光學玻璃

光學玻璃是製造光學鏡頭、光學儀器的主要材料。光學玻璃必須有高度精確的折射率、阿貝數和高透明度、高均勻度。

簡史

最初用於製造鏡頭的玻璃，就是普通窗戶玻璃或酒瓶上的疙瘩，形狀類似「冠」，皇冠玻璃或冕牌玻璃的名稱由此而來。那時候的玻璃極不均勻，多泡沫。除了冕牌玻璃外還有另一種含鉛量較多的燧石玻璃。

1790年左右法國人皮而·路易·均納德發現攪拌玻璃熔液可以製造質地均勻的玻璃。

1884年蔡司公司的恩斯特·阿貝和奧托·肖特在德國耶拿市創建肖特玻璃廠（Schott Glaswerke AG ），在幾年內研製了幾十種光學玻璃，其中以高折射率的鋇質冕牌玻璃(BAK)的發明為肖特玻璃廠的重要成就之一。

光學玻璃的成分

光學玻璃是用高純度硅、硼、鈉、鉀、鋅、鉛、鎂、鈣、鋇等的氧化物按特定配方混合,在白金坩堝中高溫融化,用超聲波攪拌均勻,去氣泡；然後經長時間緩慢地降溫，以免玻璃塊產生內應力。冷卻後的玻璃塊，必須經過光學儀器測量，檢驗純度、透明度、均勻度、折射率和色散率是否合規格。合格的玻璃塊經過加熱鍛壓，成光學透鏡毛胚。

特種光學玻璃

稀土元素光學玻璃

1930年代美國伊士曼柯達公司發明了新的稀土元素光學玻璃,相比於已有的鋇冕、超重冕玻璃，稀土玻璃添加有鑭、釷的氧化物。此類光學玻璃有很高的折射率，同時玻璃的色散明顯低於同折射率的燧石玻璃，為光學鏡頭的設計開闢新的可能性，今日各類鏡頭中幾乎都有鑭玻璃。早期稀土玻璃由於添加二氧化釷，多半含有放射性。二戰結束後柯達又改良而發明無放射性稀土玻璃，並經過以徠茲（Leitz）、小原（Ohara）、肖特（Schott）等各光學玻璃製造商的改進，成為光學界常見的高折射率玻璃。經典的無釷鑭冕玻璃以徠卡公司授權肖特廠生產的LaK9（系徠卡優化Chance Brother's公司的691547玻璃配方得到）為代表。二十世紀六七十年代，配方不斷改進，逐漸用五氧化二鉭為主的原料代替了二氧化釷。並且，隨著熔煉工藝的不斷改進，更高折射率的重鑭火石玻璃也被研發出來。相比於鑭冕玻璃，這類材料通常必須添加更多的氧化鑭、氧化鉭、氧化鋯和氧化鈮等修飾成分，熔煉的條件更趨苛刻，修飾成分導致的玻璃著色、析晶等問題也更嚴重，但其折射率可達到1.8-2.0，同時具有比超重（鉛）火石玻璃更低的色散，為超大光圈攝影鏡頭的研發提供了無可替代的便利。徠卡著名的Noctilux 50mm F/1.0所倚賴的「PKT58」玻璃（900403）即屬此類。由於含大量的鑭和鉭，重鑭火石玻璃質地堅硬耐磨，化學性質不活潑，屬於耐水耐酸性能最為優異的光學玻璃。近年來，隨著氧化鉭價格不斷上漲，各主要光學玻璃供應商也開發出用更廉價、低比重的稀土元素氧化物代替氧化鉭的產品，並維持基本的規格參數不變。

無鉛光學玻璃

無鉛光學玻璃不含對環境有毒害的鉛、砷、鎘、鈹等元素。為區別於同規格的非環保玻璃，通常在玻璃牌號前加字母表示環保化。例如肖特（Schott）廠的N標誌，小原（Ohara）廠的S標誌，及成都光明（CDGM）廠的H標誌。對於攝影鏡頭常用的玻璃而言，鉛主要用於提升玻璃的色散，並改善過渡金屬氧化物在熔體中的溶解性。因此，在環保化過程中，配方受影響最大的為超重火石玻璃，次為具有短波異常色散性能的特種火石玻璃（Short Flint）。超重火石所含氧化鉛的質量分數常超過20%，替換為二氧化鈦後通常對於400nm附近的藍紫光透過能力有較明顯的損失，故不得不加入價格較昂貴的五氧化二鈮。同時，在部分廠家的工藝中，為保持含鉛、無鉛版本的折射率與阿貝數一致，有時需要引入氟元素^[1]。對於特種火石玻璃，由於去除了配方中占比約10%的氧化鉛，故不能維持氧化硼三角形骨架與四面體骨架的比例，必須改換為含五氧化二鈮、三氧化二銻等材料的配方，形成玻璃的配方範圍變窄，且成本增加。此類玻璃在非環保時代以肖特KzF（含三氧化二銻與三氧化二砷為主要修飾成分）、KzFS（以氧化硼和氧化鉛為主要成分）系列為代表，但今日已改換配方為以五氧化二鈮為核心成分的N-KzFS系列。

氟磷酸鹽光學玻璃

此類玻璃系含氟化物與磷酸鹽的特種玻璃，具有折射率低、阿貝數較高（色散較低）、部分色散顯著異於常規光學玻璃等特點，對於大口徑攝影鏡頭的色散修正有明顯的幫助。但是，此類玻璃因為含較多的氟化物，很容易在熔煉過程中出現揮發，導致成分不穩定。玻璃含較多的磷酸鹽，耐水、耐酸性能極差。同時，玻璃材料硬度、機械強度都較低，研磨拋光難度較大。^[2]

光學玻璃分類

化學成分和光學性質相近的玻璃，在阿貝圖上也分布在相鄰的位置。肖特玻璃廠的阿貝圖有一組直線和曲線,將阿貝圖分成許多區，將光學玻璃分類;列如冕牌玻璃K5、K7、K10在K區,燧石玻璃F2、F4、F5在F區。玻璃名稱中的符號：

• F 代表燧石
• K 代表冕牌
• B 代表硼
• BA 代表鋇
• LA 代表鑭
• N 代表無鉛
• P 代表磷
• TA 代表鉭

光學玻璃的物理參數

• V_d阿貝數 四位有效數字
• n_d折射率 七位有效數字
• V_e 四位有效數字
• n_e 七位有效數字
• 玻璃的密度. 四位有效數字
• 玻璃的透明度.四位有效數字
• 折射率隨着溫度變化的係數 三位有效數字

國際玻璃碼

國際玻璃碼用九位數字表示，形式為：xxxxxx.xxx;

• 頭三位數字代表折射率n_d小數點後頭三位數。
• 下三位數字代表阿貝數V_d頭三位數，不計小數點。
• 小數點後的三位數代表玻璃的密度，不計小數點^[3]

例如K10玻璃

• n_d=1.50137 小數點後頭三位數=501
• V_d=56.41 頭三位數，不計小數點=564
• 密度=2.52；不計小數點=252

例如：

K10 的國際玻璃碼是501564.252

N-LAK7的國際玻璃碼652585.384

N-BALF5的國際玻璃碼547536.261

N-KF9的國際玻璃碼523515.250

N-SSK2的國際玻璃碼622533.353

參考資料

1. 小原株式會社. 小原六十年之步履. : 100–150.
2. 泉谷徹郎（著）；楊淑清（譯）, 光學玻璃與激光玻璃開發. 光學玻璃與激光玻璃開發. 北京: 兵器工業出版社. 1996.
3. Schott Optical Glass Pocket Cataloque 2011 p70

參見

• 阿貝數
• 阿貝圖