光学玻璃

光学玻璃是制造光学镜头、光学仪器的主要材料。光学玻璃必须有高度精确的折射率、阿贝数和高透明度、高均匀度。

简史

最初用于制造镜头的玻璃，就是普通窗户玻璃或酒瓶上的疙瘩，形状类似“冠”，皇冠玻璃或冕牌玻璃的名称由此而来。那时候的玻璃极不均匀，多泡沫。除了冕牌玻璃外还有另一种含铅量较多的燧石玻璃。

1790年左右法国人皮而·路易·均纳德发现搅拌玻璃熔液可以制造质地均匀的玻璃。

1884年蔡司公司的恩斯特·阿贝和奥托·肖特在德国耶拿市创建肖特玻璃厂（Schott Glaswerke AG ），在几年内研制了几十种光学玻璃，其中以高折射率的钡质冕牌玻璃(BAK)的发明为肖特玻璃厂的重要成就之一。

光学玻璃的成分

光学玻璃是用高纯度硅、硼、钠、钾、锌、铅、镁、钙、钡等的氧化物按特定配方混合,在白金坩埚中高温融化,用超声波搅拌均匀,去气泡；然后经长时间缓慢地降温，以免玻璃块产生内应力。冷却后的玻璃块，必须经过光学仪器测量，检验纯度、透明度、均匀度、折射率和色散率是否合规格。合格的玻璃块经过加热锻压，成光学透镜毛胚。

特种光学玻璃

稀土元素光学玻璃

1930年代美国伊士曼柯达公司发明了新的稀土元素光学玻璃,相比于已有的钡冕、超重冕玻璃，稀土玻璃添加有镧、钍的氧化物。此类光学玻璃有很高的折射率，同时玻璃的色散明显低于同折射率的燧石玻璃，为光学镜头的设计开辟新的可能性，今日各类镜头中几乎都有镧玻璃。早期稀土玻璃由于添加二氧化钍，多半含有放射性。二战结束后柯达又改良而发明无放射性稀土玻璃，并经过以徕兹（Leitz）、小原（Ohara）、肖特（Schott）等各光学玻璃制造商的改进，成为光学界常见的高折射率玻璃。经典的无钍镧冕玻璃以徕卡公司授权肖特厂生产的LaK9（系徕卡优化Chance Brother's公司的691547玻璃配方得到）为代表。二十世纪六七十年代，配方不断改进，逐渐用五氧化二钽为主的原料代替了二氧化钍。并且，随着熔炼工艺的不断改进，更高折射率的重镧火石玻璃也被研发出来。相比于镧冕玻璃，这类材料通常必须添加更多的氧化镧、氧化钽、氧化锆和氧化铌等修饰成分，熔炼的条件更趋苛刻，修饰成分导致的玻璃着色、析晶等问题也更严重，但其折射率可达到1.8-2.0，同时具有比超重（铅）火石玻璃更低的色散，为超大光圈摄影镜头的研发提供了无可替代的便利。徕卡著名的Noctilux 50mm F/1.0所倚赖的“PKT58”玻璃（900403）即属此类。由于含大量的镧和钽，重镧火石玻璃质地坚硬耐磨，化学性质不活泼，属于耐水耐酸性能最为优异的光学玻璃。近年来，随着氧化钽价格不断上涨，各主要光学玻璃供应商也开发出用更廉价、低比重的稀土元素氧化物代替氧化钽的产品，并维持基本的规格参数不变。

无铅光学玻璃

无铅光学玻璃不含对环境有毒害的铅、砷、镉、铍等元素。为区别于同规格的非环保玻璃，通常在玻璃牌号前加字母表示环保化。例如肖特（Schott）厂的N标志，小原（Ohara）厂的S标志，及成都光明（CDGM）厂的H标志。对于摄影镜头常用的玻璃而言，铅主要用于提升玻璃的色散，并改善过渡金属氧化物在熔体中的溶解性。因此，在环保化过程中，配方受影响最大的为超重火石玻璃，次为具有短波异常色散性能的特种火石玻璃（Short Flint）。超重火石所含氧化铅的质量分数常超过20%，替换为二氧化钛后通常对于400nm附近的蓝紫光透过能力有较明显的损失，故不得不加入价格较昂贵的五氧化二铌。同时，在部分厂家的工艺中，为保持含铅、无铅版本的折射率与阿贝数一致，有时需要引入氟元素。对于特种火石玻璃，由于去除了配方中占比约10%的氧化铅，故不能维持氧化硼三角形骨架与四面体骨架的比例，必须改换为含五氧化二铌、三氧化二锑等材料的配方，形成玻璃的配方范围变窄，且成本增加。此类玻璃在非环保时代以肖特KzF（含三氧化二锑与三氧化二砷为主要修饰成分）、KzFS（以氧化硼和氧化铅为主要成分）系列为代表，但今日已改换配方为以五氧化二铌为核心成分的N-KzFS系列。

氟磷酸盐光学玻璃

此类玻璃系含氟化物与磷酸盐的特种玻璃，具有折射率低、阿贝数较高（色散较低）、部分色散显著异于常规光学玻璃等特点，对于大口径摄影镜头的色散修正有明显的帮助。但是，此类玻璃因为含较多的氟化物，很容易在熔炼过程中出现挥发，导致成分不稳定。玻璃含较多的磷酸盐，耐水、耐酸性能极差。同时，玻璃材料硬度、机械强度都较低，研磨抛光难度较大。

光学玻璃分类

化学成分和光学性质相近的玻璃，在阿贝图上也分布在相邻的位置。肖特玻璃厂的阿贝图有一组直线和曲线,将阿贝图分成许多区，将光学玻璃分类;列如冕牌玻璃K5、K7、K10在K区,燧石玻璃F2、F4、F5在F区。玻璃名称中的符号：

• F 代表燧石
• K 代表冕牌
• B 代表硼
• BA 代表钡
• LA 代表镧
• N 代表无铅
• P 代表磷
• TA 代表钽

光学玻璃的物理参数

• V_d阿贝数 四位有效数字
• n_d折射率 七位有效数字
• V_e 四位有效数字
• n_e 七位有效数字
• 玻璃的密度. 四位有效数字
• 玻璃的透明度.四位有效数字
• 折射率随着温度变化的系数 三位有效数字

国际玻璃码

国际玻璃码用九位数字表示，形式为：xxxxxx.xxx;

• 头三位数字代表折射率n_d小数点后头三位数。
• 下三位数字代表阿贝数V_d头三位数，不计小数点。
• 小数点后的三位数代表玻璃的密度，不计小数点

例如K10玻璃

• n_d=1.50137 小数点后头三位数=501
• V_d=56.41 头三位数，不计小数点=564
• 密度=2.52；不计小数点=252

例如：

K10 的国际玻璃码是501564.252

N-LAK7的国际玻璃码652585.384

N-BALF5的国际玻璃码547536.261

N-KF9的国际玻璃码523515.250

N-SSK2的国际玻璃码622533.353

参见

• 阿贝数
• 阿贝图