Optisk glas

Optisk glas er et gennemsigtigt glas af en speciel sammensætning, der anvendes til fremstilling af forskellige dele af optiske instrumenter .

Det adskiller sig fra almindeligt teknisk glas i særlig høj gennemsigtighed , renhed, farveløshed, ensartethed, samt strengt normaliseret brydningsevne , dispersion og om nødvendigt farve. Opfyldelsen af alle disse krav komplicerer og øger omkostningerne ved produktion af optisk glas betydeligt.

På grund af de usædvanligt høje krav, der stilles til billedkvalitet i optiske systemer , er det naturligvis blevet nødvendigt at fremstille en lang række specielle glastyper med forskellige egenskaber.

Kemisk sammensætning

Sammensætningen af blandingen til smeltning af optisk glas inkluderer sædvanligvis ren silica , soda , borsyre , ofte bariumsalte , blyoxid , fluorider og andre komponenter.

Grundlæggende optiske egenskaber af glas

De vigtigste egenskaber ved optisk glas er karakteriseret ved brydningsindeks , gennemsnitlig spredning og spredningskoefficient . I nogle tilfælde bruges partielle dispersioner og relative partielle dispersioner til at karakterisere optiske briller .

Brydningsindeks

Fra det 19. århundrede (siden Schott og Abbes tid ) og indtil for nylig blev brydningsindekset bestemt for den gule spektrale D- linje af natrium (λ = 589,3 nm) brugt til at karakterisere optiske briller. $n_{D}$

Dette er dog ikke en enkelt linje, men et par: den såkaldte " natriumdublet ", som ikke kunne andet end at påvirke målingernes nøjagtighed. Derfor, nu, som hovedbrydningsindekset ( ), tages dets værdi enten for den gule d -linje af helium med λ=587,56 nm eller for den gulgrønne e -linje af kviksølv med λ=546,07 nm. Den første ( ) bruges af producenter som Schott, Hoya, Ohara osv., den anden ( ) er især overtaget i russiske producenters dokumentation. ${\displaystyle n_{\lambda ))$ ${\displaystyle n_{d))$ $n_{e}$

På nuværende tidspunkt er de opnåede grænser for industrielle optiske briller ca. 1,43 - 2,17. ${\displaystyle n_{d))$

Den tilladte afvigelse afhænger af kategorien af optisk glas og normaliseres med værdien ±(3-20)⋅10 −4 .

Gennemsnitlig varians

Gennemsnitlig dispersion - er defineret som forskellen i brydningsindekser n F for den blå linje i spektret λ=488,1 nm og n C for den røde linje i spektret med λ=656,3 nm; Værdien af den gennemsnitlige dispersion er repræsenteret som ( nF - nC )⋅105 og ligger i området 639 - 3178, med en tolerance på ±(3-20 ) ⋅10-5 .

Spredningskoefficient

Dispersionskoefficient ( Abbe tal , ) - er givet ved forholdet mellem forskellen i brydningsindekset uden enhed og den gennemsnitlige spredning. ${\displaystyle \nu _{\lambda ))$ ${\displaystyle n_{\lambda ))$

Tidligere defineret af et udtryk, der inkluderer brydningsindekset for den gule spektrallinje af natrium. $n_{D}$

\nu _{D}={\frac {n_{D}-1}{n_{F}-n_{C}}},

hvor er brydningsindekserne for mediet ved bølgelængder svarende til Fraunhofer-linierne C (656,3 nm), D (589,2 nm) og F (486,1 nm).

n_{\mathrm {C} },\,n_{\mathrm {D} },\,n_{\mathrm {F} }

I øjeblikket er de vigtigste muligheder for spredningskoefficienten enten

$\nu_d=\frac{n_d - 1}{n_F - n_C}$

eller

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

hvor den gennemsnitlige spredning er defineret som forskellen mellem brydningsindekserne for de blå ( F' ) og røde ( C' ) linier af cadmium.

I øjeblikket varierer værdierne for industrielle optiske briller fra 17 til 95. ${\displaystyle \nu _{d))$

Delvise varianser og relative partielle varianser

Partielle dispersioner er forskellene mellem to værdier af brydningsindekset ved nogle vilkårligt valgte bølgelængder , og som ikke falder sammen med bølgelængderne og valgt til beregning af den gennemsnitlige spredning (og som regel med et smallere spektralt interval). $n_{\lambda _{4}}-n_{\lambda _{5}}$ ${\displaystyle \lambda _{4))$ $\lambda _{5}$ $\lambda _{2}$ $\lambda _{3}$

Relative partielle varianser er forholdet mellem partielle varianser og middelvariansen. ${\displaystyle P_{{\lambda _{4}}{\lambda _{5))))$

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

Selvom for de fleste optiske briller er afhængigheden af relative partielle dispersioner af den gennemsnitlige spredningskoefficient (Abbe-tal) tæt på lineær, er afhængigheden af brydningsindekset for et optisk materiale på lysets bølgelængde en kompleks kurve. Formen af denne kurve bestemmes af parametrene for et bestemt materiale og vil være forskellig for forskellige typer optiske briller. Således tjener partielle dispersioner og relative partielle dispersioner til at forfine afhængigheden af ændringer i brydningsindekset for glas på ændringer i bølgelængde.

Sådanne detaljer er nødvendige ved beregning af akromatiske og apokromatiske komponenter af høj kvalitet, da hensyntagen til forløbet af relative dispersioner på tidspunktet for valg af briller gør det muligt at reducere det sekundære spektrum betydeligt i fremtiden. Da værdien af det sekundære spektrum i det generelle tilfælde er proportional med forholdet mellem forskellen i de partielle dispersioner af det valgte par glas og forskellen i de gennemsnitlige dispersioner af disse glas.

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

hvor: og - relative partielle dispersioner; og er de gennemsnitlige spredningskoefficienter; - objektivets brændvidde. $P_1$ $P_2$ $\nu _{1}$ $\nu _{2}$ $f'$

Til praksis er de vigtigste den partielle spredning for den blå del af spektret eller (hvor er brydningsindekset for den violette g - linje af kviksølv) og den tilsvarende relative partielle spredning (eller ), da brydningsindekset inden for dette særlige område Materialeindekset ændrer sig mest med bølgelængden. ${\displaystyle n_{g}-n_{F))$ ${\displaystyle n_{g}-n_{F'))$ ${\displaystyle n_{g))$ $P_{gF}$ ${\displaystyle P_{gF'))$

Strålingsdæmpningsindeks

Intensiteten af optisk stråling, der passerer gennem glasset, falder på grund af glassets absorption og spredning af stråling . Graden af fald i intensiteten af stråling, på grund af den samlede virkning af begge mekanismer, er karakteriseret ved glassets svækkelsesindeks .

Skeln og brug dæmpningsindekset for monokromatisk stråling og dæmpningsindekset for hvidt lys fra en standardkilde A [1] . $\mu_A$

I henhold til værdien af dæmpningsindekset for det hvide lys af strålingen fra kilden A er der etableret otte kvalitetskategorier, bestemt af grænseværdierne [2] . $\mu_A$

Den første, højeste kategori omfatter briller, der spænder fra 0,0002 til 0,0004 cm −1 . For sådanne glas varierer den indre transmittans af et lag 10 cm tykt fra 0,991 til 0,995 [2] . $\mu_A$

Briller, der tilhører den ottende, laveste kategori, har , der spænder fra 0,0066 til 0,013 cm −1 . Dette område af værdier af dæmpningskoefficienten svarer til værdiområdet for den indre transmittans af et lag glas med en tykkelse på 10 cm fra 0,741 til 0,859 [2] . $\mu_A$

Typer af optiske briller

Den historiske klassificering af optiske briller er baseret på en generel idé om forholdet mellem kemisk sammensætning og optiske konstanter. Før Schotts arbejde bestod optiske glas næsten udelukkende af silica kombineret med oxider af natrium, kalium, calcium og bly. For sådanne glas er der en funktionel sammenhæng mellem brydningsindekserne n og de gennemsnitlige spredningskoefficienter v , hvilket blev afspejlet i det såkaldte Abbe-diagram . I dette diagram er farveløse optiske briller arrangeret i form af et bredt område, der er forlænget fra det nederste venstre hjørne af diagrammet til dets øverste højre hjørne. Det var således muligt at se sammenhængen mellem ændringen i de to vigtigste optiske egenskaber og den kemiske sammensætning af optiske briller. Desuden, med en stigning i brydningsindekset, faldt spredningskoefficienten som regel.

I denne henseende blev der skelnet mellem to hovedtyper af optiske briller: kroner (glas med et lavt brydningsindeks og høje værdier af spredningskoefficienten) og flint (glas med lave værdier af spredningskoefficienten og et højt brydningsindeks) . Samtidig tilhørte soda-silikatglas gruppen af kroner, og glas med bly tilhørte gruppen af flint.

Senere, på grund af stigningen i antallet af optiske briller, var det nødvendigt at opdele Abbe-diagrammet i et større antal sektioner svarende til nye typer. Så lette, tunge og supertunge kroner (LK, TK, STK) adskilt fra kroner, og lette, tunge og supertunge flintsten (LF, TF, STF) adskilt fra flintsten. Desuden dukkede en gruppe kronflinter op mellem lyse kroner og lyse flintsten.

Nye glastyper er dukket op, både baseret på ikke-silikatglasdannere (borat, fosfat, fluorid osv.) og med nye komponenter (oxider af lanthan, tantal, titanium). Sådanne typer er ofte (som regel i udenlandske producenters kataloger) udpeget ved hjælp af navnene på kemiske elementer, hvis oxider giver glasset dets specifikke egenskaber.

Brugen af sådanne briller, som er kendetegnet ved andre kombinationer af hovedbrydningsindekset og spredningskoefficienten, udvidede betydeligt området optaget af optiske briller på Abbe-diagrammet. Derudover blev forholdet mellem faldet i dispersionskoefficienten og stigningen i brydningsindekset mindre mærkbart.

"Særlige" briller

Derudover er der såkaldte "særlige" glas, eller glas med et "særligt forløb af delvise dispersioner" . De fleste af dem tilhører to typer, forenet af de fælles begreber "lang-kroner" (kroner med øgede relative partielle spredninger) og "Kurz-flinter" (flinter med reducerede partielle spredninger). Disse navne, som kommer fra de tyske ord lang (lang) og kurz (kort), er ret betingede, og for størstedelen af "specielle" briller er de ikke direkte relateret til egenskaberne ved den kemiske sammensætning og/eller struktur.

I moderne kataloger af optiske briller bruges grafer (diagrammer) af afhængigheden af relative partielle spredninger af den gennemsnitlige spredningskoefficient (for eksempel fra Schott-kataloget) for at vise "særlige" egenskaber. På disse grafer er optiske briller placeret langs den såkaldte "normallinje" , direkte på hvilke briller er placeret med en lineær afhængighed af . $P_{gF}$ ${\displaystyle \nu _{d))$ $P_{gF}$ ${\displaystyle \nu _{d))$

Samtidig kaldes briller med en lille afvigelse i løbet af partielle spredninger ( ) og placeret nær den normale rette linje normalt "normale" , og dem, der er placeret på en større afstand (der har en større afvigelse i løbet af partielle spredninger ) ) kaldes "særlige" ("unormale"). $\Delta \nu _{\lambda _{1}}\leq 3$

Diagrammet "relativ partiel spredning - spredningskoefficient" blev også foreslået af Ernst Abbe, men for at undgå forvirring er det ikke sædvanligt at kalde det ved forfatterens navn.

Af glassene, der hører til den første af typerne (lang-kroner), skal det bemærkes de såkaldte lav- dispersionsglas , forskellige i sammensætning, men kendetegnet ved både høje værdier af den gennemsnitlige spredningskoefficient og en høj værdi af den relative partielle dispersion (det vil sige en signifikant afvigelse af forløbet af partielle dispersioner fra "normal").

Kurtz-flint-gruppen kombinerer også glas af forskellig sammensætning. Især falder næsten alle Schott-glas af LaK, LaF, LaSF-typerne samt russisk STK og TBP med et højt indhold af lanthanoxid under denne definition. Desuden er afvigelserne af specielle flintsten fra den "normale lige linje" som regel små.

“Special” flint med øgede værdier af relativ partiel spredning ( lang-flint ) er som udgangspunkt enten tunge og ekstra tunge flintsten med et maksimalt indhold af blyoxid eller titanium flint med et højt indhold af titaniumoxid.

Produktion

For at opnå farvet glas indføres stoffer indeholdende kobber , guld , selen osv. i sammensætningen af farveløst glas under smeltning .

Smeltningen af optisk glas fremstilles af blandingen i specielle ildfaste gryder placeret i en glassmelteovn. Ladningens sammensætning kan indeholde op til 40 % affald af samme sammensætning som det smeltede glas. Brygningsprocessen tager omkring 24 timer. Opvarmning udføres som regel ved hjælp af brintbrændere, mens temperaturen i ovnen når 1500 °C. Under smeltningsprocessen omrøres glasmassen kontinuerligt med en keramisk eller platinomrører for at opnå en homogen tilstand, og der udtages en prøve flere gange til kvalitetskontrol. Et af stadierne i madlavningen er afklaring. På dette stadium frigives en stor mængde gasser i glasmassen fra de klaringsstoffer, der tilsættes ladningen. De resulterende store bobler stiger hurtigt op til overfladen og fanger mindre undervejs, som under alle omstændigheder dannes under madlavningen. Ved afslutningen af glassmeltningen fjernes gryden fra ovnen og udsættes for langsom afkøling, der varer 6-8 dage. Ved ujævn afkøling af massen dannes der mekaniske spændinger i den , som kan få glas til at revne i et stort antal stykker.

Efter afkøling sorteres glasstykkerne efter størrelse og kvalitet, herefter sendes de gode til videre behandling. For at reducere tiden til mekanisk bearbejdning er optiske dele ikke lavet af almindelige glasstykker opnået efter smeltning, men af specielle pressede fliser eller emner. For at undgå forekomsten af spændinger forårsaget af ujævn afkøling af massen, opvarmes de på denne måde opnåede emner til 500 ° C og udsættes derefter for ekstremt langsom afkøling i elektriske ovne, den såkaldte udglødning . Hvis temperaturen falder kraftigt i dette tilfælde, vil der blive skabt spændinger i glasset, hvilket vil føre til fremkomsten af anisotropi , herunder anisotropien af brydningsindekset. En sekundær myg kan også dannes .

Efter udglødning undersøges det resulterende emne ved hjælp af optiske kvalitetskontrolanordninger, og der udarbejdes et defektkort, som angiver størrelsen, placeringen og arten af glasfejl.

Teknologiske defekter

Teknologiske defekter i optiske briller omfatter sten, bobler, myg, dis, striber og spændinger.

Sten er små uigennemsigtige partikler, der skilles fra gryden under glassmeltning, eller usmeltede batchpartikler . Et lille antal og lille størrelse af sten, hvis de ikke er i eller i nærheden af brændplanet, påvirker ikke billedkvaliteten, da de kun blokerer for en lille del af lyset, der passerer gennem glasset.
Bobler dannes under smeltningen af glas på grund af frigivelsen af gasser fra komponenterne i blandingen, der indgår i reaktionen. Næsten uundgåelig ved fremstilling af glas. Bobler forårsager lysspredning og et vist tab af billedlysstyrke, da lysstrålerne, der brydes på overfladerne af boblerne i meget større vinkler end på resten af linseområdet, næsten fuldstændigt absorberes af kameraets og objektivets indre overflader. tønde .
Midgen er en stor ophobning af små bobler i massen af glas, der optager en betydelig del af dens volumen. Midgen forårsager spredning af en stor mængde lys, der passerer gennem glasset.
Uklarheder har udseendet af et væv eller en let bølget uklarhed i et glasmedium. De stammer hovedsageligt fra sintring af folder dannet under presseprocessen, såvel som under sintring af tidligere ubemærkede revner.
Der observeres striber i massen af glas i form af gennemsigtige strimler eller tråde på grund af det ulige brydningsindeks for glasmassen. En idé om stregen kan sammenlignes med en dråbe af en mættet sukkeropløsning indført i et glas vand. Når opløsningen er opløst, vil en dråbe af opløsningen danne et tydeligt synligt spor i vandet i form af bølgede striber og tråde.
Spændinger opstår på grund af glassets inhomogenitet, som regel forårsaget af dets ujævne afkøling under fremstillingsprocessen. Den mekanisk belastede tilstand af glas forårsager den såkaldte dobbeltbrydning . Under normale forhold er dobbeltbrydning umærkelig for øjet og bestemmes ved at kontrollere brillerne ved hjælp af en speciel enhed - et polariskop . Direkte i optiske dele kan spændinger (og den tilsvarende dobbeltbrydning) opstå under påvirkning af delens egen masse, eller tryk på glasset, når det er fastgjort i rammer.

For optiske briller etableres kategorier og kvalitetsklasser (GOST 23136-93). Det vil sige, at hele spektret af defekter er opdelt i områder (i henhold til deres antal, størrelse, form), som glaskvaliteter skal omfatte. For farveløst optisk glas er der standarder GOST 3514-94 (tidligere GOST 3514-76). Til farvet optisk glas - GOST 9411-91 (tidligere GOST 9411-76).

Da optisk glas er fremstillet til specifikke formål, normaliseres ikke kun tilstedeværelsen af defekter, men også afvigelser af optiske indikatorer fra normen. At vælge glas til dine behov er nemmere, hvis du definerer kvalitetskriterier på forhånd.

Behandler

Normalt, styret af et kort over defekter, saves emnet med diamantsave til mindre rektangulære eller cylindre skæres ud af det ved hjælp af cirkelsave. De forsøger at give de resulterende emner en form, der er så tæt som muligt på formen af det fremtidige optiske produkt med en lille margen. Også ret ofte opvarmes rektangulære emner til en tilstand af plastisk deformation og presses for at opnå produkter med en form tæt på den nødvendige. Disse emner fikseres derefter i blokke (normalt lavet af gips ) og poleret . Slibning omfatter flere stadier; på hver af de efterfølgende anvendes stadig finere slibekorn. Efter hvert slibetrin vaskes glasset. Efter at glasset er poleret, poleres emnet, og derefter kontrolleres dets form (figur). Glaspolering er en lang fysisk og kemisk proces, der varer op til 3 dage. Efter polering opnås en færdig arbejdsflade af produktet, klar til brug. Denne overflade er beskyttet, emnet fjernes fra blokken og blokken samles igen, men emnerne fastgøres med den anden side opad, og de øvrige arbejdsflader slebes og poleres på samme måde.

Oplysning af optik

Efter polering kontrolleres kvaliteten af glasoverfladen, og derefter, for at forbedre produktets egenskaber, kan optikken oplyses ved at påføre tynde gennemsigtige film, normalt dielektriske. Disse film forbedrer den optiske ydeevne og kan forbedre den mekaniske ydeevne, såsom at beskytte glas mod uklarhed, når det udsættes for en fugtig atmosfære i lang tid.

Historie

Et af de første seriøse forsøg på at opnå optisk glas, det vil sige glas med tilstrækkelig kemisk og fysisk homogenitet, og med specifikke optiske egenskaber, kan tilskrives det 17. århundrede. I den tyske kemiker Johannes Kunckels arbejde "Ars vitraria experimentalis" (1689) nævnes bor- og fosforsyrer som komponenter i glas og borosilikatkrone, der i sammensætning ligner nogle moderne varianter. I 1663 nævner englænderen Tilsons patent indførelsen af blyoxid i "flintglas", og i det 18. århundrede begyndte dette glas at blive brugt til fremstilling af akromatiske linser, først af Chester Moore Hall (1729), og derefter, og med større succes, Peter Dollond (1758).

Begyndelsen på den industrielle produktion af optisk glas kan betragtes som resultatet af mange års arbejde fra schweiziske Guinan, som sammen med Fraunhofer formåede at introducere en mere eller mindre pålidelig metode til at opnå godt optisk glas i potter op til 400 kg. på Utzschneider-værket i Benediktbeuern (Bayern). Nøglen til succes var Guinans teknik med mekanisk omrøring af smelten under madlavning ved at flytte en lerstang lodret ind i glasset i en cirkulær bevægelse. I 1811 lancerede Guinan og Fraunhofer to typer optisk glas: krone (72 % SiO 2 , 18 % K 2 O, 10 % CaO) og flint (45 % SiO 2 , 12 % K 2 O, 43 % PbO)

Den udviklede teknologiske proces gjorde det muligt at fremstille ganske tilfredsstillende linser med en diameter på op til 200-250 mm. Udvalget af optiske glas fremstillet af glasfabrikker i første halvdel af det 19. århundrede var dog praktisk talt begrænset til to af dens typer.

I anden halvdel af 1800-tallet gennemførte den tyske kemiker Otto Schott efter forslag fra Ernst Abbe en grundlæggende undersøgelse af forskellige komponenters indflydelse på glassets egenskaber, og i 1884 har O. Schott og E. Abbe og K. Zeiss grundlagde en fabrik i Jena, der begyndte produktionen af forskellige typer optisk glas.

Se også

Noter

↑ Standardkilde A er en kilde med en korreleret emissionsfarvetemperatur på 2856 K.
↑ 1 2 3 GOST 23136-93. Optiske materialer. Muligheder.

Litteratur

I. Ya. Bubis og andre , red. udg. S. M. Kuznetsova og M. A. Okatova, Handbook of Optics Technologist. L. Engineering. 1983
D. S. Volosov . Fotografisk optik. - 2. udg. - M . : "Kunst", 1978. - 543 s. — 10.000 eksemplarer.
Kulagin, S. V. Optisk glas // Foto-biografteknik: Encyclopedia / Kap. udg. E. A. Iofis . — M .: Soviet Encyclopedia , 1981. — 447 s.
Kachalov N. Glas. Forlag for Videnskabsakademiet i USSR. Moskva. 1959
N. N. Kachalov og V. G. Voano. Grundlæggende om optisk glasproduktion. L. ONTI-Khimteoret, 1936
Kort fotografisk guide. Under hovedredaktion af d.t. n. Puskova V.V., udg. 2. M., kunst, 1953.
Yashtold-Govorko V.A. Fotografering og forarbejdning. Skydning, formler, udtryk, opskrifter. Ed. 4., forkortelse. M., "Kunst", 1977.
GOST 23136-93 - Optiske materialer - Parametre
GOST 3514-94 - Farveløst optisk glas - Specifikationer
GOST 9411-91 - Farvet optisk glas - Specifikationer