Светотехнические материалы

Александр Прядко

Продолжение. Начало в №1/2005

В качестве светотехнических материалов наряду с металлами применяют силикатные (неорганические) и пластмассовые (органические, полимерные) стекла. Для осветительных приборов на основе силикатного стекла выпускают оптическое бесцветное стекло. Окрашивая прозрачные стекла, получают цветные, а за счет введения в массу прозрачного стекла особых веществ — глушеные (молочные, опаловые, опалиновые). Матированные стекла рассеивают свет за счет поверхностной шероховатости, полученной механическим или химическим способом.

Для просветления оптических стекол используют пленки из фторида магния, которые заключены между двумя прозрачными слоями серебра или диоксида кремния. Для повышения коэффициента отражения стекла его поверхность покрывают пленкой из диоксидов кремния и титана (или только диоксида титана). Светоделительные покрытия, распределяющие отраженный и пропущенный свет, получают нанесением прозрачных металлических пленок из сульфида цинка и трисульфида сурьмы.

Силикатное стекло состоит из диоксида кремния и различных добавок — оксидов металлов, а его свойства зависят от способа изготовления и состава.

Стекло оптическое бесцветное отличается высокой оптической однородностью и прозрачностью (табл.6), поэтому его используют для изготовления линз, призм, светофильтров и других оптических деталей. Выпускаются обычные и малотемнеющие при воздействии ионизирующих излучений оптические стекла.

Для оптических стекол характерно пропускание света в видимой (380…760 нм), в ближней ультрафиолетовой (от 300 нм) и в инфракрасной (до 2000 нм) областях спектра. При толщине более 1 мм они становятся непрозрачны для излучения с длиной волн менее 300 нм, с уменьшением толщины стекла спектральная область пропускания расширяется.

Таблица 6. Коэффициенты пропускания (τ, %) оптического бесцветного стекла разной толщины в УФ-области спектра
Длина волны, нм	τ, % при толщине стекла, мм
	0,4	2	4	8
400	93	91,2	90,2	88,8
380	91,5	91	90	88
360	90	90	88	84
340	85	82	73	57,5
320	76	55	31,7	17,8
300	50	10	8	0
280	15	0	0	0
260	0	0	0	0

Стеклу каждого сорта соответствуют характерные значения двух основных констант: показателя преломления n и коэффициента дисперсии ν (для определенных длин волн (спектральных линий) в видимой, УФ- и ИК-областях спектра. Чем больше коэффициент дисперсии, тем меньше рассеяние. Сорта стекол, у которых ν > 55, называются кронами, а стекла со значениями ν < 50 - флинтами. Кроны - легкие стекла с плотностью до 2,6 г/см³ и показателем преломления 1,48…1,55. Флинты - тяжелые стекла плотностью более 2,6 г/см³ и показателем преломления выше 1,55. Стекол с показателем преломления <1,45 и >1,93, а также с коэффициентом дисперсии <19 и >71 не существует, такие значения констант характерны для кристаллов (например, флюорит: n=1,4338, ν=95,l).

Коэффициент преломления n часто указывают для определенной длины волны (она соответствует определенной букве в индексе, табл. 7), которая обозначает спектральную линию излучения химических элементов.

Таблица 7. Буквы, принятые для обозначения спектральной линии излучения химических элементов
Буква в индексе	Длина волны, нм	Химический элемент
i	365	Ртуть (Hg)
H	404,7	Ртуть (Hg)
G	431,1	Водород (Н)
g	435,8	Ртуть (Hg)
F'	480	Кадмий (Cd)
F	486,1	Водород (Н)
e	546,1	Ртуть (Hg)
d	587,6	Гелий (Не)
D	589,3	Натрий (Na)
С'	643,8	Кадмий (Cd)
С	656,3	Водород (Н)
А	766,5	Калий (К)

Для видимой области спектра коэффициент дисперсии рассчитывают по измеренным значениям показателя преломления, используя уравнение

ν_е=(n_e -1)/(n_F’ — n_С’),

где n_е, n_F’, n_С’ — показатели преломления стекла для спектральных линий e, F’, С’.

Обычно в технической литературе приводится коэффициент преломления для желтой линии натрия (D) с длиной волны 589,3 нм. Показатель преломления n_е для длины волны 546,1 нм, расположенной вблизи максимума спектральной чувствительности глаза (спектральная линия ртути), называется основным показателем преломления.

Для кронов (К) и флинтов (Ф) приняты специальные обозначения:

• кроны: ЛК — легкие, ФК — фосфатные, ТФК — тяжелые фосфатные, БК — баритовые, ТК — тяжелые, СТК — сверхтяжелые, ОК — особые;
• флинты: КФ — крон-флинты, БФ — баритовые, ТБФ — тяжелые баритовые, ЛФ — легкие, ТФ — тяжелые, СТФ — сверхтяжелые, ОФ — особые;
• для стекол ОК и ОФ характерен особый ход дисперсии.

Кварцевое оптическое стекло получают плавлением природных разновидностей кремнезема (горного хрусталя), жильного кварца, кварцевого песка, а также синтетического диоксида кремния. Различают прозрачное (оптическое и техническое) и непрозрачное стекла. Кварцевое стекло, полученное плавлением горного хрусталя, совершенно однородно и обладает наименьшим среди силикатных стекол показателем преломления (n_е=1,4572, n_D=1,4584), имеет температуру размягчения 1400°С. Кварцевое стекло выдерживает нагревание до красного свечения и последующее резкое охлаждение водой, не изменяет свойств при использовании в течение длительного времени при температуре 1000°С. Его применяют в различных оптических приборах и для изготовления баллонов осветительных ламп.

Принятые обозначения сортов кварцевых оптических стекол:

• КУ-1 — высокопрозрачное в УФ-области спектра, нелюминесцирующее, радиационно и оптически устойчивое, не имеет полосы поглощения в интервале длин волн 170…250 нм;
• КУ-2 — оптически прозрачное в УФ-области спектра, имеет заметную полосу поглощения в интервале длин волн 170…250 нм;
• KB — оптически прозрачное в видимой области спектра, имеет заметную полосу поглощения в УФ-области спектра и в интервале длин волн 2600…2800 нм;
• КИ — прозрачное в ИК-области спектра без заметной полосы поглощения в интервале длин волн 2600…2800 нм.

Цветные стекла выпускаются окрашенными в массе, окрашенными по поверхности и накладные. Для окраски цветных стекол применяют различные красители: фиолетовые -оксиды марганца и никеля, триоксид неодима; синие — оксиды кобальта и меди; зеленые — оксиды хрома, урана, железа; желтые — металлическое серебро, диоксид титана, диоксид церия, сульфид кадмия; красные — селен, медь, золото, селенид кадмия и другие соединения сурьмы. Спектральное пропускание регулируется составом и толщиной стекла, а также содержанием красителей. Из цветных стекол изготавливают различные светофильтры.

Стекла делятся на следующие группы: ультрафиолетовые (УФС), фиолетовые (ФС), синие (СC), сине-зеленые (СЗС), зеленые (ЗС), желто-зеленые (ЖЗС), оранжевые (ОС), красные (КС), инфракрасные (ИКС), пурпурные (ПС), нейтральные (НС), темные (TС) и белые (БС).

Стекло УФС8 позволяет выделять определенные области ультрафиолетовой части спектра, а УФС8 (термически устойчивое) устанавливают на осветительные приборы при съемках спецэффектов с применением люминесцентных красок. Синие стекла СС4 и СС8 используют в кинокопировальных аппаратах цветной аддитивной печати, СС5 — при трехцветной аддитивной проекции, СС9 — в качестве компенсационного светофильтра ЛН-ДС, преобразующего цветовую температуру источника света 3200К в 5500К.

Сине-зеленые стекла применяют для преобразования цветовой температуры источников света: сине-зеленое стекло СЗС17 со светофильтром ПС14 для получения светового потока 3200 К, а со светофильтрами ПС5 и ПС14 — 4800К и 6500К; СЗC8 со светофильтрами ПС5 и ПС14 — 5500К (дневной свет), 15000К («северное небо» или «космический» солнечный свет). Стекла СЗС16, СЗС24, СЗС25 и СЗС26 относятся к теплозащитным, а стекло СЗС16 — к термически устойчивым.

Зеленые стекла ЗС8, ЗС10, ЗС11 ЗС8 толщиной 1,9 мм в комбинации с 2,1-мм ЖЗС18 позволяют адаптировать кривую чувствительности селенового фотоэлемента к кривой спектральной чувствительности глаза; ЗС10 выделяет область 500..600 нм, ЗС11 применяют при трехцветной аддитивной проекции.

Желто-зеленые стекла ЖЗС5 и ЖЗС10 позволяют при черно-белой съемке высветлить зелень и сделать небо более темным, а ЖЗС18 при толщине 2,1 мм в комбинации с 1,9-мм ЗС8 адаптируют спектральную чувствительность селенового фотоэлемента к кривой спектральной чувствительности глаза.

Желтые стекла часто используют при проведении черно-белых съемок: ЖС3 позволяют убрать слабую дымку; ЖС4 поглощают ультрафиолетовую часть спектра; ЖС12 применяют в качестве «слабого желтого» светофильтра, ЖС17 — «среднего желтого», ЖС18 — «плотного желтого» (толщина стекол ЖС12, ЖС17 и ЖС18 — 5 мм).

Оранжевые стекла ОС5 толщиной 1мм и ОС6 толщиной 2 мм служат компенсационными светофильтрами для цветной натурной съемки на пленках типа ЛН, сбалансированных на цветовую температуру 3200К; ОС12 — «средний оранжевый» светофильтр для черно-белой съемки, а ОС14 — «плотный оранжевый» (толщина стекол ОС12 и ОС14 — 5 мм)

Красные стекла КС11 используются в копировальных аппаратах цветной аддитивной печати, в качестве светофильтра «слабый красный» при черно-белой съемке и при трехцветной аддитивной проекции; КС14 применяются в качестве сенситометрического красного и «плотного красного» светофильтра при черно-белой съемке; КС19 выделяет область 700…2800 нм.

Пурпурные стекла ПС5 в комбинации с ПС14 и СЗС17 позволяют преобразовывать цветовую температуру источника в 5500К (дневной свет), а комбинации ПС5, ПС14 и СЗC8 — в 15000К («северное небо» или «космический» солнечный свет); ПС8 поглощает в области 500…550 нм.

Инфракрасные стекла ИКС служат для избирательного выделения зон инфракрасного излучения и часто используются при научной кино- и фотосъемке.

Нейтральные стекла НС применяются для равномерного ослабления света во всем видимом спектре. При съемке очень ярких самосветящихся объектов значения экспозиции на пленке получаются чрезмерно большими, а увеличивать диафрагму объектива до 1:16…1:22 в таких случаях бессмысленно, так как разрешающая способность большинства объективов при диафрагмировании более чем 1:5,6…1:8 значительно снижается. Хорошим выходом из подобного положения является применение нейтрально-серых светофильтров из стекла типа НС, устанавливаемых перед объективом съемочной камеры.

Белые стекла избирательно пропускают излучения в разных зонах УФ-части спектра, а стекла БС11, БС14 и БС15 — и ИК-излучение.

Увиолевыми (от лат. ultra — за пределами и viola — фиолетовый) называются стекла, пропускающие световые излучения с длиной волны короче 400 нм в биологической области спектра. Они бывают бесцветные и черные, компоненты, поглощающие УФ-лучи, в таких стеклах отсутствуют. По химическому составу увиолевые стекла делятся на четыре группы, для которых характерны следующие нижние границы пропускания: кварцевое -185 нм, боросиликатное — 220 нм, фосфатное (чёрное) — 250 нм, силикатное — 260 нм. Например, коэффициент пропускания эритемного силикатного стекла С89-4 при 296 нм составляет 65%, а при 253,7 нм — только 2 %. Черные увиолевые стекла непрозрачны для видимой области спектра и при толщине 2 мм имеют полосу пропускания: УФС1 — 240…400 нм, УФС2 — 270…380 нм, УФС3 — 320…390 нм, УФС4 — 340…390 нм.

Неувиолевые стекла поглощают УФ, фиолетовые и часть синих лучей и применяются в качестве защитных от УФ-излучений, бывают бесцветными и цветными.

Спектральные свойства цветных стекол, получаемых в результате процессов варки, могут незначительно отличаться. Допустимые отклонения нормируются ГОСТом и Техническими условиями. Но для точных расчетов, например, комбинированных светофильтров, преобразующих нормированное распределение энергии или цветовую температуру одних источников света в другие, характеристики стекол определяют путем непосредственных измерений.

Под влиянием нагревания спектральное поглощение многих стекол изменяется, но при охлаждении, как правило, восстанавливается. При нагревании всех стекол происходит смещение коротковолновой границы и полос поглощения в область более длинных волн, размывание полос поглощения и увеличение плотности в минимумах. В некоторых случаях эти изменения значительны, например, оптическая плотность стекол C3C20…З3C25 в зоне минимального пропускания инфракрасных лучей при нагревании до 400°С падает приблизительно в два раза.

Граница поглощения желтых, оранжевых и красных стекол при повышении температуры на каждые 100°С смещается на 10…15 нм. Особенно сильно этот эффект выражен у темно-красных стекол. Данные изменения следует учитывать при использовании стекол в качестве светофильтров, которые устанавливаются на источники света.

Под влиянием длительного ультрафиолетового облучения спектральное поглощение в ультрафиолетовой части стеклами некоторых марок (например, УФС) может увеличиваться, но специальной термообработкой прозрачность таких стекол можно почти полностью восстановить.

Технические условия на размеры, толщину и качество стекол и условия поставки для большинства марок регламентируются ГОСТом.

Фотостекло используется для изготовления фотографических пластинок, оно отличается очень ровной и гладкой поверхностью и равномерной прозрачностью. Выпускается разного размера и толщиной 1; 1,2; 1,4; 1,8 и 2 мм (отклонение ?0,1 мм). Коэффициент пропускания в видимой области спектра для 1,8-мм стекла составляет не менее 90 %, а 2-мм — не менее 87 %.

Светотехническими называют теплозащитные стекла (теплофильтры), которые задерживают ИК-излучение и пропускают видимый свет. Они подразделяются на теплопоглощающие, теплорассеивающие и теплоотражающие.

К плоским прозрачным стеклам относятся: оконное — толщина 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм, коэффициент пропускания 0,84…0,87; витринное — толщина 8…10 мм, коэффициент пропускания ≥0,84 и полированное — толщина 8…10 мм, коэффициент пропускания 0,86…0,96. Призматическими стеклами называются дисковые ступенчатые линзы (линзы Френеля), которые используются в кинопрожекторах для формирования пучка световых лучей (табл. 8).

Таблица 8. Характеристики линз Френеля (ЛФ)
Характеристика	ЛФ 100-68	ЛФ 150-100	ЛФ 250-150	ЛФ 355-250	ЛФ 505-350	ЛФ 610-420
Внешний диаметр, мм	100	150	250	355	505	610
Фокусное расстояние, мм	68	100	150	250	350	420
Коэффициент усиления, %	20	32	45	60	60	92

Продолжение следует