Оптическое стекло

Оптическое стекло – это прозрачное стекло специального состава, используемое для создания оптических систем, таких, например, как фотографические объективы. От обычного стекла оптическое отличается высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью.

Основоположником современного производства оптического стекла, создателем многих видов специальных стекол является немецкий химик Фридрих Отто Шотт. В 1884 году он организовал в городе Йена оптическую фирму Glastechnisches Laboratorium Schott & Genossen, акции которой принадлежали Карлу Цейссу, его сыну Родерику Цейссу, гениальному Эрнсту Аббе и Фридриху Отто Шотту. Тогда разработка новых типов оптических стекол и их производственных процессов выполнялась методом проб и ошибок, в настоящее же время используются уже отработанные технологические процессы, а характеристики оптических стекол предсказуемы, воспроизводимы и постоянны – это необходимые требования для любого технического материала.

Показатель преломления, число Аббе и светопропускание – одни из основных характеристик оптического стекла, используемые при разработке оптических систем.

Показатель преломления – это отношение скорости света в воздухе к скорости света в определенном материале, другими словами, характеристика того, как замедляется свет при прохождении через оптический материал. Показатель преломления для оптического стекла nd указывается для длины волны 587.6 нм. Материал с низким показателем преломления называется крон (K), а материал с высоким показателем преломления – флинт (F). Чем выше показатель преломления, тем меньшую кривизну можно придавать оптическому элементу. Сферическая аберрация присутствует в меньшей степени в элементах с более высоким показателем преломления.

Материал Показатель преломления
Вакуум 1.00000
Воздух при стандартной температуре и давлении 1.00029
Лед 1.31
Вода при 20 градусах Цельсия 1.33
Флюорит 1.433
Кроны 1.5-1.62
Флинты 1.57-1.75
Сапфир 1.77
Алмаз 2.417

Дисперсия – показатель преломления стекла для определенной длины волны. Дисперсия измеряется при помощи безразмерной величины — числа Аббе vd, учитывающего показатели преломления стекла для длин волн 486.1, 587.6 и 656.3 нм. Типичные значения числа Аббе варьируются в диапазоне от 25 до 65. Стекла с числом Аббе более 55 (низкая дисперсия) – кроны, стекла с числом Аббе менее 50 (высокая дисперсия) – флинты. Чем меньше дисперсия, тем меньше хроматическая аберрация.

Теоретически дисперсию для фотографического объектива можно минимизировать, использовав в оптической схеме лишь элементы с низким показателем преломления, однако это привело бы к созданию оптической схемы с чрезмерно большим числом элементов. Если же использовать в оптической схеме одни лишь элементы с высоким показателем преломления, то это только увеличит дисперсию. Поэтмоу ни один из подходов не является практичным.

Кроны и флинты обладают взаимно дополняющими характеристиками. Для коррекции хроматических аберраций был разработан метод, при котором стекло с высоким показателем преломления и высокой дисперсией комбинируется со стеклом с низким показателем преломления и низкой дисперсией. Этот метод, однако, не позволяет минимизировать хроматические аберрации на протяжении всего диапазона видимого света.

По мере разработки новых типов оптических стекол появилась такие стекла, для которых характерны иные сочетания показателя преломления и дисперсии (например, сверхнизкодисперсионные), что привело к менее заметной связи между уменьшением дисперсии и возрастанием показателя преломления. До изобретения стекол со сверхнизкой дисперсией в оптике также использовались элементы из искусственного выращенного флюорита, которые, однако, ввиду низкого показателя преломления требовали большей кривизны поверхности элемента, что приводило к увеличению сферической аберрации.

Геометрические и хроматические аберрации могут быть скомпенсированы только при использовании нескольких типов стекол. В большинстве случаев производители используют три или более типа стекла. Спектр применения оптических систем широк, что не позволяет ограничиваться лишь небольшим набором типов стекол – вот почему каждый производитель разработал большое число типов оптических стекол.

Обычные оптические стекла демонстрируют высокое светопропускание на всем диапазоне видимого спектра, включая ближний ультрафиолетовый и ближний инфракрасный. Кроны обладают лучшим светопропусканием в ближнем ультрафиолетовом свете по сравнению с флинтами. Флинтам из-за высокого показателя преломления необходимо антибликовое покрытие.

Еще одними характеристиками стекла, имеющими критическое значение при разработке оптической системы, является плотность стекла и коэффициент линейного теплового расширения. Плотность стекла определяет вес оптической системы, и, вместе с диаметром стекла, является критичной при разработке объективов с малым весом. Плотность стекла влияет на возможность его обработки и, в какой-то степени, пропорциональна стоимости стекла. При разработке профессиональной оптики, которая используется в экстремальных температурных условиях или в условиях быстрого перепада температур, коэффициент линейного теплового расширения стекла становится ключевым фактором.

В процессе производства оптического стекла используются редкоземельные элементы — лантан применяется во многих стеклах с высоким показателем преломления, а церий применяется в процессе полировки стекла. Эффективные методы выделения редкоземельных элементов начали использоваться в 1950-60-х годах, и с тех пор из-за ряда общемировых ограничений стоимость редкоземельных материалов постоянно увеличивается, что является одним из факторов роста цен на фотографические объективы.

Your comment

Being unregistered user or not logged in user you won't get any email notifications about replies on this comment.

Copy this code

and paste it here *