光学玻璃

光学玻璃规格

选择玻璃材料非常重要，这是因为不同的玻璃类型具有不同的特性。爱特蒙特光学® 提供了各种玻璃类型，可根据下面的特性作出选择。

设计师一般将玻璃的折射率和 Abbe 数值用作为设计系统的自由度。反射率是指在特定波长下，光在真空中的速度与光在特定材料中的速度之比率；而材料的 Abbe 数值则会量化特定光谱范围的色散量（色散率变化）。例如，材料的折射率越高，光线折射的能力越强，因此需要透镜弯曲的曲率就较小。在具有较高折射率的情况下，球差数值就较小；而通过具有低折射率的材料的光速更快。高 Abbe 数值通常提供低色散并减少色差。另外，某些玻璃类型则具有不同的传输波长区域。

玻璃密度有助于确定光学组件的重量以及透镜直径，这对用于重量有限制的应用更为敏感。另外，密度一般指可与玻璃配合使用的能力，并与材料成本具有一定的比例。处理含有极端温度和快速的温差的应用时，玻璃的膨胀系数成了它的主要比例。光学机械设计师在设计光学组件时必须牢记这一要点。

许多玻璃制造商都提供带不同商品名称，但具相同材料特性的产品。大多数制造商也修改其产品和制造过程以实现其环保目标（不含铅和砷）。

所有类型的玻璃的基本数值

表1：玻璃材质等效替代品
列出的玻璃名称	玻璃编号	Schott等效替代品	Ohara等效替代品	CDGM等效替代品
N-BK7	517/642	N-BK7	S-BSL7	H-K9L
N-K5	522/595	N-K5	S-NSL 5	H-K50
N-PK51	529/770	N-PK51	–	–
N-SK11	564/608	N-SK11	S-BAL 41	H-BaK6
N-BAK4	569/561	N-BAK4	S-BAL 14	H-BaK7
N-BAK1	573/576	N-BAK1	S-BAL11	H-BaK8
N-SSK8	618/498	N-SSK8	S-BSM 28	–
N-PSK53A	618/634	N-PSK53A	S-PHM52	–
N-F2	620/364	N-F2	S-TIM 2	H-F4
S-BSM18	639/554	–	S-BSM18	H-ZK11
N-SF2	648/338	N-SF2	S-TIM 22	H-ZF1
N-LAK22	651/559	N-LAK22	S-LAL54	H-LaK10
S-BAH 11	667/483	–	S-BAH 11	H-ZBaF16
N-BAF10	670/472	N-BAF10	S-BAH 10	H-ZBaF52
N-SF5	673/322	N-SF5	S-TIM 25	H-ZF2
N-SF8	689/312	N-SF8	S-TIM 28	H-ZF10
N-LAK14	697/554	N-LAK14	S-LAL14	H-LAK51
N-SF15	699/301	N-SF15	S-TIM35	H-ZF11
N-BASF64	704/394	N-BASF64	–	–
N-LAK8	713/538	N-LAK8	S-LAL8	H-LAK7
S-TIH 18	722/293	–	S-TIH 18	–
N-SF10	728/284	N-SF10	S-TIH 10	H-ZF4
N-SF4	755/276	N-SF4	S-TIH4	H-ZF6
N-SF14	762/265	N-SF14	S-TIH 14	–
N-SF11	785/258	N-SF11	S-TIH 11	H-ZF13
SF65A	785/261	SF65A	S-TIH23	–
N-LASF45	800/350	N-LASF45	S-LAM66	H-ZLaF66
N-LASF44	803/464	N-LASF44	S-LAH 65	H-ZLaF50B
N-SF6	805/254	N-SF6	S-TIH 6	H-ZF7LA
N-SF57	847/238	N-SF57	S-TIH 53	H-ZF52
N-LASF9	850/322	N-LASF9	S-LAH71	–
S-NPH2	923/189	–	S-NPH2	–
N-SF66	923/209	N-SF66	–	–

光学玻璃属性

如今的光学玻璃质量和完整性都是由光学设计师所作出的基本假设。将近 125 年前，奥托•肖特(Otto Schott) 通过系统化研究和开发玻璃成分，开始了一场改革。他主要针对玻璃成分和生产过程进行开发工作，并在玻璃制造中历经多次的尝试和错误，直至现今的真正技术材料。如今的光学玻璃属性是可预测的、可重复制造且均质的——这是技术材料的基本先决技能。分类光学玻璃的基本属性为：

折射率

折射率是指光在真空中的速度与光在指定材料中的速度之比率——这是光速如何在其穿过光学材料时减缓之说明。光学玻璃的折射率，$ \small{n_d} $，指定波长为 587.6nm（氦D线）。具有低折射率的材料通常又称为" 冕牌玻璃"，而具有高折射率的材料则称为"火石玻璃"。我们的目录中的组件的典型的折射率公差为±0.0005。

色散

色散是指折射率随波长而变的现象。使用Abbe数值，$ \small{v_d} $表示，被定义为 $ \frac{\small{ \left( n_d - 1 \right)}}{\left( n_F - n_C \right)} $；$ \small{n_F} $ 和 $ \small{n_C} $ 分别是在 486.1nm （氫F线）和 656.3nm（氫C线）下的折射率。Abbe 数值低表示具有高色散。冕牌玻璃的色散通常比火石玻璃来得低。我们的目录中的组件的典型的Abbe公差为±0.8%。

透射

标准光学玻璃对整个可视光谱和近紫外线外和近红外范围内提供高透射。冕牌玻璃在 NUV 中的透射通常较火石玻璃来得强。由于火石玻璃的高透射率，因而导致较高的菲涅尔反射损失，因此应始终指定与增透膜配合使用。

Sample Optical Glass Transmittance Curve

图 1：光学玻璃样品透射曲线

附加属性

设计能在极端环境下使用的光学时，了解到各个光学玻璃均具有稍有不同的化学、热量和机械性能至关重要。这些属性都可在数据表中找到。

表2：所有玻璃类型的基本值
玻璃名称	折射率 $ \left( \small{n_d} \right) $	色散系数 $ \left( \small{ v_d} \right) $	密度 $\left[ \small{ \tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3}} \right] $	线性膨胀系数*	最高工作温度 $\left( ^{\small{\text{o}}} \small{ \text{C}} \right) $
CaF₂	1.434	95.10	3.18	18.85	800
Fused Silica	1.458	67.70	2.20	0.55	1000
Schott BOROFLOAT®	1.472	65.70	2.20	3.25	450
S-FSL5	1.487	70.20	2.46	9.00	457
N-BK7	1.517	64.20	2.46	7.10	557
N-K5	1.522	59.50	2.59	8.20	546
B270/S1	1.523	58.50	2.55	8.20	533
Schott ZERODUR®	1.542	56.20	2.53	0.05	600
N-SK11	1.564	60.80	3.08	6.50	604
N-BAK4	1.569	56.10	3.10	7.00	555
N-BaK1	1.573	57.55	3.19	7.60	592
L-BAL35	1.589	61.15	2.82	6.60	489
N-SK14	1.603	60.60	3.44	7.30	649
N-SSK8	1.618	49.80	3.33	7.10	598
N-F2	1.620	36.40	3.61	8.20	432
BaSF1	1.626	38.96	3.66	8.50	493
N-SF2	1.648	33.90	3.86	8.40	441
N-LAK22	1.651	55.89	3.73	6.60	689
S-BaH11	1.667	48.30	3.76	6.80	575
N-BAF10	1.670	47.20	3.76	6.80	580
N-SF5	1.673	32.30	4.07	8.20	425
N-SF8	1.689	31.20	4.22	8.20	422
N-LAK14	1.697	55.41	3.63	5.50	661
N-SF15	1.699	30.20	2.92	8.04	580
N-BASF64	1.704	39.38	3.20	9.28	582
N-LAK8	1.713	53.83	3.75	5.60	643
N-SF18	1.722	29.30	4.49	8.10	422
N-SF10	1.728	28.40	4.28	7.50	454
S-TIH13	1.741	27.80	3.10	8.30	573
N-SF14	1.762	26.50	4.54	6.60	478
Sapphire**	1.768	72.20	3.97	5.30	2000
N-SF11	1.785	25.80	5.41	6.20	503
N-SF56	1.785	26.10	3.28	8.70	592
N-LASF44	1.803	46.40	4.46	6.20	666
N-SF6	1.805	25.39	3.37	9.00	605
N-SF57	1.847	23.80	5.51	8.30	414
N-LASF9	1.850	32.20	4.44	7.40	698
N-SF66	1.923	20.88	4.00	5.90	710
S-LAH79	2.003	28.30	5.23	6.00	699
ZnSe	2.403	N/A	5.27	7.10	250
Silicon	3.422	N/A	2.33	2.55	1500
Germanium	4.003	N/A	5.33	6.10	100

*$ \tfrac{10^{-6}}{\small{^{\text{o}}} \text{C}} $
**蓝宝石是一种双折射材料。所有规格与C轴平行度相对应。

光学玻璃选择

EO Abbe diagram with Coefficient of Thermal Expansion and Relative Partial Dispersion

图 2：爱特蒙特光学色散图（含热膨胀系数和相对部分色散）

必须优化光学系统以获取完整的功能特性。几何像差和色差必须使用超过一个的玻璃材料才能得到校正，通常情况下，都是用三种或三种以上玻璃材料。不同应用的光学系统需求的范围非常广泛，因此只用小组玻璃类型是不能实现相关需求的。正因如此，我们开发了各种玻璃类型。一般上按折射率以及色散图表即 Abbe 图表显示。

Abbe 图表是 1923 年由 SCHOTT 发明的，这是长时间进行光学玻璃计划的调查结果。玻璃类型具有一个二维的坐标系统，以及Abbe数值 $ \small{ \left(v_d \right) } $ 和折射率 $ \small{ \left(n_d \right) } $ ，分别为X轴和Y轴。X轴按逆序排列，而左侧则按不断增加的数量排列。

在Abbe图表中，玻璃材料被分为诸如BK、SK、F、SF等各种名称。这些"玻璃系列"与Abbe图表中按蓝色线定义的区域相对应。图表中有一条将冕牌玻璃类型（最后字母为"K"，从冕牌玻璃的 German"Kron"开始）和火石玻璃类型（最后字母为"F"）分开的主线。此线从 Abbe 数值为 55 的底部上升，在 1.60 折射率点上横向至 50 Abbe数值，然后继续向上直至最顶端。

玻璃名称的首字母表示玻璃类型中使用的中重要化学元素：F - Fluorine（氟）、P – Phosphorus（磷）、B – Boron（硼）、BA – Barium（钡）、LA – Lanthanum（镧）。此定律的偏差为冕牌玻璃和火石玻璃系列的玻璃类型，从K ("Kron")发展到KF ("Kronflint" – crownflint)再到不断增加铅含量的火石玻璃，因此其密度分类为：LLF（极轻火石）、LF（轻火石）、F（火石）和SF（Schwerflint-重火石）。其他偏差为SK和SSK玻璃类型：SK（重冕）和SSK（特重冕）。LAK、LAF和LASF分别是镧冕、火石和重火石玻璃类型。