JP2013196003A - 自己洗浄式の親水性表面を有する赤外線高透過窓 - Google Patents
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Abstract
【課題】比較的小さい波長範囲で光学的に効率が高い集光光学システムであり、かつ保守管理（例えば、観察窓の手作業による洗浄など）を行うことなく長い間、風雨にさらされても耐えることができる集光光学システムを提供する。
【解決手段】光透過窓１００が、赤外波長において透明な誘電体基板１０２を含んでいる。誘電体基板の外部表面上に二酸化チタン塗膜１０４を配設してある。二酸化チタン塗膜は赤外波長のｍ＋２分の１の光学的厚さを有し、ここで、ｍはゼロ以上の整数である。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】光透過窓１００が、赤外波長において透明な誘電体基板１０２を含んでいる。誘電体基板の外部表面上に二酸化チタン塗膜１０４を配設してある。二酸化チタン塗膜は赤外波長のｍ＋２分の１の光学的厚さを有し、ここで、ｍはゼロ以上の整数である。
【選択図】図１Ａ
Description
本発明は、自己洗浄式の親水性表面を有する赤外線高透過窓に関する。
本明細書に記載のさまざまな実施形態は、一般に、親水性表面を有する窓を通って高い赤外線透過を促進する方法、システム、および装置に関する。一実施形態では、光透過窓が、赤外波長において透明な誘電体基板を含んでいる。誘電体基板の外部表面上に二酸化チタン塗膜を配設してある。二酸化チタン塗膜は赤外波長のｍ＋２分の１の光学的厚さを有し、ここで、ｍはゼロ以上の整数を含んでいる。
下記の詳細な論議および添付図面に照らして、さまざまな実施形態の、これらのおよび他の特徴および態様を理解することができる。
下記の議論では次の図面を参照するが、これらの図面では、同じ参照番号を使用して、複数の図面内で類似／同一の構成要素を特定することができる。
本開示は、一般に、所定の波長範囲で作動する光学装置に使用できる窓に関する。物理的環境からの分離を提供することに加えて、窓は、自己洗浄型、かぶり防止型、およびしみ防止型である。このような窓は、例えば、比較的小さい波長範囲で作動する赤外線（ＩＲ）カメラなどの光学装置を取り囲むのに使用できる。このような場合、窓は、たとえ広帯域光学使用（例えば、可視光カメラなど）に対しては準最適となる可能性がある光学性能をもたらす場合でも、自己洗浄特性を最適化する材料および寸法で形成できる。
自己洗浄式の塗膜には、親水性および疎水性の少なくとも２つの異なる技術的アプローチがある。両方の種類の塗膜は、水の作用を用いて、それら自体を洗浄する。疎水性表面の場合には、転がり落ちる水滴が、ごみおよびチリを取り除く。親水性表面の場合には、シート状の水が、ごみを運び去る。本実施形態では、親水性自己洗浄表面として酸化チタン（例えば、二酸化チタン、ＴｉＯ２など）塗膜を使用していると記載している。他の金属酸化物を使用してもよいが、ＴｉＯ２が高効率の光活性を有しており、極めて安定であり、低コストで入手できるため、本明細書に示す実施例ではＴｉＯ２について記載している。
紫外線（ＵＶ）光と組み合わせると、ＴｉＯ２コーティング材は光触媒親水性および光誘起親水性を有している。ＵＶ光は、周囲の太陽光または他のＵＶ光源からである可能性がある。ＴｉＯ２塗膜の親水性は、かぶり、水しみを防ぐとともに、雨水が水滴にならずに洗浄流になるのを促進する。ＴｉＯ２塗膜の光触媒特性が、ごみ、チリ、およびさまざまな有機物の蓄積を防止する。紫外線光で照射すると、ＴｉＯ２表面上で光化学反応が進行する。これは光吸収を引き起こして、その結果、有機物の分解を引き起こす。単位時間当たりに表面に到達する膜を形成する分子数よりも、入射光子数の方が、はるかに多いとき、分解は効率的に行われる。
いくつかの制限とともに、光学コーティング用の耐久性のある薄膜誘電体としてＴｉＯ２層を使用してもよい。ＴｉＯ２塗膜は比較的高い屈折率（約２．６）を有しており、それにより、空気界面で約２０％の単一表面フレネル反射を引き起こす。したがって、窓またはレンズを覆って耐久性のある薄膜誘電体を任意に塗布することは、窓またはレンズの光の透過を大幅に減少させる可能性がある。結果的に、高屈折率が大きな反射を引き起こすせいで、ＴｉＯ２塗膜は、汎用ガラス窓およびレンズ用には不向きである可能性がある。また、ＴｉＯ２の厚い塗膜が、自己洗浄特性を最大にする一方で、いくつかの波長で容認できない減衰をもたらす可能性がある。
提案する実施形態は、上述の自己洗浄特性を提供しながら特定の波長範囲で高い光透過率を実現する外部ＴｉＯ２／空気界面を有する塗膜を利用する。この波長範囲は、近赤外（ＮＩＲ）スペクトル帯などのＩＲスペクトルの一部分を含んでいてもよい。このような特性を有するＴｉＯ２塗膜は、例えば、ＮＩＲ監視カメラなどの応用で役立つ可能性がある。この種類のカメラは、中心波長が７８０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲にあるＮＩＲのＬＥＤ発光体を使用してもよい。ＮＩＲ監視システムは、比較的小さい波長範囲で光学的に効率が高い集光光学システムであり、かつ保守管理（例えば、観察窓の手作業による洗浄など）を行うことなく長い間、風雨にさらされても耐えることができる集光光学システムを必要とする可能性がある。
ここで図１Ａを参照すると、ブロック図は一実施形態の窓１００を示している。窓１００は、少なくとも関心のある光波長（例えば、ＮＩＲなど）で透明である誘電体（例えば、ガラスなど）のシート１０２から形成されるが、他の波長でも同様に透明であってもよい。酸化チタン、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）など、の外部から向き合う塗膜１０４（縮尺通りには図示せず）を形成するための基板としてガラスを使用する。ガラス１０２の表面は、ＴｉＯ２塗膜１０４を塗布する前には、コーティングを施していないか、または反射防止（ＡＲ）コーティングを施してある可能性がある。
小さい所定の波長帯域だけを大きな減衰なしに窓１００を通して透過させる予定である場合には、それらの波長に合わせたＴｉＯ２の厚手の塗膜１０４を塗布することができ、したがって、望ましい物理的特性（例えば、自己洗浄など）を示すとともに、光学アセンブリの残りの部分に任意の望ましい処理を施すことができることが分かっている。ＴｉＯ２塗膜のいくつかの応用では、透過した光に、目に見える効果（例えば、より低い反射、より大きな透過性など）が表れることは、許容され、または望ましいことでさえある可能性がある。しかしながら、これは、より薄くて、あまり頑丈ではなく、しかも塗布が難しい塗膜を要求する可能性がある。
ＵＶ光と組み合わせると、塗膜１０４は上述の光触媒親水性および光誘起親水性を有している。ＴｉＯ２塗膜１０４は、関心のある波長で光の約半波長の光学的厚さを有していてもよく、この光学的厚さは、ｍ＋半波長を含むように拡張でき、ここで、ｍ＝０， １， ２， ３，…である。これは、その波長付近で塗膜１０４の透過性を最大にするとともに、関心のある波長で窓１００を実質的に透明にする。ＮＩＲ応用では、光学的厚さは３９０ｎｍから５００ｎｍまで多岐にわたってもよい。
塗膜１０４の光学的厚さは、関心のある波長における塗膜１０４の屈折率を基にした塗膜１０４の物理的厚さ１０６に比例している。光学的厚さは、物理的な厚さ１０６に、層材料の屈折率を掛けた値に等しい。したがって、８５０ｎｍの光に対するＴｉＯ２層１０４の光学的厚さは８５０ｎｍ／２＝４２５ｎｍであり、この光学的厚さは４２５ｎｍ／２．６＝１６３ｎｍの物理的厚さ１０６に対応しており、ここで、２．６は８５０ｎｍの波長におけるＴｉＯ２の屈折率である。上述の３９０〜５００ｎｍのＮＩＲ光学的厚さ範囲は、１５０〜１９２ｎｍの物理的厚さ１０６に対応している。
図１Ａに示すように、窓１００は、光学装置１１０を保護するための容器１０８といっしょに使用してもよい。光学装置は、スペクトルのＮＩＲ部分内にある８５０ｎｍなどの目的の波長に中心がある赤外光の狭帯域スペクトルを放出したり、および／または受け取ったりするように構成されている。光学装置１１０は、赤外検出器、カメラ、発光体などを含んでいてもよいが、これらに限らない。窓１００は、光学装置１１０が放出したり、および／または受け取ったりする光に対して最小の減衰を与えるように最適化されている。容器１０８といっしょになって、窓１００は、過酷な状況で装置１１０を使用できるようにする密閉された環境を提供する。塗膜１０４の自己洗浄特性の結果、装置１１０には、窓１００を通しての良好な視界がもたらされ、この視界は過酷な環境条件下でも最低限の介入で維持できる。
上述のように、実施形態例の窓がＡＲ塗膜を含んでいてもよい。窓１００からの反射を低減して、それにより、光透過効率を向上させるために、ガラス１０２の屈折率と一致する屈折率を有する物質から１つの種類のＡＲ塗膜を形成する。例えば、塗膜の屈折率がガラス１０２の屈折率の平方根であるように単層ＡＲ塗膜を選択してもよい。フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）が約１．３８の屈折率を有しており、したがって、約１．５２の屈折率を有している光学ガラス用のＡＲ塗膜として使用される場合が多い。他のＡＲ塗膜が吸収性であってもよく、または反射を低減するナノ構造を含んでいてもよい。また、より複雑で、より高性能な多層ＡＲ塗膜を使用してもよい。
ＡＲ塗膜を有する窓１２０、１３０の構造例を図１Ｂおよび図１Ｃに示している。便宜上、図１Ａで説明した類似の要素を示すのに同じ参照番号を使用しているが、さまざまな実施形態の間で、望ましい特性、ならびにＡＲ層およびＡＲ塗膜との相互作用に応じて、これらの構成要素の厚さ、組成などが変化してもよいことが分かるであろう。図１Ｂでは、窓１２０は、ＴｉＯ２塗膜１０４の反対側のガラス１０２の表面上にＡＲ塗膜１２２を含んでいる。図１Ｃでは、窓１３０は、ＴｉＯ２塗膜１０４とガラス１０２の間にＡＲ層１３２を含んでいる。また、この窓１３０は内部ＡＲ塗膜１２２を含んでいるが、この塗膜層１２２は任意であってもよい。
図２Ａおよび図２Ｂでは、グラフ２００、２１０が実施形態例の窓に関して行った分析の結果を示している。図２Ａでは、曲線２０２が、図１に示すように、ガラス１０２基板上に直接ＴｉＯ２塗膜１０４を有する窓配置１０２に対する強度反射対波長を表している。この実施例では、ＴｉＯ２塗膜の光学的な厚さは４２５ｎｍであり（これは、８５０ｎｍにおけるＴｉＯ２の屈折率に、塗膜の物理的厚さ１０６を掛けた値に等しい）、８５０ｎｍのＮＩＲ光の半波長に対応している。ｍ＝０， １， ２， ３，…に対して赤外波長のｍ＋１／２倍に等しい光学的厚さに対して、同様の特性が適用できるはずである。曲線２０４が、コーティングを施していないガラスに対する同じ分析を表している。グラフ２００が示すように、８５０ｎｍに最も近い波長において、ＴｉＯ２で被覆した表面（曲線２０２で表す）の反射が、コーティングを施していないガラス（曲線２０４で表す）とほとんど同じくらい低い。半波長の光学的に厚いＴｉＯ２層はＡＲ塗膜ではないが、その代わり、ＮＩＲの中心波長で、およびＮＩＲの中心波長付近で無被覆のように振る舞う。
図２Ｂでは、グラフ２１０が同様の分析を示しているが、この場合、４２５ｎｍの光学的厚さを有するＴｉＯ２塗膜に対する結果を曲線２１２が表しており、図１Ｃに示すようにＡＲ層１３２上に１０４を形成してある（反対側の向かい合ったＡＲ層１２２は無い）。この分析では、ＡＲ層１３２は２１２．５ｎｍの光学的厚さを有するＭｇＦ２で形成されている（この２１２．５ｎｍの光学的厚さは、ＡＲ層１３２の物理的厚さに、８５０ｎｍにおけるＭｇＦ２の屈折率１．３８を掛けた値に等しい）。曲線２１４が、ＴｉＯ２層のないＡＲ塗膜したガラスに対する同じ分析を表している。この場合も先と同様に、８５０ｎｍに最も近い波長において、ＴｉＯ２で被覆した表面（曲線２１２で表す）の反射が、ＡＲのみの表面（曲線２１４で表す）とほとんど同じくらい低い。また、曲線２１２の最小反射率が、図２Ａの曲線２０２の最小反射率よりも低いことに注目すべきである。これは、ＴｉＯ２の外側の塗膜を追加した場合でも、関心のある波長ではＡＲ塗膜が有効であることを示している。
これらの結果が示すように、空気界面で（ガラスと比較して）高屈折率を有する塗膜が、誘電体（例えば、ガラス、プラスチックなど）の窓またはレンズのスペクトル帯または狭スペクトル帯で、高い透過性能を実現できる。半波長の光学的に厚いＴｉＯ２層を利用する光学的被膜設計が、ＬＥＤ発光スペクトル帯または狭スペクトル帯の中で、誘電体（例えば、ガラス、プラスチックなど）の窓またはレンズ内の高透過率を実現できる。この技術は、ＬＥＤ発光スペクトル帯または狭スペクトル帯の中で、自己洗浄式の高透過率の窓またはレンズを実現できる。
ここで図３を参照すると、フローチャートが、実施形態例の手順を示している。誘電体基板（例えば、ガラス、プラスチックなど）を提供し３０２、誘電体基板は赤外波長において透明である。誘電体基板の外部表面上に二酸化チタン塗膜を形成する３０４。二酸化チタン塗膜は赤外波長のｍ＋２分の１の光学的厚さを有し、ここで、ｍはゼロ以上の整数である。必要に応じて、誘電体基板上に反射防止膜を形成する３０６。
実施形態例の上述の記述は、図示および説明のために提示されている。完全であることを意図しておらず、または開示する厳密な形態に本発明を限定することを意図していない。上述の教示に照らして多数の変更および変形が可能である。開示する実施形態のいずれかの、またはすべての特徴は、個々に、または任意の組み合わせで応用することができ、限定することを意図しておらず、純粋に例を示すことを意図している。この詳細な説明により本発明の範囲を限定するのではなく、むしろ、本明細書に添付した請求項により本発明の範囲を決定するよう意図している。
Claims (10)
- 赤外波長において透明な誘電体基板を含み、
前記誘電体基板の外部表面上に配設された二酸化チタン塗膜を含み、前記二酸化チタン塗膜は前記赤外波長のｍ＋２分の１の光学的厚さを有し、ここで、ｍはゼロ以上の整数を含む、
光透過窓を含む、
装置。 - 前記誘電体基板上に配設された反射防止膜をさらに含む、請求項１に記載の装置。
- 前記反射防止膜が、前記誘電体基板と前記二酸化チタン塗膜の間の前記外部表面上に配設されている、請求項２に記載の装置。
- 前記外部表面の反対側の内部表面に配設された第２の反射防止膜をさらに含む、請求項３に記載の装置。
- 前記反射防止膜が、前記外部表面の反対側の内部表面上に配設されている、請求項１に記載の装置。
- 前記誘電体基板がガラスを含む、請求項１に記載の装置。
- 前記二酸化チタン塗膜が、自己洗浄式の親水性塗膜を含む、請求項１に記載の装置。
- 目的の波長に中心がある赤外光の狭帯域スペクトルを放出したり、または受け取ったりするように構成された光学装置と、
前記光学装置を取り囲み、前記光透過窓を含む容器と、を含む、
請求項１に記載の装置。 - 赤外波長において透明な誘電体基板を提供することを含み、
前記誘電体基板の外部表面上に二酸化チタン塗膜を形成することを含み、前記二酸化チタン塗膜は前記赤外波長のｍ＋２分の１の光学的厚さを有し、ここで、ｍはゼロ以上の整数を含む、
方法。 - 前記誘電体基板上に反射防止膜を形成することをさらに含み、ここで、前記二酸化チタン塗膜は自己洗浄式の親水性塗膜を含む、請求項９に記載の方法。
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