Что такое оптическое стекло
Оптическое стекло
Оптическое стекло уже давно используется нами практически ежедневно. Это особый вид стекла, предназначенный для производства прозрачных частей оптики, которая отвечает за формирование изображений.
Основная отличительная черта оптического стекла – однородность и прозрачность в сравнении с техническим стеклом. С одной стороны производство стекла – несложная задача, но выдвижение целого ряда требований нормативной литературой к производству стекла в значительной мере усложняет изготовление и удорожает процесс.
Основные свойства оптического стекла
Среди характеристик стекла стоит различать:
Кроме бесцветного следует различать цветное и оптическое стекло для трансформации излучения. Из цветного стекла производятся абсорбционные светофильтры. Основное различие цветного оптического стекла от художественного или технического – высокий показатель оптической однородности.
Стекло для трансформации излучения делится на:
Для всех эти стекол характерно явление фото- и радиационного окрашивания и люминисценции.
Изготавливаются стекла для сферы оптического производства из неорганических и органических материалов.
Поэтому стоит различать основные виды оптического стекла:
Основное отличие неорганического стекла – состав веществ, которые образуют материал. К ним относятся оксиды (TeO2, B2O3) и фториды (AlF3). К неорганическим стеклам относится и оптическое кварцевое стекло. Химическая формула его основной образующей всем знакома – SiO2 (кварцевый песок). Такое стекло может образоваться и в природе (попадание молнии в кварцевый песок), но оно не считается оптическим.
На производстве оптическое кварцевое стекло носит сокращенное наименование – кварц. Такое стекло обладает наименьшим показателем преломления и наибольшей характеристикой светопропускания.
Кварцу характерна высокая стойкость к термической обработке. Благодаря широкому диапазону прозрачности данный вид оптического стекла применяется в сфере телекоммуникаций (вспомните оптическое волокно). Современное производство оптических линз считает именно силикатное стекло незаменимым в изготовлении оптических систем разной сложности.
Силикатное стекло бывает:
Кремниевое стекло также производится на базе Si, как и кварц, но отличается от него оптическими свойствами. Кремний – один из наиболее востребованных материалов, которые служит основой для производства оптических агрегатов и деталей.
В некоторых случаях кремниевые элементы просто незаменимы. Так, они способны пропускать ИК излучение и преломлять Х-лучи. Другие материалы не способны настолько эффективно работать в столь широком диапазоне, как оптические стекла на основе кварца.
Оптическое органическое стекло
Органическое стекло (ПММА) – синтетический материал полимерной группы. Оргстекло – прозрачный, твердый в меру хрупкий материал, относящийся к классу термопластов. Материал нередко применяется в качестве замены кварцевому стеклу.
В отличие от минерального стекла полимерное оргстекло обладает повышенной устойчивостью к агрессивным условиям, но при этом обладает довольно хорошими оптическими характеристиками.
Поэтому, оргстекло нашло широкую область применения во многих сферах деятельности:
Минерало-органическое стекло. Оптические свойства стекла позволили применять материал в сегменте офтальмологии. Яркий пример – контактные линзы. Мягкие линзы производятся из материалов, которые обладают бифазной структурой.
Линзы из оптического стекла
Процесс изготовления линз из оптического стекла довольно сложный, требует определенных знаний и навыков.
Процесс изготовления линз можно описать в нескольких пунктах:
Чтобы продукт получился качественным, к нему ставится ряд требований. Смесь должна быть гомогенной, без добавок (газов), что обеспечивает линзам полную чистоту.
Однородность – один из главных показателей для оптического стекла. Именно этот параметр определяет характеристики будущего продукта. Так, если в нем будут пузырьки газа или иные включения, сложно гарантировать прозрачность и высокое преломление.
Однородность материала значит, что коэффициент преломления стекла будет равным во всех точках. Изотропность материала – свойство, обеспечивающее одинаковые физические параметры стекла во всех направлениях.
Многие компании, занимающиеся производством фотографических агрегатов, самостоятельно разрабатывают свои методики изготовления оптических материалов, техники нанесения специальных покрытий на стекло.
Характеристики оптического стекла
Современные технологии позволяют зарубежным и отечественным производителям создавать материалы с невероятными характеристиками.
Самый распространенный материал в оптике – бесцветное оптическое стекло. Ассортимент материала постоянно расширяется, номенклатура растет не по годам. Это позволяет выбрать наиболее подходящее стекло для определенных нужд в той или иной сфере применения оптического материала.
Бесцветное оптическое стекло производится в трех сериях (0, 100 и 200). Стекла с маркировкой «0» пригодны для производства деталей и аппаратов, которые используются в обычных условиях. Стекла серии «100» применяются в изготовлении деталей, которые будут работать при незначительном ионизирующем излучении. А оптика класса «200» широко востребована в изготовлении агрегатов, основная задача которых – работа в условиях интенсивного излучения.
Независимо от серии, выпущенные стекла могут иметь разный химический состав. Поэтому на производстве каждому виду оптического стекла присваивается свой номер (марка). Наименование материала состоит из букв и цифр. Буквы значат принадлежность к определенному типу оптического материала.
Стоит отметить, что в связи с показателем дисперсии были введены два типа стекол для оптики:
На современном этапе производство оптических материалов выделяет класс кронфлинтов. Это промежуточная группа между вышеупомянутыми оптическими стеклами.
Также в оптике упоминаются так называемые «особые» стекла. Основное отличие таких материалов – независимые друг от друга показатель преломления и значение дисперсии. Обе характеристики могут быть высокими или низкими в одном оптическом материале, что до недавнего времени противоречило всем канонам оптики.
Производство оптических материалов жестко регламентируется. Стекло оптическое ГОСТ 3514-94 – ныне действующий документ, который распространяется на бесцветные и неорганические материалы для оптики. Нормативным документом предусматривается урегулирование производства заготовок с диаметром не более 500мм. Данный ГОСТ действует в совокупности с другим нормативным документом – ГОСТ 13240, предусматривающим выпуск продукции для экспорта и нужд экономики государства.
Стекло оптическое ГОСТ 13659-78 охватывает производство оптических бесцветных материалов, стандартизирует физические и химические свойства и прочие параметры стекол.
Нормативная литература способна полностью урегулировать процесс производства оптики, поэтому беспокоиться о качестве продукции отечественных производителей не стоит.
Производство оптических стекол
Оптические стекла играют важную роль на современном этапе развития человечества. Производство таких материалов – важная и ответственная задача, которая под силу лишь профессионалам. Как правило, стекло для оптических аппаратов изготавливается методом варки. Довольно широко применяются экструзионный метод и технология литья.
Варение стекла происходит в предназначенных для этой задачи огнеупорных горшках из шихты (смеси исходных материалов). Эти горшки со смесью помещаются в специальную печь для варения стекла.
Нередко в шихту включают стеклобой. Суммарное содержание битого стекла не должно превышать 40%. При этом стеклобой должен обладать таким же составом, что и исходный продукт.
Т.е. при варке кварца битое стекло тоже должно быть силикатным. Производство оптического стекла протекает с использованием спецоборудования — водородных горелок.
Сотрудники компании тщательно перемешивают смесь до гомогенного состояния. Процесс проводится непрерывно с помощью специального керамического прибора. В это же время несколько раз берутся пробы сырья для контроля качества.
Одним из самых важных этапов варки считается осветление. Процесс протекает сам по себе посредством выделения газов при варке оптического стекла с добавлением осветителей.
После этого огнеупорные горшки достаются из печи. Смесь, находящая в них, медленно охлаждается. Обычно, охлаждение длится 6-8 дней, но случается так, что процесс затягивается на несколько месяцев.
Из-за того, что горячая смесь остывает неравномерно, стекло трескается. Его осколки тщательно сортируются, пристально осматриваются и отбираются пригодные для дальнейшей обработки куски.
Чтобы сократить время на производство оптического стекла, предприятия перед механической обработкой прессуют отобранные осколки в небольшие плиты.
Пресс работает с нагретым до 500 градусов Цельсия материалом. В дальнейшем стекло снова поддается медленному охлаждению. Процесс остывания проходит в электрических печах, носит название «отжиг». Далее проводится контроль качества, обнаружение дефектов.
При варке цветного стекла в смесь добавляются вещества, в составе которых высокое содержание золота, меди, селена или другого цветного металла.
Способ заливки применяется в производстве органического стекла. Однородную смесь с отвердителями и красителями (мономер) заливают между пластинами из кварцевого стекла. В это время происходит полимеризация материала, которая имеет продолжительность до получения готового листового органического стекла. Современные технологии позволяют получать оргстекло с необходимыми параметрами.
Экструзионный способ также применяется для изготовления полимерного стекла. Технологический процесс проходит непрерывно на специальных экструзионных линиях. Это обусловлено автоматизацией производства. С помощью технологии можно получить листы высокого качества с заданными параметрами. Как правило, толщина листового стекла после производства на линии экструзирования от 1,8мм до 10мм.
Заводы по производству оптического стекла
Современное производство оптического стекла заняло свою нишу на мировой арене. Индустрия хорошо развита во многих странах Европы, Америки, СНГ. Зарубежные и государственные компании ежегодно вносят свой вклад в развитие сегмента изготовления оптических материалов.
Среди множества производителей стекла для оптических аппаратов, лишь немногие достойны называться лучшими. Конечно же, можно выпускать качественный товар, но не получить признание на мировом уровне. Главное, чтобы продукция была качественной и отвечала всем государственным и международным стандартам.
Одним из немногих производителей, которые заслужили мировое признание, стал Ленинградский завод оптического стекла. Предприятие работает еще со времен царской России.
Историческое предприятие было основано в рамках фарфорового завода и считалось изначально всего лишь одним из производственных цехов. На сегодня завод прекратил свое существование, но его правопреемником считается ГОИ – Государственный оптический институт.
Лыткаринский завод оптического стекла – один из самых крупных производителей оптического стекла в стране. Это уникальное предприятие широкого профиля, которое добилось успеха в сфере производства стекла. Оптическая индустрия РФ во многом обязана именно этому предприятию.
Лыткаринский завод оптического стекла – одна из немногих компаний, которые обеспечивают обороноспособность государства. Завод смог добиться высочайшего качества продукции, за что он признан на мировой арене оптической индустрии.
ОАО ЛЗОС также имеет хорошую научно-техническую базу. На производстве разрабатываются новые виды оптических материалов, методики изготовления.
Все производство предприятия делится на три отрасли:
Производитель ценится за многолетний опыт в отрасли. Именно благодаря опыту и современному оборудованию ЛЗОС выпускает более 250 наименований продукции для использования в оптике.
Производитель осуществляет поставки цветного и бесцветного стекла как государственным предприятиям, так и компаниям Европы, Азии, СНГ и Америки. Довольно широко представлен выпуск оптического стекла с особыми характеристиками.
Гордостью завода считается изготовление и поставка приборов ночного видения, объективов авиационного назначения и космического оборудования из оптических линз крупных габаритов.
Благодаря современным разработкам и техническому оснащению компания еще в середине 90-х вышла на мировую арену. А вначале 2000-х компания взялась за более чем 20 крупных международных проектов.
Компания Флюорит – одно из самых известных предприятий по производству оптического стекла на просторах РФ. Завод оптического стекла известен качеством оптических линз, призм и микрооптики. Высокоточные оптические элементы – основа работы завода.
Производитель изготавливает зеркала для большого ассортимента аппаратов:
Продукция компании «Флюорит» с успехом эксплуатируется организациями и научно-исследовательскими центрами по всему миру. Особенность предприятия в том, что оно берется за производство крупных партий товара (более 1 тыс. единиц) и мелких заказов (от 1 шт.)
Качество продукции «Флюорит» полностью соответствует стандартам и требованиям международного уровня. Основные заказчики компании – крупные производители оптических приборов. Как показывает практика более успешно использование продукции производителя в изготовлении электронных приборов.
В целом же многие российские предприятия могут похвастаться достижениями на региональном уровне, но основной показатель востребованности и качества – выход на международный уровень.
Наука
This wiki’s URL has been migrated to the primary fandom.com domain.Read more here
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.