航空宇宙および防衛光学で使用される石英および結晶ガラスの故障は少数のパターンに収束する傾向があり、各パターンには特有の兆候がある。本稿では、一般的な故障モード、推測ではなく測定によってそれらを見分ける方法、および根本原因を実際に排除する工程や設計の変更を順に解説する。
航空宇宙および防衛光学における光学石英および結晶ガラス
航空宇宙および防衛光学において、それは品質に対する一般的な好みではなく、特定の要件セットに翻訳される。航空宇宙光学は熱真空、振動、衝撃、および放射環境に対して認定され、一度認定されると変更が困難であり、これが文書化と再現性を支配的な要件とする。重量は重要であり、コーティングは水分吸収なしで生存しなければならず、すべての部品は認定の足跡を担う。
一般的な故障モードとその発生形態
石英の故障は、機械的というよりも光学的または熱的になりがちである。ソラリゼーションは、長時間暴露下でのUV透過の漸進的喪失であり、いくつかのグレードで発生し、高OH材料を選択することで防止される。デビトリフィケーション（失透）は、汚染の存在下での高温における非晶質表面の結晶形への変換であり、永続的に曇った表面を生じ、通常は取扱いまたは焼成中のアルカリまたは金属汚染によって引き起こされる。熱応力割れは、部品がクランプされている場所、または考慮されていない勾配が存在する場所に現れる。コーティングの吸収はレーザー使用で損傷箇所を引き起こす。航空宇宙および防衛光学において、高温で現れる故障は常に、部品に何が触れたかの見直しを促すべきである—取扱い手袋、マーキングペン、および包装はすべて、デビトリフィケーションを引き起こす汚染の一般的な供給源である。
検査と測定
石英部品の検査は、通常の表面品質チェックを超えて広がる。透過率は、通常の分光光度計が到達しない可能性のある深紫外を含む、関心帯域全体で測定されるべきである。均質性と複屈折は干渉計的、または偏光顕微鏡でチェックされ、異物は気泡クラスに対して評価される。レーザー光学については、同じロットの証明用サンプルでのレーザー誘起損傷閾値試験は、証明書単独よりもはるかに大きな信頼を与える。寸法チェックは図面に従い、ウェハTTVに特に注意を払う。航空宇宙および防衛光学において、立会いの損傷試験は、内部顧客に対する材料変更を正当化する唯一の方法であることが多い。なぜなら2つの石英グレード間の性能差は、他のどの測定でも可視でない可能性があるからである。
コーティングと成膜の検討事項
石英のコーティングは、応力と清浄度の管理を意味する。その低膨張性は、基板が密な酸化物スタックが導入する応力を緩和しないことを意味するため、薄い部品ではコーティングが窓を目に見えて反らせ得る；裏面に応力補償層をもつバランス設計が必要となることがある。石英は軟らかいガラスとは異なる方法で汚染を引き付け保持するため、コーティング前の洗浄はより長く、通常UVオゾンまたはプラズマ工程を含む。レーザー部品については、コーティングの吸収と損傷閾値が仕様を支配し、コーティングは都合の良い広帯域平均ではなく、動作波長とパルス幅で評価されなければならない。航空宇宙および防衛光学において、硬質で低吸収のコーティングと、面取りされ精密ラップされたエッジの組み合わせこそが、石英窓が光学フラックスと熱サイクルの両方を生存させるものである。
コストを下げる設計ルール
石英を用いた設計は、その特性を活用しつつ二重に支払わないことを意味する。UV透過、低膨張、または高損傷閾値が実際に必要な場所でそれを使用し、他の場所では通常の光学ガラスを使用する；石英窓とホウケイ酸ガラス取付リングを使用するハイブリッドアセンブリは、石英自体はごくわずかしか動かないにもかかわらず重大な膨張不一致を考慮しなければならない。エッジを面取りに保ち、光学面への直接クランプを避ける。取付けがそれを支持しない限り、非常に薄い部品と非常に厳しい平面度の両方を指定するのを避ける。偏光作業については、図面に軸方向を明記する。航空宇宙および防衛光学において、最初の切断前の短い設計レビューは通常、厳しい公差の1つを完全に排除し、これが最も安価な可能な再設計である。
実際に重要な公差
石英部品は他の光学要素と同様に見積もられるが、いくつかの公差は特別な注意に値する。平面度と透過波面は指定された波長で測定され、石英は剛性があり低膨張であるため、優れた平面度は公称ではなく実際に達成可能である。複屈折は溶融部品についてナノメートル毎センチメートルで指定され、結晶材料に本質的なものである；アプリケーションが偏光感受性である場合、その数値は図面に記載されるべきである。ウェハについては、部品が平面度が機械的に課される真空チャックで加工される可能性があるため、厚み変動（TTV）と反りが光学形状とともに重要である。表面品質はスクラッチ・ディグで示され、エッジ仕上げは欠けサイズで示される。航空宇宙および防衛光学において、表面形状が温度時にも、それとも室温時のみに保持されなければならないかを明記する価値がある。
航空宇宙および防衛光学に特有の要件
航空宇宙および防衛光学において、それは品質に対する一般的な好みではなく、特定の要件セットに翻訳される。航空宇宙光学は熱真空、振動、衝撃、および放射環境に対して認定され、一度認定されると変更が困難であり、これが文書化と再現性を支配的な要件とする。重量は重要であり、コーティングは水分吸収なしで生存しなければならず、すべての部品は認定の足跡を担う。
- 熱真空および振動の生存
- 高い比剛性をもつ軽量
- 水分シフトのないコーティング安定性
- 完全な初回納品およびプロセス文書
AS9100品質システム、コーティングおよび表面品質のMIL仕様、および顧客固有の環境認定プロトコル。
選定データ一覧
| パラメータ | 標準値 | 備考 |
|---|---|---|
| 透過帯域 | 185 - 2500 nm（溶融石英） | 深紫外から近赤外 |
| 屈折率 | 1.458（溶融石英） | 低く高度に均一 |
| CTE | 0.55 × 10⁻⁶ /K | 耐熱衝撃性 |
| OH含有量 | < 10 ppm 低OH、> 200 ppm 高OH | UVまたはIR用途で選択 |
| 複屈折 | < 5 nm/cm（溶融） | 結晶石英は本質的に異方性 |
| 平面度 | λ/4 から λ/10 | 石英ウェハはλ/20まで |
| スクラッチ・ディグ | 40-20 標準、20-10 精密 | ISO 10110-7 |
| 厚み範囲 | 0.1 - 30 mm | ウェハは0.1 mmから |
| エッジ仕上げ | 研削、面取り、または精密ラップ | 欠け≤ 0.05 mm |
よくある質問
光学ガラスの代わりに石英をいつ選ぶべきですか？
部品が約300 nm以下を透過しなければならない、急速な熱サイクルを生存しなければならない、または高レーザーエネルギーに耐えなければならない場合。可視光窓およびフィルタについては、ホウケイ酸ガラスまたはB270が費用の一部で同じ機能を果たす。
低OHと高OHの溶融石英の違いは何ですか？
低OH材料は最小限の水酸基含有量をもち、より遠くまで赤外を透過する。高OH材料は百万分の数百の水酸基を含み、これが深紫外透過とソラリゼーション耐性を改善する。
なぜ石英窓が高温で曇ったのですか？
それはデビトリフィケーション（失透）であり、材料自体ではなく、取扱い、マーキング、または包装からのアルカリまたは金属の痕跡による汚染によってほぼ常に引き起こされる。高温サービス向けの部品には、汚染のない取扱いを指定する。