ガラスの光学窓とは何ですか？プロパティ、使用、選択ガイド

レンズ、鏡、レーザーの複雑なシステムが光を操作する光学とフォトニクスの世界では、成功に不可欠な驚くほど基本的なコンポーネントがあります。 光学ウィンドウ 。しばしば見落とされがちな謙虚なガラスの光学窓は主力であり、敏感な機器を保護し、環境を分離し、最小限の歪みで光を伝達する透明な障壁として機能します。彼らが何であるか、彼らがどのように働くか、そして正しいものを選択する方法を理解することは、エンジニア、デザイナー、愛好家にとって同様に不可欠です。

この記事では、Glassの光学窓を分類し、基本的な概念を超えて、パフォーマンスを定義する重要なプロパティと、アプリケーションに適したものを選択するための実際的な考慮事項を調査します。

シンプルなガラスを超えて：光学ウィンドウのコア関数

最も単純な光学窓は、光が光学経路に最小限の影響を与えて通過できるように設計された平らな、通常平行なガラス片です。レンズとは異なり、その目的は光線を集中したり、分岐したりすることではありません。その主な仕事は次のとおりです。

1. 環境保護： ほこり、湿気、化学物質、または圧力差から光学システムを密封します。たとえば、窓は、潜水艦カメラまたは科学的な真空チャンバー内のセンサーとレンズを保護します。
2. ビームアクセス： 光がシステムを入力または終了するための物理ポートを提供します。これは、レーザー空洞と分光器具で一般的です。
3. スペクトル分離： 特定の材料で作られたウィンドウを使用して、特定の波長の光のみを通過させるか、または通過させます。

それらの機能はシステムに「目に見えない」ことであるため、それらの品質は、それらを通過する光がどれほど少ないかによって判断されます。

パフォーマンスを定義する重要なプロパティ

すべてのガラスが平等に作成されるわけではありません。のパフォーマンス 光フラット いくつかの重要な材料特性と物理的特性によって決定されます。

1。基質材料：
として使用されるガラスの種類 基板材料 、最も重要な選択です。各素材にはユニークなものがあります トランスミッション範囲 - それが通過できる光のスペクトル。

• ホウケイ酸ガラス（例：BK7）： 非常に一般的で経済的な選択。目に見えるものから近赤外スペクトル（約350nmから2000nm）への優れたトランスミッションを提供します。良好な化学的安定性と熱膨張係数が低いことで知られており、熱ショックに耐性があります。
• 融合シリカ： 高純度で合成アモルファス二酸化シリコン。深い紫外線（DUV）から近赤外（約180nmから2500nm）への非常に広範なトランスミッションを備えています。非常に低いです 熱膨張係数 、温度変動が大きく、優れたレーザー損傷のしきい値を持つアプリケーションに最適です。
• サファイア： ガラスではなく単結晶ではありますが、極端な窓のアプリケーションでよく使用されます。それは硬さのダイヤモンドに次いで2番目であり、ほぼ傷をかけることができます。紫外線から中赤外線（約150nmから5000nm）に伝達され、優れた熱伝導率と耐薬品性があります。

2。表面の品質とスクラッチdig
この仕様は、ウィンドウの表面に許容される欠陥を定量化します。 2番コード（60-40など）で定義されます。最初の数（スクラッチ）は、制御された照明の下での標準的なスクラッチのセットと比較した微視的な傷の幅を指します。 2番目の数字（DIG）は、ミクロンの小さなピットまたは掘削の直径を指します。数が少ないと、より滑らかで高品質の表面が示されます。 10〜5の仕様は非常に高品質と見なされますが、80〜50は、より重要でないアプリケーションではより標準です。

3。表面の平坦性
波面歪みを完全に最小化する必要があるアプリケーション（干渉法や高出力レーザーシステムなど）の場合、ウィンドウの平坦性が最重要です。平坦性は、通常632.8nm（ヘリウムネオンレーザーの波長）で、波長（λ）の画分で測定されます。 λ/10の平坦性は非常に正確であり、表面は完全な平らから63ナノメートル未満から逸脱します。

4。並列性
標準ウィンドウの場合、2つの表面は粉砕され、できるだけ平行に磨かれています。並列性の欠如により、ビームは元の経路から逸脱します。これは、アークミニュートまたはアーク秒の最大許容角偏差、または透明な開口部全体の物理的厚さの変動によって指定されます。

5。レーザー損傷のしきい値
高出力レーザーシステムで使用される窓の場合、材料は損傷することなく強い電磁エネルギーに耐えることができなければなりません。融合したシリカとサファイアは通常、非常に高い損傷のしきい値を持ち、これは平方センチメートルあたりのジュール（J/cm²）で測定されます。

光学窓の作り方：プロセスを垣間見る

精密窓の製造には、細心のプロセスが含まれます。これは、生の基質材料の選択から始まり、粗い空白にカットされます。この空白は、研削と呼ばれるプロセスを通じて形作られ、それが近接寸法と厚さにもたらされます。最も重要なステップは、徐々により細かい研磨剤を使用して、望ましい表面の品質、平坦性、並列性を実現することです。最後に、エッジは、チッピングを防ぎ、安全な取り扱いを確実にするために、しばしば困惑します。

右ウィンドウを選択するための実用的なガイド

正しい光学ウィンドウを選択することは、パフォーマンス要件と予算のバランスをとる演習です。これが論理選択プロセスです：

1. 波長を定義します： アプリケーションの主な波長はどれくらいですか？ （例えば、UV、可視、またはIRライト？）これはすぐにあなたを絞ります 基板材料 選択肢。
2. 環境を評価する： 窓は摩耗、極端な温度、化学的なスプラッシュ、または高圧に直面しますか？過酷な環境、硬度、低い 熱膨張係数 批判的になり、サファイアや融合シリカなどの材料を指し示します。
3. パフォーマンスのニーズを決定します。 あなたのシステムは完全な波面の忠実度を必要としますか？もしそうなら、あなたは高い必要があります 表面の平坦性 （例えば、λ/10以上）。センサー上の単純な保護カバーの場合、標準 表面の品質 60-40のように十分かもしれません。
4. 電力レベルを考慮してください： 高出力レーザーアプリケーションの場合、確認する必要があります レーザー損傷のしきい値 材料と、表面が清潔で、エネルギーを吸収できる欠陥がないことを確認してください。
5. 予算を設定します： 素材と仕様の選択肢をプロジェクトの制約に一致させます。 60〜40の品質を備えた標準のBK7ウィンドウは非常に手頃な価格ですが、大きいλ/10洗練されたサファイアウィンドウは多大な投資を表しています。

これらの要因を体系的に動作させることにより、不必要な精度を支払うことなく、信頼性の高い長期にわたるパフォーマンスを提供するガラス光学ウィンドウを指定できます。この基本的なコンポーネントは、概念は単純ですが、最新の光学技術の基礎であり、深いスペース探索から日常のバーコードスキャナーまですべてを可能にします。