Szkło optyczne to specjalnie wykonane przezroczyste szkło, które jest używane jako części instrumentów optycznych. Różni się od zwykłej czystości oraz zwiększoną przezroczystością, jednolitością i bezbarwnością. Ściśle normalizuje również dyspersję i moc refrakcyjną. Zgodność z takimi wymaganiami zwiększa złożoność i koszty produkcji.
Historia
Można znaleźć wiele przykładów codziennego zastosowania soczewek, na przykład lupa to zwykła lupa - pomoże Ci stworzyć mały projektor ze zwykłego smartfona, ale okulary optyczne pojawiły się nie tak dawno temu.
Soczewki znane są od starożytności, ale pierwsze poważne próby stworzenia szkła podobnego do tego używanego w nowoczesnych urządzeniach sięgają XVII wieku. Tak więc niemiecki chemik Kunkel w jednej ze swoich prac wspomniał o kwasach fosforowym i borowym, które wchodzą w skład składnika szklanego. Mówił też o koronie borokrzemianowej, która pod względem składu zbliża się do niektórych nowoczesnych materiałów. Można to nazwać pierwszym udanym doświadczeniem w produkcji szkła o określonych właściwościach optycznych i wystarczającym stopniujednorodność fizyczna i chemiczna.
W branży
Produkcję okularów optycznych na skalę przemysłową rozpoczęto na początku XIX wieku. Szwajcar Gian wraz z Fraunhoferem wprowadzili stosunkowo stabilną metodę produkcji takiego szkła w jednym z zakładów w Bawarii. Kluczem do sukcesu była technika mieszania wytopu za pomocą kolistych ruchów glinianego pręta zanurzonego pionowo w szkle. W efekcie udało się uzyskać zadowalającą jakość szkła optycznego o średnicy do 250 mm.
Nowoczesna produkcja
W produkcji kolorowych szkieł optycznych stosuje się dodatki substancji zawierających miedź, selen, złoto, srebro i inne metale. Gotowanie pochodzi z opłaty. Jest ładowany do naczyń ogniotrwałych, które z kolei umieszczane są w piecu szklarskim. Skład wsadu może zawierać do 40% odpadów szklanych, ważnym punktem jest zgodność składu stłuczki i topienia szkła. Masę szklaną podczas gotowania miesza się w sposób ciągły za pomocą ceramicznej lub platynowej szpatułki. W ten sposób osiągany jest stan jednolity.
Okresowo materiał stopiony jest pobierany jako próbka, która kontroluje jakość. Ważnym etapem topienia jest klarowanie: w masie szklanej uwalnianie znacznej ilości gazów zaczyna się od substancji klarujących, które początkowo zostały dodane do mieszaniny. Duże bąbelki tworzą się i szybko unoszą, zatrzymując mniejsze bąbelki, które nieuchronnie tworzą się podczas procesu warzenia.
Na koniec garnki są wyjmowane z piekarnika, po czymostygnąć powoli. Chłodzenie, spowolnione specjalnymi technikami, może trwać do ośmiu dni. Musi być jednorodny, w przeciwnym razie w masie mogą powstać naprężenia mechaniczne, które powodują pęknięcia.
Właściwości
Szkło optyczne to materiał do produkcji soczewek. Te z kolei dzielą się według rodzaju na zbieranie i rozpraszanie. Soczewki zbierające obejmują soczewki dwuwypukłe i płaskowypukłe, a także wklęsło-wypukłe, zwane „łękotkami dodatnimi”.
Szkło optyczne ma wiele cech:
- wskaźnik załamania światła wyznaczony przez dwie linie widmowe zwane dubletem sodu;
- średnia dyspersja, rozumiana jako różnica między załamaniem czerwonej i niebieskiej linii widma;
- współczynnik dyspersji - liczba wyrażona przez stosunek średniej dyspersji do załamania.
Kolorowe szkło optyczne wykorzystywane jest do produkcji filtrów absorpcyjnych. W zależności od materiału istnieją trzy główne typy szkieł optycznych:
- nieorganiczne;
- pleksi (organiczna);
- mineralne-organiczne.
Szkło nieorganiczne zawiera tlenki i fluorki. Kwarcowe szkło optyczne należy również do nieorganicznego (wzór chemiczny SiO2). Kwarc ma niskie załamanie i wysoką przepuszczalność światła, charakteryzuje się odpornością na ciepło. Szeroki zakres przezroczystości pozwala na zastosowanie go w nowoczesnychtelekomunikacja (kable światłowodowe itp.), także szkło krzemianowe jest niezbędne do produkcji soczewek optycznych, na przykład szkło powiększające jest wykonane z kwarcu.
Na bazie silikonu
Przezroczyste szkło krzemianowe może być zarówno optyczne, jak i techniczne. Optyczny jest wytwarzany przez stopienie kryształu górskiego, tylko w ten sposób uzyskuje się całkowicie jednorodną strukturę. W szkłach nieprzezroczystych za kolor odpowiadają małe pęcherzyki gazu wewnątrz materiału.
Oprócz szkła kwarcowego na bazie krzemu produkowane jest również tzw. szkło krzemowe, które pomimo podobnej bazy ma inne właściwości optyczne. Ogniwa krzemowe są w stanie załamywać promieniowanie rentgenowskie i przepuszczać promieniowanie podczerwone.
Szkło organiczne
Tak zwana pleksi jest wykonana na bazie syntetycznego materiału polimerowego. Ten przezroczysty i twardy materiał należy do tworzyw termoplastycznych i jest często używany jako zamiennik szkła kwarcowego. Pleksiglas jest odporny na wiele czynników środowiskowych, takich jak wysoka wilgotność i niskie temperatury, ale jest znacznie bardziej miękki, a przez to bardziej wrażliwy na naprężenia mechaniczne. Ze względu na swoją miękkość organiczne szkło optyczne jest łatwe w obróbce - nawet najprostsze narzędzie do cięcia metalu może je „znieść”.
Ten materiał doskonale nadaje się do obróbki laserowej i jest łatwy do wzorowania lub grawerowania. Jako soczewka doskonale odbija promienie podczerwone, aletransmituje promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie.
Aplikacja
Szkła optyczne są szeroko stosowane do produkcji soczewek, które z kolei są wykorzystywane w wielu układach optycznych. Jako szkło powiększające używana jest pojedyncza soczewka skupiająca. W technologii obiektywy są ważną lub główną częścią takich systemów jak lornetki, celowniki optyczne, mikroskopy, teodolity, teleskopy, a także kamery i sprzęt wideo.
Okulary optyczne są nie mniej ważne dla potrzeb okulistyki, ponieważ bez nich korekcja wad wzroku (krótkowzroczność, astygmatyzm, dalekowzroczność, zaburzenia akomodacji i inne choroby) jest trudna lub niemożliwa. Soczewki okularowe z dioptriami mogą być wykonane zarówno ze szkła kwarcowego, jak i wysokiej jakości tworzywa sztucznego.
Astronomia
Szkła optyczne są ważnym i najdroższym elementem każdego teleskopu. Wielu hobbystów montuje własne refraktory, nie wymaga to niewiele, ale najważniejsza jest szklana soczewka płasko-wypukła.
Na początku ubiegłego stulecia wyprodukowanie jednej potężnej soczewki astronomicznej, a raczej jej wypolerowanie, zajęło kilka lat. Na przykład w 1982 r. szef Uniwersytetu w Chicago William Harper zwrócił się do milionera Charlesa Yerkesa z prośbą o sfinansowanie obserwatorium. Yerkes zainwestował w nią około trzysta tysięcy dolarów, z czego czterdzieści tysięcy na zakup obiektywu do najpotężniejszego teleskopu na ówczesnej planecie. Obserwatorium nosi imię finansisty Yerkesa, a do tej pory refraktor o średnicy soczewki 102cm jest uważany za największy na świecie.
Teleskopy o dużej średnicy to reflektory, w których lustro jest elementem zbierającym światło.
Istnieje inny rodzaj soczewki używany zarówno w astronomii, jak i okulistyce - szkło o powierzchniach wypukło-wklęsłych, zwane meniskami. Może być dwojakiego rodzaju: rozpraszanie i zbieranie. W menisku rozpraszającym skrajna część jest grubsza niż środkowa, a w menisku zbiorczym część środkowa jest cieńsza.
