オプトエレクトロニクスガラスとは何ですか?またその仕組みは何ですか?

オプトエレクトロニクスガラス のカテゴリです 電子システム内の光と制御可能に相互作用するために特別に配合および製造された精密設計の光学ガラス 。これは、光を発光、検出、伝送、変調、または電気信号に変換する、またはその逆のいずれかを行うデバイスの光学インターフェース材料として機能します。標準的な平板ガラスやホウケイ酸ガラスとは異なり、オプトエレクトロニクス ガラスは、屈折率、透過スペクトル、表面平坦性、内部均質性、複屈折の正確な仕様に従って設計されており、光検出器、レーザー ダイオード、LED、太陽電池、光センサー、イメージング システム、光ファイバー コンポーネントなどのデバイス内でアクティブまたはパッシブ光学コンポーネントとして機能することができます。決定的な特徴は、 ガラス自体は、定量化された精度で定義された光学機能を実行する必要があります 、単に透明な窓や構造的な囲いとして機能するだけではありません。

オプトエレクトロニクスガラスを定義する核となる光学特性

オプトエレクトロニクスガラスと標準ガラスを区別する特性は、製造時に厳密に管理され、使用前に測定によって検証されます。これらの特性により、各アプリケーションの適合性が決まります。

屈折率と分散

屈折率 (n) は、材料に出入りするときにガラスが光をどの程度曲げるかを決定します。これは、集束、コリメーション、ビーム整形を決定する基本的な特性です。オプトエレクトロニクスガラスは、以下の範囲の屈折率を達成するように配合されています。 n = 1.45 (低屈折率シリカガラス) に n = 2.0 以上 (高屈折率カルコゲニドおよび重いフリントガラス) 、一貫性を持って ±0.0001以上 生産バッチ全体にわたって。アッベ数 (Vd) — 波長分散、つまり屈折率が波長によってどの程度変化するかを表す — は、次の値に制御されます。 Vd = 20 (高分散フリント ガラス) ～ Vd = 80 (低分散クラウン ガラス) 、アプリケーションが色消し補正または波長選択動作を必要とするかどうかに応じて異なります。

透過スペクトル

異なるオプトエレクトロニクスアプリケーションは異なる波長で動作し、ガラスは透明である必要があり、その上に内部透過が存在します。 90～99% アプリケーションの波長に合わせて、不要な波長をブロックする可能性があります。標準的な光学ガラスは、約 350 nm (近紫外) ～ 2,500 nm (中赤外) 。特殊なガラスがこの範囲を拡張します。UV 透過溶融シリカは波長を下まで通過させます。 150nm 、カルコゲナイドガラスは中赤外線と遠赤外線を透過します。 1μm～12μm以上 熱画像および赤外線センサー用途向け。

表面の平坦度と表面品質

光の波長の一部で測定される表面の平坦性と表面の品質 (傷、掘り込み、表面下の損傷がないこと) は、光学性能に直接影響します。オプトエレクトロニクスガラスは、平坦度仕様に合わせて研磨されています。 λ/4～λ/20 (ここで、λ = 633 nm)、表面偏差に対応します。 158nm～32nm 完璧な平面から。表面品質はスクラッチディグ表記法 (例: 60-40、20-10、10-5) を使用して指定され、数値が低いほど表面欠陥が少なく、より小さいことを示します。

内部均一性と気泡/介在物含有量

ガラスの体積全体にわたる屈折率の変化（不均一性）は、光学性能を低下させる波面歪みを引き起こします。プレミアムオプトエレクトロニクスガラスは、次のような屈折率の均一性を実現します。 ±1×10⁻⁶以上 開口部全体に。気泡と含有物（溶融中にガラス内に閉じ込められた固体粒子）は、ガラス体積 100 cm3 あたりの総断面積によって定量化され、ISO 10110 や SCHOTT ガラス カタログ グレードなどの国際規格で指定された制限を下回っていなければなりません。

オプトエレクトロニクスガラスの主な種類とその構成

オプトエレクトロニクスガラス いくつかの異なる材料ファミリーが含まれており、それぞれが異なる波長範囲と性能要件に適しています。

オプトエレクトロニクスガラスが主要なデバイスカテゴリでどのように使用されているか

光検出器と光センサー

光検出器 — 光の強度を電流に変換するデバイス — オプトエレクトロニクスガラス 半導体検出素子の前の保護窓および光学フィルターとして機能します。ガラスは、誤った信号を引き起こしたり検出器に損傷を与えたりする波長をブロックしながら、最小限の反射と吸収損失でターゲット波長を透過する必要があります。窓ガラスの両面に反射防止コーティングを施し、約1.5倍の反射損失を低減します。 表面あたり 4% (未コーティング) に 表面あたり 0.1% 未満 、検出器に到達する入射光の割合を最大化します。

レーザーおよび LED コンポーネント

レーザー ダイオード パッケージと高出力 LED モジュールは、出力ウィンドウ、ビーム整形レンズ、コリメート素子としてオプトエレクトロニクス ガラスを使用しています。ガラスは高い光子束密度に耐える必要があります。 メガワット/cm² パルスレーザー用途において、レーザー誘起損傷 (LID)、熱破壊、または光暗化を起こすことなく使用できます。溶融シリカおよび選択された光学クラウンガラスは、レーザー損傷閾値が高く、レーザー波長での吸収が低いため、高出力レーザー用途に適しています。

光ファイバーおよび導波路コンポーネント

通信およびデータセンターの相互接続の主要な伝送媒体である光ファイバーは、それ自体が特殊な形態のオプトエレクトロニクス ガラスです。クラッドよりわずかに高いコアの屈折率を持つ精密に引き抜かれたシリカ ファイバーで、全反射によって数百キロメートルの距離にわたって光を導きます。 損失はわずか0.15 dB/km 波長1,550nmで。通信ファイバーの厳しい純度要件 - 以下のヒドロキシル (OH) イオン含有量 1 10 億分の 1 低ウォーターピークのファイバーグレード – オプトエレクトロニクスガラスの加工精度を示しています。

太陽電池カバーガラスと集光光学系

太陽光発電太陽電池の使用 オプトエレクトロニクスガラス 保護封止材カバーとして、また集光型太陽光発電 (CPV) システムにおいて、太陽光を小型の高効率多接合セルに集光する高精度光集光器として使用できます。ソーラーカバーガラスは、高い日射透過率を兼ね備える必要があります（上記） 91～92% 300 ～ 1,200 nm の太陽スペクトル全体）、吸収を最小限に抑えるための低鉄含有量、および表面反射を減らすための反射防止テクスチャリングまたはコーティングが、長期間にわたってこれらの光学特性を維持しながら、 25 ～ 30 年の屋外耐用年数 .

ディスプレイおよびイメージング システム

スマートフォン ディスプレイ、カメラ モジュール、フラット パネル ディスプレイ、投影システムのカバー ガラスと光学スタック コンポーネントはすべて、オプトエレクトロニクス ガラスに分類されます。カメラのレンズ要素には、屈折率と分散が厳密に制御された精密成形光学ガラスが使用されており、必要な画像解像度、色補正、および低照度感度を実現します。スマートフォンのカメラモジュールには現在、通常次のものが含まれています 5 ～ 8 個の個別のガラス レンズ要素 光学システムごとに、サブミクロンの精度で成形または研磨されます。

ガラスの光学品質を決定する製造プロセス

オプトエレクトロニクスガラスの光学品質は主に製造の溶融および成形段階で決定され、その後の冷間加工プロセスで表面特性は改善されますが、基本的なバルク欠陥は修正できません。

• 精密な溶解と均質化 — 原料のバッチ純度と溶解温度の制御が重要です。 100 万分の 1 レベルの微量の鉄 (Fe2⁺/Fe3⁺) であっても、可視および近赤外線に吸収バンドが生じ、透過率が低下します。プラチナで裏打ちされた溶解容器は、耐火るつぼ材料からの汚染を防ぐために高級光学ガラスに使用されます。
• 制御されたアニーリング — 成形後のゆっくりと正確に制御された冷却 (アニーリング) により、複屈折の原因となる内部応力が軽減されます。 — 偏光状態の分割によりレーザー ビームのコヒーレンスが低下し、偏光センサーの精度が低下します。高級光学ガラスのアニール速度は通常、 1時間あたり1～5℃ ガラス転移温度範囲まで。
• 精密研削・研磨 — 光学表面は、より細かい研磨材を使用して段階的に研削され、その後、圧力と相対運動を制御しながらピッチまたはポリウレタン研磨ツールを使用して、必要な表面粗さと平坦度まで研磨されます。高品質の光学面の表面粗さは通常、 Ra < 1nm — 原子スケールでの滑らかさ。
• 反射防止と機能性コーティングの蒸着 — 物理蒸着 (PVD) とイオン ビーム スパッタリングは、表面反射率を変更したり、波長選択フィルタリングを追加したり、環境保護を提供する単層または多層の薄膜コーティングを適用するために使用されます。オプトエレクトロニクスガラス上の標準的な広帯域反射防止コーティングは、次のもので構成されます。 4 ～ 8 層の高屈折率層と低屈折率層を交互に配置 合計の厚さは 1 μm 未満です。

オプトエレクトロニクス用ガラスと標準ガラス: 主な違い