Оптическое стекло для телескопов и приборов: что стоит в объективе, зеркале, призме и микроскопе

Содержание

Оптическое стекло для телескопа подбирают под узел прибора: объектив-ахромат собирают из крона К8 с коэффициентом дисперсии νₑ 63,83 и флинта Ф1 с νₑ 36,70 (ГОСТ Р 72015-2025). Какие линзы используют в телескопе, зависит от класса объектива: у ахромата совпадают фокусы двух длин волн, у апохромата трёх, и для третьей нужен элемент сверхнизкой дисперсии из ОК4, FPL-53 или флюорита CaF₂.

Для зеркал, где важна стабильность формы, применяют материалы со сверхнизким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР): ситалл СО-115М с ТКЛР 0 ± 1,5·10⁻⁷ K⁻¹, Zerodur и ULE. Главное зеркало 6-метрового Большого телескопа азимутального (БТА) отлито в 1964 году из стекла 316 с ТКЛР (30 ± 3)·10⁻⁷ K⁻¹, а не из ситалла.

Призмы биноклей делают из БК10, аналога BaK4, или К8, аналога BK7: у БК10 показатель преломления выше, и полное внутреннее отражение сохраняется в более широком пучке.

Объектив микроскопа рассчитывают вместе с покровным стеклом толщиной 0,17 мм. За пределами рабочих условий оптического стекла применяют другие материалы: для глубокого ультрафиолета кварцевое стекло КУ-1, прозрачное от 170 нм; под ионизирующим излучением радиационно-стойкое стекло серии 100, например К108; для теплового ИК-диапазона 8-14 мкм германий Ge и селенид цинка ZnSe. С 01.01.2026 бесцветное оптическое стекло для телескопов и приборов нормирует ГОСТ Р 71951-2025 вместо прекращённого ГОСТ 3514-94.

Стекло для оптических приборов: сводная таблица по узлам

Какой материал стоит в каком узле прибора. Импортные аналоги и требования к материалу в таблице выше.

Одной марки оптического стекла для телескопа на все узлы нет: линза, зеркало и призма предъявляют к материалу разные, местами противоположные требования. Стекло для оптических приборов подбирают по функции узла.

Импортные аналоги сопоставлены по оптическим константам, а не по химическому составу.

Линзы объектива телескопа: почему ахромат собирают из К8 и Ф1

Ахромат К8 и Ф1 в объективе телескопа: ход лучей, фокусы +425 и −739 мм, фокус дублета 1000 мм

63,83 у крона К8 против 36,70 у флинта Ф1 и 36,35 у Ф2: это коэффициенты дисперсии νₑ из ГОСТ Р 72015-2025 (табл. 2). Чем слабее показатель преломления стекла меняется с длиной волны, тем больше коэффициент дисперсии, он же число Аббе. По этому параметру кроны и флинты противоположны: у кронов дисперсия малая и ν высокий, у флинтов дисперсия большая и ν низкий.

Любое оптическое стекло для телескопа преломляет синие лучи сильнее красных, поэтому одиночная линза собирает их в разных фокусах, и эту хроматическую аберрацию формой одной линзы не исправить. Ахроматический объектив рефрактора сводит в один фокус только две длины волны. Положительную линзу из крона дополняют отрицательной из флинта, а дублет делают склейкой или с воздушным промежутком.

Первые ахроматы построил Честер Мур Холл (по разным источникам, в 1729 или 1733 году), патент 1758 года получил Джон Доллонд.

Мы посчитали по константам ГОСТ Р 72015-2025 тонкий дублет для объектива с f′ = 1000 мм: стекло К8 работает в положительной линзе, Ф1 в отрицательной.

Положительная линза из крона получается в 2,35 раза сильнее всего объектива, а отрицательная из флинта гасит избыток силы вместе с хроматизмом крона. Чем меньше разница νₑ, тем сильнее обе линзы и круче их радиусы. При большой разнице радиусы положе. Ф2 отличается от Ф1 по νₑ всего на 0,35, и для пары К8 + Ф2 тот же расчёт даёт f₁ ≈ +431 мм и f₂ ≈ −756 мм.

Апохромат и ED-стекло: флюорит CaF₂, FPL-53 и отечественное ОК4

Коэффициент дисперсии νd у стекла Ohara FPL-53 равен 94,93, а у флюорита CaF₂ разные источники дают от 94,99 до 95,31. Такие материалы нужны апохромату: он сводит в фокус три длины волны и подавляет вторичный спектр пары из обычных крона и флинта. В телескопе-апохромате элемент сверхнизкой дисперсии ставят в дублет или триплет объектива. FPL-53 и FPL-51 различаются по νd на 13,39: 94,93 против 81,54.

Буквы ED означают Extra-low Dispersion. Обозначения ED, SD, UD и FLD служат торговыми названиями стёкол сверхнизкой дисперсии у разных производителей.

В ГОСТ Р 72015-2025 (табл. 2) этот класс представляет особый крон ОК4: νₑ 91,90, ν_D 92,04, nₑ 1,4485. Промежуточное положение занимают ОК1 (νₑ 75,93) и ОК2 (νₑ 72,64). На одной линии d у ОК4 νd = 92,05, а у FPL-53 94,93: класс у них один, но марки разные.

Разница νₑ у пары ОК4 + Ф1 равна 55,2, и условие ахроматизации тонкого дублета даёт силу положительной линзы φ₁ = 1,665·φ. При f′ = 1000 мм по нашему расчёту f₁ ≈ +601 мм, f₂ ≈ −1504 мм, поэтому радиусы линз заметно положе, чем у пары с К8.

Кварц-Пром поставляет CaF₂ и, по запросу, особые кроны ОК1-ОК4; стекла FPL-53 в каталоге нет.

Из чего делают зеркала телескопов: стекло 316, ситалл, Zerodur и ULE

ТКЛР материалов зеркал по сравнению с линзовым К8 (логарифмическая шкала). Интервалы температур у материалов разные, сравнение порядковое.

Готовая заготовка главного зеркала БТА Специальной астрофизической обсерватории РАН (САО РАН) диаметром 6 м весит 41,7 т. Материал заготовки не ситалл, а стекло марки 316 алюмоборосиликатной системы с ТКЛР (30 ± 3)·10⁻⁷ K⁻¹. Лыткаринский завод оптического стекла (ЛЗОС) и ГОИ им. Вавилова отлили её 20 ноября 1964 г., отжиг длился 2 года и 6 дней, а в ответственном интервале стекло охлаждали со скоростью 0,028-0,029 °C/ч.

Почему К8 не годится для главного зеркала крупного телескопа? Зеркало работает отражением: прозрачность и дисперсия, по которым подбирают линзовое оптическое стекло для телескопа, здесь не важны, а важна стабильность формы поверхности при перепаде температур.

ТКЛР К8 равен 76·10⁻⁷ K⁻¹ и более чем в 50 раз превышает допуск ±1,5·10⁻⁷ K⁻¹, который ЛЗОС указывает для ситалла СО-115М в интервале −60…+60 °C. У К8 интервал другой, так что сравнение порядковое. Из астроситалла СО-115М завод делает облегчённые зеркала диаметром до 4000 мм, и облегчение по массе достигает 80 % относительно сплошного зеркала.

По данным NASA, главное зеркало космического телескопа «Хаббл» диаметром 2,4 м и массой 828 кг сделано из стекла ULE и имеет покрытие Al + MgF₂. В титаносиликатном стекле ULE 7971 компании Corning доля TiO₂ меньше 10 %. Вторичное зеркало «Хаббла» сделано из Zerodur компании Schott.

Готовых зеркал телескопов и ситалла в номенклатуре Кварц-Пром нет.

Стекла бинокля: БК10 против К8, или BaK4 против BK7

Выходной зрачок в светосильном пучке: у К8 края срезаны и зрачок выглядит «квадратным», у БК10 зрачок круглый.

Критический угол полного внутреннего отражения (ПВО) у БК10 равен 39,6°, у К8 41,3°: мы получили эти значения по формуле θкр = arcsin(1/n), подставив показатели преломления n_D из ГОСТ Р 72015-2025 (табл. 2). Чем выше показатель преломления, тем меньше критический угол и тем шире конус лучей, который грань призмы отражает полностью.

У БК10 и BaK4 показатели совпадают до четвёртого знака после запятой, но это сопоставление по оптическим константам, а не тождество. В ГОСТ n_D приведён для линии D натрия (589,3 нм), а nd импортных каталогов относится к линии d гелия (587,56 нм).

Почему в светосильном бинокле с призмами из К8 выходной зрачок выглядит квадратным? В широком пучке часть лучей падает на грань призмы под углом меньше критического и выходит из-под ПВО, поэтому края зрачка срезаны и выглядят серыми. У призм из БК10 и BaK4 зрачок круглый и освещён равномерно.

Марка стекла бинокля в паспорте, BaK4 или BK7, относится к оборачивающим призмам: призмам Порро или крышеобразным руф-призмам. Ход лучей в обеих системах описан в статье про виды оптических призм.

Ахроматические объективы микроскопа и покровное стекло 0,17 мм

Объектив рассчитан на покровное стекло 0,17 мм. При другой толщине и числовой апертуре больше 0,4 возникает сферическая аберрация.

Объективы биологических микроскопов рассчитывают на покровное стекло толщиной 0,17 мм, поэтому тонкая пластинка между препаратом и фронтальной линзой входит в оптическую схему наравне с линзами. Эту толщину гравируют на корпусе объектива. Допуски, толщину и оптические свойства покровных стёкол для видимого диапазона 400-760 нм нормирует международный стандарт ISO 8255-1:2017.

Стандартной толщине соответствует тип № 1½: 0,17 мм с допуском +0,02/−0,01 мм. Для материала стандарт задаёт nₑ = 1,5255 ± 0,0015 (λ 546,07 нм) и νₑ = 56 ± 2: эти константы заложены в оптический расчёт вместе с толщиной и радиусами линз.

Основные типы объективов микроскопа: ахроматы, планахроматы и апохроматы. У ахроматических объективов, как и у апохроматов, при числовой апертуре больше 0,4 отклонение толщины покровного стекла от 0,17 мм вызывает сферическую аберрацию, которая снижает контраст и разрешение. Первый апохроматический объектив микроскопа фирма Carl Zeiss выпустила в 1886 году по расчёту Эрнста Аббе, и элементы из флюорита в нём стали первым промышленным применением кристалла в оптике.

Применение оптических стекол в геодезии, прицелах, космической и УФ-технике

Стекло для оптических приборов заменяют другим материалом в трёх случаях: прибор работает под ионизирующим излучением, в ультрафиолете короче границы пропускания стекла или в тепловом ИК-диапазоне. Угломерная техника и прицелы обходятся обычными марками стекла.

• В теодолите, нивелире и прицеле из К8 и БК10 делают оборачивающие системы, призмы, защитные стёкла и сетки со шкалами.
• Космические приборы и оптика для АЭС требуют радиационной стойкости, поэтому те же узлы делают из стекла серии 100: вместо К8 ставят стекло К108.
• Для окон, линз и кювет спектрофотометров и УФ-объективов берут кварцевое стекло КУ-1 из SiO₂ высокой чистоты: по ГОСТ 15130-86 оно пропускает 170-2500 нм.
• Тепловизоры на 8-14 мкм работают с кристаллами. Германий Ge пропускает 1,8-23 мкм и перекрывает это окно целиком, селенид цинка ZnSe пропускает 0,5-22 мкм и захватывает ещё и часть видимого диапазона.

Свойства К8, БК10, Ф1 и ТФ10 в приборе: масса, стойкость к влаге и излучению

Приращение оптической плотности при облучении ⁶⁰Co: у Ф1 при дозе 1·10⁵ Р потемнение в 2,3 раза сильнее, чем у К8.

Оптическое стекло телескопа характеризуют показатели преломления nₑ и n_D: ГОСТ Р 72015-2025 задаёт их с точностью 1·10⁻⁴, у К8 nₑ = 1,5183. Для объектива и сеток в заказе задают категории и классы оптической однородности, двулучепреломления, бессвильности и пузырности, их расшифровывает разбор свойств и категорий оптического стекла.

Плотность определяет массу объектива и призменного блока: Ф1 тяжелее К8 в 1,42 раза, ТФ10 в 2,06 раза. ТКЛР у К8 и Ф1 различается на 1·10⁻⁷ K⁻¹, и склеенная пара при нагреве расширяется почти одинаково.

Источник: ГОСТ Р 72015-2025, табл. 8, 11, 13, 14.

ГОСТ 13917-92 оценивает химическую стойкость по двум независимым шкалам: влажная атмосфера, группы А-Д, и кислоты, группы 1-6. К8 и Ф1 имеют лучшее сочетание А/1, а передняя линза ахромата контактирует с влажным воздухом. У БК10, ТФ10 и ЛК5 группы А/4. На другом краю шкал стоят марки группы Д: ФК14 (Д/5) и ОФ4 (Д/6). Детали из них берегут от влаги, просветляют или герметизируют в оправе.

В радиационном поле слабым звеном ахромата оказывается флинт. При дозе 1·10⁵ Р (⁶⁰Co, образец 1 см, 10 400 Р/ч) Ф1 темнеет в видимой области в 2,3 раза сильнее К8: приращение оптической плотности 0,600 см⁻¹ против 0,260 см⁻¹.

ГОСТ Р 72015-2025 приводит показатели преломления К8 для длин волн от 0,365 до 2,6 мкм. В тепловом ИК-диапазоне 8-14 мкм оптическое стекло непрозрачно. Даже минимальный в стандарте ТКЛР, 35·10⁻⁷ K⁻¹ у ЛК5, в 23 раза больше допуска ±1,5·10⁻⁷ K⁻¹ у ситалла СО-115М (интервалы температур у источников разные).

Как записать стекло в заказе и откуда берётся заготовка: ГОСТ Р 71951-2025 и ЛЗОС

С 01.01.2026 бесцветное оптическое стекло в России нормирует ГОСТ Р 71951-2025 «Оптика и фотоника. Стекло оптическое бесцветное. Общие технические условия». Он охватывает марки серий 0 и 100, например К8 и К108, но не серии 200, 500 и Н. В заказе марку записывают так: «Стекло К8 ГОСТ Р 71951-2025».

В каталогах и старых ТУ до сих пор встречаются ГОСТ 3514-94 и ГОСТ 13659-78, хотя в России их применение прекращено с той же даты. В предисловиях новых стандартов значится «введён впервые», а прекращение старых документов оформляют приказы Росстандарта. Ссылки в документации меняют так:

• ГОСТ Р 71951-2025: марки, приёмка и контроль стекла; вместо ГОСТ 3514-94, прекращённого приказом Росстандарта от 17.07.2025 № 767-ст.
• ГОСТ Р 72015-2025: физико-химические характеристики марок; вместо ГОСТ 13659-78 (приказ № 769-ст). Номера основных таблиц 2 и 7-15 совпадают со старым стандартом, но значения сверяют по новому тексту.
• ГОСТ Р 71952-2025: категории и классы оптической однородности, двулучепреломления, бессвильности и пузырности; вместо ГОСТ 23136-93.
• ГОСТ 13240-78: размеры, дефекты и маркировка заготовок из оптического стекла; действует, на него ссылаются п. 4.4 и 4.5 ГОСТ Р 71951-2025.

Основной производитель оптического стекла в России: ЛЗОС, предприятие холдинга «Швабе». По данным репортажа с завода (mentoday.ru), стекло там варят в горшках на 500 или 700 л: кроны при 1570 °C, флинты при 1400 °C. Грубый отжиг идёт неделями, иногда месяцами, тонкий около месяца.

Какое стекло заказывать под узел прибора: итоговая таблица

Кварц-Пром изготавливает оптические изделия по чертежу или ТЗ заказчика, в том числе двояковогнутые линзы из К8, ЛК5 и ТФ10 от 1 шт: диаметры, радиусы и допуски задаёт чертёж. Стекло для оптических приборов марок К8, БК10, ЛК5 и ТФ10 мы поставляем, а не варим. В поставку входят также кварцевое стекло КУ-1, КУ-2, КВ, КИ и кристаллы CaF₂, BaF₂, Ge, Si, ZnSe, Al₂O₃.

В заявке на линзы для телескопа на заказ указывают марку оптического стекла по ГОСТ Р 71951-2025, категорию оптической однородности и прикладывают чертёж или ТЗ.

Частые вопросы

Какие линзы используют в телескопе?

Объектив рефрактора-ахромата собирают из положительной линзы из крона К8 и отрицательной из флинта Ф1: их коэффициенты дисперсии νₑ равны 63,83 и 36,70. В апохромате оптическое стекло для телескопа дополняют элементом сверхнизкой дисперсии из FPL-53, флюорита CaF₂ или отечественного ОК4.

В каком типе телескопа используют линзы?

В рефракторе изображение строит линзовый объектив. У рефлектора, например 6-метрового БТА, изображение формирует вогнутое зеркало, а в любительских моделях линзы остаются только в окуляре. Зеркально-линзовые телескопы сочетают главное зеркало с линзовым корректором.

Как называется специальное стекло для оптических приборов?

Стекло для линз, призм и окон называют оптическим: у него нормированы показатель преломления, коэффициент дисперсии, однородность, бессвильность и пузырность. Его базовые группы исторически называли кронгласом и флинтгласом. С 01.01.2026 бесцветные марки в России нормирует ГОСТ Р 71951-2025.

Чем ахромат отличается от апохромата?

Ахромат сводит в один фокус две длины волны, а апохромат три, и вторичный спектр у апохромата меньше. Для третьей длины волны нужен элемент сверхнизкой дисперсии: FPL-53 с νd 94,93, флюорит CaF₂ с νd 94,99-95,31 по разным источникам или отечественный особый крон ОК4 с νd 92,05.

Какие стёкла лучше для бинокля: BaK4 или BK7?

Для призм бинокля лучше BaK4: по каталожным данным его показатель преломления nd равен 1,56883 против 1,51680 у BK7. У отечественных аналогов, БК10 и К8, критический угол полного внутреннего отражения 39,6° и 41,3°, поэтому призма из К8 в светосильном пучке даёт квадратный выходной зрачок с серыми краями.

Из чего делают зеркала телескопов?

Для зеркал со стабильной формой применяют ситалл СО-115М, Zerodur и ULE: у ситалла производства ЛЗОС температурный коэффициент линейного расширения равен 0 ± 1,5·10⁻⁷ K⁻¹ в интервале −60…+60 °C. Главное зеркало «Хаббла» диаметром 2,4 м сделано из ULE 7971 с покрытием Al + MgF₂. У 6-метрового БТА главное зеркало отлито из стекла марки 316, а не из ситалла.

Пришлите чертёж или ТЗ линзы, призмы, оптического окна или клина через страницу контактов. По нему мы подберём марку из К8, ЛК5, ТФ10 или кварцевого стекла КУ-1 и рассчитаем стоимость изготовления.