Немного про свинцовые и бессвинцовые стекла
Я, конечно, за сохранность окружающей среды, чистоту и экологию, нооооооо...... Меня очень огорчает тенденция к сокращению производства и применения свинцовых стёкол. Появилось это всё еще во второй половину прошлого века по нескольким причинам:
0) Причина номер ноль - главная. Шла холодная война, развивались системы спутниковой и аэрофото разведки, их объективы просто огромны - линзы достигают размером порядка полуметра в диаметре. На космической ракете каждый грамм выводимой на орбиту массы буквально на вес золота. В объективах использовались тяжелые флинты, которые содержали много оксида свинца и были буквально тяжелые - их плотность достигала 5.5 г/см^3. Была задача - сделать стекла с меньшей плотностью, которую решали заменой свинца (M=207) титаном (M=48) и ниобием (M=93), что позволило примерно в 1.5-2 раза снизить плотность материала при сохранении его основных параметров.
1) Развитие химической технологии редких и рассеянных элементов - титана, ниобия, тантала, лантана, иттрия, гадолиния, вольфрама - сделало их дешевле и доступнее .Всё это сейчас является основой великого разнообразия оптических материалов.
2) Распространение в мире стандартов RoHS (запрет использования свинца, кадмия, ртути и прочего). Для меня звучит крайне сомнительно, что производство оксида свинца и стекол из него может вообще нанести какой-то существенный вред экологии при нынешней степени развития предприятий. Неужели добыча и выделения редких ниобия и тантала, связанная с фторидным вскрытием концентратов руды, порождающим кучу отходов, а также их разделение и очистка наносит в совокупности меньший вред среде?
Новые легкие стекла - это в целом очень хорошие материалы, но у них есть большой минус. Они просто убивают коррекцию хроматизма в синей области. Обычная простая система, рассчитанная на свинцовых флинтах, будь то 10x0.25 объектив-ахромат или 50/1.8 планарчик, будучи переложенной на новые стекла просто рассыпается, качество тонет в синем тумане хроматики, что вынуждает либо раза в 1.5-2 увеличивать протяженность вторичного спектра, убивая разрешение при сохранении контраста, либо коренным образом усложнять схему и использовать экзотические материалы - "особые" кроны и флинты с аномальным ходом дисперсии. В итоге "лёгкие стекла" подтягивают еще больше расходов других дорогостоящих материалов, состоящих из редких элементов - и это просто чтобы оставить качество изображения тем же самым, что было на простом свинце.
Если возможность применения свинцовых стекол останется доступной в массе, то это дает огромное преимущество при проектировании апохроматов, как было показано мною в статье.
Сочетание стекол свинцовых и бессвинцовых в склейках настолько эффективно борется с хроматизмом, что потом заменить материалы без потерь свойств системой становится ну просто очень тяжело. Так, например, в недавно рассчитанном мною 10x/0.3 объективе-апохромате для микроскопов в тройной склейке было сочетание стекол свинцового ZF и бессвинцового H-ZF, что позволило достичь прекрасной коррекции хроматизма без использование флюоритоподобных стекол с низким показателем преломления - оказалось более чем достаточно тяжелых фосфатных кронов (ТФК).
Заменить отрицательную склейку H-ZF/ZF в этом объективе оказалось очень сложно, ведь она давала уникальное сочетание очень высокой дисперсии в целом (Аббе эффективное ~28-30) с ярко-выраженным отрицательным отклонением частной дисперсии в синей области. Аналогичная пара особого флинта и лантанового флинта давала эффективное число Аббе около 36-40, что не оставляет возможности применения ТФК. Будь добр бери ФФС с преломлением на 0.2 единицы ниже и попробуй исправь сферичку и поле!
С задачей по пересчёту, конечно, я в итоге справился, но какой ценой? Кривизна поля, например, из-за применения ФФС и сверхтяжелых лантановых флинтов увеличилась почти в полтора раза. Но за счет этого компромисса удалось удержать остальные искажения и даже еще повысить апертуру объектива.
Если бы речь шла про расчет объектива с плоским полем, то, вероятно, пришлось бы сыпать и сыпать линз ещё.
Или вот второй кейс: объектив 20x0.47, который также в первом варианте использовал свинцовые стекла. Очень простенький по выбору материалов объектив изначально был и с очень хорошей коррекцией в центре, но у меня была мотивация его пересчитывать еще и потому, что в нем был некоторый геморрой с допусками.
В итоге сначала пришлось выпилить свинцовые стекла с заменой частично на ОФ, но качество изображения при этом стало не то чтобы лучше, хроматики чуть прибавилось, да и допуски остались теми же. Принципиально переломить ситуацию можно было лишь с помощью особых флинтов в основных «силовых» склейках, а их туда засунуть сложно, ведь преломление ОФ обычно почти на 0.1 ед. выше, чем у обычных флинтов с той же дисперсией - такая замена очень плохо сказывается на кривизне поля, коррекции сферической аберрации и чувствительности схемы. По итогу я справился и с этой задачей, даже улучшив качество объектива по сравнению со свинцовым вариантом, подняв апертуру до 0.5 и улучшив ситуацию с допусками. Однако все это повлекло за собой существенные изменения в выборе материалов вообще для всех линз.
Конечно, глядя на эти примеры, можно сказать, что особой проблемы нет, ведь можно компенсировать вероятную скорую потерю в будущем свинцовых материалов другими. Однако есть множество нюансов. Например, если применять сверхтяжелые лантановые флинты в системе, то они могут вносить желтый оттенок и слишком много линз из них добавлять нельзя. Я бы с удовольствием применял сочетания старых свинцовых стекол с новыми и сейчас, если бы была уверенность, что в Китае эту лавочку не прикроют. Но раз уверенности такой нет, а слухи про будущие ограничения упорно ходят, то приходится выкручиваться и искать компромиссы.
31.08.2025 Р.С. Эшмаков