Při navrhování optických systémů není materiál okénka pro inženýry pouhým průhledným krytem. Ovlivňuje propustnost, kvalitu obrazu, tepelnou stabilitu, mechanickou odolnost, spolehlivost utěsnění, náklady i dlouhodobý výkon. Safír, BK7 a sklo K9 jsou běžně používané optické materiály, ale každý z nich je vhodný pro jiné provozní podmínky.
Materiály BK7 a K9 se hojně používají v čočkách, hranolech, zrcadlech, ochranných sklech, optice fotoaparátů, přístrojích a obecně v optických systémech pracujících ve viditelném spektru. Safír se obvykle volí v případech, kdy musí optická součástka odolávat i náročným podmínkám, jako jsou vysoké teploty, tlak, otěr, chemikálie, vakuum, plazma, vystavení venkovním vlivům nebo opakované čištění.
Tento článek porovnává safír, BK7 a sklo K9 z hlediska návrhu optických systémů a pomáhá tak kupujícím a inženýrům vybrat vhodný materiál pro různé aplikace.
1. Co je to safír?
Safír používaný v optických okénkách je syntetický monokrystalický oxid hlinitý, Al₂O₃. Nejedná se o běžné sklo. Safír je krystalický materiál s vynikající tvrdostí, odolností proti opotřebení, chemickou odolností, teplotní stabilitou a širokým spektrem optické propustnosti od ultrafialových až po infračervené vlnové délky. Společnost Kyocera popisuje optické komponenty ze safíru jako materiály s vysokou propustností v širokém rozsahu vlnových délek od ultrafialového až po infračervené záření, které jsou zároveň odolné proti korozi a opotřebení.
Díky těmto vlastnostem se safír často používá k:
- Ochranná optická okénka
- Vysokotlaké průzory
- Okna vakuové komory
- Kryty senzorů
- Laserová okna
- Okénka kamer pro náročné podmínky
- Okna pro polovodičová zařízení
- Okénka pro pozorování chemických jevů a plazmy
- Optické kryty pro letecký a obranný průmysl
- Skenery nebo kontrolní okénka odolné proti opotřebení
Hlavní výhodou safíru není jen jeho průhlednost. Jeho hodnota spočívá v kombinaci optických vlastností s mechanickou odolností a odolností vůči vlivům prostředí.
2. Co je to sklo BK7?
BK7 je borosilikátové optické sklo typu „crown“. Materiál N-BK7 od společnosti SCHOTT patří mezi nejčastěji používaná standardní optická skla, protože nabízí stabilní optické vlastnosti, dobrou vnitřní propustnost ve viditelném a blízkém infračerveném spektru a spolehlivou dostupnost pro přesnou optiku. Technický list materiálu N-BK7 od společnosti SCHOTT uvádí údaje o indexu lomu a hodnotách vnitřní propustnosti v různých vlnových délkách, což je užitečné pro výpočty při návrhu optických systémů.
BK7 se běžně používá pro:
- Objektivy
- Hranoly
- Optická okna
- Zrcadla
- Rozdělovače paprsků
- Zobrazovací systémy
- Laboratorní přístroje
- Součásti fotoaparátů a dalekohledů
- Obecné optické systémy pracující ve viditelném spektru
Ve srovnání se safírem se BK7 snáze zpracovává, snadněji se leští, je cenově výhodnější a je široce dostupný v mnoha rozměrech. Neposkytuje však stejnou tvrdost, tepelnou odolnost ani odolnost vůči drsným podmínkám jako safír.
3. Co je to sklo K9?
Sklo K9 se v Číně běžně používá jako optické korunové sklo podobné sklu BK7. V mnoha jednáních o dodávkách se K9 nebo H-K9L považuje za materiál ekvivalentní sklu BK7, zejména pokud jde o čočky, hranoly, okénka a obecné optické komponenty. Technický list společnosti CDGM pro materiál H-K9L uvádí nd = 1,516800 a νd = 64,20, které se velmi blíží typickým optickým parametrům skla N-BK7.
Kupující by však měli být opatrní, pokud jde o pojem “K9”. Při mezinárodních nákupech optických materiálů je lepší si ověřit přesný typ skla, například H-K9L, N-BK7, nebo jinou ekvivalentní třídu, místo pouhého uvedení “sklo K9”. Údaje o optickém skle společnosti CDGM vysvětlují, že kód H-K9L 517642 odpovídá hodnotám indexu lomu a Abbeho čísla, což pomáhá konstruktérům optických zařízení přesněji identifikovat daný materiál.
Jednoduše řečeno:
- BK7 obvykle se tím míní známá skupina borosilikátových korunových skel.
- N-BK7 často se tím míní konkrétně bezolovnatá a bezarsenová verze od společnosti SCHOTT.
- K9 / H-K9L obvykle se tím míní čínská optická skleněná třída typu „crown“, podobná sklu BK7.
- U přesných systémů by si kupující měli ověřit přesné technické údaje, nikoli pouze běžný název.
4. Rychlé srovnání: safír vs. sklo BK7/K9
| Majetek | Sapphire | BK7 / K9 sklo |
|---|---|---|
| Typ materiálu | Monokrystal Al₂O₃ | Optické korunové sklo |
| Hlavní výhoda | Tvrdost, odolnost, tepelná stabilita | Vynikající kvalita, nižší náklady, snadné zpracování |
| Optický dosah | Od UV po IR, v závislosti na třídě a tloušťce | Viditelné především v blízké infračervené oblasti |
| Tvrdost | Velmi vysoká | Mírná |
| Odolnost proti poškrábání | Vynikající | Nižší než safír |
| Tepelný odpor | Vynikající | Omezené ve srovnání se safírem |
| Chemická odolnost | Vynikající | Vhodné pro běžné optické podmínky |
| Obtížnost zpracování | Vysoká | Dolní |
| Náklady | Vyšší | Dolní |
| Nejvhodnější pro | Náročné podmínky, tlak, opotřebení, vysoká teplota | Obecné optické systémy, čočky, hranoly, laboratorní optika |
| Problém v návrhu | Dvojlom, náklady, náročnost obrábění | Nižší odolnost, nižší tepelné vlastnosti |
5. Rozdíly v optickém přenosu
Pro mnoho optických systémů pracujících ve viditelném spektru často postačuje sklo BK7 nebo K9. Společnost Edmund Optics uvádí, že standardní optická skla poskytují vysokou propustnost v celém viditelném spektru i mimo něj, a to až do oblastí blízkého ultrafialového a blízkého infračerveného záření. Proto se skla BK7/K9 široce používají v fotoaparátech, dalekohledech, mikroskopech, laboratorní optice a obecně jako ochranná okénka.
Safír je vhodnější v případech, kdy musí optické okénko pokrývat širší rozsah vlnových délek nebo fungovat v náročnějším prostředí. Optická okénka ze safíru se běžně používají v aplikacích od ultrafialového až po infračervené záření, zejména pokud musí okénko odolávat také opotřebení, korozi, tlaku nebo vysokým teplotám.
Pro jednoduché snímání ve viditelném spektru je BK7/K9 obvykle cenově výhodnější. Pro systémy využívající UV a IR záření, systémy s vysokým výkonem, vysokými teplotami nebo systémy určené do náročných podmínek může být safír z dlouhodobého hlediska lepší volbou.
6. Index lomu a optická konstrukce
Index lomu ovlivňuje to, jak se světlo láme při vstupu do materiálu a při výstupu z něj. Společnost Edmund Optics vysvětluje, že index lomu je klíčovým parametrem optického skla a při navrhování optického skla se obvykle uvádí hodnota 587,6 nm.
Modely BK7 a H-K9L mají velmi podobné hodnoty indexu lomu v okolí 1.5168 v oblasti d-čáry, díky čemuž jsou tyto materiály dobře známé konstruktérům optických systémů. Technické listy materiálů N-BK7 od společnosti SCHOTT a H-K9L od společnosti CDGM obsahují údaje o indexu lomu a disperzi potřebné pro optické výpočty.
Safír má vyšší index lomu než BK7/K9, takže pokud není okénko opatřeno povlakem, dochází na každém povrchu k většímu fresnelovskému odrazu. V systémech, kde je důležitá propustnost, se u safírových okének často využívá antireflexní povlak navržený pro konkrétní vlnový rozsah.
Z praktického hlediska je to pro kupující jednoduché: přechod z BK7/K9 na safír může vyžadovat přepracování optického systému, zejména pokud je okénko součástí obrazové dráhy, laserové dráhy nebo systému přesných senzorů.
7. Dvojlom: Klíčový rozdíl
BK7 a K9 jsou izotropní optická skla, což znamená, že obecně nevykazují dvojlom závislý na krystalové orientaci. Safír je jiný. Jedná se o monokrystalický materiál a jeho optické vlastnosti mohou záviset na krystalové orientaci.
U běžných ochranných oken to nemusí být zásadní problém. U laserových systémů, optiky citlivé na polarizaci, přesného zobrazování nebo interferometrie by však měla být orientace safíru zohledněna. Společnost Thorlabs uvádí, že její safírová okénka jsou řezána v ose Z tak, aby osa c byla rovnoběžná s optickou osou, což pomáhá eliminovat účinky dvojlomnosti na procházející světlo.
Proto by kupující neměli požadovat pouze “safírové okénko”. Možná budou muset upřesnit také:
- Náhodná orientace
- Safír s řezem typu C / Z
- Směr optické osy
- Požadavek na dvojlomnost
- Vlnová délka laseru
- Citlivost na polarizaci
- Požadavky na přenášenou vlnovou frontu
Pro běžnou ochranu může být BK7/K9 jednodušší volbou. V náročných podmínkách je safír odolnější, avšak u vysoce přesných optických systémů může být nutná kontrola orientace.
8. Tvrdost a odolnost proti poškrábání
Největším mechanickým rozdílem mezi safírem a sklem BK7/K9 je tvrdost. Safír je mnohem tvrdší a odolnější proti poškrábání než běžné optické sklo. Díky tomu je vhodný pro odkryté okénka, která mohou přijít do styku s prachem, částicemi, kovovými nástroji, čisticími hadříky, pískem, zbytky plazmy nebo drsnými venkovními podmínkami.
Materiál BK7/K9 nabízí vynikající optické vlastnosti, je však náchylnější k poškrábání. U čistého optického přístroje to nemusí představovat problém. V průmyslovém prostředí, například ve skeneru, senzoru, vysokotlaké komoře, chemickém reaktoru nebo venkovním systému, však poškození povrchu může v průběhu času snížit propustnost a zvýšit rozptyl.
Zvolte safír, pokud okno směřuje:
- Časté utírání nebo čištění
- Brusné částice
- Mechanický kontakt
- Drsné průmyslové prostředí
- Vystavení venkovním vlivům
- Vysokorychlostní částice nebo postříkání
- Požadavky na dlouhodobou životnost
Zvolte BK7/K9 v případě, že je okénko chráněno uvnitř optického přístroje a cena nebo optická dostupnost jsou důležitější než odolnost proti oděru.
9. Tepelná stabilita a použití při vysokých teplotách
Safír je pro optická okénka vystavená vysokým teplotám mnohem vhodnější než sklo BK7/K9. Safír se používá v náročných podmínkách, protože kombinuje optickou propustnost s vynikajícími tepelnými, mechanickými a chemickými vlastnostmi.
Materiály BK7 a K9 jsou vhodnější pro optické systémy pracující při běžných teplotách. Nejsou však první volbou pro vysokoteplotní pece, monitorování spalování, plazmová zařízení ani aplikace s teplotními cykly. Pokud systém zahrnuje rychlé zahřívání a ochlazování, měli by kupující zohlednit také tepelnou roztažnost, montážní napětí a konstrukci těsnění.
V případě tepelných podmínek by se výběr materiálu neměl zakládat pouze na průhlednosti. Je třeba posoudit celou okenní sestavu, a to včetně:
- Tloušťka okna
- Čistá apertura
- Způsob montáže
- Materiál těsnění
- Nesoulad tepelné roztažnosti
- Kvalita povrchu
- Zkosení hrany
- Rychlost teplotních cyklů
Safír je odolnější vůči extrémním teplotám, avšak nevhodná konstrukce uchycení může i tak způsobit namáhání a prasknutí.
10. Chemická odolnost a odolnost vůči vlivům prostředí
V chemickém, vakuovém, plazmovém, námořním, lékařském, polovodičovém průmyslu nebo při venkovním použití může být odolnost vůči vlivům prostředí důležitější než základní optická propustnost.
Safír se vyznačuje vysokou odolností proti korozi a opotřebení, a proto se často používá pro snímače a pozorovací okénka v náročných průmyslových prostředích. Sklo BK7/K9 se osvědčuje v běžných optických systémech, je však méně vhodné pro použití v podmínkách silného chemického působení, eroze částicemi, působení plazmy nebo opakovaného agresivního čištění.
Safír by měl být zvážen v následujících případech:
- Průhledová okna chemických reaktorů
- Okna vakuové komory
- Sledování plazmového procesu
- Vysokotlaké plynové systémy
- Venkovní optické senzory
- Zdravotnická zařízení nebo prostory určené ke sterilizaci
- Polovodičová zařízení
- Drsné čisticí postupy
BK7/K9 je vhodnější pro:
- Laboratorní optické stoly
- Optika fotoaparátu
- Obecné čočky a hranoly
- Chráněná optická okénka
- Nízkonákladové systémy využívající viditelné světlo
- Vzdělávací a kontrolní zařízení
11. Náročnost zpracování a náklady
Sklo BK7/K9 se snáze řeže, brousí, leští, pokrývá povlakem a zpracovává na čočky či hranoly. Díky tomu je vhodné pro optické systémy s omezeným rozpočtem i pro složité optické tvary.
Safír je mnohem tvrdší a jeho obrábění je náročnější. Řezání, broušení, lapování, leštění, vrtání, srážení hran a povrchová úprava safíru obvykle vyžadují více času, sofistikovanější vybavení a přísnější kontrolu výrobního procesu. Proto jsou safírová okénka zpravidla dražší než skleněná okénka z BK7/K9.
Náklady by se měly posuzovat na základě celkového výkonu systému, nikoli pouze na základě jednotkové ceny. Pokud je nutné BK7/K9 často vyměňovat kvůli poškrábání, tepelnému poškození nebo chemickému působení, může safír snížit dlouhodobé náklady na údržbu. Pokud se však jedná o čistý optický přístroj určený pro vnitřní použití, může být BK7/K9 rozumnější volbou.
12. Jaký materiál byste si měli vybrat?
Kdy zvolit Sapphire:
- Okno je vystaveno oděru nebo častému čištění.
- Tento systém zahrnuje vysoké teploty nebo teplotní cykly.
- Toto okénko se používá v tlakových, vakuových, plynových nebo chemických prostředích.
- Aplikace vyžaduje optický přístup z UV do IR.
- Okno musí být odolné proti poškrábání, aby vydrželo dlouhodobé používání.
- Tato optická součástka je součástí snímače určeného pro náročné podmínky.
- Toto okénko se používá v polovodičovém průmyslu, leteckém a kosmickém průmyslu, obranném průmyslu, v laserové technice nebo v průmyslových zařízeních.
- Výměna je náročná nebo prostoje jsou nákladné.
Kdy zvolit sklo BK7/K9:
- Systém pracuje převážně ve viditelném spektru.
- Optická součástka je chráněna uvnitř přístroje.
- Kontrola nákladů je důležitá.
- Jedná se o čočku, hranol, podklad pro zrcadlo nebo obecně o okénko.
- Prostředí je čisté a stabilní.
- Vysoká tvrdost a odolnost vůči vysokým teplotám nejsou vyžadovány.
- Důležité jsou rychlé prototypování a snadná výroba.
13. Typické příklady použití
| Žádost | Lepší výběr materiálu | Důvod |
| Člen objektivu fotoaparátu | BK7/K9 | Dobrý optický výkon a kontrola nákladů |
| Laboratorní optické okénko | BK7/K9 | Snadno se získává a zpracovává |
| Laserové ochranné okénko v náročných podmínkách | Sapphire | Vyšší tvrdost a odolnost |
| Průhledové okénko pece | Sapphire | Lepší odolnost vůči vysokým teplotám |
| Průhledové okénko vakuové komory | Sapphire | Lepší mechanické a chemické vlastnosti |
| Kryt venkovního snímače | Sapphire | Lepší odolnost proti poškrábání a povětrnostním vlivům |
| Nákladově nenáročné okénko pro vizuální kontrolu | BK7/K9 | Ekonomické a dostačující |
| Procesní okno polovodičů | Sapphire | Vyšší odolnost vůči plazmě, teplu a čištění |
| Obecný hranol | BK7/K9 | Jednodušší zpracování a stabilní optická konstrukce |
| Optické okénko pro vysokotlaký plyn | Sapphire | Vyšší mechanická pevnost a bezpečnostní rezerva |
14. Kontrolní seznam pro kupujícího před zadáním objednávky
Před výběrem safíru, skla BK7 nebo K9 by si kupující měli ověřit:
| Požadavek | Proč je to důležité |
| Rozsah vlnových délek | Určuje optickou propustnost a konstrukci povlaku |
| Provozní teplota | Stanovuje požadavky na tepelnou stabilitu |
| Vystavení chemickým látkám | Stanovuje požadavky na odolnost proti korozi |
| Tlak nebo podtlak | Určuje tloušťku a provedení těsnění |
| Riziko oděru | Stanovuje požadavky na tvrdost |
| Optická přesnost | Určuje rovinnost, rovnoběžnost a požadavky na vlnovou frontu |
| Citlivost na polarizaci | Důležité pro orientaci safíru |
| Kvalita povrchu | Ovlivňuje rozptyl, zobrazování a bezpečnost laserů |
| Povlak | Zlepšuje přenos při cílové vlnové délce |
| Množství a rozpočet | Ovlivňuje volbu materiálu a způsobu zpracování |
| Obtížnost výměny | Pomáhá porovnat pořizovací náklady s náklady za celou dobu životnosti |
Závěr
Safír, sklo BK7 a sklo K9 jsou sice užitečné optické materiály, ale v každém optickém systému nejsou vzájemně zaměnitelné.
Skla BK7 a K9 představují vynikající volbu pro běžné optické systémy, zejména pokud hrají důležitou roli náklady, dostupnost, propustnost ve viditelném spektru a snadná opracovatelnost. Široce se používají pro výrobu čoček, hranolů, oken a laboratorních optických komponentů.
Safír je lepší volbou v případech, kdy musí optické okénko odolávat náročným provozním podmínkám. Díky své vysoké tvrdosti, odolnosti proti poškrábání, chemické stabilitě, tepelné odolnosti a širokému spektru optické propustnosti je vhodný pro tlakové systémy, vakuová průhledová okénka, průmyslové senzory, polovodičová zařízení, laserová okénka a ochrannou optiku pro venkovní použití.
Pro kupující závisí volba nejvhodnějšího řešení na konkrétním použití. Pokud má okénko pouze propouštět viditelné světlo v čistém a chráněném prostředí, často postačí BK7/K9. Pokud však musí okénko chránit systém před teplem, tlakem, oděrem, chemikáliemi, plazmou nebo opakovaným čištěním, je z dlouhodobého hlediska obvykle bezpečnějším materiálem safír.
ČASTO KLADENÉ DOTAZY
1. Je sklo K9 totéž jako BK7?
Sklo K9 nebo H-K9L se často používá jako ekvivalent optického korunového skla BK7, zejména v čínském optickém průmyslu. Odběratelé by si však měli ověřit přesný typ a technický list, protože pojem “K9” se při jednáních o dodávkách může používat v širokém smyslu.
2. Je safír lepší než sklo BK7?
Safír je vhodnější z hlediska tvrdosti, odolnosti proti poškrábání, použití při vysokých teplotách, chemické odolnosti a v náročných podmínkách. BK7 je vhodnější pro cenově citlivé obecné optické systémy, čočky, hranoly a chráněné aplikace ve viditelném spektru.
3. Má safír lepší optickou propustnost než BK7?
Záleží na vlnové délce a konkrétním použití. BK7 podává velmi dobré výsledky v mnoha systémech pracujících ve viditelném spektru. Safír je vhodnější v případech, kdy je vyžadován širší rozsah od UV po IR nebo odolnost vůči drsným podmínkám.
4. Proč je safír dražší než sklo BK7/K9?
Safír je mnohem tvrdší a jeho řezání, broušení, leštění, vrtání a povrchová úprava jsou mnohem náročnější. Náklady na materiál i na zpracování jsou u něj vyšší než u běžného optického korunového skla.
5. Mohou BK7/K9 nahradit safírová okénka?
Materiál BK7/K9 může nahradit safír pouze v případě, že daná aplikace nevyžaduje vysokou tvrdost, odolnost vůči vysokým teplotám, chemickou odolnost, odolnost vůči tlaku ani odolnost vůči drsným podmínkám. Pro náročné průmyslové systémy je safír obvykle bezpečnější volbou.