光学玻璃的分类
作者:管理员    发布于:2018-02-09 20:23:18    文字:【】【】【

本文内容过于专业化,阅读时比较费力,转载者已经对部分内容进行了注解,但是整个文章仍显生涩,建议分段阅读:

      光学玻璃是制造光学镜头、光学仪器的主要材料。光学玻璃必须有高度精确的折射率、阿贝数、高透明度、高均匀度。

      最初用于制造镜头的玻璃,就是普通窗户玻璃或老式啤酒的底部的疙瘩,形状类似“冠”,皇冠玻璃或冕牌玻璃的名称由此而来。

       那时候的玻璃极不均匀,多泡沫。除了冕牌玻璃外还有另一种含铅量较多的燧石玻璃。 1790年左右法国人皮而·路易·均纳德发现搅拌玻璃酱可以制造质地均匀的玻璃。 1884年蔡司公司的恩斯特·阿贝和奥托·肖特在德国耶拿市创建肖特玻璃厂(Schott Glaswerke AG ),在几年内研制了几十种光学玻璃,其中以高折射率的钡质冕牌玻璃的发明为肖特玻璃厂的重要成就之一。

光学玻璃的成分:
光学玻璃是用高纯度硅、硼、钠、钾、锌、铅、镁、钙、钡等的氧化物按特定配方混合,在白金坩埚中高温融化,用超声波搅拌均匀,去气泡;然后经長时间缓慢地降温,以免玻璃块产生内应力。冷却后的玻璃块,必须经过光学仪器测量,检验纯度、透明度、均匀度、折射率和色散率是否合规格。合格的玻璃块经过加热锻压,成光学透镜毛胚。

特种光学玻璃:
1. 稀土元素光学玻璃
三十年代出现了新的稀土元素光学玻璃,主要成分是镧、钍、钽的氧化物。稀土元素光学玻璃有很高的折射率,为光学镜头的设计开辟新的可能性。今日大孔径镜头中多有镧玻璃。钍玻璃因有放射性,已停止生产。

注:本网站中,2.5-10X32, 和尼康早的的观鸟镜变焦目镜,就使用了镧系玻璃。


2. 无铅光学玻璃
早年,在制造光学玻璃时,内部加铅,可以起到减少气泡,提升光学玻璃品质的作用。但是由于西方的环保越来越严格,所以目前大部分国家要求采用无铅材质的玻璃,无铅光学玻璃不含铅、砷,以N标志。

光学玻璃分类:
化学成分和光学性质相近的玻璃,在阿贝图上也分布在相邻的位置。肖特玻璃厂的阿贝图有一组直线和曲线,将阿贝图分成许多区,将光学玻璃分类;列如冕牌玻璃K5、K7、K10在K区,燧石玻璃F2、F4、F5在F区。玻璃名称中的符号:
F 代表燧石
K 代表冕牌
B 代表硼
BA 代表钡
LA 代表镧
N 代表无铅
P 代表磷

光学玻璃的物理参数:
Vd阿贝数 四位有效数字
nd折射率 七位有效数字
Ve 四位有效数字
ne 七位有效数字
玻璃的密度. 四位有效数字
玻璃的透明度.四位有效数字
折射率随着温度变化的系数 三位有效数字
国际玻璃码:
国际玻璃码用九位数字表示,形式为:xxxxxx.xxx;
头三位数字代表折射率nd小数点后头三位数。
下三位数字代表阿贝数Vd头三位数,不计小数点。
小数点后的三位数代表玻璃的密度,不计小数点
例如K10玻璃
nd=1.50137 小数点后头三位数=501
Vd=56.41 头三位数,不计小数点=564
密度=2.52;不计小数点=252
K10 的国际玻璃码是501564.252
阿贝数:
阿贝数是德国物理学家恩斯特·阿贝发明的物理学数,也称”V-数”,用来衡量介质的光线色散程度.
光线色散程度越大阿贝数越小,反之光线色散程度越小阿贝数越大。光学玻璃的两个重要参数是折射率和阿贝数。肖特玻璃目录中光学玻璃的阿贝数界于20-90之间。
冕牌玻璃和燧石玻璃的分界:
折射率≤1.6
V≥50:冕牌玻璃
V<50:燧石玻璃
折射率<1.6
V≥55:冕牌玻璃
V<55:燧石玻璃
阿贝图:
阿贝图是德国物理学家恩斯特·阿贝在1886年发明的玻璃坐标图。
阿贝图是直角物理坐标图,以玻璃的阿贝数V为横轴(X轴),以玻璃的折射率n为纵轴(Y轴)。
V轴和n轴的交点不是零点,V数在V轴上从左到右从大到小排列,从V=100到V=18;折射率n从下到上从小到大排列,从1.42 到2.2。
每一种光学玻璃在阿贝图上以一个点标志,没有标志的点,没有符合坐标的玻璃。 性质相近的玻璃,在阿贝图上也分佈在相邻的位置。
肖特玻璃厂的阿贝图有一组直线和曲线,将阿贝图分成许多区;列如冕牌玻璃K5、K7、K10在K区,燧石玻璃F2、F4、F5在F区。
一种光学玻璃在阿贝图上的V,n坐标,只是约数。光学玻璃的阿贝数V必须准确到四位有效数字,折射率n必须准确到六位有效数字,必须另从光学玻璃目录中查找。

 

 

 

萤石 和 莹石玻璃



萤石(Fluorite)
英文名称: fluorite 。
矿物(岩石)名称:萤石。
材料性质:
化学成分: CaF 2 。
结晶状态:晶质体晶系:等轴晶系。
晶体习性:常呈立方体、八面体、菱形十二面体及聚形,也可呈条带状致密块状集合体。
常见颜色:绿、蓝、棕、黄、粉、紫、无色等。
光 泽:玻璃光泽至亚玻璃光泽。
解 理:四组完全解理。
摩氏硬度: 4 。
密 度: 3.18( + 0.07 ,- 0.18)g/cm 3 。
光性特征:均质体。
多 色 性:无。
折 射 率: 1.434( ± 0.001) 。
双折射率:无。
紫外荧光:随不同品种而异,一般具很强荧光,可具磷光。
吸收光谱:不特征,变化大,一般强吸收。
放大检查:色带,两相或三相包体,可见解理呈三角形发育。
特殊光学效应:变色效应。
优化处理:
热 处 理:常将黑色、深蓝色热处理蓝色,稳定,避免 300 ℃以上的受热,不易检测。
充填处理:用塑料或树脂充填表面裂隙,以保证加工时不裂开。
辐照处理:无色的萤石辐照成紫色,但见光很快褪色,很不稳定。
萤石和光学玻璃相比,萤石有低折射率,低色散等优点,但在实际的运用上因为有其困难度跟经济因素存在,所以不可能使用。然而在光学上所使用的所谓光学玻璃都是以二氧化硅(Silica)为主要原料并且加入氧他钡(Barium)或镧(Lanthanum)之类的添加物,于镕炉中以高于1300度的高温溶解后,再以极慢的降温方式使其由液体凝固为固体。
《玻璃的奇迹-三人共同创业绩》 作者:弗里茨.舍费尔(西德)
1965经 C.多曼补充修订第三版翻译.并改名为:《玻璃的奇迹-蔡司,阿贝,塑特的创业史》
先介绍一下: 蔡司:光学机械技术 阿贝:物理基础理论 塑特:化学专长 三人完美的结合起来,在蔡司工厂中,创造出玻璃的奇迹
书中原文:阿贝,为了能够震惊世界的高级物镜及早问世,阿贝废寝忘食地努力着.他意识到,人的能力是有限的,所有最佳物镜都无法得到以数学和公式标明的绝对值.超过这个限度更是无从谈起.人的努力,只能逐步改进那些不足之处,要想做到完美无缺,那是绝对不可能的..(时间大概为:188X年)
阿贝在努力探索着最佳方案,他在大自然中寻求着人力似乎无法创造的东西.
他同过去的一些光学家们一样(不知哪个世纪了),很清楚萤石光学特征,它的特性是最优越的玻璃也无法同其媲美.(佳能创业大概在1930年吧) 塑特建议将氟,溶解到玻璃中.可这项试验困难重重,最终只得放弃这种设想.(书中未说明将氟,溶解到玻璃中是试制什么,难道是人造萤石??还是现在所谓的UD??)
后来,阿贝让人挑选最纯的萤石研制成透镜,并运用到物镜中,效果大吃一惊(最早的萤石镜片在1886年)用这种物镜拍摄的照片,清晰度是当时最佳的(原来德国人最先认同这点)
越来越多的订货任务很快的消耗着蕴藏量微小的萤石,可作为透镜的整块萤石是极少的,而高纯度的萤石又得从瑞士进口.
阿贝到处寻找萤石…..略…..为了寻找萤石,他的足迹几乎遍及整个奥尔契霍尔思地区,可是仍无踪影….略…..(千辛万苦后)结果居然找到好几百公斤萤石,可是能用在光学上的纯萤石,只有几磅.(比黄金还贵?)
现在,想要找到足够的萤石,来做光学玻璃的原料,是不太可能了.(后来就不用了?)
以上为书中原话
由此可见,萤石镜片蔡司工厂在18XX年就使用了,而天然萤石极其珍贵,很快就用OVER了!当时科学技术还不足以造出人造萤石.一百年以后,人造萤石被佳能造出..
当然,人造金刚石比不上天然金刚石.人造萤石也肯定比不过天然萤石..
(不知道天然萤石镜头,现在是否生产,难道是没有光学缺陷的`镜头??可以超过数学公式极限??)
而佳能产品册(据2006年秋,EOS产品册)上:佳能成功研制出人工培养并使其结晶,从而制造出萤石技术.
实意:从而制造出了人造萤石技术.佳能漏了人造两字,让我们误解了.
很多人认为萤石是佳能的蹿头,,,其实是非常高端的技术.只是佳能的萤石已经变味了.
而即使是佳能的人造萤石,也只有那些顶级镜头中长焦出现,足以表明萤石的光学性质多么优秀,多么珍贵.
以下是佳能现有产品中用到人造萤石的
EF70-200 F4 IS RMB10680(难怪人们都说IS小小白比小小白成象好)
EF100-400 F4.6-5.6 IS RMB18080
EF 300 F2.8 IS RMB53880
EF400 F2.8 IS RMB86880
EF500 F4 IS RMB81880
EF600 F4 IS RMB97480

 

APO



超长焦镜头中,APO镜头几乎是高档镜头的代名词。APO,是英文Apochromatic的缩写,意为“复消色差的”。所谓萤石镜片、AD玻璃、UD玻璃、ED玻璃,说到底,都是为了实现APO技术所用的特殊光学材料。 复消色差镜头,是指能对多种色光(超过两种)消除色差的镜头。 消色差镜头(Chromatic)只能对两种色光消色差。 

色散:

      光学材料的折射率不但与材料本身的物理性质有关,还与光线的波长有关。同一种光学材料,波长越短、折射率越高。具体讲,同一种光学玻璃,绿光比红光折射率高,而蓝光比绿光折射率高。不同光学材料往往有不同的色散。如果一种材料随着波长变化引起折射率变化很大,我们就说这种材料是“高色散”的。反之,则称为“低色散”。一般用ne(材料对绿色的e光的折射率)表示材料的折射率,用阿贝数ve=(ne-1)/(nF-nc)表示材料的相对色散。阿贝数越高,色散越小。式中,第二个字母是下标,表示夫朗和费对应谱线的波长。F是红光,e是绿光,c是蓝光。每一条夫朗和费谱线都有固定不变的波长,因而成了光学设计中的标准波长。 
色差:从几何光学原理讲,镜头等效于一个单片凸透镜。凸透镜的焦距,与镜面两边曲率和玻璃的折射率有关。如果镜片形状固定,那就只与制造镜片材料的折射率有关了!由于光学材料都有色散,因此,同一个镜片,对于红光来说,焦距略微长一点;对于蓝光来说,焦距略为短一点。这就叫做“色差”。 
有了色差的镜头,具体讲有这么几个缺点: 
1.由于不同色光焦距不同,物点不能很好的聚焦成一个完美的像点,所以成像模糊; 
2.同样,由于不同色光焦距不同,所以放大率不同,画面边缘部分明暗交界处会有彩虹的边缘。 
消色差:利用不同折射率、不同色差的玻璃组合,可以消除色差。例如,利用低折射率、低色散玻璃做凸透镜,利用高折射率、高色散玻璃做凹透镜,然后将两者胶合在一起。为了使两者胶合后仍然等效于一个凸透镜,前者(凸透镜)屈光度要大一些,后者(凹透镜)屈光度要小一些。我们分析这样的双胶合镜对不同波长光线的作用:对于较长波长的光线,由于凹透镜材料色散大、也就是折射率随着波长变化大,所以折射率比中间波长较小,凸透镜起的作用大,双胶合镜长波端焦距偏长。对于较长波短的光线,由于凹透镜色散大、也就是折射率随着波长变化大,所以折射率较大,凹透镜起的发散作用大,双胶合镜短波端焦距也偏长。最后的结论是:这样的双胶合镜中间波长焦距较短、长波和短波光线焦距较长。很明显,中间波长是一个谷,它的周围焦距变化小多了!设计时合理的选择镜片球面曲率、双胶合镜的材料,可以使蓝光、红光焦距恰好相等,这就基本消除了色差。剩余色差对于广角到中焦镜头来说,已经很小了,因此,也就满足了镜头消色差的要求。 
      二级光谱:未消色差的镜头随着光线波长增加,焦距单调上升,色差很大。而消色差镜头焦距随波长先减小后增加,色差很小。消色差镜头的剩余色差就叫做“二级光谱”! 二级光谱引起的不同色光焦距变化不可能小于焦距的千分之二,也就是说,镜头焦距越长,消色差越不能满足要求。对镜头质量要求较高时,超长焦消色差镜头的二级光谱已经不可忽视!为了进一步消除二级光谱对镜头质量的影响,引进了复消色差技术。 
复消色差:可以想象,如果某种材料随波长变化折射率的数值可以任意控制,那么我们一定能够设计出色差处处完全补偿、因而完全没有色差的镜头!可惜,材料的色散是不能任意控制的,而且可用的光学材料也就那么有限的若干种!我们退一步设想,如果能够将可见光波段分为蓝-绿、绿-红两个区间,而这两个区间能够分别施用消色差技术,二级光谱就能够基本消除!但是,不幸的是,经过计算证明:如果对绿光与红光消色差,那么蓝光色差就会变得很大;如果对蓝光与绿光消色差,那么红光色差就会变得很大!看起来似乎走进了一个死胡同,顽固的二级光谱好像没有办法消除! 
      幸好理论计算为复消色差找到了途径。人们发现,如果制造凸透镜的低折射率材料蓝光对绿光的部分相对色差恰好与制造凹透镜的高折射率材料的部分相对色差相同,那么实现蓝光与红光的消色差之后,绿光的色差恰好消除!这个理论指出了实现复消色差的正确途径,就是寻找一种特殊的光学材料,它的蓝光对红光的相对色散应当很低、而蓝光对绿光的部分相对色散应当很高且与某种高色散材料相同!萤石就是这样一种特殊材料,它的色散非常低(阿贝数高达95.3),而部分相对色散与许多光学玻璃接近!
荧石(即氟化钙,分子式CaF2)折射率比较低(ND=1.4339),微溶于水(0.0016g/100g水),可加工性与化学稳定性较差,但是由于它优异的消色差性能,使它成为一种珍贵的光学材料!自然界能用于光学材料的纯净大块萤石非常少,因而萤石最早仅用于显微镜中。显微镜物镜虽然焦距很短,但由于像距很大、分辨率要求很高,二级光谱仍是个头痛问题。自从萤石人工结晶工艺实现以后,高级超长焦镜头中萤石几乎是不可或缺的材料,萤石镜片几乎成为高档镜头的代名词! 由于萤石价格昂贵、加工困难,各光学公司一直不遗余力的寻找萤石的代用品。氟冕玻璃就是其中一种。各公司所谓AD玻璃、ED玻璃、UD玻璃,往往就是这一类代用品。

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