Оптическое стекло свойства и применение. Оптические свойства стекол

И другие оксиды. Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др.Специальные оптические стёкла изготавливается на основе группы неорганических, оксидных нанопорошковых прозрачных керамических материалов, органических, минералоорганических стекол и др. материалов. Отдельные сорта характеризуются избирательной прозрачностью к разным лучам видимого и невидимого участков спектра света, особой прозрачностью и другими специальными свойствами (например, разной твёрдостью, упругостью, биологической совместимосью). Особые требования предъявляют к стеклам для изготовления контактных линз, кремниевых оптических стекол, апохроматов, линз для ИК-лучей, рентгеновского излучения и т.д.

Создание специальной отрасли - производства оптического стекла

Для обработки оптического стекла используют специальное оборудование и технологии. В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения, расширения области применения оптических устройств, возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стёкол, различных по свойствам и составу. Оптическое стекло в отличие от обыкновенного должно обладать особенно высокой прозрачностью, чистотой, однородностью, заданным коэффициентом преломления, в нужных случаях - избирательной прозрачностью к определённым спектрам длин волн (например, в приборх ночного видения - прозрачность к ИК-излучению, в фильтрах, покрытия в апохроматах и т.д.). Выполнение этих требований значительно изменяет его химический состав, применяет совершенную технологию изготовления и обработку оптических стекол, позволяющую их изготовление. Состав оптического стекла на базе оптических неорганических материалов как оксид кремния (SiO 2), сода, борная кислота, соли бария,оксид свинца, фториды, оксид германия, оптических органических материалов - материалы полиметилметакрилата (ПММА), минералоорганических оптических стекол позволяет улучшать оптические возможности оптических систем с дополнительными новыми свойствами.

Виды оптического стекла

Оптические стёкла делятся на:

Стёкла из неорганических материалов (Неорганическое стекло);

Стёкла из органических материалов (Органическое стекло);

Стёкла из минералоорганических материалов.(Минералоорганическое стекло)

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:

Наименьшим среди стёкол на основе SiO 2 показателем преломления (n D = 1,4584) и наибольшим светопропусканием, особенно для ультрафиолетовых лучей.

Высокой термической стойкость, коэффициент линейного термического расширения менее 1·10 -6 К -1 (в диапазоне температур от 20 до 1400°С).

Температурой размягчения кварцевого стекла - 1400°C.

Как хороший диэлектрик - удельная электрическая проводимость при 20 °С - 10 −14 - 10 −16 Ом -1 ·м -1 , тангенс угла диэлектрических потерь при температуре 20 °C и частоте 10 6 Гц - 0,0025-0,0006.

Стёкла из кремния

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 n D = 3,49!, созданы параболические линзы из кремния, преломляющие и фокусирующие Х-лучи - Оптические элементы из кремния).

Оптические стёкла из кремния имеют :

сверхвысокую изотропию;

низкую дисперсию;

самый большой с абсолютным значением коэффициент преломления n D =3,49 !;

прозрачные в ИК области 2 мм - 760 нм шкалы электромагнитных волн;

стойкость работы в зоне Х-излучения;

возможность сохранять свои свойства и характеристики в течение длительного времени при возможном воздействии внешних факторов (механических, климатических, лучевых, химических, бактериологических и т.п.);

высокую плотность = 2,33 г/см3.

биологическую совместимость для медицинского применения (биостекло).

Стёкла из германия

Германий в виде диоксида GeO 2 находит широкое применение в изготовлении оптических устройств как линз, объективов и др., применяемых в оптической промышленности.

Свойства оптического стекла из GeO 2

Коэффициент преломления n=1.7;

Дополнительно высокая прозрачность к ИК-лучам света;

Низкая дисперсия;

Высокая твёрдость.

Это делают его полезным как оптический материал для изготовления широкоугольных объективов, применения линз в оптическоммикроскопе.

Составы на основе диоксида кремния и диоксида германия ("кварц-германий") используется как оптический материал для оптоволокони 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.

Ситалловые оптические стекла

Ситалловые оптические стекла получают на основе стекол системы Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 со светочувствительными добавками (соединения Аu, Ag, Сu), которые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют при варке стекла формировать структуру с мелкокристаллической 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 расположения атомов и межкристаллитными границами 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) .

Оптические натриево-силикатные стекла

Оптические натриево-силикатные стекла носят общее название кро́нов . Стекло, изготовленное с добавлением фосфорного ангидрида, называется фосфорным кроном, борного ангидрида - боро-силикатным кроном и т. д. Оптическое стекло, в состав которого входитсвинец, называется фли́нтом ; при его содержании до 50 % - лёгким, а свыше 50 % - тяжёлым флинтом. Флинт имеет больший показатель преломления, чем крон.

Эти два типа стекол наиболее ходовые при изготовлении оптических устройств, например, объективов для уменьшения хроматические аберрации, работающих в диапазоне длин волн вилимого спектра света. Положительные линзы (которые в центре толще, чем по краям) изготавливаются из крона, отрицательные - из флинта. При разработке оптического прибора для каждой линзы подбирается определённый сорт оптического стекла по каталогу предприятия-изготовителя. На рисунке приведена Диаграмма Аббе для наиболее распространённых видов стекол, в координатах зависимость показателя преломления (nD) от коэф. дисперсии света (vD). См. такжедиаграмма Аббе nd (Vd) - Schott 2000 от ЛОМО.

Таблица основных характеристик оптических стекол

Производство неорганического 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. (Анизотропи́я (от греч. ánisos - неравный и tróроs - направление) - неодинаковость физических (физико-химических) свойств среды (например, электропроводности, теплопроводности и др.) по различным направлениям внутри этой среды. Причиной анизотропности является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния оказываются неодинаковыми по различным направлениям). 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

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 все более мелкие абразивные зерна. После каждой стадии шлифования стекло промывают. После того, как стекло отполировано, его форму контролируют и затем заготовку полируют. 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.

Дефекты оптического неорганического стекла

К оптическому стеклу предъявляют повышенные требования по однородности и изотропности. Пороки стекла(Пороки стекла - техническое название дефектов стекла, нарушающих его однородность и изотропность. Особое внимание устранению пороков стекла уделяется в производстве оптического стекла; в то время как в производстве гутного и вообще художественного стекла пузырьки, включения и др. неоднородности могут служить для создания специальных оптических эффектов) возникают в реальных условиях производства (варки) стёкол, вследствие ограниченного времени на установление равновесия в стекломассе, слишком быстрого охлаждения и т.д.

Стекло, предназначенное для ответственных оптических элементов, требует чистых сырьевых компонентов, специальных приёмов варки и охлаждения. Так, стекло для заготовок крупнейших зеркал оптических телескопов охлаждают многие месяцы, для снятия внутренних напряжений.

Оптические стёкла из органических материалов

Оптическое органическое стекло (оргстекло) - твёрдый, хрупкий, чисто аморфный материал, отличающийся формированием при определённых условиях в процессе переохлаждения расплавленного материала полиметилметакрилата (ПММА) (синтетического полимераметилметакрилата). Оптическое оргстекло (ПММА) часто используется как альтернатива силикатному оптическому стеклу т.к. оно:

Устойчиво к внешним воздействиям (влага, холод и т. д.);

Более мягкое, чем обычное стекло и чувствителено к царапинам (этот недостаток исправляется нанесением стойких к царапинам покрытий);

Лёгкая механическая обрабатываемость обычным металлорежущим инструментом;

Легко режется лазером и удобно для гравировки;

Хорошая прозрачность и пропускает ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, отражая при этом инфракрасные лучи; светопропускание оргстекла несколько меньшее (92-93 % против 99 % у лучших сортов силикатного стекла);

Низкая устойчивость к действию спиртов, ацетона и бензола;

Оргстекло это оптический материал;

Безосколочный материал (безопасен и применяется во всех видах транспорта (особенно в самолётостроении);

Легко формуемый при нагревании;

Водостойкий материал;

Нейтрален к лучам света, метео-условиям, действию авиационного бензина и маселам.

Оргстекло бывает дух типов - литьевое и экструзионное.

Оптические стёкла из минералоорганических материалов

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.

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.

Оптические свойства стекла. Оптические стекла

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

Понятие об оптических свойствах стёкол

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

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

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

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

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

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

Оптическое стекло

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

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

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

Еще о стеклах и изделиях из стекла:

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

Показатель преломления

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 % SiO 2 , 18 % K 2 O, 10 % CaO) и флинт (45 % SiO 2 , 12 %K 2 O, 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.

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

Wikimedia Foundation . 2010 .

Большая политехническая энциклопедия

оптическое стекло - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN optical glass … Справочник технического переводчика

оптическое стекло - optinis stiklas statusas T sritis chemija apibrėžtis Labai skaidrus, visiškai vienalytis stiklas. atitikmenys: angl. optical glass rus. оптическое стекло … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

оптическое стекло - optinis stiklas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. optical glass vok. optisches Glas, n rus. оптическое стекло, n pranc. verre optique, m … Fizikos terminų žodynas

Высокопрозрачное однородное химически стойкое стекло. Изготавливается с точно задаваемыми оптическими свойствами показателем преломления (от 1,47 до 2,04) и коэффициентом дисперсии (от 70 до 78), в зависимости от сочетания которых О. с.… … Большая советская энциклопедия

Высокопрозрачное однородное химически стойкое стекло. Изготавливается с точно задаваемыми оптич. св вами показателем преломления (от 1,47 до 2,04) и коэфф дисперсии (от 70 до 25,4), в зависимости от сочетания к рых О. с. подразделяют на кроны… … Большой энциклопедический политехнический словарь

СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ, квазиаморфное твердое вещество, у которого при наличии ближнего порядка (см. БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК) отсутствует дальний порядок (см. ДАЛЬНИЙ ПОРЯДОК И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК) в расположении частиц. В современном понимании понятие… … Энциклопедический словарь

Стекло: Стекло твёрдый неорганический аморфный материал (прозрачный или непрозрачный), состоящий из оксидов кремния или других «оксидов стеклообразователей» с включениями «оксидов модификаторов» и некоторых веществ иного происхождения.… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Стекло (значения). Скифос. Цветное стекло. Восточное Средиземноморье. Первая половина I в. Эрмитаж … Википедия

Виды стекла

Вид стекла:Оконное, Посудное, Зеркальное, Парфюмерное,Бутылочное, Полухрусталь, Химико-лабораторное, Термостойкое типа, Опаловое, Термометрическое, Электровакуумное, Стеклянное волокно.

При детальном исследовании стекла изучаются, в зависимости от технических условий, следующие его физико- химические свойства: вязкость, поверхностное натяжение, внутренние напряжения, температура размягчения, удельный вес, предел прочности на сжатие, разрыв и изгиб, твёрдость, модуль упругости, газопроницаемость, термическое расширение, теплоёмкость, теплопроводность, электропроводность, диэлектрические потери, показатель преломления, спектральные характеристики в видимой и невидимой части спектра, химическая стойкость, кристаллизационная способность и другие. Прочность на разрыв зависит от толщины стекла и от термической его обработки. Наибольшей теплопроводностью отличается прозрачное кварцевое стекло.

Характеристика основных видов стекла

СТЕКЛО ОПТИЧЕСКОЕ -- прозрачное стекло любого химического состава, обладающее высокой степенью однородности. Содержат 46,4% РЬО, 47,0% Si0 и другие оксиды; кроны -- 72% SiO, щелочные и другие оксиды.

Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др. Стекло для оптических приборов изготовлялось уже в 18 веке, однако возникновения собственно производства оптического стекла относится к началу 19 века, когда швейцарским учёным П. Гинаном был изобретён способ механического размешивания стекломассы во время варки и охлаждения -- круговым движением глиняного стержня, вертикально погруженного в стекло. Этот приём, сохранившийся до настоящего времени, позволил получить стекло высокой степени однородности.

Производство оптического стекла получило дальнейшее развитие благодаря совместным работам немецких учёных Э. Аббе и Ф. О. Шотта, в результате которых в 1886 возник известный стекольный завод товарищества Шотт в Иене (Германия), впервые выпустивший огромное многообразие современных оптическиъх стекол.

До 1914 производство оптического стекла существовало только в Англии, Франции и Германии. В России начало производства оптического стекла относится к 1916. Оно достигло большого развития только после Великой Октябрьской социалистической революции благодаря работам советских учёных Д.С. Рождественского, И.В. Гребенщикова, Г.Ю. Жуковского, Н.Н. Качалова и др. Основное требование, предъявляемое к оптическому стеклу-- это высокая степень однородности. Отсутствие однородности вызывает отклонение лучей света от их правильного пути, что делает стекло негодным для его прямого назначения.

Однородность оптического стекла нарушается причинами химического и физического порядка. Химическая неоднородность обусловлена местными изменениями химического состава и устраняется размешиванием оптического стекла в процессе варки. Физическая неоднородность вызывается напряжениями, возникающими в процессе охлаждения оптического стекла, и устраняется тщательным отжигом. Оптическое стекло должно иметь определённые оптические свойства-- точные величины показателей преломления для лучей различных длин волн. Большой ассортимент оптического стекла с различными показателями преломления и средней дисперсией имеет огромное значение при расчёте и конструировании оптических систем для снижения их дефектов, в частности для уничтожения вредного влияния вторичного спектра и исправления качества изображения.

Оптические свойства стекла зависят от его химического состава. Разнообразным сочетанием окислов удаётся получить стекло с требуемыми значениями оптических постоянных. Некоторые сорта оптического стекла, например, не содержат кремнезёма (основного составляющего любого стекла), другие содержат обычно применяемые окислители, но в чрезвычайно больших количествах.

Прозрачность оптического стекла должна быть высокой, порядка 90--97% на 100 мм пути луча в стекле. Оптическое стекло должно быть химически устойчивым по отношению к действию влажной атмосферы и к действию слабых кислот, характеризующему «пятнимость» их, т. е. чувствительность к прикосновению рук.

Для производства оптического стекла применяются такие же сырьевые материалы, как и для других типов стекол. Однако требования к чистоте сырья весьма высоки. Особенно вредными примесями являются соединения железа и хрома, окрашивающие стекло и увеличивающие его светопоглощепие. Варка оптического стекла производится в одно-, двухгоршковых печах.

Важнейшая операция в производстве оптического стекла-- размешивание стекла в процессе варки и особенно в процессе охлаждения. Для разделки оптического стекла применяются три способа:

1) охлаждение стекла вместе с горшком с последующей разбивкой на куски и формовкой этих кусков в нагретом состоянии;
2) отливка стекломассы в железную форму;
3) прокатка в лист отлитой на стол стекломассы.

Оптические стекла выпускаются стекловаренными заводами в виде прямоугольных кусков различных размеров «плитки» и в виде заготовок -- «прессовки» (линзы, призмы). К оптическим стеклам можно отнести также и специально окрашенные цветные стекла, применяемые для изготовления точных светофильтров, которые в виде плоско-параллельных пластин часто применяются в оптических приборах и служат для изменения спектрального состава проходящего через них света. Эти цветные стекла изготовляются на заводах оптического стекла теми же приёмами, что и оптическое стекло.

СТЕКЛО СТРОИТЕЛЬНОЕ -- изделия из стекла, применяемые в строительстве. Строительное стекло служит для стекления световых проёмов, устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок, облицовки и отделки стен, лестниц и других частей зданий. К строительным стеклам, относят также тепло- и звукоизоляционные материалы из стекла (пеностекло и стеклянная вата), стеклянные трубы для скрытой электропроводки, водопровода, канализации и других целей, архитектурные детали, элементы стекложелезобетонных перекрытий и т.д.

Большая часть ассортимента строительного стекала служит для остекления световых проёмов: листовое оконное стекло, зеркальное, рифлёное, армированное, узорчатое, двухслойное, пустотелые блоки и др. Тот же ассортимент стекла может быть использован и для устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок.

Листовое оконное стекло, наиболее широко применяемое в строительстве, вырабатывается из расплавленной стекломассы, главным образом вертикальным или горизонтальным непрерывным вытягиванием ленты, от которой по мере её охлаждения и затвердевания отрезаются от одного конца листы требуемых размеров. Существенным недостатком листового оконного стекла является наличие некоторой волнистости, искажающей предметы, просматриваемые через него (в особенности под острым углом).

Зеркальное стекло обрабатывается шлифованием и полировкой с обеих сторон, благодаря чему оно обладает минимальными оптическим искажениями.

Современный наиболее распространённый способ производства зеркального стекла состоит в горизонтальной непрерывной прокатке стекломассы между двумя валами, отжиге отформованной ленты в туннельной печи, шлифовке и полировке на механизированных и автоматизированных конвейерных установках Зеркальное стекло изготовляется толщиной от 4 мм и выше (в особых случаях -- до 40 мм), для варки его применяют высококачественные материалы, поэтому оно обладает и более высоким светопропусканием, чем обычное оконное стекло; применяется главным образом для остекления окон и дверей в общественных зданиях, витрин и для изготовления зеркал; механические свойства мало отличаются от механических свойств оконного стекла. Прокатное узорчатое стекло имеет узорчатую поверхность, получаемую путём прокатки между двумя валками, один из которых рифлёный; вырабатывается как бесцветное, так и цветное; применяется в тех случаях, когда требуется получить рассеянный свет. Узорчатое стекло с матовыми или «морозным» рисунком применяется для внутренних перегородок, дверных филёнок и остекления лестничных клеток; изготовляется путём обработки поверхности оконного или зеркального стекла.

Матовый рисунок получается обработкой поверхности струей песка под шаблон. Рисунок, напоминающий морозный узор на стекле, получают нанесением на поверхность слоя животного клея, который в процессе сушки отрывается вместе с верхними слоями стекла. Армированное стекло содержит в толще своей проволочную сетку; оно более прочно, чем обычное; при разбивании ударами или растрескивании во время пожара осколки его рассыпаются, будучи связанными арматурой; поэтому армированное стекло применяют для остекления фонарей промышленных и общественных зданий, кабин подъёмников, лестничных клеток, проёмов противопожарных стен.

Вырабатывается методом непрерывного проката между валками с закаткой проволочной сетки, сматываемой с отдельного барабана. Волнистое армированное стекло, по форме напоминающее волнистые асбестоцементные листы, применяется для устройства перегородок, фонарей, перекрытия стеклянных галлерей и пассажей.

Сдвоенные (пакетные) стекла с воздушной или светорасссивающей прослойкой (например, из стеклянного волокна) обладают хорошими теплоизоляционными свойствами; изготовляются путём склейки 2 оконных стекол с прокладной рамкой. Толщина сдвоенных стекол с воздушной прослойкой 12--15 мм. Пустотелые стеклянные блоки изготовляются путём прессования и последующей сварки двух стеклянных полукоробок; применяются для заполнения световых проёмов, главным образом в промышленных зданиях; обеспечивают хорошую освещённость рабочих мест и обладают высокими теплоизоляционными свойствами.

Укладка блоков в проёмы производится на строительном растворе в виде панелей, перевязанных металлическими переплётами. Облицовочное стекло (марблит) представляет собой непрозрачное цветное листовое стекло. Изготовляется путём периодической прокатки стекломассы на литейном столе с последующим отжигом в туннельных печах. Применяется для отделки фасадов и интерьеров жилых и общественных зданий. К облицовочному стеклу относится также цветное металлизированное стекло.

СТЕКЛО КВАРЦЕВОЕ -- содержит не менее 99% SiO- (кварца). Кварцевое стекло выплавляют при температуре более 1700° С из самых чистых разновидностей кристаллического кварца, горного хрусталя, жильного кварца или чистых кварцевых песков. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолетовые лучи, имеет очень высокую температуру плавления, благодаря небольшому коэффициенту расширения выдерживает резкое изменение температур, стойкое по отношению к воде и кислотам. Кварцевое стекло применяют для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, изоляционных материалов, ртутных ламп («горное солнце»), применяемых в медицине и др.

СТЕКЛО ОРГАНИЧЕСКОЕ (плексиглас) -- прозрачная бесцветная пластическая масса, образующаяся при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты. Легко поддается механической обработке. Применяется как листовое стекло в авиа- и машиностроении, для изготовления бытовых изделий, средств защиты в лабораториях и др.

СТЕКЛО РАСТВОРИМОЕ -- смесь силикатов натрия и калия (или только натрия), водные растворы которых называются жидким стеклом. Растворимое стекло применяют для изготовления кислотоупорных цементов и бетонов, для пропитки тканей, изготовления огнезащитных красок, силика-геля, для укрепления слабых грунтов, канцелярского клея и др.

СТЕКЛО ХИМИКО-ЛАБОРАТОРНОЕ -- стекло, обладающее высокой химической и термической стойкостью. Для повышения этих свойств в состав стекла вводят оксиды цинка и бора.

СТЕКЛОВОЛОКНО -- искусственное волокно строго цилиндрической формы с гладкой поверхностью, получаемое вытягиванием или расчленением расплавленного стекла. Широко применяется в химической промышленности для фильтрации горячих кислых и щелочных растворов, очистки горячего воздуха и газов, изготовления сальниковых набивок в кислотных насосах, армирования стеклопластиков и др.

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

Различают и используют показатель ослабления монохроматического излучения и показатель ослабления для белого света стандартного источника А .

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

К первой, высшей категории, относятся стёкла у которых μ A {\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 .

Стёкла, относящиеся к восьмой, низшей категории, имеют μ A {\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 .

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

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 P g F {\displaystyle P_{gF}} от ν d {\displaystyle \nu _{d}} .

При этом, стёкла с незначительным отклонением хода частных дисперсий ( Δ ν λ 1 ≤ 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 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. 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.

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

ГОСТ 23136-93 - Материалы Оптические - Параметры

ГОСТ 3514-94 - Стекло Оптическое Бесцветное - Технические условия

ГОСТ 9411-91 - Стекло Оптическое Цветное - Технические условия