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衍射光学元件和微透镜的光学玻璃材料特点介绍

作者: 时间:2021-05-18

光学玻璃和普通玻璃有何不同?

光学中,玻璃、镜片是常用元件或者耗材用于透镜、棱镜、反射镜、窗口等,那么光学镜片与日常生活中的玻璃和镜片有什么不同呢?

公元三千年前,埃及和中国文明已经能够制造玻璃,但是一直到13世纪,人们才开始把玻璃作用在眼镜和镜子上,16世纪开始,因为天文学家和航海的发展,伟大的科学家伽利略、牛顿、笛卡儿等人用玻璃制造了望远镜与显微镜,17世纪,光学系统中色差成为了光学仪器的核心问题,为了解决这个问题,人们在玻璃种加入了氧化铅,一块普通玻璃就变成了一块可以消色差的透镜。1768年法国科学家利用黏土棒搅拌的方法制造了均匀的光学玻璃,从此之后开启了光学玻璃制造的工业。19世纪几个发达的资本主义国家直接建立了自己的光学玻璃工厂

1953-1957年,皮尔金顿和彼克斯达夫发明了革命性的浮法玻璃技术,首次实现在同一个工艺流程中连续生产出完整的、高质量的玻璃。

而后,日本将连续熔炼应用在光学仪器上。1965年,日本HOYA公司首先实现无条纹、无气泡的BK7光学玻璃连熔生产。连熔分成原料熔化池、澄清池、搅拌均化池,最后漏料出炉。

光学玻璃的产业在标准规范化后,主要分为防辐照光学玻璃、耐辐照光学玻璃、紫外和红外光学玻璃、无色光学玻璃、有色光学玻璃、光学石英玻璃

其中还有4种关键的制备技术组份开发、理化测试、熔制工艺、熔制设备。其中,光学玻璃熔制技术又含单坩埚熔炼、连续熔炼等。


可以说普通玻璃和光学玻璃,最大的区别在于以下:

1,加工的过程,用料,制作的工艺与普通玻璃有很大区别

2,光学镜片跟随应用的不同,外貌与普通玻璃有很大区别,肉眼可识别

3,光学玻璃的性能凸显在对所有波段光线的控制,而普通玻璃的只对可见光波段有控制,往往更在意的是耐用度和实用度


普通玻璃一般用于镜子或者装饰品,如窗户,玻璃门,工艺品,眼镜的镜片并不算普通玻璃,眼镜或隐形眼镜,美瞳会划分成光学器件/医疗器械,无度数眼镜划分为装饰品

光学镜片的应用范围相当广泛,遍布信息,光学,光源,光伏,半导体行业,最为常见,同时还有很多新兴产业与国家国防领域的试验发展也需要较多的特种光学镜片。光学镜片是重要的基础材料,发挥着关键的作用,如高端光学镜头用的特殊性能光学玻璃、半导体领域光掩膜基板用的合成石英玻璃、激光聚变装置用的大尺寸激光钕玻璃、红外热像仪镜头用的红外硫系玻璃等。


下面介绍几款光学镜片/玻璃:

一,石英玻璃光学镜片

石英光学玻璃一般用于190nm~2300nm波长范围的各类光学元件。

合成石英玻璃是一种非常高端的光学材料,具备优良的耐高温性能(其软化点与白金的熔点相近,热膨胀系数极小,仅为陶瓷的1/6和普通玻璃的1/20。)、极佳的光谱特性(从紫外到红外波段高透过率,尤其在紫外和深紫外光谱范围内的透过性能是一般光学玻璃所不具备的。)、高介电场强度(低介电损失和极低的导电性,是极好的绝缘材料。)、较高的纯度(人工合成石英玻璃的金属离子总含量可控制在1×10-6以内。)等。

高质量合成石英玻璃的制备技术主要有电熔法、气熔法、化学气相沉积(CVD)、等离子化学气相沉积(PCVD等。目前最常用的为化学气相沉积法。

湖北菲利华石英玻璃公司联合清华大学郑丽丽教授研究团队通过四年自主研发,并借助多物理场模型仿真研究,掌握了有机硅D4的多灯CVD法高效沉积合成石英玻璃完整技术链条(包括装备和工艺),即精密供料供气系统、大口径疏松体沉积工艺、疏松体的玻璃化烧结工艺、生产装备,研制生产的300 mm口径样品Dn2×10-6,透过率(0.18-3.4 μm)≥80%,整体性能制备达到国际先进水平。

海纳光学用到石英光学玻璃的产品有:微透镜阵列,分束镜,DOE衍射元件。

海纳光学的光学镜片产品:微透镜阵列,达曼光栅,DOE衍射光学元件,用的就是石英材质的玻璃。

额外拓展知识:

一、低折射特殊色散光学玻璃

低色散氟磷玻璃特性综合了氟化物玻璃和磷酸盐玻璃优点,具有超低折射率、超低色散和较高的特殊相对部分色散值,且具有优越的消色差性能,特别是对长焦距复消色差镜头,可作为CaF2氟化物晶体的替代物。

但是,低色散氟磷玻璃在制备中有一个难题,即氟磷玻璃中含有大量易挥发氟化物成分,易挥发,导致玻璃局部不均匀,另外对铂金坩埚侵蚀严重,铂金粒子易熔入玻璃中。

特殊低色散玻璃可以提高成像几何精度,同时扩大成像视场和降低系统复杂性,减少透镜数量,简化和优化光学系统结构,减小其体积和重量。因此,它被视为长焦距、大视场和高清光学系统的关键光学材料。

2019年,湖北新华光信息材料股份有限公司开发出氟磷玻璃新品H-FK95,折射率(nd)为1.43700,色散系数(ud)95.1,色散最低,阿贝数最高,具有较大的异常色散性和极优的光学消色差的能力,能够简化和优化光学成像系统,提高成像质量。

目前,氟磷玻璃产品处于供不应求的状态,在高清视频监控(1.5亿只/年)、车载镜头(以每年30%的速度增长)、投影机(800万台/年)、数码及单反相机(占光学需求总量的30%左右)等领域具有重要应用。



二、红外硫系玻璃

近几年,硫系玻璃被认为是新一代红外光学镜头材料。常见的红外光学材料主要有ZnSe晶体、Si单晶、Ge单晶、硫系玻璃、氟化物等。

硫系玻璃是一种性能优良的红外光学材料,是以元素周期表VIA族中SSeTe为主,并引入一定量的其它类金属元素(GaGeAsSb)所形成的无氧玻璃,可分为硫基(S)玻璃、硒基(Se)玻璃、碲基(Te)玻璃三大体系。

硫系玻璃是一种非晶态物质,与氧化物玻璃相比,具有较弱的共价键特性;禁带宽度为1-3 eV,比氧化物玻璃(~10 eV)小,具有半导体性质。

此外,硫系玻璃还具有优良的透红外性能、高的光学非线性、较低的声子能量、光诱导效应、半导体特性、快离子电导特性等特点,可应用于汽车夜视装置、红外成像仪、生命探测仪、红外肩扛导弹、夜视枪瞄等领域。

成都光明光电股份有限公司联合宁波大学实现了高质量红外硫系玻璃规模化生产,解决了Φ100-200 mm硫系玻璃批量化、稳定的制备技术,研制的硫系玻璃产品折射率均匀性为2.0x10-5,批次折射率误差<4x10-4,性能指标达到国际先进水平。

除以上介绍外,硫系玻璃还有一个应用技术——精密模压。2003年,法国Umicore公司章向华博士首先实现了Ge22As20Se58 Ge20Sb15Se65硫系玻璃球面、非球面的镜片精密模压技术,模压样品形状误差(模压表面和设计表面之差)低于0.5 μm,与单点金刚石车床加工精度相当,现已批量提供给宝马高档轿车夜视装置用。

精密模压方法有单站式和多站式两种,宁波大学的日本东芝211V型单站式模压机具有模压口径大、精度高的优点,但模压效率低。

硫系玻璃在无热化红外光学系统设计中占有一定优势。光学镜片及其金属外売材料在温度变化时发生的光学/机械参数变化共同决定着红外像质变化。红外光学系统应用环境较为苛刻,更需要有针对性地对环境温度变化改进光学设计,降低红外光学系统在温度变化环境中由于折射率变化导致的移焦、离焦等像质降低问题。

硫系玻璃在无热化红外光学系统的典型应用主要有长焦型长波红外望远镜物镜、基于硫系玻璃的模压非球面镜片等。

硫系玻璃镜头目前在民用安防监控、测温热像仪市场最大,由于国内红外探测器国产化及成本降低,加之海康威视、大华等监控产品供应商开始涉足红外夜视领域,硫系玻璃国内市场采购量逐步上升,未来年需求将超过10吨。民用车载夜视系统的发展将会对硫系玻璃产生更大需求。


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