光学玻璃（用于光学领域的玻璃）
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更新时间：2023-05-16
光学玻璃
用于光学领域的玻璃
概念
传输光线的非晶态(玻璃态)光介质材料。可用以做成棱镜、透镜、滤光片等各种光学元件，光线通过后可改变传播方向、位相及强度等。根据不同的要求，可把光学玻璃分为三大类：①无色光学玻璃——在可见及近红外相当宽广波段内几乎是全透明的，是使用量最大的光学玻璃。按折射率和色散的不同有上百个牌号，可分为两个品种，即冕牌光学玻璃(以K代表)和火石光学玻璃(以F代表)。冕牌玻璃是硼硅酸盐玻璃，加入氧化铝后成为火石玻璃。二者的主要区别是火石玻璃的折射率和色散都较大，因而光谱元件多用它制造。②耐辐射光学玻璃——具有无色光学玻璃的各项性质，并能在放射性照射下基本不改变性能。用于受γ辐照的光学仪器，其品种及牌号与无色光学玻璃相同。其化学成分是在无色光学玻璃的基础上，添加少量二氧化铈来消除高能辐射在玻璃中形成的色心，使这种玻璃在受辐照后光吸收变化很小。③有色光学玻璃——对某些波长的光具有特定吸收或透射性能。亦称滤光玻璃，有百余个品种。颜色滤光片对某些颜色能选择吸收，中性滤光片对所有波长的光的吸收相同，只是减低光束强度而不改变其颜色。干涉滤光片则是根据光的干涉原理，将不需要的颜色反射掉而不是吸收。
前景
光学玻璃是光电技术产业的基础和重要组成部分。特别是在20世纪90年代以后，随着光学与电子信息科学、新材料科学的不断融合，作为光电子基础材料的光学玻璃在光传输、光储存和光电显示三大领域的应用更是突飞猛进，成为社会信息化尤其是光电信息技术发展的基础条件之一。
据《中国光学玻璃制造行业产销需求与投资预测分析报告前瞻》数据显示随着国内经济持续、稳定发展，中国光学玻璃制造行业发展迅猛。根据国家统计局数据显示，2010年，光学玻璃制造行业规模以上企业数量达246家，行业全年实现销售收入为234.05亿元，同比增长53.70%;实现利润15.37亿元，同比增长87.10%;资产规模达到264.50亿元，同比增长77.49%。由于光学玻璃制造行业以国内销售为主，金融危机对其影响相对较小，行业依然表现出较好的增长势头。
近年来，中国已经逐渐成为世界上重要的光学玻璃制造生产基地。国外企业加速进入中国，与国内企业组建合资公司，经过激烈的市场竞争的锤炼，三资企业已经成为了中国光学玻璃制造行业的竞争主体，民营企业紧随其后。
产品介绍
英玻璃等。光学玻璃具有高度的透明性、化学及物理学(结构和性能)上的高度均匀性，具有特定和精确的光学常数。它可分为硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟化物和硫系化合物系列。品种繁多，主要按他们在折射率(nD)-阿贝值(VD)图中的位置来分类。传统上
，
和nD55的各类玻璃定为冕(K)玻璃，其余各类玻璃定为火石(F)玻璃。冕玻璃一般作凸透镜，火石玻璃作凹透镜。通常冕玻璃属于含碱硼硅酸盐体系，轻冕玻璃属于铝硅酸盐体系，重冕玻璃及钡火石玻璃属于无碱硼硅酸盐体系，绝大部分的火石玻璃属于铅钾硅酸盐体系。随着光学玻璃的应用领域不断拓宽，其品种在不断扩大，其组成中几乎包括周期表中的所有元素。
通过折射、反射、透过方式传递光线或通过吸收改变光的强度或光谱分布的一种无机玻璃态材料。具有稳定的光学性质和高度光学均匀性为了使光学系统传递的图像清晰、不畸变，要求玻璃具有高度的均匀性以及特定而且精确的光学常数。
1768年，法国人P.L.纪南在粘土坩埚中采用搅拌的方法首创均匀的光学玻璃。中国在50年代开始研制光学玻璃,60年代已能生产出50～60个牌号，在近10～20年来发展了特殊相对色散玻璃、热光畸变小的光学玻璃，并改善了它们的化学稳定性和析晶性能。
光学分类
按光学特性分为：无色光学玻璃、防辐照光学玻璃、耐辐照光学玻璃、有色光学玻璃、紫外和红外光学玻璃、光学石英玻璃
光学玻璃
③耐辐照光学玻璃。在一定的γ射线、X射线辐照下，可见区透过率变化较少，品种和牌号与无色光学玻璃相同，用于制造高能辐照下的光学仪器和窥视窗口。
④有色光学玻璃。又称滤光玻璃。对紫外、可见、红外区特定波长有选择吸收和透过性能，按光谱特性分为选择性吸收型、截止型和中性灰3类；按着色机理分为离子着色、金属胶体着色和硫硒化物着色3类，主要用于制造滤光器。
⑤紫外和红外光学玻璃 在紫外或红外波段具有特定的光学常数和高透过率，用作紫外、红外光学仪器或用作窗口材料。
色散分类
按色散又分为两类：色散较小的为冕类(K)，色散较大的为火石类(F)。
①冕类光学玻璃 分为氟冕(FK)、轻冕(QK)、磷冕(PK)、重磷冕 (ZPK)、冕(K)、重冕(ZK)、钡冕(BaK)、镧冕(LaK)、钛冕(TiK)和特冕(TK)等。
②火石类光学玻璃 分为轻火石(QF)、火石(F)、重火石(ZF)、钡火石(BaF)、重钡火石 (ZBaF)、镧火石(laf)、重镧火石(ZLaF)、钛火石(TiF)、冕火石(KF)和特种火石(TF)等。它们在折射率nd与色散系数v的关系图像（见图）中分布在不同的领域。
抗辐射玻璃 是广义光学玻璃的一种。包括防辐射玻璃和耐辐射玻璃。
光学玻璃
①防辐射玻璃 主要是对 γ射线和X射线有较大吸收能力的玻璃。当γ射线或X射线进入防护玻璃时，由于玻璃内部产生光电效应、生成正负电子对，同时产生激发态和自由态电子，使射入的 γ射线或X射线能量减小，穿透力下降，起到了防护作用。
当防辐射玻璃的密度增加时，屏蔽能力也相应增加。防γ射线的玻璃的密度通常不小于4.5g/cm。近年来，已开始用密度为6.2～6.5g/cm的玻璃，常用的有ZF系列。
②耐辐射光学玻璃 主要指在γ射线作用下不易着色的光学玻璃。耐辐射光学玻璃牌号的命名，仍根据光学玻璃牌号，注明能耐辐射的伦琴数，例如，K509耐辐射光学玻璃的光学常数同K9,且能耐10伦琴剂量的γ射线。普通玻璃受高能射线辐射后产生自由电子，它与玻璃内部的缺位结合，形成色心。同时也可使原子核移位，破坏了正常的结构，也产生色心，使玻璃着色。
耐辐射光学玻璃中引入了
，在高能γ射线辐照后，由于
,能俘获电子，不使玻璃内部产生色心，且因Ce和Ce的吸收带在紫外区。当含量过高时，在紫外、红外的吸收带延伸到可见光区，使可见光的蓝色区域吸收增加，导致玻璃呈黄色。同时，也会因玻璃中其他成分的影响而加深颜色，所以的含量不能太高，在K509中的含量约为0.4％～0.5％，在K709中约为1％。
制作原料
生产方法
光学玻璃
①熔炼 有单坩埚间歇熔炼法和池窑(见窑)连续熔炼法。单坩埚熔炼法又可分为粘土坩埚熔炼法和铂坩埚熔炼法。不论采用何种熔炼方式均需用搅拌器搅拌，并严格控制温度和搅拌，使玻璃液达到高度均匀。粘土坩埚能熔炼绝大部分冕玻璃和火石玻璃，成本低，且在玻璃的熔化温度超过铂的使用温度时采用。铂坩埚可熔炼质量较高、对粘土坩埚有严重侵蚀作用的玻璃，如重冕、重钡火石、稀土玻璃和氟磷玻璃。铂坩埚用电加热，一般采用硅碳棒或硅钼棒电炉。但制造析晶倾向大、要求迅速降温以及对气氛有一定要求的玻璃，则可采用高频加热。
60年代以来，各国相继采用内衬铂的连续池窑熔炼，使光学玻璃的产量大大提高，质量也好，这是目前光学玻璃生产工艺发展的主要趋势。
②成型 光学玻璃的成型法有古典破埚法、滚压法和浇注法，但目前越来越广泛地采用漏料成型（用单坩埚或连熔流出料液），能直接拉棒或滴料压型或漏料成型大尺寸的毛坯，提高料滴利用率和成品率。
冷加工技术
发展方向
光学玻璃
最早被人们用来制作光学零件的光学材料是天然晶体，据称古代亚西利亚用水晶作透镜，而在古代中国则应用天然电气石（茶镜）和黄水晶。考古家证明公元三千年前在埃及和我们（战国时代）人们已能制造玻璃。但是玻璃作为眼镜和镜子还是十三世纪在威尼斯开始的。恩格斯在“自然辨证法”中对此曾给予很高的评价，认为这是当时的卓越发明之一。此后由于天文学家与航海学的发展需要，伽利略、牛顿、笛卡儿等也用玻璃制造了望远镜和显微镜。从十六世纪开始玻璃已成为制造光学零件的主要材料了。
1768年纪南在法国首先用粘土棒搅拌的方法制得了均匀的光学玻璃，从而开始建立了独立的光学玻璃制造工业。在十九世纪中叶，几个发达的资本主义国家都先后建立了自己的光学玻璃工厂，如法国帕腊-芒图公司（1872年）、英国钱斯公司（1848）、德国萧特公司(1848)等。
十九世纪光学仪器有很大发展。第一次世界大战前夕，德国为了迅速发展军用光学仪器，要求打破光学玻璃品种贫乏的限制。这时，著名物理学家阿员参加了萧特厂的工作。他在玻璃中加入了新的氧化物如
等，并且研究了它他对玻璃光学常数的影响。在这基础上，发展了钡冕、硼冕、锌冕等类型玻璃，同时也开始试制了特殊相对部分色散的燧石玻璃。在这时期内，光学玻璃品种有了很大的扩展，因而在光学仪器方面出现了较完整的照相机及显微镜物镜。
直至二十世纪三十年代以前，大部分工作仍在萧特厂基础上进行。到1934年获得了一系列重冕玻璃，如德国号SK-16（620/603）及SK-18（639/555）等。到此为止，可以认为是光学玻璃发展的一个阶段。
二次世界大战前后，随着各种光学仪器如航空摄影，紫外与红外光谱仪器、高级照相物镜等的发展，对光学玻璃又产生了新的需要。这时，光学玻璃也就相应地有了新的发展。1942年，美国摩莱（Morey）及以后苏联与德国的科学工作者都相继把稀士及稀散氧化物引入玻璃中，因而扩大了玻璃品种，得到了一系列高折射率低色散的光学玻璃，如德国LaK,LaF，苏联CTK及ТЬФ等品种系列。与此同时，也进行了低折射率大色散玻璃的研究并得到一系列氟钛硅酸盐系统的光学玻璃，如苏联ЛФ-9，ЛФ-12，德国F-16等品种。
由于各种新品种光学玻璃在加工或使用性能上或多或少地存在着缺陷，因此在研究扩展光学玻璃领域的同时，还针对改善各种新品种光学玻璃的物理和物理化学性质。以及生产工艺进行了许多工作。
综观以上历史发展的过程，可以预言今后光学玻璃的发展方向是：
①制得特别高折射率的玻璃；
②制得特殊相对部分色散的玻璃；
③发展红外及紫外光学玻璃；
④取代玻璃中某些不良的成分如放射性的
，有毒的BcO，
等；
⑤提高玻璃的化学稳定性；
⑥提高玻璃透明度和防止玻璃辐射着色；
⑦改进工艺过程，降低新品种玻璃价格。
光学玻璃的质量要求
光学玻璃和其它玻璃的不同之点在于它作为光学系统的一个组成部分，必须满足光学成象的要求。因此，光学玻璃质量的判定也包括某些特殊的和较严格的指标。对光学玻璃有以下要求:
一、特定的光学常数以及同一批玻璃光学常数的一致性
每一品种光学玻璃对不同波长光线都有规定的标准折射率数值，作为光学设计者设计光学系统的依据。所以工厂生产的光学玻璃的光学常数必须在这些数值一定的容许偏差范围以内，否则将使实际的成象质量与设计时预期的结果不符而影响光学仪器的质量。同时由于同批仪器往往采用同批光学玻璃制造，为了便于仪器的统一校正，同批玻璃的折射率容许偏差要较它们与标准值的偏差更加严格。
二、高度的透明性
光学系统成象的亮度和玻璃透明度成比例关系。光学玻璃对某一波长光线的透明度以光吸收系数Kλ表示。光线通过一系列棱镜和透镜后，其能量部分损耗于光学零件的界面反射而另一部分为介质（玻璃）本身所吸收。前者随玻璃折射率的增加而增加，对高折射率玻璃此值甚大，如对重燧玻璃一个表面光反射损耗约6%左右。因此对于包含多片薄透镜的光学系统，提高透过率的主要途径在于减少透镜表面的反射损耗，如涂敷表面增透膜层等。而对于大尺寸的光学零件如天文望远镜的物镜等，由于其厚度较大，光学系统的透过率主要决定于玻璃本身的光吸收系数。通过提高玻璃原料的纯度以及在从配料到熔炼的整个过程中防止任何着色性杂质混入，一般可以使玻璃的光吸收系数小于0.01(即厚度为1厘米的玻璃对光透过率大于99%)。
稀土元素
三十年代出现了新的稀土元素光学玻璃，主要成分是镧、钍、钽的氧化物。稀土元素光学玻璃有很高的折射率，为光学镜头的设计开辟新的可能性。今日大孔径镜头中多有镧玻璃。钍玻璃因有放射性，已停止生产。无铅光学玻璃
无铅光学玻璃不含铅、砷，以N标志。
光学玻璃分类
化学成分和光学性质相近的玻璃，在阿贝图上也分布在相邻的位置。阿贝图有一组直线和曲线，将阿贝图分成许多区，将光学玻璃分类；列如冕牌玻璃K5、K7、K10在K区，燧石玻璃F2、F4、F5在F区。玻璃名称中的符号：
F 代表燧石
K 代表冕牌
B 代表硼
BA 代表钡
LA 代表镧
N 代表无铅
P 代表磷
光学玻璃的物理参数
Vd阿贝数 四位有效数字
nd折射率 七位有效数字
Ve 四位有效数字
ne 七位有效数字
玻璃的密度. 四位有效数字
玻璃的透明度。四位有效数字
折射率随着温度变化的系数 三位有效数字
国际玻璃码
国际玻璃码用九位数字表示，形式为：xxxxxx.xxx;
头三位数字代表折射率nd小数点后头三位数。
下三位数字代表阿贝数Vd头三位数，不计小数点。
小数点后的三位数代表玻璃的密度，不计小数点
例如K10玻璃
密度=2.52；不计小数点=252
K10 的国际玻璃码是501564.252
参考资料
[1]
信息网[引用日期2010-04-18]
