光学玻璃科普
本文所说的玻璃，除非特别说明，均指无机玻璃。提纲
1、定义
玻璃是一个非常广泛的概念，在实际生活中，玻璃是一类有着类似物理特性的物质。但是从化学上讲，什么是玻璃，却困绕了现代科学很久，但是还是没有一个完全统一的认识。
了解什么是玻璃，就需要了解玻璃的结构。目前比较流行的和得到大家认同的玻璃结构学说有2种：无规则网络学说、晶子学说。2个学说从不同的玻璃性质研究中发现的现象，从不同的角度解释玻璃的性质，但是谁也说服不了谁。具体这些学说研究的什么内容，我们不去考虑，概括的说：
无规则网络学说认为：玻璃是由硅氧骨架组成，但是是无规则的，加入某些金属离子后，骨架被无规则断裂，在骨架的空间里无规则的排列着金属离子。示意图如下：
晶子学说认为：玻璃由有序排列的晶子分散在无定形介质中构成，晶子和介质之间没有明显的界限。这个学说的一个很重要的现象就是未经过淬火的玻璃和经过淬火的玻璃在温度变化时的折射率变化的不同。
上面2个学说，都有不同的实验基础做依托，谁也说服不了谁。我读书的时候也被弄糊涂了，问老师，老师说：2个学说都只能解释部分现象，所以说，2个都是对的。而且在一次国际大会的时候，这2个学说从某一程度上已经统一了。
经过统一后的说法概括如下：玻璃是一种具有近程有序（晶子）区域的无定形物质。
我们通过一个示意图说明一下：
上图是石英晶体的结构示意，可以看到从小范围到大范围，它都是有序的。
上图是熔石英玻璃的结构示意，从小范围看，还可以看到是有规律的（有序），但是从总体看，它是无规律的（无序）。
从上面的论述里，我们可以看到光的波粒二象性的影子，就是你中有我，我中有你。科学看来是相通的。
上面谈的是玻璃的内在结构，实际中我们是无法观察到的，如何从宏观上界定玻璃呢？一般情况下，玻璃需要有以下特性：比较高的硬度/比较大的脆性/对可见光有一定的透明度/裂开时具有蜡状的折断面/各向同性/从熔融状态到固体状态的性质变化过程是连续的并且是可逆的/比晶体有比较高的内能，在一定条件下可自动析出晶体/
那，什么是光学玻璃呢？光学玻璃除了有以上的特性外，还需要一些特性：相对稳定的光学参数、化学特性和机械性能，非常小的内应力，非常少的条纹，非常好的光学均匀性等等。
2、分类
玻璃的分类是按玻璃的折射率和色散系数（阿贝数）在nd-νd领域图里的位置和玻璃组成划分的，无色光学玻璃在成都光明分为16类。PS：不是所有玻璃他们都有现货的。玻璃类别名称
代号
玻璃类别名称
代号
轻冕玻璃
QK
轻火石玻璃
QF
冕玻璃
K
火石玻璃
F
磷冕玻璃
PK
钡火石玻璃
BaF
钡冕玻璃
BaK
重钡火石玻璃
ZBaF
重冕玻璃
ZK
重火石玻璃
ZF
镧冕玻璃
LaK
镧火石玻璃
LaF
冕火石玻璃
KF
重镧火石玻璃
ZLaF
钛火石玻璃
TiF
特种火石玻璃
TF
表格中的编号是比较简单的，从玻璃领域图上可以看到，还有些其他的字母，我们解释一下：
以H-K9L为例，H-表示此玻璃是环保玻璃，不含铅，砷，镉及放射性元素的玻璃，K表示此玻璃是冕玻璃，9表示在冕玻璃的排序中排在第9位（这个排序仅仅做区分用的，无实际意义），L表示此玻璃是低熔点玻璃。
3、编码
光学玻璃是一个关系到国计民生的产品。一个国家没有光学玻璃，可以说没有现代化的国防。所以各个国家和地区都在尽力发展自己的玻璃产业，这样就出现了一个现象：各家做的玻璃有很多是一样的，很多不一样，而且命名规则还不一样。伴随着经济国际化，这个现象就形成了一个问题：大家各说各的，交流起来非常不方便，而且生产中容易出问题。于是大家就制定了一个标准的玻璃代码。
这个代码由6个阿拉伯数字组成，前三位是该牌号玻璃的折射率小数点后3位数，后三位是该牌号玻璃的阿贝数的前3位数字（忽略小数点）。玻璃折射率和阿贝数取完了3位后，如果后面还有数字，就四舍五入。
举例如下：K9玻璃的nd=1.51680，νd=64.20，其代码就是517642。
我们用这个代码517642去查其他公司的玻璃，会发现很多光学指标一致，但是叫法不一样的玻璃。比如：SCHOTT和PILKINTON的BK7，OHARA的BSL7，HOYA的BSC7。
4、特性
A：机械特性（包含热学特性）
a 热膨胀系数α
b 转变温度Tg
c 驰垂温度Ts
d 应变点T10^14.5
e 退火点T10^13
f 杨氏模量E，剪切模量G，泊松比μ
g Knoop硬度Hk
h 相对研磨硬度Fa
i 密度ρ
上面的特性中，大部分和使用者无关系，我就将和我们有关系的一些说说。
热膨胀系数：光学玻璃的热膨胀系数是指一定温度范围内，温度升高1℃时，玻璃每单位长度的升长量。一般检测的温度范围是+20~+120℃和+20~+300℃，再给出平均膨胀系数。
除非考虑到光学制品在极端环境内的稳定性，一般不用考虑。望远镜里偶尔也要考虑考虑，因为反射镜的曲率比较大，如果热膨胀系数太大了，曲率就不大稳定。
Knoop硬度：这个指标是采用对称棱角172°30′和130°的四角锥金刚石压头，施加一定负荷垂直压在试验样品上，保持一定时间后，撤去负荷，用显微镜观测并测量压痕长对角线的长度，再按公式计算出Knoop硬度。
这个指标我个人的看法是：这个硬度越大，万一镜片碰到硬东西，它的损伤就越小。
密度：单位体积的重量，检测环境是20℃和1个标准大气压下。
为什么这个指标和我们有关呢？我举个例子：曾经一家公司制作一个镜片，这个镜片有2种，一种是环保的，一种是非环保的。价格大概是1.2:1的样子，该公司的采购没和其他人商量就采购了非环保的，结果等技术人员知道了一计算，发现吃亏大了。因为非环保的玻璃密度是4.8左右，而环保玻璃的密度是2.8。一比较，我想大家就清楚了。
B：化学特性
a 抗潮湿大气作用稳定性RC（S）（表面法）
b 抗酸作用稳定性RA（S）（表面法）
c 耐水作用稳定性Dw（粉末法）
d 耐酸作用稳定性DA（粉末法）
所谓的稳定性，我们可以简单的理解成玻璃在加工中是否容易发霉。表面法和粉末法只是测试方法不一样而已，对大家来说，是稳定性越高越好。
玻璃的化学特性和光学仪器也是非常紧密的。因为如果玻璃的化学稳定性越差，加工的成本就越高，报废就越高，反正羊毛出在羊身上，这些升高的成本最后还是要转移到消费者的头上的。但是一旦产品到了消费者的手上，基本就没什么关系了，因为现在的光学制品一般都镀膜了，只要膜层不损坏，玻璃就不会发霉。因为膜层一般是性质比较稳定的物质构成的。
C：光学特性
a 折射率
玻璃的折射率是表示玻璃对通过其光线的曲折程度的：
从上面2个图我们可以看看不同折射率玻璃对光线的曲折程度的对比。上面是755276玻璃，下面是518642玻璃。镜片的2个面曲率都是4mm，镜片中心厚度1mm。很明显，折射率高的玻璃光线的改变多。
b 色散和阿贝数
色散就是玻璃对不同波长光线的折射率不一致，一般使用的是中部色散，就是F光（486.13nm）和C光（656.27nm）的折射率之差。
阿贝数νd=（nd-1）/（nF-nC），nd：d光（587.56nm）的折射率，nF和nC分别是F光和C光的折射率。
这个图片是d，F，C光线经过一个镜片后的分别聚焦的位置。
c 色散公式
色散公式的存在是因为我们一般只检测了部分光线的折射率，如果想了解任意波长的折射率的话，就需要使用某些参数进行内插计算了。通过一个特定的公式和厂家提供的参数，就可以计算任意波长（给定波长范围）的折射率，而且精度还可以保持在一个比较高的水平。
d 相对部分色散
对于波长X和Y的相对部分色散Px,y=（nx-ny）/(nF-nC)
下面我们介绍一个公式，阿贝公式Px,y=mx,y*νd+bx,y。
如果以Px,y为纵坐标，νd为横坐标来表示，公式中mx,y为斜率，bx,y为截距，可以得到下面的坐标系统。
如果以玻璃的相关参数作为坐标，就可以得到玻璃在这个图里的位置。从光学设计上讲，如果想消除光学设计里的二级光谱，就是说对2个以上波长消色差，就至少需要一种在上面图中远离直线的玻璃。
e 应力光学系数B
玻璃虽然很硬，但是在机械应力下（直观的说就是受到挤压），光线会在玻璃中产生双折射。如果玻璃的双折射大了，就会对光学系统的成像产生严重的影响。
f 内透射比τ
内透射比就是试样在表面不存在光反射损失时的透射比。说白了，1份强度光线经过玻璃后，玻璃肯定会吸收一点的，它透出来多少，就是内透射比。这个值恒小于1。
g 着色度（λ80/λ5）
光学玻璃虽然说是无色透明的，但是也存在光吸收的，尤其在紫外波段。很多玻璃对紫外线基本是截止的。这样在做玻璃的透射曲线的时候，基本出现的是类似如下的曲线。
在曲线里，我们可以看到一个从零开始爬升的过程，当曲线爬升到5%的透过时，与之对应的就有一个波长λ1，爬升到80%时，也有一个波长λ2与之对应。玻璃的着色度就用[λ2/10]/[ λ1/10]。着色度使用2个2位整数。
比如：某玻璃透射比达到5%时对应的波长为313nm，达到80%时对应的波长是368nm，那么此玻璃的着色度是37/31。
5、玻璃质量指标
a 折射率nd和阿贝数νd允许偏差
我们可以从产品目录里查到玻璃的折射率，但是实际生产过程中，不可能一模一样的，所以，都是要给公差的。折射率和阿贝数的允许误差光明分3级，1/2/3级，折射率允许误差分别为±30/±50/±100×10^-5，与之对应的阿贝数允许误差为±0.5%/±0.8%/±1.0%。
b 光学均匀性
同样，玻璃内部总有些不一致的地方，光线通过玻璃后，由于这些不一致，会造成成像质量的变坏。关于均匀性的检查，有专门的国标规定。但是，如果玻璃块超过150mm的话，一般使用同一块玻璃的折射率偏差最大值来表示了。
c 应力双折射（中部应力/边缘应力）
由于玻璃内部不可能没有应力，而应力会造成通过玻璃的光线改变方向，造成双折射现象，就是一条光线分开了，这样，若干光线在玻璃走的路线不一样，就有了路程上的差异，简称光程差。
这个解释不够专业，但是比较通俗。
d 条纹度
玻璃的条纹，其实是里面的玻璃材料和附近的玻璃不一样。不过这部分的材料是连续的带状的。检测条纹度，需要专门的条纹检查仪。
e 气泡度
玻璃的气泡，是一个笼统的概念，还包括了里面的结晶和其他杂质。玻璃的气泡等级规定是：100cm^3的玻璃中所含的气泡截面积来确定的。如果气泡是扁长的，就去最长轴和最短轴的算术平均值计算面积。
f 光吸收系数
光吸收系数就是1cm光路上，被玻璃吸收的白光光通量与开始进入该光路前入射光通量之比。这个值是越小越好。
这里多说几句。有些望远镜厂家宣传，他的镜子总体透过率可以达到98%什么的，可以说纯粹是瞎说。我暂且不说那么多面的反射了，就是那么多的镜片，棱镜什么的，光吸收恐怕要超过2%。
6、望远镜里的玻璃：ED（SD、LD）、高色散、特殊色散、低（零）膨胀玻璃
说了一些理论的东西，我们说说接近望远镜的东西。
ED玻璃：类似的说法还有SD，LD。其实这3个东西只是不同厂家的说法，东西还是一样的。这些玻璃都有一个特征，就是阿贝数都比较大。我们分析一下阿贝数的计算公式νd=（nd-1）/（nF-nC），可以看到nF-nC的值越小，阿贝数就越大。nF-nC的值越小，就是说玻璃对F光和C光的曲折能力接近，我们再回去看这个图
就是F光和C光的焦点更接近，直观的效果就是，色差小了些。
下面是几个专利里的ED玻璃的某些参数，大家可以看看。
高色散玻璃：这个玻璃在一般观测中是个大问题，它和ED正好相反。但是在某些特殊场合，需要把一束白光分解成色光的时候，就能派大用场了。牛顿最早的把阳光分成7色光的实验中，如果用高色散玻璃的话，效果更好。
特殊色散玻璃：所谓的特殊色散玻璃，在前面的相对部分色散里有描述了。
低（零）膨胀玻璃：这个玻璃也有叫微晶玻璃的。所谓的零膨胀，其实就是在一个温度范围内，玻璃的膨胀率为零。以新沪玻璃厂的V-02为例，在0~50℃范围内，一级品的平均线膨胀系数为0±1.0×10^-7/℃。（石英玻璃是5.4左右）
因为这类玻璃极好的尺寸稳定性，所以在做标准具时经常用到。天文中最常用的地方就是反光镜。因为膨胀超低，反光镜的表面面形极为稳定，对提高观测效果有所提升。
微晶玻璃和普通玻璃的内部结构不一样，一般的玻璃基本是均匀的无定形物质。但是微晶玻璃里面，通过特殊工艺，是玻璃析出一些微小的晶体。而这些晶体在某个范围内，膨胀率是负值，也就是说收缩。但是微型晶体的外面是普通的玻璃，它的膨胀率是正的。这样，通过控制微型晶体的数量和大小，整个的玻璃就呈现出零膨胀了。
目前在公司产品目录里写到有超低膨胀微晶玻璃提供的，我了解到的只有上海新沪和德国肖特SCHOTT。德国肖特还不是在常用的产品目录手册上看到。在上海新沪的手册上看到，他们可以提供的最大尺寸是直径2300，厚度360。不过，价格肯定是天价。目前正常的微晶玻璃价格基本和925银差不多。
关于玻璃的东西，我就写了这些。
最后，讲个故事：传说一战前的时候，某个国家自己制造了潜水艇，但是因为光学玻璃不过关（那时候的光学玻璃制造工艺被垄断在德国，英国等国家手上），潜水艇基本是瞎子。于是就派了N多特工去别人那里刺探，但是都没搞到。最后只好想自己的同盟国求助，经过N次谈判，签署了几个很不公平的条约，总算得到了同盟国的技术文件，这份文件目前看来，可以概括为一个词——搅拌！
为什么搅拌，那就是玻璃熔炼工艺的问题了。如果需要，我再继续码字。
相关专业名词，将后续解释。
[ 本帖最后由 shunter 于 2007-3-24 22:32 编辑 ] ::31:: 好文又来了，赞一个，其他版主要向shunter版主学习。 长见识，顶一个::0022:: 学习！收藏
对于光学设计的人来说又是一篇好文章::0022:: 原帖由 Sunjune 于 2007-3-24 22:35 发表
学习！收藏
对于光学设计的人来说又是一篇好文章::0022::
搞设计的不需要了解这些的，直接调用玻璃库就好了，没必要了解玻璃如何来的。
而且采用什么等级的玻璃，可以查国标的。 ::28:: ::28:: 很好的文章，学习了 好文章，虽然有些还看不懂，但是早晚用得上::32:: ::32:: ::32:: 请楼上看清楚置顶版规，如果再发布此类帖子，将给予扣分处理！
此外，如果要发“牢骚”或者相类似的帖子，请另外起帖，不可在它人帖子后搭车！之前你的一篇帖子我已经删除了！ 引用: shunter 在文中说道:
QUOTE:
原帖由 Sunjune 于 2007-3-24 22:35 发表
学习！收藏
对于光学设计的人来说又是一篇好文章
搞设计的不需要了解这些的，直接调用玻璃库就...
多点了解总是没错的。全方位呢::31:: ::37::
阿贝折射数是个非常有用的系数,
LZ用的设计软件是ZEMAX。不错啊！！有空指教一下！还要向你学学怎么做玻璃呢::0020:: 在光学玻璃制作方面，最厉害的应该是王大珩院士了吧，好象干福熹也很强 好好学习! 好文，学习ing~~::32:: 原帖由 Sunjune 于 2007-3-25 09:57 发表
在光学玻璃制作方面，最厉害的应该是王大珩院士了吧，好象干福熹也很强
这2位主要是理论厉害。王老是光机学院的第一任院长，干先生是材料系的第一任系主任吧。
王老最大的贡献是为新中国培养了大批的光学人才。
具体如何，你要是有兴趣的话，可以去请教材料的曹老师。 ::20:: 人家是专业人员啊！~~非我辈可比。原帖由 rjxie 于 2007-3-24 22:27 发表
::31:: 好文又来了，赞一个，其他版主要向shunter版主学习。 好东西收藏了::0024::
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