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IR ウィンドウのイノベーション: IRウィンドウで 2024 年を強化

著者: Pradyumn ? R&D インターン
編集者: Qu Yingli ? R&D ディレクター
編集者: Bryan Ng ? マーケティング マネージャー
公開日: 2023 年 10 月 17 日
最終編集日: 2024 年 6 月 21 日




　　　　　　　　IRウィンドウ

光学ウィンドウは、材質に基づいて特定の波長の光を通過させるように設計された選択的に透明なコンポーネントです。これらのウィンドウは、光学的な透明性を維持し、環境条件に耐え、通過する光の歪みや変化を最小限に抑えるように慎重に設計されています。これらは主に、繊細な光学コンポーネントを保護し、測定を容易にし、さまざまなアプリケーションでの観察や画像化を可能にするために使用されます。

1.光学ウィンドウと材料の紹介

光学ウィンドウは、特定の波長を透過させながら、他の波長を反射、吸収、またはブロックします。光学ウィンドウは、溶融シリカ、シリコン、フッ化カルシウム (CaF2)、ゲルマニウム (Ge)、塩化カリウム (KCl)、臭化カリウム (KBr)、サファイア (Al2O3)、N-BK7、セレン化亜鉛 (ZnSe) など、さまざまな材料から作ることができます。
これらの材料にはそれぞれ独自の透過プロファイルがあり、用途に応じて選択されます。透過率、屈折率、ウィンドウ基板の硬度などの材料特性は、どのウィンドウが用途に最適かを判断する上で重要です。赤外線ウィンドウ (IR ウィンドウ) について詳しく説明する前に、他の種類の光学ウィンドウをざっと見て、カテゴリ全体をよりよく理解しましょう。

型名 波長(nm) 材料 直径(mm) 厚み(mm) 応用
WFS-170-3 1030-1090 溶融石英 170.0 3.0 保護窓
WFS-150-3 1030-1090 溶融石英 150.0 3.0 保護窓
WFS-140-4 1030-1090 溶融石英 140.0 4.0 保護窓
WFS-110-3 1030-1090 溶融石英 110.0 3.0 保護窓
WFS-110-2.5 1030-1090 溶融石英 110.0 2.5 保護窓
WFS-104-3U 343-355 溶融石英 104.0 3.0 保護窓
WFS-104-3 1030-1090 溶融石英 104.0 3.0 保護窓
WFS-90-3U 343-355 溶融石英 90.0 3.0 保護窓
WFS-70-9.5 1030-1090 溶融石英 70.0 9.5 保護窓
WFS-55-1.5 1030-1090 溶融石英 55.0 1.5 保護窓

　　　　　　　　　　　表 1: 溶融石英 (WFS シリーズ) と N-BK7 (WBK シリーズ) ウィンドウ

一方、N-BK7 は、可視スペクトル (約 350 〜 2200 nm) で優れた光透過率を示すため、カメラ レンズ、光学フィルター、汎用可視光光学系に使用できます。BK7 は比較的硬く、傷に強いという特徴もあります。ただし、精密ミラーなどの温度に敏感な用途にはお勧めできません。 UV グレードの溶融シリカには、UV 範囲 (約 175 〜 400 nm) での高い光透過率、UV 領域での低い吸収と蛍光などの特性もあります。これらの特性により、UV 分光法、エキシマ レーザー光学系、半導体リソグラフィーなどの UV スペクトル内の用途に適しています。
フッ化カルシウムは、スペクトル範囲が広く、非複屈折特性のため深紫外線から赤外線までの用途に使用できるため、UV 光学系にも使用できます。また、屈折率が低いため、AR (反射防止) コーティングなしでも使用できます。 0.25〜7μm の範囲で 90% を超える透過率を持ち、吸収率が低く損傷閾値が高いため、エキシマ レーザー光学系によく使用されます。CaF2 は熱膨張係数が高いため、動作温度環境が高い用途には適していません。

仕様1：光学ガラスウィンドウ


2. IRウィンドウ

図1: IRウィンドウ図

IR スペクトル内のアプリケーションでは、セレン化亜鉛(ZnSe)、サファイア、シリコン、ゲルマニウムなどの材料が使用されます。最適な IR ウィンドウは、すべての赤外線を損失なしで通過させる必要があります。このようなウィンドウは通常、さまざまな圧力または温度の環境を分離し、指定された電磁波長の光エネルギーを 2 つの環境間で通過させるために使用されます。


表 2: サファイア (WSP シリーズ) および ZnSe (WZ シリーズ) ウィンドウ

型名 波長(nm) 材料 直径(mm) 厚み(mm) 応用
WSP-1-3 1064/750 サファイヤ 25.4 3.0 医用レーザ
WSP-15.7-1.1 1064/750 サファイヤ 15.7 1.1 医用レーザ
WZ-0.5-2 10600/9400 ZnSe 12.7 3.0 保護窓
WZ-0.75-3 10600/9400 ZnSe 19.1 3.0 保護窓
WZ-1-3 10600/9400 ZnSe 25.4 3.0 保護窓
WZ-1.1-3 10600/9400 ZnSe 27.9 3.0 保護窓
WZ-1.5-3 10600/9400 ZnSe 38.1 3.0 保護窓
WZ-2-5 10600/9400 ZnSe 50.8 5.0 保護窓
WZ-15x18-1 10600/9400 ZnSe 15.0 x 18.0 1.0 保護窓
WZ-18-2 10600/9400 ZnSe 18.0 2.0 保護窓

これらのウィンドウは、フレームにセットされた透明および赤外線素材の特殊なウィンドウガラスで構成されています。このようなウィンドウは、FTIR (フーリエ変換赤外線) 分光法、FLIR (前方監視赤外線)、医療システム、熱画像、および IR スペクトル内のその他のさまざまなアプリケーションでよく使用されます。
サーモグラフィーおよび赤外線画像アプリケーションでは、IR ウィンドウは、回路ブレーカー、スイッチ、配電盤、配電装置、変圧器などのさまざまな配電機器の電気的な故障、障害、または熱漏れによって生じるホット スポットを特定するために広く使用されています。これらのウィンドウは、人員の安全と機器の保護の両方を確保するためにも使用されます。

仕様 2: ZnSe ウィンドウ


図 2: サーマル イメージング モニタリング

さらに、カバーを取り外すことなく、電気キャビネット内の通電中のコンポーネントや接続部を検査できます。これらのウィンドウを産業用途で使用する場合は、設置する機器に固有の必要な強度と環境基準を満たすことを確認することが重要です。これらのウィンドウは、適切な設置を可能にするために、さまざまなサイズと厚さで提供されています。


2.1 IR ウィンドウと他のウィンドウの違い

赤外線は、近赤外線 (NIR)、短波長 (SWIR)、中波長 (MWIR)、長波長 (LWIR)、遠赤外線 (FIR) で構成されます。赤外線領域内のアプリケーションでは、光学ウィンドウの基板材料としてゲルマニウムがよく使用されます。可視光線と紫外線領域の電磁スペクトルの波長を透過できる溶融シリカや N-BK7 などの他の材料とは異なり、ゲルマニウムとシリコンは紫外線と可視光線に対して不透明ですが、赤外線領域では広い透過範囲を持っています。 サファイア、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、フッ化カルシウムなどの材料は、フッ化カルシウムとサファイアの場合は紫外線から MWIR まで、セレン化亜鉛と硫化亜鉛の場合は可視光線から LWIR まで、広い透過帯域を持っています。したがって、赤外線波のみの透過を必要とするアプリケーションでは、ゲルマニウムまたはシリコンのウィンドウを使用する必要があります。


2.2 ゲルマニウムIRウィンドウとアプリケーション

図 3: ゲルマニウム透過プロファイル

透過プロファイルからわかるように、ゲルマニウムは 2μm を超える波長のロングパス フィルターとして機能します。屈折率が高い (2μm から 14μm で 4.0) ため、色収差が最小限に抑えられ、反射防止コーティングが施されています。さらに、傷がつきにくく、空気、水、アルカリ、さまざまな酸に対して不活性です。密度が比較的高い (5.323 g/cm3) ため、重量が制限される用途では考慮する必要があります。

型名 波長(nm) 材料 直径(mm) 厚み(mm) 応用
WGE-1.5-3-BB 8000-12000 Ge 38.1 3.0 保護窓
WGE-1.5-5-BB 8000-12000 Ge 38.1 5.0 保護窓
WGE-2-3-BB 8000-12000 Ge 50.8 3.0 保護窓
WGE-25-3-BB 8000-12000 Ge 25.0 3.0 保護窓
WGE-30-3-BB 8000-12000 Ge 30.0 3.0 保護窓
WGE-35-3-BB 8000-12000 Ge 35.0 3.0 保護窓
WGE-36-2-BB 8000-12000 Ge 36.0 2.0 保護窓
WGE-38-3-BB 8000-12000 Ge 38.0 3.0 保護窓
WGE-42-2-BB 8000-12000 Ge 42.0 2.0 保護窓
WGE-45-3-BB 8000-12000 Ge 45.0 3.0 保護窓

表 3: ゲルマニウム IR (WGE シリーズ) ウィンドウ


さらに、ゲルマニウムの透過特性は温度によって大きく左右されます。温度が 100°C に達すると、吸収が増加してゲルマニウムはほぼ不透明になり、200°C では透過特性がすべて失われます。ゲルマニウム光学ウィンドウは、防衛および航空宇宙産業、生命科学および医学、産業 OEM、その他のさまざまな赤外線アプリケーションで広く利用されています。屈折により、広角レンズや顕微鏡に適しています。熱画像システムでは、ゲルマニウムは IR ウィンドウとレンズによく使用されます。

　　　　　

レーザ彫刻

ゲルマニウム ウィンドウの一般的な用途の 1 つは、低出力 CO2 レーザ システムです。LIDT (レーザー誘起損傷閾値) が 10 J/cm2 のゲルマニウム ウィンドウは、高出力レーザーや連続波 (CW) レーザーには適していません。その理由の 1 つは、高出力レーザーは温度上昇を引き起こし、100oC を超えると透過特性が劇的に低下し、600oC 近くの温度に達すると最終的に基板自体が損傷するからです。一方、AR コーティングされたゲルマニウムは、低出力パルス レーザ セットアップに適しています。特に注目すべき用途の 1 つは、ハイエンドの材料科学で使用される量子カスケード レーザ (QC) です。


2.3 シリコン IR ウィンドウとアプリケーション

ゲルマニウムに加えて、シリコン (Si) も IR ウィンドウに広く使用されています。シリコンは、NIR (1μm) から約 6μm で使用できる最も硬い鉱物および光学材料の 1 つです。光学品質シリコンは通常、透過波長帯内の吸収帯を防ぐためにドープされています (5 〜 40 オーム-cm)。シリコンはゲルマニウムよりも屈折率が低く、密度が低いため、軽量な光学設計が可能です。

　　　　

図 4: シリコンの透過プロファイル

シリコンは、3 〜 5μm (MWIR) 波長帯のウィンドウや光学フィルターの基板として最適です。また、シリコンの低密度 (ゲルマニウムやセレン化亜鉛の半分) は、重量に敏感な用途、特に 3 〜 5μm の範囲の用途に最適です。密度は 2.329 g/cm3、ヌープ硬度は 1150 で、ゲルマニウムよりも硬く、脆くありません。 シリコンは熱伝導率が高いため、ゲルマニウムよりも高出力レーザーに適しています。これは、産業検査や監視などの分野で特に重要です。ただし、透過プロファイルからわかるように、シリコンは 9μm に強い吸収帯があり、CO2 レーザー用途には適していません。

　　　　

監視


2.4 ゲルマニウムとシリコンの IR ウィンドウの違い

シリコンとゲルマニウムはどちらも、ウィンドウ技術を含むさまざまなアプリケーションで使用される半導体材料です。主な違いは、物理的特性と光学的特性にあります。シリコン ウィンドウは、SWIR と MWIR で優れた透過性を提供しますが、LWIR では効率が低くなります。一方、ゲルマニウム ウィンドウは LWIR に対して優れた赤外線透過性を備えているため、熱画像や赤外線分光アプリケーションに最適です。 ただし、ゲルマニウムは一般にシリコンよりも高価で壊れやすいです。シリコンは、地表でよく見られる化合物です。一方、ゲルマニウムは、鉛、銀、銅の鉱床でよく見られる希少な材料です。さらに、ゲルマニウムの処理コストもシリコンよりも高いため、ゲルマニウムはより高価な化合物になります。シリコン ウィンドウとゲルマニウム ウィンドウのどちらを選択するかは、波長範囲、コスト、機械的耐久性など、アプリケーションの特定の要件によって異なります。


3. ウィンドウコーティング

　　　　

Wavelength Opto-Electronic社 コーティングマシン

光学ウィンドウには、必要な波長範囲での透過率を最大化するために、反射防止 (AR) コーティングが施されることがよくあります。ほとんどの AR コーティングは耐久性も非常に高く、物理的損傷と環境的損傷の両方に耐性があります。これらの理由から、透過型光学部品の大半には、何らかの形の反射防止コーティングが施されています。 ウィンドウに AR コーティングを選択するときは、特定のアプリケーションの全動作スペクトル範囲を徹底的に考慮する必要があります。AR コーティングは光学システムのパフォーマンスを大幅に向上させることができますが、設計波長範囲外の波長でコーティングを使用すると、システムのパフォーマンスが低下する可能性があります。ゲルマニウムウィンドウには AR コーティングを使用することをお勧めします。


4. 結論

表 4: 光学ウィンドウの製造能力

　
公差 標準 高精細 超高精細
材料 ガラス: ホウケイ酸ガラス (BK7)、光学ガラス、溶融シリカ、フッ化物
結晶: ZnSe、ZnS、Ge、GaAs、CaF2、BaF2、MgF2、Si、フッ化物、サファイア、カルコゲニド
金属: Cu、Al、Mo
プラスチック: PMMA、アクリル
寸法 最小: 4 mm, 最大:200 mm
寸法 ±0.25mm ±0.1mm ±0.05mm
厚み ±0.1mm ±0.05mm ±0.01mm
開口径 80% 90% 95%
不規則性（P-V） 2λ λ/4 λ/10
平行度 5arcmin 1arcmin 5arcsec
波長範囲 200nm-14μm 200nm-14μm 190nm-14μm
表面品質 80-50 40-20 10-5
コーティング 広帯域反射防止、狭帯域反射防止  

光学ウィンドウは光学業界で非常に重要であり、さまざまな目的のさまざまなアプリケーションで使用されています。さまざまな材料を光学ウィンドウとして使用して、透過プロファイルに基づいて特定の波長の光をフィルタリングできます。セレン化亜鉛、硫化亜鉛、サファイア、フッ化カルシウムは、可視光と IR スペクトルの光を透過するウィンドウに使用される化合物です。一方、ゲルマニウムとシリコンは、IR スペクトルの波長のみを通過させるアプリケーションで役立ちます。
さまざまな要因が、特定のアプリケーションにどの材料を選択すべきかに影響する可能性があります。透過範囲に加えて、密度、硬度、動作温度、動作の性質、コストなどの要因が含まれます。その他の考慮事項には、反射防止コーティングの追加が含まれます。これにより、透過プロファイルを目的のアプリケーション範囲内に変更できます。進化し続ける光学分野では、光学ウィンドウの重要性は依然として重要であり、光学技術とアプリケーションの可能性を解き放つための入り口として機能します。
Wavelength Opto-Electronic 社は、標準仕様から高精度仕様まで、さまざまな材料の光学ウィンドウを設計および製造しています。当社のエンジニアは豊富な経験と最先端の設備を備えており、当社が製造するウィンドウは、当社の包括的な計測技術によって測定およびテストされ、高品質であることが保証されます。