Optical Glass

Optical Glass 규격

Glass 종류별로 특성이 달라지므로 소재 선택이 중요합니다. Edmund Optics®는 매우 다양한 종류의 glass를 공급하고 있으며 다음과 같은 특성을 기준으로 선택할 수 있습니다.

Glass의 굴절률 및 Abbe number는 주로 설계자들에 의해 시스템 설계시의 자유도로 사용됩니다. 굴절률은 주어진 파장에서 특정 매질을 통과할 때의 빛의 속도에 대한 진공 속에서의 빛의 속도를 비율로 나타낸 것이며, 물질의 Abbe number는 특정 스펙트럼 범위에 대한 amount of dispersion (분산량)을 정량화합니다. 예를 들어, 굴절률이 높으면 빛을 더 효율적으로 휘게 하기 때문에 렌즈의 곡률을 크게 할 필요가 적어집니다. 굴절률이 큰 렌즈는 Spherical aberration이 작은 반면, 굴절률이 작은 매질을 통과할 때 빛은 더 빨라집니다. Abbe number가 크면 보통 color dispersion이 작고 color aberration이 감소합니다. 또한, glass 종류에 따라 투과 파장 영역이 달라집니다.

Glass의 밀도는 optical assembly의 무게를 결정하는 데 도움이 되며 렌즈 구경과 함께 무게에 민감한 용도에 아주 중요한 요소입니다. 밀도는 또한 일반적으로 glass와 함께 사용할 수 있는 능력을 나타내며 소재 원가와 어느 정도 비례합니다. 극한 온도 및 빠른 온도 편차가 뒤따르는 용도에서 glass의 팽창계수는 중요한 요소입니다. Opto-mechanical 디자이너들은 광학 기기를 설계할 때 이 점을 유념해야 합니다.

많은 유리 제조업체들이 서로 다른 상표로 동일한 소재 특성의 유리를 공급하고 있으며 대부분은 제품 및 공정을 환경 친화적으로 (납 및 비소를 사용 안함) 개량했습니다.

모든 종류의 glass 종류에 대한 필수값

Table 1: Glass Material Equivalants
Listed Glass Name	Glass Number	Schott Equivalent	Ohara Equivalent	CDGM Equivalent
N-BK7	517/642	N-BK7	S-BSL7	H-K9L
N-K5	522/595	N-K5	S-NSL 5	H-K50
N-PK51	529/770	N-PK51	–	–
N-SK11	564/608	N-SK11	S-BAL 41	H-BaK6
N-BAK4	569/561	N-BAK4	S-BAL 14	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-BAH 11	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-TIH 18	722/293	–	S-TIH 18	–
N-SF10	728/284	N-SF10	S-TIH 10	H-ZF4
N-SF4	755/276	N-SF4	S-TIH4	H-ZF6
N-SF14	762/265	N-SF14	S-TIH 14	–
N-SF11	785/258	N-SF11	S-TIH 11	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-LAH 65	H-ZLaF50B
N-SF6	805/254	N-SF6	S-TIH 6	H-ZF7LA
N-SF57	847/238	N-SF57	S-TIH 53	H-ZF52
N-LASF9	850/322	N-LASF9	S-LAH71	–
S-NPH2	923/189	–	S-NPH2	–
N-SF66	923/209	N-SF66	–	–

Optical Glass 특성

오늘날, optical glass의 품질 및 무결성은 광학 기기 설계자들의 기본 전제 사항입니다. 거의 125년 전에 Otto Schott이 복합 유리를 체계적으로 연구 및 개발하면서 혁명이 시작되었습니다. 합성 및 생산 공정에서 그의 개발 노고는 유리 제조를 시도와 실수의 영역에서 오늘날과 같은 진정한 기술적 소재로서의 상태로 옮겨왔습니다. 이제 optical glass의 특성을 예측, 재현할 수 있고 동질성을 확보할 수 있는데 이는 기술 소재의 필수 요건입니다. optical glass를 특징 짓는 근본적인 특성은 다음과 같습니다.

굴절률

굴절률은 특정 매질을 통과할 때의 빛의 속도에 대한 진공 속에서의 빛의 속도를 비율로 나타낸 것이며, 빛이 광학 소재를 통과할 때 얼마나 느려지는지를 설명합니다. optical glasses의 굴절률인 $ \small{n_d} $은 587.6nm (Helium d-line)의 파장에서 지정됩니다. 굴절률이 작은 소재는 보통 "crowns"이라 부르며 굴절률이 큰 소재는 "flints"라 부릅니다. 당사 카탈로그의 부품들에 대한 일반적인 굴절률 tolerance는 ±0.0005입니다.

분산

분산이란 파장에 따른 굴절률의 편차를 나타냅니다. 분산은 $ \frac{\small{ \left( n_d - 1 \right)}}{\left( n_F - n_C \right)} $으로 정의되는 Abbe number, $ \small{v_d} $를 이용해 지정되며 이 때 $ \small{n_F} $ 및 $ \small{n_C} $ 는 486.1nm (Hydrogen F-line) 및 656.3nm (Hydrogen C-line)에서의 굴절률입니다. Abbe number가 작으면 Dispersion은 커집니다. Crown glasses는 dispersion이 flints에 비해 작은 경향이 있습니다. 당사 카탈로그의 부품들에 대한 일반적인 Abbe tolerance는 ±0.8%입니다.

투과율

표준 optical glasses는 전체 VIS 스펙트럼, 그리고 NUV 및 NIR 이상의 영역에 걸쳐 높은 투과율을 제공합니다. Crown glasses는 flint glasses에 비해 NUV에서 보다 나은 투과율을 갖는 경향이 있습니다. Flint glasses는 높은 굴절률때문에 Fresnel reflection loss가 커져 항상 AR 코팅을 해야 합니다.

Sample Optical Glass Transmittance Curve

그림 1: 샘플 Optical Glass 투과 곡선

추가 특성

극한 환경에서 사용할 광학 부품을 설계할 때는 각각의 optical glass가 화학, 열 및 기계적 특성에서 약간씩 차이가 있다는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 해당 특성들은 glass datasheet를 참조하십시오.

Table 2: Essential Values for All Types of Glass
Glass Name	Index of Refraction, $ \left( \small{n_d} \right) $	Abbe Number, $ \left( \small{ v_d} \right) $	Density $\left[ \small{ \tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3}} \right] $	Coefficient of Thermal Expansion*	Max Operating Temp $\left( ^{\small{\text{o}}} \small{ \text{C}} \right) $
CaF₂	1.434	95.10	3.18	18.85	800
Fused Silica	1.458	67.70	2.20	0.55	1000
Schott BOROFLOAT®	1.472	65.70	2.20	3.25	450
S-FSL5	1.487	70.20	2.46	9.00	457
N-BK7	1.517	64.20	2.46	7.10	557
N-K5	1.522	59.50	2.59	8.20	546
B270/S1	1.523	58.50	2.55	8.20	533
Schott ZERODUR®	1.542	56.20	2.53	0.05	600
N-SK11	1.564	60.80	3.08	6.50	604
N-BAK4	1.569	56.10	3.10	7.00	555
N-BaK1	1.573	57.55	3.19	7.60	592
L-BAL35	1.589	61.15	2.82	6.60	489
N-SK14	1.603	60.60	3.44	7.30	649
N-SSK8	1.618	49.80	3.33	7.10	598
N-F2	1.620	36.40	3.61	8.20	432
BaSF1	1.626	38.96	3.66	8.50	493
N-SF2	1.648	33.90	3.86	8.40	441
N-LAK22	1.651	55.89	3.73	6.60	689
S-BaH11	1.667	48.30	3.76	6.80	575
N-BAF10	1.670	47.20	3.76	6.80	580
N-SF5	1.673	32.30	4.07	8.20	425
N-SF8	1.689	31.20	4.22	8.20	422
N-LAK14	1.697	55.41	3.63	5.50	661
N-SF15	1.699	30.20	2.92	8.04	580
N-BASF64	1.704	39.38	3.20	9.28	582
N-LAK8	1.713	53.83	3.75	5.60	643
N-SF18	1.722	29.30	4.49	8.10	422
N-SF10	1.728	28.40	3.05	7.50	454
S-TIH13	1.741	27.80	3.10	8.30	573
N-SF14	1.762	26.50	4.54	6.60	478
Sapphire**	1.768	72.20	3.97	5.30	2000
N-SF11	1.785	25.80	5.41	6.20	503
N-SF56	1.785	26.10	3.28	8.70	592
N-LASF44	1.803	46.40	4.46	6.20	666
N-SF6	1.805	25.39	3.37	9.00	605
N-SF57	1.847	23.80	5.51	8.30	414
N-LASF9	1.850	32.20	4.44	7.40	698
N-SF66	1.923	20.88	4.00	5.90	710
S-LAH79	2.003	28.30	5.23	6.00	699
ZnSe	2.403	N/A	5.27	7.10	250
Silicon	3.422	N/A	2.33	2.55	1500
Germanium	4.003	N/A	5.33	6.10	100

*$ \tfrac{10^{-6}}{\small{^{\text{o}}} \text{C}} $
**Sapphire는 birefringent 소재입니다. 모든 스펙은 C 축에 평행한 상태에 해당합니다.

Optical Glass 선택

EO Abbe diagram with Coefficient of Thermal Expansion and Relative Partial Dispersion

그림 2: 열팽창 계수와 상대적 부분 분산으로 구성된 EO의 Abbe 다이어그램

광학 시스템은 전체 기능 특징에 맞춰 최적화해야 합니다. Geometrical aberration 및 color induced aberrations은 두 가지 이상의 glass를 사용해서만 보정할 수 있습니다. 대부분의 경우에 세 가지 이상의 glass가 사용됩니다. 서로 다른 용도의 광학 시스템에 대한 요구 사항은 범위가 매우 넓어 몇 종류의 glass로는 만족시킬 수가 없습니다. 이로 인해 폭넓은 종류의 유리가 개발되어 왔습니다. 전통적으로 이 점은 굴절률 대 분산 도표인 Abbe diagram에 나타나 있습니다.

1923년에 SCHOTT이 처음 소개한 Abbe diagram은 오랫동안 확립되어 온 optical glass 연구 프로그램입니다. Glass 종류는 Abbe number $ \small{ \left(v_d \right) } $를 x축으로, 그리고 굴절률 $ \small{ \left(v_d \right) } $을 y축으로 잡은 2차원 좌표에 표시됩니다. x축은 역방향으로 그려져 있어 왼쪽으로 갈수록 숫자가 커집니다.

Abbe diagram에서 glass 소재는 BK, SK, F, SF 등의 명칭으로 구분되어 있습니다. 이 "유리 제품군"은 파란색 선으로 규정된 Abbe diagram의 영역에 해당됩니다. crown glass 유형 (crown 유형의 경우 끝 글자가 독일어 "Kron"에서 따온 "K"임)과 flint glass 유형 (끝 글자가 "F"임)을 구분하는 중요한 선이 있습니다. 이 선은 아래쪽의 Abbe number 55에서 시작해 위로 이동하다 굴절률 1.60에서 Abbe number 50으로 옆으로 이동한 뒤 맨 위까지 이어집니다.

glass 이름의 앞 글자는 glass 종류별로 사용된 중요한 화학 성분을 나타냅니다 (F - Fluorine, P – Phosphorus, B – Boron, BA – Barium, LA – Lanthanum). 이 규칙에서 벗어나는 것은 crown - flint 계열의 glass 종류로서 K ("Kron")에서 KF ("Kronflint" – crownflint)로, 그리고 flints로 나아가며 납 함량이 늘어나고 이에 따라 밀도가 커집니다 (LLF ("Very light flint"), LF ("Light flint"), F ("flint") 및 SF ("Schwerflint" – heavy flint)). 또 하나의 편차는 SK 및 SSK glass 유형입니다 (SK ("무거운 crown") 및 SSK ("가장 무거운 crown")). LAK, LAF 및 LASF는 각각 Lanthanum crown, flint 및 고밀도 flint glass 유형을 의미합니다.