生体認証および指紋認識における要件は変化してきた—より薄い部品、より広い帯域、より過酷な環境—そしてその変化は光学ガラス材料サプライヤーに求められる品質を変えている。本稿では、需要の方向性、それが仕様に意味する内容、および設計が単一の工程に縛られないよう調達を構成する方法を検討する。
生体認証および指紋認識における光学ガラス材料
生体認証および指紋認識において、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。生体認証システムは、シーン内の他のすべてから生信号を分離しなければならず、これがスペクトルフィルタリングを光学の主要機能とする。指紋および虹彩システムは、しばしば近赤外照明下で、定義された波長で動作し、誤った帯域を漏らすフィルタは汚れたセンサと同様に確実に認識を損なう。
規格・文書・トレーサビリティ
光学ガラスは、材料レベルではISO 12123およびメーカー独自の呼称体系により、図面レベルではISO 10110により標準化されている。環境および安全要求はRoHSおよびREACH宣言を通じてもたらされ、セクター固有のプログラムは市場に応じてISO 9001、IATF 16949、またはISO 13485を追加する。部品が食品、医療組織、または飲用水に接触する場合、追加の移行および生体適合性試験が適用される可能性がある。生体認証および指紋認識において、購入者はガラスだけでなく全材料構成表を網羅する材料宣言をますます求めており、これはコーティング材料および組立時に使用される接着剤も宣言する必要があることを意味する。
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。生体認証および指紋認識において、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。
光学ガラス材料が実際にどのように機能するか
光学ガラスを選ぶとは、単一の決定ではなく制約の連鎖である。最初の制約は透過窓—部品が深紫外、可視光、あるいは近赤外まで動作しなければならないかどうか—である。2つ目は熱的側面：コーティング、はんだ付け、オートクレーブ、あるいは単なるランプ稼働中の加熱によって、部品がどれだけ移動・反り・割れするかである。3つ目は力学的側面：硬度、耐擦傷性、および指定された厚みでの取扱いに耐える能力である。コスト、研磨性、入手可能性はこれに続く。生体認証および指紋認識において、3つの制約すべてを満たす最も安価な材料がほぼ常に正解であり、最も一般的な設計上の誤りは過剰仕様である—紫外光に決してさらされない部品に溶融石英を使ったり、決して触れられない窓にサファイアを使ったりすると、測定可能な利益なしにコストが2倍になる。
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。生体認証および指紋認識については、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。
代替手段との比較
ガラスは、サファイア、フッ化カルシウム、セレン化亜鉛などの結晶材料、PMMAやポリカーボネートなどのポリマー、および熱成形またはモールドガラスと競合する。ポリマーは安価で軽いが、光学平面度を維持できず、また傷がつく。結晶はガラスが到達できないスペクトル範囲—中赤外および遠赤外—をカバーし、サファイアは硬度と熱伝導性を加えるが、大きなコストプレミアムとサイズ制限を伴う。熱成形ガラスは非球面を安価に成形するが、厳密な平面度が要求される場合に研磨で除去しなければならない表面テクスチャを残す。生体認証および指紋認識で使用される部品の大部分を占める、平坦でコーティングされ寸法精度の高い部品については、適切に選択された光学ガラス基板が、光学品質、コスト、供給の安定性の最良の組み合わせであり続ける。
生体認証および指紋認識に特有の要件
生体認証および指紋認識において、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。生体認証システムは、シーン内の他のすべてから生信号を分離しなければならず、これがスペクトルフィルタリングを光学の主要機能とする。指紋および虹彩システムは、しばしば近赤外照明下で、定義された波長で動作し、誤った帯域を漏らすフィルタは汚れたセンサと同様に確実に認識を損なう。
- 動作波長での厳しいバンドパスまたはIRカット定義
- 耐擦傷性のユーザー側面
- 広い入射角にわたる安定した挙動
- 低電力照明用の高透過率
生体認証データ品質のISO/IEC 19794コンテキスト、ISO 10110図面、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
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。
はんだ付けやオートクレーブ処理される部品にはどの材料を使用すべきですか？
ホウケイ酸ガラス3.3、Eagle XG、または溶融石英などの低熱膨張基板である。回避しようとしている故障は熱衝撃と工程後の反りであり、どちらも強度よりも熱膨張係数によって駆動される。
材料の選択は納期にどの程度影響しますか？
ソーダ石灰ガラス、B270、および標準ホウケイ酸ガラスは数日で在庫から出荷される。溶融石英、石英、およびサファイアは頻繁に受注生産であり、それらのより遅い研削および研磨速度は、材料の納期に数日から数週間を加える。