科学および実験室機器で使用されるIRフィルタ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。
科学および実験室機器におけるIRフィルタ
科学および実験室機器において、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。実験室機器は再現性で評価されるため、その光学は文書化され、性能は測定キャンペーンの間ドリフトしてはならない。多くの機器は参照光路に対して較正され、これは窓またはフィルタの小さな変化が明らかな故障を生じるのではなくすべての読み取りをシフトすることを意味する。
検査と測定
分光測定はIRフィルタの主要な検査である。350〜1100 nmをカバーする分光光度計は、立ち上がり波長、平均可視透過率、および遮断深さを確認し、指定された角度で測定されるべきである—垂直入射のみで測定された部品は、実使用で失敗しているにもかかわらず合格し得る。スペクトル以外に、カラーフィルタはあらゆる窓と同じ物理的受入基準に直面する：スクラッチ・ディグでの表面品質、エッジ欠け、面取り状態、および清浄度。部品が接合または封止される場合、平面度または透過波面の確認も重要である。科学および実験室機器において、初回納品時に測定曲線と密着試験結果を求めることは、コーティング化学の問題が6ヶ月後に現場返品へと発展するのを防ぐものである。
コーティングと成膜の検討事項
二色性IRカット設計は、概ね20〜60層の高屈折率酸化物と低屈折率酸化物の交互積層からなり、層厚がエッジの位置と急峻さの両方を制御する。イオンアシスト成膜は標準プロセスである。なぜなら湿潤下でシフトしない緻密な層を生成するため—アシストなしのコーティングは湿潤した室内で1週間後に数ナノメートル移動し得る。可視帯域の残留反射は管理されなければならない。なぜなら強い反射は、コーティングの不十分なカメラ窓に見られる緑またはマゼンタの輝きを生じるからである；広帯域AR層が通常、それを抑制するために二色性スタックの上に追加される。科学および実験室機器については、硬質な撥水性外層が必要かどうかも決定する。なぜならそれは部品の耐久性と価格の両方を変えるからである。
コストを下げる設計ルール
重要な設計決定は、立ち上がり波長、許容角度、および取付けである。立ち上がりを、センサの量子効率が落ち、そのNIR感度が上昇する位置に置く—ほとんどのシリコンセンサは650〜680 nmの間のエッジを必要とする—そして、有効口径範囲のどれだけが色精度を保持しなければならないかを決定する。レンズが明るい、または広角である場合、より広い遷移を受け入れるか、吸収要素を追加する。取付け用に少なくとも0.5 mmの明確なマージンと、両エッジの面取りを残す。フィルタがレンズの前ではなく後ろにある場合、光線束はもはやテレセントリックではないことを覚えておく：実効角度は、控えめなシステムであっても30度を超え得る。これこそが、二色性設計が科学および実験室機器で色忠実度を失い始める場所である。
一般的な故障モードとその発生形態
ほとんどのIRフィルタ故障は、分光ドリフト、エッジ損傷、または剥離である。湿潤暴露後の分光ドリフトは、コーティングが十分なイオンアシストなしで成膜されたことを意味する；温度サイクル後のドリフトは、基板の膨張を無視した設計を示唆する。剥離はほぼ常に面取りまたは未コーティングのマージンで始まり内側へ広がる。ゴーストやフレア（顧客がしばしば欠陥として報告する）は、通常、未コーティングの第2面がセンサへ反射することによって引き起こされる光学設計の問題である。科学および実験室機器において、再現性のある故障は、環境ストレスの後にのみではなく前後に部品を測定することで診断されるべきである。なぜならその単一の比較が、コーティング問題と組立問題を1ステップで分離するからである。
科学および実験室機器に特有の要件
科学および実験室機器において、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。実験室機器は再現性で評価されるため、その光学は文書化され、性能は測定キャンペーンの間ドリフトしてはならない。多くの機器は参照光路に対して較正され、これは窓またはフィルタの小さな変化が明らかな故障を生じるのではなくすべての読み取りをシフトすることを意味する。
- 文書化され安定した透過曲線
- 較正妥当性のためのバッチ間一貫性
- 実験室溶剤への化学耐性
- 干渉計光路用の精密表面品質
試験所のISO/IEC 17025コンテキスト、ISO 10110図面、および完全な材料およびコーティング文書。
選定データ一覧
| パラメータ | 標準値 | 備考 |
|---|---|---|
| IRカット立ち上がり | 630 - 700 nm | センサ応答にチューニング |
| 可視透過率 | T ≥ 90 %、R ≤ 1 % | 420 - 620 nm平均 |
| NIR遮断 | OD2 - OD4（1 % - 0.01 %） | 700 - 1100 nm |
| エッジ急峻さ | 10 - 30 nmの遷移 | 二色性設計 |
| 入射角 | 0 - 30度指定 | 通過帯域は角度とともに青方シフト |
| 波長公差 | 標準±5 nm、精密±2 nm | 指定AOIで測定 |
| 基板 | B270、D263T、ブルーガラス、サファイア | 吸収型は角度シフトなしでNIRを除去 |
| 厚み | 0.3 - 3 mm | カメラ窓では0.55 - 1.1 mmが標準 |
| 環境 | 湿度、塩水噴霧、摩耗を試験 | MIL-C-48497 / MIL-PRF-13830B |
よくある質問
フィルタは湿度と塩水噴霧試験に合格しますか？
イオンアシスト硬質酸化物コーティングは合格する。すべての出荷には湿度、密着性、摩耗、および塩水噴霧の結果を含めることができ、アプリケーションが要求する場合、部品は定期的にMIL方式の試験方法に対して認定される。
センサ窓またはカバーガラスにラミネートされたフィルタを提供できますか？
はい、0.3 mmまでの薄い基板へのコーティングにより直接ラミネートまたは接合が可能である。コーティング応力と組立の熱サイクルをともに考慮できるよう、接着剤または接合方法を見積もり時に明示する。
波長公差はどの程度厳しくできますか？
±5 nmは日常的なものであり、±2 nmは精密結像部品で達成可能である。それより厳しくすると、通常、測定による部品の選別が必要となり、コストが急増する。