佳能Optron萤石，萤石晶体，氟化钙萤石（CaF₂萤石）的发展历程、光学性质、制造工艺等

本文主要介绍佳能Optron萤石的起源、特性、发展历程、光学性质、制造工艺和应用领域。氟化钙萤石（CaF₂萤石）具有低折射率和低色散特性（特殊部分色散），萤石透镜与其他玻璃材料组合使用时几乎可完全消除色差，萤石透镜这一特性被广泛应用于长焦镜头制造、广播摄像镜头、天文望远镜及其他光学仪器与科学设备等领域。佳能Optron可实现从晶体生长、加工处理、研磨抛光到蒸镀（气相沉积）的全流程自主生产。

一、什么是萤石？

萤石是一种矿物，其主要成分为氟化钙（CaF₂萤石）。天然萤石因含有杂质而呈现绿、紫、粉等迷人色泽，亦被视为著名的能量宝石，号称"天才石"。自古至今，氟化钙萤石（CaF₂萤石）在金属冶炼中作为助熔剂发挥着不可替代的作用。

1、"萤石"名称的由来

"Fluorite"的英文名称源于拉丁语"fluere"，意为"流动"，源于该矿物在炼铁和陶瓷中作为助熔剂的用途。低色散萤石的关键成分"氟"元素（fluorine）亦得名于这一重要矿物。

2、低色散萤石的非凡特性

低折射率萤石受热时会发出荧光，其日文名称"hotaru-ishi"（萤石）即意为"萤石晶体"。除此之外，低折射率萤石还具有若干其他有趣特性。

（1）氟化钙萤石晶体可裂解为八面体碎片

萤石晶体的原子和分子在空间中以立方晶系（立方格子结构）的重复模式排列。该矿物具有完全解理性，若沿特定方向破碎低折射率萤石晶体，会获得八面体状碎片。

（2）佳能Optron萤石在紫外线照射下可发光

部分天然萤石在紫外线照射下会发光，即显现荧光特性。事实上，"荧光"（fluorescence）一词正源于"萤石"（fluorite）！

二、萤石透镜的发展历程

1950年，以天然晶体为原料生产合成萤石晶体的技术问世，为其作为光学材料的应用铺平了道路。然而，氟化物单晶的制备需在真空环境中将材料加热至1000℃以上并维持长时间，因此在设备与制造工艺等方面存在诸多难题——必须突破这些瓶颈，才能实现高纯度大尺寸晶体的规模化量产。

1968年，佳能Optron率先在全球实现合成萤石的批量生产。翌年，佳能推出首款采用合成萤石的可换镜头FL-F 300mm F5.6。

1、矿物硬度与加工技术

矿物硬度通常以莫氏硬度表示，该标准以十种参考矿物为依据，将硬度分为1至10级。低色散萤石的莫氏硬度为4级，属于相对柔软的矿物。这意味着在将其加工研磨成透镜时易产生划痕和损伤，导致整个工艺流程面临较高技术难度。

佳能Optron已确立先进的研磨、抛光及加工技术，能够覆盖佳能Optron萤石从结晶生成到研磨加工乃至蒸镀（气相沉积）的全生产流程。

2、莫氏硬度表（数字越大，硬度递增）

硬度等级	代表矿物
1	滑石
2	石膏
3	方解石
4	萤石
5	磷灰石
6	正长石
7	石英
8	黄玉
9	刚玉
10	金刚石

三、萤石透镜的光学特性

1、通过特殊部分色散实现色差校正

光线穿透水或其他透明介质时会发生折射。透镜正是利用这一特性使光线汇聚至特定焦点。然而，光的折射程度随颜色而异，不同波长的光线会聚焦于不同位置，这种现象称为色差。

色差在小型放大镜上不明显，但在长焦镜头中则可能引发图像边缘的色彩溢出。萤石与普通玻璃不同，具有低折射率和低色散特性（特殊部分色散），与其他玻璃材料组合使用时几乎可完全消除色差。这一特性被广泛应用于长焦镜头制造领域。

1枚凸透镜的光学现象，不同颜色的光线因折射率差异而聚焦于不同位置，形成色散

玻璃凸透镜+凹透镜组合，红色与蓝色波长光线被校正至同一点汇聚，而绿色波长光线仍存在汇聚差异

萤石凸透镜+凹透镜组合，萤石与其他玻璃材料组合可近乎完全消除色差

长焦镜头色差示例

2、红外与紫外透射性能

萤石具有宽广的透射范围，可使真空紫外至红外波段的光线透过。高纯度萤石尤其具备优异的紫外波段透射特性，被广泛应用于紫外透镜及科学仪器观察窗的制造。

四、萤石透镜的制造工艺

佳能Optron实现从晶体生长、加工处理、研磨抛光到蒸镀（气相沉积）的全流程自主生产。

1、原料准备

采用天然萤石矿石。

2、粉碎提纯

将原矿石粉碎为细颗粒，去除杂质后作为原料备用。

3、结晶工艺

提纯后的萤石颗粒放入坩埚熔融，通过坩埚下移实现自底部开始的结晶过程。再结晶可进一步去除杂质，形成高纯度晶锭。

4、退火处理

新生成晶体内部存在应力，直接加工易导致开裂。通过加热至接近熔点的温度后缓慢冷却至室温，消除内部应力，此过程称为退火，耗时数周。

5、修整粗加工

切除晶体表面多余部分，粗加工至透镜所需尺寸，并进行内部缺陷检测。

6、研磨成型

将晶体上下表面研磨成类似磨砂玻璃状的球面造型。

7、抛光处理

使用凝结抛光剂制成的抛光头进行表面抛光，直至呈半透明状态并达到指定尺寸，最后采用特殊抛光剂消除细微划痕。

8、蒸镀镀膜

通过蒸镀（气相沉积）技术施加抗反射或其他特殊涂层，在基材（透镜）表面形成薄膜。蒸镀原料同样由佳能Optron自主生产。

五、萤石晶体的应用领域

除可换镜头相机的长焦镜头外，萤石晶体的色差校正能力还广泛应用于广播摄像镜头、天文望远镜及其他光学仪器与科学设备。

2006年7月，佳能Optron向美国史密森尼天体物理观象台交付了12枚不同尺寸的萤石透镜，其中包括直径近40厘米的特制透镜。这些采用合成结晶萤石制造的透镜，凝聚了佳能Optron历时五年不懈研发与生产的尖端技术。

该观象台将这批透镜集成于Binospec高性能光谱仪中，使萤石透镜得以参与观测百亿光年外的宇宙信号，为破解恒星形成机制、银河系演化等天体物理难题提供了关键技术支持。