光學玻璃 - Wikiwand
For faster navigation, this Iframe is preloading the Wikiwand page for 光學玻璃.

光學玻璃

維基百科,自由的百科全書

此條目需要補充更多來源。 (2017年7月4日)請協助添加多方面可靠來源以改善這篇條目,無法查證的內容可能會因為異議提出而移除。
此條目需要精通或熟悉相關主題的編者參與及協助編輯。請邀請適合的人士改善本條目。更多的細節與詳情請參見討論頁。

光學玻璃是製造光學鏡頭光學儀器的主要材料。光學玻璃必須有高度精確的折射率、阿貝數和高透明度、高均勻度。

簡史

最初用於製造鏡頭的玻璃,就是普通窗戶玻璃或酒瓶上的疙瘩,形狀類似「冠」,皇冠玻璃或冕牌玻璃的名稱由此而來。那時候的玻璃極不均勻,多泡沫。除了冕牌玻璃外還有另一種含鉛量較多的燧石玻璃

1790年左右法國人皮而·路易·均納德發現攪拌玻璃熔液可以製造質地均勻的玻璃。

1884年蔡司公司恩斯特·阿貝奧托·肖特德國耶拿市創建肖特玻璃廠(Schott Glaswerke AG ),在幾年內研製了幾十種光學玻璃,其中以高折射率的鋇質冕牌玻璃(BAK)的發明為肖特玻璃廠的重要成就之一。

光學玻璃的成分

光學玻璃是用高純度矽、硼、鈉、鉀、鋅、鉛、鎂、鈣、鋇等的氧化物按特定配方混合,在白金坩堝中高溫融化,用超聲波攪拌均勻,去氣泡;然後經長時間緩慢地降溫,以免玻璃塊產生內應力。冷卻後的玻璃塊,必須經過光學儀器測量,檢驗純度、透明度、均勻度、折射率色散率是否合規格。合格的玻璃塊經過加熱鍛壓,成光學透鏡毛胚。

特種光學玻璃

稀土元素光學玻璃

1930年代美國伊士曼柯達公司發明了新的稀土元素光學玻璃,相比於已有的鋇冕、超重冕玻璃,稀土玻璃添加有的氧化物。此類光學玻璃有很高的折射率,同時玻璃的色散明顯低於同折射率的燧石玻璃,為光學鏡頭的設計開闢新的可能性,今日各類鏡頭中幾乎都有鑭玻璃。早期稀土玻璃由於添加二氧化釷,多半含有放射性。二戰結束後柯達又改良而發明無放射性稀土玻璃,並經過以徠茲(Leitz)、小原(Ohara)、肖特(Schott)等各光學玻璃製造商的改進,成為光學界常見的高折射率玻璃。經典的無釷鑭冕玻璃以徠卡公司授權肖特廠生產的LaK9(系徠卡優化Chance Brother's公司的691547玻璃配方得到)為代表。二十世紀六七十年代,配方不斷改進,逐漸用五氧化二鉭為主的原料代替了二氧化釷。並且,隨着熔煉工藝的不斷改進,更高折射率的重鑭火石玻璃也被研發出來。相比於鑭冕玻璃,這類材料通常必須添加更多的氧化鑭、氧化鉭、氧化鋯和氧化鈮等修飾成分,熔煉的條件更趨苛刻,修飾成分導致的玻璃着色、析晶等問題也更嚴重,但其折射率可達到1.8-2.0,同時具有比超重(鉛)火石玻璃更低的色散,為超大光圈攝影鏡頭的研發提供了無可替代的便利。徠卡著名的Noctilux 50mm F/1.0所倚賴的「PKT58」玻璃(900403)即屬此類。由於含大量的鑭和鉭,重鑭火石玻璃質地堅硬耐磨,化學性質不活潑,屬於耐水耐酸性能最為優異的光學玻璃。近年來,隨着氧化鉭價格不斷上漲,各主要光學玻璃供應商也開發出用更廉價、低比重的稀土元素氧化物代替氧化鉭的產品,並維持基本的規格參數不變。

無鉛光學玻璃

無鉛光學玻璃不含對環境有毒害的鉛、砷、鎘、鈹等元素。為區別於同規格的非環保玻璃,通常在玻璃牌號前加字母表示環保化。例如肖特(Schott)廠的N標誌,小原(Ohara)廠的S標誌,及成都光明(CDGM)廠的H標誌。對於攝影鏡頭常用的玻璃而言,鉛主要用於提升玻璃的色散,並改善過渡金屬氧化物在熔體中的溶解性。因此,在環保化過程中,配方受影響最大的為超重火石玻璃,次為具有短波異常色散性能的特種火石玻璃(Short Flint)。超重火石所含氧化鉛的質量分數常超過20%,替換為二氧化鈦後通常對於400nm附近的藍紫光透過能力有較明顯的損失,故不得不加入價格較昂貴的五氧化二鈮。同時,在部分廠家的工藝中,為保持含鉛、無鉛版本的折射率與阿貝數一致,有時需要引入氟元素[1]。對於特種火石玻璃,由於去除了配方中佔比約10%的氧化鉛,故不能維持氧化硼三角形骨架與四面體骨架的比例,必須改換為含五氧化二鈮、三氧化二銻等材料的配方,形成玻璃的配方範圍變窄,且成本增加。此類玻璃在非環保時代以肖特KzF(含三氧化二銻與三氧化二砷為主要修飾成分)、KzFS(以氧化硼和氧化鉛為主要成分)系列為代表,但今日已改換配方為以五氧化二鈮為核心成分的N-KzFS系列。

氟磷酸鹽光學玻璃

此類玻璃系含氟化物與磷酸鹽的特種玻璃,具有折射率低、阿貝數較高(色散較低)、部分色散顯著異於常規光學玻璃等特點,對於大口徑攝影鏡頭的色散修正有明顯的幫助。但是,此類玻璃因為含較多的氟化物,很容易在熔煉過程中出現揮發,導致成分不穩定。玻璃含較多的磷酸鹽,耐水、耐酸性能極差。同時,玻璃材料硬度、機械強度都較低,研磨拋光難度較大。[2]

光學玻璃分類

化學成分和光學性質相近的玻璃,在阿貝圖上也分佈在相鄰的位置。肖特玻璃廠的阿貝圖有一組直線和曲線,將阿貝圖分成許多區,將光學玻璃分類;列如冕牌玻璃K5、K7、K10在K區,燧石玻璃F2、F4、F5在F區。玻璃名稱中的符號:

  • F 代表燧石
  • K 代表冕牌
  • B 代表硼
  • BA 代表鋇
  • LA 代表鑭
  • N 代表無鉛
  • P 代表磷
  • TA 代表鉭

光學玻璃的物理參數

  • Vd阿貝數 四位有效數字
  • nd折射率 七位有效數字
  • Ve 四位有效數字
  • ne 七位有效數字
  • 玻璃的密度. 四位有效數字
  • 玻璃的透明度.四位有效數字
  • 折射率隨着溫度變化的係數 三位有效數字

國際玻璃碼

國際玻璃碼用九位數字表示,形式為:xxxxxx.xxx;

  • 頭三位數字代表折射率nd小數點後頭三位數。
  • 下三位數字代表阿貝數Vd頭三位數,不計小數點。
  • 小數點後的三位數代表玻璃的密度,不計小數點[3]

例如K10玻璃

  • nd=1.50137 小數點後頭三位數=501
  • Vd=56.41 頭三位數,不計小數點=564
  • 密度=2.52;不計小數點=252

例如:

K10 的國際玻璃碼是501564.252
N-LAK7的國際玻璃碼652585.384
N-BALF5的國際玻璃碼547536.261
N-KF9的國際玻璃碼523515.250
N-SSK2的國際玻璃碼622533.353

參考資料

  1. ^ 小原株式會社. 小原六十年之步履. : 100–150. 
  2. ^ 泉谷徹郎(著);楊淑清(譯), 光學玻璃與激光玻璃開發. 光學玻璃與激光玻璃開發. 北京: 兵器工業出版社. 1996. 
  3. ^ Schott Optical Glass Pocket Cataloque 2011 p70

參見

{{bottomLinkPreText}} {{bottomLinkText}}
光學玻璃
Listen to this article