JP2019036732A

JP2019036732A - Ｍｗｉｒ／ｌｗｉｒ透明伝導性コーティング

Info

Publication number: JP2019036732A
Application number: JP2018153348A
Authority: JP
Inventors: ディーンシュワルツブラッドリー; Dean Schwartz Bradley
Original assignee: Goodrich Corp
Current assignee: Goodrich Corp
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2038-08-17
Also published as: EP3453783A3; EP3453783A2; JP7226939B2; US10444409B2; US20190056532A1

Abstract

【課題】光学システムが提供される。【解決手段】光学システム（１０）は、ハウジング（１２）と、ハウジング（１２）内に収容された撮像デバイス（１４）と、ハウジング（１２）を撮像デバイス（１４）まで通る光路を与えるハウジング（１２）内のウィンドウ（１００）とを含む。ウィンドウ（１００）は透明基材（１０２）と透明基材（１０２）上のコーティング（１０４）とを含む。コーティング（１０４）は導電性半導体で形成されている。ＭＷＩＲ及び／またはＬＷＩＲ波長のうちの少なくとも一方に対して、撮像デバイス（１４）は高感度であり、コーティング（１０４）は透明である。【選択図】図４

Description

本開示は、光学コーティング、より詳細には導電性光学コーティングに関する。

電気光学（ＥＯ）システムでは、センサ及びエレクトロニクスを外部環境から保護するウィンドウが必要である。雨、ホコリなどに加えて、多くの場合に、ウィンドウは、そうしなければＥＯシステム性能を妨げる電磁妨害（ＥＭＩ）もブロックしなければならない。

ＥＭＩ遮蔽は導電性かつ光透過性のウィンドウを用いて行なうことができる。従来は３つのタイプの遮蔽がある。

第１のタイプのＥＭＩ遮蔽ウィンドウは、半導体材料（たとえば、ケイ素またはゲルマニウム）にＶ族元素（たとえば、リン、ヒ素、またはアンチモン）をドープしたものを用いて付加的な電子を供給し、導電性を得ている。これらのウィンドウは可視波長に対しては不透明であるため、広帯域のＥＯシステムに対しては有用ではない。

第２のタイプの遮蔽ウィンドウは、連続した透明な伝導性コーティングを用いている。これらのコーティングは、ワイドバンドギャップ半導体からなり、たとえば、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）（広帯域の光透過性を有する）である。半導体にドープして導電性を得ている。しかし、ドーピングが増えて導電性及びＥＭＩ減衰が増すと、光透過度が減る。この効果は、電子からのフリーキャリア吸収及びプラズマ反射の両方によって透過率が減少するより長い波長において始まる。従来の透明な伝導性半導体コーティングは、０．４〜２．０ミクロン範囲（短波長可視から短波長赤外（ＳＷＩＲ）まで）においてのみ実用的である。

第３のタイプの遮蔽ウィンドウは従来、可視から長波長赤外（ＬＷＩＲ）までの広帯域応用例に対して必要とされている。微細な金属線の格子がウィンドウの表面に付与される。典型的な寸法は５ミクロン幅ラインで１４０ミクロン間隔である。これらの格子状ウィンドウによって、広波長範囲に渡って光透過が可能になるが、不透明化及び散乱によって光透過が制限される。

米国特許第９，２７６，０３４号には、伝導性格子からの光散乱を低減するための方法が示されている。経路をウィンドウ基材中にエッチングして、ウィンドウの表面が平坦になるように経路内に導電性半導体を堆積させる。半導体は、可視及び短波長赤外（ＳＷＩＲ）波長に対しては透明であるが、中波長赤外（ＭＷＩＲ）及びより長い波長に対しては反射及び吸収する。屈折率が基材のそれに近い半導体を用いて、格子線からの光散乱を最小限にする。代替的に、ドープされた導電性半導体格子を、屈折率が近くて広帯域の光透過性を伴うアンドープの半導体コーティング内に埋め込むことができる。

従来技術は、その使用目的に対しては満足のいくものであると考えられている。しかし導電性光学コーティングの改良が、たとえばＭＷＩＲ及びＬＷＩＲ光学部品に対して、常に求められている。本開示ではこの問題に対する解決方法を示す。

ウィンドウが、透明基材と透明基材上のコーティングとを含んでいる。コーティングは、ＭＷＩＲ及び／またはＬＷＩＲ波長のうちの少なくとも一方に対して透明な導電性半導体で形成される。

コーティングはそのピーク透過がＭＷＩＲ波長内にあることができる。透明基材は、サファイア、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、及び／またはスピネルを含むことができる。

コーティングはＬＷＩＲ波長において透明であることができる。透明基材はＺｎＳ及び／またはＺｎＳｅのうちの少なくとも一方を含むことができる。

コーティングには、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、及び／またはＩｎＡｌＡｓを含むことができる。コーティングにＴｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｉ、またはＳｎをドープして付加的な電子を供給し、導電性を増加させることができる。コーティングを透明基材内または基材上のベースコーティング内にパターンで埋め込むことができる。パターンには格子を含むことができる。コーティングと、基材またはベースコーティングとは、パターンを通る光散乱を軽減するように屈折率が厳密に一致することができる。コーティングは、シート抵抗が２００オーム／スクェア未満とすることができる。反射防止コーティングをコーティング上に含めることができる。

光学システムが、ハウジングと、ハウジング内に収容された撮像デバイスと、ハウジングを撮像デバイスまで通る光路を与えるハウジング内のウィンドウとを含む。ウィンドウには透明基材と透明基材上のコーティングとが含まれる。コーティングは導電性半導体で形成されている。ＭＷＩＲ及び／またはＬＷＩＲ波長のうちの少なくとも一方に対して、撮像デバイスは高感度であり、コーティングは透明である。

光学システム用のウィンドウを製造する方法は、透明基材上にコーティングを形成することを含む。コーティングを透明基材上にフィルムとして形成することは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、蒸着、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、化学スプレー熱分解、化学気相成長法（ＣＶＤ）、及び／またはエアロゾルアシストＣＶＤのうちの少なくとも１つによって可能である。

主題の開示のシステム及び方法のこれら及び他の特徴は、図面とともに取り入れた好ましい実施形態の以下の詳細な説明から当業者により容易に明らかになる。

主題の開示が属する分野の当業者であれば、主題の開示のデバイス及び方法の製造及び使用方法が、必要以上の実験作業を伴わずに容易に理解できるように、本明細書ではその好ましい実施形態をある特定の図を参照して以下に詳細に説明する。

本開示により構成されたウィンドウの典型的な実施形態の概略的な側面図であり、透明基材、導電性半導体コーティング、及び反射防止コーティングを示す図である。本開示により構成されたウィンドウの別の典型的な実施形態の概略的な側面図であり、透明基材内にパターンで埋め込まれた導電性半導体コーティングを示す図である。図２のウィンドウの概略的な平面図であり、二次元パターンを示す図である。図１に示すようなウィンドウを取り入れた撮像システムの概略図である。

次に、同様の参照符号は主題の開示の同様の構造的特徴または態様を特定する図面を参照する。説明及び例示を目的として、また限定を目的とすることなく、開示による撮像システムに対するウィンドウの典型的な実施形態の部分図を図１に示し、参照文字１００によって全般的に指定する。開示またはその態様によるウィンドウの他の実施形態を図２〜４に示す。これについては説明する。本明細書で説明するシステム及び方法を用いて、ウィンドウに、撮像システム対する電磁妨害（ＥＭＩ）遮蔽を与えることができる。

ウィンドウ１００は、透明基材１０２と、透明基材１０２上のコーティング１０４とを含んでいる。コーティング１０４は導電性半導体で形成されている。導電性半導体は、中波長赤外（ＭＷＩＲ）及び／または長波長赤外（ＬＷＩＲ）波長のうちの少なくとも一方に対して透明である。たとえば、実施形態において、コーティング１０４はそのピーク透過がＭＷＩＲ波長内にあり、透明基材１０２には、サファイア、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、及び／またはスピネルが含まれる。コーティングにＴｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｉ、またはＳｎをドープして付加的な電子を供給して、導電性を増加させることができる。このピーク透過に対する好適なコーティング１０４はＩｎＡｓ、ＴｅドープされたＩｎＡｓフィルム（ＩｎＡｓ：Ｔｅ）である。これは、３〜１２ミクロン範囲において吸収が低く、ピーク透過は、反射防止（ＡＲ）コーティングがない状態で、４．６〜５．１ミクロンにおいて８０％を超える。コーティング１０４上に任意の反射防止コーティング１０６を設けると、ウィンドウ１００を通る透過率が増加する。この応用例に対する他の好適なコーティング材料には、ＩｎＧａＡｓ及び／またはＩｎＡｌＡｓが含まれる。これらの材料によって、コーティング１０４はシート抵抗が２００オーム／スクェア未満となることができ、電子易動度は撮像デバイスに対するＥＭＩ遮蔽をもたらすのに十分となる。

またコーティング１０４はＬＷＩＲ波長において透明であることができ、たとえばそのピーク透過がＬＷＩＲ波長内にあることができると考えられる。このような応用例に対する透明基材１０２には、ＺｎＳ及び／またはＺｎＳｅのうちの少なくとも一方を含むことができる。ＩＩＩ族元素（たとえば、アルミニウムまたはガリウム）をＩｎＡｓに加えることによって、バンドギャップが大きくなり、より短い波長に対する透過が拡大された化合物（ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ）が形成される。しかし、このような材料はＩｎＡｓよりも電子移動度が小さく、長波長透過が低いと予想される。したがって、ＬＷＩＲ透過に対してＳＷＩＲとＭＷＩＲとの間には妥協が存在する。

コーティング１０４は透明基材１０２上にフィルムとして形成される。これは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、蒸着、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、化学スプレー熱分解、化学気相成長法（ＣＶＤ）、エアロゾルアシストＣＶＤ、及び／または任意の他の好適なプロセスによって行うことができる。

次に図２を参照して、ウィンドウ２００の別の典型的な実施形態を透明基材２０２とともに示す。コーティング２０４は、透明基材２０２内にパターンで埋め込まれている。反射防止コーティング２０６を、基材２０２及びコーティング２０６のパターニングされた表面上に任意で含めることができる。図３に示すように、パターンには、格子または任意の他の好適なパターンを含めることができる。コーティング２０４と、基材２０２または基材上のベースコーティングとは、パターンを通る光散乱を軽減するように屈折率が厳密に一致することができる。パターンによって、ウィンドウ２００の透明度をＭＷＩＲ及びＬＷＩＲ波長を超えて拡大することができる、たとえば、少なくとも多少のＥＭＩ遮蔽に対する導電性をやはり与える可視波長内にすることができる。

応用例に対してバランスされたより広い帯域となるようにＥＭＩ遮蔽と透明度との間のトレードオフを伴って、パターンを所定の応用例に対して選択することができる。たとえば、可視及びＳＷＩＲ波長は格子がない場所（基材２０２がコーティング２０４の格子で覆われていない格子ラチス間）を透過することができ、格子自体はＭＷＩＲ及びＬＷＩＲ波長に対して透明とすることができる。さらに、格子線を、近い屈折率（５ミクロンにおいてｎ＝３．５）を伴うベースコーティング内または基材２０２自体内に埋め込んだ場合、格子からの回折は非常に小さくなる。透過率とシート抵抗との間には妥協が存在する。なぜならば、格子によって覆われる表面積が連続コーティングよりも小さいからである。

次に図４を参照して、光学システム１０は、ハウジング１２と、ハウジング内に収容された撮像デバイス１４と、ハウジング１２を撮像デバイス１４まで通る光路（図４に破線で示す）を与えるハウジング１２内の前述したウィンドウ１００と、を含む。撮像デバイス１４には光学部品１６が含まれている。光学部品１６は、画像を形成するために画像センサ１８に光学的に結合されている。ウィンドウ１００とハウジングとによって、内部の構成部品（たとえば、撮像デバイス１４）に対するＥＭＩ遮蔽が得られる。ＭＷＩＲ及び／またはＬＷＩＲ波長のうちの少なくとも一方に対して、撮像デバイス１４のセンサ１８は高感度であり、コーティングは透明である。センサ１８がＭＷＩＲ波長においてのみ高感度である（すなわち、そのピーク感度がＭＷＩＲ波長内にある）場合、ウィンドウ１００は、たとえば前述したような構成を用いて、ＭＷＩＲ波長においてのみ透明であれば良い。センサ１８がＬＷＩＲ波長に対してのみ高感度である場合、ウィンドウ１００は、たとえば前述したような構成を用いて、ＬＷＩＲ波長においてのみ透明であれば良い。センサ１８がＭＷＩＲ及びＬＷＩＲにおける画像化を対象としている場合、ウィンドウ１００を、ＭＷＩＲ及びＬＷＩＲ波長の両方において透明度が得られるように、前述したように構成することができる。システム１０を、図１に示すような連続フィルムコーティング１０４を伴うウィンドウ１００を用いて説明し図示しているが、本開示の範囲から逸脱することなく、パターニングされたコーティング２０６を伴う図２〜３のウィンドウ２００を用いることができる。

本開示の本方法及びシステムによって、前述したようにまた図面に示すように、ＭＷＩＲ及び／またはＬＷＩＲ光透過を含む優れた特性を伴う導電性コーティングが得られる。主題の開示の装置及び方法を、好ましい実施形態を参照して図示し説明してきたが、当業者であれば容易に分かるように、主題の開示の範囲から逸脱することなく変形及び／または変更を施してもよい。

Claims

透明基材と、
前記透明基材上のコーティングであって、導電性半導体で形成され、ＭＷＩＲ及び／またはＬＷＩＲ波長のうちの少なくとも一方に対して透明である前記コーティングと、
を含むウィンドウ。
前記コーティングはそのピーク透過がＭＷＩＲ波長内にある請求項１に記載のウィンドウ。
前記透明基材には、サファイア、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、及び／またはスピネルが含まれる請求項２に記載のウィンドウ。
前記コーティングはＬＷＩＲ波長において透明である請求項１に記載のウィンドウ。
前記透明基材にはＺｎＳ及び／またはＺｎＳｅのうちの少なくとも一方が含まれる請求項４に記載のウィンドウ。
前記コーティングにはＩｎＡｓが含まれる請求項１に記載のウィンドウ。
前記コーティングには、Ｔｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｉ、及び／またはＳｎのうちの少なくとも１つがドープされる請求項１に記載のウィンドウ。
前記コーティングにはＩｎＧａＡｓが含まれる請求項１に記載のウィンドウ。
前記コーティングにはＩｎＡｌＡｓが含まれる請求項１に記載のウィンドウ。
前記コーティングは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、蒸着、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、化学スプレー熱分解、化学気相成長法（ＣＶＤ）、及び／またはエアロゾルアシストＣＶＤのうちの少なくとも１つによって、前記透明基材上のフィルムとして形成される請求項１に記載のウィンドウ。
前記コーティングは前記透明基材中にパターンで埋め込まれている請求項１に記載のウィンドウ。
前記パターンには格子が含まれる請求項１１に記載のウィンドウ。
前記コーティングと基材とは、前記パターンを通る光散乱を軽減するように屈折率が厳密に一致している請求項１１に記載のウィンドウ。
前記伝導性コーティングは前記透明基材上の透明コーティング中にパターンで埋め込まれている請求項１に記載のウィンドウ。
前記コーティングと透明なベースコーティングとは、前記パターンを通る光散乱を軽減するように屈折率が厳密に一致している請求項１４に記載のウィンドウ。
前記コーティング上の反射防止コーティングをさらに含む請求項１に記載のウィンドウ。
前記コーティングはシート抵抗が２００オーム／スクェア未満である請求項１に記載のウィンドウ。
ハウジングと、
前記ハウジング内に収容された撮像デバイスと、
前記ハウジングを前記撮像デバイスまで通る光路を与える前記ハウジング内のウィンドウであって、
透明基材と、
前記透明基材上のコーティングであって、前記コーティングは導電性半導体で形成され、ＭＷＩＲ及び／またはＬＷＩＲ波長のうちの少なくとも一方に対して、前記撮像デバイスは高感度であり、前記コーティングは透明である、前記コーティングと、を含む前記ウィンドウと、
を含む光学システム。
前記コーティングはそのピーク透過がＭＷＩＲ波長内にあり、前記撮像デバイスはＭＷＩＲ波長に対して高感度である請求項１８に記載のシステム。
前記コーティングはＬＷＩＲ波長において透明であり、前記撮像デバイスはＬＷＩＲ波長に対して高感度である請求項１８に記載のシステム。
光学システム用のウィンドウを製造する方法であって、
透明基材上にコーティングを形成することであって、前記コーティングは、ＭＷＩＲ及び／またはＬＷＩＲ波長のうちの少なくとも一方に対して透明な導電性半導体フィルムである、形成すること、を含む前記方法。