光学玻璃知识介绍

1光学玻璃2内容介绍•前言•玻璃种类•无色光学玻璃•主要光学玻璃厂家及产品•其他常用光学玻璃•一些实例3•光学材料是光学仪器的最重要组成部分，而光学材料是光学零件加工的对象。光学材料有光学玻璃、光学晶体和光学塑料等。•一、光学玻璃组成•光学玻璃与普通玻璃的主要区别：关系玻璃具有高度透明性、物理及化学上的高度均匀性以及特定和精确的光学常数。光学玻璃含有元素周期表中的大部分元素，只是组成和含量不同而已。•通常光学玻璃的主要成分是二氧化硅，又称石英砂，熔炼玻璃时都要加入其他物质以改善玻璃的性能和满足关系系统成像的需要。如加入Al2O3可以提高玻璃化学稳定性和机械强度；加入氧化铅和氧化钡可以增大玻璃折射率，但化学稳定性降低；加入氧化钠可以降低熔炼温度；此外还可根据需要加入其他多种氧化物。前言4•以二氧化硅SiO2为主要成分的玻璃属于硅酸盐玻璃，以三氧化二硼B2O3为主要成分的属于硼硅酸盐玻璃，以五氧化二硼P2O5为主要成分的属于磷酸盐玻璃。•一般常用的光学玻璃是硅酸盐玻璃：（1）含有Na2SIO3,CaSiO3和SiO2，主要成分是SiO2，玻璃态物质，没有固定的熔点（2）主要反应材料：石灰石，纯碱，石英（3）主要的反应方程式：Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑高温CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2↑高温5•二、物理特性•1、玻璃物质形态•玻璃并非严格意义上的固体，玻璃熔炼体在冷却过程中没有确定的固化温度，玻璃保留了液态分子无规则排列的结构，即低温的固态保留了高温液态的无定性结构，称为玻璃态。•2、玻璃的物理特性•各向同性：玻璃的性质如硬度、弹性模数、折射率等在各向测得的数值相同•介稳状态•玻璃从熔融态向固态转化过程是连续可逆的6玻璃种类•特种玻璃：光学玻璃石英玻璃玻璃纤维玻璃管（棒）材工艺玻璃显象管玻璃绝缘子玻璃医用玻璃眼镜玻璃水晶玻璃超薄玻璃灯具玻璃等等•深加工玻璃：钢化玻璃防弹玻璃夹层玻璃汽车玻璃镜片玻璃镀膜玻璃喷雕彩绘玻璃夹丝玻璃热融玻璃防火玻璃吸热玻璃热反射玻璃透紫外玻璃光致变色玻璃等•器皿玻璃：玻璃瓶罐玻璃杯（盆）玻璃餐具仪器玻璃等•浮法玻璃•格法、平板、压延玻璃7一些玻璃图片光学玻璃棒滤光片光学玻璃8刚化玻璃9夹层玻璃彩色玻璃棒防火玻璃10光纤浮法玻璃11无色光学玻璃12一、光学玻璃分类命名•光学玻璃种类繁多，绝大多数是无色光学玻璃，光学玻璃命名主要指无色光学玻璃•光学玻璃品种及牌号，各国及各个玻璃生产厂家都有自己的品种分类及牌号表示方法，大多以拉丁字母作为品种标志，如K、ZK、F等，品种之后附有牌号标志（我国国家标准以阿拉伯数字表示序号）。•按照各国的分类方法，光学玻璃按阿贝系数大小分为冕牌、火石玻璃两大类，大致的分界线为γ=50；国内以K代表冕牌玻璃，F代表火石玻璃。•在冕牌及火石两类玻璃之下，根据折射率高低、化学成分不同，又派生出其他小类13•无色光学玻璃分类根据折射率nd和色散系数υd在nd-υd领域图中的位置和玻璃的组成，无色光学玻璃按下表分为16类14•光学玻璃牌号：每种光学玻璃牌号按其所属的玻璃类别名称的代号加序号组成。另外，还用六个数值做代码来表征每一个牌号，其中前三位数值表示该牌号玻璃折射率小数点后三位数，后三位数值表示该牌号玻璃的阿贝数。例如：H-K9L，nd=1.51680，υd=64.20，则其代码为：517642•无铅、砷、镉玻璃牌号：无铅、砷、镉及其它放射性元素的玻璃牌号，用“H”加“—”作为前缀表示，例如：H-K9L。15•领域图16•玻璃牌号17二、无色光学玻璃的质量指标1、折射率一般玻璃厂家材料参数表都给出了很多条光谱线的折射率例如：成都光明给了7条光谱线折射率：OHARA给了9条光谱线折射率：光谱线元素波长(nm)光谱线元素波长(nm)汞紫线hHg404.66氦黄线dHe587.56汞蓝线gHg435.84氢红线CH656.27镉蓝线FCd480.00氦红线rHe706.52汞绿线eHg546.07光谱线元素波长(nm)光谱线元素波长(nm)iHg365.015dHe587.56hHg404.656He-NeHe-Ne632.8gHg435.835CH656.27FCd486.13A’K768.19eHg546.07182、色散和阿贝数中部色散为nF-nC或nF’-nC’色散系数（即阿贝数）υd定义如下：υd=（nd–1)/(nF-nC)另一色散系数υe=（ne–1)/(nF’-nC’)19折射率、色散系数与标准数值的允许差值20同一批玻璃中折射率和色散系数的一致性213、光学均匀性：是指同一块玻璃内部折射率变化的不均匀程度224、应力双折射玻璃在没有受到应力作用时是各向同性的，但由于玻璃的加热或冷却过程不均匀就会产生应力，使玻璃失去各向同性的性质，在光学上引起双折射现象。235、光吸收系数是指光通过任何物质时，一部分光能被介质所吸收。玻璃虽是透明物质，也有吸收，只是他的吸收系数比非透明物质小很多。246、条纹度条纹度是指因折射率显著不同而造成的透明的、丝状的疵病程度。条纹属于光学玻璃内部化学成分上的不均匀，产生的原因是在熔炼过程中各种成分混合和搅拌不均匀造成25•7、气泡度•玻璃中的气泡是指包含在玻璃内部的气体，它是由于玻璃在熔炼的过程中气体来不及逸出或很难排除而产生。•气泡的危害较大，会使光线发生散射或产生杂光，引起光能损失、降低成像质量。26三、无色光学玻璃特性光学玻璃性能一览表序号玻璃牌号RC(S)RA(S)RA(P)密度FAHK1FK133a3.573552FK233a3.753553QK123a62.300.753954QK211a2.271.605QK323a52.460.904956K111a2.501.134957K211a12.410.99505级别H说明8K312a52.400.874951H≤HBaK780倍显微镜下观察无均匀水斑9K411a12.501.054752H≤HBaK780倍显微镜下观察有均匀水斑10K511a12.470.995103HZK9≥H＞HBaK7____11K611a12.530.915204H＞HZK9______12K711a12.540.9850513K821a12.620.9345014K921a12.541.0059515K1011a12.580.96520色的时间大小分6个等级，见下表16K1111a12.610.94510PH2.9±0.2PH4.6±0.2PH6.0±0.217K1211a2.761.00495出现干涉色时间出现干涉色时间出现干涉色时间18K1611a12.620.905001a≥5h19UK921a12.541.005951b＜5h,≥0.5h20PK112.580.402a≥30min21PK22.942b＜30min,≥min5h22BaK111a12.760.954503a＞3h23BaK211a12.860.775403b≤3h24BaK311b-2a42.860.9453025BaK421b32.840.9050526BaK511a13.020.8248027BaK611b33.050.8552028BaK721b12.851.05615级别12329BaK822a23.190.69530Wt%≤0.20＞0.2--0.35＞0.35--0.6530BaK921a13.110.77490级别45631BaK1121a3.030.86505Wt%＞0.65--1.2＞1.2--2.2＞2.232ZK122b63.060.7851533ZK222a33.270.83585相对研磨硬度指同等研磨条件下被测玻璃相对于标准玻璃K9的研磨硬度。34ZK332a-2b53.281.0061535ZK433a53.520.7757036ZK533a53.580.8356037ZK632a43.560.7056038ZK733b63.490.6552539ZK821b43.580.7156540ZK923b53.520.77575Knoop硬度按国家标准GB7962.21测试方法进行测量。该方法采用一种对称棱角为41ZK1022a53.670.67555172°30′合130°的四角锥金刚石压头，给其施加一定负荷垂直压在试样上，42ZK1133a63.660.67590保持一定时间后，撤去负荷，用显微镜观察并测试样上压痕长对角线的长度，43ZK1433a3.440.72515用下式计算Knoop硬度：44ZK1533a3.510.7552045ZK1923a53.600.67470式中：F—加压负荷，N;46ZK2033a53.630.71475L—压痕的长对角线长度，mm;然后，放进盛有80ML硝酸（0.01N)溶液的石英烧杯中，经1小时煮沸处理，取出烘干称重，根据其重量损失（Wt%)分为6级（见下表）将相当于玻璃密度大小重量（克）的玻璃粉末（粒度420---590nm)置于铂制网篮中，粉末法耐酸作用稳定性RA(P)比较，把玻璃抗潮湿大气稳定性分4级，如下表变雾浊程度的“浊度”H值，将该置于BaK7和ZK9玻璃标样的浊度值（HBaK7和HZK9)RC(S)抗潮湿大气作用稳定性表面法光学玻璃被潮湿大气侵蚀后，其表面产生“白斑”和“雾浊”等变质层，该变质层会使平行光的散射性增大。因此可根据侵蚀玻璃表面对光散射性的强弱来确定侵蚀表面的变质程度。按国家标准GB7962.15测试方法，可测出被侵蚀试样级别RA(S)抗酸作用稳定性表面法光学玻璃抗酸稳定性采用PH2.9醋酸、PH4.6醋酸钠和PH6.0蒸馏水做侵蚀介质，按国家标准GB7962.14测试方法进行测定。按在白炽灯下观察侵蚀试样表面出现紫蓝干涉FA相对研磨硬度于被测玻璃时样的研磨量（V)，其比值FA即为被测玻璃的相对研磨硬度：测量方法按国家标准GB7962.19进行。测出标准玻璃K9样品的研磨量（体积V0)FA=V0/V=(W0/ρO)/(W/ρ)式中W0、W—分别指标准玻璃K9样品和被测玻璃式样研磨重量损失，g;ρ0、ρ分别指标准玻璃K9样品和被测玻璃的密度，g/cm3HK——Knoop硬度HK=0.102*F/0.07028*L227主要厂家及产品28•光学玻璃主要生产厂家•国内：•成都光明•国际：•Schott•Hoya•Ohara•各个厂家对所生产的各种牌号玻璃的成分和工艺是严格保密的。根据折射率与色散系数，各厂家的大部分玻璃牌号可以替代，但它们的物理、化学特性未必相同。•同样牌号的玻璃，不同厂家代表的光学常数未必相同，比如成都光明的F1相当于schott、Hoya的F5和Ohara的PBM1，而schoot、Hoya的F1相当于成都光明的F1329主要玻璃厂家玻璃牌号对照表30对照表SCHOTT——CDGM——HAYO——OHARANEWHUAGUANG——SCHOTT——HAYO——OHARAPILKINGTON——SCHOTT——OHARA31SCHOTTHAYOOHARA主要玻璃厂家玻璃材质表材质表（SCHOTT）材质表（HOYA）材质表（OHARA）其它32其他光学玻璃33•有色光学玻璃，亦称为光学滤光玻璃：能选择地透过特定波长的光线；或透过连续光谱中一定宽度的光谱范围的光线；或均匀地减弱白光的光谱等。•融石英玻璃（FS）：优良的光谱特性、耐高温、热膨胀系数小（普通玻璃的1/10-1/20）、化学稳定性好、机械性能高•特种光学玻璃–耐辐射玻璃–防辐射玻璃–透红外和透紫外玻璃34有色玻璃（滤光玻璃）3536融石英光学玻璃——Corning7980——国内的融石英玻璃牌号名称应用波长（nm）JGS1远紫外光学石英玻璃185——2500JGS2紫外光学石英玻璃220——2500JGS3红外光学石英玻璃260——3500