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 используются 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 =
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 = либо для жёлто-зелёной e-линии ртути с λ = Первый (обозначается ) используется такими производителями как Schott, Hoya, Ohara и др., второй (обозначается ), в частности, принят в документации российских производителей.
В настоящее время достигнут диапазон промышленно производимых оптических стёкол составляют примерно от 1,43 до 2,17.
Допустимое отклонение показателя преломления зависит от категории оптического стекла и не превышает ±(3—20).
Средняя дисперсия Средняя дисперсия — определяется как разность показателей преломления для синей линии спектра λ = и для красной линии спектра с λ = Величина средней дисперсии представляется как и лежит в диапазоне от 639 до 3178 с допустимым отклонением ±(3—20).
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:
где — показатели преломления среды на длинах волн, соответствующих фраунгоферовым линиям и
В настоящее время основными вариантами определения 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 оптических систем, поскольку учёт хода относительных дисперсий, на этапе выбора стёкол, позволяет в дальнейшем значительно уменьшить вторичный спектр. Так как, в общем случае, величина вторичного спектра объектива пропорциональна отношению разности частных дисперсий выбранной пары стёкол к разности показателей средних дисперсий этих стёкол:
где и — относительные частные дисперсии; ; — коэффициенты средней дисперсии; — фокусное расстояние объектива.
Практически 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 быстро.
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 АСтандартный источник А — это источник эффективной цветовой температурой излучения, равной 2856 K. .
По величине показателя ослабления для белого света излучения источника А установлены восемь категорий качества, определяемых предельными значениями по ГОСТ 23136-93ГОСТ 23136-93. Материалы оптические. Параметры..
К первой, высшей категории, относятся стёкла у которых лежит в пределах от 0,0002 до У таких стёкол коэффициент внутреннего пропускания слоя толщиной составляет величины от 0,991 до 0,995.
Стёкла, относящиеся к восьмой, низшей категории, имеют лежащий в пределах от 0,0066 до Этому диапазону значений показателя ослабления соответствует диапазон значений коэффициента внутреннего пропускания слоя стекла толщиной 10 см от 0,741 до 0,859.
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 и коэффициентами средней дисперсии 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 оксид свинца.
В дальнейшем, в связи с ростом числа оптических стёкол, потребовалось разбивать 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, оксиды 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
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» также 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 введено до 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 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 быстром охлаждении массы в ней образуются механические напряжения, которые могут вызывать растрескивание стекла на большое количество осколков.