熱画像および暗視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。
熱画像および暗視における光学石英および結晶ガラス
熱画像および暗視において、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。長波長赤外システムは普通のガラスが不透明な帯域で動作し、設計をゲルマニウム、シリコン、サファイア、セレン化亜鉛、およびカルコゲナイド材料へと押しやる。これらの基板は可視光ガラスとはかなり異なる挙動をする：いくつかは軟らかく、いくつかは熱感受性があり、従来の仕上げではなくダイヤモンド旋削または特殊研磨を必要とする。
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。熱画像および暗視において、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。熱画像および暗視において、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。熱画像および暗視において、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。
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。熱画像および暗視において、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。
熱画像および暗視に特有の要件
熱画像および暗視において、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。長波長赤外システムは普通のガラスが不透明な帯域で動作し、設計をゲルマニウム、シリコン、サファイア、セレン化亜鉛、およびカルコゲナイド材料へと押しやる。これらの基板は可視光ガラスとはかなり異なる挙動をする：いくつかは軟らかく、いくつかは熱感受性があり、従来の仕上げではなくダイヤモンド旋削または特殊研磨を必要とする。
- 8 - 14マイクロメートルにわたる透過
- 動作範囲にわたる低熱的デフォーカス
- 耐久性のための硬質炭素またはDLCコーティング
- ゲルマニウム要素のための温度補償取付け
IRコーティングおよび表面品質のMIL仕様、IR材料に適応されたISO 10110図面、および防衛関連の認定プロトコル。
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
石英はレーザーアプリケーション用にコーティングできますか？
はい、そしてコーティングは通常基板よりも重要である。損傷閾値は動作波長とパルス幅で指定され、同じ材料ロットの証明用サンプルで検証される。
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。