Оптическое стекло: сырье, технология производства, основные направления применения

Оптическое  стекло бесцветное делят на категории и классы по следующим показателям качества:

а) допускаемым  отклонением показателя преломления n_е и средней дисперсии n_F' — n_C' от значений, установленных для стекла каждой марки;

б) однородности партии заготовки стекла по показателям  преломления и средней дисперсии;

в) оптической однородности;

г) двойному лучепреломлению;

д) показателю ослабления ε_А;

е) бессвильности;

ж) пузырности.

 

 

Дефекты

К недостаткам  оптического стекла относят камни, пузыри, мошку, дымки, свили и напряжения.

Камни представляют собой мелкие непрозрачные частицы, отделившиеся от горшка во время варки стекла, или нерасплавившиеся частицы шихты. Небольшое количество и малые размеры камней, если они не находятся в фокальной плоскости или вблизи нее, на качество изображения не влияют, так как задерживают лишь незначительную часть проходящего через стекло света.

Пузыри образуются в процессе варки стекла ввиду  выделения газов составными частями  шихты, вступающими в реакцию. Практически  неизбежны при изготовлении стекла. Пузыри вызывают светорассеяние и некоторую потерю яркости изображения, так как лучи света, преломляясь на поверхностях пузырей под значительно бо́льшими углами, чем на остальной площади линзы, почти полностью поглощаются внутренними поверхностями камеры и оправы объектива.

Мо́шка представляет собой большое скопление в массе стекла мельчайших пузырей, занимающих значительную часть его объёма. Мошка вызывает рассеяние большого количества проходящего через стекло света.

Дымки́ имеют  вид паутины или легкой волнистой  дымки в среде стекла. Происходят в основном от спекания складок, образующихся в процессе прессовки, а также при спекании ранее не замеченных трещин.

Сви́ли наблюдаются  в массе стекла в виде прозрачных полосок или нитей вследствие неодинакового показателя преломления  массы стекла. Представление о свиле может дать сравнение с каплей насыщенного сахарного раствора, введённой в стакан с водой. При растворении капля раствора будет образовывать в воде хорошо заметный след в виде волнистых полос и нитей.

Напряже́ния происходят от неоднородности стекла, вызванной, как правило, неравномерным охлаждением при его изготовлении. Механически напряжённое состояние стекла вызывает, так называемое, двойное лучепреломление. В обычных условиях двойное лучепреломление незаметно на глаз, и определяется проверкой стекол при помощи специального прибора — полярископа. Непосредственно в оптических деталях напряжения (и соответствующее двойное лучепреломление) могут возникать под действием собственной массы детали, или давлений на стекло при закреплении его в оправах.

Для оптических стекол установлены категории и  классы по качеству (ГОСТ 23136-93). То есть весь спектр дефектов разбит на диапазоны (по их количеству, размеру, форме) в  которые должны входить марки  стекол. Для бесцветного оптического  стекла существуют нормы ГОСТ 3514-94 (ранее ГОСТ 3514-76). Для цветного оптического стекла — ГОСТ 9411-91 (ранее ГОСТ 9411-76).

Поскольку оптическое стекло изготавливается для конкретных целей, то нормируются не только наличие  дефектов но и отклонения оптических показателей от нормы. Выбирать стекло для своих нужд, легче, если заранее определить критерии качества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сырье, технология производства

Сырьевые материалы  вводят в стекольную шихту, как правило, в виде природных соединений. Основным сырьем для изготовления стекла являются кварцевый песок, известняк, сода и  сульфат натрия. Высококачественные стекольные белые пески содержат немного примесей, в частности оксида железа, придающего стеклу зеленоватую окраску. В стекольную шихту вводят соду, сульфат натрия, поташ, которые понижают температуру варки стекла и ускоряют процесс стеклообразования. При варке смеси чистого песка и соды образуется полупрозрачная стеклообразная масса, растворяющаяся, в воде ("растворимое стекло"). Благодаря введению в шихту оксида кальция в виде известняка или доломита стекло становится нерастворимым в воде. В процессе изготовления в стекло вводят соединения, придающие ему специальные свойства. Глинозем, вводимый в шихту в виде каолина и полевого шпата, повышает механическую прочность, а также термическую и химическую стойкость стекла. При замене части диоксида кремния борным ангидридом повышается скорость стекловарения, улучшается осветление и уменьшается склонность к кристаллизации. Оксид свинца, вводимый, главным образом, при изготовлении оптического стекла и хрусталя, повышает показатель светопреломления. Оксид цинка понижает температурный коэффициент линейного расширения стекла, благодаря чему повышается его термическая стойкость. В специальные стекла, например, оптическое, лабораторное, вводят оксиды свинца, бария и цинка.

Вспомогательные сырьевые материалы

Вспомогательные сырьевые материалы (осветлители, глушители, красители и др.) вводят в шихту для ускорения варки стекла и придания ему требуемых свойств. Осветлители (сульфаты натрия и аммония и др.) способствуют удалению из стекломассы газовых пузырьков. Глушители (соединения фтора, фосфора и др.) делают стекло непрозрачным. К красителям относят соединения кобальта (синий цвет), хрома (зеленый), марганца (фиолетовый), железа (коричневые и сине-зеленые тона) 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 подвергают 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.

Обычно, руководствуясь картой дефектов, заготовку распиливают  алмазными пилами на более мелкие прямоугольные или вырезают из нее  цилиндры с помощью круговых пил. Получающимся заготовкам стараются придать форму, максимально приближенную к форме будущего оптического изделия с небольшим запасом. Также достаточно часто прямоугольные заготовки нагревают до состояния пластической деформации и прессованием получают из них изделия формы, близкой к требуемой. Затем эти заготовки закрепляют в блоки (как правило, из гипса) и шлифуют. Шлифование включает в себя несколько стадий; на каждой из последующей используют все более мелкие абразивные зерна. После каждой стадии шлифования стекло промывают. После того, как стекло отшлифовано, заготовку полируют и затем контролируют его форму (фигуру). Полирование стекла является длительным физико-химическим процессом, который длится до 3-х суток. После полирования получается готовая рабочая поверхность изделия, готовая к использованию. Эту поверхность защищают, извлекают заготовку из блока и вновь собирают блок, но заготовки крепят другой стороной кверху и аналогично шлифуют и полируют другие рабочие поверхности. 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. Эти плёнки улучшают оптические характеристики и могут улучшать механические, например, защищать стекло от помутнения при длительном нахождении во влажной атмосфере.

 

 

 

Основные  направления применения

Оптическое  стекло находит своё применение в  производстве систем оптики: телескопов, видеокамер, фотоаппаратов и других оптических приборов.

Оптическая  промышленность и оптическое стекло позволили создать современные  точнейшие оптические приборы во всем разнообразии их типов и назначений: бинокли; приборы ночного видения; микроскопы; приборы и аппаратура оптические; изделия волоконной оптики; призмы; трубы зрительные; приборы электронно-оптические для исследования микроструктуры вещества; зеркала осветительные для микроскопов; микрофотонасадки; объективы ахроматические; осветители для микроскопов; осветители люминесцентные; монокуляры; визиры; объективы фото- и киносъемочные и проекционные; заготовки оптического стекла от микрооптики до аэрозеркал; лупа бинокулярная с волоконным осветителем; микроскоп МБС-10; объективы фотографические для зеркальных камер; светофильтры интерференционные и поляризационные; узлы и детали оптические.

Приборостроение из оптического стекла.

• приборы наведения;
• оптические прицелы;
• проборы дневного наблюдения;
• ночного наблюдения;
• микроскопы;
• лупы;
• зрительные трубы, бинокли;
• геодезические приборы;
• морские зрительные навигационные ориентиры.

 

 

 

 

 

 

 

Список  литературы

1. Мо Джали "Оптические линзы", 2000 г.;

2. Власов "Оптика", 1982 г.;

3. Розенблюм Ю.З. "Оптометрия", 1996 г.;

4.ГОСТ 23136-93 — Материалы Оптические — Параметры

6.ГОСТ 3514-94 — Стекло Оптическое Бесцветное — Технические условия

7.ГОСТ 9411-91 — Стекло Оптическое Цветное — Технические условия

8. http://nova.rambler.ru

9. http://ru.wikipedia.org/wiki/Оптическое_стекло