Оптическое стекло

Оптическое стекло уже давно используется нами практически ежедневно. Это особый вид стекла, предназначенный для производства прозрачных частей оптики, которая отвечает за формирование изображений.

Основная отличительная черта оптического стекла – однородность и прозрачность в сравнении с техническим стеклом. С одной стороны производство стекла – несложная задача, но выдвижение целого ряда требований нормативной литературой к производству стекла в значительной мере усложняет изготовление и удорожает процесс.

Основные свойства оптического стекла

Среди характеристик стекла стоит различать:

• Показатель преломления – характеристика, определяющаяся парой спектральных линий, которые именуются «натриевый дублет»;


• Средняя дисперсия – показатель, который определяется разностью характеристик преломления синей и красной линий спектра;


• Коэффициент дисперсии – число, заданное соотношением характеристики преломления к показателю средней дисперсии.

Кроме бесцветного следует различать цветное и оптическое стекло для трансформации излучения. Из цветного стекла производятся абсорбционные светофильтры. Основное различие цветного оптического стекла от художественного или технического – высокий показатель оптической однородности.

Стекло для трансформации излучения делится на:

• Фотохромные;
• Генерирующие люминисцирующие;
• Магнитно-оптические.

Для всех эти стекол характерно явление фото- и радиационного окрашивания и люминисценции.

Изготавливаются стекла для сферы оптического производства из неорганических и органических материалов.

Поэтому стоит различать основные виды оптического стекла:

• Неорганическое;
• Органика или, так называемое, оргстекло;
• Минерало-органическое.

Основное отличие неорганического стекла – состав веществ, которые образуют материал. К ним относятся оксиды (TeO2, B2O3) и фториды (AlF3). К неорганическим стеклам относится и оптическое кварцевое стекло. Химическая формула его основной образующей всем знакома – SiO2 (кварцевый песок). Такое стекло может образоваться и в природе (попадание молнии в кварцевый песок), но оно не считается оптическим.

На производстве оптическое кварцевое стекло носит сокращенное наименование – кварц. Такое стекло обладает наименьшим показателем преломления и наибольшей характеристикой светопропускания.

Кварцу характерна высокая стойкость к термической обработке. Благодаря широкому диапазону прозрачности данный вид оптического стекла применяется в сфере телекоммуникаций (вспомните оптическое волокно). Современное производство оптических линз считает именно силикатное стекло незаменимым в изготовлении оптических систем разной сложности.

Силикатное стекло бывает:

• Прозрачное. В свою очередь делится на оптическое и техническое. Оптическое стекло из кварцевого песка получается средством плавки горного хрусталя. Такой материал полностью однороден;


• Непрозрачное. Цвет придается маленькими пузырьками газа, которые находятся внутри материала.

Кремниевое стекло также производится на базе Si, как и кварц, но отличается от него оптическими свойствами. Кремний – один из наиболее востребованных материалов, которые служит основой для производства оптических агрегатов и деталей.

В некоторых случаях кремниевые элементы просто незаменимы. Так, они способны пропускать ИК излучение и преломлять Х-лучи. Другие материалы не способны настолько эффективно работать в столь широком диапазоне, как оптические стекла на основе кварца.

Оптическое органическое стекло

Органическое стекло (ПММА) – синтетический материал полимерной группы. Оргстекло – прозрачный, твердый в меру хрупкий материал, относящийся к классу термопластов. Материал нередко применяется в качестве замены кварцевому стеклу.

Особенности ПММА:

• Материал устойчив к агрессивным факторам окружающей среды (повышенное влагосодержание, пониженные температуры);


• Оргстекло – значительно мягче в сравнении с техническим стеклом и довольно чувствительно к механическим повреждениям (удары, царапины);


• Данный вид оптического стекла гораздо проще поддается обработке, даже обычным металлорежущим инструментом;


• Его удобно применять при резке лазером, что, несомненно, играет ключевую роль в гравировке;


• Эффективно отражает инфракрасные лучи, но ультрафиолет проходит сквозь него. Рентгеновское излучение также проходит сквозь оргстекло;


• Материал плохо противостоит спирту, ацетону;


• Отличная прозрачность, с которой может сравниться только кварц;


• Безопасный материал в силу своей безосколочности;


• Высокая стойкость к воздействию воды;


• Легко обрабатывается при нагревании.

В отличие от минерального стекла полимерное оргстекло обладает повышенной устойчивостью к агрессивным условиям, но при этом обладает довольно хорошими оптическими характеристиками.

Поэтому, оргстекло нашло широкую область применения во многих сферах деятельности:

• Научно-исследовательские работы;
• Медицина;
• Изготовление оптических агрегатов;
• Строительство.

Минерало-органическое стекло. Оптические свойства стекла позволили применять материал в сегменте офтальмологии. Яркий пример – контактные линзы. Мягкие линзы производятся из материалов, которые обладают бифазной структурой.

Линзы из оптического стекла

Процесс изготовления линз из оптического стекла довольно сложный, требует определенных знаний и навыков.

Процесс изготовления линз можно описать в нескольких пунктах:

• Подготовка сырья;
• Расплавления материала, получение исходной смеси;
• Процесс варения стекла;
• Заливка расплавленного материала в формы (заготовки);
• Остывание материала (данный этап наиболее продолжительный, в некоторых случая может потребоваться несколько месяцев);
• Механическая обработка остывшего стекла;
• Нанесение специального покрытия.

Чтобы продукт получился качественным, к нему ставится ряд требований. Смесь должна быть гомогенной, без добавок (газов), что обеспечивает линзам полную чистоту.

Однородность – один из главных показателей для оптического стекла. Именно этот параметр определяет характеристики будущего продукта. Так, если в нем будут пузырьки газа или иные включения, сложно гарантировать прозрачность и высокое преломление.

Однородность материала значит, что коэффициент преломления стекла будет равным во всех точках. Изотропность материала – свойство, обеспечивающее одинаковые физические параметры стекла во всех направлениях.

Многие компании, занимающиеся производством фотографических агрегатов, самостоятельно разрабатывают свои методики изготовления оптических материалов, техники нанесения специальных покрытий на стекло.

Характеристики оптического стекла

Современные технологии позволяют зарубежным и отечественным производителям создавать материалы с невероятными характеристиками.

Самый распространенный материал в оптике – бесцветное оптическое стекло. Ассортимент материала постоянно расширяется, номенклатура растет не по годам. Это позволяет выбрать наиболее подходящее стекло для определенных нужд в той или иной сфере применения оптического материала.

Бесцветное оптическое стекло производится в трех сериях (0, 100 и 200). Стекла с маркировкой «0» пригодны для производства деталей и аппаратов, которые используются в обычных условиях. Стекла серии «100» применяются в изготовлении деталей, которые будут работать при незначительном ионизирующем излучении. А оптика класса «200» широко востребована в изготовлении агрегатов, основная задача которых – работа в условиях интенсивного излучения.

Независимо от серии, выпущенные стекла могут иметь разный химический состав. Поэтому на производстве каждому виду оптического стекла присваивается свой номер (марка). Наименование материала состоит из букв и цифр. Буквы значат принадлежность к определенному типу оптического материала.

Стоит отметить, что в связи с показателем дисперсии были введены два типа стекол для оптики:

• Кроны – представляют собой стекла с низким коэффициентом преломления, но высоким показателем дисперсии. Как правило, это силикатные стекла;


• Флинты – маленькое значение дисперсии, но высокий показатель преломления. Обычно в класс флинтов относят стекла с содержанием плюмбума (свинца).

На современном этапе производство оптических материалов выделяет класс кронфлинтов. Это промежуточная группа между вышеупомянутыми оптическими стеклами.

Также в оптике упоминаются так называемые «особые» стекла. Основное отличие таких материалов – независимые друг от друга показатель преломления и значение дисперсии. Обе характеристики могут быть высокими или низкими в одном оптическом материале, что до недавнего времени противоречило всем канонам оптики.

Производство оптических материалов жестко регламентируется. Стекло оптическое ГОСТ 3514-94 – ныне действующий документ, который распространяется на бесцветные и неорганические материалы для оптики. Нормативным документом предусматривается урегулирование производства заготовок с диаметром не более 500мм. Данный ГОСТ действует в совокупности с другим нормативным документом – ГОСТ 13240, предусматривающим выпуск продукции для экспорта и нужд экономики государства.

Стекло оптическое ГОСТ 13659-78 охватывает производство оптических бесцветных материалов, стандартизирует физические и химические свойства и прочие параметры стекол.

Нормативная литература способна полностью урегулировать процесс производства оптики, поэтому беспокоиться о качестве продукции отечественных производителей не стоит.

Производство оптических стекол

Оптические стекла играют важную роль на современном этапе развития человечества. Производство таких материалов – важная и ответственная задача, которая под силу лишь профессионалам. Как правило, стекло для оптических аппаратов изготавливается методом варки. Довольно широко применяются экструзионный метод и технология литья.

Варение стекла происходит в предназначенных для этой задачи огнеупорных горшках из шихты (смеси исходных материалов). Эти горшки со смесью помещаются в специальную печь для варения стекла.

Нередко в шихту включают стеклобой. Суммарное содержание битого стекла не должно превышать 40%. При этом стеклобой должен обладать таким же составом, что и исходный продукт.

Т.е. при варке кварца битое стекло тоже должно быть силикатным. Производство оптического стекла протекает с использованием спецоборудования — водородных горелок.

Сотрудники компании тщательно перемешивают смесь до гомогенного состояния. Процесс проводится непрерывно с помощью специального керамического прибора. В это же время несколько раз берутся пробы сырья для контроля качества.

Одним из самых важных этапов варки считается осветление. Процесс протекает сам по себе посредством выделения газов при варке оптического стекла с добавлением осветителей.

После этого огнеупорные горшки достаются из печи. Смесь, находящая в них, медленно охлаждается. Обычно, охлаждение длится 6-8 дней, но случается так, что процесс затягивается на несколько месяцев.

Из-за того, что горячая смесь остывает неравномерно, стекло трескается. Его осколки тщательно сортируются, пристально осматриваются и отбираются пригодные для дальнейшей обработки куски.

Чтобы сократить время на производство оптического стекла, предприятия перед механической обработкой прессуют отобранные осколки в небольшие плиты.

Пресс работает с нагретым до 500 градусов Цельсия материалом. В дальнейшем стекло снова поддается медленному охлаждению. Процесс остывания проходит в электрических печах, носит название «отжиг». Далее проводится контроль качества, обнаружение дефектов.

При варке цветного стекла в смесь добавляются вещества, в составе которых высокое содержание золота, меди, селена или другого цветного металла.

Способ заливки применяется в производстве органического стекла. Однородную смесь с отвердителями и красителями (мономер) заливают между пластинами из кварцевого стекла. В это время происходит полимеризация материала, которая имеет продолжительность до получения готового листового органического стекла. Современные технологии позволяют получать оргстекло с необходимыми параметрами.

Экструзионный способ также применяется для изготовления полимерного стекла. Технологический процесс проходит непрерывно на специальных экструзионных линиях. Это обусловлено автоматизацией производства. С помощью технологии можно получить листы высокого качества с заданными параметрами. Как правило, толщина листового стекла после производства на линии экструзирования от 1,8мм до 10мм.

Заводы по производству оптического стекла

Современное производство оптического стекла заняло свою нишу на мировой арене. Индустрия хорошо развита во многих странах Европы, Америки, СНГ. Зарубежные и государственные компании ежегодно вносят свой вклад в развитие сегмента изготовления оптических материалов.

Среди множества производителей стекла для оптических аппаратов, лишь немногие достойны называться лучшими. Конечно же, можно выпускать качественный товар, но не получить признание на мировом уровне. Главное, чтобы продукция была качественной и отвечала всем государственным и международным стандартам.

Одним из немногих производителей, которые заслужили мировое признание, стал Ленинградский завод оптического стекла. Предприятие работает еще со времен царской России.

Историческое предприятие было основано в рамках фарфорового завода и считалось изначально всего лишь одним из производственных цехов. На сегодня завод прекратил свое существование, но его правопреемником считается ГОИ – Государственный оптический институт.

Лыткаринский завод оптического стекла – один из самых крупных производителей оптического стекла в стране. Это уникальное предприятие широкого профиля, которое добилось успеха в сфере производства стекла. Оптическая индустрия РФ во многом обязана именно этому предприятию.

Лыткаринский завод оптического стекла – одна из немногих компаний, которые обеспечивают обороноспособность государства. Завод смог добиться высочайшего качества продукции, за что он признан на мировой арене оптической индустрии.

ОАО ЛЗОС также имеет хорошую научно-техническую базу. На производстве разрабатываются новые виды оптических материалов, методики изготовления.

Все производство предприятия делится на три отрасли:

• Изготовление оптического стекла путем варки, производство заготовок в т.ч. компонентов для волоконно-оптических систем;


• Механическая и химическая обработка деталей, изделий;


• Производство специальных приборов (механических и электрических) для разных отраслей, в т.ч. космического и массового применения.

Производитель ценится за многолетний опыт в отрасли. Именно благодаря опыту и современному оборудованию ЛЗОС выпускает более 250 наименований продукции для использования в оптике.

Производитель осуществляет поставки цветного и бесцветного стекла как государственным предприятиям, так и компаниям Европы, Азии, СНГ и Америки. Довольно широко представлен выпуск оптического стекла с особыми характеристиками.

Гордостью завода считается изготовление и поставка приборов ночного видения, объективов авиационного назначения и космического оборудования из оптических линз крупных габаритов.

Благодаря современным разработкам и техническому оснащению компания еще в середине 90-х вышла на мировую арену. А вначале 2000-х компания взялась за более чем 20 крупных международных проектов.

Компания Флюорит – одно из самых известных предприятий по производству оптического стекла на просторах РФ. Завод оптического стекла известен качеством оптических линз, призм и микрооптики. Высокоточные оптические элементы – основа работы завода.

Производитель изготавливает зеркала для большого ассортимента аппаратов:

• Лазерное оснащение;
• Анализаторы состава газа;
• Детекторы;
• Оборудование для изучения экологии и др.

Продукция компании «Флюорит» с успехом эксплуатируется организациями и научно-исследовательскими центрами по всему миру. Особенность предприятия в том, что оно берется за производство крупных партий товара (более 1 тыс. единиц) и мелких заказов (от 1 шт.)

Качество продукции «Флюорит» полностью соответствует стандартам и требованиям международного уровня. Основные заказчики компании – крупные производители оптических приборов. Как показывает практика более успешно использование продукции производителя в изготовлении электронных приборов.

В целом же многие российские предприятия могут похвастаться достижениями на региональном уровне, но основной показатель востребованности и качества – выход на международный уровень.

Характеристики оптического стекла

Оптическое стекло сегодня активно используется в различных сферах. В повседневной жизни человека оно участвует практически каждый день. Этот вид стекла производится для изготовления оптики. Благодаря своему высокому качеству и высокому уровню прозрачности оно может использоваться для формирования изображений.

1. Показатель преломления – представляет собой соотношение скорости распространения ЭМ излучения в стекле по отношению к этому показателю в воздухе. Он также зависит от длины волны такого излучения.


2. Средняя дисперсия – характеризует собой разность показателей преломления для волн различной длины.


3. Коэффициент дисперсии – является числом, которое определяет соотношение этих характеристик.

Помимо этих показателей оптическое стекло имеет ряд других особенностей. Оно может быть как прозрачным, так и цветным. Последнее используется для абсорбционных светофильтров, которые имеют более высокие показатели однородности по сравнению с техническими или художественными.

Специфика производства оптического стекла

Технический процесс изготовления стекла не является очень сложным или высокотехнологичным. Но различные стандарты и нормативы, которые выдвигаются к тому или иному виду этого материала, значительно усложняют и удорожают его.

Варение оптического стекла происходит в специальных огнеупорных горшках, которые производятся из той же шихты, и помещаются в печь.

Для того чтобы создать необходимые условия, при плавлении используют водородные горелки. Следует отметить, что при варке не прозрачного, а цветного оптического стекла в шихту добавляются вещества с высоким содержанием меди, золота, селена или другого цветмета.

С помощью специального керамического прибора смесь постоянно перемешивается, для того чтобы она приобрела гомогенное состояние. После завершения данного этапа горшки достаются из печи, и расплав в них постепенно охлаждается. Зачастую этот процесс длится не менее 6 дней, но может затянуться и на несколько месяцев, все зависит от специфики материала и техпроцесса.

Охлаждение массы проходит неравномерно, из-за чего стекло трескается. Эти куски тщательно сортируются и выбираются те, которые могут пройти дальнейшую обработку. Остальные отправляются в бой и могут быть повторно использованы в производстве.

Отобранные для обработки осколки прессуются, но этот процесс происходит до того, как они остынут. Их температура должна быть около 500°С. После этого прессованные плиты продолжают медленно охлаждаться в специальных электрических печах.

Обработка оптического стекла

Оптическое стекло представляет собой специальную категорию прозрачных аналогов, которые используется в производстве различных элементов и деталей для оптического оборудования.

От обыкновенных стекол оптические отличаются такими свойствами:

• высокий процент прозрачности;
• чистота;
• отсутствие или наличие цвета;
• однородность;
• нормированный эффект преломления;
• наличие дисперсии.

Необходимость присутствия всех вышеописанных параметров значительно увеличивает финансовые издержки на такие мероприятия, как производство и обработка оптического стекла.

Заготовки для обработки оптических деталей

После того как оптическое стекло было сверено и застыло до нужного состояния, заготовки необходимых элементов добывают в самых разнообразных формах, начиная от прямоугольных и сферических пластинок и заканчивая плитками, штабиками и прессовками. На процедуру обработки материал отправляется целыми партиями, которые должны состоять из образцов одной формы, размера и диаметра. Также к каждой партии необходимо прилагать сопроводительный паспорт, где будет отражаться все фактические параметры и характеристики стекла, например, коэффициент качества, порядковый номер варочного процесса и последующего отжига.

Обработка оптического стекла не позволят смешивать между собой элементы из различных партий! Это важно, поскольку в процессе сборки оптических приспособлений элементы комплектуются согласно их значениям дисперсии и уровню преломления.

Методики обработки оптического стекла

Обработка оптического стекла представляет собой методологию огранки драгоценных камней только с учетом увеличенного масштаба. Однако прежде чем приступить к первичным фазам процесса, необходимо иметь карту дефектов, которые иногда присутствуют в заготовках.

Как правило, это могут быть незначительные образования, например, пузырьки, камни, песчинки, дымка, мошки, свили, напряжения и прочие.

Руководствуясь данным перечнем, образцы подвергают распилу при помощи алмазных пил, на меньшие прямоугольные детали, из которых при помощи круговых полотен вырезают цилиндры необходимого размера и диаметра.

Наиболее рациональным методом для получения линз и оптических призм считается прессовка, что дублирует конфигурацию готовой детали.

Пресс-формы и шаблоны для стекла

Для производства элементов заданного типа необходимо иметь пресс-формы и шаблоны. Также если необходимо достичь определенного процента чистоты элемента, используют вращающийся диск с абразивами, который именуется шлифовальной планшайбой. После каждого этапа обработки стекло необходимо промывать.

На финальных стадиях обработки деталь полируют, защищают, проводят тестирование на качественность и готовят к установке в тот или иной аппарат с последующей полировкой других рабочих поверхностей.

В конце стоит отметить, что в процессе обработки оптических заготовок следует строго руководствоваться техническими условиями, которые составляются на основе чертежной документации того или иного будущего оптического прибора.

Освещение производства оптического стекла на выставке

Специфика техпроцесса изготовления оптического стекла и его особенности будут подробно освещены на выставке «Мир стекла». Это крупнейшее событие в области стеклопромышленности в России и странах СНГ, которое собирает экспонентов из более 20 стран. ЦВК «Экспоцентр» создает максимально подходящие условия для реализации выставочной деятельности, представления товаров и оборудования, а также решения поставленных маркетинговых задач.

Производство оптического стекла занимает важное место на выставке «Мир стекла», так как этот материал пользуется большой популярностью на рынке. На мероприятии будут освещены технологии его изготовления и обработки, методы работы, современное оборудование и инновационные разработки в данной сфере.

На выставке есть возможность для демонстрации работы техники и аппаратов. Чем и пользуются многие компании-производители, принимающие участие в выставке «Мир стекла». Это позволяет наглядно оценить работу интересующего оборудования и выбрать подходящую модель станка.

Художественное стекло
Производство стекла
Хранение стекла