Comprendre les fenêtres optiques

Comprendre les fenêtres optiques

Les Fenêtres Optiques sont des plaques plates, optiquement transparentes, qui sont généralement conçues pour maximiser la transmission dans une gamme de longueurs d'onde spécifique, tout en minimisant la réflexion et l'absorption. Elles sont souvent utilisées pour protéger les systèmes optiques et les capteurs électroniques d'un environnement extérieur. Comme les fenêtres n'introduisent aucune puissance optique dans un système, elles doivent être choisies en fonction des propriétés de transmission du matériau, des spécifications de la surface optique et des propriétés mécaniques qui correspondent à votre application.

Propriétés du matériau

Les propriétés du matériau, notamment la transmission, l'indice de réfraction et la dureté du substrat de la fenêtre, peuvent être déterminantes pour choisir la fenêtre la mieux adaptée à votre application. La figure ci-dessous met en évidence les zones de transmission des différents matériaux qu'Edmund Optics® propose comme fenêtres.

Figure 1 : Régions de transmission des substrats de fenêtre Edmund Optics®
Figure 1 : Régions de transmission des substrats de fenêtre Edmund Optics®. 

L'indice de réfraction, le nombre d'Abbe, la densité et le coefficient de dilatation thermique sont d'autres propriétés essentielles pour sélectionner la fenêtre appropriée à votre application. Le guide de sélection ci-dessous répertorie les propriétés optiques, mécaniques et thermiques de nos substrats de fenêtres disponibles ainsi que leurs gammes de tailles et d'épaisseurs.

Guide de sélection des fenêtres
Matériau Indice de réfraction $ \small{\left(n_d \right)} $ Nombre d’Abbe $ \small{\left(v_d \right)} $ Densité  $\small{\left[ \tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3}\right]}$ Coefficient de dilatation thermique $ \small{ \left[ \frac{\text{μm}}{ \text{m}^{\text{o}} \text{C}} \right]} $ Température de ramollissement $ \small{\left[ ^{\text{o}} \text{C} \right]} $ Dureté Knoop Gamme de tailles Gammes d’épaisseurs
B270 1,523 58,5 2,55 8,2 533 542 5 - 75 x 75 mm 1,0 - 3,0 mm
Fluorure de baryum (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 1,75 - 6,5 mm
Fluorure de calcium (CaF2) 1,434 95,1 3,18 18,85 800 158,3 5 - 50 mm 1,0 - 3,0 mm
Germanium (Ge) 4,003 sans objet 5,33 6,1 936 780 10 - 75 mm 1,0 - 5,0 mm
Verre Gorilla® 1,509 sans objet 2,44 7,88 843 5100 5 - 200 x 200 mm 1,1 mm
Fluorure de magnésium (MgF2) 1,413 106,2 3,18 13,7 1255 415 5 - 50 mm 1,0 - 3,0 mm
N-BK7 1,517 64,2 2,46 7,1 557 610 5 - 75 x 75 mm 0,2 - 4,0 mm
Bromure de potassium (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 2,5 - 75 mm 0,5 - 3,2 mm
Silicium (Si) 3,422 sans objet 2,33 2,55 1500 1150 10 - 50 mm 1,0 - 3,0 mm
Chlorure de sodium (NaCl) 1,491 42,9 2,17 44 801 18,2 13 - 50 mm 1,0 - 5,0 mm
Silice fondue UV 1,458 67,80 2,20 0,55 1000 500 5 - 50 x 50 mm 1,0 - 5,0 mm
Séléniure de zinc (ZnSe) 2,403 sans objet 5,27 7,1 250 120 10 - 75 mm 1,0 - 6,0 mm
Sulfure de zinc (ZnS) 2,631 sans objet 5,27 7,6 1525 120 12,5 - 50 mm 2,0 - 3,0 mm

Indice de réfraction

L'indice de réfraction est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans un milieu optique, qui décrit comment la lumière ralentit lorsqu'elle traverse le matériau. L'indice de réfraction des verres optiques $ \small{\left( n_d \right)} $ est spécifié à la longueur d'onde de la ligne d'hélium de 587,6 nm. Les verres ayant un faible indice de réfraction sont communément appelés « crowns » et les verres ayant un indice de réfraction élevé sont appelés « flints ».

Nombre d’Abbe

Le nombre d'Abbe $ \small{\left( v_d \right)} $ décrit la dispersion du matériau, ou la variation de l'indice de réfraction en fonction de la longueur d'onde. Il est défini comme $ \frac{\left( n_d -1 \right)}{\left( n_F - n_C \right)} $ où $ \small{n_F} $ et $ \small{n_C} $ sont les indices de réfraction à 486,1 nm (ligne f de l'hydrogène) et 656,3 nm (ligne c de l'hydrogène), respectivement. Les nombres d'Abbe faibles indiquent une dispersion élevée. Les verres crown ont tendance à avoir des nombres d'Abbe plus élevés que les flints.

Densité

La densité d'un verre est importante à prendre en compte car elle contribue à déterminer le poids de l'assemblage optique, ce qui est essentiel pour les applications sensibles au poids. En général, l'indice de réfraction d'un verre augmente avec sa densité. Toutefois, la relation entre l'indice de réfraction et la densité n'est pas linéaire.

Coefficient de dilatation thermique

Le coefficient de dilatation thermique décrit comment la taille du verre varie en fonction des changements de température. Cette propriété est un facteur clé dans les applications impliquant des températures extrêmes et des écarts de température rapides.

Dureté Knoop

La dureté Knoop d'un verre est une mesure de sa résistance à l'indentation. Elle est déterminée en utilisant une force fixe avec un pénétrateur donné et en mesurant la profondeur de l'indentation résultante. Plus l'indentation est petite, plus la dureté Knoop est élevée. En général, les matériaux ayant une dureté Knoop élevée sont moins fragiles et peuvent résister à des différences de pression plus importantes que les matériaux ayant une dureté Knoop plus faible.

Spécifications de la surface des fenêtres optiques

Les spécifications de surface des fenêtres optiques affectent les performances optiques et doivent être prises en compte lors de la sélection ou de la spécification d'une fenêtre. Il est important de s'assurer que votre fenêtre optique possède les spécifications appropriées en termes de tolérances pour répondre aux exigences de votre application, mais des tolérances trop étroites de la fenêtre augmenteront inutilement le coût.

Qualité de surface

La qualité de surface d'une fenêtre optique est une évaluation des imperfections de surface qui peuvent être causées par la fabrication ou la manipulation. Ces défauts entraînent généralement de petites réductions du débit et de petites augmentations de la lumière diffusée, qui n'ont que peu ou pas d'effet négatif sur les performances globales du système dans la plupart des applications d'imagerie ou de collecte de lumière. Cependant, certaines surfaces sont plus sensibles à ces défauts, comme les surfaces au niveau des plans d'image, car les défauts de surface sont au centre de l'attention. Les fenêtres à forte puissance sont également sensibles aux défauts de surface car ils peuvent provoquer une absorption accrue d'énergie et endommager la fenêtre.

La qualité de la surface est souvent décrite par la spécification "scratch-dig" de la norme américaine MIL-PRF-13830B. La valeur des rayures est déterminée en comparant les rayures d'une surface à un ensemble de rayures standard dans des conditions d'éclairage contrôlées. Il ne s'agit pas d'une mesure directe des dimensions des rayures elles-mêmes. En revanche, la valeur de dig est directement liée à la taille de l’éclat. La valeur de dig est calculée en prenant le diamètre dig en µm et en le divisant par 10.

Figure 2 : Inspection de la qualité de surface
Figure 2 : Inspection de la qualité de surface  
Scratch-Dig Description
80-50 ou 60-40 Il s'agit des spécifications de qualité de surface les plus couramment utilisées pour les applications de qualité commerciale et les cas où la qualité de surface n'est pas essentielle. Les fenêtres des systèmes d'imagerie entrent généralement dans cette catégorie. Elles offrent les options de fenêtres les plus économiques.
40-20 Utilisé pour les applications de précision où la qualité de surface est importante. Il s'agit d'une spécification courante pour les systèmes laser de puissance faible à moyenne et les optiques de petite taille. Il existe une certaine prime par rapport aux fenêtres de qualité de surface inférieure.
20-10 ou 10-5 Ces spécifications sont utilisées presque exclusivement pour les systèmes laser de haute puissance et les systèmes de très haute précision où la qualité de surface est essentielle. Il y a généralement un surcoût important associé à ces spécifications de qualité de surface.
Tableau 2 : Ce tableau indique les spécifications de grattage nécessaires pour une variété d'applications.

Pour en savoir plus sur les spécifications relatives aux rayures, consultez notre note d'application intitulée Understanding Surface Quality Specifications based on U.S. Standard MIL-PRF-13830B.

Planéité de surface

La planéité de la surface mesure la déviation de la fenêtre par rapport à une surface parfaitement plane. La planéité de la surface d'une pièce de test peut être mesurée à l'aide d'un plan étalon, qui est une surface de référence plate très précise. Lorsque la surface de la fenêtre de test est placée contre le plan optique, des franges apparaissent, dont la forme détermine la planéité de la surface de la fenêtre inspectée. La surface de la fenêtre est au moins aussi plate que le plan de référence si les franges sont uniformément espacées, droites et parallèles. Si les franges sont courbes, l'erreur de planéité est indiquée par le nombre de franges entre deux lignes imaginaires : une tangente au centre d'une frange et une autre passant par les extrémités de cette même frange. Les écarts de planéité sont généralement mesurés en valeurs d'ondes (λ), ou en multiples de la longueur d'onde de la source lumineuse de test. Chaque frange correspond à la moitié d'une onde. Une planéité de 1λ peut être utilisée pour les applications typiques, mais les applications de haute précision telles que les systèmes laser de haute puissance nécessitent des valeurs de planéité allant jusqu'à λ/20.

Figure 3 : Diagramme démontrant le fonctionnement d'un plan étalon.
 Figure 3 : Diagramme démontrant le fonctionnement d'un plan étalon. 
Planéité de surface Description
≥1λ Couramment utilisé pour les applications de qualité commerciale et dans les cas où la planéité de la surface n'est pas essentielle. La planéité de surface ≥1λ est l'option de fenêtre la plus rentable.
λ/4 Utilisé pour les applications de précision où la qualité de surface est importante. Il s'agit d'une spécification courante pour les systèmes laser de puissance faible à moyenne et les optiques de petite taille. Il existe une certaine prime par rapport aux fenêtres de qualité de surface inférieure.
≤ λ/10 Utilisé pour les systèmes laser de haute puissance et les systèmes d'imagerie de haute précision. Il y a généralement une prime de coût significative associée à une planéité de surface ≤λ/10.
Tableau 3 : Ce tableau indique les spécifications de planéité de surface nécessaires pour diverses applications.

La planéité de la surface est de plus en plus importante lorsqu'on utilise une fenêtre à un angle de vue autre que l'incidence normale. Pour en savoir plus sur la qualité de surface, la planéité de surface et d'autres spécifications de surface, consultez notre note d'application Understanding Optical Specifications.

Erreur du front d'onde transmis

Les erreurs de surface, l'inhomogénéité de l'indice de réfraction et les contraintes sur la fenêtre peuvent induire des erreurs de front d'onde transmis. Cette distorsion du front d'onde transmis entraîne une dégradation de la qualité de l'image dans les systèmes de formation d'images et d'autres pertes de performances dans les systèmes non destinés à l’imagerie. L'erreur de front d'onde transmis peut être réduite en montant correctement la fenêtre et en évitant de la soumettre à des contraintes inutiles. L'erreur du front d'onde transmis, ainsi que la planéité de la surface, décrivent la qualité globale et les caractéristiques de surface de la fenêtre. Pour en savoir plus sur les différents types d'erreurs de front d'onde, ou aberrations optiques, consultez notre note d'application Comparison of Optical Aberrations.

Traitements antireflets (AR)

Les traitements anti-reflets (AR) sont souvent appliqués sur les fenêtres optiques pour maximiser la transmission dans la gamme de longueur d'onde souhaitée. Edmund Optics propose toutes les fenêtres TECHSPEC® avec une variété d'options de traitement antireflets (AR) qui améliorent considérablement l'efficacité de l'optique en augmentant la transmission, en améliorant le contraste et en éliminant les images fantômes. La plupart des traitements AR sont également très durables et résistent aux dommages physiques et environnementaux. Pour ces raisons, la grande majorité des optiques à transmission comprennent une forme de traitement antireflets. Lorsque vous spécifiez un traitement AR pour votre application spécifique, vous devez d'abord être pleinement conscient de la gamme spectrale complète de votre système. Alors qu'un traitement AR peut améliorer considérablement les performances d'un système optique, l'utilisation du traitement à des longueurs d'onde en dehors de la plage de longueur d'onde de conception pourrait potentiellement diminuer les performances du système. La figure ci-dessous montre les diagrammes de réflexion de tous les traitements AR standard que nous proposons.

Tableau des traitements antireflets standard dans le visible

 

Tableau des traitements antireflets standard dans le NIR

Pour en savoir plus sur les traitements AR et trouver les courbes de traitement pour notre sélection complète de traitements AR, consultez notre note d'application sur les Traitements antireflets.

Types de verre équivalents

De nombreux fabricants de verre proposent les mêmes caractéristiques de matériau sous des noms commerciaux différents et la plupart ont modifié leurs produits et leurs processus pour être respectueux de l'environnement (sans plomb ni arsenic). Edmund Optics utilise des verres ECO dans un grand nombre de ses produits TECHSPEC®, mais cette désignation peut ne pas être reflétée dans les descriptions de produits. Pour les produits non fabriqués par Edmund Optics, l'inclusion de verres ECO diffère selon le fabricant. Une fois qu'un article est passé aux verres ECO, les verres non ECO ne seront plus utilisés. En fonction de la disponibilité, nous nous réservons le droit de substituer un verre ECO équivalent dans nos séries de production. Le tableau ci-dessous indique les équivalents de verre pour les verres optiques courants.

Types de verre équivalents
Nom du verre listé Numéro du verre Équivalent Schott Équivalent Ohara Équivalent 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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