什么是冕玻璃?与冕牌玻璃有何联系?

2024-09-27 派大莘

光学冕玻璃是一种光学介质材料,与普通玻璃不同,他对于原料的纯度要求高,要求有害杂质含量控制在100ppm以下,不含氧化铅,同时在物理与化学性质上要达到高度均匀性,要满足低折射率、低色散,以保证在光学系统中满足光学成像质量的要求。


什么是冕玻璃?与冕牌玻璃有何联系?


光学冕玻璃指不含氧化铅、折射率低、色散值不大的光学玻璃,这种玻璃有多种类型,根据成分不同,可以分为轻质、重质和磷质等。轻质的的含有氧化钡10%左右,含硅74%。重质的含有氧化钡44%左右。磷质的含有五氧化二磷70%左右。冕玻璃因其特性,常用于制造显微镜、望远镜、照相机和瞄准器等光学仪器中的透镜、棱镜、反射镜等。与燧石玻璃合用,可消除透镜的像差和色差。

 

光学玻璃最早的划分是按照氧化铅含量划分,低于3%的为冕牌玻璃,高于3%的为火石玻璃,后来随着玻璃种类的增多改用折射率(refractive index)和色散系数(dispersion)划分,冕牌玻璃折射率通常小于1.6,色散系数(也称阿贝数,数值越大,色散越小)大于50,火石玻璃则相反。

 无色光学玻璃的na-v图


冕牌玻璃的发展起源与历史

冕牌玻璃之前的吹筒法玻璃

公元一世纪,在吹制铁管的基础上,叙利亚工匠发展出了吹筒法玻璃:

1、先通过吹制、摇晃、在桌面上滚动将“气球”做成一个壁尽量薄的圆柱体;

2、然后切割掉圆柱两端,将冷却了的圆柱沿纵向切开;

3、再将其放入平板炉内重新加热并展开成为平板玻璃。

这种方法,圆柱的尺寸仅受吹制工肺活量的影响。圆柱尺寸最大为长2m,直径300mm。缺点是玻璃回炉加热过程会接触炉底,导致污染。


公元4世纪,叙利亚工匠发明了冕牌玻璃。

1、将玻璃泡吸附在玻璃制造者的铁棒上;

冕牌玻璃制造图1

2、然后脱离吹制铁管,增大玻璃泡的孔洞形成边缘;

冕牌玻璃制造图2

3、将这种钟形物体再次加热,并以一定速度旋转成一个圆盘;

由于生产出的圆盘不平整,玻璃制造者要根据其质量把这块“冕牌”玻璃切成若干小矩形、菱形或边形。中心厚,牛眼状且更小的玻璃块可以作为无须再切割的小圆窗玻璃出售。与圆筒法玻璃相比,由于冕牌玻璃没有接触炉底,因此可以生产出更均匀平整,纯度更高、表面更有光泽的玻璃,这两种方法都一直沿用到19世纪中叶。

冕牌玻璃制造图3 

这种生产方法在1320年左右就被法国鲁昂附近的玻璃工匠发展成熟,但是作为商业秘密没有公布,于是一水之隔的英国人整整进口了三百年的窗玻璃,直到1628年伦敦才出现同样的工艺。

冕牌玻璃制造图4

由于德国蔡司公司的玻璃型号齐全,性能稳定,一般沿用其命名标准。K代表冕牌,F代表燧石,Z为重,B代表硼,Ba代表钡,L代表镧 ,P代表磷,N代表无铅, 比如双筒望远镜中广泛采用的BK7棱镜,其所用的材料是硼硅酸盐玻璃(borosilicate 德语为 borkron)中的第7号;而视场更亮的BaK4棱镜则采用第4号轻钡冕玻璃(light barium crown ,德语中是baritleichtkron)。

 玻璃牌号

(图源成都光明)

光学玻璃分类光学玻璃按平均色散系数分为两类:色散较小的为冕类(K),色散较大的为火石类(F)。

冕类(K)光学玻璃根据折射率高低或其特殊性能分为轻冕(QK)、重冕(ZK)、特冕(TK)。根据其掺杂的元素划分为氟冕(FK)、磷冕(PK)、重磷冕(ZPK)、钡冕(Bak)、镧冕(LaK)、钛冕(TiK)

(2) 火石类光学玻璃分为轻火石(QF)、重火石(ZF)、特种火石(TF),化学掺杂分钡火石(BF)、重钡火石(ZBaF)、镧火石(LaF)、重镧火石(ZLaF)钛火石(TIF)、冕火石(KF)等。 

制备工艺生产光学玻璃的原料是一些氧化物、氢氧化物、硝酸盐和碳酸盐,并根据配方的要求,引入磷酸盐或氧化物。为了保证玻璃的透明度,必须严格控制着色杂质的含量,如铁、铬、铜、锰、钴、镍等。配料时要求准确称量、均匀混合。主要的生产过程是熔炼、成型、退火和检验。

 

因此,从两者看,冕玻璃更多注重的是原料的纯度以及物理与化学性质,而冕牌玻璃更多来自于它的制作方式,冕玻璃与冕牌玻璃在本质上是相似的光学玻璃材料,具有相似的光学性质和应用范围,但在具体命名、成分和性能等级上可能存在一些细微区别。


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