Изготовление оптического стекла

Стеклом называются все аморфные тела, которые получаются в результате переохлаждения расплава и обладают свойствами твердых тел.

Исходным материалом для производства оптического стекла является кремнезем, к которому добавляют ряд компонентов: соли бария, оксид свинца, фтористые соли, борная кислота, карбонат натрия и др.

Основными константами оптического стекла являются коэффициент преломления и коэффициент дисперсии, которые зависят от состава исходной смеси (шихты).

Стадии изготовления оптического стекла:

1. Приготовление сосуда (глиняного горшка) для варки.

2. Приготовление шихты.

3. Засыпка и провар шихты (t = 1400 – 1450°С).

4. Осветление (удаление «пенок») и перемешивание.

5. Охлаждение.

6. Отбраковка и сортировка.

7. Отжиг (придание формы брусков или плиток из бесформенных кусков стекла).

8. Механическая обработка стекла (обдирка, шлифовка и полировка до полной прозрачности).

В результате каждой варки годным для изготовления оптических деталей оказывается в среднем 25% массы сваренного стекла (остальные 75% отбраковываются). Причинами отбраковки являются дефекты: неоднородность, натяжения, наличие пузырей, механические вкрапления, окрашенность.

Требования к деталям в отношении качества стекла обуславливаются той функцией, которую выполняет данная деталь прибора. Например, в объективе допускается наличие пузырей определенного размера и в ограниченном количестве, в то же время в окуляре их присутствие недопустимо, т.к. они могут вызвать серьезные помехи при наблюдении за объектом съемки.

Оптические стекла делятся на две основные группы:

1. Кроны – «легкие стекла» (с низкими коэффициентами преломления и дисперсии).

2. Флинты – «тяжелые стекла» (с высокими коэффициентами преломления и дисперсии).

Все оптические детали, которые используются в оптических приборах, изготавливаются из названных марок стекла.

Детали оптических систем

Основные оптические детали, применяющиеся в конструкциях фотоаппаратов и объективов – это линзы, плоскопараллельные пластинки, призмы, клинья, плоские и сферические зеркала (полного и частичного отражения).

Линза – это оптическое тело, ограниченное сферическими поверхностями.

Основные оптические характеристики линз: коэффициент преломления стекла; радиусы сфер, ограничивающих линзу; толщина линзы; диаметр. Первые три параметра позволяют определить величину фокусного расстояния линзы, четвертый – её светосилу.

Все фокусирующее действие линзы сосредоточено в её главных оптических плоскостях H и H’ (рис. 6). Луч 1, идущий параллельно оптической оси 00’, изменит свое направление в линзе и выйдет из неё, пересекая оптическую ось в точке F’ (задний фокус). Если продолжить направление падающего и вышедшего из линзы лучей, то они пересекутся в точке А. Плоскость, проведенная через эту точку перпендикулярно оптической оси, будет называться главной задней плоскостью H’ линзы.

Расстояние f’ от главной задней плоскости линзы до заднего фокуса называется главным задним фокусным расстоянием линзы.

Аналогично располагаются все передние параметры линзы, если рассмотреть прохождение через неё луча 2.

Величина фокусного расстояния линзы зависит от коэффициента преломления стекла, радиусов сферических поверхностей линзы и её толщины. Если толщина линзы по сравнению с фокусным расстоянием мала, то пользуются формулой «тонкой линзы»:

f = (n - 1)(1/r – 1/r’)

где: n – коэффициент преломления стекла;

r и r’ – радиусы сферических поверхностей линзы (радиусы кривизны).

Под «бесконечно тонкой линзой» понимается такая линза, у которой главные плоскости H и H’ совпадают (рис. 7).

Правила построения изображения линзой базируются на трех аксиомах геометрической оптики:

1. Понятие о «точечном источнике»: за «точечный источник» света принимается такой источник, геометрические размеры которого пренебрежимо малы в сравнении с расстоянием, с которого этот источник рассматривается.

2. Понятие и параллельных лучах: от «точечного источника» распространяются параллельные лучи.

3. Понятие о «бесконечно тонкой линзе»: у «бесконечно тонкой линзы» плоскости H и H’ совпадают.

Зависимость между расстояниями от предмета и его изображения до соответствующих главных плоскостей и фокусным расстоянием линзы описывается главной формулой линзы:

1/f = 1/a + 1/a’

где: f – фокусное расстояние;

a – расстояние от предмета до передней главной плоскости линзы;

a’ – расстояние от задней главной плоскости до изображения предмета.

Эта формула дает представление о линейном увеличении (т.е. масштаб изображения). Масштаб изображения зависит от фокусного расстояния линзы и удаленности предмета и с достаточной точностью может быть определен по формуле:

1/m = f/a – f

Одной из характеристик линз является её оптическая сила D, которая измеряется в диоптриях. За одну диоптрию принимается оптическая сила такой линзы, фокусное расстояние которой равно 1 м.

D = 1000/f (мм) или f = 1000/D (мм)

Плоскопараллельная пластинка (рис. 8) – это оптическое тело, ограниченное двумя параллельными плоскостями. В основе действия плоскопараллельной пластинки лежит явление преломления света. Плоскопараллельные пластинки применяются в качестве защитных стекол, светофильтров, отражающих зеркал, матовых стекол.

Призма – это оптическое тело, ограниченное пересекающимися плоскостями.

Призмы имеют самую разнообразную форму (рис. 9) и делятся на преломляющие и отражающие. Призмы используются в фотоприборах для изменения в них хода лучей, изменения направления оптической оси прибора, оборачивания изображения (поворота изображения на 180°), разложения света.

Действие отражающей призмы основано на явлении полного внутреннего отражения.

В фотооптике широко применяются призмы с одной отражающей гранью (прямоугольные; призма Дове).

Призма может обладать свойством полупрозрачности. Выполняя функцию подъема зеркала в цифровых фотоаппаратах, призма, расположенная между объективом и матрицей, разделяет световой поток: одна часть его идет на экспонирование матрицы, вторая – на построение изображения на матовой поверхности оборачивающей поверхности матовой пентапризмы.

Оптический клин (рис. 10) – это призма, угол преломления которой не превышает 6°. Клинья предназначены для получения или измерения малых углов отклонения луча. Оптические клинья применяются в различных дальномерных устройствах.

Зеркало (рис. 11) – это оптическое тело с отражающей поверхностью. Зеркала бывают сферические, асферические (эллиптические, параболические), плоские, полного и частичного отражения. Плоские зеркала применяют в дальномерах, фотоаппаратах зеркальной конструкции.

Сферические зеркала могут быть вогнутыми и выпуклыми. Вогнутые сферические зеркала применяются, когда нужно направить в какое-нибудь место концентрированный пучок света (прожектор), т.е. являются собирательными оптическими элементами.