光学石英および結晶ガラスがカバーする選択肢は、多くの図面が想定するよりも広範囲に及び、その違いが性能と価格の双方を決める。本稿では、自動車ADASおよびLiDARで利用可能な実用的な選択肢—基板、コーティング工程、厚み、公差—を比較し、各トレードオフが奏功する場合とそうでない場合を示す。
自動車ADASおよびLiDARにおける光学石英および結晶ガラス
自動車ADASおよびLiDAR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。自動車光学は、任意の民生品とは異なる認定体制に直面する：マイナス40から105°C以上の温度変動、振動、小石の衝撃、塩水噴霧、および10年単位で測定される耐用寿命。カメラ窓は路面の砂粒による傷に耐えながら、マシンビジョンにとって十分に清潔を維持しなければならず、LiDAR光学は905または1550 nmでの高パルスエネルギーにドリフトなしで耐えなければならない。
基板と材料の選定
溶融石英の中には、実際に行うべき選択がある。低OHグレードはほぼ水酸基含有量がなく、2.7マイクロメートル付近の吸収が少ないため、より遠くまで赤外を透過し、IRおよび高出力用途に適している。高OHグレードは百万分の数百の水酸基を含み、深紫外性能とソラリゼーション耐性が重要な場所で好まれる。天然石英はその結晶特性が必要な場所で使用されるが、より多くの異物を含み、その異方性が研磨を複雑にする。合成結晶（培養石英）は、より優れた一貫性で同じ光学挙動を提供する。自動車ADASおよびLiDARにおいて、ほとんどの紛争を防ぐ仕様はグレード名ではなく数値のセットである：OH含有量、気泡クラス、および関心帯域にわたる透過曲線。
代替手段との比較
代替は、どの特性が選択を駆動しているかによって異なる。深紫外透過が必要な場合、フッ化カルシウムが主な競合であり、はるかに高いコストとより大きな脆弱性で紫外線側へのさらに遠い透過を提供する。熱安定性が駆動力である場合、ホウケイ酸ガラスまたは低膨張ガラスは価格の一部でしばしば十分である。硬度が駆動力である場合、サファイアは耐擦傷性と赤外透過で勝つが、異方性があり高価である。部品が単なる機械的窓である場合、通常のホウケイ酸ガラスで通常仕事ができる。自動車ADASおよびLiDARにおいて、信頼できる試験は、より安価な材料で失敗する単一の特性を特定し、アプリケーションが実際にその限界に達するかどうかを確認することである。
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。自動車ADASおよびLiDAR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。
コストと納期を左右する要因
石英はすべての段階で光学ガラスよりも高価である。原料はBK7の数倍の価格であり、硬度のために研削・研磨がはるかに遅いため、深紫外グレード窓は同等のホウケイ酸ガラス部品の5〜10倍のコストとなる。グレード選択はサイズ以上に価格を駆動する：低OH材料および低気泡・高均質グレードは大きなプレミアムを伴う。平面度と表面品質は通常のパターンに従い、各ステップの厳格化が仕上げ工程を追加する。自動車ADASおよびLiDARにおいて、賢明なアプローチは、透過要件を満たす最も安価な石英を購入し、帯域が実際に必要とする場所のみ深紫外グレードを指定することである。なぜなら深紫外と指定された部品のほとんどは350 nm以下の光に決してさらされないからである。
規格・文書・トレーサビリティ
石英光学は、他の要素と同じ図面規格、ISO 10110およびISO 12123を通じて指定され、OH含有量、気泡クラス、および均質性をカバーする追加の材料仕様を伴う。レーザーアプリケーションは損傷閾値試験規格を参照し、しばしば証明用サンプルデータを必要とする。清浄度仕様は半導体隣接部品で重要となり、そこでは単位面積あたりの粒子数が制御され文書化される。環境コンプライアンスはRoHSおよびREACH宣言によってカバーされる。自動車ADASおよびLiDARにおいて、部品のリリースの可否を最も頻繁に決定する文書は材料ロットに遡るトレーサビリティである。なぜなら組立中に発見された均質性または異物の問題は、影響を受けた部品が特定できない限り封じ込められないからである。
自動車ADASおよびLiDARに特有の要件
自動車ADASおよびLiDAR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。自動車光学は、任意の民生品とは異なる認定体制に直面する：マイナス40から105°C以上の温度変動、振動、小石の衝撃、塩水噴霧、および10年単位で測定される耐用寿命。カメラ窓は路面の砂粒による傷に耐えながら、マシンビジョンにとって十分に清潔を維持しなければならず、LiDAR光学は905または1550 nmでの高パルスエネルギーにドリフトなしで耐えなければならない。
- 動作範囲 -40から+105°C
- 自動車試験規格に対する塩水噴霧および耐摩耗性
- 雨水と汚れが流れる撥水性表面
- LiDAR光路用の905または1550 nmでのレーザー損傷耐性
IATF 16949プロセス文書、該当する場合はAEC-Q部品認定、周囲システムのISO 26262コンテキスト、およびRoHSおよびREACH宣言。
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
石英窓はどの程度平坦にできますか？
633 nmでのλ/4からλ/10は日常的なものであり、石英ウェハはλ/20まで研磨できる。石英は剛性があり低膨張であるため形状は安定しているが、平面度が自立時か取付時かのいずれに必要かを指定しなければならない。
窓だけでなく石英ウェハも提供しますか？
はい、0.1 mm以上から、真空チャック加工用に制御された厚み変動（TTV）と反り、および自動取扱い装置用に選択されたエッジプロファイルをもって提供する。
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。