Добро пожаловать на наш астрономический форум!
Надеемся, что здесь вы сможете получить толковые ответы на свои вопросы по любительской астрономии основанные на опыте и знаниях, а не на догадках, мифах и чтении Интернета по диагонали.
Если вы решили присоединиться к нам - придерживайтесь и Вы в своих ответах этих правил

Зоны особого внимания: ЧАВО (FAQ), Обзоры оборудования и Окуляры

Типы оптических стекол

Базовые понятия и термины астрономической оптики

Модератор: Ernest

Ответить
Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 12199
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Контактная информация:

Типы оптических стекол

Сообщение Ernest » 27 янв 2019, 15:20

Чем оптические стекла отличаются от прочих стекол?

Оптические стекла характеризуются чрезвычайно узкими допусками на свои базовые оптические параметры, такие как:
  • коэффициент преломления: n, ne, nD
    - дает количественную оценку силе преломления стекла (в законе Снеля n = sin(a)/sin(a')), коэффициент преломления оптических стекол лежит в диапазоне от примерно от 1.5 до 2.0, с меньшим коэффициентом преломления - так называемые "легкие", с большим - "тяжелые". значения показателя преломления используемые в расчете учитывают 4-5 десятичных значков после запятой, допуск на значение показателя преломления высших категорий оптического стекла порядка 0.0005, низших - 0.002, коэффициент преломления обычно нормируют для длины волны e (546.1 нм), хотя могут встретиться и для других длин волн, например, D (589.3 нм).
  • дисперсия: средняя - nF-nC и nF'-nC', коэффициент Аббе - ve = (ne - 1)/(nF'-nC'), ve = (nD - 1)/(nF-nC), производная коэфф. преломления по длине волны - dn/dλ
    - дает количественную оценку дисперсионной силы стекла - того, насколько это стекло при преломлении света сильнее разлагает его в спектр. Простейший параметр - разница коэффициента преломления для синего (длина волны C - 486.1 нм или F' - 480.1 нм) и красного (длина волны C - 656.3 нм или C' - 643.8 нм) света nF-nC или nF'-nC'. Средняя дисперсия составляет порядка 0.007 для легких кронов и доходит до 0.025 для тяжелых флинтов. Чуть сложнее (но и удобнее при предварительных расчетах) коэффициент (число) Аббе ve = (ne - 1)/(nF'-nC') или ve = (nD - 1)/(nF-nC) - относительная дисперсия. Число Аббе для кронов (стекла, которые менее склонны к разложению света в спектр) составляет более 50, для флинтов (сильнее разлагают свет) - менее 50. Чем меньше коэфф. Аббе тем сильнее дисперсия. Допуск на среднюю дисперсию в оптических стеклах выдерживается с точностью до 0.00005 (в высших категориях).
А также нормированием (с жестким контролем) характеристик качества, таких как:
  • пузырность
    - число и размеры газовых пузырей и проч. включений в оптических заготовках (что влияет на уровень светорассеивания и чистоту поля зрения).
  • оптическая однородность
    - ограничение на постоянство показателя преломления по объему стекла (что может вносить артефактные нерегулярные аберрации в тонкую структуру изображения)
  • двойное лучепреломление
    - ограничение на разность хода света поляризованного в разных плоскостях (свидетельствует о наличие внутренних напряжений, возможной неадекватной реакции стекла на перепады температуры, потери в пределе разрешения)
  • (бес)свильность
    - ограничение на включение в заготовки свилей - пленок и жгутов с отличным показателем преломления, оставшихся из-за недостаточного перемешивания материала (оптика со свилями дает характерные несимметричные ореолы вокруг изображений источников света, изображение имеет пониженный контраст)
  • поглощение света (в том числе и на разных длинах волн)
    - обычно характеризуется коэффициентом поглощения на длине хода в 1 см для разных длин волн

Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 12199
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Контактная информация:

Re: Типы оптических стекол

Сообщение Ernest » 02 фев 2019, 18:09

Типы и диаграмма стекол

Показатель преломления и дисперсия строго фиксированы для каждой марки стекла, зависят от состава стекла (процентное содержание тех или иных окислов) и выдерживаются при изготовлении заготовок в процессе тонкого отжига. С точки зрения оптических свойств существенных для расчета оптических систем все стекла делятся на пять больших групп:
  • легкие и обычные кроны
    - характеризуются небольшой дисперсией и малой преломляющей силой: примерно n < 1.6, коэффициент Аббе > 55). Например, стекло К8 (самая распространенная отечественная марка дешевого крона) имеет по ГОСТ 3514-94 ne= 1.5183, ve = 63.83 или его аналог из каталога SCHOTT BK-7 nd= 1.5168, vd = 64.17. Кроме собственно кронов в эту группу входят легкие кроны (ЛК), фосфатные кроны (ФК), баритовые кроны (БК) и особые (флюоритовые) кроны (соответственно в каталоге SCHOTT: K, PK, BK, BAK, FK) - всего десятки марок стекол;
  • тяжелые и сверхтяжелые кроны
    - имеют сравнительно небольшую дисперсия на фоне высокого показателя преломления. Например: тяжелый крон ТК16 по ГОСТ 3514-94 ne= 1.6152, ve = 58.09 или его западный аналог SK-2 (nd= 1.6074, vd = 56.65). Кроме собственно тяжелых кронов в эту группу входят тяжелые фосфатные кроны (СФК), сверхтяжелые кроны (СТК) (соответственно в каталоге SCHOTT: PSK, SK, SSK, LaK). Марок этих стекол так-же много больше десятка (это если считать только самые употребительные);
  • крон-флинты
    - имеют средние значения дисперсии и показателя преломления. Например: отечественное стекло КФ4 по ГОСТ 3514-94 ne= 1.5203, ve = 58.72 или его западный аналог KF-9 (nd= 1.5235, vd = 51.54). Это небольшая группа стекол - менее десятка.
  • легкие и обычные флинты
    - характеризуются большой дисперсией и умеренным показателем преломления. Например: отечественный самый дешевый флинт Ф1 (ne= 1.6169, ve = 36.70) или его аналог в каталоге SCHOTT F-2 (nd= 1.6034, vd = 38.03). Кроме собственно флинтов сюда входят легкие и баритовые флинты (ЛФ и БФ) или LLF, LF, F и BaF в каталоге SCHOTT. Флинтов - в каталогах с пару десятков.
  • тяжелые и сверхтяжелые флинты
    - большие и дисперсия и показатель преломления. Например, отечественный ТФ4 (ne= 1.7461, ve = 27.95) или его аналог в каталоге SCHOTT SF-10 (nd= 1.7282, vd = 28.41). Кроме собственно тяжелых флинтов сюда входят тяжелые баритовые флинты (ТБФ) и сверхтяжелые флинты (СТФ) или BaSF, SF, LaF и LaSF в каталоге SCHOTT. Марок этих стекол - несколько десятков.
Есть еще так называемые особые флинты - они характеризуются не столько показателем преломления и дисперсией, сколько особым ходом частных дисперсий (второй производной дисперсии).

Стоит отметить, что каждая марка стекла характеризуется той или иной группой химической стойкости, сопротивлением к истираемости (шлифованию/полировке), твердостью, хрупкостью, коэффициентом теплового расширения, термоаберрациями, склонностью к пузырности и свильности, оптической неоднородности, размерами доступных заготовок, и, наконец, ценой. Последняя за килограмм заготовки может варьироваться от марки к марке на порядок (в десять раз) и даже больше.
Вложения
ГОСТ.jpg
ГОСТ.jpg (24.79 КБ) 1465 просмотров

Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 12199
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Контактная информация:

Re: Типы оптических стекол

Сообщение Ernest » 02 фев 2019, 18:23

Диаграмма Шоттовских стекол

SCHOTT.png

Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 12199
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Контактная информация:

Re: Типы оптических стекол

Сообщение Ernest » 05 фев 2019, 10:12

Зачем так много марок стекол?

Флинты и кроны нужны в сочетании друг с другом для контроля над хроматизмом (обычно для его устранения). Это и традиционные ахроматические склейки (пар линз из крона и флинта), и просто сочетание одиночных (обычно последовательно расположенных) двух-трех линз в сложной оптической системе. Сочетанием разных по показателю преломления флинта и крона устраняют сферическую или астигматизм. К тому-же при некоторой свободе выбора флинта в качестве пары к заданному крону удается в дополнение к этому компенсировать еще и какую-то монохроматическую аберрацию (типа комы). Поэтому к выбранному из каких-то соображений крону оптикам расчетчикам хотелось бы иметь доступными несколько флинтов и наоборот. Это и требует известного разнообразия марок как кронов, так и флинтов - чтобы развязать руки расчетчику в достижении качественной коррекции аберраций минимумом линз в современных оптических системах.

Тяжелые (в том числе "лантановые") стекла дороги, но они позволяют оперировать меньшими кривизнами оптических поверхностей (при достижении той-же оптической силы), что благоприятно сказывается на подавлении аберраций высшего порядка в оптических системах с экстремальными характеристиками (по полю зрения, апертуре, светосиле и т.д.). Использование марок тяжелых стекол, как ни странно, благодаря более "плоской" форме линз способствует облегчению веса как оптической системы, так и веса закупаемых заготовок. Легкие стекла, напротив - дешевы и обычно имеют лучшие технологические свойства и характеристики оптического качества, их часто применяют в качестве наружных оптических элементов (менее подвержены пятнаемости, лучше сопротивляются эксплуатационным потертостям), а так-же в бюджетной оптике с рядовыми оптическими параметрами.

Особые стекла такие как флюоритовые кроны ("ОК" по ГОСТ, "FK" в каталоге SCHOTT, "FPL" в каталоге Ohara, "ED" в популярной литературе и у продавцов) и особые флинты ("ОФ" по ГОСТ, "KzFS" в каталоге SCHOTT, "NB" в каталоге Ohara) требуются хотя бы по одной линзе на оптическую систему для борьбы с вторичным хроматизмом (в апохроматах). Опять-же среди них есть более дорогие нетехнологичные марки и более бюджетные (хотя и не столь эффективные).

Некоторые марки стекол разработаны как более устойчивые к эксплуатационным воздействиям (хотя и не столь совершенные в части оптических свойств), таким как орошение, действие слабых кислот и щелочей, перепады температуры, воздействие радиации. При разработке других, напротив, все внимание было уделено достижению высших оптических параметров даже и в ущерб эксплуатационным свойствам (требуют более или менее серьезных ограничений на условия эксплуатации).

Обычно расчетчик оптической системы при разработке нового объектива стремится к оптимизации не только качества изображения, но и к минимизации стоимости используемого в нем стекла, из которого будут изготовлены линзы. Как правило это достигается сочетанием в одной оптической системе нескольких марок стекла. Когда вы видите лейбл "ED" на объективе или окуляре, это совсем не значит, что все его линзы изготовлены из ED стекол - это значит, что схема включает одну линзу из ED (скорее всего самый дорогой компонент). Без сочетания нескольких марок стекол современных сколь-нибудь сложных оптических систем не бывает.

Ответить