Светотехнические материалы

Призматические стекла - линзы дисковые ступенчатые для кинопрожекторов (линзы Френеля)- применяются для оптики прожекторов и предназначены для формирования пучка световых лучей (таблица 12).

Таблица 12.

Органическое светотехническое стекло изготовляется из полимеров. Выпускается прозрачным и рассеивающим, бесцветным и окрашенным, в листах, гранулах и порошке. Для изготовления стекол со свойствами, близкими к силикатным кроновым стеклам, применяется метилметакрилат (плексиглас марок CT-1 и СОЛ) и целлулоид; для стекол со свойствами флинта - полистирол и полидихростирол. Бесцветное органическое стекло характерно оптической прозрачностью в ближней УФ области спектра.

По светотехническим характеристикам выделяются шесть групп органических стекол: I группа - прозрачные. У остальных стекол степень рассеяния света возрастает от II к V группе, приближаясь у последней к диффузному с одновременным снижением коэффициента пропускания. Стекла VI группы полностью непрозрачные, они примененяются в качестве отражателей и для них нормируется только коэффициент отражения (таблица13).

Таблица 13. Светотехнические характеристики органических стекол

В скобках указаны коэффициенты поглощения для окрашенного органического стекла.

Таблица 14. Спектральные коэффициенты пропускания t_l органических стекол СОЛ, СТ-1, 2-55, Т2-55 в диапазоне длин волн l от 320 до 1600 нм.

Устранение электризации предметов из оргстекла. Для устранения электростатического электричества, способствующего собиранию пыли на поверхностях, предметы из оргстекла обрабатывают антистатическими химическими средствами (антистатиками). Их действие основано на повышении электропроводимости поверхностей, обеспечивающей утечку электростатического заряда. В качестве антистатиков для пластмасс применяют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Растворы ПАВ (0,5-10 %) наносят на поверхности при погружении в раствор, протиркой или пульверизацией. Поверхности после обработки сушатся при температуре 20-25 °С в течение 3-5 ч., а затем при 50—60 °С в течение 20 ч.

При поверхностном нанесений длительность действия ПАВ зависит от концентрации раствора и свойств растворителя. Антистатические свойства сохраняются не менее месяца. Антистатиками являются: для полиэтилена - оксамин С-2; для полистирола - оксанол ЦС-17, алкамон ДЛ, моющее средство ОП-7, ОП-10; для полиметилметакрилата - алкамон ДЛ, ОП-7, ОП-10, ОС-2 (ОП-7 и ОП-10 заменяются некоторыми бытовыми моющими средствами).

Техническое органическое стекло: ТОСП - пластифицированное, ТОСН - непластифицированное. Выпускается прозрачным (бесцветным и цветным) и непрозрачным (красным, желтым, оранжевым, зеленым и синим), размерами от 100х100 до 1250х1150 мм при толщине листов от 1 до 200 мм.

Силикатные светотехнические стекла. Эти стёкла имеют свои обозначения и характеристики, приведенные в таблице 15.

Таблица 15.

В обозначении стекла имеются буквы, показывающие вид обработки: Б - необработанная поверхность, С - сочетание рифления с декорированием.

Светорассеивающие стекла отличаются по своему рассеивающему эффекту: объемный (молочные, опаловые, опалиновые), поверхностный (матированные) и объемно-поверхностный (глушеные матированные).

Глушеное стекло. Рассеяние света здесь достигается введением в массу стекла частичек глушителя размером 10—200 нм различной концентрации. Степень заглушенности колеблется от незначительной до предельной, характеризующей полное непропускание света. По степени заглушенности стекла подразделяются на молочные (наиболее заглушенные), опаловые и опалиновые (наименее заглушенные). Глушеные стекла обладают направленным пропусканием, отличающим их от матированных стекол. Характер направленности выражается четким изображением нити накала лампы, излучающей свет в красной области спектра. Если с расстояния 100 мм нить накала лампы мощностью 100Вт не просматривается, то стекло считается молочным. Через опаловое стекло нить лампы едва различается, сквозь опалиновое нить видна хорошо.

Глушеные стекла могут быть сплошными и накладными. Накладные бывают с односторонним и двусторонним светорассеивающими слоями. При малых размерах и малой концентрации частиц глушеное стекло в отраженном свете имеет голубоватую окраску, а в проходящем - красноватую (опаловое стекло). При больших размерах и высо­кой концентрации частиц глушителя стекло отражает и пропускает свет неизбирательно и имеет молочно-белую окраску (молочное стекло).

Молочное стекло. Характерными особенностями в рассеянии падающего света обладает часто используемое в светотехнических, фотометрических и оптических приборах молочное стекло. Оно отличается от прозрачного тем, что в процессе его выработки в остывающей прозрачной массе стекла появляется очень большое число мелких (порядка 1 мкм) частиц иного показателя преломления, которые делают стекло непрозрачным и напоминающим по внешнему виду твердое молоко (откуда и его название).

Если из такого стекла изготовить пластинку с полированными поверхностями, то и в отношении светорассеяния эта пластинка будет иметь много общего с чистой поверхностью молока. От окиси магния, сернокислого бария и других белых порошков молочное стекло (и молоко) отличается тем, что в первом случае светорассеивающие частицы находятся в воздухе, а во втором - в веществе с показателем преломления, большем единицы (стекло, вода). Гладкая поверхность раздела воздуха и стекла (или воздуха и воды) отражает зеркально часть падающего света в соответствии с формулами Френеля (см. “625”, №7, 2004). Основная часть светового потока входит внутрь стекла и рассеивается массой мелких неоднородностей. В результате некоторая доля потока выходит обратно (или проходит через слой), претерпевая новое отражение и преломление на поверхности раздела. Часть потока поглощается в толще стекла.

Таким образом, при отражении пучка света от полированного молочного стекла наблюдаются два различных явления: зеркальное отражение от гладкой поверхности и диффузное рассеяние в массе мелких частиц. На это различие иногда не обращают должного внимания, что приводит к недоразумениям.

Заводы оптического стекла выпускают более 10 сортов светорассеивающих стекол:

МС— молочное, ОНС — отражающее нейтральное стекло. Стекла марок МС16, МС17, МС18 и МС19 с показателем преломления п= 1,472 предназначены для изготовления образцов и рабочих эталонов мутности, а также имитаторов рассеивающих средств. Стекла марок МС12 (п= 1,49), МС13 (п= 1,51), МС19 (п =1,472) и МС23 (п= 1,52) предназначены для изготовления деталей, преобразующих направленный световой поток в диффузный при работе в проходящем свете. Стекло марок МС20 (взамен МС14) с п= 1,52 и стекла ОНС1, ОНС2, ОНСЗ и ОНС4 с п= 1,5 предназначены для изготовления непрозрачных деталей, диффузно отражающих направленный свет (экраны, сферы, кюветы, пластины, образцы сравнения и рабочие эталоны белизны отражения).Стекло МС-23 предназначено для рассеяния проходящего света и потому отражает относительно малую часть падающего потока. При толщине 1 мм стекло МС-23 пропускает примерно 70 % падающего светового потока, рассеивая его достаточно равномерно по всем направлениям. Еще равномернее рассеивает это стекло при толщине 2 мм и 3 мм, но тогда его коэффициенты пропускания составляют 60 и 50 %.

Когда нужно по возможности воспроизвести поверхность идеального рассеивателя, то пользуются полированной пластинкой из стекла МС-20 толщиной 7-8 мм, которая отражает 97 % светового потока, падающего на нее по нормали. В пределах видимого спектра коэффициент отражения такой пластинки колеблется от 94 до 97%. Около 4% падающего потока отражается зеркально от гладкой поверхности, а остальная часть выходит из толщи стекла после рассеяния на внутренних неоднородностях. Как можно увидеть из таблицы 16 изменения коэффициента отражения молочных стекол в видимой части спектра в зависимости от длины волны незначительны.

Таблица 16. Спектральный коэффициент отражения r_l молочных стекол

Таблица 17.Общий коэффициент пропускания молочных стекол в зависимости от толщины

Матированные стекла со значительной степенью матирования имеют коэффициент пропусканияравный 0,7-0,85. Коэффициент пропускания с глянцевой и матированной стороны различен. Больший коэффициент наблюдается если, матированная поверхность будет направлена в сторону источника света.

Нормативные данные по показателям пропускания t, отражения r и поглощения a силикатных рассеивающих стекол приведены в таблице 18.

Таблица 18. Силикатные рассеивающие стекла

Рентгеновские защитные стекла выпускаются двух марок: ТФ5 и ТФ105 (тяжелый флинт) толщинойот 10 дo 50 мм. Форма стекол - прямоугольная размерами от 146х135 до 600х500 мм и круглая - диаметром от 30 до 250 мм. Защитные свойства характеризуются свинцовым эквивалентом при напряжении180 - 200 кВ, т. е. толщиной слоя свинца в миллиметрах, ослабляющего рентгеновское излучение в то же число раз, что и данное защитное стекло (Таблица 19).

Таблица 19.

Оптические стекла с особыми свойствами. Инфракрасные бескислородные стекла (ИКС) прозрачны в диапазоне 1-17 мкм. Отличаются отсутствием компонентов, содержащих кислород.

Люминесцирующие стекла содержат неодим. Обозначаются индексом ГЛС (генерирующие люминесцирующие стекла). Имеют узкие полосы люминесценции. На полосу 1060 нм приходится до 80 % всей энергии люминесценции. Применяются для изготовления активных элементов твердотельных лазеров направленного излучения с длиной волны излучения 900, 1060 и 1300 нм.

Фотохромные стекла (ФХС), обратимые. Меняют свою прозрачность при изменении освещенности. Основные характеристики: коэффициент монохромности К_ф -величина, показывающая уменьшение оптической плотности при нагреве на 30 °С; чувствительность S_ф - величина, обратная количеству освещения, необходимого для получения добавочной плотности D = 0,2. Стекло ФХСЗ, с параметрами К_ф=0,5...0,7 и S_ф=(2...5)10^-6 (лк×с)^-1, применяется для изготовления светофильтров и светозащитных очков.

Оптические керамика и кристаллы характеризуются свойствами, отсутствующими у оптического стекла: пропусканием в УФ и ИК областях спектра и значительной величиной коэффициента основной средней дисперсии при малом показателе преломления.

Оптическая керамика (КО) — поликристаллический материал производится методом горячего прессования под большим давлением в вакууме. Обладает высокой механической прочностью и термостойкостью.Предназначена для различных оптических приборов ИК диапазона и подложек интерференционных осветительных фильтров. Оптическая керамика КО4 прозрачна в диапазоне 1-20 мкм, КО5 - в диапазоне 18 мкм.

Хлористый натрий NaCl - мягкий природный кристалл (каменная соль) с коэффициентом преломления п = 1,52 на длине волны излучения 2000 нм. Прозрачен в спектральной области 250—3000 нм. Растворим в воде и глицерине, гигроскопичен. Применяется для изготовления спектральных призм ИК. диапазона.

Бромистый калий КВг - мягкий кристалл с п =1,54 на длине волны излучения 2000 нм. Прозрачен в области спектра 210—27000 нм. Растворим в воде и глицерине, гигроскопичен. Применяется для изготовления спектральных призм ИК диапазона.

Хлористый калий КС1 - природный минерал (сильвин), мягкий, гигроскопичный. Растворим в воде, щелочах, эфире, глицерине. Прозрачен в области спектра 330—21 000 нм. Применяется для конденсоров микроскопов УФ и призм ИК диапазонов.

Фтористый кальций CaF - природный флюорит, твердый, хрупкий кристалл с

п = 1,42 на волне 2000 нм. Прозрачен в диапазоне180—10000 нм. Негигроскопичен и нерастворим в воде. Применяется для изготовления деталей микроскопов и призм спектроскопов УФ и ИК диапазонов.

Фтористый литий LiF - кристалл средней твердости с п = 1,38 на волне 2000 нм. Прозрачен в области спектра 180—6000 нм. Негигроскопичен и практически нерастворим в воде. Применяется для изготовления оптических деталей УФ и ИК диапазонов.

Германий Ge - синтетический хрупкий кристалл с п = 4,12 на волне 2000 нм. Непрозрачен в видимой области спектра, пропускает излучения от 2000 до 15000нм и от 40000 до 60000 нм. Требует просветления из-зa больших потерь на отражение при преломлении. Применяется в ИК диапазоне.

Кремний Si - синтетический хрупкий кристалл с п = 3,46 на волне 2000 нм. Непрозрачен в видимой области спектра. Пропускает лучи в области от 15000 до 22000 нм.

Кварц кристаллический SiО₂ - синтетический кристалл (природный - горный хрусталь) с п = 1,52 на волне 2000 нм. Имеет.слабовыраженное двойное лучепреломление. Прозрачен в области спектра 180—10000 нм. Применяется для изготовления оптических деталей спектральных и поляризационных приборов.

Кальцит СаСОз - синтетический кристалл (природный - исландский шпат), хрупкий и нетермостойкий с п = 1,66 на волне 560 им. Имеет сильно выраженное двойное лучепреломление. Пропускает видимую и ближнюю ИК область спектра.

Фтористый магний MgF₂ - природный кристалл средней твердости, нерастворим в воде с п = 1,38 в дипазоне излучений 400—700 нм. Пропускает лучи в области спектра 100-1000 нм. Применяется для интерференционных и интерференционно-поляризационных фильтров..

Лейкосапфир - искусственный кристалл, беспримесный корунд А1₂O₃ (природный корунд - сапфир). Термостойкий и химически стойкий кристалл. С примесью хрома представляет собой рубин, применяемый для активных тел лазеров. Изготовляется следующих марок: Л-У — для УФ области, Л-В — для видимой и Л-И — для инфракрасной области спектра.

Белые пигменты являются составной частью многих светотехнических материалов. Они улучшают отражение и рассеяние светового потока. Применяются белые пигменты в качестве наполнителей эмалей, красок и органических стекол. Различаются светоотражающие и светорассеивающие (глушители) пигменты. В таблицах 20 и 21 приведены показатели преломления п и коэффициенты отражения r белых пигментов.

Таблица 20. Белые светоотражающие пигменты.

Таблица 21. Белые светорассеивающие пигменты

Белые эмали используются при изготовлении диффузных отражателей. Наиболее распространены белые эмали с пигментом двуокиси титана и алюм