กระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เป็นหมวดหมู่ของ แก้วแสงที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมอย่างแม่นยำสูตรและผลิตขึ้นโดยเฉพาะเพื่อให้โต้ตอบกับแสงที่ควบคุมได้ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ . โดยทำหน้าที่เป็นวัสดุเชื่อมต่อแบบออปติกในอุปกรณ์ที่ปล่อย ตรวจจับ ส่ง ปรับ หรือแปลงแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า หรือในทางกลับกัน กระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ต่างจากกระจกแบนมาตรฐานหรือแก้วบอโรซิลิเกต กระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมตามข้อกำหนดเฉพาะที่แม่นยำสำหรับดัชนีการหักเหของแสง สเปกตรัมการส่งผ่าน ความเรียบของพื้นผิว ความสม่ำเสมอภายใน และการรีฟริงเจนซ์ ทำให้สามารถทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบทางแสงแบบแอคทีฟหรือพาสซีฟภายในอุปกรณ์ เช่น เครื่องตรวจจับแสง เลเซอร์ไดโอด ไฟ LED เซลล์แสงอาทิตย์ เซ็นเซอร์ออปติคัล ระบบสร้างภาพ และส่วนประกอบใยแก้วนำแสง ลักษณะที่กำหนดก็คือ ตัวกระจกเองจะต้องทำหน้าที่ด้านแสงตามที่กำหนดด้วยความแม่นยำเชิงปริมาณ ไม่เพียงแต่ทำหน้าที่เป็นหน้าต่างโปร่งใสหรือตู้โครงสร้างเท่านั้น
คุณสมบัติทางแสงหลักที่กำหนดกระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์
คุณสมบัติที่ทำให้กระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์แตกต่างจากกระจกมาตรฐานได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดในระหว่างการผลิตและตรวจสอบโดยการวัดก่อนใช้งาน คุณสมบัติเหล่านี้จะกำหนดความเหมาะสมสำหรับแต่ละการใช้งาน
ดัชนีการหักเหของแสงและการกระจายตัว
ดัชนีการหักเหของแสง (n) จะกำหนดว่ากระจกโค้งงอแสงมากน้อยเพียงใดเมื่อเข้าและออกจากวัสดุ ซึ่งเป็นคุณสมบัติพื้นฐานที่ควบคุมการโฟกัส การคอลลิเมชัน และการสร้างลำแสง แก้วออปโตอิเล็กทรอนิกส์ได้รับการคิดค้นขึ้นเพื่อให้ได้ดัชนีการหักเหของแสงตั้งแต่ n = 1.45 (แก้วซิลิกาดัชนีต่ำ) ถึง n = 2.0 และสูงกว่า (ชาโคเจนไนด์ดัชนีสูงและแก้วหินเหล็กไฟหนัก) ด้วยความสม่ำเสมอของ ±0.0001 หรือดีกว่า ทั่วทั้งชุดการผลิต เลขแอบบี (Vd) ซึ่งอธิบายการกระจายตัวของสี หรือค่าดัชนีการหักเหของแสงแปรผันตามความยาวคลื่นมากน้อยเพียงใด จะถูกควบคุมเป็นค่าจาก Vd = 20 (กระจกหินเหล็กไฟการกระจายตัวสูง) ถึง Vd = 80 (กระจกมงกุฎการกระจายตัวต่ำ) ขึ้นอยู่กับว่าแอปพลิเคชันต้องการการแก้ไขแบบไม่มีสีหรือพฤติกรรมการเลือกความยาวคลื่น
สเปกตรัมการส่งผ่าน
การใช้งานออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างกันทำงานที่ความยาวคลื่นต่างกัน และกระจกจะต้องโปร่งใส — โดยมีการส่งผ่านภายในด้านบน 90–99% สำหรับความยาวคลื่นในการใช้งาน — ในขณะที่อาจปิดกั้นความยาวคลื่นที่ไม่ต้องการได้ กระจกออพติคอลมาตรฐานสามารถส่งผ่านได้ดีจากประมาณ 350 นาโนเมตร (ใกล้ UV) ถึง 2,500 นาโนเมตร (อินฟราเรดกลาง) . แว่นตาชนิดพิเศษขยายขอบเขตนี้: ซิลิกาหลอมที่ส่งผ่านรังสียูวีจะผ่านความยาวคลื่นลงไป 150 นาโนเมตร ในขณะที่แก้วชาลโคเจนไนด์ส่งผ่านในช่วงกลางและอินฟราเรดไกล 1 µm ถึง 12 µm หรือมากกว่า สำหรับการถ่ายภาพความร้อนและการใช้งานเซ็นเซอร์อินฟราเรด
ความเรียบของพื้นผิวและคุณภาพพื้นผิว
ความเรียบของพื้นผิว — วัดเป็นเศษส่วนของความยาวคลื่นของแสง — และคุณภาพพื้นผิว (การไม่มีรอยขีดข่วน รอยขุด และความเสียหายใต้พื้นผิว) ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการมองเห็น กระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ได้รับการขัดเงาตามข้อกำหนดความเรียบของ แลมบ์ดา/4 ถึง แลมบ์ดา/20 (โดยที่ แล = 633 นาโนเมตร) ซึ่งสอดคล้องกับการเบี่ยงเบนพื้นผิวของ 158 นาโนเมตรถึง 32 นาโนเมตร จากเครื่องบินที่สมบูรณ์แบบ การระบุคุณภาพพื้นผิวโดยใช้เครื่องหมายขูด (เช่น 60-40, 20-10, 10-5) โดยตัวเลขที่ต่ำกว่าหมายถึงข้อบกพร่องที่พื้นผิวน้อยลงและน้อยลง
ความสม่ำเสมอภายในและเนื้อหาฟอง/การรวม
ความแปรผันของดัชนีการหักเหของแสงในปริมาตรของกระจก (ความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน) ทำให้เกิดการบิดเบี้ยวของหน้าคลื่นซึ่งทำให้ประสิทธิภาพด้านการมองเห็นลดลง กระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ระดับพรีเมี่ยมช่วยให้ดัชนีการหักเหของแสงมีความสม่ำเสมอ ±1 × 10⁻⁶ หรือดีกว่า ข้ามรูรับแสง ฟองอากาศและสิ่งที่เจือปน (อนุภาคของแข็งที่ติดอยู่ในแก้วระหว่างการหลอมละลาย) จะถูกวัดปริมาณด้วยพื้นที่หน้าตัดทั้งหมดต่อปริมาตรแก้ว 100 ซม. และต้องต่ำกว่าขีดจำกัดที่กำหนดโดยมาตรฐานสากล เช่น ISO 10110 หรือเกรดแค็ตตาล็อกแก้ว SCHOTT
ประเภทหลักของกระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์และองค์ประกอบ
กระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ครอบคลุมกลุ่มวัสดุที่แตกต่างกันหลายกลุ่ม แต่ละกลุ่มเหมาะสมกับช่วงความยาวคลื่นและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน
| ประเภทกระจก | องค์ประกอบฐาน | ช่วงการส่งข้อมูล | ช่วงดัชนีการหักเหของแสง | แอปพลิเคชันที่สำคัญ |
|---|---|---|---|---|
| ซิลิกาผสม (สังเคราะห์) | SiO₂ บริสุทธิ์ | 150 นาโนเมตร – 3.5 µm | n µs 1.46 | เลเซอร์ยูวี, การพิมพ์หินด้วยแสงยูวีลึก, ไฟเบอร์ออปติก |
| กระจกคราวน์ (แบบ BK7) | SiO₂–B₂O₃–K₂O | 350 นาโนเมตร – 2.5 ไมโครเมตร | n µ 1.52 | เลนส์ทั่วไป เลนส์ หน้าต่าง ตัวแยกลำแสง |
| แก้วฟลินท์ | SiO₂–PbO หรือ SiO₂–TiO₂–BaO | 380 นาโนเมตร – 2.2 ไมโครเมตร | n = 1.60–1.90 | เลนส์ดัชนีสูง, ดับเบิ้ลไม่มีสี, ปริซึม |
| แก้วชาลโคจิไนด์ | As–S, Ge–As–Se, Ge–Sb–Te | 1 µm – 12 µm (อินฟราเรด) | n = 2.4–3.5 | การถ่ายภาพความร้อน เซ็นเซอร์อินฟราเรด การมองเห็นตอนกลางคืน |
| กระจกฟลูออไรด์ (ZBLAN) | ZrF₄–BaF₂–LaF₃–AlF₃–NaF | 300 นาโนเมตร – 8 ไมโครเมตร | น µ 1.50 | ใยแก้วนำแสงกลาง IR, การส่งเลเซอร์ทางการแพทย์ |
| แก้วฟอสเฟต | มี P₂O₅ เป็นส่วนประกอบหลักโดยมีสารเจือปนของธาตุหายาก | 300 นาโนเมตร – 3 ไมโครเมตร | n = 1.48–1.56 | เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ (Er-doped) เลเซอร์โซลิดสเตต |
วิธีใช้กระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในหมวดหมู่อุปกรณ์หลัก
เครื่องตรวจจับแสงและเซ็นเซอร์ออปติคัล
ในเครื่องตรวจจับแสง — อุปกรณ์ที่แปลงความเข้มของแสงเป็นกระแสไฟฟ้า — กระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ทำหน้าที่เป็นหน้าต่างป้องกันและตัวกรองแสงที่ด้านหน้าองค์ประกอบการตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์ กระจกจะต้องส่งความยาวคลื่นเป้าหมายโดยมีการสะท้อนและการสูญเสียการดูดกลืนแสงน้อยที่สุด ในขณะเดียวกันก็ปิดกั้นความยาวคลื่นที่จะทำให้เกิดสัญญาณผิดพลาดหรือทำให้เครื่องตรวจจับเสียหาย การเคลือบป้องกันแสงสะท้อนที่ใช้กับพื้นผิวทั้งสองของกระจกหน้าต่างช่วยลดการสูญเสียการสะท้อนโดยประมาณ 4% ต่อพื้นผิว (ไม่เคลือบผิว) ถึง น้อยกว่า 0.1% ต่อพื้นผิว , เพิ่มสัดส่วนของแสงตกกระทบที่มาถึงเครื่องตรวจจับให้สูงสุด
ส่วนประกอบเลเซอร์และ LED
แพ็คเกจเลเซอร์ไดโอดและโมดูล LED กำลังสูงใช้แก้วออปโตอิเล็กทรอนิกส์เป็นหน้าต่างเอาท์พุต เลนส์ปรับรูปร่างลำแสง และองค์ประกอบปรับแนวแสง แก้วจะต้องทนทานต่อความหนาแน่นของโฟตอนฟลักซ์ที่สูงได้ เมกะวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ในการใช้งานเลเซอร์แบบพัลซิ่ง โดยปราศจากความเสียหายที่เกิดจากเลเซอร์ (LID) การแตกหักเนื่องจากความร้อน หรือแสงมืดลง ซิลิกาผสมและแก้วมงกุฎแบบออปติคัลที่เลือกไว้เป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานเลเซอร์กำลังสูง เนื่องจากมีเกณฑ์ความเสียหายของเลเซอร์ที่สูงและการดูดซับที่ความยาวคลื่นเลเซอร์ต่ำ
ส่วนประกอบใยแก้วนำแสงและท่อนำคลื่น
ใยแก้วนำแสง - สื่อการส่งผ่านหลักสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างโทรคมนาคมและศูนย์ข้อมูล - เป็นรูปแบบพิเศษของแก้วออปโตอิเล็กทรอนิกส์: เส้นใยซิลิกาที่ดึงออกมาอย่างแม่นยำพร้อมดัชนีการหักเหของแกนกลางที่สูงกว่าแผ่นหุ้มเล็กน้อย ซึ่งนำทางแสงด้วยการสะท้อนภายในรวมในระยะทางหลายร้อยกิโลเมตรด้วย ความสูญเสียต่ำเพียง 0.15 เดซิเบล/กม ที่ความยาวคลื่น 1,550 นาโนเมตร ข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์อันเข้มงวดสำหรับเส้นใยโทรคมนาคม — มีไอออนไฮดรอกซิล (OH) อยู่ด้านล่าง 1 ส่วนต่อพันล้าน ในเกรดไฟเบอร์ที่มีระดับน้ำต่ำ — แสดงให้เห็นถึงความแม่นยำในการออกแบบแก้วออปโตอิเล็กทรอนิกส์
กระจกครอบเซลล์แสงอาทิตย์และเลนส์เข้มข้น
การใช้เซลล์แสงอาทิตย์แบบโฟโตโวลตาอิก กระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เป็นทั้งฝาครอบป้องกันและในระบบเซลล์แสงอาทิตย์แบบรวมศูนย์ (CPV) เป็นหัวรวมแสงที่มีความแม่นยำซึ่งเน้นแสงแดดไปยังเซลล์หลายทางแยกขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพสูง กระจกบังแดดจะต้องรวมการส่งผ่านแสงอาทิตย์สูง (ด้านบน 91–92% ตลอดสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์ 300–1,200 นาโนเมตร) ปริมาณธาตุเหล็กต่ำเพื่อลดการดูดซับ และการสร้างพื้นผิวหรือการเคลือบป้องกันการสะท้อนเพื่อลดการสะท้อนของพื้นผิว - ในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติทางแสงเหล่านี้ไว้เหนือ อายุการใช้งานกลางแจ้ง 25-30 ปี .
ระบบการแสดงผลและภาพ
กระจกฝาครอบและส่วนประกอบออปติคัลสแต็กของจอแสดงผลสมาร์ทโฟน โมดูลกล้อง จอแบน และระบบการฉายภาพ ล้วนรวมอยู่ในกระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ชิ้นเลนส์กล้องใช้กระจกออพติคอลขึ้นรูปอย่างแม่นยำพร้อมดัชนีการหักเหของแสงและการกระจายตัวที่ควบคุมอย่างเข้มงวด เพื่อให้ได้ความละเอียดของภาพ การแก้ไขสี และความไวแสงน้อยตามที่ต้องการ ปัจจุบันโมดูลกล้องสมาร์ทโฟนรวมอยู่ด้วยเป็นประจำ ชิ้นเลนส์กระจก 5–8 ชิ้น ต่อระบบออพติคอล แต่ละแบบขึ้นรูปหรือกราวด์ให้มีความแม่นยำระดับต่ำกว่าไมครอน
กระบวนการผลิตที่กำหนดคุณภาพเลนส์แก้ว
คุณภาพการมองเห็นของแก้วออปโตอิเล็กทรอนิกส์จะพิจารณาเป็นหลักในระหว่างขั้นตอนการหลอมและการขึ้นรูปของการผลิต จากนั้นกระบวนการทำงานเย็นจะปรับคุณสมบัติของพื้นผิวให้บริสุทธิ์ แต่ไม่สามารถแก้ไขข้อบกพร่องพื้นฐานจำนวนมากได้
- การหลอมเหลวและการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันอย่างแม่นยำ — ความบริสุทธิ์ของชุดวัตถุดิบและการควบคุมอุณหภูมิหลอมเหลวถือเป็นสิ่งสำคัญ แม้แต่ระดับธาตุเหล็ก (Fe²⁺/Fe³⁺) ที่ระดับส่วนต่อล้านก็มีแถบการดูดกลืนแสงในอินฟราเรดที่มองเห็นได้และรังสีอินฟราเรดใกล้ ซึ่งช่วยลดการส่งผ่าน ภาชนะหลอมที่มีเส้นแพลตตินัมใช้สำหรับแก้วสายตาระดับพรีเมียม เพื่อป้องกันการปนเปื้อนจากวัสดุเบ้าหลอมที่ทนไฟ
- ควบคุมการหลอม — การระบายความร้อนที่ช้าและควบคุมอย่างแม่นยำ (การอบอ่อน) หลังจากการขึ้นรูปจะช่วยลดความเครียดภายในที่อาจทำให้เกิดการหักเหของแสงสองทิศทาง — การแยกสถานะโพลาไรซ์ที่ทำให้การเชื่อมโยงกันของลำแสงเลเซอร์ลดลง และลดความแม่นยำของเซ็นเซอร์โพลาริเมทริก โดยทั่วไปอัตราการหลอมสำหรับแก้วแสงระดับพรีเมี่ยม 1–5°C ต่อชั่วโมง ผ่านช่วงอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว
- การบดและขัดที่แม่นยำ — พื้นผิวเชิงแสงจะถูกกราวด์อย่างต่อเนื่องโดยใช้สารกัดกร่อนที่ละเอียดกว่า จากนั้นขัดให้ได้ความหยาบและความเรียบของพื้นผิวที่ต้องการโดยใช้เครื่องมือขัดระดับพิทช์หรือโพลียูรีเทนที่มีแรงกดและการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ที่ควบคุมได้ โดยทั่วไปแล้วความหยาบของพื้นผิวสำหรับพื้นผิวออปติกคุณภาพสูง รา < 1 นาโนเมตร - ความเรียบในระดับอะตอม
- ป้องกันการสะท้อนแสงและการสะสมของสารเคลือบตามหน้าที่ — การสะสมไอทางกายภาพ (PVD) และการสปัตเตอร์ลำแสงไอออนใช้ในการเคลือบฟิล์มบางชั้นเดียวหรือหลายชั้นที่ปรับเปลี่ยนการสะท้อนแสงของพื้นผิว เพิ่มการกรองแบบเลือกความยาวคลื่น หรือให้การปกป้องสิ่งแวดล้อม การเคลือบป้องกันแสงสะท้อนบรอดแบนด์มาตรฐานบนกระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ประกอบด้วย 4–8 ชั้นดัชนีสูงและต่ำสลับกัน โดยมีความหนารวมต่ำกว่า 1 µm
กระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์กับกระจกมาตรฐาน: ความแตกต่างที่สำคัญ
| คุณสมบัติ | กระจกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ | กระจกโฟลตมาตรฐาน |
|---|---|---|
| การควบคุมดัชนีการหักเหของแสง | ±0.0001 หรือดีกว่า per batch | ไม่ได้ถูกควบคุมให้แม่นยำ |
| การส่งผ่านภายใน | >99% ต่อซม. ที่ความยาวคลื่นการออกแบบ | 85–90% (ขีดจำกัดการดูดซึมธาตุเหล็ก) |
| ความเรียบของพื้นผิว | แลมบ์ดา/4 ถึง แลมบ์ดา/20 (polished) | ความยาวคลื่นหลายระดับ — ไม่แบนราบเชิงแสง |
| ความสม่ำเสมอ | Δn ≤ ±1 × 10⁻⁶ ตลอดรูรับแสง | มีการเปลี่ยนแปลงดัชนีที่สำคัญในปัจจุบัน |
| การสะท้อนแสง | <2–5 นาโนเมตร/ซม. (อบอ่อน) | มีความเครียดจากความร้อนตกค้างสูง |
| เนื้อหาบับเบิ้ลและการรวม | ระบุไว้อย่างเคร่งครัดต่อ ISO 10110 | ไม่ระบุ |
| ช่วงความยาวคลื่นที่มีอยู่ | 150 นาโนเมตร to 12 µm (grade dependent) | ~380 นาโนเมตร – 2.5 µm (มองเห็นได้ด้วย IR ใกล้เท่านั้น) |
| ราคา | ต้องมีการผลิตที่มีความแม่นยำสูง | ต่ำ — การผลิตสินค้าโภคภัณฑ์ |
