光學(xué)玻璃的發(fā)展和光學(xué)儀器的發(fā)展是密不可分的。光學(xué)系統(tǒng)新的改革往往向光學(xué)玻璃提出新的要求,因而推動(dòng)了光學(xué)玻璃的發(fā)展,同樣,新品種玻璃的試制成功也也往往反過來促進(jìn)了光學(xué)儀器的發(fā)展。
最早被人們用來制作光學(xué)零件的光學(xué)材料是天然晶體,據(jù)稱古代亞西利亞用水晶作透鏡,而在古代中國(guó)則應(yīng)用天然電氣石(茶鏡)和黃水晶??脊偶易C明公元三千年前在埃及和我們(戰(zhàn)國(guó)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(jì)在威尼斯開始的。恩格斯在“自然辨證法”中對(duì)此曾給予很高的評(píng)價(jià),認(rèn)為這是當(dāng)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(yuǎn)鏡和顯微鏡。從十六世紀(jì)開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(jì),光學(xué)系統(tǒng)的消色差成為光學(xué)儀器的中心問題。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(duì)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。
1768年紀(jì)南在法國(guó)首先用粘土棒攪拌的方法制得了均勻的光學(xué)玻璃,從而開始建立了獨(dú)立的光學(xué)玻璃制造工業(yè)。在十九世紀(jì)中葉,幾個(gè)發(fā)達(dá)的資本主義國(guó)家都先后建立了自己的光學(xué)玻璃工廠,如法國(guó)帕臘-芒圖公司(1872年)、英國(guó)錢斯公司(1848)、德國(guó)蕭特公司(1848)等。
十九世紀(jì)光學(xué)儀器有很大發(fā)展。第一次世界大戰(zhàn)前夕,德國(guó)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),著名物理學(xué)家阿員參加了蕭特廠的工作。他在玻璃中加入了新的氧化物如BaO,B2O3,ZnO,P2O3等,并且研究了它他對(duì)玻璃光學(xué)常數(shù)的影響。在這基礎(chǔ)上,發(fā)展了鋇冕、硼冕、鋅冕等類型玻璃,同時(shí)也開始試制了特殊相對(duì)部分色散的燧石玻璃。在這時(shí)期內(nèi),光學(xué)玻璃品種有了很大的擴(kuò)展,因而在光學(xué)儀器方面出現(xiàn)了較完整的照相機(jī)及顯微鏡物鏡。
直至二十世紀(jì)三十年代以前,大部分工作仍在蕭特廠基礎(chǔ)上進(jìn)行。到1934年獲得了一系列重冤玻璃,如德國(guó)號(hào)SK-16(620/603)及SK-18(639/555)等。到此為止,可以認(rèn)為是光學(xué)玻璃發(fā)展的一個(gè)階段。
二次世界大戰(zhàn)前后,隨著各種光學(xué)儀器如航空攝影,紫外與紅外光譜儀器、高級(jí)照相物鏡等的發(fā)展,對(duì)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(yīng)地有了新的發(fā)展。1942年,美國(guó)摩萊(Morey)及以后蘇聯(lián)與德國(guó)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(kuò)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(guó)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(tǒng)的光學(xué)玻璃,如蘇聯(lián)ЛФ-9,ЛФ-12,德國(guó)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缺陷,因此在研究擴(kuò)展光學(xué)玻璃領(lǐng)域的同時(shí),還針對(duì)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。
綜觀以上歷史發(fā)展的過程,可以預(yù)言今后光學(xué)玻璃的發(fā)展方向是:
?、僦频锰貏e高折射率的玻璃;
?、谥频锰厥庀鄬?duì)部分色散的玻璃;
?、郯l(fā)展紅外及紫外光學(xué)玻璃;
?、苋〈Aе心承┎涣嫉某煞秩绶派湫缘腡HO2,有毒的BcO,Sb2O3等;
⑤提高玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性;
?、尢岣卟A该鞫群头乐共Aл椛渲?
⑦改進(jìn)工藝過程,降低新品種玻璃價(jià)格。
光學(xué)隔熱玻璃和其它玻璃的不同之點(diǎn)在于它作為光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分,必須滿足光學(xué)成象的要求。因此,光學(xué)隔熱玻璃質(zhì)量的判定也包括某些特殊的和較嚴(yán)格的指標(biāo)。對(duì)光學(xué)隔熱玻璃有以下要求:
一、特定的光學(xué)常數(shù)以及同一批玻璃光學(xué)常數(shù)的一致性
每一品種光學(xué)隔熱玻璃對(duì)不同波長(zhǎng)光線都有規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)折射率數(shù)值,作為光學(xué)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的依據(jù)。所以工廠生產(chǎn)的光學(xué)隔熱玻璃的光學(xué)常數(shù)必須在這些數(shù)值一定的容許偏差范圍以內(nèi),否則將使實(shí)際的成象質(zhì)量與設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)期的結(jié)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)隔熱玻璃制造,為了便于儀器的統(tǒng)一校正,同批玻璃的折射率容許偏差要較它們與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差更加嚴(yán)格。
二、高度的透明性
光學(xué)系統(tǒng)成象的亮度和玻璃透明度成比例關(guān)系。光學(xué)隔熱玻璃對(duì)某一波長(zhǎng)光線的透明度以光吸收系數(shù)Kλ表示。光線通過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(duì)高折射率玻璃此值甚大,如對(duì)重燧玻璃一個(gè)表面光反射損耗約6%左右。因此對(duì)于包含多片薄透鏡的光學(xué)系統(tǒng),提高透過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(duì)于大尺寸的光學(xué)零件如天文望遠(yuǎn)鏡的物鏡等,由于其厚度較大,光學(xué)系統(tǒng)的透過率主要決定于玻璃本身的光吸收系數(shù)。通過提高玻璃原料的純度以及在從配料到熔煉的整個(gè)過程中防止任何著色性雜質(zhì)混入,一般可以使玻璃的光吸收系數(shù)小于0.01(即厚度為1厘米的玻璃對(duì)光透過率大于99%)。
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