Оптическое стекло с выпукло-вогнутыми поверхностями: изготовление, применение. Линза, увеличительное стекло

Оптическое стекло - это специальным образом изготовленное прозрачное стекло, которое используется в качестве деталей для оптических приборов. Оно отличается от обычного чистотой и повышенной прозрачностью, однородностью и бесцветностью. Также в нем строго нормированы дисперсия и преломляющая способность. Соблюдение таких требований повышает сложность и стоимость производства.

История

Можно найти множество примеров бытового применения линз, например, лупа - обыкновенное увеличительное стекло - поможет создать небольшой проектор из обыкновенного смартфона, однако оптические стекла появились не так давно.

Линзы известны с древности, но первую серьезную попытку создать стекло, похожее на то, что применяется в современных приборах, можно отнести к XVII веку. Так, немецкий химик Кункель в одном из своих трудов упоминал о фосфорной и борной кислотах, входящих в компонент стекла. Также он говорил о боросиликатном кроне, который близок к некоторым современным материалам по составу. Это можно назвать первым удачным опытом в производстве стекла, обладающего определенными оптическими свойствами и достаточной степенью физической и химической однородности.

В промышленности

Изготовление оптических стекол в промышленных масштабах началось в начале XIX века. Швейцарец Гиан совместно с Фраунгофером внедрили на одном из заводов в Баварии относительно стабильный способ получения такого стекла. Залогом успеха стал прием перемешивания расплава с помощью круговых движений вертикально погруженного в стекло глиняного стержня. В результате, можно было получать оптическое стекло удовлетворительного качества, диаметром до 250 мм.

Современное производство

В получении цветных оптических стекол используются добавки веществ с содержанием меди, селена, золота, серебра и других металлов. Варка происходит из шихты. Ее загружают в огнеупорные горшки, которые, в свою очередь, помещают в стекловаренную печь. В состав шихты может входить до 40% отходов стекла, важным моментом является соответствие состава стеклобоя и варящегося стекла. Стекломасса во время варки непрерывно перемешивается с помощью лопатки из керамики или платины. Таким образом достигается однородное состояние.

Периодически расплав берется на пробу, по которому контролируется качество. Важным этапом варки является осветление: в стекломассе из веществ-осветлителей, изначально добавленных в состав шихты, начинается выделение существенного количества газов. Образуются крупные пузыри, которые быстро поднимаются, захватывая при этом более мелкие пузыри, неизбежно образующиеся в процессе варки.

В завершение горшки извлекаются из печи, после чего медленно остывают. Охлаждение, замедленное специальными приемами, может длиться до восьми дней. Оно должно быть равномерным, иначе в массе могут образоваться механические напряжения, которые вызывают трещины.

Свойства

Оптическое стекло - это материал для производства линз. Они, в свою очередь, разделяются по виду на собирающие и рассеивающие. К собирающим относится двояковыпуклая и плосковыпуклая линза, а также вогнуто-выпуклая, носящая название "положительный мениск".

Оптическое стекло обладает рядом характеристик:

• показателем преломления, определяющимся двумя спектральными линиями, которые называются натриевым дублетом;
• средней дисперсией, под которой понимают разность преломления красной и синий линий спектра;
• коэффициентом дисперсии - числом, задаваемым соотношением средней дисперсии и преломления.

Цветное оптические стекло используется для производства абсорбционных светофильтров. В зависимости от материала различают три основных вида оптических стекол:

• неорганическое;
• оргстекло (органика);
• минерально-органическое.

В состав неорганического стекла входят оксиды и фториды. Кварцевое оптическое стекло тоже относится к неорганическим (химическая формула SiO₂). Кварц обладает небольшим преломлением и высоким показателем светопропускания, ему свойственна термостойкость. Широкий диапазон прозрачности позволяет использовать его в современных телекоммуникациях (оптоволоконные кабели и прочее), также силикатное стекло является незаменимым при изготовлении оптических линз, например, из кварца делают увеличительное стекло.

На основе кремния

Прозрачное силикатное стекло может быть как оптическим, так и техническим. Оптическое изготавливают путем плавки горного хрусталя, только так получается полностью однородная структура. В непрозрачных стеклах за цвет отвечают маленькие пузырьки газа внутри материала.

Помимо кварцевого стекла на базе кремния производится и так называемое кремниевое стекло, которое, несмотря на похожую базу, имеет другие оптические свойства. Кремниевые элементы способны преломлять Х-лучи и пропускать инфракрасное излучение.

Органическое стекло

Так называемое оргстекло производится на основе синтетического полимерного материала. Этот прозрачный и твердый материал относится к термопластам и нередко применяется как замена кварцевого стекла. Оргстекло устойчиво ко многим факторам внешней среды, таким как повышенная влажность и низкие температуры, однако оно гораздо мягче, а, следовательно, чувствительнее к механическому воздействию. Ввиду мягкости органическое оптическое стекло просто в обработке - его может "взять" даже самый простой инструмент для резки металла.

Этот материал отлично подходит для лазерной обработки, на него легко нанести узор или гравировку. Как линза он отлично отражает инфракрасные лучи, но пропускает ультрафиолет и рентгеновское излучение.

Применение

Оптические стекла широко применяют для изготовления линз, которые, в свою очередь, используются во многих оптических системах. Одиночная собирающая линза используется как увеличительное стекло. В технике линзы являются важной или основной частью таких систем как бинокли, оптические прицелы, микроскопы, теодолиты, телескопы, а также фотоаппараты и видеотехника.

Не менее важны оптические стекла для нужд офтальмологии, ведь без них сложно или невозможно исправить недостатки зрения (близорукость, астигматизм, дальнозоркость, нарушение аккомодации и прочие заболевания). Линзы для очков с диоптриями могут производиться как из кварцевого стекла, так и из высококачественного пластика.

Астрономия

Оптические стекла являются важным и самым дорогим компонентом любого телескопа. Многие любители сами собирают рефракторы, для этого требуется немного, но самое главное - плосковыпуклая стеклянная линза.

В начале позапрошлого века на изготовление одной мощной астрономической линзы, а точнее на ее полировку, уходило несколько лет. Например, в 1982 году к миллионеру Чарльзу Йерксу обратился глава чикагского университета Вильям Харпер с просьбой профинансировать обсерваторию. Йеркс вложил в нее около трехсот тысяч долларов, причем сорок тысяч ушло на покупку линзы для самого мощного на тот момент телескопа на планете. Обсерваторию назвали в честь финансиста Йеркса, и до сих пор этот рефрактор с диаметром объектива 102 см считается самым большим в мире.

Телескопы с большим диаметром являются рефлекторами, в нем зеркало является светособирающим элементом.

Существует еще один тип линз, использующихся как в астрономии, так и в офтальмологии - стекло с выпукло-вогнутыми поверхностями, которое называется мениском. Оно может быть двух типов: рассеивающим и собирающим. В рассеивающем мениске крайняя часть толще центральной, а в собирающем более тонкой является центральная часть.