IR Windows イノベーション: 赤外線 Windows で 2024 年を強化

著者: Pradyumn – 研究開発インターン

編集者: Qu Yingli – 研究開発ディレクター

編集者: Bryan Ng – マーケティング マネージャー

光学窓は、材質に基づいて特定の波長の光のみを透過させるように設計された選択透過性部品です。これらの窓は、光学的な透明度を維持し、環境条件に耐え、透過光の歪みや変化を最小限に抑えるように綿密に設計されています。主に、繊細な光学部品の保護、測定の容易化、さまざまな用途における観察や画像化に使用されます。

1. 光学窓と材料の紹介

光学窓は、特定の波長の光を透過させながら、他の波長の光を反射、吸収、または遮断します。光学窓は、溶融石英、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、幅広い材料で作ることができます。

これらの材料はそれぞれ独自の透過特性を持ち、用途に応じて選択されます。窓基板の透過率、屈折率、硬度といった材料特性は、用途に最適な窓を決定する上で重要な要素となります。赤外線窓（IRウィンドウ）について詳しく説明する前に、他の種類の光学窓について簡単に触れ、このカテゴリー全体をより深く理解しましょう。

1.1 他のウィンドウの簡単なチュートリアル

可視光スペクトル（350nm～750nm）における透過性に関しては、N-BK7と溶融石英が光学窓の基板として一般的に使用されています。溶融石英は高い耐熱衝撃性と高いLIDT（レーザー誘起損傷閾値）を有するため、高出力レーザー光学系、可視光イメージングシステム、分光法などの用途に最適です。

表1： Wavelength Opto-Electronic 溶融石英（WFSシリーズ）およびN-BK7（WBKシリーズ） Windows

一方、N-BK7は、可視光領域（約350～2200nm）における光透過率に優れているため、カメラレンズや光学フィルター、汎用可視光光学部品などに使用できます。 BK7 は比較的硬く、優れた耐傷性を示します。 ただし、精密ミラーなどの温度に敏感な用途には推奨されません。

2. IRウィンドウ

赤外線スペクトル領域での用途には、 ZnSe、Al₂O₃、Si、Geなどの材料が使用されます。最適な赤外線透過窓は、すべての赤外線を損失なく透過させる必要があります。このような窓は通常、圧力や温度が異なる環境を分離しつつ、特定の電磁波長の光エネルギーを2つの環境間で透過させるために使用されます。

表2： Wavelength Opto-Electronic Al₂O₃（WSPシリーズ）およびZnSe（WZシリーズ）ウィンドウ

さらに、カバーを取り外すことなく、通電中の通電コンポーネントや電気キャビネット内の接続を検査できるようになります。 これらの窓を産業目的で使用する場合、設置される機器に特有の必要な強度と環境基準を確実に満たすことが重要です。これらの窓には、適切な設置を可能にするさまざまなサイズと厚さがあります。

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）、短波長赤外線（SWIR）、中波長赤外線（MWIR）、長波長赤外線（LWIR）、遠赤外線（FIR）に分類されます。赤外線領域での用途では、ゲルマニウム（ Ge）が光学窓の基板材料としてよく使用されます。溶融石英やN-BK7などの他の材料は、電磁スペクトルの可視光領域と紫外線領域の光の波長を透過させますが、GeとSiは紫外線と可視光に対しては不透明ですが、赤外線領域では広い透過範囲を持ちます。

Al₂O₃、ZnSe、硫化亜鉛（ZnS）、CaF₂などの材料は、 CaF₂とAl₂O₃では紫外線から中赤外線まで、 ZnSeとZnSでは可視光から長波長赤外線までという広い透過帯域を有しています。したがって、赤外線のみの透過を必要とする用途では、GeまたはSiの窓を使用する必要があります。

2.2 Ge IRウィンドウとアプリケーション

透過特性からわかるように、ゲルマニウム（Ge）は2µm以上の波長に対して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～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、耐擦傷性、空気、水、アルカリ、各種酸に対する不活性性も備えています。比較的高い密度（5.323 g/cm³）は^、重量が制約となる用途において考慮すべき点です。

さらに、ゲルマニウムの透過特性は温度によって大きく影響を受けます。温度が100℃に達すると吸収が増加し、ゲルマニウムはほぼ不透明になり、200℃では透過特性を完全に失います。ゲルマニウムの光学窓は、防衛・航空宇宙産業、生命科学・医療科学、産業用OEM、その他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。屈折特性により、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、ゲルマニウムは赤外線窓やレンズとして一般的に使用されています。

Geウィンドウの一般的な用途の1つは、低出力CO2レーザーシステムです_。LIDT（レーザー誘起損傷閾値）が10 J/cm2である^Geウィンドウは、高出力または連続波（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、100℃を超えると透過特性が劇的に低下し、最終的には600℃近くまで温度が上昇すると基板自体が損傷してしまうためです。一方、ARコーティングされたGeは、低出力パルスレーザー構成には適しています。特に注目すべき用途の1つは、ハイエンド材料科学で使用される量子カスケードレーザー（QC）です。

2.3 Si IRウィンドウとアプリケーション

Geに加えて、Siも赤外線窓材として広く使用されています。Siは最も硬い鉱物の一つであり、近赤外線（1µm）から約6µmまでの波長域で使用可能な光学材料です。光学品質のSiは、透過波長帯における吸収帯を防ぐために、通常ドーピング（5～40Ω・cm）されます。SiはGeよりも屈折率が低く、密度も低いため、軽量な光学設計が可能になります。

Siは、3～5µm（MWIR）波長帯の窓材や光学フィルターの基板として理想的であり、その低密度（ GeやZnSeの半分）は、重量が重要な用途、特に3～5µmの波長帯の用途に最適です。密度は2.329 g/cm³、ヌープ硬度は1150であり^、 Geよりも硬く、脆性も低くなっています。

シリコンは熱伝導率が高いため、ゲルマニウムに比べて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。しかし、透過率プロファイルからわかるように、シリコンは9µm付近に強い吸収帯を持つため、CO₂レーザー用途には適していませ_ん。

シリコンウィンドウは様々な用途で使用されています。熱画像装置の不可欠な構成要素であり、物体や環境の温度変化を検出することを可能にします。また、様々な材料の組成を分析するための赤外線分光装置や、標的検出や暗視ゴーグルなどの防衛・セキュリティ産業でも広く使用されています。

2.4 GeとSiのIRウィンドウの違い

SiとGeは、窓技術をはじめとする様々な用途で使用される半導体材料です。両者の主な違いは、物理的特性と光学特性にあります。Si窓は短波赤外線（SWIR）と中波赤外線（MWIR）において優れた透過性を示しますが、長波赤外線（LWIR）では効率が劣ります。一方、Ge窓はLWIRにおいて優れた赤外線透過性を持ち、熱画像や赤外分光法などの用途に最適です。

しかし、Geは一般的にSiよりも高価で壊れやすいという欠点があります。Siは地表でよく見られる化合物です。一方、Geは鉛、銀、銅の鉱床に多く含まれる希少物質です。さらに、Geの加工コストはSiよりも高く、そのためGeはより高価な化合物となっています。SiウィンドウとGe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具体的な要件によって異なります。 

3. ウィンドウコーティング

反射防止（AR）コーティングは、目的とする波長範囲での透過率を最大化するために、光学窓によく施されます。ほとんどのARコーティングは非常に耐久性が高く、物理的損傷と環境的損傷の両方に対する耐性を備えています。これらの理由から、透過型光学部品の大部分には何らかの反射防止コーティングが施されています。

ウィンドウ用のARコーティングを選択する際には、特定の用途における動作スペクトル範囲全体を十分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性能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、システムの性能が低下する可能性があります。GeウィンドウにはARコーティングの使用をお勧めします。

4. 結論

光学窓は光学産業において極めて重要であり、様々な用途で幅広く使用されています。透過特性に基づいて特定の波長の光を遮断する光学窓として、様々な材料が用いられます。ZnSe 、ZnS、Al₂O₃、CaF₂などは、可視光および赤外線スペクトルの光を透過させる窓に用いられる化合物の例です。一方、GeやSiは、赤外線スペクトルの波長のみを透過させる用途に適しています。

さまざまな要因が、特定の用途にどの材料を選択すべきかに影響を与える可能性があります。 これには、伝送範囲に加えて、密度、硬度、動作温度、動作の性質、コストなどの要素が含まれます。 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変更して、目的の適用範囲内に収めることができます。 進化し続ける光学分野において、光学窓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ゲートウェイとして機能します。

Wavelength Opto-Electronic 当社は、標準仕様から高精度仕様まで、様々な材質の光学窓を設計・製造しています。豊富な経験を持つ当社のエンジニアと最先端の設備により、包括的な計測技術に基づき測定・試験を実施し、高品質な光学窓をお届けいたします。