Учреждение образования

12

Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Аналитический обзор литературы на тему: «Оптическое стекло»

Выполнила: студентка 4 курса,

ф-та ХтиТ, 8 гр.

Кузьминова О.А

Проверил: Папко Л.Ф

2012

Основным материалом для изготовления оптических деталей служит оптическое стекло, которое отличается от технического высокой степенью однородности, химическим составом и физическими свойствами.

Однородность стекла относится к нормируемым показателям оптического стекла. Оптические свойства стекла зависят от его химического состава. Разнообразным сочетанием оксидов удаётся получить стекло с требуемыми значениями оптических постоянных. Некоторые сорта оптического стекла, например, не содержат кремнезём. Прозрачность оптического стекла должна быть высокой, порядка 90−97% на 100 мм пути луча в стекле. Оптическое стекло должно быть химически устойчивым по отношению к действию влажной атмосферы и к действию слабых кислот, характеризующему "пятнимость" их, т. е. чувствительность к прикосновению рук.

Стекло оптическое — прозрачное стекло любого химического состава, обладающее высокой степенью однородности. Содержат 46,4% РЬО, 47,0% SiО₂ и другие оксиды. Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др. Специальные оптические стёкла изготавливается на основе группы неорганических, оксидных нанопорошковых прозрачных керамических материалов, органических, минералоорганических стекол и др. материалов. Отдельные сорта характеризуются избирательной прозрачностью к разным лучам видимого и невидимого участков спектра света, особой прозрачностью и другими специальными свойствами (например, разной твёрдостью, упругостью, биологической совместимосью). Особые требования предъявляют к стеклам для изготовления контактных линз, кремниевых оптических стекол, апохроматов, линз для ИК-лучей, рентгеновского излучения и т.д.[1].

Для обработки оптического стекла используют специальное оборудование и технологии. В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения, расширения области применения оптических устройств, возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стёкол, различных по свойствам и составу. Оптическое стекло в отличие от обыкновенного должно обладать особенно высокой прозрачностью, чистотой, однородностью, заданным коэффициентом преломления, в нужных случаях–избирательной прозрачностью к определённым спектрам длин волн (например, в приборах ночного видения - прозрачность к ИК-излучению, в фильтрах, покрытия в апохроматах и т.д.). Выполнение этих требований значительно изменяет его химический состав, применяет совершенную технологию изготовления и обработку оптических стекол, позволяющую их изготовление. Состав оптического стекла на базе оптических неорганических материалов как оксид кремния (SiO₂), сода, борная кислота, соли бария,оксид свинца, фториды, оксид германия, позволяет улучшать оптические возможности оптических систем с дополнительными новыми свойствами.

Очковая линза – оптическая линза, предназначенная для коррекции зрения, для защиты органов зрения от ультрафиолетового и солнечного излучения, для исправления недостатков зрения и прочих целей. В последнее время произошли значительные изменения в производстве изделий очковой оптики. Появились новые материалы для очковых линз: стекла с высоким показателем преломления; стекла, увеличивающие долю срезания ультрафиолета; новые марки органического (пластмассового) стекла.

Расширилось применение линз с различным формообразованием (асферические, лентикулярные, прогрессивные); линзы со специальными покрытиями и окрашенные в массе – фотохромные, коричневые и серые.

По типу использования очковые линзы могут быть однофокальными и бифокальными. Любые из вышеперечисленных линз могут быть фотохромными, то есть меняться с зависимости от степени освещения.

Что касается материала, из которого делаются очковые линзы, то это может быть стекло (в том числе высокоиндексное) и пластик (поликарбонат). В первом случае такие линзы называются минеральными, во втором – органическими [2].

Линзы, в свою очередь, обладают следующими свойствами: возможность

окрашивания; фотохромные свойства (хамелеоны); поляризационные свойства; возможность нанесения многофункциональных покрытий [3].

Окрашенные очковые линзы − это линзы из цветного стекла или пластика, которые могут использоваться как в солнцезащитных, так и в медицинских целях.

Благодаря специальным материалам фотохромные линзы (хамелеоны) могут приспосабливаться к изменяющимся условиям освещения и обеспечивать надежную защиту от яркого солнечного света и ультрафиолетового излучения. В отсутствии ультрафиолетового излучения такие линзы возвращаются к своему первоначальному прозрачному состоянию. Кроме того, скорость и степень затемнения фотохромных линз зависит и от температуры воздуха. Данный тип линз наиболее комфортен для использования, как в помещении, так и на открытом воздухе.

Линзы с поляризационными свойствами обеспечивают защиту глаз от ослепляющих бликов, образующихся при отражении света от различного рода поверхностей: льда, снега, воды, лобового стекла автомобиля, мокрого дорожного покрытия и т.д. Очки с поляризационными линзами рекомендуются использовать при вождении автомобиля, активном отдыхе и занятиях спортом на открытом воздухе, в том числе рыбалкой, охотой и пр.

На очковые линзы могут быть нанесены специальные покрытия, придающие им дополнительные свойства. Основными из них являются следующие:

−упрочняющее покрытие увеличивает устойчивость линз к абразивным механическим воздействиям, приводящим к появлению царапин;

− просветляющее (антирефлексное, антибликовое) покрытие состоит из нескольких слоев, предназначенных для уменьшения отражения света от поверхности линз и увеличения их прозрачности. В очковой оптике данный тип покрытия имеет медицинское и эстетическое значение. Отражения света, возникающие на поверхностях линзы, причиняют немало неудобств тем, кто носит очки. Блики света на линзах создают эффект размытого, нечеткого изображения и снижают контрастность восприятия. Качественное просветляющее покрытие практически полностью устраняет эти нежелательные эффекты.

Очковые линзы, имеющие просветляющее покрытие, пропускают больше света, повышают четкость изображения и выглядят незаметнее, делая тем самым использование очков более комфортным.

Дополнительные многофункциональные покрытия придают линзам уникальные свойства: антистатические, гидрофобные (водоотталкивающие), защиты от электромагнитных излучений, дополнительной защиты от ультрафиолетового излучения и т.д.

Современные высокотехнологичные производства позволяют изготавливать различные виды очковых линз, обладающих всевозможными дополнительными свойствами. Основные различия очковых линз:

1. По материалу: полимерные (органические, пластиковые); минеральные (неорганические, стеклянные).

2. Количеством оптических зон коррекции зрения: однофокальные; мультифокальные (бифокальные, прогрессивные).

3. Показателями преломления: с низким значением; со средним значением; высокопреломляющие; супервысокопреломляющие.

4.Геометрической формой поверхностей линзы: сферические; асферические.

Различие очковых линз по материалу. В современном производстве очковых линз применятся всего два типа материалов, обладающих необходимыми оптическими свойствами. Это широко известные пластиковые (органические, полимерные линзы) и стекло (неорганические, минеральные линзы).

Полимерные линзы. Данные линзы являются продуктом высокотехнологичных научных разработок и изготавливаются из современных полимерных материалов. Они имеют целый ряд преимуществ перед минеральными линзами: высокая ударопрочность и следовательно высокая степень травмобезопасности; меньший вес по сравнению с минеральными линзами (примерно в 2 раза). Это позволяет людям с высокими диоптриями избавиться от целого ряда неудобств (например глаза в таких линзах кажутся менее увеличенными, чем в аналогичных минеральных линзах); хорошая окрашиваемость в любой цвет и оттенок; возможность нанесения широкого спектра многослойных покрытий, придающих линзам дополнительные свойства; возможность создания линз со сложной геометрией (асферические линзы).

Однако и у полимерных линз есть один недостаток – они легко царапаются. Но и этого можно избежать, если нанести специальное упрочняющее покрытие.

Минеральные линзы. Эти линзы изготавливаются из особых марок минерального стекла. Они могут быть бесцветными, окрашенными и фотохромными. Для придания линзам дополнительных свойств на них могут наносить специальные покрытия [4].

Преимущество минеральных линз это высокая устойчивость к механическим абразивным воздействиям, приводящим к образованию царапин.

Недостатки минеральных линз: меньшая ударопрочность по сравнению с полимерными линзами и, как следствие, более низкая степень травмобезопасности (поэтому минеральные линзы не рекомендуется использовать для изготовления детских и спортивных очков); больший вес по сравнению с полимерными линзами (примерно в 2 раза); невозможность их использовать в полуободковых (на леске) и безободковых ( на винтах) оправах.

Однофокальные и мультифокальные линзы. В зависимости от количества оптических зон коррекции зрения очковые линзы делятся на однофокальные и мультифокальные.

Однофокальные очковые линзы − это стандартные линзы, имеющие одну оптическую зону. Данный тип линз используется при близорукости (миопии) и дальнозоркости (гипермиопии).

Мультифокальные (бифокальные и прогрессивные) очковые линзы применяются для коррекции зрения на различных расстояниях (как для чтения, так и для повседневного ношения). Данный тип линз используется при возрастной дальнозоркости (пресбиопии), возникающей у людей после 40 лет в связи с возрастными физиологическими изменениями.

Бифокальные очковые линзы имеют две зоны коррекции зрения: внешне они выглядят как линза с сегментом-вставкой.

Прогрессивные очковые линзы −это линзы с постепенным изменением оптической силы. Они не имеют видимых границ между зонами коррекции зрения, и внешне выглядят как обычные однофокальные линзы.

Фотохромные линзы (народное название – «хамелеоны») темнеют на свету, выполняя солнцезащитную функцию, и восстанавливают свою прозрачность при слабом освещении. Реагируют они при этом не столько на видимый свет, сколько на ультрафиолетовое излучение. Поэтому в автомобиле фотохромные линзы «работают» хуже, чем на открытом воздухе – автомобильные стекла не пропускают значительную часть ультрафиолетового излучения солнца. Этот факт часто становится неожиданностью для владельцев очков с фотохромными линзами, и, тем не менее, он не свидетельствует о дефектности линз. Степень затемнения фотохромных линз в большой степени зависит еще и от температуры воздуха. В жару фотохромные линзы не достигают такого же затемнения, как при нормальных температурах, и это тоже не является дефектом.

Различаются фотохромные линзы по скорости затемнения– просветления, а еще – по оттенку. Что касается скорости, то она напрямую связана с качеством фотохромных линз – современные, высококачественные линзы являются, как правило, «скоростными», а устаревшие и дешевые – «работают» медленно. Скорость «работы» фотохромных линз, кроме того, зависит также и от окружающей температуры.

Оттенки фотохромных линз, чаще всего – серые или коричневые. Пластиковые фотохромные линзы часто имеют особый тип окраски, оттенок которой меняется по мере затемнения линзы – от светло-коричневого к темно-серому. При возвращении с улицы в помещение светло-коричневая окраска таких линз восстанавливается.

Сферические и асферические линзы. В зависимости от (геометрии) поверхностей очковые линзы могут быть: сферические – это линзы, наружная и внутренняя поверхности которых представляют собой части сферы. Данный тип линз наиболее широко распространен. Асферические – такие линзы отличаются от сферических сложной геометрией поверхности, что позволяет сделать их более тонкими и легкими. Эти линзы более плоские и потому не так заметно выступают за рамки оправы. Немаловажно и то, что асферические линзы уменьшают искажение окружающих предметов в зоне периферийного зрения, что создает дополнительное удобство при использовании очков. К тому же, такие линзы визуально не искажают размеры глаз.

Оптические стекла, благодаря ряду положительных оптических, технологических и эксплуатационных свойств и характеристик, являются наиболее типичными и распространенными материалами, используемыми для изготовления оптических деталей.

Чтобы получить более устойчивое прочное стекло, в состав добавляют оксиды 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, оксиды бора и бария, получая баритовые и тяжелые кроны. Сильно увеличивает показатель преломления и дисперсию стекла оксид свинца: его вводят до 15% в кронфлинты и более 40% в тяжелые флинты.[5]

Флинты – это класс стекол с высоким показателем преломления и относительно низким коэффициентом дисперсии. Сочетание этих параметров обеспечивается выбором химической основы. Именно она обеспечивает поляризацию кислорода и дисперсионные частоты, определяющие эти параметры. В большинстве случаев в состав входит оксид свинца РbO. Силикатные флинты чаще всего содержат кроме SiO₂ и PbO только щелочные оксиды (от 5 до 15мол. %) [6]. Показатель преломления в зависимости от состава изменяется в чрезвычайно широких пределах, что придаёт этой группе стекол исключительную роль в оптике.

Стекла марок крон-флинт (КФ) содержат незначительные количества PbO. Примеры составов остальных стекол, типичных для флинтов (мол.%), и их некоторые оптические постоянные приведены в таблице 3.

Таблица 3.Типичные составы силикатных флинтов

Кроны– тип оптического стекла, обладающие высоким (больше 0.5) коэффициентом средней дисперсии, иногда называемый числом Аббе, и сравнительно низким показателем преломления(~1,5). Показатели преломления современных кронов достигают значительно бо́льших значений (~ 1.75), при сохранении высокого числа Аббе. Среди них выделяются лёгкие кроны (ЛК), в состав которых, кроме B₂O₃ и SiO₂, практически всегда входят вместе со щелочными оксидами и щелочные фториды, вводимые через кислые соли (например, KHF₂). Они существенно снижают показатель преломления. Это создает трудности в производстве, поскольку фториды способствуют фазовому разделению и возникновению опалесценции, но эти компоненты совершенно необходимы для снижения показателя. Обычные кроны (К) кроме B₂O₃ и SiO₂ содержат небольшие добавки Al₂O₃, а также (либо – либо) CaO, BaO, ZnO.

Температуры стеклования обычных кронов от 550 до 600 °С, химическая устойчивость высокая.

Тяжелые кроны (ТК), как правило, содержат немного щелочей, или

совсем их не содержат, но концентрации BaO, ZnO и Al₂O₃ в них велики. Температуры стеклования велики – от 600 до 650 °С. Устойчивость к

влажной атмосфере высокая, но к растворам кислот эти стекла, как ни

странно, их устойчивость невысока.

Близки к этим стеклам баритовые кроны (БК). По оптическим

постоянным они выделяются в отдельную группу, но по химическому

составу и физико-химическим свойствам он близки к ТК.

Стекла типа кронфлинтов (КФ) помимо B₂O₃ и SiO₂ и щелочей содержат небольшое количество PbO. Их температуры стеклования (450–510 °С) поэтому ниже, чем у остальных кронов, но химическая устойчивость выше.

Оксиды сурьмы и мышьяка вводятся как осветлители стекломассы

(удаление пузырей на стадии осветления).

Значительное число составов фосфатных кронов (ФК, включая ТФК) основано на системе BaO – P₂O₅ – Al₂O₃. Редко они могут содержать SiO₂ (~ 6-10 мол.%, как ФК13 и ФК14). Иногда (как в ФК14) в состав ведено немного La₂O₃ (~ 2.5 %). Остальные составы ФК содержат только P₂O₅ (50 – 65 мол.%), BaO (11–33 мол.%) и Al₂O₃ (5 – 11%). Практически всегда ФК содержат около 5 мол.% B₂O₃. Современные оптические бесцветные стекла такого типа никогда не содержат щелочей, так как последние ухудшают химическую устойчивость. В таблице приведены примеры составов фосфатных кронов.

Таблица 5: Типичные составы оптических бесцветных фосфатных кронов

Химическая устойчивость к кислотам изменяется в широких пределах – от 1 до 5 группы, а по отношению к действию влажной атмосферы эти стекла имеют средние характеристики. При работе с фосфатными стеклами нужно иметь в виду их способность к растворению в воде и кислотах целиком, без образования поверхностной пленки. Это ясно из-за отсутствия в их составе кремнезема.

Также в состав оптических стекол может вводиться оксид германия как компонент в небольших количествах в состав силикатных, боратных, фосфатных и др. стекол, поскольку она увеличивает показатель преломления и не вызывает повышения кристаллизационной способности.

Однако наиболее интересные результаты были получены при использовании этого компонента в сочетании оксидами ZrO₂, HfO₂, La₂O₃,

и оксидами других редких элементов для получения специальных стекол с экстремальным сочетанием свойств (стекла типа СТФ и ТБФ). Эти стекла, однако, весьма дороги именно из-за стоимости реактивов. Варка стекол осуществляется в платиновых сосудах. Стекла обладают высокими Тg и очень «коротки», что осложняет их выработку отливом из расплава.

Традиционно для очковых линз используются стекла марок БОК-3, БОФ-60 и БОФ-65. БОК 3 – для изготовления однофокальных очковых линз; БОФ 60, БОФ 65 – для изготовления бифокальных спеченных очковых линз.

Показатель преломления БОК-3 составляет 1,5250, БОФ-60 − 1,6097, БОФ-65 − 1,6530.

Для изготовления бифокальных спеченных очковых линз необходимо, чтобы используемые марки стекол обладали близкими по величине температурными коэффициентами линейного расширения. Коэффициент линейного расширения в температурном интервале 20−120⁰С для БОК−3 составляет 93∙10^-7К^-1, в температурном интервале 20−300⁰С для БОФ−60− 90∙10^-7К^-1, в температурном интервале 20−420⁰С для БОФ−65− 92∙10^-7К^-1.

Для обеспечения разности температурных коэффициентов линейного расширения стекол не более 2×10^-7 1/град в интервале от начальной температуры спекаемых образцов до температуры отжига стекла БОК−3 проводится комплектация конкретных варок БОК−3 и БОФ−60 или БОК−3 и БОФ−65 для совместного спекания.

Относительная твердость по сошлифовыванию для стекла БОК-3 составляет 0,92, а и БОФ-60 или БОФ-65 – 0,83±0,03. Составы данных марок стекол приведены в таблице 1.

Для изготовления более тонких очковых линз используются флинтовые стекла, имеющие более высокий показатель преломления. У стекол марок ЛОФ2, ЛОФ1, ЛОФ2М показатель равен соответственно 1,60,1,65,1,70. Однако стекла с более высоким показателем преломления имеют и большую плотность.

Таблица 1.1− Составы стекол

Содержание оксидов, %	БОК−3	БОФ−60	БОФ−65
SiO2	72,3	58,43	65
B2O3	−	4,98	4,78
К2О	2,33	2,32	1,22
Na2O	14,12	9,74	10,10
TiO2	−	3,12	3,99
СаО	9,47	7,14	13
SrO	−	5,53	3,89
BaO	1,02	3,70	7,97
Sb2O3	0,06	0,08	0,10
PbO	−	4,84	2,67
As2O3	0,09	0,12	0,12
Al2O3	0,61	−	−
ZnO	−	−	3,92
ZrO2	−	−	2,16

Так, в целом группа кроновых стекол имеет плотность от 2,3 до 4,1 г/см³, а группа флинтовых – от 2,6 до 5,2 г/см³.

Некоторые марки флинтовых стекол имеют желтоватый оттенок, что нежелательно для очковых линз. Стекла, применяемые для изготовления очковых линз, должны сочетать высокий показатель преломления с малой плотностью и высоким числом Аббе.

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

В настоящие время для изготовления очковых линз используются стекла с показателями преломления 1,52; 1,60; 1,70 и 1,80. Французская фирма «ВВGR» выпускает очковые линзы из минерального стекла с показателем преломления 1,9.

В таблице 1.2 приведены оптические характеристики некоторых зарубежных марок стекол, используемых для изготовления очковых линз [8].

Таблица 1.2 − Оптические характеристики некоторых зарубежных оптических бесцветных стекол, используемых для изготовления очковых линз.

Марка стекла (производитель)	n	νe	Плотность, г/см3
STIGMAL (фирма ESSILOR)	1,525	59	2,54
STIGMAL 16 (фирма ESSILOR)	1,604	41	2,60
60043 1,6/41 Blanc TC (Corning)	1,600	41,5	2,63
FIT 40 (фирмы ESSILOR)	1,706	40	2,99
70035 1,7/35 Blanc (Corning)	1,700	34,6	3,21
Rodalent 1,7 («Rodenstock» Германия)	1,706	39,3	3,20
Rodalent 1,8 («Rodenstock» Германия)	1,800	35,4	3,60
STIGMAL 18 (фирма ESSILOR)	1,807	35	3,65
UNEM19 (BBGR Франция)	1,900

Ультрафиолетовое излучение, воздействуя на глаза, вызывает резкую боль в глазах, ухудшение зрения, головную боль. Эти явления сопровождаются сильным слезотечением, а иногда светобоязнью и поражением роговицы. Если воздействие УФ излучения продолжается – может наступить необратимое поражение роговицы и потеря зрения. Учитывая, что население подвергается воздействию солнечной радиации, в том числе ее ультрафиолетовой частью, оно нуждается в линзах с защитой от ультрафиолета.

Разработано новое очковое стекло БОК-3 УФ, выпускаемое в виде заготовок (линз), которые используются для стигматики и астигматики.

Основные характеристики соответствуют ГОСТ 8778-81, а именно: заготовки следует выполнять из бесцветного неорганического оптического стекла; показатель преломления − 1,525 ± 0,002; коэффициент дисперсии − не менее 58; показатель ослабления − не более 0,0130 см^–1; свили в стекле заготовок, приводящие к искажению рассматриваемого объекта в очковой линзе, не допускаются; плотность − 2,53 г/см³; стекло должно быть устойчивым к солнечной радиации.

Качественно новой характеристикой стекла БОК-ЗУФ является защита глаз от воздействия ультрафиолетового излучения, особенно опасного в области длин волн короче 320нм при сохранении высокой прозрачности для видимых лучей.