Оптические характеристики материалов для изготовления оптических деталей

УО БГУИР



	Факультет компьютерного проектирования

	

	Кафедра электронной техники и технологии

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	РЕФЕРАТ

	

	на тему:

	

«ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ»











МИНСК, 2008


1.ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО



Основным материалом для изготовления оптических деталей служит оптическое стекло, которое отличается от технического высокой степенью однородности, химическим составом и физическими свойствами. Стекло устойчиво по отношению к действию углекислоты, хорошо сохраняет форму и легко обрабатывается.

Основную часть большинства марок стекла составляет кремнезем SiO2. Стекло из чистого плавленого кремнезема – кварцевое стекло – хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи, обладает жаропрочностью и высокой твердостью, варится при температуре около 2000°С. Добавляя к кремнезему окислы натрия и кальция, можно снизить температуру варки. Стекло, имеющее в составе 65% SiO2, 35% Na2O, может быть сварено при температуре ~1400°С, но оно неустойчиво и быстро разрушается. Более устойчивое техническое стекло, состоящее из 75% SiO2, 15% Na2O и 10% CaO, может быть сварено при t=1450°C. Чтобы получить еще более устойчивое прочное стекло, в состав добавляют окислы калия, магния и алюминия, в результате получают стекло типа крон. Показатель преломления и дисперсию стекла изменяют, добавляя кислородные соединения фосфора – фосфорный ангидрид и соли фосфорной кислоты, окислы бора и бария, получая баритовые и тяжелые кроны. Сильно увеличивает показатель преломления и дисперсию стекла окись свинца: ее вводят до 15% в кронфлинты и более 40% в тяжелые флинты.

Получили распространение новые марки стекла, в состав которых входят окислы редких металлов (лантана, тантала, церия и др.). Лантановые стекла (СТК) имеют большой показатель преломления и небольшую дисперсию. Стекла с окислами таллия (СТФ), наоборот, имеют большой показатель преломления и большую дисперсию.

Все стекла делятся на два вида – стекло крон с небольшими показателями преломления и дисперсией и стекло флинт с большими показателями преломления и дисперсией. Резкой границы между ними нет; эти два вида стекол делятся на типы и на марки стекол, в название которых входит сокращенное название типа стекол и порядковый номер (табл.1). Марка стекла определяется показателем преломления , и средней дисперсией , или коэффициентом средней дисперсии

.

Таблица 1

Тип стекла

Марка стекла





Легкие кроны ЛК

ЛК6

1,4704

66,8

Фосфатные кроны ФК

ФК1

1,5176

69,6

Кроны К

К8

1,5163

64,1

Баритовые кроны БК

БК6

1,5399

59,7

Тяжелые кроны ТК

ТК16

1,6126

58,3



ТК21

1,6568

51,1

Сверхтяжелые кроны СТК

СТК9

1,7424

50,2

Кронфлинты КФ

КФ7

1,5170

51,4

Легкие флинты ЛФ

ЛФ6

1,5749

41,3

Флинты Ф

Ф1

1,6128

36,9

Баритовые флинты БФ

БФ25

1,6079

46,2

Тяжелые флинты ТФ

ТФ5

1,7550

27,5

Сверхтяжелые флинты СТФ

СТФ1

20,361

18,1

Особые флинты ОФ

ОФ1

1,5294

51,8



Таблица 2

Цвет

Красный

Желтый

Зеленый

Обозначение линии Фраунгофера

А

С

D

d

e

Длина волны в мкм

768

656,3

589,3

587,6

546,1

Химический элемент, в спектре которого имеется эта линия

Калий

К

Водород

H

Натрий

Na

Гелий 

He

Ртуть

Hg

Цвет

Голубой

Синий

Фиолетовый

Ультрафиолетовый

Обозначение линии Фраунгофера

F

g

G

h

-

Длина волны в мкм

486,1

435,8

434,1

404,7

365,0

Химический элемент, в спектре которого имеется эта линия

Водород

H

Ртуть

Hg

Водород

H

Ртуть

Hg

Ртуть

Hg



Показатели преломления измеряются для определенных цветов (длин волн), указанных в ГОСТах и нормалях (табл.2).

Характеристики стекла представлены на диаграмме.

Стекловаренные заводы поставляют оптическое стекло в соответствии с требованиями чертежей и ГОСТа 3514 “Стекло оптическое бесцветное”. В зависимости от веса заготовок гарантируемые категории и классы по пузыристости и светопоглощению указаны в табл.11 ГОСТа 3514.

Флинты более прозрачны, чем кроны. Только стекла К8, БК10, Ф1 и Ф4 по светопоглощению поставляются 00 категории. Более простые по составу стекла ЛК3, ЛК4, КФ4, КФ6, К3, К8, БК6, БК10, ЛФ5, ЛК5 начинают пропускать близкую ультрафиолетовую часть с длиной волны 320-330 нм. Тяжелые кроны начинают пропускать лучи с длиной волны более 360 нм, а тяжелые флинты – более 370 нм. В инфракрасной области спектра все стекла пропускают хорошо до длины волны 2700 нм при толщине 10 нм и до 4500 нм – при толщине 1 нм. При облучении стекла гамма-лучами темнеет заметно в фиолетовой и менее заметно в инфракрасной области спектра. Стекла со специальными добавками – сотые и двухсотые (К108, БК110, К208, БК210 и др.) темнеют значительно меньше.

Стоимость оптического стекла высокая и сильно возрастет при строгих требованиях к пузыристости и светопоглощению, поэтому они должны предъявляться только при необходимости. Заготовки из оптического стекла поставляются лишь в том случае, если толщина ее менее 1/15 диаметра.

При изменении температуры показатель преломления и размеры оптических деталей для каждой марки стекла изменяются различно, вследствие чего понижается качество изображения и изменяются характеристики оптической системы.

Коэффициент линейного расширения большинства марок стекла α=7590*10-7, Ф8 имеет α=100*10-7, ЛК5 – 33*10-7 и ЛК7 – 40*20-7.

Для изготовления защитных стекол и призм применяются беспузырные, химически устойчивые, прозрачные и простые по составу марки стекол К8, БК10 и только при заметных колебаниях температуры – ЛК5 и ЛК3, уменьшающие расстройства системы. Для зеркал употребляются только К8, а для более точных зеркал – Лк5, ЛК7 и ситалл.

Для сеток, изготовляемых фотографическим способом, применяется стекло К8, а для сеток, изготовляемых травлением – БК10 или Ф8, имеющие почти такой же коэффициент линейного расширения, как и сталь.

Для крупных объективов коллиматоров и астрономических приборов используются простые стекла К8, Ф1, Ф2, ТК16, а для сложных окуляров и фотообъективов – различные марки стекла с весьма разнообразными свойствами.


2. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА



2.1. Нормируемые показатели качества



Нестабильность оптических характеристик стекла существенно влияет на качество передачи изображения оптической системой прибора. 

Допуски на показатели качества материалов рассчитывают в соответствии с техническими требованиями к оптической системе. Завышение требований к показателям качества сверх необходимых не дает заметного улучшения выходных характеристик прибора, в то же время резко увеличивает стоимость оптического материала. Например, при изменении требований к оптической однородности стекла с третьей категории на первую стоимость стекла возрастает в 4-5 раз.

Оптические бесцветные стекла нормируют в заготовках по следующим показателям качества: показателю преломления ne, средней дисперсии nF-nC, однородности партии заготовок по показателю преломления и средней дисперсии, оптической однородности, двойному лучепреломлению, бессвильности, показателю ослабления, пузырности.

В зависимости от предельных отклонений указанных показателей ГОСТ 3514 предусматривает различные категории и классы качества стекла.

Показатель преломления nC и средняя дисперсия нормируются пятью категориями качества со следующими допустимыми отклонениями  и :

Таблица 3:

Категория

104

105

1

±2

±2

2

±3

±3

3

±5

±5

4

±10

±10

5

±20

±20



Стекло обычного качества, используемое для изготовления оптических деталей кинофотооптики, относится к 4-й категории по  и .

Допуски на  и  могут быть расширены по сравнению с расчетными при условии ограничения отклонений по этим показателям для заготовок внутри одной партии.

В этом случае фактические значения  и  учитываются при комплектовании оптических деталей системы, а необходимое качество выходных параметров сохраняется путем коррекции геометрических размеров линз: толщины, радиусов или воздушных промежутков между линзами.

По однородности показателя преломления  в партии заготовок установлено четыре класса, а по средней дисперсии  два класса качества.

Таблица 4:

Класс

Наибольшая разность 104 в партии заготовок

Наибольшая разность 105 в партии заготовок

А

0,2

-

Б

0,5

-

В

1

1

Г

В пределах заданной категории

В пределах заданной категории



Оптическая неоднородность стекла и других оптических материалов рассматривается как неоднородность показателя преломления по объему материала.

В зависимости от причины образования неоднородности могут быть химического или физического происхождения. Химические неоднородности – свили возникают в процессе варки и выработки стекла и обусловлены непостоянством химического состава ввиду непровара или улетучивания отдельных компонентов, разъедания стенок стекловаренных сосудов и плохой гомогенизации расплава. Различают слоистые нитевидные свили и узловые в виде небольших вытянутых сфер с отходящими от них нитями 

Метод контроля бессвильности заключается в оценке теневой картины свили, получаемой на экране проекционной установки и сравнением ее с теневой картиной эталонных свилей 1-й или 2-й категории бессвильности.

Физические неоднородности связаны с образованием в заготовках стекла остаточных напряжений при отжиге вследствие быстрого охлаждения или температурных градиентов в печи. Напряжения в прозрачных материалах вызывают появление двойного лучепреломление и изменение значения показателя преломления.

При прохождении через напряженное стекло поляризованного луча, полученного с помощью какого-либо поляризатора, происходит его раздвоение на лучи, распространяющиеся в плоскости главных напряжений с разной скоростью и имеющие на выходе разность хода. Разность хода лучей, измеряемая в нанометрах на сантиметр пути, характеризуют двойное лучепреломление. Физические неоднородности могут быть устранены повторным тонким отжигом. По двойному лучепреломлению установлено пять категорий качества с предельными отклонениями 1,5-65 нм/см.

Бессвильность и двойное лучепреломление позволяют быстро оценить оптическую однородность заготовки и при небольших размерах заготовки являются достаточными критериями ее качества. Однако оба эти показателя не дают количественной оценки неоднородности на различных участках заготовки больших размеров и не характеризуют плавные изменения показателя преломления, хотя последние ухудшают качество изображения больше, чем одиночные грубые свили.

Измерить непосредственно значения показателя преломления по полю заготовки весьма сложно. Поэтому предусмотрено несколько косвенных методов оценки оптической однородности. Первый – определение числового отношения угла разрешения φ коллиматорной установки, в которую введена заготовка, к углу разрешения φ0 той же установки без образца стекла. Метод используется для контроля заготовок размерами 60-250 мм, для него установлено четыре категории качества стекла с отношением φ/φ0, равным 1,0-1,2. При контроле заготовок, относящихся к первой категории качества, дополнительно контролируется качество изображения дифракционной точки на коллиматоре. Точка должна проецироваться в виде центрального пятна окруженного двумя концентрическими кольцами без разрывов, хвостов и искажения формы. Оптическую однородность заготовок размерами более 250 мм оценивают по коэффициентам, характеризующим влияние различных факторов: двойного лучепреломления, бессвильности, асимметричности физических неоднородностей по полю. Заготовки, предназначенные для изготовления оптических деталей высокоточных объективов коллиматоров, интерференционных и астрономических приборов, у которых остаточные волновые абберации системы имеют значения, соизмеримые с дополнительными искажениями, вызываемыми неоднородностью стекла, проверяют интерференционными методами по искажению волнового фронта. Точность измерения Δn должна быть в пределах (15)*10-6. Требования к однородности подобных деталей оговариваются особо в технической документации на заготовку. Светопоглощение стекла нормируется по показателю ослабления μА, представляющему собой величину. Обратную расстоянию, на котором поток излучения источника света типа А ослабляется в результате поглощения и рассеивания в стекле в 10 раз.

Уменьшение ослабления света в стекле имеет большое значение при производстве многолинзовых оптических систем объективов для передачи цветного изображения, волоконно – оптических элементов.

Установлено восемь категорий качества стекла, нормируемых по показателю ослабления, с допустимыми значениями μА=0,00020,0130см-1.



2.2. Пороки стекла.



Получить стекло, полностью свободное от пороков, практически невозможно.

Пузыри и приравниваемые к ним камни в стекле являются включениями, образующимися при варке вследствие плохого осветления светомассы, попадания в нее непроваренных частиц шихты и шамота со стенок варочного сосуда и образование кристаллов (рис.1,в). Одиночные пузыри не влияют на разрешающую способность прибора. Увеличение числа пузырей приводит к экранированию света, увеличению его рассеивания. В деталях типа сеток, лимбов, расположенных в фокальной плоскости измерительных приборов, прижимных пластинах проекционных приборов, пузыри четко просматриваются и мешают наблюдению, число их должно ограничиваться. Вскрытые пузыри на рабочих поверхностях оптических деталей при обработке приводят к появлению располированных зон, затрудняют чистку оптических деталей. Камни являются источником возникновения трещин и напряжений в стекле при термических нагрузках.

Присутствие пузырей и камней в заготовках регламентируется; ГОСТ 13240 установлено 11 категорий качества. В заготовках первой категории не допускаются пузыри диаметром более 0,002 мм, по десятой категории разрешается присутствие пузырей до 5 мм. Кроме того, каталогом оптического стекла предусмотрена оценка пузыристости сырьевого блочного стекла по числу пузырей, видимых на площади проекции куба стекла объемом 100 см3. Эта оценка является справочной и используется при разделке блока стекла на заготовки.

Камни, кристаллы и головки узловых свилей оценивают как пузыри такого же диаметра. Камни, сопровождаемые трещинами в заготовках оптических деталей, не допускаются (рис.1,г).


3. ЦВЕТНОЕ СТЕКЛО



Цветное стекло – оптическое (ГОСТ 9411), предназначено для изготовления различных светофильтров, применяемых в фотографии, наблюдательных и спектральных приборах, для защиты глаз от вредного светового действия источников света в ультрафиолетовой видимой или инфракрасной области и т.п. Изготовляется свыше ста марок цветного стекла. В зависимости от спектральных свойств стекла делятся на типы: ультрафиолетовые (УФС), фиолетовые (ФС), синие (СС), сине-зеленые (CPC), желто-зеленые (ЖЗС), желтые (ЖС), оранжевые (ОС), красные (КС), инфракрасные (ИКС), пурпурные (ПС), нейтральные (НС), темные (ТС) и бесцветные (БС). 

В зависимости от типа красителя стекла делятся на:

1) окрашенные селеном и сернистым кадмием с резким делением пропускаемой части спектра от непропускаемой – это желтые, оранжевые и красные стекла; 2) окрашенные молекулярные красителями с более сложной кривой спектрального пропускания – это желто-зеленые, зеленые, синие, красные КС10, 11, пурпурные, темные, нейтральные (рис.2, 3,4).

Спектральная характеристика первых стекол определяется:

а) показателем поглощения К для оговариваемой в ГОСТе длины волны ;

б) длиной волны , характеризующей границу спектральной области пропускания, при которой оптическая плотность  стекла в слое заданной толщины превышает на 0,3 значение наименьшей оптической плотности  в той же толщине, т.е. пропускание в 2 раза меньше. Допуски на  по 1, 2, 3-й категории: ±5; ±10 и ±15 нм соответственно;

в) крутизной Кp оптической плотности в слое заданной толщины, определяемой разностью плотностей при длине волны λпр – 20 нм и λпр, т.е. .

Показатель поглощения и оптическая плотность связаны соотношением: , где  - толщина стекла в мм; ; 0,038, Здесь  - оптическая плотность стекла с добавлением  потерь на отражение. Спектральная характеристика вторых стекол определяется значением показателя поглощения  для определенных длин волн, наименьшим  и , разностями  показателей поглощения для определенных длин волн, при этом  по 1, 2, 3-й категории: ±5; ±10 и ±20% соответственно.

По однородности и двойному лучепреломлению обеспечивается 3-я категория, по свильности – 2В и пузыристости 3-8, класса Г и Д в зависимости от марки и веса стекла.

В наблюдательных приборах рекомендуется применять светофильтр из стекла ОС17 толщиной не более 2 мм для усиления контрастности за счет ослабления воздушной дымки и уменьшения хроматизма глаза и нейтральные фильтры (НС 6, 7, 8, 9, 10, 11) – для ослабления излишней яркости.

В контрольно- измерительных приборах следует применять светофильтры из стекла марок Ж3С9, ЖЗС1 и ЗС3 толщиной 1 мм при диаметре до 10 мм; 1,5 мм при диаметре 10-18; 2 мм при диаметре 18-50 мм и 3 мм при диаметре 50-80.

Для аэрофотосъемки рекомендуется применять светофильтры из стекла ЖЗ18, ОС14 и КС14. Светофильтры для фотографии изготавливаются из стекла марок БС8, ЖС12, ЖС17, ЖС18, ОС12, КС11, ЖЗС9.

Заготовка из цветного оптического стекла нормируют по следующим показателям качества: показателю поглощения , бессвильности, неоднородности окраски, пузырности и двойному лучепреломлению. Для стекол, окрашенных сульфоселенидами или селенидами металлов (стекла ЖС, ОС и КС), нормируют также минимальную оптическую плотность  при толщине стекла 10 мм; длину волны , при которой оптическая плотность стекла превышает на 0,3 оптическую плотность стекла той же толщины при длине волны ; крутизну кривой оптической плотности, равной разности оптических плотностей стекла при длинах волны -20нм и .

Кварцевое оптическое стекло имеет марки:

КУ – без заметной полосы поглощения при λ=240 нм, идущее для различных деталей спектрофотометров и других приборов, работающих в ультрафиолетовой области спектра (от λ=160 нм).

КВ – не свободное от полос поглощения при λ=240 нм и λ=2700 нм – для деталей, работающих в видимой области и в интервале длин волн 250-2500 нм, требующих высокой термостойкости и жаропрочности.

КИ – без заметной полосы поглощения при λ=2700 нм – для приборов, работающих в инфракрасной области спектра.

Высокие требования по спектральному пропусканию, однородности, двойному лучепреломлению, пузыристости, бессвильности позволяют использовать кварцевое стекло в самых ответственных приборах. Диаметр или сторона заготовок 50-200 мм, наименьшая толщина – 8 мм и отношение диаметра к толщине 15:1; nD=1.4586±4·10-4; =0.00675±3·10-5; =67,9.

Коэффициент  линейного расширения 2·10-7 (t=-60°+20°) и 5·10-7 при t=20120°, т.е. заметно меньше, чем у оптического стекла.

Химическая устойчивость по ГОСТу 3514-57* к влажной атмосфере – группа А и к кислым растворам 1-3 (весьма устойчиво).

Удельный вес 2,21, твердость 6 по шкале Мооса и 2 – по сошлифовыванию в сравнении с К8, принятым за единицу.

Кварцевое стекло применяется для конденсоров, линз объективов, призм и окон в спектральных и других приборах, работающих в ультрафиолетовой или инфракрасной областях, для изготовления весьма точных зеркал и концевых отражателей.


ЛИТЕРАТУРА



			Малов А.Н., Законников Обработка деталей оптических приборов. Машиностроение, 2006. - 304 с.

			Бардин А.Н. Сборник и юстировка оптических приборов. Высшая школа, 2005. - 325с.

			Кривовяз Л.М., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории. Машиностроение, 2004. - 333 с.

			Справочник технолога-оптика под редакцией М.А. Окатова, Политехника Санкт-Петербург, 2004. - 679 с.

			Справочник технолога-машиностроителя в 2-х частях. Под редакцией А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. Машиностроение 2001