Wanneer ingenieurs optische systemen ontwerpen, is het materiaal van de lens niet zomaar een doorzichtige afdekking. Het beïnvloedt de lichtdoorlatendheid, de beeldkwaliteit, de thermische stabiliteit, de mechanische duurzaamheid, de betrouwbaarheid van de afdichting, de kosten en de prestaties op lange termijn. Saffier, BK7 en K9-glas zijn allemaal veelgebruikte optische materialen, maar ze zijn geschikt voor verschillende gebruiksomstandigheden.
BK7 en K9 worden op grote schaal gebruikt in lenzen, prisma’s, spiegels, beschermende ruiten, camera-optica, instrumenten en algemene optische systemen voor zichtbaar licht. Er wordt doorgaans voor saffier gekozen wanneer het optische onderdeel ook bestand moet zijn tegen zware omstandigheden, zoals hoge temperaturen, druk, slijtage, chemicaliën, vacuüm, plasma, blootstelling aan de buitenlucht of herhaaldelijk reinigen.
In dit artikel worden saffier, BK7 en K9-glas vergeleken vanuit het perspectief van het ontwerp van optische systemen, om kopers en ingenieurs te helpen bij het kiezen van het juiste materiaal voor verschillende toepassingen.
1. Wat is saffier?
Saffier dat in optische vensters wordt gebruikt, is synthetisch monokristallijn aluminiumoxide, Al₂O₃. Het is niet hetzelfde als gewoon glas. Saffier is een kristallijn materiaal met een uitstekende hardheid, slijtvastheid, chemische bestendigheid, stabiliteit bij hoge temperaturen en een breed optisch doorlaatvermogen van ultraviolette tot infrarode golflengten. Kyocera beschrijft optische componenten van saffier als materialen met een hoge doorlaatbaarheid over een breed golflengtebereik, van ultraviolet tot infrarood, die tevens bestand zijn tegen corrosie en slijtage.
Vanwege deze eigenschappen wordt saffier vaak gebruikt voor:
- Beschermende optische vensters
- Hogedruk kijkvensters
- Ramen voor vacuümkamers
- Sensorafdekkingen
- Laserramen
- Cameravensters voor veeleisende omgevingen
- Ramen voor halfgeleiderapparatuur
- Kijkvensters voor chemische en plasma-observaties
- Optische afdekkingen voor de lucht- en ruimtevaart en defensie
- Slijtvaste scanner- of inspectievensters
Het belangrijkste voordeel van saffier is niet alleen de transparantie. De waarde ervan ligt in de combinatie van optische prestaties met mechanische en omgevingsbestendigheid.
2. Wat is BK7-glas?
BK7 is een optisch kroonglas op basis van borosilicaat. N-BK7 van SCHOTT is een van de meest gebruikte standaard optische glazen, omdat het stabiele optische eigenschappen, een goede interne transmissie in het zichtbare en nabij-infrarode gebied en een betrouwbare beschikbaarheid voor precisie-optica biedt. Het gegevensblad van SCHOTT’s N-BK7 bevat informatie over de brekingsindex en de interne transmissiewaarden over meerdere golflengten, waardoor het nuttig is voor berekeningen bij het ontwerpen van optische systemen.
BK7 wordt vaak gebruikt voor:
- Lenzen
- Prisma's
- Optische vensters
- Spiegels
- Straalsplitsers
- Beeldvormingssystemen
- Laboratoriuminstrumenten
- Onderdelen voor camera's en telescopen
- Algemene optische systemen voor zichtbaar licht
In vergelijking met saffier is BK7 gemakkelijker te bewerken, gemakkelijker te polijsten, voordeliger en op grote schaal verkrijgbaar in vele afmetingen. Het biedt echter niet dezelfde hardheid, hittebestendigheid of duurzaamheid in zware omstandigheden als saffier.
3. Wat is K9-glas?
K9-glas wordt in China veelvuldig gebruikt als optisch kroonglas, vergelijkbaar met BK7. In veel inkoopgesprekken wordt K9 of H-K9L beschouwd als een materiaal dat gelijkwaardig is aan BK7, met name voor lenzen, prisma’s, vensters en algemene optische componenten. In het gegevensblad van CDGM over H-K9L staat vermeld nd = 1,516800 en νd = 64,20, die zeer dicht in de buurt liggen van de typische optische waarden van N-BK7.
Kopers moeten echter voorzichtig zijn met de term “K9”. Bij internationale inkoop van optische producten is het beter om de exacte glassoort te verifiëren, zoals H-K9L, N-BK7, of een andere gelijkwaardige kwaliteitsaanduiding, in plaats van alleen “K9-glas” te vermelden. Uit de gegevens over optisch glas van CDGM blijkt dat de H-K9L-code 517642 overeenkomt met bepaalde waarden voor de brekingsindex en het Abbe-getal, waardoor optische ontwerpers het materiaal nauwkeuriger kunnen identificeren.
Eenvoudig gezegd:
- BK7 verwijst meestal naar de bekende familie van borosilicaat-kroonglas.
- N-BK7 verwijst vaak specifiek naar de lood- en arseenvrije versie van SCHOTT.
- K9 / H-K9L verwijst meestal naar een Chinese optische kroonglassoort die vergelijkbaar is met BK7.
- Bij precisiesystemen moeten kopers de exacte specificaties controleren, en niet alleen de gangbare benaming.
4. Snelle vergelijking: saffier versus BK7/K9-glas
| Eigendom | Saffier | BK7 / K9-glas |
|---|---|---|
| Materiaalsoort | Al₂O₃ uit één kristal | Optisch kroonglas |
| Belangrijkste voordeel | Hardheid, duurzaamheid, thermische stabiliteit | Optische kwaliteit, lagere kosten, eenvoudige verwerking |
| Optisch bereik | UV tot IR, afhankelijk van de kwaliteit en dikte | Voornamelijk zichtbaar in het nabije infrarood |
| Hardheid | Zeer hoog | Matig |
| Krasbestendigheid | Uitstekend | Lager dan saffier |
| Thermische weerstand | Uitstekend | Beperkt in vergelijking met saffier |
| Chemische weerstand | Uitstekend | Geschikt voor normale optische omgevingen |
| Moeilijkheidsgraad van de verwerking | Hoog | Onder |
| Kosten | Hoger | Onder |
| Het meest geschikt voor | Zware omstandigheden, druk, slijtage, hoge temperaturen | Algemene optische systemen, lenzen, prisma’s, laboratoriumoptica |
| Ontwerpoverweging | Dubbele breking, kosten, moeilijkheidsgraad bij de bewerking | Minder duurzaam, minder thermische prestaties |
5. Verschillen in optische transmissie
Voor veel optische systemen die gebruikmaken van zichtbaar licht volstaat BK7- of K9-glas vaak. Edmund Optics merkt op dat standaard optische glazen een hoge doorlaatbaarheid bieden in het zichtbare spectrum en daarbuiten, tot in het nabij-ultraviolette en nabij-infrarode bereik. Daarom wordt BK7/K9 op grote schaal gebruikt in camera's, telescopen, microscopen, laboratoriumoptica en algemene beschermingsruiten.
Saffier is geschikter wanneer het optische venster een breder golflengtebereik moet bestrijken of in een zwaardere omgeving moet functioneren. Optische vensters van saffier worden vaak gebruikt in toepassingen van ultraviolet tot infrarood, met name wanneer het venster ook bestand moet zijn tegen slijtage, corrosie, druk of hoge temperaturen.
Voor eenvoudige beeldvorming in het zichtbare spectrum is BK7/K9 doorgaans voordeliger. Voor systemen die werken met UV- of IR-straling, met hoog vermogen, bij hoge temperaturen of in veeleisende omgevingen, is saffier wellicht de betere keuze op de lange termijn.
6. Brekingsindex en optisch ontwerp
De brekingsindex bepaalt hoe licht wordt afgebogen wanneer het een materiaal binnenkomt en weer verlaat. Edmund Optics legt uit dat de brekingsindex een belangrijke parameter is voor optisch glas en bij het ontwerpen van optisch glas doorgaans wordt gespecificeerd bij 587,6 nm.
BK7 en H-K9L hebben zeer vergelijkbare brekingsindexwaarden rond 1.5168 op de d-lijn, waardoor het voor optische ontwerpers bekende materialen zijn. In de datasheets van SCHOTT’s N-BK7 en CDGM’s H-K9L staan beide gegevens over de brekingsindex en de dispersie vermeld voor optische berekeningen.
Saffier heeft een hogere brekingsindex dan BK7/K9, waardoor de Fresnel-reflectie op elk oppervlak groter is als het venster niet is gecoat. In systemen waar doorlaatbaarheid van belang is, profiteren saffiervensters vaak van een antireflectiecoating die is afgestemd op een specifiek golflengtebereik.
Voor kopers is het praktische aspect eenvoudig: de overstap van BK7/K9 naar saffier kan een herontwerp van het optische systeem vereisen, vooral als het venster deel uitmaakt van een beeldvormingspad, een laserpad of een precisiesensorsysteem.
7. Dubbele breking: een belangrijk verschil
BK7 en K9 zijn isotrope optische glazen, wat betekent dat ze over het algemeen geen dubbele breking vertonen die verband houdt met de kristalrichting. Saffier is anders. Het is een materiaal dat uit één enkel kristal bestaat, en het optische gedrag ervan kan afhangen van de kristaloriëntatie.
Voor algemene beschermingsvensters is dit wellicht geen groot probleem. Maar voor lasersystemen, polarisatiegevoelige optica, precisiebeeldvorming of interferometrie moet rekening worden gehouden met de oriëntatie van het saffier. Thorlabs geeft aan dat zijn saffiervensters Z-geslepen zijn, zodat de c-as parallel loopt aan de optische as, wat helpt bij het elimineren van dubbele brekingseffecten op doorgelaten licht.
Daarom moeten kopers niet alleen vragen naar een “saffiervenster”. Ze moeten mogelijk ook het volgende specificeren:
- Willekeurige oriëntatie
- Saffier met C-snit / Z-snit
- Richting van de optische as
- Eis inzake dubbele breking
- Lasergolflengte
- Polarisatiegevoeligheid
- Vereiste voor het doorgelaten golffront
Voor gewone bescherming is BK7/K9 wellicht eenvoudiger. In veeleisende omgevingen is saffier sterker, maar bij zeer nauwkeurige optische systemen kan het nodig zijn om de oriëntatie te regelen.
8. Hardheid en krasbestendigheid
Het grootste mechanische verschil tussen saffier en BK7/K9 is de hardheid. Saffier is veel harder en krasbestendiger dan gewoon optisch glas. Hierdoor is het geschikt voor blootliggende vensters die in aanraking kunnen komen met stof, deeltjes, metalen gereedschap, poetsdoeken, zand, plasmaresten of zware buitenomstandigheden.
BK7/K9 biedt uitstekende optische prestaties, maar is gevoeliger voor krassen. In een schoon optisch instrument is dit wellicht geen probleem. In een fabriek, scanner, sensor, hogedrukkamer, chemische reactor of buitensysteem kan oppervlaktebeschadiging na verloop van tijd de doorlaatbaarheid verminderen en de verstrooiing vergroten.
Kies voor saffierglas wanneer het raam uitkijkt op:
- Regelmatig afvegen of schoonmaken
- Schurende deeltjes
- Mechanisch contact
- Ruwe industriële omgevingen
- Blootstelling in de buitenlucht
- Snel bewegende deeltjes of spatten
- Vereisten voor langdurig gebruik
Kies BK7/K9 wanneer het venster in een optisch instrument is ingebouwd en de kosten of de optische beschikbaarheid belangrijker zijn dan de slijtvastheid.
9. Thermische stabiliteit en gebruik bij hoge temperaturen
Saffier is veel geschikter voor optische vensters bij hoge temperaturen dan BK7/K9-glas. Saffier wordt gebruikt in veeleisende omgevingen omdat het een hoge optische doorlaatbaarheid combineert met uitstekende thermische, mechanische en chemische eigenschappen.
BK7 en K9 zijn geschikter voor optische systemen bij normale temperaturen. Ze zijn niet de eerste keuze voor hoge-temperatuurovens, verbrandingsmonitoring, plasma-apparatuur of toepassingen waarbij thermische cycli voorkomen. Als het systeem snelle opwarming en afkoeling omvat, moeten kopers ook rekening houden met thermische uitzetting, montagespanning en het ontwerp van de afdichting.
Bij thermische omgevingen mag de materiaalkeuze niet uitsluitend op transparantie worden gebaseerd. De volledige raamconstructie moet worden beoordeeld, met inbegrip van:
- Dikte van het raam
- Vrije opening
- Montagemethode
- Materiaal van de afdichting
- Verschil in thermische uitzetting
- Oppervlaktekwaliteit
- Afschuining aan de rand
- Snelheid van de temperatuurwisselingen
Saffier is beter bestand tegen extreme temperatuuromstandigheden, maar een slecht ontwerp van de bevestiging kan toch spanning en scheurvorming veroorzaken.
10. Chemische en milieubestendigheid
Bij toepassingen op het gebied van chemie, vacuümtechniek, plasma, scheepvaart, geneeskunde, halfgeleiders of buitentoepassingen kan de bestendigheid tegen omgevingsinvloeden belangrijker zijn dan de optische transmissie op zich.
Saffier is zeer goed bestand tegen corrosie en slijtage, en wordt daarom vaak gebruikt voor meet- en kijkvensters in veeleisende industriële omgevingen. BK7/K9-glas presteert goed in gewone optische systemen, maar is minder geschikt bij blootstelling aan agressieve chemicaliën, erosie door deeltjes, plasma-aanval of herhaaldelijke agressieve reiniging.
Sapphire is een optie voor:
- Kijkvensters voor chemische reactoren
- Ramen voor vacuümkamers
- Observatie van plasmaprocessen
- Hogedrukgassystemen
- Optische sensoren voor buitengebruik
- Medische omgevingen of sterilisatieomgevingen
- Halfgeleiderapparatuur
- Agressieve reinigingsprocessen
BK7/K9 is geschikter voor:
- Optische laboratoriumtafels
- Camera-optica
- Algemene lenzen en prisma’s
- Beschermde optische vensters
- Voordelige systemen op basis van zichtbaar licht
- Onderwijs- en inspectiemateriaal
11. Moeilijkheidsgraad en kosten van de verwerking
BK7/K9-glas is gemakkelijker te snijden, te slijpen, te polijsten, te coaten en te verwerken tot lenzen of prisma’s. Hierdoor is het geschikt voor kostengevoelige optische systemen en complexe optische vormen.
Saffier is veel harder en moeilijker te bewerken. Het snijden, slijpen, lappen, polijsten, boren, afschuinen en coaten van saffier vergt doorgaans meer tijd, geavanceerdere apparatuur en een strengere procescontrole. Daarom zijn saffiervensters doorgaans duurder dan BK7/K9-glasvensters.
De kosten moeten worden beoordeeld op basis van de totale systeemprestaties, en niet alleen op basis van de eenheidsprijs. Als BK7/K9 vaak moet worden vervangen vanwege krassen, hitteschade of chemische aantasting, kan saffier de onderhoudskosten op de lange termijn verlagen. Maar als het gaat om een optisch instrument dat in een schone binnenomgeving wordt gebruikt, is BK7/K9 wellicht de verstandigere keuze.
12. Welk materiaal moet je kiezen?
Kies voor Sapphire wanneer:
- Het raam wordt blootgesteld aan slijtage of moet vaak worden schoongemaakt.
- Het systeem maakt gebruik van hoge temperaturen of thermische cycli.
- Het venster wordt gebruikt in omgevingen met druk, vacuüm, gas of chemische stoffen.
- De toepassing vereist optische toegang van UV naar IR.
- Het raam moet krasbestendig zijn om langdurig te kunnen worden gebruikt.
- Het optische onderdeel maakt deel uit van een sensor voor gebruik in zware omstandigheden.
- Het venster wordt gebruikt in halfgeleider-, lucht- en ruimtevaart-, defensie-, laser- of industriële apparatuur.
- Vervanging is lastig of stilstand kost veel geld.
Kies voor BK7/K9-glas wanneer:
- Het systeem werkt voornamelijk in het zichtbare spectrum.
- Het optische onderdeel wordt binnenin het instrument beschermd.
- Kostenbeheersing is belangrijk.
- Het onderdeel is een lens, een prisma, een spiegelondergrond of een algemeen venster.
- De omgeving is schoon en stabiel.
- Een hoge hardheid en hittebestendigheid zijn niet vereist.
- Snel prototypen en eenvoudige productie zijn belangrijk.
13. Typische toepassingsvoorbeelden
| Toepassing | Betere materiaalkeuze | Reden |
| Camera-lenselement | BK7/K9 | Goede optische prestaties en kostenbeheersing |
| Optisch venster voor laboratoria | BK7/K9 | Gemakkelijk te verkrijgen en te verwerken |
| Laserbeschermingsvenster in een veeleisende omgeving | Saffier | Betere hardheid en duurzaamheid |
| Kijkvenster van de oven | Saffier | Betere hittebestendigheid |
| Kijkvenster van de vacuümkamer | Saffier | Betere mechanische en chemische eigenschappen |
| Afdekking voor buitensensor | Saffier | Betere kras- en weersbestendigheid |
| Voordelig venster voor visuele inspectie | BK7/K9 | Voordelig en toereikend |
| Procesvenster voor halfgeleiders | Saffier | Betere bestendigheid tegen plasma, hitte en reiniging |
| Algemeen prisma | BK7/K9 | Eenvoudigere verwerking en stabiel optisch ontwerp |
| Optisch venster voor hogedrukgas | Saffier | Betere mechanische sterkte en veiligheidsmarge |
14. Checklist voor kopers vóór het plaatsen van een bestelling
Alvorens te kiezen voor saffierglas, BK7-glas of K9-glas, dienen kopers het volgende te controleren:
| Vereiste | Waarom dit belangrijk is |
| Golflengtebereik | Bepaalt de optische transmissie en het ontwerp van de coating |
| Bedrijfstemperatuur | Bepaalt de vereisten inzake thermische stabiliteit |
| Blootstelling aan chemische stoffen | Bepaalt de eisen inzake corrosiebestendigheid |
| Druk of vacuüm | Bepaalt de dikte en het afdichtingsontwerp |
| Risico op slijtage | Bepaalt de vereiste hardheid |
| Optische nauwkeurigheid | Bepaalt de vlakheid, de paralleliteit en de vereisten voor het golffront |
| Polarisatiegevoeligheid | Belangrijk voor de oriëntatie van saffier |
| Oppervlaktekwaliteit | Heeft invloed op verstrooiing, beeldvorming en laserveiligheid |
| Coating | Verbetert de transmissie bij de doelgolflengte |
| Aantal en budget | Heeft invloed op de materiaal- en bewerkingskeuze |
| Moeilijkheidsgraad van vervanging | Helpt bij het vergelijken van de aanschafkosten en de kosten over de gehele levensduur |
Conclusie
Saffier, BK7 en K9-glas zijn allemaal bruikbare optische materialen, maar ze zijn niet in elk optisch systeem onderling uitwisselbaar.
BK7- en K9-glas zijn uitstekende keuzes voor algemene optische systemen, met name wanneer kosten, beschikbaarheid, doorlaatbaarheid van zichtbaar licht en eenvoudige verwerking van belang zijn. Ze worden op grote schaal gebruikt voor lenzen, prisma’s, vensters en optische componenten voor laboratoriumtoepassingen.
Saffier is de betere keuze wanneer het optische venster bestand moet zijn tegen zware bedrijfsomstandigheden. Dankzij de hoge hardheid, krasbestendigheid, chemische stabiliteit, hittebestendigheid en brede optische doorlaatbaarheid is het geschikt voor druksystemen, vacuümkijkvensters, industriële sensoren, halfgeleiderapparatuur, laservensters en beschermende optische onderdelen voor buitengebruik.
Voor kopers hangt de beste keuze af van de daadwerkelijke toepassing. Als het venster alleen zichtbaar licht moet doorlaten in een schone en beschermde omgeving, is BK7/K9 vaak voldoende. Als het venster het systeem moet beschermen tegen hitte, druk, slijtage, chemicaliën, plasma of herhaaldelijk reinigen, is saffier doorgaans het veiligere materiaal op de lange termijn.
FAQ
1. Is K9-glas hetzelfde als BK7?
K9 of H-K9L wordt vaak gebruikt als een optisch kroonglas dat gelijkwaardig is aan BK7, met name in de Chinese optische industrie. Kopers dienen echter de exacte kwaliteit en het gegevensblad te controleren, aangezien de term “K9” in inkoopgesprekken in brede zin kan worden gebruikt.
2. Is saffier beter dan BK7-glas?
Saffier is beter wat betreft hardheid, krasbestendigheid, gebruik bij hoge temperaturen, chemische bestendigheid en zware omgevingsomstandigheden. BK7 is beter voor kostengevoelige algemene optische systemen, lenzen, prisma’s en beschermde toepassingen in het zichtbare lichtspectrum.
3. Heeft saffier een betere optische doorlaatbaarheid dan BK7?
Dat hangt af van de golflengte en de toepassing. BK7 presteert uitstekend in veel systemen die gebruikmaken van zichtbaar licht. Saffier is geschikter wanneer een breder spectrum van UV tot IR vereist is of wanneer het materiaal bestand moet zijn tegen zware omgevingsomstandigheden.
4. Waarom is saffier duurder dan BK7/K9-glas?
Saffier is veel harder en moeilijker te snijden, slijpen, polijsten, boren en coaten. Zowel de materiaalkosten als de verwerkingskosten liggen hoger dan bij gewoon optisch kroonglas.
5. Kan BK7/K9 saffiervensters vervangen?
BK7/K9 kan saffier alleen vervangen wanneer de toepassing geen hoge hardheid, hittebestendigheid, chemische bestendigheid, drukbestendigheid of duurzaamheid in zware omstandigheden vereist. Voor veeleisende industriële systemen is saffier doorgaans een veiligere keuze.