光學玻璃

光學玻璃規格

選擇玻璃材料非常重要，這是因為不同的玻璃類型有不同的特性。愛特蒙特光學® 提供了各種玻璃類型，可依據下面的特性作出選擇。

設計工程師一般將玻璃的折射率和 Abbe 數值用作為設計系統的自由度。折射率是指在特定波長下，光在真空中的速度與光在特定材料中的速度之比值；而材料的 Abbe 數值則會量化特定光譜範圍的色散係數（色散率變化）。例如，材料的折射率越高，光線折射的能力越強，因此需要透鏡彎曲的曲率就越小。在具有較高折射率的情況下，球差數值就較小，而通過具有低折射率的材料的光速更快。高 Abbe 數值通常提供低色散並能減少色差。此外，某些玻璃類型具有不同的穿透波長區域。

藉由透鏡外徑加上玻璃密度可以用來評估光學元件的重量，適用估算有重量限制的應用。此外，密度一般指可與玻璃配合使用的能力，並與材料成本有一定的比例關係。應用在極端環境溫度和快速溫差變化環境時，需考慮一關鍵參數玻璃的膨脹係數。光機工程師在設計光學元件時必須牢記這一要點。

許多玻璃製造商都會提供有不同商品名稱，但具相同材料特性的產品。大多數製造商也會改良產品和製造過程以實現環保要求（不含鉛和砷）。

所有類型的玻璃的基本簡碼

表1：玻璃材質等效替代品
列出的玻璃名稱	玻璃編號	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	–	–

光學玻璃特性

如今的光學玻璃質量和完整性都是由光學設計工程師所作出的基本假設。約 125 年前，奧托•肖特(Otto Schott) 透過系統化研究與開發玻璃成分，開始了玻璃改革。他主要針對玻璃成分和生產過程進行開發，並在玻璃製造過程中歷經多次的嘗試和錯誤，才發現現今的真正技術材料。如今的光學玻璃特性是可預測、可重複製造且均質的--這是技術材料的基本先決性能。光學玻璃的基本性質分類如下：

折射率

折射率是指光在真空中的速度與光在指定介質中的速度之比率--這是光速如何在穿過光學材料時減緩之說明。光學玻璃的折射率，$ \small{n_d} $，指定波長為 587.6nm（氦D線）。具有低折射率的材料通常又稱為「冕牌玻璃」，而具有高折射率的材料則稱為「燧石玻璃」。目錄中的光學元件的典型折射率公差為±0.0005。

色散

色散是指折射率隨波長而變化的現象。使用Abbe數值$ \small{v_d} $表示，被定義為 $ \frac{\small{ \left( n_d - 1 \right)}}{\left( n_F - n_C \right)} $；$ \small{n_F} $ 和 $ \small{n_C} $ 分別是在 486.1nm （氫F線）和 656.3nm（氫C線）下的折射率。Abbe 數值低表示具有高色散。冕牌玻璃的色散通常相較燧石玻璃更低。目錄中的光學元件的典型Abbe公差為±0.8%。

穿透率

標準光學玻璃對整個可視光譜和近紫外線和近紅外範圍內提供高穿透。冕牌玻璃在 NUV 中的穿透通常相較燧石玻璃更強。由於燧石玻璃的高穿透率，會導致較高的菲涅耳反射損失，因此應始終指定與抗反射膜配合使用。

Sample Optical Glass Transmittance Curve

圖 1：光學玻璃樣品穿透曲線

附加特性

設計用在極端環境下使用的光學玻璃時，瞭解各種光學玻璃均具有不同的化學、熱傳導和機械性能至關重要。這些特性均可在資料表中找到。

表2：所有玻璃類型的基本值
玻璃名稱	折射率 $ \left( \small{n_d} \right) $	色散係數 $ \left( \small{ v_d} \right) $	密度 $\left[ \small{ \tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3}} \right] $	線性膨脹係數*	最高工作溫度 $\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}} $
**藍寶石是一種雙折射材料所有規格與C軸平行相互對應。

光學玻璃選擇

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

圖 2：愛特蒙特光學色散圖（含熱膨脹係數和相對部分色散）

必須優化光學系統以獲取完整的功能特性。幾何像差和色差必須使用一個以上的玻璃材料才能得到校正，通常情況下，都是用三種或三種以上玻璃材料。不同應用的光學系統需求的範圍非常廣泛，因此只用小組玻璃類型不能實現相關需求。正因如此，我們開發了各種玻璃類型。一般來說，折射率和色散圖表會用阿貝圖顯示。

阿貝圖是 1923 年由 SCHOTT 發明的，是長時間進行光學玻璃計畫的調查結果。玻璃類型有二維的坐標系統，阿貝數 $ \small{ \left(v_d \right) } $ 和折射率 $ \small{ \left(n_d \right) } $ ，分別為X軸和Y軸。X軸按逆序排列，而左側則按不斷增加的數量排列。

在阿貝圖中，玻璃材料被分為諸如BK、SK、F、SF等各種名稱。這些「玻璃系列」與阿貝圖中按藍色線定義的區域相對應。圖中有一條將冕牌玻璃類型（最後字母為「K」，從冕牌玻璃的 German「Kron」開始）和燧石玻璃類型（最後字母為「F」）分開的主線。此線從阿貝數為 55 的底部上升，在 1.60 折射率點上橫向至 50 阿貝數，然後繼續向上直至最頂端。

玻璃名稱的首字母表示玻璃類型中使用的重要化學元素：F - Fluorine（氟）、P – Phosphorus（磷）、B – Boron（硼）、BA – Barium（鋇）、LA – Lanthanum（鑭）。此定律的偏差為冕牌玻璃和燧石玻璃系列的玻璃類型，從K (「Kron」)發展到KF (「Kronflint」 – crownflint)再到不斷增加鉛含量的燧石玻璃，因此其密度分類為：LLF（極輕燧石）、LF（輕燧石）、F（燧石）和SF（Schwerflint-重燧石）。其他偏差為SK和SSK玻璃類型：SK（重冕）和SSK（特重冕）。LAK、LAF和LASF分別是鑭冕、燧石和重燧石玻璃類型。