Grundlagen optischer Fenster

Optische Fenster sind flache, optisch transparente Platten, die typischerweise so optimiert sind, dass sie eine maximale Transmission in einem bestimmten Wellenlängenbereich bieten und gleichzeitig Reflexion und Absorption reduzieren. Sie werden oft zum Schutz optischer Systeme und elektronischer Sensoren vor der Umgebung eingesetzt. Weil Fenster keine optische Brechkraft in das System bringen, sollten sie nach Kriterien wie Materialtransmission, Oberflächenspezifikationen und mechanischen Eigenschaften ausgewählt werden.

Materialeigenschaften

Materialeigenschaften beinhalten Transmission, Brechungsindex und Härte des Fenstersubstrats und sind wichtige Parameter, um zu bestimmen, welches Fenster die beste Wahl für die Anwendung ist. Die Abbildung unten zeigt die Transmissionsbereiche der verschiedenen Materialien, die Edmund Optics^® als Fenster anbietet.

Grafische Darstellung von Transmissionsbereiche der Fenstersubstrate

Abbildung 1: Transmissionsbereiche der Fenstersubstrate von Edmund Optics^®.

Andere wichtige Eigenschaften bei der Fensterauswahl sind der Brechungsindex, die Abbe-Zahl, die Dichte und der thermische Ausdehnungskoeffizient. Die Auswahlhilfe unten zeigt die optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften der verfügbaren Fenstersubstrate sowie mögliche Dicken und Größen.

Auswahlhilfe für Fenster
Material	Brechungs-index $ \small{\left(n_d \right)} $	Abbe-Zahl $ \small{\left(v_d \right)} $	Dichte $\small{\left[ \tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3}\right]}$	Thermischer Ausdehnungs-koeffizient $ \small{ \left[ \frac{\text{μm}}{ \text{m}^{\text{o}} \text{C}} \right]} $	Erweichungs-temperatur $ \small{\left[ ^{\text{o}} \text{C} \right]} $	Knoop-Härte	Mögliche Größen	Mögliche Dicken
Acryl (PMMA)	1,49	58,0	1,18	72	115	18	25,4 - 203,2 x 254mm	1,52mm
B270	1,523	58,5	2,55	8,2	533	542	5 - 200mm	1,0 - 4,0mm
Bariumfluorid (BaF₂)	1,48	81,61	4,89	18,1	800	82	5 - 50 mm	1,0 - 3,0 mm
BOROFLOAT^®	1,472	65,7	2,20	3,25	820	480	5 - 200 mm	1,1 - 6,5mm
Kalziumfluorid (CaF₂)	1,434	95,1	3,18	18,85	800	158,3	5 - 125mm	1,0 - 12,7mm
Diamant (C)	2,38	55,3	3,51	37	-	7000	5 x 5 - 10mm	0,5 - 0,7mm
Germanium (Ge)	4,003	N/A	5,33	6,1	936	780	5 - 150mm	1,0 - 8,0mm
Gorilla^® Glas	1,509	N/A	2,44	7,88	843	5100	5 - 500 x 500mm	0,4 - 2,0mm
Lithiumfluorid (LiF)	1,392	97,29	2,64	37	600	102	5 - 50mm	1,0 - 3,0mm
Magnesiumfluorid (MgF₂)	1,413	106,2	3,18	13,7	1255	415	5 - 75mm	1,0 - 6,0mm
N-BK7	1,517	64,2	2,46	7,1	557	610	2 - 200mm	0,2 - 10,0mm
Polykarbonat	1,585	34,0	1,21	65	145	-	25,4 - 203,2 x 254mm	1,52mm
Kaliumbromid (KBr)	1,527	33,6	2,75	43	730	7	13 - 50 mm	1,0 - 5,0 mm
Saphir	1,768	72,2	3,97	5,3	2000	2200	1 - 150mm	0,4 - 5,0mm
Silizium (Si)	3,422	N/A	2,33	2,55	1500	1150	10 - 76,2mm	1,0 - 6,0mm
Natriumchlorid (NaCl)	1,491	42,9	2,17	44	801	18,2	13 - 50 mm	1,0 - 5,0 mm
Thalliumbromidiodid (KRS-5)	2,615	N/A	7,37	6,0	-	40,2	12,7 - 50,8mm	1,0 - 6,0mm
Thermoset ADC (CR-39®)	1,501	59,2	1,32	-	-	-	5,0 - 254 x 304,8mm	1,5mm
UV-Quarzglas	1,458	67,80	2,20	0,55	1000	500	2 - 200mm	1,0 - 5,0mm
Zinkselenid (ZnSe)	2,403	N/A	5,27	7,1	250	120	5 - 127mm	1,0 - 8,0mm
Zinksulfid (ZnS)	2,631	N/A	5,27	7,6	1525	120	12,5 - 76,2mm	1,0 - 8,0mm

Gesamtes Produktangebot

Brechungsindex

Der Brechungsindex ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im optischen Medium und beschreibt, wie sich das Licht verlangsamt, wenn es durch das Material fällt. Der Brechungsindex für optisches Glas $ \small{\left( n_d \right)} $ ist bei der Wellenlänge der Helium-d-Linie (587,6 nm) spezifiziert. Gläser mit geringem Brechungsindex werden häufig als Krongläser und Glaser mit hohem Brechungsindex als Flintgläser bezeichnet.

Abbe-Zahl

Die Abbe-Zahl $ \small{\left( v_d \right)} $ beschreibt die Dispersion des Materials oder die Variation des Brechungsindex mit der Wellenlänge. Sie ist definiert als $ \frac{\left( n_d -1 \right)}{\left( n_F - n_C \right)} $, wobei $ \small{n_F} $ und $ \small{n_C} $ die Brechungsindizes bei 486,1 nm (Wasserstoff-f-Linie) und 656,3 nm (Wasserstoff-c-Linie) sind. Niedrige Abbe-Zahlen bedeuten eine hohe Dispersion. Krongläser haben meist höhere Abbe-Zahlen als Flintgläser.

Dichte

Die Dichte des Glases hilft das Gewicht einer optischen Baugruppe zu bestimmen, dies ist besonders in gewichtsempfindlichen Anwendungen wichtig. Allgemein kann man sagen, dass der Brechungsindex eines Glases zunimmt, wenn die Dichte zunimmt. Der Zusammenhang zwischen Brechungsindex und Dichte ist aber nicht linear.

Thermischer Ausdehnungskoeffizient

Der thermische Ausdehnungskoeffizient beschreibt die Größenveränderung eines Glases mit einer Änderung der Temperatur. Dieser Wert ist sehr wichtig für Anwendungen, bei denen extreme Temperaturen oder schnelle Temperaturwechsel auftreten können.

Knoop-Härte

Die Knoop-Härte eines Glases ist ein Maß für die Haltbarkeit bei Druck. Sie wird ermittelt, indem ein Eindringkörper mit einer bestimmten Kraft auf die Optik gedrückt und die Tiefe des Eindringens gemessen wird. Je geringer die Tiefe, desto höher die Knoop-Härte. Allgemein gilt: Materialien mit hoher Knoop-Härte sind weniger zerbrechlich und können größerem Druck standhalten als Materialien mit geringer Knoop-Härte.

Spezifikation optischer Oberflächen

Die Oberflächenspezifikationen optischer Fenster beeinflussen die optische Leistung und müssen bei der Wahl eines Fensters berücksichtigt werden. Es ist wichtig, dass Ihr optisches Fenster die passenden Spezifikationen für Ihre Anwendung besitzt, aber eine Übertoleranzierung erzeugt unnötige Kosten.

Oberflächenqualität

Die Oberflächenqualität eines optischen Fensters beschreibt Oberflächendefekte, die bei der Fertigung oder der Handhabung entstanden sind. Die Defekte verringern typischerweise geringfügig die Transmission und erhöhen die Lichtstreuung, was aber in den meisten Bildgebungs- oder Lichtsammelanwendungen geringen bis keinen Einfluss auf die Gesamtsystemleistung hat. Bei Oberflächen, die in der Bildebene liegen, sind die Defekte hingegeben schon kritischer, da sie im Fokus liegen. Bei Fenstern, die hohen Leistungen ausgesetzt werden, sind die Defekte ebenfalls heikel, da sie eine erhöhte Energieabsorption verursachen können und so das Fenster beschädigt wird.

Die Oberflächenqualität wird häufig mit der Scratch-Dig-Spezifikation nach dem US-Standard MIL-PRF-13830B beschrieben. Der Scratch-Wert wird über einen Vergleich der Kratzer auf der Oberfläche mit einem Kratzer-Standard unter bestimmten Lichtbedingungen ermittelt. Es handelt sich nicht um eine direkte Vermessung der Kratzer. Der Dig-Wert hingegeben bezieht sich direkt auf die Größe des Ausplatzers. Er wird berechnet, in dem der Durchmesser des Ausplatzers in Mikrometer durch 10 geteilt wird.

Abbildung 2: Inspektion der Oberflächenqualität.

Scratch-Dig-Wert	Beschreibung
80-50 oder 60-40	Dies sind die am häufigsten verwendeten Spezifikationen der Oberflächenqualität bei Standardanwendungen oder Anwendungen, bei denen die Oberflächenqualität nicht kritisch ist. Typischerweise fallen Fenster für Bildgebungssysteme in diese Kategorie. Es handelt sich hier um die kostengünstigsten Fenster.
40-20	Für präzise Anwendungen, bei denen die Oberflächenqualität wichtig ist. Dies ist eine übliche Spezifikation für Lasersysteme mit geringer bis mittlerer Leistung und kleinere Optiken. Die Fenster sind etwas teurer als die Fenster mit geringerer Oberflächenqualität.
20-10 oder 10-5	Diese Spezifikationen werden fast ausschließlich für Lasersysteme mit hoher Leistung und hochpräzise optische Systeme verwendet, bei denen die Oberflächenqualität entscheidend ist. Fenster mit diesen Spezifikationen sind typischerweise deutlich teurer als andere Fenster.

Tabelle 2: Diese Tabelle zeigt Scratch-Dig-Spezifikationen für verschiedenste Anwendungen.

In unserem Anwendungshinweis Was heißt Oberflächenqualität? erfahren Sie mehr über die Scratch-Dig-Spezifikation.

Oberflächenebenheit

Die Oberflächenebenheit gibt die Abweichung eines Fensters von einer perfekten flachen Oberfläche an. Sie kann über die Verwendung einer optischen Planplatte, einer hochpräzisen, flachen Referenzfläche, ermittelt werden. Wenn die Oberfläche des Fensters auf die optische Planplatte gelegt wird, entstehen Ringe, die über ihre Form die Oberflächenebenheit des untersuchten Fensters anzeigen. Die Oberfläche des Fensters ist mindestens so plan wie die Referenzfläche, wenn die Ringe gleichmäßig verteilt, gerade und parallel verlaufen. Wenn die Ringe gekrümmt sind, wird die Oberflächenebenheit über die Anzahl an Ringen zwischen zwei gedachten Linien ermittelt. Eine Linie verläuft tangential zur Mitte des Rings und eine durch die Enden des gleichen Rings. Die Abweichung der Ebenheit wird typischerweise in Wellen (λ) oder als Vielfaches der Wellenlänge des Testlichts angegeben. Jeder Ring steht für eine halbe Welle. Eine Ebenheit von 1λ kann für die meisten typischen Anwendungen verwendet werden, hochpräzise Anwendungen wie Lasersysteme mit hoher Leistung hingegen benötigen Ebenheitswerte bis zu λ/20.

Abbildung 3: Diagramm zur Verwendung einer optischen Planplatte.

Oberflächenebenheit	Beschreibung
≥1λ	Wird häufig für Standardanwendungen eingesetzt, bei denen die Oberflächenebenheit nicht kritisch ist. Fenster mit Oberflächenebenheiten von ≥1λ sind die günstigsten Fenster.
λ/4	Für präzise Anwendungen, bei denen die Oberflächenqualität wichtig ist. Dies ist eine übliche Spezifikation für Lasersysteme mit geringer bis mittlerer Leistung und kleinere Optiken. Die Fenster sind etwas teurer als die Fenster mit geringerer Oberflächenebenheit.
≤λ/10	Wird für Lasersysteme mit hoher Leistung und hochpräzise Bildgebungssysteme eingesetzt. Fenster mit dieser Spezifikation sind typischerweise deutlich teurer als andere Fenster.

Tabelle 3: Diese Tabelle zeigt Oberflächenebenheiten für verschiedenste Anwendungen.

Die Oberflächenebenheit ist besonders wichtig, wenn ein Fenster in einem anderen Winkel als bei 0° eingesetzt wird. In unserem Anwendungshinweis Hintergrundinformationen zu optischen Spezifikationen erfahren Sie mehr über Oberflächenqualität, Oberflächenebenheit und andere Oberflächenspezifikationen.

Transmittierter Wellenfrontfehler

Oberflächenfehler, Inhomogenität des Brechungsindex und Spannung am Fenster können zu einem Fehler der transmittierten Wellenfront führen. Die Verzerrung der transmittierten Wellenfront verursacht einen Abfall der Bildqualität in bildgebenden Systemen und einen qualitativen Leistungsabfall in nicht bildgebenden Systemen. Der transmittierte Wellenfrontfehler kann reduziert werden, indem das Fenster korrekt und ohne unnötige Spannung befestigt wird. Der transmittierte Wellenfrontfehler beschreibt zusammen mit der Oberflächenebenheit die Qualität und die Oberflächencharakteristiken eines Fensters. In unserem Anwendungshinweis Vergleich optischer Aberrationen erfahren Sie mehr über die verschiedenen Typen von Wellenfrontfehlern und andere optische Aberrationen.

Antireflexionsbeschichtungen

Antireflexionsbeschichtungen (AR-Beschichtungen) werden häufig auf optische Fenster aufgebracht, um die Transmission im gewünschten Wellenlängenbereich zu erhöhen. Edmund Optics bietet alle TECHSPEC^® Fenster mit einer Vielzahl verschiedener Antireflexionsbeschichtungen an, die die Leistungsfähigkeit der Optik durch höhere Transmission, besseren Kontrast und Beseitigung von Geisterbildern steigern. Die meisten AR-Beschichtungen sind außerdem sehr haltbar und beständig gegenüber physischen und umgebungsbedingten Beschädigungen. Aus diesen Gründen ist ein Großteil der transmittierenden Optiken mit irgendeiner Form von Antireflexionsbeschichtung beschichtet. Bei der Spezifikation einer geeigneten AR-Beschichtung für die jeweilige Anwendung müssen Sie zunächst den vollen Spektralbereich des Systems kennen. Während eine passende AR-Beschichtung die Systemleistung signifikant verbessern kann, kann die Verwendung einer Beschichtung für eine Wellenlänge außerhalb des eingesetzten Wellenlängenbereichs die Leistung verschlechtern. Die Abbildung unten zeigt Reflexionskurven für alle standardmäßigen AR-Beschichtungen, die von uns angeboten werden.

Grafische Darstellung von standardmäßigen VIS-Antireflexionsbeschichtungen

Grafische Darstellung von standardmäßigen NIR-Antireflexionsbeschichtungen

In unserem Anwendungshinweis Antireflexionsbeschichtungen erfahren Sie mehr über AR-Beschichtungen. Außerdem finden Sie hier Beschichtungskurven für unsere gesamte Auswahl an AR-Beschichtungen.

Äquivalente Glastypen

Viele Glashersteller bieten die gleichen Glascharakteristiken unter verschiedenen Markennamen an und die meisten haben ihre Produkte und Prozesse so umgestellt, dass sie umweltfreundlich sind (frei von Blei und Arsen). Edmund Optics verwendet umweltfreundliches Glas in vielen seiner TECHSPEC^® Produkte, diese Information taucht aber nicht zwangsläufig in der Produktbeschreibung auf. Für Produkte, die nicht von Edmund Optics hergestellt wurden, hängt der Einsatz von umweltfreundlichem Glas vom Hersteller ab. Wenn ein Produkt einmal auf umweltfreundliches Glas umgestellt wurde, wird nicht wieder zurück auf ein anderes Glas gewechselt. Je nach Verfügbarkeit behalten wir uns das Recht vor in unserer Produktion ein umweltfreundliches Glas durch ein anderes umweltfreundliches Glas zu ersetzen. Die Tabelle unten zeigt äquivalente Glastypen für die üblichsten optischen Gläser.

Äquivalente Glastypen
Glasname	Glasnummer	Äquivalent SCHOTT	Äquivalent Ohara	Äquivalent CDGM
N-BK7	517/642	N-BK7	S-BSL7	H-K9L
N-K5	522/595	N-K5	S-NSL5	H-K50
N-PK51	529/770	N-PK51	–	–
N-SK11	564/608	N-SK11	S-BAL41	H-BaK6
N-BAK4	569/561	N-BAK4	S-BAL14	H-BaK7
N-BAK1	573/576	N-BAK1	S-BAL11	H-BaK8
N-SSK8	618/498	N-SSK8	S-BSM 28	–
N-PSK53A	618/634	N-PSK53A	S-PHM52	–
N-F2	620/364	N-F2	S-TIM 2	H-F4
S-BSM18	639/554	–	S-BSM18	H-ZK11
N-SF2	648/338	N-SF2	S-TIM 22	H-ZF1
N-LAK22	651/559	N-LAK22	S-LAL54	H-LaK10
S-BAH11	667/483	–	S-BAH 11	H-ZBaF16
N-BAF10	670/472	N-BAF10	S-BAH 10	H-ZBaF52
N-SF5	673/322	N-SF5	S-TIM 25	H-ZF2
N-SF8	689/312	N-SF8	S-TIM 28	H-ZF10
N-LAK14	697/554	N-LAK14	S-LAL14	H-LAK51
N-SF15	699/301	N-SF15	S-TIM35	H-ZF11
N-BASF64	704/394	N-BASF64	–	–
N-LAK8	713/538	N-LAK8	S-LAL8	H-LAK7
S-TIH18	722/293	–	S-TIH18	–
N-SF10	728/284	N-SF10	S-TIH10	H-ZF4
N-SF4	755/276	N-SF4	S-TIH4	H-ZF6
N-SF14	762/265	N-SF14	S-TIH14	–
N-SF11	785/258	N-SF11	S-TIH11	H-ZF13
SF65A	785/261	SF65A	S-TIH23	–
N-LASF45	800/350	N-LASF45	S-LAM66	H-ZLaF66
N-LASF44	803/464	N-LASF44	S-LAH65	H-ZLaF50B
N-SF6	805/254	N-SF6	S-TIH 6	H-ZF7LA
N-SF57	847/238	N-SF57	S-TIH53	H-ZF52
N-LASF9	850/322	N-LASF9	S-LAH71	–
S-NPH2	923/189	–	S-NPH2	–
N-SF66	923/209	N-SF66	–	–

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Größen von 3 - 500 mm mit Dicken ab 0,2 mm
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