2. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА

2.1. Нормируемые показатели качества

Нестабильность оптических характеристик стекла существенно влияет на качество передачи изображения оптической системой прибора.

Допуски на показатели качества материалов рассчитывают в соответствии с техническими требованиями к оптической системе. Завышение требований к показателям качества сверх необходимых не дает заметного улучшения выходных характеристик прибора, в то же время резко увеличивает стоимость оптического материала. Например, при изменении требований к оптической однородности стекла с третьей категории на первую стоимость стекла возрастает в 4-5 раз.

Оптические бесцветные стекла нормируют в заготовках по следующим показателям качества: показателю преломления ne, средней дисперсии nF-nC, однородности партии заготовок по показателю преломления и средней дисперсии, оптической однородности, двойному лучепреломлению, бессвильности, показателю ослабления, пузырности.

В зависимости от предельных отклонений указанных показателей ГОСТ 3514 предусматривает различные категории и классы качества стекла.

Показатель преломления nC и средняя дисперсия нормируются пятью категориями качества со следующими допустимыми отклонениями  и :

Таблица 3:

Стекло обычного качества, используемое для изготовления оптических деталей кинофотооптики, относится к 4-й категории по  и .

Допуски на  и  могут быть расширены по сравнению с расчетными при условии ограничения отклонений по этим показателям для заготовок внутри одной партии.

В этом случае фактические значения  и  учитываются при комплектовании оптических деталей системы, а необходимое качество выходных параметров сохраняется путем коррекции геометрических размеров линз: толщины, радиусов или воздушных промежутков между линзами.

По однородности показателя преломления  в партии заготовок установлено четыре класса, а по средней дисперсии  два класса качества.

Таблица 4:

Оптическая неоднородность стекла и других оптических материалов рассматривается как неоднородность показателя преломления по объему материала.

В зависимости от причины образования неоднородности могут быть химического или физического происхождения. Химические неоднородности – свили возникают в процессе варки и выработки стекла и обусловлены непостоянством химического состава ввиду непровара или улетучивания отдельных компонентов, разъедания стенок стекловаренных сосудов и плохой гомогенизации расплава. Различают слоистые нитевидные свили и узловые в виде небольших вытянутых сфер с отходящими от них нитями

Метод контроля бессвильности заключается в оценке теневой картины свили, получаемой на экране проекционной установки и сравнением ее с теневой картиной эталонных свилей 1-й или 2-й категории бессвильности.

Физические неоднородности связаны с образованием в заготовках стекла остаточных напряжений при отжиге вследствие быстрого охлаждения или температурных градиентов в печи. Напряжения в прозрачных материалах вызывают появление двойного лучепреломление и изменение значения показателя преломления.

При прохождении через напряженное стекло поляризованного луча, полученного с помощью какого-либо поляризатора, происходит его раздвоение на лучи, распространяющиеся в плоскости главных напряжений с разной скоростью и имеющие на выходе разность хода. Разность хода лучей, измеряемая в нанометрах на сантиметр пути, характеризуют двойное лучепреломление. Физические неоднородности могут быть устранены повторным тонким отжигом. По двойному лучепреломлению установлено пять категорий качества с предельными отклонениями 1,5-65 нм/см.

Бессвильность и двойное лучепреломление позволяют быстро оценить оптическую однородность заготовки и при небольших размерах заготовки являются достаточными критериями ее качества. Однако оба эти показателя не дают количественной оценки неоднородности на различных участках заготовки больших размеров и не характеризуют плавные изменения показателя преломления, хотя последние ухудшают качество изображения больше, чем одиночные грубые свили.

Измерить непосредственно значения показателя преломления по полю заготовки весьма сложно. Поэтому предусмотрено несколько косвенных методов оценки оптической однородности. Первый – определение числового отношения угла разрешения φ коллиматорной установки, в которую введена заготовка, к углу разрешения φ0 той же установки без образца стекла. Метод используется для контроля заготовок размерами 60-250 мм, для него установлено четыре категории качества стекла с отношением φ/φ0, равным 1,0-1,2. При контроле заготовок, относящихся к первой категории качества, дополнительно контролируется качество изображения дифракционной точки на коллиматоре. Точка должна проецироваться в виде центрального пятна окруженного двумя концентрическими кольцами без разрывов, хвостов и искажения формы. Оптическую однородность заготовок размерами более 250 мм оценивают по коэффициентам, характеризующим влияние различных факторов: двойного лучепреломления, бессвильности, асимметричности физических неоднородностей по полю. Заготовки, предназначенные для изготовления оптических деталей высокоточных объективов коллиматоров, интерференционных и астрономических приборов, у которых остаточные волновые абберации системы имеют значения, соизмеримые с дополнительными искажениями, вызываемыми неоднородностью стекла, проверяют интерференционными методами по искажению волнового фронта. Точность измерения Δn должна быть в пределах (15)*10-6. Требования к однородности подобных деталей оговариваются особо в технической документации на заготовку. Светопоглощение стекла нормируется по показателю ослабления μА, представляющему собой величину. Обратную расстоянию, на котором поток излучения источника света типа А ослабляется в результате поглощения и рассеивания в стекле в 10 раз.

Уменьшение ослабления света в стекле имеет большое значение при производстве многолинзовых оптических систем объективов для передачи цветного изображения, волоконно – оптических элементов.

Установлено восемь категорий качества стекла, нормируемых по показателю ослабления, с допустимыми значениями μА=0,00020,0130см-1.

2.2. Пороки стекла.

Получить стекло, полностью свободное от пороков, практически невозможно.

Пузыри и приравниваемые к ним камни в стекле являются включениями, образующимися при варке вследствие плохого осветления светомассы, попадания в нее непроваренных частиц шихты и шамота со стенок варочного сосуда и образование кристаллов (рис.1,в). Одиночные пузыри не влияют на разрешающую способность прибора. Увеличение числа пузырей приводит к экранированию света, увеличению его рассеивания. В деталях типа сеток, лимбов, расположенных в фокальной плоскости измерительных приборов, прижимных пластинах проекционных приборов, пузыри четко просматриваются и мешают наблюдению, число их должно ограничиваться. Вскрытые пузыри на рабочих поверхностях оптических деталей при обработке приводят к появлению располированных зон, затрудняют чистку оптических деталей. Камни являются источником возникновения трещин и напряжений в стекле при термических нагрузках.

Присутствие пузырей и камней в заготовках регламентируется; ГОСТ 13240 установлено 11 категорий качества. В заготовках первой категории не допускаются пузыри диаметром более 0,002 мм, по десятой категории разрешается присутствие пузырей до 5 мм. Кроме того, каталогом оптического стекла предусмотрена оценка пузыристости сырьевого блочного стекла по числу пузырей, видимых на площади проекции куба стекла объемом 100 см3. Эта оценка является справочной и используется при разделке блока стекла на заготовки.

Камни, кристаллы и головки узловых свилей оценивают как пузыри такого же диаметра. Камни, сопровождаемые трещинами в заготовках оптических деталей, не допускаются (рис.1,г).

3. ЦВЕТНОЕ СТЕКЛО

Цветное стекло – оптическое (ГОСТ 9411), предназначено для изготовления различных светофильтров, применяемых в фотографии, наблюдательных и спектральных приборах, для защиты глаз от вредного светового действия источников света в ультрафиолетовой видимой или инфракрасной области и т.п. Изготовляется свыше ста марок цветного стекла. В зависимости от спектральных свойств стекла делятся на типы: ультрафиолетовые (УФС), фиолетовые (ФС), синие (СС), сине-зеленые (CPC), желто-зеленые (ЖЗС), желтые (ЖС), оранжевые (ОС), красные (КС), инфракрасные (ИКС), пурпурные (ПС), нейтральные (НС), темные (ТС) и бесцветные (БС).

В зависимости от типа красителя стекла делятся на:

1) окрашенные селеном и сернистым кадмием с резким делением пропускаемой части спектра от непропускаемой – это желтые, оранжевые и красные стекла; 2) окрашенные молекулярные красителями с более сложной кривой спектрального пропускания – это желто-зеленые, зеленые, синие, красные КС10, 11, пурпурные, темные, нейтральные (рис.2, 3,4).

Спектральная характеристика первых стекол определяется:

а) показателем поглощения К для оговариваемой в ГОСТе длины волны ;

б) длиной волны , характеризующей границу спектральной области пропускания, при которой оптическая плотность  стекла в слое заданной толщины превышает на 0,3 значение наименьшей оптической плотности  в той же толщине, т.е. пропускание в 2 раза меньше. Допуски на  по 1, 2, 3-й категории: ±5; ±10 и ±15 нм соответственно;

в) крутизной Кp оптической плотности в слое заданной толщины, определяемой разностью плотностей при длине волны λпр – 20 нм и λпр, т.е. .

Показатель поглощения и оптическая плотность связаны соотношением: , где  - толщина стекла в мм; ; 0,038, Здесь  - оптическая плотность стекла с добавлением  потерь на отражение. Спектральная характеристика вторых стекол определяется значением показателя поглощения  для определенных длин волн, наименьшим  и , разностями  показателей поглощения для определенных длин волн, при этом  по 1, 2, 3-й категории: ±5; ±10 и ±20% соответственно.

По однородности и двойному лучепреломлению обеспечивается 3-я категория, по свильности – 2В и пузыристости 3-8, класса Г и Д в зависимости от марки и веса стекла.

В наблюдательных приборах рекомендуется применять светофильтр из стекла ОС17 толщиной не более 2 мм для усиления контрастности за счет ослабления воздушной дымки и уменьшения хроматизма глаза и нейтральные фильтры (НС 6, 7, 8, 9, 10, 11) – для ослабления излишней яркости.

В контрольно- измерительных приборах следует применять светофильтры из стекла марок Ж3С9, ЖЗС1 и ЗС3 толщиной 1 мм при диаметре до 10 мм; 1,5 мм при диаметре 10-18; 2 мм при диаметре 18-50 мм и 3 мм при диаметре 50-80.

Для аэрофотосъемки рекомендуется применять светофильтры из стекла ЖЗ18, ОС14 и КС14. Светофильтры для фотографии изготавливаются из стекла марок БС8, ЖС12, ЖС17, ЖС18, ОС12, КС11, ЖЗС9.

Заготовка из цветного оптического стекла нормируют по следующим показателям качества: показателю поглощения , бессвильности, неоднородности окраски, пузырности и двойному лучепреломлению. Для стекол, окрашенных сульфоселенидами или селенидами металлов (стекла ЖС, ОС и КС), нормируют также минимальную оптическую плотность  при толщине стекла 10 мм; длину волны , при которой оптическая плотность стекла превышает на 0,3 оптическую плотность стекла той же толщины при длине волны ; крутизну кривой оптической плотности, равной разности оптических плотностей стекла при длинах волны -20нм и .

Кварцевое оптическое стекло имеет марки:

КУ – без заметной полосы поглощения при λ=240 нм, идущее для различных деталей спектрофотометров и других приборов, работающих в ультрафиолетовой области спектра (от λ=160 нм).

КВ – не свободное от полос поглощения при λ=240 нм и λ=2700 нм – для деталей, работающих в видимой области и в интервале длин волн 250-2500 нм, требующих высокой термостойкости и жаропрочности.

КИ – без заметной полосы поглощения при λ=2700 нм – для приборов, работающих в инфракрасной области спектра.

Высокие требования по спектральному пропусканию, однородности, двойному лучепреломлению, пузыристости, бессвильности позволяют использовать кварцевое стекло в самых ответственных приборах. Диаметр или сторона заготовок 50-200 мм, наименьшая толщина – 8 мм и отношение диаметра к толщине 15:1; nD=1.4586±4·10-4; =0.00675±3·10-5; =67,9.

Коэффициент  линейного расширения 2·10-7 (t=-60°+20°) и 5·10-7 при t=20120°, т.е. заметно меньше, чем у оптического стекла.

Химическая устойчивость по ГОСТу 3514-57* к влажной атмосфере – группа А и к кислым растворам 1-3 (весьма устойчиво).

Удельный вес 2,21, твердость 6 по шкале Мооса и 2 – по сошлифовыванию в сравнении с К8, принятым за единицу.

Кварцевое стекло применяется для конденсоров, линз объективов, призм и окон в спектральных и других приборах, работающих в ультрафиолетовой или инфракрасной областях, для изготовления весьма точных зеркал и концевых отражателей.

ЛИТЕРАТУРА

1.                 Малов А.Н., Законников Обработка деталей оптических приборов. Машиностроение, 2006. - 304 с.

2.                 Бардин А.Н. Сборник и юстировка оптических приборов. Высшая школа, 2005. - 325с.

3.                 Кривовяз Л.М., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории. Машиностроение, 2004. - 333 с.

4.                 Справочник технолога-оптика под редакцией М.А. Окатова, Политехника Санкт-Петербург, 2004. - 679 с.

5.                 Справочник технолога-машиностроителя в 2-х частях. Под редакцией А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. Машиностроение 2001

Страницы: 1, 2