光学ガラス

光学ガラスとは、光学レンズ、プリズム、ミラーなどの光学システムの製造に適した品質のガラスを指します。 窓ガラスやクリスタルは、美的効果を目的に合わせて配合されますが、光学ガラスには、屈折率、分散、透過率、熱膨張などのパラメーターなど、ガラスの特定の光学的または機械的特性を変えるように設計された添加物が含まれています。 光学用途向けに製造されるレンズには、シリカや従来のホウケイ酸塩から、ゲルマニウムや蛍石などの元素まで、さまざまな材料が使用されています。これらの材料の一部は、可視スペクトル以外の領域でガラスを透明にするために不可欠です。

ガラスの形成には、シリコン、ホウ素、リン、ゲルマニウム、ヒ素など、さまざまな元素が使用される。その多くは酸化物の形だが、セレン化物、硫化物、フッ化物などの形でも使用される。これらの物質は、ガラスに特徴的な非結晶構造を与える。アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類などの物質を加えると、ガラス全体の物理化学的性質が変化し、ガラスの機能に適した性質を与えることができる。光学ガラスの中には、望ましい光学特性を得るために20種類もの化学成分を使用するものもある。^[1]

光学ガラスは、光学的および機械的パラメータに加えて、精密機器に使用するために不可欠な純度と品質によって特徴付けられます。欠陥は、気泡、含有物、傷、屈折率欠陥、着色など、国際基準に従って定量化および分類されます。

最も古い光学レンズは紀元前700年以前に遡り、アッシリア帝国時代に生産された。^[2]それらはガラスではなく、 磨かれた結晶、通常は石英で作られていた。

ガラスが光学材料として使われるようになったのは、ギリシャ人とローマ人の台頭以降である。彼らはガラスを水で満たした球体の形で使い、アリストパネスとプリニウスが述べているように火をつけるためのレンズ（燃焼ガラス）を作ったり、セネカによれば非常に小さく不明瞭な文字を大きく鮮明に見せるために（拡大鏡）使ったりした。^[3]

眼鏡の発明の正確な日付は不明だが、1299年にサンドロ・ディ・ポポゾが著書『家族行動論』の中で次のように述べている。「私は加齢によって大きく変化し、眼鏡と呼ばれるレンズがなければ、もはや読むことも書くこともできない。眼鏡は視力が低下した貧しい老人のために最近発明された」。しかし、当時「眼鏡」は実際には緑柱石または石英で作られていた。^[4]

当時利用できる唯一のレンズである通常のソーダ石灰ガラスは、光学収差を補正できませんでした。しかし、数世紀にわたってゆっくりと進化しました。最初は灰の使用によって軽量化されました。灰には二酸化マンガンが含まれており、酸化鉄(FeO) をはるかに色の薄い酸化鉄(Fe ₂ O ₃ ) に変換します。その後、1450年頃にアンジェロ・バロヴィエが「結晶ガラス」( vetro cristallino ) または「ベネチアン・ガラス」( cristallo di Venezia ) を発明しました。これは、以前のプロセスを改良したもので、灰を浸出によって精製してより純粋なカリを得るというものでした。石灰は、最初は14世紀に経済的な理由から導入され、^{[5] 、}その後17世紀にボヘミアで技術的な改善として導入され (ボヘミアン・ガラス)、^[6]非常に多くの不純物が除去されました。この方法は、18世紀半ばまでフランスには伝わりませんでした。この頃、サンゴバン社（Compagnie de Saint-Gobain SA）は、シリカ 74%、ソーダとカリ 17.5%、石灰 8.5% からなるガラスの生産を開始しました。

そのため、ガリレオの望遠鏡（1609年）などの最初の複雑な光学機器には、砂、ソーダ、カリ、時には石灰で構成される通常のソーダ石灰ガラス（最初のクラウンガラス）が使用されていましたが、これはグレージングやボトルには適していましたが、光学用途にはほとんど適していませんでした（歪み、ぼやけた効果、不規則性など）。1674年、英国の発明家ジョージ・レイヴンズクロフトは、輸入原材料への依存を減らしながらベネチアやボヘミアのクリスタルに対抗したいと考え、ガラスの湿気に対する耐性の欠如を補うために石灰を酸化鉛（II）に置き換え、通常のガラスよりも明るい鉛クリスタル（使用された純度の高い英国の珪質石にちなんで名付けられた最初のフリントガラス）を発明しました。これはシリカ、酸化鉛、カリで構成されていました。^[5]

チェスター・ムーア・ホール（1703-1771）は、当時入手可能な2種類のガラス（ソーダ石灰ガラスと鉛フリントガラス）を使用して、最初の無色ダブレットを発明しました。彼の研究は、1758年に出版されたジョン・ドロンドの著書『光の異なる屈折性に関するいくつかの実験の説明』に取り上げられています。

光学ガラスにおける本当の革命は、ガラスの組成を容易にし、屈折率や分散係数などの特性を変えることを可能にした工業化学の発展によってもたらされた。1880年から1886年にかけて、ドイツの化学者オットー・ショットはエルンスト・アッベと共同で、「無水重晶石」（酸化バリウムBaO）や無水ホウ酸（B ₂ O ₃ ）などの酸化物を含む新しいガラスを発明し、それを使ってバリウムクラウン、バリウムフリント、ホウケイ酸クラウンを開発した。^{[6] [7]}

1934年から1956年にかけては、他の酸化物が使用されるようになりました。その後、リン酸塩やフッ化物を加えることで、リン酸塩クラウンやフッ素クラウンが作られました。光学技術がますます複雑で多様になるにつれ、メーカーのカタログには100から200種類のレンズが掲載されるまでに拡大し、ガラス溶融物には、重元素の酸化物（高屈折率、低分散）、カルコゲニド（硫化物、セレン化物、テルル化物）、フッ化物（低屈折率、高分散）やリン化物などのハロゲン化物、放射線耐性レンズを得るための セリウム添加ガラスなどの特殊成分が含まれるようになりました。

しかし、1980年代以降、ガラスのカタログはますます制限される傾向にある。^[8]

光学用途におけるガラスの最も重要な物理的特性は、光学システムの設計において決定的な役割を果たす屈折率と収束性、および透過率、ガラス強度、非線形効果です。

屈折率はガラスの屈折力、つまり光線を多かれ少なかれ曲げる能力を示します。この曲げはデカルトの法則から推測できます。屈折率は波長に依存する量であり、光線を波長に応じて多かれ少なかれ屈折させることでシステムに色収差を生み出します。これは、光がプリズムによって分解されるときに観察される現象です。いくつかの法則、特にコーシーの法則とセルマイヤーの式によって、この関係は波長と近似されています。

ガラスの屈折率は、用途と使用される2つの主な基準に応じて、ヘリウムのd線として知られる黄色の線（当時はn _dと表記）または水銀のe線（当時はn _eと表記）に対して与えられます。^{[9] [10] [11]}

屈折率の波長依存性には、ガラスの分散、つまり 2 つの波長の偏差の差の尺度が必要です。分散性の高いガラスは、短波長を大きく偏向しますが、長波長はそれほど偏向しません。分散の尺度はアッベ数、またはコンストリンジェンシーです。主な分散は nF-nC (ヘリウム線) または nF'-nC' (カドミウム線)の差であり、屈折率と同じ線のコンストリンジェンシーは、およびによって推定されます。アッベ数が高いということは、ガラスの分散性があまり高くないことを意味し、逆もまた同様です。 ${\textstyle \nu _{d}={\frac {n_{d}-1}{n_{F}-n_{C}}}}$${\textstyle \nu _{e}={\frac {n_{e}-1}{n_{F}'-n_{C}'}}}$

レンズは通常、クラウンとフリントという総称で2つのグループに分けられ、それぞれ低分散、低屈折率レンズと高分散、高屈折率レンズを指します。通常、この区別はν _d =50あたりで行われ、この値以下のレンズはフリント、それ以外はクラウンです。^[9]

レンズを区別するには、この 2 つのパラメータのみが必要です。n _dと ν _{dが等しい 2 つのレンズは同一です。ガラスは、横軸が nd で縦軸が ν d の}グラフである、いわゆるアッベ図上に表され、各ガラスはグラフ上の点で示されます。

_{酸化物ガラスはn d}が1.4～2.0、ν _dが20～90の範囲にあり、SiO _{2は最も高いコントリンジェンシーと最も低い屈折率を持つ酸化物ガラスです。フッ化物ガラスはν d} >100、nd<1.4まで上げることができ、BeF ₂は最も高いコントリンジェンシーと最も低い屈折率を持つフッ化物ガラスです。カルコゲニドガラスは屈折率が2を超えますが、その大部分は可視波長での吸収により適切なνd測定が妨げられるためアッベ図に表示できません。可視範囲で不透明な光学材料の場合、コントリンジェンシーはより長い波長で測定されます。^[9]

この分類は、能動光学ガラス（複屈折、音響光学効果、非線形効果）、光学フィルター、グレーデッドインデックスレンズに関しては限界があるため、「古典的な光学ガラス」という用語を前述のガラス、つまり、本質的に分散挙動と屈折率によって説明できる限られた屈折率と分散を持つガラスに限定します。^[13]

光学ガラスのもう一つの非常に重要な特性は、吸収と透過の挙動です。将来のレンズの用途によってその挙動が決まります。特定のスペクトル帯域を吸収するフィルター、可視光線、紫外線、赤外線で高い透過性を持つレンズ、放射線に対する耐性などです。

一般的に、ガラスの透過率は製造元によって指定され、 τ _iまたは T _iと表記されます。この値は材料の厚さに依存し、その測定によりガラスの内部欠陥による吸収と拡散による透過率の損失を考慮に入れることができます。透過率の項はフレネル係数 を介して屈折率を考慮するため、次の式を介してサンプルの波長と厚さにも依存します。ここで は透過率、 は厚さ です。${\textstyle {\frac {2n}{n^{2}+1}}}$${\displaystyle \tau _{2}=\tau _{1}^{\frac {d_{1}}{d_{2}}}}$${\displaystyle \tau}$${\displaystyle d}$

透過窓は、遠赤外線や遠紫外線などの用途に適したガラスを選択する際に特に重要です。これらの窓は、ガラスを構成する材料の吸収によって形成され、赤外線と紫外線で吸収が増大します。これら 2 つの波長範囲での吸収は、異なる現象によるもので、環境条件に応じて異なる変化をする可能性があります。

紫外線（UV）では、透過率の低下はガラスを構成する元素の電子遷移によるものです。価電子は、バンドギャップに対応するエネルギーを持つ波長を吸収します。固体バンド理論によれば、電子は特定のエネルギーレベルで特定のエネルギー値しかとれませんが、十分なエネルギーがあれば、電子はこれらのレベル間を移動できます。光波は、波長に反比例するエネルギーh ν （ ν=c/λ）で充電されており、このエネルギーが十分であれば、つまり波長が十分に短ければ、電子は1つのレベルから別のレベルに移動できます。シリカガラスは160 nm未満の波長を吸収し、三酸化ホウ素（B ₂ O ₃）をベースにしたガラスは172 nm未満を吸収し、五酸化リンガラス（P ₂ O ₅）は145 nm未満を吸収します。

酸化物ガラスには、光電子分光法で検出できる架橋酸素と非架橋酸素（過剰な電子電荷を持つ）の2種類の酸素があります。非架橋酸素は、単色X線によって放出された後の運動エネルギーが架橋酸素よりも高い電子を持っています。非架橋酸素と陽イオンの間の結合は、通常イオン性です。これらの特性により、ガラスはエネルギーバンド特性を持ち、放射線を透過する効率が高くなります。^[14]ガラス内の陽イオンとの結合の強さに応じて、透過ウィンドウが変わります。アルカリ金属が存在すると、電子は非架橋酸素にあまり結合しないため、あるバンドから別のバンドへより簡単に移動できます。一方、シリカの代わりにアルミニウム（Al ₂ O ₃）を導入すると、アルミナの四面体構造により非接触酸素の割合が減少し、価電子帯から伝導帯に移動できる電子が減少するため、ガラスの透過窓が広がります。^[15]

その結果、重金属（Ti ⁺や Pb ²⁺など）を含むガラスは、酸素が電子を陽イオンと共有する傾向があり、バンドギャップが減少するため、他のガラスよりも透過率が低くなる傾向があります。欠点は、これらの金属を添加すると屈折率が高くなることです。^[15]使用する重金属に応じて、紫外線透過率の低下は多かれ少なかれ急激になるため、鉛レンズはニオブやチタンレンズよりも透過率が高くなります。したがって、るつぼと炉の材料にも注意を払うことが非常に重要です。これらも紫外線透過ウィンドウに影響を与える可能性があるためです。たとえば、白金はガラスの溶解に広く使用されていますが、ガラスペーストに白金粒子が含まれていると、不純物による望ましくない透過損失が発生する可能性があります。^[16]

UV透過損失のもう一つの変動要因は周囲温度です。ガラスの温度が高いほど、材料のバンドギャップが減少するため、UV降下はより長い波長にシフトします。^[16]

ソラリゼーションとは、ガラス（または塗料）を電磁放射線にさらすことですが、放射線の波長と強度によってはガラスが「黄色く変色」することがあります^{[注 2] 。紫外線透過率が最も高いレンズは、ソラリゼーションの影響を最も受け、透過窓が変わります。レンズに}二酸化セリウム（CeO ₂）をドープすると、透過率の低下が長波長側にシフトし、安定します。このドープは、放射線防止ガラスを作成するために使用されるプロセスの 1 つです。このようにドープされたガラスは、X 線やガンマ線などの最もエネルギーの高いタイプの放射線から保護する特別な能力を備えているためです^[16]

赤外線（IR）では、透過率の低下につながる物理現象は異なります。分子は、一定量のエネルギーを受け取ると、分子内の原子の周期的な動きに応じて、基本波、第 1高調波、第 2 高調波などのさまざまなモードで振動し始めます。分子の振動モードのエネルギーに関連する各周波数が吸収されます。

シリカガラスでは、Si-O結合は回転と伸長という2つの主な振動モードを持っています。伸長の周波数は0.34×10 ¹⁴ Hzなので、8.8μm（基本波）、4.4μm（高調波1）、2.9μm（高調波2）などで吸収が起こります。この振動による吸収は非常に強いため、シリカは第1高調波以降は不透明になります。ほとんどの石英ガラスは、第2高調波で透過率が著しく低下します。^[15]

カルコゲニドガラスは分子振動の周波数を下げるために使用されます。硫黄やセレンは重いため、振動モードが弱くなり、赤外線の透過率が高くなります。しかし、カルコゲニドガラスは可視光では不透明であるため、可視光の透過率は低下します。別の解決策は、ハロゲン化物ガラス、特にフッ化物ガラスを製造することです。フッ素は電気陰性度が高いため、陰イオンと陽イオンの結合が弱まり、振動が弱くなります。^[15]

ガラスの湿度、つまり材料中の水分の存在は、2.9μmから4.2μmの領域におけるガラスの透過率曲線に強い影響を及ぼします。水はOH基の形をとり^、そのOH結合は約90THzの周波数で振動し、これは2.9μmから3.6μmの波長の吸収に相当します。サンプルの湿度が高いほど、透過率の局所的な低下が大きくなり、湿度が非常に高いと、OH結合振動の高調波である約200nmでの吸収さえも引き起こします。^[15]

レーザーは、非常に高い照度レベルで使用されることがよくあります。この高い照度範囲では、屈折率は線形領域から外れ、光束の強度に比例する法則に従うことがわかっています。ここで、は材料の屈折率、波長、光線の強度、低出力の屈折率です。たとえば、シリカの場合、 =1,060 nmで3.2 × 10–20 m ² W ⁻¹です。最も分散性の高いガラスは、おそらくガラス内に存在する金属イオンが原因で、非線形屈折率が最も高くなる傾向があります。 ${\textstyle n(\lambda ,I)=n_{0}(\lambda )+\gamma I}$${\textstyle n}$${\textstyle \lambda }$${\textstyle I}$${\textstyle n}$${\displaystyle \gamma}$${\textstyle \lambda }$

TW mm ^{−2 を}超えると、フルエンス（またはフラックス）は、多重フォノン吸収やアバランシェ光イオン化などの高次非線形光学現象を引き起こすのに十分です。最初の現象は、2つの光子を追加して電子を放出することで材料を吸収性にします。2番目の現象は、電磁場によって放出された電子が加速され、電子の運動エネルギーが他の隣接する電子に伝達されることです。これら2つの複合効果は、ガラス格子を破壊してガラスに損傷を与える可能性があります（解放された電子は、より容易に解放される他の電子にエネルギーを与え、格子結合は電子の枯渇によって弱まります）。材料は、フォノンが熱の形でエネルギーをガラスの残りの部分に伝達できないほどの速度で蒸発する可能性があります。^[17]

1988年に行われた実験では、格子が等方性のシリカは強力な赤外線と交差すると緑色の放射を発することができることが示された。この状況で第二高調波が発生するのは異例だが、 F中心の存在によって説明できる。^[17]

光学ガラスでは蛍光が現れることがあります。蛍光とは、照射された物質から高波長の放射線が再放射されることです。入射光のエネルギーによって物質の電子が励起され、その後電子は脱励起して基底状態に戻り、元の波長よりも長い波長の光子を放射します。この現象は、迷光や基準波長とは異なる波長の光の存在が問題となる用途では特に厄介です。たとえばレーザーでは、単一の正確なスペクトル線に同意することが重要です。蛍光の原因には、希土類イオン、不純物、色中心などがあります。^[18]

光学レンズの製造に使用される基本材料は、不純物や含有物があると性能が低下するだけでなく、レンズにかなりの損傷（破損、黒ずみ、変色など）を引き起こす可能性があるため、特に純粋でなければなりません。たとえば、シリカベースのガラスの製造に使用される砂には、酸化鉄（Fe ₂ O _{3 ）の含有量が極めて低く（最大10 ppm）、その他の酸化物や元素（}コバルト、銅、ニッケルなど）の含有量はさらに低くなければなりません。これらの用途に十分な純度の砂が採れる地理的場所はほとんどありません。^[19]

ほとんどのガラスはポット炉で溶かされます。ポット炉は限られた量のガラスを溶かすために使用されますが、特定の大量生産された光学ガラス（ホウケイ酸ガラスなど）は、連続ガラス生産のためにタンク炉で溶かされます。^[20]

ガラス製造工程は、ガラスペーストの溶解から始まり、精製、そして2つの異なる仕上げである焼き入れまたは焼きなましという、いくつかの段階から構成されています。最後に、特にミラーやレンズの場合、高画質を目的とするあらゆる用途で、必要に応じてガラスを研磨することができます。

材料は炉の中に一緒に置かれ、徐々に融点まで加熱されます。分子の合成または分解の化学反応が起こり、この段階で大量のガスが発生します。水和物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩がガラス化元素と再結合してガラスペーストを形成し、水蒸気、二酸化炭素、二酸化硫黄などのガスが発生します。たとえば、ソーダ石灰ガラスペースト1リットルを100℃に加熱すると、約1,440リットルのさまざまなガスが放出され、そのうち70%が二酸化炭素です。^[21]

精製は光学レンズの品質にとって重要な段階です。ガラスを均質化して成分がペースト全体に均等に分散され、ガスが完全に放出されるようにするためです。均質化により、レンズに縞模様が現れる問題を回避できます。ガスを放出するために化学薬品が使用され、特に五酸化ヒ素(As ₂ O ₅ ) は三酸化ヒ素(As2O3)に分解して酸素を放出し、これが他の元素や放出されたガスと結合してペーストに残っている気泡を上昇させます。^[21]

ガラスの溶解工程の結果として、気泡、縞、異物、変色などの欠陥が発生することがあります。気泡は不十分な精製によって発生し、縞はガラスの不均一性（ガラスの屈折率が局所的に異なり、歪みの原因となる）によって発生し、異物の原因は局所的に結晶化したガラスまたは溶解に使用した容器の破片から発生することがあります。ガラスの変色は混合製品の純度が不十分であることから発生します。

焼き入れ工程は、ガラスの構造を強化するために行われます。光学用に使用されるガラスは脆く薄いことが多いため、焼き入れは行われません。光ファイバーは、十分な機械的強度を与えるために、線引き後に焼き入れされます。^[22]

アニーリングとは、ガラスが凝固し始める特定の温度（例えばシリカガラスの場合は約1,000℃、ソーダ石灰ガラスの場合は450℃）から、制御された方法でガラスをゆっくりと冷却することです。アニーリングは、溶融中に発生した可能性のある材料の内部応力（不純物、縞、気泡など）を除去し、材料の冷却が不均一になり、内部の部品の加熱と冷却に時間がかかるのを防ぐために必要です。^[22]アニーリング時間は、アニーリングするガラスの量とその組成に応じて、100時間から1,000時間の範囲です。^[23]

光学ガラス業界の進歩的な発展により、新しいレンズ ファミリが誕生しました。レンズは、機械的、熱的、光学的特性を与える主要コンポーネントによって区別できます。

_{基本的にSiO2}シリカまたは酸化物をベースにしたフリントガラスとクラウンガラスの2つの主要なガラスグループに加えて、ハロゲン化物ガラスやカルコゲニドガラス（酸素を除く）などのグループも存在します。^[24]

次の表は、ほとんどのガラスの種類とその組成をまとめたものです。各組成には、固有の特性と欠陥があります。屈折率を上げるには、紫外線の透過率を犠牲にしなければならないことが多く、ガラス製造の初期からの研究により、この状況はかなり改善されましたが、分散性が高く屈折率が低いガラス、または分散性が低く屈折率が高いガラスを得ることは不可能です。

フリントとクラウンは酸化物、多くの場合 SiO ₂または TiO ₂ チタン酸塩で構成されたガラスです。その屈折率は 1.4 ～ 2.4 です。この大きなグループは、赤外線における ヒドロキシル基の高いギャップエネルギーと光子吸収ピークにより、200 nm ～ 2.5 μm の範囲に及ぶ特徴的な透過プロファイルによって識別できます。

様々な酸化物が使われており、最も一般的なのはシリカベースのガラスですが、他の分子もガラス系を形成するために使用できます。^{[24] [25]}

• 二酸化ゲルマニウム（GeO ₂）
• 三酸化二ホウ素（B ₂ O ₃）
• 五酸化リン（P ₂ O ₅）
• アルミノケイ酸塩およびホウケイ酸塩;
• リン酸塩。

リン酸塩ガラスはホウケイ酸ガラスよりも融点が低く粘性が高いが、化学的侵食に対する耐性が低く、耐久性も低い。^[25]リン酸塩、ホウ酸塩、ホウリン酸塩ガラス系をベースにしたガラスは、屈折率の温度変化が一般に負であるため、アサーマル化に適しています。アサーマル化とは、材料の熱膨張を屈折率の変化によって補正することです。リン酸塩ガラスは、特にこの可能性に適しています。^[26]${\textstyle {\frac {dn}{dT}}}$

ホウケイ酸ガラスのクラウンは、最も広く生産されているガラス ファミリーであり、最終的な均質性を最もよく制御できるものです。このファミリーには、光学で広く使用されているガラスである BK _{7が含まれます。アルカリ酸化物と}三酸化ホウ素B ₂ O _{3 は、液化に非常に高い温度を必要とする}二酸化ケイ素SiO _{2 を}溶解しやすくします。

バリウムクラウンと高密度クラウンは、ガラスの収束性や紫外線透過率を大幅に低下させることなく屈折率を大幅に高めるバリウムの能力を利用して開発されました。酸化鉛はそうした低下を引き起こす傾向があります。一部のレンズでは、酸化亜鉛 ZnO と酸化バリウムBaOの混合物が使用されています。

クラウン、亜鉛クラウン、クラウンフリントは、硬度や耐久性を高めるためにさまざまな酸化物（それぞれ CaO または BaO、ZnO、PbO）を含む小さなガラスのグループです。

リン酸塩クラウンは、比較的低い分散と中程度の屈折率を特徴とし、一般に青色の分散が高く、光学的組み合わせにおける色収差の補正に役立ちます。

フッ素クラウンは、フッ素の特性を利用してガラスの分散と屈折率を低下させます。これは、フッ素の高い電気陰性度とフッ素イオンの半径が小さいことが原因です。リン酸クラウンと同様に、これらのレンズは青色の部分分散により、色収差の補正に特に適しています。^[27]

高密度または軽量のフリントは、ホウケイ酸クラウンなどの古くからあるグループであり、光学ガラスとしてだけでなく、日常のガラス製造用のクリスタルとしても使用されています。その主な特性は、導入される PbO の割合によって決まります。PbO は屈折率を高め、アッベ数を減らし、部分分散にも影響します。また、酸化鉛はガラスの密度を高め、化学的侵食に対する耐性を低下させます。PbO-SiO ₂カップルのガラス化能力により、100 モルあたり 70 モルを超える PbO の割合を実現できますが、これは PbO が単なる化学メッシュ変更剤であった場合には不可能です。実際、PbO 濃度が高いと四面体 PbO ₄が生成され、ガラスのようなメッシュを形成できます。

PbO の含有にはいくつかの欠点があります。まず、鉛酸化物の濃度が高いため、ガラスはわずかに黄色くなります。次に、鉄(III)酸化物Fe ₂ O ₃やクロム(III)酸化物Cr ₂ O ₃などの含有物や不純物により、ソーダガラス、カリガラス、石灰ガラスよりもはるかに大幅にガラスの透過率が低下します。最後に、Pb ²⁺と Pb ⁴⁺の間に化学平衡が確立され、酸素飽和ガラスが存在すると、ガラスを暗くする茶色の化合物である二酸化鉛PbO _{2が生成されます。ただし、この後者の色は不純物に由来するものではないため、ガラスペーストの}酸化還元変換によって元に戻すことができます。

これらの問題を克服するために、二酸化チタンTiO ₂と二酸化ジルコニウムZrO _{2 を}添加して、ガラスの化学的安定性を高め、紫外線透過率を維持することができます。

バリウム フリントは、混合物に酸化鉛 (II) (PbO)が含まれているため、他のガラス ファミリーよりも結晶化しにくいです。PbO の割合が高いほど屈折率が高くなり、融点が低くなるため、これらのガラスは屈折率が高いため非常に便利ですが、融解中に問題が生じます。これらのガラスの BaO は、ZnO に置き換えられることがあります。

ランタンフリントとランタンクラウンは、中程度の分散で高い屈折率を実現する拡張ファミリーです。ペーストにSiO _{2を使用すると結晶化が不安定になりますが、シリカを三酸化ホウ素B 2} O ₃と二価酸化物に置き換えることでこの問題を回避できます。屈折率をさらに高めるために、ガドリニウム、イットリウム、チタン、ニオブ、タンタル、タングステン、ジルコニウムの酸化物（Gd ₂ O ₃、Y ₂ O ₃、TiO ₂、Nb ₂ O ₅、Ta ₂ O ₅、WO ₃、ZrO _{2 ）を含む}複数の酸化物の使用が広まっています。

ショートフリントは、屈折率や収束性ではなく、部分分散によって区別されるグループです。狭い青色スペクトルにちなんで名付けられたショートフリントは、青色への影響が少ないため、光学システムの設計にも役立ちます。ショートフリントは、フリントガラスの酸化鉛をSb ₂ O ₃ アンチモン酸化物に置き換えることで得られます。^[27]

最初のフッ化物ガラスは、中赤外線透過ガラスの需要の高まりに応えるため、1970 年頃に登場しました。^[25]これらのガラスは、酸化物ガラスの酸素をハロゲン、フッ素、または塩素、まれに重ハロゲンで置き換えて作られています。その透過率は、200 nm から 7 μm の可視光線から中赤外線の範囲をカバーしていますが、これはバンドギャップがかなり高いこと (平均して、フッ化物ガラスはバンドギャップが約 5 eV であるため、約 250 nm で透過率が低下します) ^[25]と、重金属フッ化物結合の低周波振動によるものです。シリカの吸収は 1.1 × 10 ³ cm ^{−1の Si-O 結合の振動によって生じますが、フッ化ジルコニウム酸塩の吸収は 0.58 × 103 cm −1}の周波数の Zr-F 結合の振動によって生じます。これが、酸化物ガラスとハロゲン化物ガラスが赤外線で非常に異なる挙動を示す理由です。

重金属の代わりに希土類を使用することで、さらに遠赤外線まで透過する希土類フッ化物ガラスが得られます。さらに遠赤外線まで透過する別の方法は、フッ化物ガラスの代わりに塩化物ガラスを作ることですが、これではガラスの安定性が低下します。^[24]レンヌ大学で最近開発されたガラスの一種は、テルルハロゲン化物を使用しています。可視光のエネルギーギャップが大きいため、可視光の透過率の低下は700 nm-1.5 μmまで進みますが、遠赤外線では透過率が向上します。このようなガラスの屈折率は非常に高いため、カルコゲニドガラスのように動作し、強い反射によって透過率が低下します。^[24]

フッ化物レンズも近紫外線透過性があるため有用である。近紫外線透過性ガラスは数は少ないが、フッ化リチウム、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウムガラスなどがある。^[28]

カルコゲニドガラスは、光学ガラスの赤外線透過率を向上させるために、1980年代から特別に開発されてきました^[25]。酸素は別のカルコゲン（硫黄、セレン、テルル）に置き換えられ、シリコンはゲルマニウム、ヒ素、アンチモンなどのより重い金属に置き換えられています。その屈折率は2より大きく、ギャップが弱く、可視範囲に複数の吸収帯があるため、黒く見えます。これらのガラスの透過率は1μmから12μmの範囲ですが、屈折率が非常に高いため、酸化物ガラスやハロゲン化物ガラスよりも低く、反射係数が高くなります。^[24]

このグループは、希土類イオンをドープできるガラスとできないガラスの2つのグループに分けられます。前者は主にゲルマニウムとガリウムの硫化物とセレン化物で構成されており、後者はドープされていないものの、遠赤外線で最高の透過性能を発揮します。^[25]

光学レンズの分野には、極めて多様な特性と多様な用途を持つ多数の材料が含まれます。しかし、光学レンズはいくつかの主要なファミリーに分類されることが一般的に認められています。光学レンズの大部分は、イメージングやフィルタリングなどの用途向けに設計された、いわゆる「クラシック」レンズです。より小さなレンズファミリーも光学ガラスファミリーの一部であり、光ファイバーや、非線形光学や音響光学などの用途向けのいわゆる「アクティブ」レンズなどがあります。^[13]

石英ガラスは、製造に使用される材料の供給源によって他の光学ガラスと区別されます。多くのメーカーが石英ガラスを製造していますが、その違いは主に不純物の性質と水分含有量にあります。これらの違いにより、各石英ガラスには透過率や化学的侵食に対する耐性など、独自の特性があります。^[29]

石英ガラスはシリカという単一の材料から作られています。その主な特性は、低膨張（α≈0.5 × 10 ⁻⁶ K ^{−1 ） [30]}、高熱安定性（最大1,000 K）^[30]、および必要に応じて調整可能な紫外線と赤外線の透過性です。

フィルターは、入射光のスペクトルの特定の部分のみを透過するように設計されたガラスです。フィルターは無色の場合もあれば、透過率の低下によって特定の値を超える波長を遮断する単純な光学ガラスの場合もあり、重金属や希土類イオンの導入、分子着色、コロイド懸濁液などさまざまな方法で着色されている場合もあります。フィルターガラスは顕著な光ルミネセンスを示します。^[31]

色付きガラスの光学フィルターは、平行面と必要な透過品質に応じた厚さを持つブレードの形をしており、電子フィルターと同様に、ハイパス フィルター、ローパス フィルター、バンドパス フィルター、またはノッチ フィルターと呼ばれます。

レーザーには、熱衝撃に強いLi ₂ O-CaO-SiO ₂ガラスや、誘導放出に十分な有効断面積を持つカリウムバリウムリン酸ガラスなど、いくつかの種類のガラスが使用されています。ナトリウム、リチウム、またはアルミニウムの酸化物を添加すると、歪みが大幅に減少します。これらのガラスは熱的に無害化されています。これら2種類のガラスに加えて、リチウムアルミニウムリン酸ガラスも使用できます。これらはイオン交換処理されており、特に耐性があるため、平均レーザー出力が非常に高い用途（フェムト秒 パルスレーザーなど）に最適です。または、わずかに非線形の屈折率を持つフッ化リン酸塩もあります。 ^[32]

これらの Nd ^{3+ドープガラスは、}活性レーザー媒体として使用されます。

勾配屈折率レンズは、可変屈折率媒体における光伝播の特殊な特性を利用する。1854年、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、アイルランドアカデミーから、像が完全な物質の屈折率を求める問題に応えて「魚眼レンズ」を発明した。この理論上のレンズは球形で、屈折率は球形レンズ上の一点におけるガラスの屈折率とこのレンズの半径の形で表され、レンズ表面の任意の点を正反対の別の点に完全に結像させることができる。この球形レンズの一般化は、1966年にルドルフ・カール・リューネブルク（ドイツ）によって提案され、異なる屈折率プロファイルが使用された。1905年、ロバート・ウィリアムズ・ウッドは、屈折率が放物線状に変化する平行面を持つブレードからなるレンズを開発した。このレンズの屈折率の極値は、コンポーネントの回転軸上にある。ウッドレンズは、従来のレンズと同様に、光線を集束または発散させるために使用できる。^{[33] [34]}${\displaystyle n(r)={\frac {2}{1+(r/R)^{2}}}}$${\textstyle n}$${\textstyle R}$

1970年頃からガラス製造技術の進歩により、グレーデッドインデックスガラスの開発、品質管理、機械加工が可能になった。グレーデッドインデックスガラスの主な用途は、光ファイバーを使った通信と、グレーデッドインデックス材料から機械加工されたレンズを使ったイメージングである。また、勾配は球面勾配、円筒勾配、軸方向勾配の3種類のプロファイルに分けられる。^[35]

グレーデッドインデックスガラスを製造するには、中性子衝撃法、イオン充填法、ガラス層重ね合わせ法など、いくつかの技術がある。使用する技術によって、勾配は強くなったり弱くなったりし、そのプロファイルは多かれ少なかれ制御される。注入法またはイオン充填法では、10～50 mm の勾配を生成でき、屈折率振幅は 0.04 である。中性子衝撃法および化学蒸着法では、振幅の小さい浅い勾配 (約 100 μm) が生成される。より大きな勾配を得るには、UV 照射に反応するモノマーの部分的なレンズ重合(屈折率振幅 0、01 の場合、勾配は約 100 mm) を行うか、ホウケイ酸ガラスまたはフリントガラスの層を重ね合わせてから部分的に溶かす (ランタン含有ガラスは、再結晶化の問題と熱不安定性のため、この技術には適していない)。最後の技術は、ペーストを溶かしてから回転させて、ガラス内に材料勾配、つまり屈折率勾配を確立することである。^[36]

特定の極端な環境では、従来のレンズの使用は適していません。システムが遠距離紫外線（X線、ガンマ線など）やアルファ線、ベータ線などの粒子束にさらされると、材料の変色によりレンズの透過率が低下します。一般的に、電磁放射線は青色透過率の低下を引き起こし、これはソラリゼーションと呼ばれる現象です。これはシステムのパフォーマンスに悪影響を与えるため、新しいタイプの耐放射線レンズを開発する必要がありました。^[37]

放射線には、イオン化、電子または正孔の捕獲、 Si-O 結合の分裂など、さまざまな影響があります。これらの影響は、分子の原子価を変えたり放射線を集中させたりする不純物の存在によって容易に増幅され、ガラスの局所的な劣化を引き起こします。

ガラスの透過率と性能の低下を抑えるために、CeO ₂が添加されており、ガラスの透過率の低下はわずかに変化しますが、放射線がガラスの光学性能に与える影響はほとんど感じられません。^[37]

すでに述べたように、設計や用途が特殊なレンズの他に、特殊なガラスのような素材もあります。

これらには、レンズを通る光路が温度に依存しないように製造されるアサーマル化レンズが含まれる。温度の関数としての光路差は、ガラスの厚さ、熱膨張係数、屈折率、温度、熱光学係数によって決まる Δ L = s ( α ( n − 1 ) + d n / d t ) Δ T = s G T {\textstyle \Delta L=s(\ alpha (n-1)+dn/dt)\Delta T=sGT} である。アサーマル化ガラスは、フッ素化クラウン、リン酸塩クラウン、高密度クラウン、バリウムおよびチタンフリント、その他のファミリーに見られる。^[38]${\displaystyle s}$${\textstyle \alpha }$${\textstyle n}$${\textstyle T}$${\textstyle G}$

ガラスセラミックスまたはセラミックガラスは、長く複雑な加熱期間を経て結晶形成プロセスが促進されたガラスです。結晶を追加して結晶化を開始することで、結晶化率が50～90%のガラスになります。組み込まれた結晶とセラミックガラス中のガラスの割合に応じて、特性は異なります。一般的に、セラミックガラスは熱衝撃に非常に強く、熱膨張はほぼゼロです（たとえば、 Schott AGのZerodurは、これらの熱特性のために特に超大型望遠鏡に使用されました）。 ^[39]

光学部品には数多くの規格があり、その目的は部品に適用される表記法と許容範囲を統一し、光学品質基準を定義することです。主な規格はMIL（米国軍用規格）とISO（国際規格）の2つです。フランスでは、機械標準化連合がISO出版物にできるだけ準拠することに熱心であるため、 AFNOR規格はISO規格に非常に似ています。 ^[40]

MIL 規格と ISO 規格は非常に広い分野をカバーしており、どちらもレンズ、レンズの欠陥、表面処理、テスト方法、概略図を標準化しています。

光学のさまざまな分野に特殊レンズを製造するメーカーは数多くあり、そのカタログには光学レンズや特殊レンズの幅広い選択肢が掲載されており、フィルターやアクティブレンズ、結晶も掲載されていることがあります。^{[9] [13]}しかし、1980年以降、カタログの選択肢は減少する傾向にありますが、光学設計ツールには、もはや存在しないカタログが引き続き含まれています。製造業者には次のものがあります。^{[nb 3]}

• ショットAG
• ヘレウス・クォーツグラス
• 株式会社オハラ
• HOYA株式会社
• コーニング社：レンズカタログは入手できませんが、コーニングのレンズは光学設計ソフトウェアで引き続き入手可能であり、特殊レンズの生産も継続されます。
• ピルキントン ：カタログを眼科用レンズと平面レンズに再重点化しました。
• 住田光学ガラス
• 光ガラス：ニコンの子会社で光学レンズを製造。
• OAO リトカリンスキー ザボド オプティチェスコゴ ステクラ
• CDGM ^{[注 4]}

光学ガラスやさまざまな材料のカタログに加えて、他のメーカーもアクティブまたは特殊光学ガラスを販売しています。例としては、光ファイバーで光線を集束させるために使用されるグレーデッドインデックスガラス、光ファイバー（かなりの割合で紡糸された光学ガラスワイヤーです）、および光学フィルターなどがあります。これらの製品は、多数のメーカーのカタログに掲載されています。それらのメーカーの完全ではありませんが、関連するリストは、光学設計ソフトウェアによって選択された同じカタログにあります。^{[注 5]}

• 3M 精密光学
• アーチャーオプティクス
• 筋の通った
• ＣＶＩ
• エドモンド インダストリアル オプティクス
• エスコ
• ゲルテック
• ISPオプティクス
• JML
• ライトパステクノロジー
• リノスフォトニクス
• メレス・グリオ
• ミッドウェストオプティカル
• ニューポートグラス
• NSGアメリカ
• 研究用光学
• オプトシグマ
• フィリップス
• 量子
• ロリンオプティクス
• ロスオプティカル
• 特殊光学
• ソーラボ

光学ガラスは、主にレンズやミラーとして多くの光学機器で使用されています。これには、望遠鏡、顕微鏡、写真レンズ、ファインダーレンズなどが含まれますが、これらに限定されません。その他の光学システムには、コリメータや接眼レンズなどがあります。

光学レンズ、特に眼鏡レンズは、処方眼鏡に使用されます。眼鏡は、放射線に応じて色が変化する フォトクロミックガラスで作ることもできます。

光学ガラスは、高エネルギー粒子検出器（チェレンコフ放射やシンチレーション効果などを検出するガラス）や、放射線にさらされるシステムの搭載光学系などの核用途など、より多様で特殊な用途にも使用されます。

光学ガラスは、回転させて光ファイバーを形成したり、同じ光ファイバーに注入するための グレーデッドインデックスレンズ（ SELFOCレンズまたは Geltech レンズ）を形成したりすることができます。

ドープの有無にかかわらず、何らかの形の光学ガラスはレーザーの増幅媒体として使用できます。

最後になりましたが、マイクロリソグラフィーでは、ショット社の FK5HT (フリント クラウン)、LF5HT (フリント ライト)、LLF1HT (フリント エクストラ ライト) などの紫外線透過ガラスが使用され、同社はこれを水銀の i 線にちなんで i 線ガラスと名付けました。

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