Как называется стекло для оптических приборов
Оптическое стекло
Содержание
Виды оптического стекла
Оптические стёкла делятся на:
Оптические стёкла из неорганических материалов
Стёкла из кварца
Линзы, получаемыые из оптического кварцевого стекла, обладают рядом дополнительных оптических свойств, необходимых для специальных, прецизионных оптических систем, по сравнению с основной группой линз из природного кварцевого стекла, применяемых в зоне видимого спектра света и отличаются:
Стёкла из кремния
Линза из кремния для преломления Х-лучей
В настоящее время в производстве изготовления различных стекол используются современные технологии получения и обработки. Применение новых абразивных в том чисое алмазных инструментов, специальных паст при шлифовании, суперфинише и полировки дало возможность наладить производство твёрдых и сверхтвёрдых оптических стекол, сочетающих сверхвысокую изотропию, низкую дисперсию с самым высоким значением коэффициента преломления (например, стёкла, линзы, зеркала из кремния, в диапазоне длин волн 1—7 мкм имеют показатель преломления nD = 3,49!, созданы параболические линзы из кремния, преломляющие и фокусирующие Х-лучи — Оптические элементы из кремния [2] ).
Стёкла из германия
Германий в виде диоксида GeO2 находит широкое применение в изготовлении оптических устройств как линз, объективов и др., применяемых в оптической промышленности.
Свойства оптического стекла из GeO2
Это делают его полезным как оптический материал для изготовления широкоугольных объективов, применения линз в оптическом микроскопе.
Смесь кремниевого диоксида и диоксида германия («кварц-germania») используется как оптический материал для оптоволокон и оптических волноводов.
Правильная дозировка примесей диоксида германия с элементами кварца, кремниевыми составляющими и др. при приготовлении шихты при стекловарении позволяет точно контролировать и регулировать величину коэффициента преломления линз. Например, очки из кварца-германия имеют более низкую вязкость и более высокий преломляющий коэффициент, нежели чем очки из чистого кварца.
В оптоволоконном производстве Германий сейчас заменяет титан как примесь кварца для волокна из кварца, устраняя потребность в последующей термообработке, которая делает волокна ломкими. [4]
Ситалловые оптические стекла
Ситалловые оптические стекла получают на основе стекол системы Li2O-Al2O3-SiO2 со светочувствительными добавками (соединения Аu, Ag, Сu), которые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют при варке стекла формировать структуру с мелкокрисаллической фазой в силу избирательной кристаллизации. Благодаря чему получены оптические материалы ситаллы, наделённые широким диапазоном характеристик стекломатериалов. Они находят применение в микроэлектронике, в оптике, ракетной и космической технике, полиграфии как светочувствительные материалы (например, для изготовления оптических печатных плат, в качестве светофильтров), строительстве и т.д.
Прозрачные керамические материалы
Прозрачные керамические линзы — получаемые на базе нанопорошковых светопрозрачные керамических материалов на основе нанопорошков, формируемых с кубической симметрией распложения атомов и межкристаллитными границми в процессе высокотемпературного прессования с плотностью, близкой к монокристаллам данных соединений и обладающие минимальным рассеянием прходящих световых лучей, высокой прозрачностью в зоне коротких и других длин электромагнитных волн, твёрдостью, дисперстностью, с коэффициентом преломления n = 2,08.( CASIO EXILIM EX-S100 и CASIO EXILIM EX-S500 ) [5]
Оптические натриево-силикатные стекла
Диаграммы Аббе
Диаграмма Аббе для оптических стёкол
Влияние компонентов стекла на число Aббе, для некоторых основных типов стекла
Основные характеристики неорганических стекол
Основные свойства оптического стекла характеризуются коэффициентом преломления, средней дисперсией и коэффициентом дисперсии. В отдельных случаях для характеристики оптических стёкол используется частные дисперсии и относительные частные дисперсии.
Коэффициент преломления
Коэффициент преломления nD для оптических стекол прозрачных для ИК-излучения, УФ-лучей, Х-излучения имеют свои значения и определяется в зависимости от дополнительных особых свойств оптического стекла. Например, линии спектра c λ=1—7 мкм для кремниевых оптических стекол имеют nD = 3,49!
Средняя дисперсия
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
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 (чиса Аббе) близка к линейной, однако, зависимость показателя преломления оптического материала, от длины волны света, представляет из себя 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.
Коэффициент поглощения света
Составляет не более 0.2-3 %.
Специальные («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 .
Диаграмма «относительная частная дисперсия – коэффициент дисперсии», так же, была предложена Эрнстом Аббе, однако, в избежании путаницы, её не принято называть именем автора.
Группа «курц-флинтов» так же объединяет различные по составу стёкла. В частности, под это определение подпадают практически всё Шоттовские стёкла типов LaK, LaF, LaSF, а так же российские СТК и ТБФ с высоким содержанием окиси лантана. Причём, отклонения особых флинтов от «нормальной прямой», как правило, невелики.
Свойства стёкол
Таблица основных характеристик оптических стекол
(Оксидные — кроны (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные)
(стёкла и плосковыпуклые линзы на базе однородного кремния, прозрачные для инфракрасного излучения, стойкие к Х-излучению).
(на базе кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля)
длина волны (λ нм, мкм)
(поглощение) света в (%)
Производство нерганического оптического стекла
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 подвергаются 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.
Обработка оптического неорганического стекла
Дефекты оптического неорганического стекла
К недостаткам оптического стекла относят камни, пузыри, мошку, дымки, свили и натяжения.
Карта дефектов нужна для того, чтобы решить, каким образом обрабатывать данную заготовку в дальнейшем.
Оптические стёкла ситалловые
Оптическое стекло на базе фотоситаллов получают на основе стекол системы Li2O-Al2O3-SiO2 со светочувствительными добавками (соединения Аu, Ag, Сu), которые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют его избирательной кристаллизации. Они находят применение в микроэлектронике, ракетной и космической технике, оптике, полиграфии как светочувствительные материалы (например, для изготовления оптических печатных плат, в качестве светофильтров).
Оптические стёкла из органических материалов
Органичесое стекло
Очки из оптического оргстекла
Оптические стёкла из минералоорганических материалов
Мужчина с контактными линзами, изменяющими цвет глаз
Контактные линзы изготавливаются в настоящее время из элластичных материалов, самостоятельно сохраняющих необходимую кривизну.
Так называемые мягкие линзы состоят из специальных силикон-гидрогелевых органических материалов, которые благодаря сочетанию гидрофильных свойств и высокой кислородопроницаемости могут непрерывно использоваться в течение 30 дней круглосуточно. [9]
Материал линзы, как правило, делается прозрачным или слегка окрашенным (для того, чтобы упавшую линзу, практически невидимую в воздушной, и особенно в водной среде, легче было найти). Однако есть разновидности линз, у которых центр окрашен в различные цвета или сочетания цветов. Это позволяет менять цвет глаз или делать его совершенно необычного цвета, не встречающегося в природе (и даже наносить рисунок). Контактные линзы с рисунком, как правило, не имеют оптической силы и используются в развлекательных целях.
На линзы может наноситься маркировка, обозначающая лицевую сторону, и, иногда — её оптические свойства.
Просветление оптики
Принцип работы просветляющего покрытия
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. Нанесение покрытий значительно увеличивает светопропускание оптической системы линз, граничащих с воздухом, а также внутри объектива.
Просветляющие плёнки уменьшают отражение и светорассеяние, увеличивают разрешающую способность объектива, отчего получаемое изображение становится более детализированным, увеличивается контрастность оптического изображения.
См. также
Литература
Статья «Оптическое стекло». Автор С. В. Кулагин.
Оптическое стекло
Содержание
Виды оптического стекла
Оптические стёкла делятся на:
Оптические стёкла из неорганических материалов
Стёкла из кварца
Линзы, получаемыые из оптического кварцевого стекла, обладают рядом дополнительных оптических свойств, необходимых для специальных, прецизионных оптических систем, по сравнению с основной группой линз из природного кварцевого стекла, применяемых в зоне видимого спектра света и отличаются:
Стёкла из кремния
Линза из кремния для преломления Х-лучей
В настоящее время в производстве изготовления различных стекол используются современные технологии получения и обработки. Применение новых абразивных в том чисое алмазных инструментов, специальных паст при шлифовании, суперфинише и полировки дало возможность наладить производство твёрдых и сверхтвёрдых оптических стекол, сочетающих сверхвысокую изотропию, низкую дисперсию с самым высоким значением коэффициента преломления (например, стёкла, линзы, зеркала из кремния, в диапазоне длин волн 1—7 мкм имеют показатель преломления nD = 3,49!, созданы параболические линзы из кремния, преломляющие и фокусирующие Х-лучи — Оптические элементы из кремния [2] ).
Стёкла из германия
Германий в виде диоксида GeO2 находит широкое применение в изготовлении оптических устройств как линз, объективов и др., применяемых в оптической промышленности.
Свойства оптического стекла из GeO2
Это делают его полезным как оптический материал для изготовления широкоугольных объективов, применения линз в оптическом микроскопе.
Смесь кремниевого диоксида и диоксида германия («кварц-germania») используется как оптический материал для оптоволокон и оптических волноводов.
Правильная дозировка примесей диоксида германия с элементами кварца, кремниевыми составляющими и др. при приготовлении шихты при стекловарении позволяет точно контролировать и регулировать величину коэффициента преломления линз. Например, очки из кварца-германия имеют более низкую вязкость и более высокий преломляющий коэффициент, нежели чем очки из чистого кварца.
В оптоволоконном производстве Германий сейчас заменяет титан как примесь кварца для волокна из кварца, устраняя потребность в последующей термообработке, которая делает волокна ломкими. [4]
Ситалловые оптические стекла
Ситалловые оптические стекла получают на основе стекол системы Li2O-Al2O3-SiO2 со светочувствительными добавками (соединения Аu, Ag, Сu), которые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют при варке стекла формировать структуру с мелкокрисаллической фазой в силу избирательной кристаллизации. Благодаря чему получены оптические материалы ситаллы, наделённые широким диапазоном характеристик стекломатериалов. Они находят применение в микроэлектронике, в оптике, ракетной и космической технике, полиграфии как светочувствительные материалы (например, для изготовления оптических печатных плат, в качестве светофильтров), строительстве и т.д.
Прозрачные керамические материалы
Прозрачные керамические линзы — получаемые на базе нанопорошковых светопрозрачные керамических материалов на основе нанопорошков, формируемых с кубической симметрией распложения атомов и межкристаллитными границми в процессе высокотемпературного прессования с плотностью, близкой к монокристаллам данных соединений и обладающие минимальным рассеянием прходящих световых лучей, высокой прозрачностью в зоне коротких и других длин электромагнитных волн, твёрдостью, дисперстностью, с коэффициентом преломления n = 2,08.( CASIO EXILIM EX-S100 и CASIO EXILIM EX-S500 ) [5]
Оптические натриево-силикатные стекла
Диаграммы Аббе
Диаграмма Аббе для оптических стёкол
Влияние компонентов стекла на число Aббе, для некоторых основных типов стекла
Основные характеристики неорганических стекол
Основные свойства оптического стекла характеризуются коэффициентом преломления, средней дисперсией и коэффициентом дисперсии. В отдельных случаях для характеристики оптических стёкол используется частные дисперсии и относительные частные дисперсии.
Коэффициент преломления
Коэффициент преломления nD для оптических стекол прозрачных для ИК-излучения, УФ-лучей, Х-излучения имеют свои значения и определяется в зависимости от дополнительных особых свойств оптического стекла. Например, линии спектра c λ=1—7 мкм для кремниевых оптических стекол имеют nD = 3,49!
Средняя дисперсия
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
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 (чиса Аббе) близка к линейной, однако, зависимость показателя преломления оптического материала, от длины волны света, представляет из себя 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.
Коэффициент поглощения света
Составляет не более 0.2-3 %.
Специальные («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 .
Диаграмма «относительная частная дисперсия – коэффициент дисперсии», так же, была предложена Эрнстом Аббе, однако, в избежании путаницы, её не принято называть именем автора.
Группа «курц-флинтов» так же объединяет различные по составу стёкла. В частности, под это определение подпадают практически всё Шоттовские стёкла типов LaK, LaF, LaSF, а так же российские СТК и ТБФ с высоким содержанием окиси лантана. Причём, отклонения особых флинтов от «нормальной прямой», как правило, невелики.
Свойства стёкол
Таблица основных характеристик оптических стекол
(Оксидные — кроны (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные)
(стёкла и плосковыпуклые линзы на базе однородного кремния, прозрачные для инфракрасного излучения, стойкие к Х-излучению).
(на базе кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля)
длина волны (λ нм, мкм)
(поглощение) света в (%)
Производство нерганического оптического стекла
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 подвергаются 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.
Обработка оптического неорганического стекла
Дефекты оптического неорганического стекла
К недостаткам оптического стекла относят камни, пузыри, мошку, дымки, свили и натяжения.
Карта дефектов нужна для того, чтобы решить, каким образом обрабатывать данную заготовку в дальнейшем.
Оптические стёкла ситалловые
Оптическое стекло на базе фотоситаллов получают на основе стекол системы Li2O-Al2O3-SiO2 со светочувствительными добавками (соединения Аu, Ag, Сu), которые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют его избирательной кристаллизации. Они находят применение в микроэлектронике, ракетной и космической технике, оптике, полиграфии как светочувствительные материалы (например, для изготовления оптических печатных плат, в качестве светофильтров).
Оптические стёкла из органических материалов
Органичесое стекло
Очки из оптического оргстекла
Оптические стёкла из минералоорганических материалов
Мужчина с контактными линзами, изменяющими цвет глаз
Контактные линзы изготавливаются в настоящее время из элластичных материалов, самостоятельно сохраняющих необходимую кривизну.
Так называемые мягкие линзы состоят из специальных силикон-гидрогелевых органических материалов, которые благодаря сочетанию гидрофильных свойств и высокой кислородопроницаемости могут непрерывно использоваться в течение 30 дней круглосуточно. [9]
Материал линзы, как правило, делается прозрачным или слегка окрашенным (для того, чтобы упавшую линзу, практически невидимую в воздушной, и особенно в водной среде, легче было найти). Однако есть разновидности линз, у которых центр окрашен в различные цвета или сочетания цветов. Это позволяет менять цвет глаз или делать его совершенно необычного цвета, не встречающегося в природе (и даже наносить рисунок). Контактные линзы с рисунком, как правило, не имеют оптической силы и используются в развлекательных целях.
На линзы может наноситься маркировка, обозначающая лицевую сторону, и, иногда — её оптические свойства.
Просветление оптики
Принцип работы просветляющего покрытия
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. Нанесение покрытий значительно увеличивает светопропускание оптической системы линз, граничащих с воздухом, а также внутри объектива.
Просветляющие плёнки уменьшают отражение и светорассеяние, увеличивают разрешающую способность объектива, отчего получаемое изображение становится более детализированным, увеличивается контрастность оптического изображения.
См. также
Литература
Статья «Оптическое стекло». Автор С. В. Кулагин.