マシンビジョンおよび産業検査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。
マシンビジョンおよび産業検査における光学ガラス材料
マシンビジョンおよび産業検査において、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。マシンビジョンは生産ラインが通過するか停止するかを決定するため、その光学は単に良好である以上に再現性がなければならない。照明波長は意図的に選択され、フィルタはアルゴリズムが許容できないものを正確に遮断しなければならず、透過率または幾何形状のいかなる変化も誤除外となる。環境はしばしば、冷却剤ミスト、ホコリ、および振動のある工場床である。
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。マシンビジョンおよび産業検査については、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。
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。マシンビジョンおよび産業検査において、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。マシンビジョンおよび産業検査において、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。マシンビジョンおよび産業検査において、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。
マシンビジョンおよび産業検査に特有の要件
マシンビジョンおよび産業検査において、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。マシンビジョンは生産ラインが通過するか停止するかを決定するため、その光学は単に良好である以上に再現性がなければならない。照明波長は意図的に選択され、フィルタはアルゴリズムが許容できないものを正確に遮断しなければならず、透過率または幾何形状のいかなる変化も誤除外となる。環境はしばしば、冷却剤ミスト、ホコリ、および振動のある工場床である。
- テレセントリック対応の平面度および低くさび
- 照明波長に帯域整合したコーティング
- 部品間で一貫した透過率
- 冷却剤、ホコリ、および洗浄溶剤に耐性
ISO 10110図面、MIL-PRF-13830B表面品質、および機械メーカー独自の再現性および清浄度要件。
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
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。
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。