Оптичне скло

Оптичне скло - прозоре скло спеціального складу, що використовується для виготовлення різних деталей оптичних приладів.

Від звичайного технічного скла відрізняється особливо високою прозорістю, чистотою, безбарвністю, однорідністю, а також строго нормованими заломлюючої здатністю, дисперсією, в необхідних випадках - кольором. Виконання всіх цих вимог значно ускладнює і здорожує виробництво оптичного скла.


В силу винятково високих вимог, що пред'являються до якості зображення в оптичних системах, природно виникла необхідність у виготовленні широкого асортименту спеціальних сортів скла, різних за своїми властивостями.

1. Хімічний склад

До складу шихти для варіння оптичного скла зазвичай входить чистий кремнезем, сода, борна кислота, нерідко - солі барію, оксид свинцю, фториди та інші компоненти.

2. Основні оптичні властивості скла

Основні властивості оптичного скла характеризуються показником заломлення, середньої дисперсією і коефіцієнтом дисперсії. В окремих випадках для характеристики оптичних стекол використовується приватні дисперсії і відносні приватні дисперсії.

2.1. Показник заломлення

З XIX століття (з часів Шотта і Аббе) і до недавнього часу для характеристики оптичних стекол використовувався показник заломлення ~ N_D , Визначається для жовтої спектральної D-лінії натрію (λ = 589,3 нм).

Однак це не поодинока лінія, а пара: так званий " натрієвий дублет ", що не могло не позначитися на точності вимірювань. Тож зараз в якості головного показника заломлення ( ~ N_ \ lambda ) Приймають його значення або для жовтої d-лінії гелію з λ = 587,56 нм, або для жовто-зеленої e-лінії ртуті з λ = 546,07 нм. Перший ( ~ N_d ) Використовується такими виробниками як Schott, Hoya, Ohara та ін, другий ( ~ N_e ), Зокрема, прийнятий в документації російських виробників.

В даний час досягнуті межі значень ~ N_d промислових оптичних стекол складають приблизно 1,43 - 2,17.

Допустиме відхилення залежить від категорії оптичного скла і нормується величиною (3-20) 10 -4.


2.2. Середня дисперсія

Середня дисперсія - визначається як різниця показників заломлення n F для синьої лінії спектра λ = 488,1 нм і n C для червоної лінії спектра з λ = 656,3 нм; Величина середньої дисперсії представляється як (n F-n C) 10 5 і лежить в діапазоні 639 - 3178, з допустимим відхиленням (3-20) 10 -5.

2.3. Коефіцієнт дисперсії

Коефіцієнт дисперсії ( число Аббе, ~ \ Nu_ \ lambda ) - Задається відношенням різниці показника заломлення ~ N_ \ lambda без одиниці до середньої дисперсії.
Раніше визначалося виразом, що включає показник заломлення ~ N_D для жовтої спектральної лінії натрію.

\ Nu_D = \ frac {n_D - 1} {n_F - n_C}


В даний час основними варіантами коефіцієнта дисперсії є, або

\ Nu_d = \ frac {n_d - 1} {n_F - n_C}

або

\ Nu_e = \ frac {n_e - 1} {n_ {F '} - n_ {C'}}

де середня дисперсія визначається, як різниця показників заломлення для блакитний (F ') і червоною (C') ліній кадмію.

В даний час значення ~ \ Nu_d для промислових оптичних стекол знаходяться в межах від 17 до 95.


2.4. Приватні дисперсії і відносні приватні дисперсії

Приватні дисперсії - це різниці ~ N_ {\ lambda_4}-n_ {\ lambda_5} двох значень показника заломлення при деяких довільно вибраних довжинах хвиль ~ \ Lambda_4 і ~ \ Lambda_5 , Не співпадаючих з довжинами хвиль ~ \ Lambda_2 і ~ \ Lambda_3 , Вибраними для розрахунку середньої дисперсії (і як правило, з більш вузьким спектральним інтервалом).

Відносні приватні дисперсії ~ P_ {{\ lambda_4} {\ lambda_5}} - Це відносини приватних дисперсій до середньої дисперсії.

P_ {{\ lambda_4} {\ lambda_5}} = \ frac {n_ {\ lambda_4} - n_ {\ lambda_5}} {n_ {\ lambda_2} - n_ {\ lambda_3}}

Хоча, для більшості оптичних стекол залежність відносних приватних дисперсій від коефіцієнта середньої дисперсії (числа Аббе) близька до лінійної, однак, залежність показника заломлення оптичного матеріалу від довжини хвилі світла являє собою складну криву. Форма цієї кривої визначається параметрами конкретного матеріалу і буде різною для різних типів оптичних стекол. Таким чином, приватні дисперсії і відносні приватні дисперсії служать для деталізації залежно змін показника заломлення скла від змін довжини хвилі.

Така деталізація необхідна при розрахунку високоякісних ахроматичних і апохроматичних компонентів, оскільки облік ходу відносних дисперсій, на етапі вибору стекол, дозволяє в подальшому значно зменшити вторинний спектр. Так як, в загальному випадку, величина вторинного спектру пропорційна відношенню різниці приватних дисперсій вибраної пари стекол до різниці показників середніх дисперсій цих стекол.

\ Delta s = f '\ frac {P_1 - P_2} {\ nu_1 - \ nu_2}

де: ~ P_1 і ~ P_2 - Відносні приватні дисперсії; ~ \ Nu_1 і ~ \ Nu_2 - Коефіцієнти середньої дисперсії; ~ F ' -Фокусна відстань об'єктиву.

Для практики найбільш важливі - приватна дисперсія для синього ділянки спектру ~ N_g-n_F або ~ N_g-n_ {F '} (Де ~ N_g - Показник заломлення для фіолетовою g-лінії ртуті) і відповідна їй відносна приватна дисперсія ~ P_ {gF} (Або ~ P_ {gF '} ), Оскільки в межах саме цієї ділянки показник заломлення матеріалів змінюється з довжиною хвилі найбільш значно.


2.5. Коефіцієнт поглинання світла

Складає не більше 0,2-3,0%.

3. Типи оптичних стекол

Класифікація оптичних стекол ( діаграма Аббе)

В основу історично сформованої класифікації оптичних стекол лягло загальне уявлення про зв'язки між хімічним складом і оптичними постійними. До робіт Шотта оптичні стекла складалися майже виключно з кремнезему в з'єднанні з окислами натрію, калію, кальцію і свинцю. Для таких стекол існує функціональна залежність між показниками заломлення n і коефіцієнтами середньої дисперсії v, що і було відображено в так званій діаграмі Аббе. На цій діаграмі безбарвні оптичні скла розташовуються у вигляді широкої області витягнутої від нижнього лівого кута діаграми до її правого верхнього кута. Таким чином, можна було побачити взаємозв'язок зміни двох основних оптичних характеристик з хімічним складом оптичних стекол. Причому, зі зростанням показника заломлення, коефіцієнт дисперсії, як правило, зменшувався.

У зв'язку з цим були виділені два основних типи оптичних стекол: крони (скла з низьким показником заломлення і високим значеннями коефіцієнта дисперсії) і флінти (скла з низькими значеннями коефіцієнта дисперсії і високим показником заломлення). При цьому до групи кронов ставилися натрієво-силікатні скла, а до групи Флінт - скла, що містять свинець.

Надалі, у зв'язку із зростанням числа оптичних стекол, знадобилося ділити діаграму Аббе на більше число ділянок, що відповідають новим типам. Так, від кронов відділилися легкі, важкі і надважкі крони (ЛК, ТК, СТК), а від Флінт - легкі, важкі і надважкі флінти (ЛФ, ТФ, СТФ). До того ж, між легкими кронами і легкими Флінт з'явилася група кронфлінтов.

З'явилися нові типи стекол, як на основі несілікатних склоутворювачами (боратного, фосфатні, фторидні та ін), так і включають нові компоненти (оксиди лантану, танталу, титану). Такі типи часто (в каталогах зарубіжних виробників - як правило) позначаються із застосуванням назв хімічних елементів, оксиди яких і надають стеклам специфічні властивості.

Використання подібних стекол, для яких характерні інші поєднання головного показника заломлення та коефіцієнта дисперсії, істотно розширили область займану оптичними скельцями на діаграмі Аббе. До того ж, зв'язок між зменшенням коефіцієнта дисперсії і зростанням показника заломлення стала менш помітною.


3.1. "Особливі" скла

Відхилення відносних приватних дисперсій деяких оптичних стекол і кристалів (CaF 2 та BaF 2) від "нормальної прямий"

Крім того, існують так звані "особливі" скла, або скла з "особливим ходом приватних дисперсій". Більшість з них відносяться до двох типів, об'єднаним колективними термінами "ланг-крони" (крони зі збільшеними відносними приватними дисперсіями) і "Курц-флінти" (флінти зі зменшеними приватними дисперсіями). Ці найменування, що відбуваються від німецьких слів lang (довгий) і kurz (короткий), досить умовні, і для більшості "особливих" стекол не пов'язані безпосередньо з особливостями хімічного складу і / або структури.

У сучасних каталогах оптичних стекол для відображення "особливих" характеристик використовуються графіки (діаграми) залежності відносних приватних дисперсій від коефіцієнта середньої дисперсії (наприклад, ~ P_ {gF} від ~ \ Nu_d в каталозі Schott). На цих графіках оптичні скла розташовуються уздовж так званої "нормальної прямий", безпосередньо на якій знаходяться скла з лінійною залежністю ~ P_ {gF} від ~ \ Nu_d .

При цьому, скла з незначним відхиленням ходу приватних дисперсій ( ~ \ Delta \ nu_ {\ lambda_1} \ le 3 ) І знаходяться поблизу нормальної прямий прийнято називати "нормальними", а розташовані на більшій відстані (що мають більший відхилення ходу приватних дисперсій) - "особливими" ("abnormal").

Діаграма "відносна приватна дисперсія - коефіцієнт дисперсії" так само була запропонована Ернстом Аббе, однак, щоб уникнути плутанини, її не прийнято називати ім'ям автора.

З стекол, що відносяться до першого з типів (ланг-крони), слід відзначити так звані низькодисперсні скла, різні за складом, але відрізняються як високими значеннями коефіцієнта середньої дисперсії, так і високим значенням відносної приватної дисперсії (тобто, значним відхиленням ходу приватних дисперсій від "нормального").

Група "Курц-Флінта" так само об'єднує різні за складом скла. Зокрема, під це визначення підпадають практично всі Шоттовскіе скла типів LaK, LaF, LaSF, а також російські СТК і ТБФ з високим вмістом окису лантану. Причому відхилення особливих Флінтів від "нормальної прямий", як правило, невеликі.

"Особливі" флінти з підвищеними значеннями відносної приватної дисперсії (ланг-флінти) - це, як правило, або важкі і надважкі флінти з максимальним вмістом окису свинцю, або титанові флінти з високим вмістом окису титану.


4. Виробництво

Для отримання кольорового скла до складу білого скла при варінні вводять речовини, що містять мідь, золото, селен та ін

Варка оптичного скла виробляється з шихти в спеціальних вогнетривких горщиках, які розміщені в скловарну піч. У складі шихти може бути до 40% склобою того ж складу, що і Варя скло. Процес варіння триває близько 24 годин. Нагрівання відбувається, як правило, за допомогою водневих пальників, при цьому температура в печі сягає 1500 C. У процесі варіння скломасу безперервно перемішують керамічної мішалкою для досягнення однорідного стану і кілька разів беруть пробу для контролю якості. Одним з етапів варіння є освітлювання. На цьому етапі в стекломассе виділяється велика кількість газів з речовин-освітлювачів, що додаються в шихту. Утворені великі бульбашки швидко піднімаються до поверхні, захоплюючи по шляху більш дрібні, які в будь-якому випадку утворюються при варінні. По закінченні плавки скла горщик витягується з печі і піддається сповільненого охолодження, що триває 6-8 днів. Внаслідок нерівномірності остигання маси в ній утворюються натягу, які викликають розтріскування скла на велику кількість шматків.

Після охолодження шматки скла сортуються за розмірами і якістю, потім придатні відправляються для подальшої обробки. З метою скорочення часу на механічну обробку оптичні деталі виготовляються не з звичайних шматків скла, отриманих після варіння, і зі спеціальних пресованих плиток або заготівель. Щоб уникнути натягів, що викликаються нерівномірним охолодженням маси, отримані таким способом заготовки нагрівають до 500 C і потім піддають виключно повільному охолодженню в електричних печах, так званому отжигу. Якщо при цьому температура впаде різко, в склі виникнуть натягу, які призведуть до появи анізотропії. Також може утворитися вторинна мошка.

Після відпалу вийшла заготівлю досліджують за допомогою оптічекіх приладів контролю якості і складають карту дефектів, на якій вказують розміри, місце розташування і характер пороків скла.


5. Технологічні дефекти

До технологічних дефектів оптичних стекол відносять камені, міхури, мошку, димки, звили і напруги.

  • Камені являють собою дрібні непрозорі частки, що відокремилися від горщика під час варіння скла, чи нерасплавівшіеся частинки шихти. Невелика кількість і малі розміри каменів, якщо вони не знаходяться в фокальній площині або поблизу неї, на якість зображення не впливають, оскільки затримують лише незначну частину проходить через скло світла.
  • Бульбашки утворюються в процесі варіння скла зважаючи виділення газів складовими частинами шихти, що вступають у реакцію. Практично неминучі при виготовленні скла. Бульбашки викликають світлорозсіювання та деяку втрату яскравості зображення, так як промені світла, заломлюючись на поверхнях міхурів під значно більшими кутами, ніж на решті площі лінзи, майже повністю поглинаються внутрішніми поверхнями камери і оправи об'єктива.
  • Мошка являє собою велике скупчення в масі скла найдрібніших бульбашок, що займають значну частину його обсягу. Мошка викликає розсіювання великої кількості проходить через скло світла.
  • Димки мають вигляд павутини або легкої хвилястою імли в середовищі скла. Відбуваються в основному від спікання складок, які утворюються в процесі пресування, а також при спіканні раніше не помічених тріщин.
  • Звили спостерігаються в масі скла у вигляді прозорих смужок або ниток внаслідок неоднакового показника заломлення маси скла. Уявлення про звили може дати порівняння з краплею насиченого цукрового розчину, введеної в склянку з водою. При розчиненні крапля розчину буде утворювати в воді добре помітний слід у вигляді хвилястих смуг і ниток.
  • Напруги виникають внаслідок неоднорідності скла, спричиненої, як правило, його нерівномірним охолодженням в процесі виготовлення. Механічно напружений стан скла викликає так зване подвійне променезаломлення. У звичайних умовах подвійне променезаломлення непомітно на око, і визначається перевіркою стекол за допомогою спеціального приладу - Апаратура. Безпосередньо в оптичних деталях напруги (і відповідне подвійне променезаломлення) можуть виникати під дією власної маси деталі, або тиску на скло при закріпленні його в оправах.

Для оптичних стекол встановлені категорії та класи за якістю (ГОСТ 23136-93). Тобто весь спектр дефектів розбитий на діапазони (за їх кількістю, розміром, формою) в які повинні входити марки стекол. Для безбарвного оптичного скла існують норми ГОСТ 3514-94 (раніше ГОСТ 3514-76). Для кольорового оптичного скла - ГОСТ 9411-91 (раніше ГОСТ 9411-76).

Оскільки оптичне скло виготовляється для конкретних цілей, то нормуються не тільки наявність дефектів, але і відхилення оптичних показників від норми. Вибирати скло для своїх потреб легше, якщо заздалегідь визначити критерії якості.


6. Обробка

Зазвичай, керуючись картою дефектів, заготівлю розпилюють алмазними пилами на більш дрібні прямокутні або вирізують з неї циліндри за допомогою кругових пив. Получающимся заготівлях намагаються надати форму, максимально наближену до форми майбутнього оптичного вироби з невеликим запасом. Також досить часто прямокутні заготовки нагрівають до стану пластичної деформації і пресуванням отримують з них вироби форми, близької до необхідної. Потім ці заготовки закріплюють у блоки (як правило, з гіпсу) і шліфують. Шліфування включає в себе кілька стадій; на кожній з подальшою використовують усе більш дрібні абразивні зерна. Після кожної стадії шліфування скло промивають. Після того, як скло відшліфовано, заготівлю полірують і потім контролюють його форму (фігуру). Полірування скла є тривалим фізико-хімічним процесом, який триває до 3-х діб. Після полірування виходить готова робоча поверхня вироби, готова до використання. Цю поверхню захищають, витягують заготовку з блоку і знову збирають блок, але заготовки кріплять іншою стороною догори і аналогічно шліфують і полірують інші робочі поверхні.


6.1. Просвітлення оптики

Після полірування проводиться контроль якості поверхні скла і потім для поліпшення характеристик виробу може бути вироблено просвітлення оптики шляхом нанесення тонких прозорих плівок, як правило, діелектричних. Ці плівки покращують оптичні характеристики і можуть покращувати механічні, наприклад, захищати скло від помутніння при тривалому знаходженні у вологому атмосфері.

7. Історія

Одні з перших серйозних спроб отримання оптичного скла, тобто скла достатньою хімічної і фізичної однорідності, і володіє специфічними оптичними властивостями, можна віднести до XVII століття. Так, у праці німецького хіміка Кункель (Johannes Kunckel) "Ars vitraria experimentalis" (1689 р.) згадується про борної і фосфорної кислотах, як компонентах скла, і про боросилікатного кроні, близькому за складом до деяким сучасним сортам. У 1663 р. в патенті англійця Тільсона згадується про введення окису свинцю в "флінт-глас", а в XVIII столітті це скло починають застосовувати для виготовлення ахроматичних лінз спершу Честер Мур Холл (1729 р.), а потім, і з великим успіхом, Пітер Доллонд (1758 р.).

Початком промислового виробництва оптичного скла можна вважати результат багаторічної роботи швейцарця гіна, якому, спільно з Фраунгофера, вдалося впровадити на заводі Утцшнайдера в Бенедіктбойерне (Баварія) більш або менш надійний спосіб отримання хорошого оптичного скла в горщиках ємністю до 400 кг. Ключем до успіху був винайдений Гинаном прийом механічного перемішування розплаву під час варіння, круговими рухами глиняного стрижня, вертикально опущеного в скло. У 1811 році, Гинаном і Фраунгофера, було запущено у виробництво два сорти оптичного скла: крон (72% SiO 2, 18% K 2 O, 10% CaO) та флінт (45% SiO 2, 12% K 2 O, 43% PbO)

Розроблений технологічний процес дозволяв виготовляти цілком задовільні лінзи діаметром до 200-250 мм. Однак сортамент оптичних стекол випускаються скляними заводами в першій половині XIX століття був практично обмежений двома його типами.

У другій половині XIX століття німецький хімік Отто Шотт здійснює, за пропозицією Ернста Аббе, фундаментальне дослідження впливу на властивості скла різних компонентів, а в 1884 р. О. Шотт і Е. Аббе і К. Цейсс засновують в Єні завод почав випуск різноманітних сортів оптичного скла.



Література

  • І. Я. Бубіс та ін, під заг. ред. С. М. Кузнєцова і М. А. Окатова, Довідник технолога оптика. Л. Машинобудування. 1983
  • Волосов Д. С. Фотографічна оптика. М., "Мистецтво", 1971.
  • Кулагін, С. В. Оптичне скло / / Фотокінотехніка: Енциклопедія / Головний редактор Є. А. Іофіс. - М .: Радянська енциклопедія, 1981.
  • Качалов Н. Скло. Видавництво АН СРСР. Москва. 1959
  • Н. Н. Качалов і В. Г. Воано. Основи виробництва оптичного скла. Л. ОНТИ-Хімтеорет, 1936
  • Короткий фотографічний довідник. Під загальною редакцією д.т. н. Пуськова В. В., вид. 2-е, М., Мистецтво, 1953.
  • Яштолд-Говорков В. А. Фотозйомка і обробка. Зйомка, формули, терміни, рецепти. Вид. 4-е, скор. М., "Мистецтво", 1977.
  • ГОСТ 23136-93 - Матеріали Оптичні - Параметри
  • ГОСТ 3514-94 - Скло Оптичне Безбарвне - Технічні умови
  • ГОСТ 9411-91 - Скло Оптичне Кольорове - Технічні умови