если взять весь падающий на стекло свет за 100%, то, суммируя отражённый и преломлённый свет, окажется, что получится всего где-то около 88-91%, а никак не сотня. Куда же делась весомая часть падающих лучей? А они поглотились стеклом. В стекле всегда есть примеси, каждая из которых имеет свой цвет. Они избирательно поглощают лучи с определённой длиной волны, а это и есть потери.

Вы обращали внимание, что абажуры и матовые лампы делают свет более мягким? Дело в том, световой луч распространяется прямолинейно. Поэтому интенсивное освещение будет жёстко действовать на наш глаз. Если же рассеять эти лучи в разных направлениях, то освещение будет по интенсивности тем же, зато мягким.

Разложение света оконным стеклом не происходит, для этого нужна призма. Если же мы видим радужные цвета на стекле, то оно не однородное, значит, бракованное. Спектр в нормальном стекле мы можем наблюдать только на его гранях.

 

Оптическое стекло

 К такому виду относятся выполненные из специальных составов стёкла, применяемые в оптических приборах. Понятно, что от обычного оконного стекла оно должно отличаться на порядок прозрачностью, чистотой, однородностью и бесцветностью. Для них должны быть обязательно выдержаны установленные требованием коэффициенты преломления и дисперсии (разложения). Это главные обязательные характеристики для каждого конкретного оптического стекла, их исполнение усложняет производство.

Основные составляющие вещества оптических стёкол: кремнезём, борная кислота, сода, соли бария и фтористые соли, борная кислота и окись свинца. Состав определяет их свойства и делит на два типа: кроны и флинты. Кроны относятся к натриево-силикатным стёклам и характеризуются низким коэффициентом преломления и высокой дисперсией. Стёкла, содержащие свинец, называются флинтами. Они отличаются большим коэффициентом преломления и малым коэффициентом дисперсии.

Уже существуют и новые типы оптического стекла, не силикатного. У них фторидная, фосфатная или боратная основа. Преимущество таких стёкол в том, что у них менее заметна обратная связь между преломлением и дисперсией, то есть можно сообщить такие свойства, как малое преломление при малой дисперсии.

Еще о стеклах и изделиях из стекла:

 — Классификация листового стекла и характеристика его видов

 — Марблит. Стемалит. Узорчатое стекло. Облицовочные и мозаичные плитки из стекла

 — Пеностекло

 — Художественное стекло в строительстве и архитектуре

 — Стекло, его классификация, состав и свойства

 — Трубы из стекла

 — Химические и электрофизические свойства стекла

 — Цветное листовое декоративное стекло. Накладное стекло

 — Витражные декоративные стеклоблоки

 — Стеклоблоки

 — Зеркало для дома и квартиры

 — Витражи

 — Триплекс и армированное стекло

загрузка…

www.megastroika.biz