光學(xué)玻璃（用于光學(xué)領(lǐng)域的玻璃）
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光學(xué)玻璃
用于光學(xué)領(lǐng)域的玻璃
概念
傳輸光線(xiàn)的非晶態(tài)(玻璃態(tài))光介質(zhì)材料。可用以做成棱鏡、透鏡、濾光片等各種光學(xué)元件，光線(xiàn)通過(guò)后可改變傳播方向、位相及強度等。根據不同的要求，可把光學(xué)玻璃分為三大類(lèi)：①無(wú)色光學(xué)玻璃——在可見(jiàn)及近紅外相當寬廣波段內幾乎是全透明的，是使用量最大的光學(xué)玻璃。按折射率和色散的不同有上百個(gè)牌號，可分為兩個(gè)品種，即冕牌光學(xué)玻璃(以K代表)和火石光學(xué)玻璃(以F代表)。冕牌玻璃是硼硅酸鹽玻璃，加入氧化鋁后成為火石玻璃。二者的主要區別是火石玻璃的折射率和色散都較大，因而光譜元件多用它制造。②耐輻射光學(xué)玻璃——具有無(wú)色光學(xué)玻璃的各項性質(zhì)，并能在放射性照射下基本不改變性能。用于受γ輻照的光學(xué)儀器，其品種及牌號與無(wú)色光學(xué)玻璃相同。其化學(xué)成分是在無(wú)色光學(xué)玻璃的基礎上，添加少量二氧化鈰來(lái)消除高能輻射在玻璃中形成的色心，使這種玻璃在受輻照后光吸收變化很小。③有色光學(xué)玻璃——對某些波長(cháng)的光具有特定吸收或透射性能。亦稱(chēng)濾光玻璃，有百余個(gè)品種。顏色濾光片對某些顏色能選擇吸收，中性濾光片對所有波長(cháng)的光的吸收相同，只是減低光束強度而不改變其顏色。干涉濾光片則是根據光的干涉原理，將不需要的顏色反射掉而不是吸收。
前景
光學(xué)玻璃是光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎和重要組成部分。特別是在20世紀90年代以后，隨著(zhù)光學(xué)與電子信息科學(xué)、新材料科學(xué)的不斷融合，作為光電子基礎材料的光學(xué)玻璃在光傳輸、光儲存和光電顯示三大領(lǐng)域的應用更是突飛猛進(jìn)，成為社會(huì )信息化尤其是光電信息技術(shù)發(fā)展的基礎條件之一。
據《中國光學(xué)玻璃制造行業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)需求與投資預測分析報告前瞻》數據顯示隨著(zhù)國內經(jīng)濟持續、穩定發(fā)展，中國光學(xué)玻璃制造行業(yè)發(fā)展迅猛。根據國家統計局數據顯示，2010年，光學(xué)玻璃制造行業(yè)規模以上企業(yè)數量達246家，行業(yè)全年實(shí)現銷(xiāo)售收入為234.05億元，同比增長(cháng)53.70%;實(shí)現利潤15.37億元，同比增長(cháng)87.10%;資產(chǎn)規模達到264.50億元，同比增長(cháng)77.49%。由于光學(xué)玻璃制造行業(yè)以國內銷(xiāo)售為主，金融危機對其影響相對較小，行業(yè)依然表現出較好的增長(cháng)勢頭。
近年來(lái)，中國已經(jīng)逐漸成為世界上重要的光學(xué)玻璃制造生產(chǎn)基地。國外企業(yè)加速進(jìn)入中國，與國內企業(yè)組建合資公司，經(jīng)過(guò)激烈的市場(chǎng)競爭的錘煉，三資企業(yè)已經(jīng)成為了中國光學(xué)玻璃制造行業(yè)的競爭主體，民營(yíng)企業(yè)緊隨其后。
產(chǎn)品介紹
光學(xué)玻璃用于制造光學(xué)儀器或機械系統的透鏡、棱鏡、反射鏡、窗口等的玻璃材料。包括無(wú)色光學(xué)玻璃(通常簡(jiǎn)稱(chēng)光學(xué)玻璃)、有色光學(xué)玻璃、耐輻射光學(xué)玻璃、防輻射玻璃和光學(xué)石
英玻璃等。光學(xué)玻璃具有高度的透明性、化學(xué)及物理學(xué)(結構和性能)上的高度均勻性，具有特定和精確的光學(xué)常數。它可分為硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、氟化物和硫系化合物系列。品種繁多，主要按他們在折射率(nD)-阿貝值(VD)圖中的位置來(lái)分類(lèi)。傳統上
，
和nD55的各類(lèi)玻璃定為冕(K)玻璃，其余各類(lèi)玻璃定為火石(F)玻璃。冕玻璃一般作凸透鏡，火石玻璃作凹透鏡。通常冕玻璃屬于含堿硼硅酸鹽體系，輕冕玻璃屬于鋁硅酸鹽體系，重冕玻璃及鋇火石玻璃屬于無(wú)堿硼硅酸鹽體系，絕大部分的火石玻璃屬于鉛鉀硅酸鹽體系。隨著(zhù)光學(xué)玻璃的應用領(lǐng)域不斷拓寬，其品種在不斷擴大，其組成中幾乎包括周期表中的所有元素。
通過(guò)折射、反射、透過(guò)方式傳遞光線(xiàn)或通過(guò)吸收改變光的強度或光譜分布的一種無(wú)機玻璃態(tài)材料。具有穩定的光學(xué)性質(zhì)和高度光學(xué)均勻性為了使光學(xué)系統傳遞的圖像清晰、不畸變，要求玻璃具有高度的均勻性以及特定而且精確的光學(xué)常數。
1768年，法國人P.L.紀南在粘土坩堝中采用攪拌的方法首創(chuàng )均勻的光學(xué)玻璃。中國在50年代開(kāi)始研制光學(xué)玻璃,60年代已能生產(chǎn)出50～60個(gè)牌號，在近10～20年來(lái)發(fā)展了特殊相對色散玻璃、熱光畸變小的光學(xué)玻璃，并改善了它們的化學(xué)穩定性和析晶性能。
光學(xué)分類(lèi)
按光學(xué)特性分為：無(wú)色光學(xué)玻璃、防輻照光學(xué)玻璃、耐輻照光學(xué)玻璃、有色光學(xué)玻璃、紫外和紅外光學(xué)玻璃、光學(xué)石英玻璃
光學(xué)玻璃
②防輻照光學(xué)玻璃。對高能輻照有較大的吸收能力，有高鉛玻璃和CaO-B2O2系統玻璃，前者可防止γ射線(xiàn)和X射線(xiàn)輻照，后者可吸收慢中子和熱中子，主要用于核工業(yè)、醫學(xué)領(lǐng)域等作為屏蔽和窺視窗口材料。
③耐輻照光學(xué)玻璃。在一定的γ射線(xiàn)、X射線(xiàn)輻照下，可見(jiàn)區透過(guò)率變化較少，品種和牌號與無(wú)色光學(xué)玻璃相同，用于制造高能輻照下的光學(xué)儀器和窺視窗口。
④有色光學(xué)玻璃。又稱(chēng)濾光玻璃。對紫外、可見(jiàn)、紅外區特定波長(cháng)有選擇吸收和透過(guò)性能，按光譜特性分為選擇性吸收型、截止型和中性灰3類(lèi)；按著(zhù)色機理分為離子著(zhù)色、金屬膠體著(zhù)色和硫硒化物著(zhù)色3類(lèi)，主要用于制造濾光器。
⑤紫外和紅外光學(xué)玻璃 在紫外或紅外波段具有特定的光學(xué)常數和高透過(guò)率，用作紫外、紅外光學(xué)儀器或用作窗口材料。
色散分類(lèi)
按色散又分為兩類(lèi)：色散較小的為冕類(lèi)(K)，色散較大的為火石類(lèi)(F)。
①冕類(lèi)光學(xué)玻璃 分為氟冕(FK)、輕冕(QK)、磷冕(PK)、重磷冕 (ZPK)、冕(K)、重冕(ZK)、鋇冕(BaK)、鑭冕(LaK)、鈦冕(TiK)和特冕(TK)等。
②火石類(lèi)光學(xué)玻璃 分為輕火石(QF)、火石(F)、重火石(ZF)、鋇火石(BaF)、重鋇火石 (ZBaF)、鑭火石(laf)、重鑭火石(ZLaF)、鈦火石(TiF)、冕火石(KF)和特種火石(TF)等。它們在折射率nd與色散系數v的關(guān)系圖像（見(jiàn)圖）中分布在不同的領(lǐng)域。
抗輻射玻璃 是廣義光學(xué)玻璃的一種。包括防輻射玻璃和耐輻射玻璃。
光學(xué)玻璃
①防輻射玻璃 主要是對 γ射線(xiàn)和X射線(xiàn)有較大吸收能力的玻璃。當γ射線(xiàn)或X射線(xiàn)進(jìn)入防護玻璃時(shí)，由于玻璃內部產(chǎn)生光電效應、生成正負電子對，同時(shí)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)和自由態(tài)電子，使射入的 γ射線(xiàn)或X射線(xiàn)能量減小，穿透力下降，起到了防護作用。
當防輻射玻璃的密度增加時(shí)，屏蔽能力也相應增加。防γ射線(xiàn)的玻璃的密度通常不小于4.5g/cm。近年來(lái)，已開(kāi)始用密度為6.2～6.5g/cm的玻璃，常用的有ZF系列。
②耐輻射光學(xué)玻璃 主要指在γ射線(xiàn)作用下不易著(zhù)色的光學(xué)玻璃。耐輻射光學(xué)玻璃牌號的命名，仍根據光學(xué)玻璃牌號，注明能耐輻射的倫琴數，例如，K509耐輻射光學(xué)玻璃的光學(xué)常數同K9,且能耐10倫琴劑量的γ射線(xiàn)。普通玻璃受高能射線(xiàn)輻射后產(chǎn)生自由電子，它與玻璃內部的缺位結合，形成色心。同時(shí)也可使原子核移位，破壞了正常的結構，也產(chǎn)生色心，使玻璃著(zhù)色。
耐輻射光學(xué)玻璃中引入了
，在高能γ射線(xiàn)輻照后，由于
,能俘獲電子，不使玻璃內部產(chǎn)生色心，且因Ce和Ce的吸收帶在紫外區。當含量過(guò)高時(shí)，在紫外、紅外的吸收帶延伸到可見(jiàn)光區，使可見(jiàn)光的藍色區域吸收增加，導致玻璃呈黃色。同時(shí)，也會(huì )因玻璃中其他成分的影響而加深顏色，所以的含量不能太高，在K509中的含量約為0.4％～0.5％，在K709中約為1％。
制作原料
生產(chǎn)方法
光學(xué)玻璃
①熔煉 有單坩堝間歇熔煉法和池窯(見(jiàn)窯)連續熔煉法。單坩堝熔煉法又可分為粘土坩堝熔煉法和鉑坩堝熔煉法。不論采用何種熔煉方式均需用攪拌器攪拌，并嚴格控制溫度和攪拌，使玻璃液達到高度均勻。粘土坩堝能熔煉絕大部分冕玻璃和火石玻璃，成本低，且在玻璃的熔化溫度超過(guò)鉑的使用溫度時(shí)采用。鉑坩堝可熔煉質(zhì)量較高、對粘土坩堝有嚴重侵蝕作用的玻璃，如重冕、重鋇火石、稀土玻璃和氟磷玻璃。鉑坩堝用電加熱，一般采用硅碳棒或硅鉬棒電爐。但制造析晶傾向大、要求迅速降溫以及對氣氛有一定要求的玻璃，則可采用高頻加熱。
60年代以來(lái)，各國相繼采用內襯鉑的連續池窯熔煉，使光學(xué)玻璃的產(chǎn)量大大提高，質(zhì)量也好，這是目前光學(xué)玻璃生產(chǎn)工藝發(fā)展的主要趨勢。
②成型 光學(xué)玻璃的成型法有古典破堝法、滾壓法和澆注法，但目前越來(lái)越廣泛地采用漏料成型（用單坩堝或連熔流出料液），能直接拉棒或滴料壓型或漏料成型大尺寸的毛坯，提高料滴利用率和成品率。
冷加工技術(shù)
光學(xué)玻璃
發(fā)展方向
光學(xué)玻璃
最早被人們用來(lái)制作光學(xué)零件的光學(xué)材料是天然晶體，據稱(chēng)古代亞西利亞用水晶作透鏡，而在古代中國則應用天然電氣石（茶鏡）和黃水晶。考古家證明公元三千年前在埃及和我們（戰國時(shí)代）人們已能制造玻璃。但是玻璃作為眼鏡和鏡子還是十三世紀在威尼斯開(kāi)始的。恩格斯在“自然辨證法”中對此曾給予很高的評價(jià)，認為這是當時(shí)的卓越發(fā)明之一。此后由于天文學(xué)家與航海學(xué)的發(fā)展需要，伽利略、牛頓、笛卡兒等也用玻璃制造了望遠鏡和顯微鏡。從十六世紀開(kāi)始玻璃已成為制造光學(xué)零件的主要材料了。
到了十七世紀，光學(xué)系統的消色差成為光學(xué)儀器的中心問(wèn)題。這時(shí)由于改進(jìn)了玻璃成分，在玻璃中引入了氧化鉛，赫爾才于1729年獲得第一對消色差透鏡，從此，光學(xué)玻璃就被分為冕牌和燧石玻璃兩個(gè)大類(lèi)。
1768年紀南在法國首先用粘土棒攪拌的方法制得了均勻的光學(xué)玻璃，從而開(kāi)始建立了獨立的光學(xué)玻璃制造工業(yè)。在十九世紀中葉，幾個(gè)發(fā)達的資本主義國家都先后建立了自己的光學(xué)玻璃工廠(chǎng)，如法國帕臘-芒圖公司（1872年）、英國錢(qián)斯公司（1848）、德國蕭特公司(1848)等。
十九世紀光學(xué)儀器有很大發(fā)展。第一次世界大戰前夕，德國為了迅速發(fā)展軍用光學(xué)儀器，要求打破光學(xué)玻璃品種貧乏的限制。這時(shí)，著(zhù)名物理學(xué)家阿員參加了蕭特廠(chǎng)的工作。他在玻璃中加入了新的氧化物如
等，并且研究了它他對玻璃光學(xué)常數的影響。在這基礎上，發(fā)展了鋇冕、硼冕、鋅冕等類(lèi)型玻璃，同時(shí)也開(kāi)始試制了特殊相對部分色散的燧石玻璃。在這時(shí)期內，光學(xué)玻璃品種有了很大的擴展，因而在光學(xué)儀器方面出現了較完整的照相機及顯微鏡物鏡。
直至二十世紀三十年代以前，大部分工作仍在蕭特廠(chǎng)基礎上進(jìn)行。到1934年獲得了一系列重冕玻璃，如德國號SK-16（620/603）及SK-18（639/555）等。到此為止，可以認為是光學(xué)玻璃發(fā)展的一個(gè)階段。
二次世界大戰前后，隨著(zhù)各種光學(xué)儀器如航空攝影，紫外與紅外光譜儀器、高級照相物鏡等的發(fā)展，對光學(xué)玻璃又產(chǎn)生了新的需要。這時(shí)，光學(xué)玻璃也就相應地有了新的發(fā)展。1942年，美國摩萊（Morey）及以后蘇聯(lián)與德國的科學(xué)工作者都相繼把稀士及稀散氧化物引入玻璃中，因而擴大了玻璃品種，得到了一系列高折射率低色散的光學(xué)玻璃，如德國LaK,LaF，蘇聯(lián)CTK及ТЬФ等品種系列。與此同時(shí)，也進(jìn)行了低折射率大色散玻璃的研究并得到一系列氟鈦硅酸鹽系統的光學(xué)玻璃，如蘇聯(lián)ЛФ-9，ЛФ-12，德國F-16等品種。
由于各種新品種光學(xué)玻璃在加工或使用性能上或多或少地存在著(zhù)缺陷，因此在研究擴展光學(xué)玻璃領(lǐng)域的同時(shí)，還針對改善各種新品種光學(xué)玻璃的物理和物理化學(xué)性質(zhì)。以及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了許多工作。
綜觀(guān)以上歷史發(fā)展的過(guò)程，可以預言今后光學(xué)玻璃的發(fā)展方向是：
①制得特別高折射率的玻璃；
②制得特殊相對部分色散的玻璃；
③發(fā)展紅外及紫外光學(xué)玻璃；
④取代玻璃中某些不良的成分如放射性的
，有毒的BcO，
等；
⑤提高玻璃的化學(xué)穩定性；
⑥提高玻璃透明度和防止玻璃輻射著(zhù)色；
⑦改進(jìn)工藝過(guò)程，降低新品種玻璃價(jià)格。
光學(xué)玻璃的質(zhì)量要求
光學(xué)玻璃和其它玻璃的不同之點(diǎn)在于它作為光學(xué)系統的一個(gè)組成部分，必須滿(mǎn)足光學(xué)成象的要求。因此，光學(xué)玻璃質(zhì)量的判定也包括某些特殊的和較嚴格的指標。對光學(xué)玻璃有以下要求:
一、特定的光學(xué)常數以及同一批玻璃光學(xué)常數的一致性
每一品種光學(xué)玻璃對不同波長(cháng)光線(xiàn)都有規定的標準折射率數值，作為光學(xué)設計者設計光學(xué)系統的依據。所以工廠(chǎng)生產(chǎn)的光學(xué)玻璃的光學(xué)常數必須在這些數值一定的容許偏差范圍以?xún)龋駝t將使實(shí)際的成象質(zhì)量與設計時(shí)預期的結果不符而影響光學(xué)儀器的質(zhì)量。同時(shí)由于同批儀器往往采用同批光學(xué)玻璃制造，為了便于儀器的統一校正，同批玻璃的折射率容許偏差要較它們與標準值的偏差更加嚴格。
二、高度的透明性
光學(xué)系統成象的亮度和玻璃透明度成比例關(guān)系。光學(xué)玻璃對某一波長(cháng)光線(xiàn)的透明度以光吸收系數Kλ表示。光線(xiàn)通過(guò)一系列棱鏡和透鏡后，其能量部分損耗于光學(xué)零件的界面反射而另一部分為介質(zhì)（玻璃）本身所吸收。前者隨玻璃折射率的增加而增加，對高折射率玻璃此值甚大，如對重燧玻璃一個(gè)表面光反射損耗約6%左右。因此對于包含多片薄透鏡的光學(xué)系統，提高透過(guò)率的主要途徑在于減少透鏡表面的反射損耗，如涂敷表面增透膜層等。而對于大尺寸的光學(xué)零件如天文望遠鏡的物鏡等，由于其厚度較大，光學(xué)系統的透過(guò)率主要決定于玻璃本身的光吸收系數。通過(guò)提高玻璃原料的純度以及在從配料到熔煉的整個(gè)過(guò)程中防止任何著(zhù)色性雜質(zhì)混入，一般可以使玻璃的光吸收系數小于0.01(即厚度為1厘米的玻璃對光透過(guò)率大于99%)。
稀土元素
三十年代出現了新的稀土元素光學(xué)玻璃，主要成分是鑭、釷、鉭的氧化物。稀土元素光學(xué)玻璃有很高的折射率，為光學(xué)鏡頭的設計開(kāi)辟新的可能性。今日大孔徑鏡頭中多有鑭玻璃。釷玻璃因有放射性，已停止生產(chǎn)。無(wú)鉛光學(xué)玻璃
無(wú)鉛光學(xué)玻璃不含鉛、砷，以N標志。
光學(xué)玻璃分類(lèi)
化學(xué)成分和光學(xué)性質(zhì)相近的玻璃，在阿貝圖上也分布在相鄰的位置。阿貝圖有一組直線(xiàn)和曲線(xiàn)，將阿貝圖分成許多區，將光學(xué)玻璃分類(lèi)；列如冕牌玻璃K5、K7、K10在K區，燧石玻璃F2、F4、F5在F區。玻璃名稱(chēng)中的符號：
F 代表燧石
K 代表冕牌
B 代表硼
BA 代表鋇
LA 代表鑭
N 代表無(wú)鉛
P 代表磷
光學(xué)玻璃的物理參數
Vd阿貝數 四位有效數字
nd折射率 七位有效數字
Ve 四位有效數字
ne 七位有效數字
玻璃的密度. 四位有效數字
玻璃的透明度。四位有效數字
折射率隨著(zhù)溫度變化的系數 三位有效數字
國際玻璃碼
國際玻璃碼用九位數字表示，形式為：xxxxxx.xxx;
頭三位數字代表折射率nd小數點(diǎn)后頭三位數。
下三位數字代表阿貝數Vd頭三位數，不計小數點(diǎn)。
小數點(diǎn)后的三位數代表玻璃的密度，不計小數點(diǎn)
例如K10玻璃
密度=2.52；不計小數點(diǎn)=252
K10 的國際玻璃碼是501564.252
參考資料
[1]
信息網(wǎng)[引用日期2010-04-18]
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