自動車ADASおよびLiDARで使用される光学ガラス材料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。
自動車ADASおよびLiDARにおける光学ガラス材料
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。
一般的な故障モードとその発生形態
材料関連の故障は4つのテーマに集中する。熱衝撃は、部品にかかる温度勾配が材料の許容を超えたときにそれを割る。これが低膨張グレードが存在する理由である。反りは、コーティングまたは接合工程の後に現れる。コーティング応力または接着剤の硬化が、その厚みにおけるシートの剛性を超えるためである。表面曇りや染色は、湿潤、包装紙、または洗浄薬品がガラス自体を侵すときに現れ、これは軟らかいアルカリ含有グレードに特有の問題である。光学故障—波長が移動したフィルタ、または焦点が合わない画像—は、通常、サプライチェーンのどこかでわずかに異なるグレードに置き換えられた基板に起因する。自動車ADASおよびLiDARにおいて、材料を標準呼称で指定し証明書を要求することは、まさにその置き換えを防ぐ。
検査と測定
入荷時の材料検査は、出荷後の手直しよりも安価である。ガラスロットは、屈折率、少なくとも証明書値、シート全体の厚みとTTV、反り、および可視欠陥クラスについて検証されるべきである。部品が結像経路やレーザー経路で使用される場合、同じロットの証明用サンプルに対する干渉検査は、100個の部品がそこから切り出される前に不均質性を捕捉する。加工後、同じ測定が完成品に対して、表面品質とコーティング性能を加えて繰り返される。自動車ADASおよびLiDARにおいて、最も重要な出荷文書はトレーサビリティである：部品の裏にある溶解バッチまたはロット番号。これにより、数ヶ月後に欠陥が現れた場合でも、同じ期間に生産されたすべてを回収することなく影響を受けたロットを特定できる。
コーティングと成膜の検討事項
すべてのガラスが等しく良好にコーティングされるわけではなく、その違いは歩留まりに現れる。アルカリ含有ガラスは、湿潤下でアルカリイオンをコーティング界面に溶出させる可能性があり、これが屋外で数十年にわたり生存すると期待される部品にバリア層や無アルカリ基板が用いられる理由である。低屈折率で高膨張のガラスには、密な酸化物スタックが導入する応力を補償するコーティング設計が必要であり、そうでなければ薄板への硬質コーティングが部品を公差外に反らせる。サファイアと石英は表面の汚染の保持が異なるため、より長いチャンバー時間と慎重な前洗浄を要する。自動車ADASおよびLiDARにおいて、実用的な規則は基板とコーティングを同時に選定すべきということである：B270用に設計されホウケイ酸ガラス上に成膜されたコーティングは近いものの同一ではない。なぜなら基板の屈折率が各層の実効光学厚みを変化させるからである。
コストを下げる設計ルール
紙の上では何もかからない設計決定が、生産では大きな節約となる。剛性要件が許す限り材料を薄く保つ。なぜなら厚みは材料コスト、熱質量、コーティング応力を高めるからである。面取りを施したエッジを設計し、鋭い内角を避ける。2つの異なるガラスを接合またははんだ付けしなければならない場合、まず膨張の不一致を確認する。なぜなら不一致は最初の熱サイクルで継手を割るからである。保持のための未コーティングの明確なマージンを残し、光学有効口径をエッジから離す。そこは反りとエッジ応力が最大となる場所である。自動車ADASおよびLiDARについては、どの面が機能する光学面であり、組立時にどのように基準とされるかを明記する。なぜなら対称な部品を逆に組み立てることは、小型光学アセンブリで最も一般的かつ最も回避可能な誤りの1つだからである。
コストと納期を左右する要因
材料コストは性能に対して線形ではなく、その跳躍は大きい。ソーダ石灰ガラスからBK7への移行は基板費用を約2倍にし、ホウケイ酸ガラスやEagle XGへの移行はさらに約2倍になる；溶融石英と石英はBK7の数倍であり、サファイアは同じブランクサイズでソーダ石灰ガラスの10倍に達し得る。しかし、これらの倍率はそれが意味する加工の方がはるかに重要である。より硬い材料は研削と研磨が遅く、サファイアはダイヤモンド工具を要し、石英はより長いコーティングサイクルを要する—したがって2つの材料選択肢間の真のコスト差は、通常、原料差の2〜3倍である。自動車ADASおよびLiDARにおいて、最も安価な決定は通常、透過および熱要件を満たす最も特殊でない材料を使用し、節約した予算をより厳格な検査に充てることである。
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
| 材料 | 屈折率 (nd) | 主な用途 | 備考 |
|---|---|---|---|
| B270 / ソーダ石灰ガラス | 1.523 | カバーガラス、フィルタ、照明 | 最も低コスト、研磨が早い |
| BK7 (N-BK7) | 1.517 | 一般的な光学部品、窓 | 優れた均質性、気泡が少ない |
| ホウケイ酸ガラス 3.3 | 1.471 | 耐熱窓、薄板ガラス | CTE 3.3 ppm/K |
| Eagle XG | 1.510 | ディスプレイ、薄板光学部品 | 無アルカリ、反りが極めて小さい |
| 溶融石英 / 石英 | 1.458 | UV、レーザー、高温 | 深紫外透過、高損傷閾値 |
| サファイア | 1.768 | 耐擦傷窓、IR | モース硬度9、異方性加工 |
| ブルーガラス (BG-type) | 1.52 - 1.55 | カメラ用IRカット | 吸収型NIR、色補正 |
| ガラスウェハ | varies | センサー、パッケージング | 0.1 - 1 mm、低TTV |
よくある質問
溶融石英は石英と同じですか？
完全には同じではない。溶融石英は合成された非晶質のSiO2であり、均質性と低不純物レベルのためにUVおよびレーザー光学に好まれる選択である。石英は天然の結晶質の対応物であり、その特定の光学的または熱的性質が必要な場所で使用される。
シート在庫の厚み公差の標準はどの程度ですか？
標準的な商業シートは厚みに対して通常±0.1 mmである。精密研削・研磨された在庫は±0.02 mm以下に保持され、ガラスウェハは指定された場合、数マイクロメートルの厚み変動（TTV）に収まる。
B270をBK7の代わりに使えますか？
光学設計を確認した後でのみ可能である。それらの屈折率は、コーティングの実効中心波長を移動させ、レンズの焦点を変化させるほどに異なる。置き換えはカバーガラスや機械的窓には適しているが、フィルタ端や結像要素にとっては、設計が再最適化されない限り良くない考えである。