Kính quang điện tử là một phạm trù kính quang học được thiết kế chính xác được thiết kế và sản xuất đặc biệt để tương tác có thể kiểm soát được với ánh sáng trong các hệ thống điện tử . Nó đóng vai trò là vật liệu giao diện quang học trong các thiết bị phát ra, phát hiện, truyền, điều chế hoặc chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện - hoặc ngược lại. Không giống như thủy tinh phẳng tiêu chuẩn hoặc thủy tinh borosilicat, thủy tinh quang điện tử được thiết kế theo các thông số kỹ thuật chính xác về chiết suất, phổ truyền, độ phẳng bề mặt, tính đồng nhất bên trong và khả năng lưỡng chiết, cho phép nó hoạt động như một thành phần quang học chủ động hoặc thụ động trong các thiết bị như bộ tách sóng quang, điốt laser, đèn LED, pin mặt trời, cảm biến quang học, hệ thống hình ảnh và các thành phần sợi quang. Đặc điểm xác định đó là bản thân kính phải thực hiện chức năng quang học xác định với độ chính xác định lượng , không chỉ đơn thuần phục vụ như một cửa sổ trong suốt hoặc cấu trúc bao quanh.
Các đặc tính quang học cốt lõi xác định kính quang điện tử
Các đặc tính giúp phân biệt kính quang điện tử với kính tiêu chuẩn được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình sản xuất và được xác minh bằng phép đo trước khi sử dụng. Các thuộc tính này xác định sự phù hợp cho từng ứng dụng.
Chỉ số khúc xạ và sự phân tán
Chỉ số khúc xạ (n) xác định mức độ bẻ cong ánh sáng của kính khi nó đi vào và thoát ra khỏi vật liệu - tính chất cơ bản chi phối việc hội tụ, chuẩn trực và định hình chùm tia. Kính quang điện tử được chế tạo để đạt được các chỉ số khúc xạ từ n = 1,45 (kính silica chiết suất thấp) để n = 2,0 trở lên (chalcogenide chỉ số cao và kính đá lửa nặng) , với sự nhất quán của ±0,0001 hoặc cao hơn trên đểàn lô sản xuất. Số Abbe (Vd) - mô tả sự tán sắc màu hoặc mức chiết suất thay đổi theo bước sóng - được điều khiển theo các giá trị từ Vd = 20 (kính đá lửa có độ phân tán cao) đến Vd = 80 (kính vương miện có độ phân tán thấp) , tùy thuộc vào việc ứng dụng yêu cầu hiệu chỉnh sắc nét hay hành vi chọn lọc bước sóng.
Phổ truyền
Các ứng dụng quang điện tử khác nhau hoạt động ở các bước sóng khác nhau và kính phải trong suốt - với hệ số truyền bên trong ở trên 90–99% cho bước sóng ứng dụng — đồng thời có khả năng chặn các bước sóng không mong muốn. Kính quang học tiêu chuẩn truyền tốt từ khoảng 350 nm (gần tia cực tím) đến 2.500 nm (hồng ngoại giữa) . Kính chuyên dụng mở rộng phạm vi này: silica nung chảy truyền tia cực tím truyền các bước sóng xuống 150nm , trong khi kính chalcogenide truyền ở vùng hồng ngoại trung và xa từ 1 µm đến 12 µm hoặc hơn cho các ứng dụng cảm biến hình ảnh nhiệt và hồng ngoại.
Độ phẳng bề mặt và chất lượng bề mặt
Độ phẳng bề mặt — được đo bằng phân số của bước sóng ánh sáng — và chất lượng bề mặt (không có vết trầy xước, vết đào và hư hỏng dưới bề mặt) ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất quang học. Kính quang điện tử được đánh bóng đạt tiêu chuẩn độ phẳng của λ/4 đến λ/20 (trong đó λ = 633 nm), tương ứng với độ lệch bề mặt của 158nm đến 32nm từ một mặt phẳng hoàn hảo. Chất lượng bề mặt được chỉ định bằng cách sử dụng ký hiệu cào-đào (ví dụ: 60-40, 20-10, 10-5), trong đó các số thấp hơn biểu thị các khuyết tật bề mặt ít hơn và nhỏ hơn.
Nội dung đồng nhất nội bộ và bong bóng/bao gồm
Sự thay đổi chỉ số khúc xạ trên thể tích của thủy tinh (không đồng nhất) gây ra biến dạng mặt sóng làm giảm hiệu suất quang học. Kính quang điện tử cao cấp đạt được sự đồng nhất về chiết suất của ±1 × 10⁻⁶ hoặc cao hơn qua khẩu độ. Bong bóng và tạp chất (các hạt rắn bị giữ lại trong thủy tinh trong quá trình nấu chảy) được định lượng bằng tổng diện tích mặt cắt trên 100 cm³ thể tích thủy tinh và phải nằm dưới giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn quốc tế như cấp danh mục thủy tinh ISO 10110 hoặc SCHOTT.
Các loại kính quang điện tử chính và thành phần của chúng
Kính quang điện tử bao gồm một số họ vật liệu riêng biệt, mỗi họ phù hợp với phạm vi bước sóng và yêu cầu hiệu suất khác nhau.
| Loại kính | Thành phần cơ bản | Phạm vi truyền | Phạm vi chỉ số khúc xạ | Ứng dụng chính |
|---|---|---|---|---|
| Silica nung chảy (tổng hợp) | SiO₂ nguyên chất | 150nm – 3.5 µm | n ≈ 1,46 | Laser UV, quang khắc UV sâu, sợi quang |
| Kính vương miện (loại BK7) | SiO₂–B₂O₃–K₂O | 350nm – 2,5 µm | n ≈ 1,52 | Quang học thông thường, thấu kính, cửa sổ, bộ tách chùm tia |
| Kính đá lửa | SiO₂–PbO hoặc SiO₂–TiO₂–BaO | 380nm – 2,2 µm | n = 1,60–1,90 | Quang học chiết suất cao, cặp đôi tiêu sắc, lăng kính |
| Thủy tinh Chalcogenua | As–S, Ge–As–Se, Ge–Sb–Te | 1 µm – 12 µm (hồng ngoại) | n = 2,4–3,5 | Hình ảnh nhiệt, cảm biến hồng ngoại, tầm nhìn ban đêm |
| Thủy tinh florua (ZBLAN) | ZrF₄–BaF₂–LaF₃–AlF₃–NaF | 300nm – 8 µm | n ≈ 1,50 | Sợi quang tầm trung IR, phân phối laser y tế |
| Thủy tinh photphat | Dựa trên P₂O₅ với chất khử đất hiếm | 300nm – 3 µm | n = 1,48–1,56 | Bộ khuếch đại sợi quang (pha tạp Er), laser trạng thái rắn |
Cách sử dụng kính quang điện tử trong các danh mục thiết bị chính
Bộ tách sóng quang và cảm biến quang học
Trong bộ tách sóng quang - thiết bị chuyển đổi cường độ ánh sáng thành dòng điện - kính quang điện tử đóng vai trò như cửa sổ bảo vệ và bộ lọc quang học phía trước phần tử cảm biến bán dẫn. Kính phải truyền bước sóng mục tiêu với mức độ phản xạ và mất hấp thụ tối thiểu đồng thời chặn các bước sóng có thể gây ra tín hiệu sai hoặc làm hỏng máy dò. Lớp phủ chống phản chiếu được áp dụng cho cả hai bề mặt của kính cửa sổ giúp giảm tổn thất phản xạ từ khoảng 4% trên mỗi bề mặt (không tráng phủ) để ít hơn 0,1% trên mỗi bề mặt , tối đa hóa phần ánh sáng tới tới máy dò.
Linh kiện Laser và LED
Các gói diode laser và mô-đun LED công suất cao sử dụng kính quang điện tử làm cửa sổ đầu ra, thấu kính định hình chùm tia và các bộ phận chuẩn trực. Kính phải chịu được mật độ dòng photon cao - có khả năng megawatt trên cm2 trong các ứng dụng laser xung - không bị hư hỏng do tia laser (LID), nứt do nhiệt hoặc tối màu do ánh sáng. Silica nung chảy và kính quang học chọn lọc được ưu tiên sử dụng cho các ứng dụng laser công suất cao do ngưỡng phá hủy laser cao và độ hấp thụ thấp ở bước sóng laser.
Các thành phần sợi quang và ống dẫn sóng
Sợi quang - phương tiện truyền dẫn chính cho các kết nối viễn thông và trung tâm dữ liệu - bản thân nó là một dạng kính quang điện tử chuyên dụng: một sợi silica được kéo chính xác với chiết suất lõi cao hơn một chút so với lớp bọc, dẫn ánh sáng bằng phản xạ toàn phần trong khoảng cách hàng trăm km với tổn thất thấp tới 0,15 dB/km ở bước sóng 1.550 nm. Các yêu cầu khắt khe về độ tinh khiết đối với sợi viễn thông - hàm lượng ion hydroxyl (OH) dưới đây 1 phần tỷ trong các loại sợi có lượng nước cực đại thấp — minh họa độ chính xác mà kính quang điện tử được chế tạo.
Kính che pin mặt trời và quang học tập trung
Sử dụng pin mặt trời quang điện kính quang điện tử vừa là lớp vỏ bọc bảo vệ, vừa là các hệ thống quang điện tập trung (CPV), vừa là bộ tập trung quang học chính xác tập trung ánh sáng mặt trời vào các tế bào đa tiếp giáp nhỏ, hiệu suất cao. Kính che nắng phải kết hợp hệ số truyền nắng cao (trên 91–92% trên quang phổ mặt trời 300–1.200 nm), hàm lượng sắt thấp để giảm thiểu sự hấp thụ và kết cấu hoặc lớp phủ chống phản chiếu để giảm phản xạ bề mặt - trong khi vẫn duy trì các đặc tính quang học này trong một thời gian dài. Tuổi thọ sử dụng ngoài trời 25–30 năm .
Hệ thống hiển thị và hình ảnh
Kính che phủ và các thành phần ngăn xếp quang học của màn hình điện thoại thông minh, mô-đun máy ảnh, màn hình phẳng và hệ thống chiếu đều nằm trong kính quang điện tử. Các thành phần ống kính máy ảnh sử dụng kính quang học được đúc chính xác với chỉ số khúc xạ và độ phân tán được kiểm soát chặt chẽ để đạt được độ phân giải hình ảnh, hiệu chỉnh màu sắc và độ nhạy sáng yếu theo yêu cầu. Các mô-đun máy ảnh điện thoại thông minh hiện nay thường bao gồm 5–8 thành phần thấu kính thủy tinh riêng lẻ cho mỗi hệ thống quang học, mỗi hệ thống được đúc hoặc mài với độ chính xác dưới micron.
Quy trình sản xuất xác định chất lượng quang học của kính
Chất lượng quang học của kính quang điện tử được xác định chủ yếu trong giai đoạn nấu chảy và tạo hình của quá trình sản xuất, với các quy trình gia công nguội tiếp theo sẽ tinh chỉnh các đặc tính bề mặt nhưng không thể sửa chữa các khuyết tật cơ bản về khối lượng.
- Nấu chảy và đồng nhất chính xác - độ tinh khiết của lô nguyên liệu thô và kiểm soát nhiệt độ nóng chảy là rất quan trọng. Ngay cả hàm lượng vết sắt (Fe²⁺/Fe³⁺) ở mức phần triệu cũng tạo ra các dải hấp thụ trong vùng khả kiến và cận hồng ngoại, làm giảm khả năng truyền qua. Bình nấu chảy có lớp lót bạch kim được sử dụng cho kính quang học cao cấp để ngăn ngừa ô nhiễm từ vật liệu nồi nấu kim loại chịu lửa.
- Ủ có kiểm soát - làm nguội chậm, được kiểm soát chính xác (ủ) sau khi hình thành làm giảm các ứng suất bên trong có thể gây ra hiện tượng lưỡng chiết - sự phân chia các trạng thái phân cực làm suy giảm sự kết hợp của chùm tia laser và làm giảm độ chính xác của cảm biến phân cực. Tốc độ ủ cho kính quang học cao cấp thường là 1–5°C mỗi giờ trong khoảng nhiệt độ chuyển thủy tinh.
- Mài và đánh bóng chính xác - các bề mặt quang học được mài dần bằng chất mài mòn mịn hơn, sau đó được đánh bóng đến độ nhám và độ phẳng bề mặt cần thiết bằng cách sử dụng các dụng cụ đánh bóng bằng nhựa hoặc polyurethane có áp suất được kiểm soát và chuyển động tương đối. Độ nhám bề mặt đối với các bề mặt quang học chất lượng cao thường Ra < 1nm - độ mịn ở quy mô nguyên tử.
- Chống phản chiếu và lắng đọng lớp phủ chức năng — lắng đọng hơi vật lý (PVD) và phún xạ chùm ion được sử dụng để phủ các lớp phủ màng mỏng một lớp hoặc nhiều lớp giúp thay đổi độ phản xạ bề mặt, bổ sung tính năng lọc chọn lọc bước sóng hoặc bảo vệ môi trường. Lớp phủ chống phản chiếu băng thông rộng tiêu chuẩn trên kính quang điện tử bao gồm 4–8 lớp chỉ số cao và thấp xen kẽ với tổng độ dày dưới 1 µm.
Kính quang điện tử và Kính tiêu chuẩn: Sự khác biệt chính
| Tài sản | Kính quang điện tử | Kính nổi tiêu chuẩn |
|---|---|---|
| Kiểm soát chỉ số khúc xạ | ±0,0001 hoặc cao hơn per batch | Không được kiểm soát độ chính xác |
| Truyền nội bộ | >99% mỗi cm ở bước sóng thiết kế | 85–90% (giới hạn hấp thụ sắt) |
| Độ phẳng bề mặt | λ/4 đến λ/20 (polished) | Nhiều bước sóng - không phẳng về mặt quang học |
| Tính đồng nhất | Δn ≤ ±1 × 10⁻⁶ trên khẩu độ | Hiện tại có sự thay đổi chỉ số đáng kể |
| lưỡng chiết | <2–5 nm/cm (ủ) | Cao - có ứng suất nhiệt dư |
| Nội dung bong bóng và bao gồm | Được chỉ định nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn ISO 10110 | Không được chỉ định |
| Phạm vi bước sóng có sẵn | 150nm to 12 µm (grade dependent) | ~380 nm – 2,5 µm (chỉ hiển thị với hồng ngoại gần) |
| Chi phí | Yêu cầu sản xuất có độ chính xác cao | Thấp - sản xuất hàng hóa |
