Вид оптического стекла – Основные характеристики и особенности производства оптического стекла

Содержание

Основные характеристики и особенности производства оптического стекла

 

Оптическое стекло имеет абсолютно однородный состав и определенные оптические константы. Предназначено для изготовления разнообразных оптических деталей. Именно тем, что оптическое стекло однородно и имеет одинаковые физические свойства в любом направлении, оно отличается от технического. Каждый сорт оптического стекла имеет свои константы, то есть показатели преломления для каждой волны в пределах того или иного спектрального участка.


В зависимости от того, для какой детали предназначается оптическое стекло (линза), эти константы максимально тщательно выдерживаются, все технические параметры производства соблюдаются с малейшей точностью, в противном случае качество детали будет предельно низким или вовсе не соответствовать назначению.

Характеристики и показатели


Из основных характеристик оптического стекла стоит отметить:

 

  • •    показатель преломления;
  • •    дисперсия

 


Показатели преломления оптических стекол можно посмотреть в специальных каталогах, если говорить о кратком обозначении показателя преломления, то чаще всего указывают показатель преломления n D. коэффициент дисперсии ν: ν = n D -1/(n F -n C). Исходя из этой формулы, стоит обозначить то, что чем ниже показатель ν, тем дисперсия выше. И соответственно, чем ν выше, тем дисперсия ниже. По дисперсии различают и сорта стекол. При ν более 50, тип оптического стекла именуется кронами, менее 50 — флинтами.


Кроме всего прочего все показатели таких стекол можно ужесточить. То есть, не существует стекла с показателем преломления больше 1,93 и меньше 1,45. Коэффициент дисперсии не может быть более 71 и менее 19. В случае если требуются константы, которые не укладываются в выше обозначенные рамки, применяются особые кристаллы, например, флюориты.

Просветление


Просветление оптических стекол необходимо, так как светосила разных видов стекол по характеристикам может являться не совсем точной. Основано оно явлении физической оптики — интерференции. При этом наносятся специальные диэлектрические пленки. Просветление положительно влияет на качество стекла, особенно это актуально для оптики, которая используется в фотообъективах и другой подобной технике. Также такая технология оптического стекла способствует хорошей защите от физического и механического воздействия.

Свойства и разновидности


По своим оптическим свойствам стекло обязательно должно обладать высоким уровнем прозрачности, в нем не должно быть каких-либо искусственных внутренних дефектов — пузырьков воздуха, трещин, свилей, камней и прочего. Оптическая плотность стекла (мера его прозрачности) должна быть высокой и соответствовать всем необходимым нормам.

 

Оптическое стекло может быть цветным и прозрачным. Бесцветное пользуется большей популярностью, его наиболее часто используют для производства разных оптических систем:

 

  • •    линз;
  • •    пластинок;
  • •    деталей для наблюдательных систем;
  • •    деталей для измерительных приборов.


Это далеко не весь перечень вещей, в которых может быть использовано оптическое бесцветное стекло. Для изготовления светофильтров используют цветное оптическое стекло. Чаще всего выпускается в виде заготовок и оптических деталей. Цветное стекло может быть

 

  • •    желтым;
  • •    оранжевым;
  • •    красным;
  • •    инфракрасным.

 


Особо стоит отметить оптическое кварцевое стекло. Его основной состав — кремнезем, благодаря этому материалу стекло не деформируется и не растрескивается даже при резких перепадах больших температур. Изготавливают из него сувениры, смотровые стекла, трубы и стержни. Всего различают два вида этого продукта: прозрачное и непрозрачное.

 

 

Оборудование и аппаратура из такого вида стекла имеет огромную ценность в атомной энергетике, химической промышленности, авиации, радиоэлектронике. Благодаря своим уникальным свойствам, практичности и прочности предметы, изготовленные из кварцевого стекла, заняли лидирующее место в приборостроении и строительстве космической техники.

 

 

 

Стоит отметить, что на каждый тип оптического стекла имеется свой гост. Для каждого типа установлена определенная категория и класс, для цветного стекла и бесцветного она своя. Поэтому если необходимо приобрести качественный продукт, то обязательно следует обращать внимание и учитывать все эти характеристики и параметры. Если вы заранее определитесь для чего именно вам необходимо стекло и какого качества оно должно быть, выбрать тот или иной тип данного материала будет значительно проще.

Особенности производства


Производство такого стекла процесс непростой. Для его изготовления необходима высокая температура и специальное оборудование. Варят его в специальных емкостях при температуре минимум 1500 градусов Цельсия. Сам процесс занимает не менее суток. После варки емкости извлекаются из печи и подвергаются медленному охлаждению (7-8 дней).


После того как материал остынет, его тщательно сортируют по размерам и отправляют на доработку. Даже после этого процесс не завершается, ведь заготовки потом подвергают нагреванию (до 500 градусов) и опять медленно охлаждают. Затем полученное стекло подвергается тщательному осмотру для выявления возможных дефектов и трещин.

Окончательный этап производства — шлифование и полирование. Последний процесс занимает немалое количество времени, примерно около 3-х суток. Только после этого получается уже готовая поверхность, которая полностью готова к использованию и производству деталей.

promplace.ru

Оптическое стекло – это… Что такое Оптическое стекло?

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.

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 , 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 () 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 () используется такими производителями как Schott, Hoya, Ohara и др., второй (), в частности, принят в документации российских производителей.

В настоящее время достигнутые пределы значений 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 nF для синей линии спектра λ=488,1 нм и nC для красной линии спектра с λ=656,3 нм; Величина средней дисперсии представляется как (nF-nC)·105 и лежит в диапазоне 639 — 3178, с допустимым отклонением ±(3-20)·10−5.

Коэффициент дисперсии

Коэффициент дисперсии (число Аббе, ) — задаётся отношением разности показателя преломления без единицы к средней дисперсии.
Ранее определялось выражением, включающим показатель преломления для жёлтой спектральной линии натрия.

В настоящее время основными вариантами коэффициента дисперсии являются, либо

либо

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

В настоящее время значения для промышленных оптических стёкол находятся в пределах от 17 до 95.

Частные дисперсии и относительные частные дисперсии

Частные дисперсии — это разности двух значений показателя преломления при некоторых произвольно выбранных длинах волн и , не совпадающих с длинами волн и , выбранными для расчёта средней дисперсии (и как правило, с более узким спектральным интервалом).

Относительные частные дисперсии  — это отношения частных дисперсий к средней дисперсии.

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.

где: и  — относительные частные дисперсии; и  — коэффициенты средней дисперсии; -фокусное расстояние объектива.

Для практики наиболее важны — частная дисперсия для синего участка спектра или (где  — показатель преломления для фиолетовой g-линии ртути) и соответствующая ей относительная частная дисперсия (или ), поскольку в пределах именно этого участка показатель преломления материалов изменяется с длиной волны наиболее значительно.

Коэффициент поглощения света

Составляет не более 0,2-3,0 %.

Типы оптических стёкол

Классификация оптических стёкол (диаграмма Аббе)

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, от в каталоге Schott). На этих графиках оптические стёкла располагаются вдоль так называемой «нормальной прямой», непосредственно на которой находятся стёкла с линейной зависимостью от .

При этом, стёкла с незначительным отклонением хода частных дисперсий () 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 белого 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 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. Вследствие неравномерности остывания массы в ней образуются натяжения, которые вызывают 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, и из специальных прессованных плиток или заготовок. Во избежание натяжений, 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 натяжения, которые приведут к появлению анизотропии. Также может образоваться вторичная мошка.

После отжига получившуюся заготовку исследуют с помощью оптичеких 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 нее, 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 нее 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 путем 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

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 / Главный редактор 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

dic.academic.ru

Оптическое стекло – Типы оптических стёкол

Химия – Оптическое стекло – Типы оптических стёкол

01 марта 2011

Оглавление:
1. Оптическое стекло
2. Основные оптические свойства стекла
3. Типы оптических стёкол
4. Производство
5. Дефекты
6. Обработка
7. История

Классификация 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: кроны и флинты. 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 большее число участков, соответствующих новым типам. Так, от кронов отделились лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые кроны, а от флинтов — лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые флинты. К тому же, между лёгкими кронами и лёгкими флинтами появилась группа кронфлинтов.

Появились новые типы стёкол, как на основе несиликатных стеклообразователей, так и включающие новые компоненты. Такие типы часто 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 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» и «курц-флинты». Эти наименования, происходящие от немецких слов lang и kurz, 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 зависимости относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии. На этих графиках оптические стёкла располагаются вдоль так называемой «нормальной прямой», непосредственно на которой находятся стёкла с линейной зависимостью от .

При этом, стёкла с незначительным отклонением хода частных дисперсий и находящиеся вблизи нормальной прямой принято называть «нормальными», а расположенные на большем удалении — «особыми».

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, следует отметить так называемые низкодисперсные стёкла, различные по составу, но отличающиеся как высокими значениями коэффициента средней дисперсии, так и высоким значением относительной частной дисперсии.

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 — это, как правило, либо тяжёлые и сверхтяжёлые флинты с максимальным содержанием окиси свинца, либо титановые флинты с высоким содержанием окиси титана.

Просмотров: 5695

4108.ru

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.

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 nF для синей линии спектра λ=488,1 нм и nC для красной линии спектра с λ=656,3 нм; Величина средней дисперсии представляется как (nF-nC)·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

wikiredia.ru

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 nF для синей линии спектра λ=488,1 нм и nC для красной линии спектра с λ=656,3 нм; Величина средней дисперсии представляется как (nF-nC)·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

wikipedia.green

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДА И СИЛЫ ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 32Следующая ⇒

На практике офтальмологу часто приходится определять оптическую силу очков. Для этого имеются специальные приборы — диоптри-метры, но достаточную точность обеспечивает метод нейт­рализации: необходимо передвигать исследуемое стекло близ­ко перед глазом, рассматривая через него какой-либо неподвижный предмет. При этом можно заметить кажущееся перемещение предмета. .Если предмет смещается в сторону перемещения__стекла, то стекло^ рассеивающее, а если_г^н2охивогюлож_щю:;:: собирательное. Затем к исследуемой линзе приставляют стекла с”~обратным знаком и, постепенно увеличивая их силу, отмечают момент, когда при движении стекла предмет перестанет смещаться, т. е. наступит” нейтрализация исследуемой линзы. Сила ее будет равна силе контрольной линзы, только с противоположным знаком.

АККОМОДАЦИЯ

Из изложенного выше следует, что клиническая рефракция глаза является таким статическим физическим соотношением между его преломляющим аппаратом и длиной анатомической оси, которое обеспечивает четкое видение предметов в дальнейшей точке ясного видения. Однако для жизнедеятельности человека необходимо ясное видение предметов на различном расстоянии. Это осуществляется с помощью особого физиологического механизма, называемого а к к ом о д а ц и е й1— способностью глаза фокусировать изрбраже-ш£^^ШтрЖаЬмых,пр.едмехов да„сетчахке^еЗависимо от расстояния, ^_KOTQP-SM_.JJMojjHT^[_ngeflMexi_Ejrna3y человека (у животных этот механизм может происходить иначе) аккомодация осуществляется за счет изменения кривизны хрусталика, следствием чего является изменение преломляющей способности глаза. В процессе аккомодации участвуют два компонента: активный — сокращение цилиарной мышцы и^тсшвный^ обусловлёшшйТластичностью хрусталика.

Физиологический механизм аккомодации При сокращений волокон ресничной мышцы происходит расслабление связки, к которой подвешен заключенный в капсулу хрусталик. Ослабление натяжения волокон этой связки уменьшает степень натяжения капсулы хрусталика. При этом хрусталик вследствие своей эластичности приобретает более выпуклую форму, в связи с чем преломляющая сила его увеличивается и на сетчатке уже фокусируется изображение близко расположенных предметов. При расслаблении аккомодативной мышцы происходит обратный процесс (рис. 87).

При аккомодации в глазу происходят следующие изменения.

1. Хрусталик меняет свою форму неравномерно: лер_едняя__его
цовер_хность, особенно центральная противозрачковая часть, изменя-_
ется сильнее, чем_задная^-____________________________ ‘

^~Г^5йна^п^^щей_каме^ь1_^ще_жща£ТС2_вследствие приближения хрусталика к роговице.

3 • ^Ш£талик_с^гу£шел:ся_лишзу_за счет провисания на расслабленной связке.

4. Суживается_зр_ачок^ связи с общей иннервацией ресничной мышцы и сфинктера зрачка от^а£а£имг^татед<р^_^едъи^лазодвигательного

нерва. Диафрагмирующий эффект суженного зрачка, со своей стороны,

“увеличивает четкость изображения близких предметов.

Имеются данные о двойной иннервации ресничной мышцы, т. е. об

участии в ее иннервации и волокон симпатического нерва. При этом возбуждение глазодвигательного нерва вызывает сокращение воло­кон ресничной мышцы и соответ­ственно увеличение преломляющей силы, необходимое для установки глаза на близкое расстояние, а. во-

 
 

збуждение симпатического нерва — сокращение радиальных волокон, обуславливающее противоположный эффект, т. е. ослабление рефра­кции и установку глаза на отдаленные предметы.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КЛИНИЧЕСКОЙ РЕФРАКЦИИ

В практической деятельности используют различные субъективные и объективные методы определения рефракции глаза. Объективный метод основан на ^оказаниях обследуемого относительно изменений остроты его зревиялщи подооре корригирующих линз. Объективнью методы базируются на законал__гшэдр^дения—свеха. ~в тлазу. Их результаты не зависят от пог.азаний обследуемого. Объективные методы определения клинической рефракции нашли широкое примене­ние в детской практике, при экспертизе и освидетельствовании военно­обязанных. Однако тонкие ощущения, получаемые при использовании субъективных методов, дают такую информацию врачу, какую невозможно получить ни одним из объективных методов, поэтому названные методы не противопоставляются, а дополняют друг друга.

Субъективный метод определения рефракции

Исследование проводят раздельно для каждого глаза в строго определенной последовательности. Нарушение порядка исследования может быть причиной грубых диагностических ошибок и назначе­ния неправильной коррекции. Распространен такой порядок исследо­вания.

1-ОпЕ£3£25!!22__2£2Е21У^—ЗЕ2й22» ^ез коррекции по правилам, изложенным ранее. При этом острота зрения 1,0 не исключает аномалий рефракции, так как может быть не только при эмметропии, но и при гиперметропии небольших степеней. При миопии любой степени острота зрения всегда снижена.

2. Обследуемому надевают _пробндо__дправу _и подгоняют по
размерам лица и носа так, чтобы центры оправ соответствовали
центрам зрачков. Для того чтобы не произошло путаницы, при записи
результатов и назначении очков определение рефракции всегда
начинают с правого глаза. Перед вторым глазом устанавливают
непрозрачный экран. Я &< ** 1%$%££ёД%

3. Перед исследуемым глазом у^т^шщш£шотлш1зы. Первой всегда
ставят слабую собирательную линзу +0,5 дптр.,что позволит сразу
дифференцировать гиперметропию от эмметропии и миопии. Применив
линзу +0,5 дптр., выясняют, как изменилось зрение обследуемого.

4. Если оно улучшилось, то, значит, у больного имеется
гртр.рмртрптщя. Уэмметропа и миопа зрение должно ухудшаться, так
как усиление рефракции в гиперметропическом глазу приблизит фокус к
сетчатке, эмметропический глаз сделает миопическим, а миопию еще
более усилит. Для определения степени гиперметропии под контролем
остроты зрения постепенно меняют стекла, усиливая~их с~интервалами
0.5—1.0 дптр^При этом высокая острота зрения может быть получена
с помощью нескольких стекол разной силы, в связи с тем что небольшие
степени гиперметропии самокорригируются напряжением аккомода-

Рис. 89. Принцип коррекции миопии (а—г).

ции. Степень гиперметропии характеризуется самым сильным собира­тельным стеклом^которое дает высокую остроту зрения (рис. Щ’.

5. В случае ухудшения зрения от применения собирательного стекла
предлагают рассеивающие стекла,. При эмметропии в молодом возрасте
ослабление рефракции, вызванное рассеивающим стеклом, корригиру­
ется напряжением аккомодации, в связи с чем острота зрения не
уменьшается, при наличии пресбиопии в эмметропическом глазу
сопровождается ухудшением зрения. Таким образом, диагноз эмметр_(>_
пии ставят в том случае, если собирательные_стекла ухудщл.щт_зр£ыи£,_а.
рассеивающие не меняют ..Тв молодом “BoipasiejZjaJH ухудшашх.

(адожилом в£^1н1^-ЗРение

бГТГрй миопии рассеивающее стекло улучшает зрение. Для определенияГстёгкшГмиопии постепенно увеличивают силу рассеиваю-

 
 

щих оптических стекол с интервалами 0^5—1,0 дптр до того момента, когда отмечается наивысшая острота зрения. В данном случае, так же как и при исследовании гиперметропии, нормальную остроту зрения можно получить с помощью нескольких стекол. Однако степень,миопии_ определяет^самое слабое минусовое стекло, дающее наилучшее зрение (рис. 89), так как при гипер”шдоёищ1Гмиопии в глазу появляется слабая гиперметропия, корригируемая напряжением аккомодации.

7. Если с помощью сферических линз не удается получить полную остроту зрения, следует проверить, нет ли у обследуемого астигма-■олзма.^ля этоц цели в пробную оправу вставляют ^кшрозрачный экран со щелью_. В астигматичном глазу вращение щели заметно отражается на остроте зрения. Тогда вращением экрана устанавливают щель в меридиане наилучшего зрения. Затем, не снимая экрана, в данном меридиане определяют рефракцию обычным субъективным методом. Отметив положение щели до градусной сетке очковой оправы, определяют положение одного из главных меридианов астигматизма данного глаза, а сила стекла указывает его рефракцию. Затем щель экрана повертывают на 90°, рефракцию второго меридиана определяют тем же способом. Результаты исследования запиейшрт^с указанием главных меридианов и их рефракции, например; \ ‘ vSl?

8. После полного исследования производят запись резудыатов: указывают по порядку остроту зрения без коррекции, вид и степень аномалии рефракции, затем остроту зрения с коррекцией. Например:

vis..od = 0,1 с кор. — 1,0 дптр ■= 1,0 R = М 1,0 дптр, vis. os = 0,6 с кор. + 2,0 дптр — 1,0 R = Н 2,0 дптр.

Здесь острота зрения правого глаза без коррекции равна 0,1, его ре­фракция — миопия 1,0 дптр, острота зрения с коррекцией равна 1,0. Острота зрения левого глаза без коррекции равна 0,6, рефракция — гиперметропия 2,0 дптр, острота зрения с коррекцией равна 1,0.

Объективные методы определения рефракции

Скиаскопия1, или теневая проба, — наиболее распро­страненный в нашей стране, простой, испытанный и достаточно точный метод определения клинической рефракции глаза. Сущность скиаскопии заключается в объективном определении дальнейшей точки ясного зрения по характерному изменению освещенности зрачка при качательных движениях офтальмоскопа во время осмотра глаза

проходящим светом (рис. 90, 91)’. Если при исследо­вании глаза проходя­щим светом медленно по­ворачивать офтальмоскоп вокруг вертикальной или горизонтальной оси, то яр­кость свечения зрачка ме­няется: с одного его края появляется затемнение, ко­торое при дальнейшем дви­жении зеркала распростра­няется на весь зрачок, и только при расположении зеркала офтальмоскопа в дальнейшей точке ясного зрения исследуемого глаза движения тени не наблюда­ется и зрачок или светится красным светом, или сразу темнеет. Направление дви­жения тени по зрачку зави­сит от формы офтальмо­скопического зеркала и его положения по отношению к дальнейшей точке ясного зрения исследуемого глаза. Скиаскопию обычно про­водят с расстояния 1 м, на • котором располагается дальнейшая точка ясного зрения миопа 1,0дптр., с помощью плоского скиа­скопического зеркала, ко­торое дает более отчетли­вое движение тени. Если при исследовании тень в области зрачка движется в направлении движения ски-аскопа, то рефракция ис­следуемого глаза слабее, чем миопия 1,0 дптр, эмме-тропия или гиперметропия. При движении тени а ис­следуемом глазу в проти-

воположную сторону миопия оудет иольше i,v дшр. при мишши, усш-ной 1,0 дптр, движения тени не будет. Определив по движению тени ориентировочный вид рефракции, перед исследуемым глазом ставят линзы: при миопии меньше 1,0 дптр — положительные, при миопии больше 1,0 дптр— отрицательные. Для этого используют две

 
 

скиаскопические линейки: одну с набором положительных, другую — отрицательных линз. Постепенно усиливая оптическую силу линз, определяют, когда исчезает тень или движение ее становится неопределимым. Это означает, что с данным стеклом рефракция исследуемого глаза равна миопии 1,0дптр. Исходя из этого, можно вычислить истинную рефракцию, сложив — 1,0дптр с оптической силой корригирующей линзы. Так, если при скиаскопии тень исчезла при использовании стекла +1,0 дптр, то рефракция исследуемого глаза будет равна (- 1,0 дптр) +1,0 дптр = 0, т. е. это эмметропия. Если тень исчезла со етеклом -5,0 дптр, то (—1,0 дптр) +(-5,0 дптр) = = -6,0 дптр, т.е. имеется миопия 6,0 дптр. Наконец, если тень ис­чезла со стеклом +4,0 дптр, то (-1,0 дптр) + 4,0 дптр = +3,0 дптр, т. е. в этом случае будет гиперметропия 3,0 дптр.

Если при движении зеркала слева направо и сверху вниз тень исчезает при одинаковых оптических стеклах, то рефракция исследуемого глаза в горизонтальном и вертикальном меридианах одинакова. При наличии астигматизма данные будут различными и исследование проводят раздельно для каждого меридиана.

Следует отметить, что наиболее точные результаты скиаскопия дает после медикаментозной циклоплегии — паралича аккомодации. С этой целью проводят инсталляции 1% (детям до 6 лет 0,5%) раствора сульфата атропина 2 раза в день в течение 3—4 дней. Если при пов­торных определениях рефракции в этот период она не меняется, то мож­но считать, что достигнута циклоплегия. При разнице скиаскопиче­ских данных в 1,0 дптр. и больше атропинизацию продолжают до 7—10 дней. Если нет возможности провести такое многодневное исследование, можно применить дробную инсталляцию: закапывание раствора атропина по 1 капле 3 раза с интервалом 5 мин. У лиц старше 35—40 лет во избежание провокации скрыто протекающей глаукомы медикаментозную циклоплегию используют в крайних случаях и после предварительного измерения внутриглазного давления. Вместо цикло­плегии можно применить метод циклорелаксации. В основу его положено рефлекторное расслабление аккомодации, вызванное ухудшением зрения в связи с установкой в глазу искусственной миопии. Для этого обследуемому в пробную оправу вставляют собирательную линзу большей силы, чем предполагаемая гиперметропия, и предлагают смотреть через нее вдаль. Через 30 мин с интервалом 5—10 мин ставят более слабые собирательные линзы до получения максимально высокой остроты зрения. Наиболее сильное стекло, дающее наивысшую остроту зрения, характеризует в определенной мере рефракцию глаза при расслаблении аккомодации.

Рефрактометрия. Для объективного определения рефрак­ции предложено много специальных приборов — рефрактометров. Некоторые их модели (диоптрон, офтальметрон и др.) управляются миниатюрными компьютерами и после наведения прибора на глаз авто­матически измеряют клиническую рефракцию во всех меридианах, выдавая результаты в виде графика или рецепта на очки.

В нашей стране наиболее распространен рефрактометр Гартингера (рис. 92). Прибор позволяет проецировать на сетчатку через зрачок светящиеся марки в виде вертикальных и горизонталь-

ных полосок. Вертикальные полоски предназначены для определения рефракции, гори­зонтальные — для нахожде­ния главных меридианов ас­тигматизма. Расположение вертикальных полосок при ра­зличных видах рефракции ви­дно на рис. 93. При наличии аметропии вращением нака­танного кольца, расположен­ного вблизи от окуляра ре­фрактометра, необходимо сблизить вертикальные поло­ски, поместив их одна под другой (как при эмметропии), после чего по шкале прибора можно определить величину и вид рефракции исследуемого глаза.

Для определения астигма­тизма поворачивают трубу прибора вокруг оси на 90°. Если положение марок не из­менилось, то астигматизма нет.

Для определения главных меридианов астигматизма служат горизонтальные поло-■ ски, которые располагаются симметрично только в гла­вных меридианах. Определив рефракцию глаза в одном из главных меридианов, повора­чивают трубу рефрактомет­ра на 90° и проводят ана­логичные измерения. Поло-

жение осей астигматизма видно на соответствующей шкале прибора. Для определения характера и степени роговичного астигматизма применяют офтальмометр (рис. 94).

Исследование аккомодации применяют для изучения работоспо­
собности глаза и зрительного утомления, выбора рациональной
коррекции аметропии, определения состояния аккомодационного аппа­
рата и его патологии. Для этой цели используют определение объема
абсолкщю_й и относительной аккомодации, эргоТрафйю_ и др.

ПшpocтJ^eлoм}шюшm-£ШiMJШlSIШiШ^^ процессе аккомодации от состояния ее покоя до максимального напряжения называется объемом абсолютной аккомодации. Его определяют для каждого глаза, выраЖаютв диоптриях и вычисляют по формуле А =Р — (±/?), где Л — объем аккомодации; Р nR — клиническая рефракция при фиксации глаза соответственно в ближайшей и дальнейшей точках ясного зрения.

 
 

Рис. 94. Офтальмометрия. Рис. 95. Определение положения ближайшей

точки ясного зрения

Определение дальнейшей точки ясного зрения (R) проводят одним из методов исследования рефракции глаза при медикаментозном рассла­блении аккомодации.

Положение ближайшей точки ясного зрения (Р) находят путем измерения наименьшего расстояния, на котором обследуемый может читать мелкий печатный текст (обычно шрифт № 4 таблицы исследова­ния зрения вблизи) (рис. 95). Чтобы выразить это расстояние в диоптриях, делят 100 см на полученную величину.

Пользуясь приведенной формулой, вычисляют силу аккомодации, необходимую для зрения на близком расстоянии при разных видах рефракции глаза. Например: эмметроп—миоп в 3,0 дптр и гипер-метроп в 3,0 дптр имеют ближайшую точку ясного зрения в 10 см перед глазом, тогда для каждого из них Р = -^^^ = 10,0 дптр. Объем абсолютной аккомодации равен:

для эмметропии А=10,0 дптр-0=10,0 дптр,

для -миопии А =10,0 дптр-(+3,0 дптр) = 7,0 дптр,

для гиперметропии А = 10,0 дптр-(-3,0 дптр) = 13,0 дптр.

Таким образом, при зрении на близком расстоянии для миопа требу­ется наименьшее, а для гиперметропа — наибольшее напряжение аккомодации.

Относительная аккомодация. Аккомодация каждого глаза в отдельности называется абсолютной. Однако “в~ боль­шинстве случаев зрение совершается бинокулярно—обоими глазами. В этом случае перемещение точки ясного зрения из бесконечности, когда зрительные оси обоих глаз параллельны, на какое-то конечное расстояние должно сопровождаться пересечением зрительных осей в этой точке. Для этого необходимо изменение положения глазных яблок, сведение их внутрь — конвергенция. Чем ближе к глазу точка ясного зрения, тем больший нужен объем аккомодации, тем сильнее должна быть конвергенция. Таким образом, степень конвергенции осей глазных яблок соответствует степени напряжения аккомодации. Эмметропиче-ский глаз конвергирует к точке, находящейся в 1 м от глаза, затрачивая

1,0 дптр аккомодации; если же эта точка перемещается на расстояние 33 см от глаза, то необходима аккомодация 3,0 дптр.

Аккомодация глаз при определенной конвергенции зрительных осей называется относительной аккомодацией. Устано­влено, что относительная аккомодация всегда меньше абсолютной, что связано с некоторым””удлинением анатомической оси глаза при конвергенции в связи с давлением на глаз наружных мышц, возникающим при конвергенции зрительных осей.

Различают положительную и отрицательную части относительной аккомодации. Отрицательная часть — это та величина относительной аккомодации, которая затрачивается при зрительной работе глаза в данный момент. Положительную часть относительной аккомодации составляет оставшийся запас аккомода-тивной способности глаза. Чем слабее рефракция и чем сильнее конвергенция, тем больше отрицательная часть относительной аккомо­дации; чем сильнее рефракция и меньше конвергенция, тем больше будет ее положительная часть.

Определение относительной аккомодации и составляющих ее частей осуществляют путем подбора самого сильного собирательного и самого сильного рассеивающего стекол, которые не нарушают ясности зрения в данной точке, т. е. при одной и той же сте­пени конвергенции. При этом аккомодация, определенная собира­тельным стеклом, будет отрицательной частью, а определенная рассеивающим стеклом — положительной частью относительной аккомодации. Определение относительной аккомодации и ее частей имеет большое практическое значение. Для длительной зрительной работы на близком расстоянии (что бывает необходимо при многих профессиях) необходимо, чтобы положительная часть относительной аккомодации была примерно в 2 раза больше отрицательной ее части. В противном случае наступает утомление ресничной мышцы, что проявляется неприятным чувством «усталости» в глазах и ухудшением зрительной функции: рассматриваемые детали расплываются, слива­ются, вследствие чего приходится прерывать работу. При подборе очков (о чем будет подробнее сказано ниже) необходимо учитывать соотношение положительной и отрицательной частей аккомодации.

Более полную характеристику состояния аккомодативного аппарата дает эргография — килограмма положения ближайшей точки ясного зрения в течение нескольких минут.

Патология аккомодации.Аккомоаативная^способность глаза меня­
ется с возрастом. Если вынутый из глаза”хрусталик новорожденного
тотчас^ же принимае^ПпШровидную форму, то хрусталик 60-летнего
человека остается плоским. С возрастом в хрусталике происходят
физиологические инволюционные изменения^ выражающиеся в уплот­
нении его^ткани, что приводи? кУменьшшию^аюсомодахивнойспо­
собности глаза и.в…. результате к отдалению ближайшей точки ясного

зрения. Это явление называется п р ес б и о п_и е”й‘. Хотя инволюци­онные процессы в хрусталике начинаются еще в детском возрасте, они становятся практически ощутимыми в виде ухудшения зрительной

 
 
Рис. 96. Кривая возрастного изменения объема аккомодации в эмметропическом глазу по Дондерсу.
По оси абсцисс — возраст; по оси ординат: слева — объем аккомодации в диоптриях, спра­ва — положение ближайшей точки ясного зре­ния в сантиметрах.

функции на близких расстояниях к 40—45 годам. В это время бли­жайшая точка ясного зрения отод­вигается дальше того расстояния, на котором человек читает, пишет t выполняет другие точные действия. Таким образом, пре_сбиопия_-ДПО-является клинически__имённо_отда-лением Ьлиж^ише^тддки__ясного зршйяТГВпервые это явление было изучено Дондерсом. Им же соста­влена графическая таблица (рис. 96), где ось абсцисс предста­вляет возрастные группы, а ось ординат — положение ближайшей точки ясного зрения. Возрастное уменьшение _ объема аккомодации имеет вид правильной кривой. Око­ло 65 лет аккомодативная спосо­бность глаза приближается к нулю и ближайшая точка ясного зрения отодвигается в бесконечность.

В более позднем возрасте из-за уплощения отвердевшего хрусталика может произойти ослабление прежней рефракции глаза, например эмметропия сменится гиперметропией небольшой степени. На рис. 96 показано, что в этом возрасте кривая аккомодации опускается ниже нулевой линии.

Возрастное изменение аккомодации проявляется обычно после 40 лет отдалением ближайшей точки jicHora зрения, а в связи с этим—ухуд­шением зрения на близком”расстоянии. Лечение сводится к назначению очков для работы вблизи. Сила прописываемых очков зависит от рефракции глаза обследуемого, его возраста и рабочего расстояния.

При подборе очков для чтения и других видов работ на расстоянии 30—33 см придерживаются следующей схемы (табл. 2).

После 65 лет сила собирательного стекла не увеличивается, ибо с таким стеклом дальнейшая точка ясного зрения соответствует рабочему расстоянию 33 см. При рабочем расстоянии больше 33 см (хирурги,

Таблица 2. Сила оптических стекол, назначаемых при пресбиопии

Возраст, Вид клинической рефракции
годы_______________ __^________ ,_____________________ .————————————————-

Е, дптр Н М

40 1,0 К силе стекол для Из силы стекол для

45 1,5 соответствующего соответствующего

50 2,0 возраста прибавляют возраста вычитают

55 2,5 степень гиперметропии степень миопии

60 3,0

65 и старше 3,5

__________ I__________ I____ :____________________ I————————————-

слесари, музыканты и т. п.) сила прописываемых очков уменьшается на 1,0—1,5 дптр. Соответственно при этих профессиях позднее возникает необходимость в очках.

При –аметропии с явлениями пресбиопии назначают бифокальные линзы (рис. 97), в которых верхняя часть стекла корригирует зрение вдаль, а нижняя — для близкого расстояния.

Сходную с пресбиопией клиническую картину дают парез и паралич аккомодации, возникающие при поражении пара-симпатической части глазодвигательного нерва всл”едствие_за^леваш1я, травмы, отравления или медйкамёетозногоПвоздействия.

ТЕрёЁвузк^аккомодационного аппарата проявляется зрительным У^омдениеМ-_(аккомодатйвная астенопия)_или^ возникновением” спаз-ма аккомодации с явлениями ложной эмметропии иложной миопии. jp^A к к о м о д а “т и в”н а~я а~сГенопия наблюдается при не-Абрригированных гиперметропии и астигматизме, особенно часто на фоне общего„„£сдайления_организма (переутомление, интоксикации, реконвалесценция и др.). При этом развивается пар^з__2есничнрй мышцы, сопровождающийся уменьшением объема аккомодации и пере­ходом скры^гТ5й^йпфмётрЪг1Ш~в~явТгуюГ

Клинически заболевание характеризуется ухудшением зрения вдаль и особенно при чтении и рассматривании предметов на близком расстоянии.

При спазме ресничной мышцы, в основе которого лежат те же причины, также развивается аккомодативная астенопия, но сопро­вождающаяся усилением рефракции — осдзб^ниШ^степени..„гищвшг Tpj^Hjjro^BjTeHH^rTO^TOftjJMMeTponHH и ложной _миопии. Основным признаком спазма аккомодации является ослабление рефракции на высоте циклоплегиИл

“””Лечение аккомодативной астенопии и спазмов аккомодации состоит прежде всего в рациональней^ к^

рефракции в сочетании с общеукрепляющим лечением. Если этого недостаточно, то можно применить комплекс плеопто-ортоптических упражнений.




©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.

arhivinfo.ru

Оптическое стекло – это… Что такое Оптическое стекло?

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.

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 , 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 () 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 () используется такими производителями как Schott, Hoya, Ohara и др., второй (), в частности, принят в документации российских производителей.

В настоящее время достигнутые пределы значений 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 nF для синей линии спектра λ=488,1 нм и nC для красной линии спектра с λ=656,3 нм; Величина средней дисперсии представляется как (nF-nC)·105 и лежит в диапазоне 639 — 3178, с допустимым отклонением ±(3-20)·10−5.

Коэффициент дисперсии

Коэффициент дисперсии (число Аббе, ) — задаётся отношением разности показателя преломления без единицы к средней дисперсии.
Ранее определялось выражением, включающим показатель преломления для жёлтой спектральной линии натрия.

В настоящее время основными вариантами коэффициента дисперсии являются, либо

либо

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

В настоящее время значения для промышленных оптических стёкол находятся в пределах от 17 до 95.

Частные дисперсии и относительные частные дисперсии

Частные дисперсии — это разности двух значений показателя преломления при некоторых произвольно выбранных длинах волн и , не совпадающих с длинами волн и , выбранными для расчёта средней дисперсии (и как правило, с более узким спектральным интервалом).

Относительные частные дисперсии  — это отношения частных дисперсий к средней дисперсии.

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.

где: и  — относительные частные дисперсии; и  — коэффициенты средней дисперсии; -фокусное расстояние объектива.

Для практики наиболее важны — частная дисперсия для синего участка спектра или (где  — показатель преломления для фиолетовой g-линии ртути) и соответствующая ей относительная частная дисперсия (или ), поскольку в пределах именно этого участка показатель преломления материалов изменяется с длиной волны наиболее значительно.

Коэффициент поглощения света

Составляет не более 0,2-3,0 %.

Типы оптических стёкол

Классификация оптических стёкол (диаграмма Аббе)

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, от в каталоге Schott). На этих графиках оптические стёкла располагаются вдоль так называемой «нормальной прямой», непосредственно на которой находятся стёкла с линейной зависимостью от .

При этом, стёкла с незначительным отклонением хода частных дисперсий () 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 белого 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 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. Вследствие неравномерности остывания массы в ней образуются натяжения, которые вызывают 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, и из специальных прессованных плиток или заготовок. Во избежание натяжений, 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 натяжения, которые приведут к появлению анизотропии. Также может образоваться вторичная мошка.

После отжига получившуюся заготовку исследуют с помощью оптичеких 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 нее, 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 нее 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 путем 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

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 / Главный редактор 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

ushakov.academic.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о