Оптическое стекло

ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО

Оптическое бесцветное неорганическое стекло является основным материалом для изготовления линз, призм, пластин и других деталей оптических приборов и систем, принимающих, передающих и трансформирующих оптическое излучение.

Благодаря использованию в составах различных химических соединений оптические стекла обладают многообразием оптических и других физико-химических свойств, что позволяет создавать оптические системы с высокой степенью резрешения передачи изображения. Лыткаринский завод оптического стекла (ЛЗОС) - один из крупнейших в европе, имеет 60 - летний опыт производства всей номенклатуры стекол, применяемых в оптическом приборостроении. Завод поставляет свою продукцию как предприятиям России и СНГ, так и в страны Европы, Америки и Азии. Высокое качество производимого стекла обеспечивается передовой технологией, применением высокочистых сырьевых материалов и нормированием допусков на основные параметры оптического стекла. Стекло по желанию заказчика поставляется в виде блоков, пластин, или заготовок - прессовок, близких по форме и размерам к готовой детали.

Данный обзор ставит своей целью ознакомить традиционных и постоянных покупателей с номенклатурой и основными характеристиками стекол, выпускаемых ОАО "ЛЗОС", допусками на показатели качества, формой поставки, с целью оказания помощи покупателям в правильном и экономически целесообразном выборе необходимой им продукции.

Оптические постоянные

Основными оптическими постоянными оптического стекла являются:

Показатель преломления

Показатель преломления n определяется как отношение скорости распространения электромагнитного излучения в воздухе к скорости его распространения в стекле. Показатель преломления зависит от длины волны излучения.

В качестве основного показателя преломления оптического стекла конкретной марки в соответствии с ИСО 7944-84 установлен показатель преломления ne для длины волны 546,97 нм спектральной линии ртути e. Эта линия расположена в зеленой части спектра света в области максимума чувствительности глаза человека.

В обзоре даны значения n для длин волн различных спектральных линий химических элементов в диапазоне ,4 нм, а также для длин волн, генерируемых лазерами наиболее употребимых типов.

Значения показателя преломления относятся к стеклу, прошедшему тонкий отжиг (температура выдержки соответствует вязкости 10*13 дПа/с, скорость охлаждения 2,5 град/ч). Измерение показателя преломления осуществляется при температуре 20+/- 3 °С и приведенном к атмосферному давлении 760 мм. рт. ст.

Средняя дисперсия

Дисперсионные свойства стекла характеризуются величиной средней дисперсии, представляющей разность показателей преломлениядля двух относительно далеко отстоящих длин волн. В качестве основной средней дисперсии принята разность показателей преломления nf - nc для длин волн 479,99 и 643,85 нм спектральных линий F и C кадмия, ограничивающих видимую часть спектра (ИСО 7принят

v = (n/ (n2 - n3)

где n2 и n3 - показатели преломления для длин волн, ограничивающих какой-либо диапазон спектра, а n1 - показатель преломления для длины волны, расположенной внутри диапазона.

В качестве основного коэффициента дисперсии, называемого также числом Аббе (ИСО 7944-84) принят

ve = (ne-1) / (nf - nc)

Вторичный спектр

Величина относительной частной дисперсии Px, y равна отношению частной дисперсии на участке (длина волны x - длина волны y) к средней дисперсии nf - nc:

Px, y = (nx - ny) / nf - n c

Как замечено Аббе, если нанести на диаграмму зависимость значений относительных частных дисперсий Px, y от коэффициента дисперсии ve, рассчитанных для одних и тех же длин волн, то обнаруживается, что для большинства стекол точки лежат близко к некоторой прямой линии, называемой "нормальной". Тангенс угла t наклона этой прямой выражается в виде уравнения:

tg t = (Px - Py) / (ve x - ve y)

В обзоре приняно, что "нормальная" прямая определяется по значениям Px, y и ve стекол марок К18 и Ф13. Оптические характеристики этих стекол даны ниже.

Марка стекла ve P x, y на участках i - F y - F F - e F - r К18 60,15 1,697 0,4811 0,5086 1,223 Ф13 36,09 1,921 0,5168 0,5223 1,205

Для исправления вторичного спектра delta S объектива апохромата необходимым условием является то, чтобы разность относительных частных дисперсий стекол была минимальной и значение tg t было близким к нулю.

Это возможно только при наличии стекол, имеющих "аномальные" свойства с характеристиками, не лежащими на нормальной прямой. Такие стекла получили название "особых" и выделены в каталоге в отдельные типы.

В каталоге приведены отклонения относительных частных дисперсий и коэффициентов дисперсий от "нормальной" прямой для четырех участков спектра в УФ и видимой областях.

Система обозначения и классификации стекол

Оптические бесцветные стекла делят на две группы: флинты и кроны. Разделение это сложилось исторически и связано с тем, что для исправления хроматическихх аберраций объектива дуплета применялась пара стекол, одно из которых (флинт) имело большое значение показателя преломления и малое значение коэффициента дисперсии, другое (крон) - меньшее значение показателя преломления и большее значение коэффициента дисперсии. Повышение значения показателя преломления достигалось, главным образом, введением в состав стекла окислов свинца PbO. Поэтому флинтами называли стекла с содержанием в составе более 3% PbO. В настоящее время к "флинтам" относят стекла с коэффициентом преломления > 1,60 и коэффициентом дисперсии < 50, а к "кронам" - стекла с коэффициентом преломления < 1,60 и коэффициентом дисперсии > 55.

Наименование и обозначение типов бесцветных оптических стекол в соответствии со стандартами России приведены ниже.

Наименование типа стекла Краткое обозначение Легкий крон ЛК Фосфатный крон ФК Тяжелый фосфатный крон ТФК Крон К Баритовый крон БК Тяжелый крон ТК Сверхтяжелый крон СТК Особый (с особым ходом дисперсии) крон ОК Кронфлинт КФ Баритовый флинт БФ Тяжелый баритовый флинт ТБФ Легкий флинт ЛФ Флинт Ф Тяжелый флинт ТФ Сверхтяжелый флинт СТФ Особый (с особым ходом дисперсии) флинт ОФ

По мере увеличения номенклатуры выпускаемых стекол и применения в качестве стоеклообразующей основы наряду с кремнеземом других веществ появилась необходимость разграничения стекол флинт и крон на типы, а внутри типов на марки.

Оптические бесцветные стекла классифицируют по типам в зависимости от значений показателя преломления и коэффициента дисперсии.

Марка присваивается стеклам определенного типа, имеющим различный химический состав и оптические характеристики. Обозначение марки содержит буквенное наименование типа стекла, порядковый номер. Для обозначения марок стекол используют также код, представляющий собой шестизначную цифру, в которой первые три цифры соответствуют трем цифрам после запятой значение показателя преломления ne, вторые три - трем цифрам значения коэффициента преломления ve.

Например, ТФ5 или 762273 - стекло типа тяжелый флинт, имеющее пятый номер в этом типе, показатель преломления 1,76171, коэффициент дисперсии 27,32.

Диаграмма Аббе

Для удобства выбора типов и марок стекол строится диаграмма Аббе в координатах ne, ve. Стекла каждого типа располагаются на поле диаграммы на строго ограниченных участках, за исключением стекол типа ОФ и ОК, которые могут находиться на разных участках поля диаграммы.

Физико - химические свойства

Светопропускание

Спектральный коэффициент внутреннего (чистого) пропускания тi определяется, как отношение выходящего потока излучения Фex к входящему потоку Фin. При этом потери на отражение от граничных поверхностей исключены.

тi = Фex / Фin

В обзоре представлены значения тi для толщины стекла 10 и 25 мм в области длин волн от 320 до 1500 нм. Эти значения являются средними из множества варок данной марки стекла и соответстуют категории 4 по показателю ослабления (коэффициенту пропускания) таблицы № 5. Для отдельных варок они могут отклоняться от средних в сторону больших или меньших значений. При желании заказчика иметь большее пропускание необходимо это оговаривать при заказе.

Интегральный коэффициент внутреннего пропускания для белого света тa стандартного источника типа А (Т = 2856 К) определяется по показателю ослабления ма, представляющему собой величину, обратную расстоянию, на котором поток излучения источника света типа А ослабляется в результате поглощения и рассеивания в стекле в 10 раз.

тa = 10"(-ма*L ), где L - толщина стекла.

Нормируемые значения показателя ослабления ма и интегрального коэффициента внутреннего пропускания для белого света тa приведены в разделе "Нормируемые показатели качества стекла".

Устойчивость стекол к воздействию радиационного излучения

При воздействии жесткого радиационного излучения большинство оптических стекол окрашиваются (темнеют), уменьшается светопропускание до определенного значения, зависящего от дозы радиации и химического состава. Устойчивость стекол к воздействию радиационного излучения характеризуется приращение оптической плотности DD на 1 см толщины стекла при облучении дозой гамма-лучей 10"4 и 10"5 Р от источника Со60. DD = Dобл - Dо В обзоре указаны значения: Dо - оптическая плотность стекла в толщине 10 мм до облучения и приращение DD после облучения.

Повышение радиационной устойчивости стекол достигается введением в их состав добавок, обычно окиси церия СеО2, предотвращающих образования центров окраски. по оптическим характеристикам и физико-химическим свойствам радиационно-стойкие стекла практически не отличаются от своих аналогов основных стекол.

Для обозначения радиационно-стойкого стекла к порядковому номеру марки основного стекла добавляется цифра 100 или 200 в зависимости от степени устойчивости. Например, радиационно-стойкое стекло марки Ф1 обозначается Ф101.

У тех марок оптического стекла, у которых имеются радиационно-стойкие модификации, в обзоре в графе "Замечания" указаны их обозначения.

Механические свойства

Плотность p (г/см3) - отношение массы стекла к его объему. Относительная твердость по сошлифовыванию Но определяется как отношение объема сошлифованного свободным абразивом стекла марки К8 к объему стекла данной марки, сошлифованному в тех же условиях. Значение Но является технологическим критерием скорости съема стекла при сошлифовывании. Прочностные свойства стекла как конструкционного материала характеризуются стандартными параметрами: модулем упругости Е и модулем сдвига G, связанными между собой соотношением Е = 2 * G (1 + m), где m - коэффициент деформации (коэффициент Пуассона). Фотоупругие свойства. Фотоупругость стекла характеризуется фотоупругими постоянными C1 и C2, выражающими приращение значений показателя преломления стекла для лучей света, поляризованных в направлениях, параллельном и перпендикулярном действию напряжения, равного 105 Па, а также оптическим коэффициентом напряжения В = С1 - С2. Оптический коэффициент напряжения В определяет разность оптического хода лучей в стекле и характеризует двулучепреломление, возникающее при напряжении 105 Па.

Оптические бесцветные стекла выпускаемые ЛЗОС

Тип Марка К-т преломления К-т дисперсии ЛК ЛК3 1,4891 69,87 ЛК4 1,4922 64,93 ЛК5 1,4799 65,44 ЛК6 1,4721 66,64 ЛК7 1,4846 66,17 К К8 1,5183 63,86 К108 1,5183 63,86 К208 1,5184 63,38 К17 1,5183 63,83 К18 1,5212 60,15 К100 1,5237 59,34 БК БК4 1,5324 60,20 БК104 1,5324 60,17 БК6 1,5421 59,39 БК8 1,5489 62,56 БК10 1,5713 55,76 ТК ТК2 1,5749 57,20 ТК9 1,6199 53,76 ТК12 1,5710 62,71 ТК14 1,6155 60,33 ТК114 1,6155 60,34 ТК16 1,6152 58,09 ТК17 1,6152 58,09 ТК20 1,6305 59,10 ТК21 1,6247 56,43 ТК121 1,6600 50,82 ТК23 1,5915 61,01 ТК123 1,5911 60,68 СТК СТК3 1,6622 57,09 СТК103 1,6622 57,10 СТК8 1,7065 49,41 СТК9 1,7460 50,01 СТК12 1,6950 54,80 СТК112 1,6950 54,73 СТК19 1,7476 50,20 СТК119 1,7476 50,21 ОК ОК4 1,4485 91,53 КФ КФ4 1,5203 58,71 КФ6 1,5027 56,96 КФ7 1,5200 50,87 БФ БФ1 1,5271 54,68 БФ7 1,5822 53,57 БФ8 1,5857 46,17 БФ11 1,6251 52,85 БФ16 1,6744 46,99 БФ19 1,5923 50,67 БФ21 1,6178 39,76 БФ24 1,6386 36,50 БФ25 1,6108 45,82 БФ125 1,6108 45,81 БФ28 1,6687 35,18 ТБФ ТБФ10 1,8206 33,17 ЛФ ЛФ5 1,5783 41,03 ЛФ105 1,5783 41,04 ЛФ7 1,5818 40,83 ЛФ9 1,5837 37,72 ЛФ12 1,5430 44,57 Ф Ф1 1,6169 36,69 Ф101 1,6179 36,76 Ф4 1,6285 33,67 Ф6 1,6070 37,68 Ф8 1,6291 35,31 Ф108 1,6296 35,35 Ф13 1,6241 36,09 Ф18 1,6292 35,03 ТФ ТФ1 1,6522 33,62 ТФ101 1,6522 33,63 ТФ2 1,6776 31,99 ТФ3 1,7232 29,29 ТФ103 1,7237 29,31 ТФ4 1,7462 27,94 ТФ104 1,7462 28,03 ТФ5 1,7617 27,32 ТФ105 1,7617 27,31 ТФ7 1,7443 28,12 ТФ8 1,6947 30,90 ТФ10 1,8138 25,17 ТФ110 1,8138 25,17 ОФ ОФ1 1,5319 51,57 ОФ101 1,5319 51,54