JP2018084140A - Window member, ignition device, and internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窓部材、点火装置及び内燃機関に係り、更に詳しくは、光の光路上に配置される窓部材、該窓部材を有する点火装置、及び該点火装置を備える内燃機関に関する。 The present invention relates to a window member, an ignition device, and an internal combustion engine, and more particularly to a window member disposed on an optical path of light, an ignition device having the window member, and an internal combustion engine including the ignition device.
近年、エンジンなどの内燃機関における点火装置として、レーザ光を用いた点火装置が種々検討されている。 In recent years, various ignition devices using laser light have been studied as ignition devices in internal combustion engines such as engines.
特許文献1には、レーザ光を発生するレーザ装置から出射されたレーザ光を、シリンダヘッドのレーザ光通路に設けられた集光用のレンズ及び入射用の透明窓を経て燃焼室に透過せしめ、燃焼室内にプラズマを発生させることにより、同燃料室内に噴射された燃料に着火するように構成されたレーザ着火式エンジンが開示されている。
In
特許文献2には、燃焼室に面する点火プラグの構成部材の表面に、超親水性粒子と熱励起触媒粒子を含有する超親水膜を設けたレーザ点火装置が開示されている。
特許文献3には、パルスレーザ集光光学素子を燃焼室から隔離して保護すべく燃焼室を臨む位置に、平行平板形状の保護用光学窓を設け、該保護用光学窓を構成する光学素子材料がサファイアであるレーザ点火装置が開示されている。 In Patent Document 3, a protection optical window having a parallel plate shape is provided at a position facing the combustion chamber so that the pulse laser focusing optical element is isolated from the combustion chamber to protect the optical element. A laser igniter is disclosed in which the material is sapphire.
特許文献4には、レーザユニットから発せられたレーザ光を燃焼室内に集光する光学系を有するレーザ点火装置であって、光学系を構成する光学素子に透光性スピネル焼結体の板を用いたことを特徴とするレーザ点火装置が開示されている。 Patent Document 4 discloses a laser ignition device having an optical system that condenses laser light emitted from a laser unit in a combustion chamber, and a plate of a translucent spinel sintered body is provided on an optical element constituting the optical system. A laser ignition device characterized by being used is disclosed.
しかしながら、従来の窓部材では、反射光の低減に関して改良の余地があった。 However, the conventional window member has room for improvement with respect to reduction of reflected light.
本発明は、光の光路上に配置される窓部材であって、前記光が入射するA面と、前記A面に入射した光が射出されるB面とを有する板状部材と、前記板状部材の前記A面及び前記Bの面の少なくとも一方の面上に設けられた誘電体膜とを備え、前記誘電体膜は、凸状又は凹状の微細構造体を複数有する微細構造部を含む窓部材である。 The present invention is a window member disposed on an optical path of light, the plate member having an A surface on which the light is incident, and a B surface on which light incident on the A surface is emitted, and the plate And a dielectric film provided on at least one of the A surface and the B surface, and the dielectric film includes a microstructure having a plurality of convex or concave microstructures. It is a window member.
本発明の窓部材によれば、反射光の低減を図ることができる。 According to the window member of the present invention, it is possible to reduce the reflected light.
「概要」
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図1には、一実施形態に係る内燃機関としてのエンジン300の主要部が模式図的に示されている。
"Overview"
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a main part of an
このエンジン300は、点火装置301、燃料噴出機構302、排気機構303、燃焼室304、及びピストン305などを備えている。
The
エンジン300の動作について簡単に説明する。
(1)燃料噴出機構302が、燃料と空気の可燃性混合気を燃焼室304内に噴出させる(吸気)。
(2)ピストン305が上昇し、可燃性混合気を圧縮する(圧縮)。
(3)点火装置301が、燃焼室304内にレーザ光を射出する。これにより、燃料に点火される(着火)。
(4)燃焼ガスが発生し、ピストン305が降下する(燃焼)。
(5)排気機構303が、燃焼ガスを燃焼室304外へ排気する(排気)。
The operation of
(1) The
(2) The
(3) The
(4) Combustion gas is generated and the
(5) The
このように、吸気、圧縮、着火、燃焼、排気からなる一連の過程が繰り返される。そして、燃焼室304内の気体の体積変化に対応してピストン305が運動し、運動エネルギーを生じさせる。燃料には例えば天然ガスやガソリン等が用いられる。
Thus, a series of processes consisting of intake, compression, ignition, combustion, and exhaust are repeated. Then, the
なお、エンジン300は、該エンジン300の外部に設けられ、該エンジン300と電気的に接続されているエンジン制御装置の指示に基づいて、上記動作を行う。
点火装置301は、一例として図2に示されるように、レーザ装置200、射出光学系210、及び保護部材212などを有している。
As shown in FIG. 2 as an example, the
射出光学系210は、レーザ装置200から射出される光を集光する。これにより、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。
The emission
保護部材212は、燃焼室304に臨んで設けられた透明の窓である。ここでは、一例として、保護部材212の材料としてサファイアガラスが用いられている。
The
レーザ装置200は、面発光レーザアレイ201、第1集光光学系203、光ファイバ204、第2集光光学系205、及びレーザ共振器206を備えている。なお、本明細書では、XYZ3次元直交座標系を用い、面発光レーザアレイ201からの光の射出方向を+Z方向として説明する。
The
面発光レーザアレイ201は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。各発光部は、垂直共振器型の面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)である。面発光レーザアレイ201から射出される光の波長は808nmである。
The surface emitting
面発光レーザアレイは、射出される光の、温度による波長ずれが非常に少ないため、励起波長のずれによって特性が大きく変化するQスイッチレーザを励起するのに有利な光源である。そこで、面発光レーザアレイを励起用光源に用いると、環境の温度制御を簡易なものにできるという利点がある。 The surface-emitting laser array is a light source that is advantageous for exciting a Q-switched laser whose characteristics change greatly due to a shift in excitation wavelength because the wavelength shift of emitted light due to temperature is very small. Therefore, when a surface emitting laser array is used as an excitation light source, there is an advantage that environmental temperature control can be simplified.
第1集光光学系203は、面発光レーザアレイ201から射出される光を集光する。
The first condensing
光ファイバ204は、第1集光光学系203によって光が集光される位置にコアの−Z側端面の中心が位置するように配置されている。ここでは、光ファイバ204として、コア径が1.5mm、NAが0.39の光ファイバが用いられている。
The
光ファイバ204を設けることによって、面発光レーザアレイ201をレーザ共振器206から離れた位置に置くことができる。これにより配置設計の自由度を増大させることができる。また、レーザ装置200を点火装置に用いる際に、熱源から面発光レーザアレイ201を遠ざけることができるため、エンジン300を冷却する方法の幅を広げることが可能である。
By providing the
光ファイバ204に入射した光はコア内を伝播し、コアの+Z側端面から射出される。
The light incident on the
第2集光光学系205は、光ファイバ204から射出された光の光路上に配置され、該光を集光する。第2集光光学系205で集光された光は、レーザ共振器206に入射する。
The second condensing
レーザ共振器206は、Qスイッチレーザであり、一例として図3に示されるように、レーザ媒質206a、及び可飽和吸収体206bを有している。
The
レーザ媒質206aは、直方体形状のNd:YAG結晶であり、Ndが1.1%ドープされている。可飽和吸収体206bは、直方体形状のCr:YAG結晶であり、初期透過率が0.15(15%)〜0.70(70%)の間で適宜調整されるものである。
The
なお、ここでは、Nd:YAG結晶とCr:YAG結晶は接合されており、いわゆるコンポジット結晶となっている。また、Nd:YAG結晶及びCr:YAG結晶は、いずれもセラミックスである。 Here, the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are joined to form a so-called composite crystal. Both the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are ceramics.
第2集光光学系205からの光は、レーザ媒質206aに入射される。すなわち、第2集光光学系205からの光によってレーザ媒質206aが励起される。なお、面発光レーザアレイ201から射出される光の波長は、YAG結晶において最も吸収効率の高い波長である。そして、可飽和吸収体206bは、Qスイッチの動作を行う。
The light from the second condensing
レーザ媒質206aの入射側(−Z側)の面、及び可飽和吸収体206bの射出側(+Z側)の面は光学研磨処理がなされ、ミラーの役割を果たしている。なお、以下では、便宜上、レーザ媒質206aの入射側の面を「第1の面」ともいい、可飽和吸収体206bの射出側の面を「第2の面」ともいう(図3参照)。
The surface on the incident side (−Z side) of the
そして、第1の面及び第2の面には、面発光レーザアレイ201から射出される光の波長、及びレーザ共振器206から射出される光の波長に応じた誘電体膜がコーティングされている。
The first surface and the second surface are coated with a dielectric film corresponding to the wavelength of light emitted from the surface emitting
具体的には、第1の面には、波長が808nmの光に対して高い透過率を示し、波長が1064nmの光に対して高い反射率を示すコーティングがなされている。また、第2の面には、波長が1064nmの光に対して約50%の反射率を示すコーティングがなされている。 Specifically, the first surface is coated with a high transmittance for light having a wavelength of 808 nm and a high reflectance for light having a wavelength of 1064 nm. The second surface is coated with a reflectance of about 50% for light having a wavelength of 1064 nm.
これにより、レーザ共振器206内で光が共振し増幅される。
As a result, the light resonates and is amplified in the
図2に戻り、駆動装置220は、エンジン制御装置222の指示に基づいて、面発光レーザアレイ201を駆動する。すなわち、駆動装置220は、エンジン300の動作における着火のタイミングで点火装置301から光が射出されるように、面発光レーザアレイ201を駆動する。なお、面発光レーザアレイ201における複数の発光部は、同時に点灯及び消灯される。
Returning to FIG. 2, the driving
上記実施形態において、面発光レーザアレイ201をレーザ共振器206から離れた位置に置く必要がない場合は、光ファイバ204が設けられなくても良い。
In the above embodiment, when it is not necessary to place the surface emitting
また、ここでは、内燃機関として燃焼ガスによってピストンを運動させるエンジン(ピストンエンジン)の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ロータリーエンジンや、ガスタービンエンジンや、ジェットエンジンであっても良い。要するに、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するものであれば良い。 Here, the case of an engine (piston engine) in which a piston is moved by combustion gas as an internal combustion engine has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a rotary engine, a gas turbine engine, or a jet engine may be used. In short, what is necessary is just to burn the fuel and generate the combustion gas.
また、排熱を利用して、動力や温熱や冷熱を取り出し、総合的にエネルギー効率を高めるシステムであるコジェネレーションに、点火装置301を用いても良い。
In addition, the
また、ここでは、点火装置301が内燃機関に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。
Although the case where the
また、ここでは、レーザ装置200が点火装置に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置などに用いることができる。
Although the case where the
「詳細」
現在、内燃機関における燃焼室内に導入された可燃性混合気の点火は主に点火プラグ、すなわち放電方式による火花点火により行われている。しかしながら、火花点火では、点火プラグの構成上、燃焼室内に電極が露出することとなるため、電極の消耗が不可避であった。
"Details"
At present, ignition of a combustible air-fuel mixture introduced into a combustion chamber in an internal combustion engine is mainly performed by an ignition plug, that is, spark ignition by a discharge method. However, in spark ignition, due to the configuration of the spark plug, the electrode is exposed in the combustion chamber, so that the electrode is inevitably consumed.
それに対して、レーザ光を集光させることにより点火を行うレーザ点火では、電極が不要であり、内燃機関の燃焼室内に電極が露出されることはない。従って、電極の消耗を考慮する必要がなく、点火装置の長寿命化が期待できる。 On the other hand, in laser ignition in which ignition is performed by condensing laser light, no electrode is required and the electrode is not exposed in the combustion chamber of the internal combustion engine. Therefore, it is not necessary to consider the consumption of the electrodes, and the life of the ignition device can be expected to be extended.
点火装置301は、一例として図4に示されるように、レーザ装置200及び射出光学系210が収容される筐体214を有している。この筐体214は、燃焼室内の高温、高圧、及び燃料や煤等による汚染からレーザ装置200及び射出光学系210を保護している。
As shown in FIG. 4 as an example, the
そして、筐体214における、レーザ装置200から射出され射出光学系210で集光されたレーザ光の進路を妨げない位置に窓部材としての保護部材212が設けられている。すなわち、保護部材212は、射出光学系210を介したレーザ光の光路上であって、筐体214に設けられている。
A
保護部材212は、一例として図5に示されるように、射出光学系210からの光が入射される板状部材212a、及び板状部材212aの燃焼室304側(ここでは、+Z側)の面上に設けられた誘電体層213を有している。
As shown in FIG. 5 as an example, the
なお、以下では、便宜上、板状部材212aにおける射出光学系210側(ここでは、−Z側)の面を「A面」ともいい、燃焼室304側(ここでは、+Z側)の面を「B面」ともいう。
In the following, for convenience, the surface on the emission
一般的に、エンジンでは、ピストンの摩擦低減等のため、エンジンオイルが用いられており、燃焼室内に霧状となったオイルミストが浮遊することになる。このため、仮に、保護部材が板状部材のみであれば、該板状部材の−Z側の面にオイルミストが付着する。そして、その灰分や煤等が堆積して、デポジットを形成すると、点火装置から射出されるレーザ光の光量が低下し、着火安定性が損なわれるおそれがある。 Generally, in an engine, engine oil is used to reduce friction of a piston and the like, and an oil mist that is atomized in the combustion chamber floats. For this reason, if the protective member is only a plate-like member, oil mist adheres to the -Z side surface of the plate-like member. And when the ash, soot, etc. accumulate and form a deposit, the light quantity of the laser beam inject | emitted from an ignition device may fall, and there exists a possibility that ignition stability may be impaired.
板状部材の材質としては、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等が一般的に使われている。特に、板状部材は、燃焼室内に発生する燃焼圧力から筐体内部の光学部材などを保護するため、十分な耐圧強度が必要となる。そこで、板状部材の厚みを厚くすることが考えられるが、板状部材の厚みが厚くなると、板状部材の射出端面で反射されたレーザ光が、板状部材の内部で集光しやすくなる。この板状部材の内部での集光を抑制するためには、射出光学系の焦点距離を長くする必要がある。 As the material of the plate member, optical glass, heat-resistant glass, quartz glass, sapphire glass, etc. are generally used. In particular, the plate-like member needs to have sufficient pressure resistance in order to protect the optical member and the like inside the housing from the combustion pressure generated in the combustion chamber. Therefore, it is conceivable to increase the thickness of the plate-like member. However, when the thickness of the plate-like member is increased, the laser beam reflected by the emission end face of the plate-like member is easily collected inside the plate-like member. . In order to suppress light condensing inside the plate member, it is necessary to increase the focal length of the emission optical system.
射出光学系は、その焦点距離を長くすると、レンズの開口数(NA)が小さくなる。そして、電場強度(集光強度)が低下し、着火性が低下する。そのため、板状部材の厚さは、できる限り薄いことが好ましい。そこで、板状部材の材質として、耐圧強度が大きいサファイアガラスを用いることが考えられる。 When the focal length of the emission optical system is increased, the numerical aperture (NA) of the lens is reduced. And electric field intensity | strength (light collection intensity | strength) falls and ignitability falls. Therefore, the thickness of the plate member is preferably as thin as possible. Therefore, it is conceivable to use sapphire glass having a high pressure resistance as the material of the plate member.
しかしながら、サファイアガラスの屈折率は1.74であり、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス(屈折率=1.46)に比べて高いため、サファイアガラスで生じる反射光の量は、他のガラスの2倍となる。そのため、板状部材としてサファイアガラスを用いて厚さを薄くしても、板状部材の+Z側の面で反射されるレーザ光が、射出光学系や板状部材の内部で集光しやすくなる。 However, since the refractive index of sapphire glass is 1.74, which is higher than that of optical glass, heat-resistant glass, and quartz glass (refractive index = 1.46), the amount of reflected light generated in sapphire glass is that of other glasses. Doubled. Therefore, even if the thickness is reduced by using sapphire glass as the plate-like member, the laser light reflected by the surface on the + Z side of the plate-like member is easily condensed inside the emission optical system or the plate-like member. .
反射光の集光位置付近に板状部材や射出光学系があると、その部分に反射光のエネルギーが集中し、プラズマや衝撃波を発生して、板状部材や射出光学系にクラックが発生したり、射出光学系の表面に施されたARコーティング膜が剥がれたりする等、光学部材の損傷を招くおそれがある。 If there is a plate-like member or emission optical system in the vicinity of the reflected light condensing position, the energy of the reflected light concentrates on that part, generating plasma or shock waves, and cracking occurs in the plate-like member or emission optical system. Or the AR coating film applied to the surface of the emission optical system may be peeled off.
また、板状部材の表面に汚れが付着すると、汚れの付着した部分が擬似的な鏡となり、レーザ装置からのレーザ光の一部又は全部が、該擬似的な鏡で反射されて点火装置内で焦点を結び、同様に、光学部材の損傷を招くおそれがある。 Further, when dirt is attached to the surface of the plate-like member, the dirt-attached portion becomes a pseudo mirror, and a part or all of the laser light from the laser device is reflected by the pseudo mirror to be in the ignition device. In the same way, there is a risk of damaging the optical member.
さらに、板状部材で反射されたレーザ光は、面発光レーザアレイと同軸上にある光学部材に戻り光として影響し、レーザ光の光強度を変動させるおそれがある。 Further, the laser light reflected by the plate-like member may affect the optical member that is coaxial with the surface emitting laser array as return light, and may change the light intensity of the laser light.
これらの不都合を解決するため、板状部材に光学多層膜からなる光反射防止(AR:Anti Reflection)膜をコーティングすることが考えられる。 In order to solve these disadvantages, it is conceivable to coat the plate-like member with an anti-reflection (AR) film made of an optical multilayer film.
ここでは、板状部材の+Z側の面への光反射防止膜のコーティングについて説明する。なお、以下では、便宜上、光反射防止膜を「AR膜」ともいう。 Here, the coating of the antireflection film on the surface on the + Z side of the plate-like member will be described. Hereinafter, for convenience, the light reflection preventing film is also referred to as an “AR film”.
図6(A)には、単層のAR膜215がコーティングされた板状部材212aが示され、図6(B)には、2層のAR膜(215a、215b)がコーティングされた板状部材212aが示されている。ここで、板状部材212aの屈折率をn2とする。また、AR膜215の屈折率をnARとし、膜厚をdARとする。また、AR膜215aの屈折率をnAR1とし、膜厚をdAR1とする。また、AR膜215bの屈折率をnAR2とし、膜厚をdAR2とする。そして、n0は空気の屈折率であり、n0=1である。
6A shows a plate-
最も反射率が小さくなるように算出される単層のAR膜215の屈折率nARは、次の(1)式で表される。
nAR=√(n0・n2) ……(1)
The refractive index n AR of the single-
n AR = √ (n 0 · n 2 ) (1)
そして、そのときの単層のAR膜215の膜厚dARは、次の(2)式で表される。ここで、λはレーザ光の波長である。
dAR=λ/(4・nAR) ……(2)
The film thickness d AR of the single-
d AR = λ / (4 · n AR ) (2)
板状部材212aの材質がサファイアガラスであれば、屈折率n2=1.74である。また、ここでは、λ=1064nmである。そこで、屈折率nARは1.32となり、膜厚dARを201.5nmにすることで、単層のAR膜215によって反射防止機能を実現することができる。
If the material of the plate-
屈折率が1.32に近い材料として、屈折率が1.38のMgF、屈折率が1.34のNaAlF6がある。しかしながら、これらの材料は、いずれも耐熱性が低く、燃焼室内の熱に耐えることは困難である。 Examples of the material having a refractive index close to 1.32 include MgF having a refractive index of 1.38 and NaAlF 6 having a refractive index of 1.34. However, these materials all have low heat resistance, and it is difficult to withstand the heat in the combustion chamber.
一方、耐熱性のある材料としてSiO2などの酸化物シリコン系の材料がある。しかしながら、この材料は、屈折率が1.46と高いため、この材料による単層の膜では良好な反射防止機能を実現するのは困難である。 On the other hand, there is an oxide silicon-based material such as SiO 2 as a heat resistant material. However, since this material has a high refractive index of 1.46, it is difficult to realize a good antireflection function with a single-layer film made of this material.
次に、シリコン系の材料を用いた多層膜を考える。 Next, a multilayer film using a silicon-based material is considered.
図6(B)に示される2層構造のAR膜の反射率Rは、次の(3)式で示される。
R=[(n0・(nAR2)2−n2・(nAR1)2)/(n0・(nAR2)2+n2・(nAR1)2)]2 ……(3)
The reflectance R of the two-layer AR film shown in FIG. 6B is expressed by the following equation (3).
R = [(n 0 · (n AR 2 ) 2 −n 2 · (n AR 1 ) 2 ) / (n 0 · (n AR 2 ) 2 + n 2 · (n AR 1 ) 2 )] 2 (3)
AR膜215aの膜厚dAR1は次の(4)式で示され、AR膜215bの膜厚dAR2は次の(5)式で示される。
dAR1=λ/(4・nAR1) ……(4)
dAR2=λ/(4・nAR2) ……(5)
The film thickness d AR1 of the
d AR1 = λ / (4 · n AR1 ) (4)
d AR2 = λ / (4 · n AR2 ) (5)
上記(3)式から分かるように、反射率Rを小さくし、良好な反射防止機能を得るには、2つのAR膜の屈折率差を大きくする必要がある。シリコン系の材料では、例えばSiO2とSi3N4がある。そこで、例えば、AR膜215aの材料をSiO2、AR膜215bの材料をSi3N4とすると、nAR1=1.46、nAR2=1.99であるから、上記(3)式に当てはめると、反射率Rは約0.001となり、高い反射防止機能を実現することができる。
As can be seen from the above equation (3), in order to reduce the reflectivity R and obtain a good antireflection function, it is necessary to increase the refractive index difference between the two AR films. Examples of silicon-based materials include SiO 2 and Si 3 N 4 . Therefore, for example, when the material of the
しかし、SiO2とSi3N4の熱膨張係数はそれぞれ、0.55×10−6/℃、3.5×10−6/℃であり、約6倍もの熱膨張率の差がある。燃焼室内の温度は非常に高温であり、AR膜215aの熱膨張係数とAR膜215bの熱膨張係数とが大きく異なると、各AR膜に熱応力がかかり、AR膜が破壊され、光学特性が大きく変化するおそれがある(図7参照)。
However, each of the thermal expansion coefficient of the SiO 2 and Si 3 N 4 is 0.55 × 10 -6 /℃,3.5×10 -6 / ℃ , there is a difference in thermal expansion coefficient as about 6 times. The temperature in the combustion chamber is very high. If the thermal expansion coefficient of the
以上の理由から、AR膜のコーティングだけでは、高温に耐える反射防止機能を実現するのは困難である。 For the above reasons, it is difficult to realize an antireflection function that can withstand high temperatures only by coating the AR film.
そこで、発明者らは、単層のAR膜に、凸状の微細構造体、又は凹状の微細構造体を複数有する微細構造部を形成することを考案した。なお、以下では、便宜上、凸状の微細構造体を「微細凸構造体」ともいい、凹状の微細構造体を「微細凹構造体」ともいう。そして、それらを区別しないときは、単に「微細構造体」ともいう。 In view of this, the inventors have devised forming a fine structure having a plurality of convex fine structures or concave fine structures in a single-layer AR film. Hereinafter, for the sake of convenience, the convex microstructure is also referred to as a “fine convex structure”, and the concave microstructure is also referred to as a “fine concave structure”. And when they are not distinguished, they are also simply referred to as “fine structures”.
そして、一例として、サファイア基板の表面に、複数の微細凸構造体を有する微細構造部が形成されているSi3N4膜を付与したときの反射率について数値計算を行った。ここでは、xyz3次元直交座標系を用い、計算を単純化するため、サファイア基板の+z側に四角柱状のSi3N4の微細凸構造体が付与されているモデルを用いている。なお、サファイア基板の−z側の面での反射は無視している。 Then, as an example, the surface of the sapphire substrate was subjected to numerical calculation of reflectance when applied to the Si 3 N 4 film having a fine structure having a plurality of fine convex structure is formed. Here, in order to simplify the calculation by using an xyz three-dimensional orthogonal coordinate system, a model in which a quadrangular columnar Si 3 N 4 fine convex structure is provided on the + z side of the sapphire substrate is used. Note that reflection on the surface of the sapphire substrate on the −z side is ignored.
サファイア基板の−z側の面に入射されるレーザ光の波長は1064nmである。そして、波長が1064nmのレーザ光に対するサファイア基板の+z側の面での反射率は約0.074である。 The wavelength of the laser light incident on the −z side surface of the sapphire substrate is 1064 nm. The reflectance of the surface of the sapphire substrate on the + z side with respect to the laser beam having a wavelength of 1064 nm is about 0.074.
(i)反射率に及ぼす構造幅の影響についての計算結果を説明する。 (I) The calculation result about the influence of the structure width on the reflectance will be described.
図8(A)及び図8(B)には、サファイア基板216上の1つの微細凸構造体217が示されている。サファイア基板216上における250nm×250nmの領域毎に1つの微細凸構造体217が付与されている。微細凸構造体217のz軸方向に関する長さは250nmであり、x軸方向に関する長さ及びy軸方向に関する長さをwとする。この長さwが上記「構造幅」である。
8A and 8B show one fine
そして、図9(A)及び図9(B)に示されるように、構造幅wの値を変化させながら、反射率と波長との関係を求めた。その結果が図10に示されている。ここで、各構造幅について、反射率と波長との関係における反射率が最小値をとるときの波長を「ディップ波長」という。 Then, as shown in FIGS. 9A and 9B, the relationship between the reflectance and the wavelength was obtained while changing the value of the structure width w. The result is shown in FIG. Here, for each structure width, the wavelength at which the reflectance in the relationship between reflectance and wavelength takes the minimum value is referred to as “dip wavelength”.
本実施形態では、レーザ光の波長は1064nmであるが、この波長は一例であり、反射率の低減が主目的であることから、ここでは、ディップ波長での反射率の値に着目した。なお、微細構造体の形状を調整することにより、ディップ波長を1064nmとすることは可能である。 In this embodiment, the wavelength of the laser beam is 1064 nm. However, this wavelength is an example, and the main purpose is to reduce the reflectance. Therefore, here, the value of the reflectance at the dip wavelength is focused. Note that the dip wavelength can be set to 1064 nm by adjusting the shape of the fine structure.
図10によると、構造幅wが変化してもディップ波長の位置の変化は小さく、とくに、構造幅wが150nm〜180nmのとき、ディップ波長において反射率0.01以下が得られることが判明した。また、反射率は、構造幅wが大きくなるにつれて上昇し、構造幅wが240nmのときは、サファイア基板のみのときの反射率(約0.074)よりも大きいことが判明した。 According to FIG. 10, even if the structure width w changes, the change in the position of the dip wavelength is small. In particular, when the structure width w is 150 nm to 180 nm, it is found that a reflectance of 0.01 or less can be obtained at the dip wavelength. . Moreover, it turned out that a reflectance rises as the structure width w becomes large, and when the structure width w is 240 nm, it is larger than the reflectance (about 0.074) when only the sapphire substrate is used.
(ii)反射率に及ぼす構造高さの影響についての計算結果を説明する。 (Ii) The calculation result about the influence of the structure height on the reflectance will be described.
図11(A)及び図11(B)には、サファイア基板216上の1つの微細凸構造体217が示されている。サファイア基板216上における250nm×250nmの領域毎に1つの微細凸構造体217が付与されている。微細凸構造体217のx軸方向に関する長さ及びy軸方向に関する長さは170nmであり、z軸方向に関する長さをhとする。この長さhが「構造高さ」である。
11A and 11B show one fine
そして、図12(A)及び図12(B)に示されるように、構造高さhの値を変化させながら、反射率と波長との関係を求めた。その結果が図13に示されている。 Then, as shown in FIGS. 12A and 12B, the relationship between the reflectance and the wavelength was obtained while changing the value of the structural height h. The result is shown in FIG.
図13によると、ディップ波長が構造高さhに対応して連続的に変化していることが判明した。 According to FIG. 13, it has been found that the dip wavelength continuously changes corresponding to the structural height h.
(iii)サファイア基板と微細構造部との間にSi3N4層を挿入したときの反射率の計算結果について説明する。 (Iii) The calculation result of the reflectance when the Si 3 N 4 layer is inserted between the sapphire substrate and the fine structure will be described.
ここでは、図14(A)及び図14(B)に示されるように、サファイア基板216と微細凸構造体217との間にSi3N4層218が挿入されるモデルを用いる。
Here, as shown in FIGS. 14A and 14B, a model in which a Si 3 N 4 layer 218 is inserted between the
そして、Si3N4層218上における250nm×250nmの領域毎に1つの微細凸構造体217が付与されている。微細凸構造体217のx軸方向に関する長さ及びy軸方向に関する長さは170nmであり、z軸方向に関する長さは215nmである。また、Si3N4膜218のz軸方向に関する長さをhbとする。
One fine
そして、図15(A)及び図15(B)に示されるように、hbの値を変化させながら、反射率と波長との関係を求めた。その結果が図16(A)及び図16(B)に示されている。 Then, as shown in FIG. 15 (A) and FIG. 15 (B), the while changing the value of h b, obtained relation between the reflectance and the wavelength. The results are shown in FIGS. 16 (A) and 16 (B).
図16(A)及び図16(B)によると、Si3N4層の厚さhbに対応して、ディップ波長での反射率の変化がみられ、Si3N4層の厚さが30nmのとき、Si3N4層がないときよりも反射率の低減が認められ、反射率0.003が得られた。すなわち、微細構造部とサファイア基板との間にSi3N4層を挿入することで、2層のARコーティングと同様な効果が期待できることが判明した。 According to FIG. 16 (A) and FIG. 16 (B), the corresponds to the thickness h b the Si 3 N 4 layer, a change in reflectance at the dip wavelength was observed, the thickness of the Si 3 N 4 layers When the thickness was 30 nm, the reflectance was reduced more than when there was no Si 3 N 4 layer, and a reflectance of 0.003 was obtained. That is, it has been found that the same effect as that of the two-layer AR coating can be expected by inserting a Si 3 N 4 layer between the microstructure and the sapphire substrate.
本実施形態では、ディップ波長での反射率が最も小さくなるように 構造幅及び構造高さが設定されている。また、ディップ波長が約1064nmとなるように微細構造体の形状が調整されている。 In this embodiment, the structure width and the structure height are set so that the reflectance at the dip wavelength is minimized. In addition, the shape of the fine structure is adjusted so that the dip wavelength is about 1064 nm.
ここで、誘電体膜213の材料について説明する。
Here, the material of the
誘電体膜213の材料としては、Si、Al、Ca、Mg、B、C、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Sr、Zr、Nb、Ru、Pd、Ag、In、Sn、Hf、Ta、W、Ot、Au、Biのいずれかを主成分とする材料、又は前記主成分のフッ化物、窒化物、酸化物、及び炭化物のいずれかを少なくとも1つ含む材料を用いることができる。
The material of the
具体的には、例えば、Si3N4、SiO2を用いることができる。また、誘電体膜213と板状部材212aとの屈折率差が少ないほうが、反射防止特性を向上させることができるため、誘電体の成膜時のガスの成分を調整し、サファイアの屈折率に合わせこんだSixNyとしても良い。なお、ガスの成分調整を行う場合に、成膜後の誘電体の特性にばらつきが懸念されるときは、SiO2とSi3N4の混合材を使用しても良い。
Specifically, for example, Si 3 N 4 or SiO 2 can be used. In addition, the smaller the refractive index difference between the
ここで、本実施形態における誘電体膜213について説明する。本実施形態では、板状部材212aの材料はサファイアガラスであり、誘電体膜213の材料はSi3N4である。
Here, the
図17には、板状部材212aのB面上に設けられた誘電体膜213の例(実施例)が示されている。この誘電体膜213は、下地部213aと微細構造部213bとから構成されている。ここでは、微細構造部213bは、複数の微細凸構造体を有し、下地部213aの+Z側に設けられている。微細構造部213bにおける微細凸構造体のピッチP(頂点間隔)は、入射光の波長(ここでは、1064nm)よりも短くなるように設定されている。
FIG. 17 shows an example (example) of the
微細凸構造体は、+Z方向に断面積が連続して小さくなる錐形状を有している。なお、錐形状としては、円推形状、楕円錐形状、四角錐形状、及び多角錐形状のいずれであっても良い。 The fine convex structure has a conical shape in which the cross-sectional area continuously decreases in the + Z direction. Note that the cone shape may be any of a circular shape, an elliptical cone shape, a quadrangular pyramid shape, and a polygonal pyramid shape.
ここでは、図18(A)に示されるように、先ず、板状部材212aのB面上に下地部213aを形成し、その後、図18(B)に示されるように、下地部213a上に複数の微細凸構造体を形成することによって、誘電体膜213が設けられている。
Here, as shown in FIG. 18 (A), first, the
微細構造部213bの具体例が図19〜図21に示されている。図19に示される微細構造部(「微細構造部A」とする)は、高さ300nm、底面の直径が300nmの円錐形状の微細凸構造体(「微細凸構造体A」とする)がハニカム状に配列されている。
Specific examples of the
図20に示される微細構造部(「微細構造部B」とする)は、高さ500nm、底面の直径が300nmの円錐形状の微細凸構造体(「微細凸構造体B」とする)が300nmのピッチでハニカム状に配列されている。この微細凸構造体Bは、微細凸構造体Aに比べ、最大径に対する高さの比率が高い高アスペクト比の微細凸構造体である。 The fine structure portion (referred to as “fine structure portion B”) shown in FIG. 20 has a conical fine convex structure (referred to as “fine convex structure B”) having a height of 500 nm and a bottom diameter of 300 nm being 300 nm. Are arranged in a honeycomb shape at a pitch of. The fine convex structure B is a fine convex structure having a high aspect ratio in which the ratio of the height to the maximum diameter is higher than that of the fine convex structure A.
図21に示される微細構造部(「微細構造部C」とする)は、高さ500nm、底面が一辺300nmの正方形の四角錐形状の微細凸構造体(「微細凸構造体C」とする)が格子状に配列されている。 The fine structure portion (referred to as “fine structure portion C”) shown in FIG. 21 is a square quadrangular pyramid-shaped fine convex structure (referred to as “fine convex structure C”) having a height of 500 nm and a bottom surface of 300 nm on one side. Are arranged in a grid pattern.
本実施例では、誘電体膜を下地部と微細構造部とから構成することにより、2層の反射防止コートと同等の光学反射防止特性を実現している。そこで、隣接する2つの微細凸構造体間に平坦部があることが好ましい。具体的には、平坦部の面積は、微細構造部の面積の30%〜60%であることが好ましい。 In this embodiment, the dielectric film is composed of a base portion and a fine structure portion, thereby realizing an optical antireflection characteristic equivalent to that of a two-layer antireflection coating. Therefore, it is preferable that there is a flat portion between two adjacent fine convex structures. Specifically, the area of the flat part is preferably 30% to 60% of the area of the fine structure part.
下地部213aのZ軸方向に関する長さ(厚さ)は、反射率を小さくするため、誘電体膜の屈折率をnpとすると、λ/(4・np)、又はλ/(2・np)となるように設定されている。これは、前述した、2層構造のAR膜における1層目の厚さdAR1に相当する(図6(B)参照)。具体的には、下地部213aのZ軸方向に関する長さ(厚さ)は、30nmである。
The length (thickness) in the Z-axis direction of the
図22には、比較例として、板状部材212aに微細構造部が付与されていない場合が示されている。以下では、板状部材212aの屈折率n2をとし、燃焼室の雰囲気の屈折率n1をとする。この比較例では、板状部材212aと燃焼室との界面での屈折率変化(n2→n1)が急激なため、該界面での反射率が高くなる。
FIG. 22 shows a case where a fine structure portion is not given to the plate-
このため、比較例では、上記界面からの反射光が板状部材212a内で集光し、板状部材212aが変質したり、該反射光がレーザ媒質206aや面発光レーザアレイ201に戻ることにより、レーザ装置200から射出されるレーザ光の光強度が変動するおそれがある。また、燃焼室内で発生したパーティクルが板状部材212aに付着し、点火装置302から射出されるレーザ光の光量を減少させるおそれがある。
For this reason, in the comparative example, the reflected light from the interface is condensed in the plate-
図23には、本実施例の場合が示されている。本実施例では、図24(B)及び図24(B)に模式図的に示されるように、保護部材212と燃焼室との界面での屈折率の変化が小さいため、該界面での光の反射率を低くすることができる。そこで、本実施例では、板状部材212aの変質、及び面発光レーザアレイ201への戻り光を抑制することができる。
FIG. 23 shows the case of this embodiment. In this embodiment, as schematically shown in FIGS. 24B and 24B, since the change in the refractive index at the interface between the
ところで、燃焼室304内には、エンジンオイルや水といった液体や、エンジンオイルの品質を保つために添加されているカルシウム酸化物などの微粒子、又はエンジン部品からの金属の微粒子が混在している。
By the way, in the
そして、図25(A)に示されるように、板状部材212aの表面に微細構造部が設けられていない比較例の場合は、液体501及び微粒子502が板状部材212aの表面に付着し、レーザ光の光強度を低下させる。
Then, as shown in FIG. 25A, in the case of the comparative example in which the fine structure portion is not provided on the surface of the plate-
一方、図25(B)に示されるように、本実施例の場合は、液体501を撥水する効果がある。また、微粒子502についても、微細構造部により、粒子との接触面積を小さくすることができるため、保護部材212へのパーティクルの付着を抑えることができる。すなわち、保護部材212の汚染を防止することができる。その結果として、レーザ装置200から射出されるレーザ光の光強度が低下するのを抑制できる。
On the other hand, as shown in FIG. 25B, the present embodiment has an effect of repelling the liquid 501. Further, the
また、仮に汚染されたとしも、誘電体膜213を除去してから再度、誘電体膜213を成膜し、微細構造部を形成することにより、レーザ装置を交換することなく再利用することが可能となり、コスト低下を図ることができる。
Further, even if it is contaminated, it is possible to reuse the laser device without replacing it by forming the
なお、本実施例では、微細凸構造体の形状が錐形状の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、微細凸構造体の形状が、円錐台形状、楕円錐台形状、多角錐台形状であっても良い。 In addition, although the present Example demonstrated the case where the shape of the fine convex structure was a cone shape, it is not limited to this. For example, the shape of the fine convex structure may be a truncated cone shape, an elliptical truncated cone shape, or a polygonal truncated cone shape.
また、微細凸構造体の形状が、一例として図26に示されるように、釣り鐘形状であっても良い。また、一例として図27に示されるように、隣接する2つの微細凸構造体の間隔が一様でなくても良い。 Further, the shape of the fine convex structure may be a bell shape as shown in FIG. 26 as an example. As an example, as shown in FIG. 27, the interval between two adjacent fine convex structures may not be uniform.
なお、隣接する2つの微細凸構造体の間隔が一様でない場合、微細構造部における隣接する2つの微細凸構造体の平均間隔は、入射光の波長の半分以下であることが好ましい。また、微細構造部における隣接する2つの微細凸構造体の間隔は、ガウス分布に従ったランダムな間隔であることが好ましい。そして、図28に示されるように、ガウス分布の2σ値が波長の1/√2倍以下であることが好ましい。 In addition, when the space | interval of two adjacent fine convex structures is not uniform, it is preferable that the average space | interval of the two adjacent fine convex structures in a fine structure part is below half of the wavelength of incident light. Moreover, it is preferable that the space | interval of two adjacent fine convex structures in a fine structure part is a random space | interval according to Gaussian distribution. As shown in FIG. 28, the 2σ value of the Gaussian distribution is preferably 1 / √2 times or less of the wavelength.
ここで、便宜上、図26に示される微細構造部を「微細構造部D」とし、微細凸構造体を「微細凸構造体D」とする。また、図27に示される微細構造部を「微細構造部E」とし、微細凸構造体を「微細凸構造体E」とする。 Here, for convenience, the fine structure shown in FIG. 26 is referred to as “fine structure D”, and the fine convex structure is referred to as “fine convex structure D”. 27 is referred to as “fine structure E”, and the fine convex structure is referred to as “fine convex structure E”.
微細構造部A〜微細構造部Cは、主に電子ビームリソグラフィーとエッチングを用いて作製され、微細構造部D及び微細構造部Eは、主に金属ナノ粒子をマスクとしたエッチング加工により作製される。なお、この他にもX線リソグラフィー、フォトリソグラフィーなどを用いる場合もある。 The fine structure portion A to the fine structure portion C are mainly produced by using electron beam lithography and etching, and the fine structure portion D and the fine structure portion E are mainly produced by etching using metal nanoparticles as a mask. . In addition, X-ray lithography, photolithography, or the like may be used.
また、微細凸構造体は、縦断面(Z軸に平行な断面)の側部が湾曲していても良い。また、微細凸構造体は、+Z方向に断面積が階段状に小さくなる形状であっても良い。 Further, the fine convex structure may be curved at the side of the longitudinal section (cross section parallel to the Z axis). In addition, the fine convex structure may have a shape in which the cross-sectional area decreases stepwise in the + Z direction.
また、複数の微細凸構造体は、ピッチが入射光の波長よりも短い構造であれば良く、互いに形状や大きさが異なっていても良い。例えば、複数の微細凸構造体の直径は、5nm〜1000nmの間でランダムであっても良い。また、複数の微細凸構造体のピッチは、10nm〜2000nmの間でランダムであっても良い。また、複数の微細凸構造体の配列形態は規則性を有していなくても良い。 Further, the plurality of fine convex structures may be structures having a pitch shorter than the wavelength of incident light, and may be different in shape and size from each other. For example, the diameter of the plurality of fine convex structures may be random between 5 nm and 1000 nm. The pitch of the plurality of fine convex structures may be random between 10 nm and 2000 nm. Further, the arrangement form of the plurality of fine convex structures may not have regularity.
次に、誘電体膜213に設けられる微細構造部の領域について説明する。なお、以下では、微細構造部の領域を「微細構造部領域」と略述する。
Next, the area | region of the fine structure part provided in the
図29には、微細構造部領域が、B面における筐体214に接合される矩形枠状の平坦部の内側の領域であって、ビーム通過領域が含まれる領域である例1が示されている。この場合、B面を通過する全ての光が微細構造部領域に入射し、該全ての光の反射率が低下する。また、B面に対する光の通過位置が少しずれても、全ての光の反射率が低下する。
FIG. 29 shows an example 1 in which the fine structure region is a region inside a flat portion of a rectangular frame shape joined to the
図30には、微細構造部領域が、B面におけるビーム通過領域と一致する領域である例2が示されている。この場合、B面を通過する全ての光が微細構造部領域に入射し、該全ての光の反射率が低下する。また、B面における光が通過する領域にのみ微細凸構造体を形成すれば良いため、誘電体膜213における加工範囲を狭くすることができる。
FIG. 30 shows an example 2 in which the fine structure region is a region that coincides with the beam passage region on the B-plane. In this case, all the light passing through the B surface enters the fine structure region, and the reflectance of all the light is reduced. In addition, since the fine convex structure only needs to be formed in the region on the B surface where light passes, the processing range of the
図31には、微細構造部領域が、B面におけるビーム通過領域に含まれ、かつB面における有効ビーム径を最大径とする領域が含まれる領域である例3が示されている。「有効ビーム径」とは、光強度のガウス分布において最大強度(100%)に対する相対強度が1/e2(13.5%)の部分のビーム径を意味する(図32参照)。 FIG. 31 shows an example 3 in which the fine structure region is included in the beam passing region on the B surface and includes a region having the maximum effective beam diameter on the B surface. “Effective beam diameter” means the beam diameter of the portion where the relative intensity with respect to the maximum intensity (100%) is 1 / e 2 (13.5%) in the Gaussian distribution of the light intensity (see FIG. 32).
この場合、B面を通過する光のうちレーザ装置200から射出される光の強度変動に実質的に影響する有効ビーム径を最大径とする領域内の全ての光が微細構造部領域に入射し、該全ての光の反射率が低下する。また、B面に対する光の通過位置が少しずれても、有効ビーム径を最大径とする領域内の全ての光の反射率が低下する。また、強度変動に実質的に影響する光が通過する領域にのみ微細凸構造体を形成すれば良いため、誘電体膜213における加工範囲をより狭くすることができる。
In this case, all the light within the region having the maximum effective beam diameter that substantially affects the intensity fluctuation of the light emitted from the
図33には、微細構造部領域が、B面における有効ビーム径を最大径とする領域に一致する領域である例4が示されている。この場合、B面を通過する光のうちレーザ装置200から射出される光の強度変動に実質的に影響する有効ビーム径内の全ての光が微細構造部領域に入射し、該全ての光の反射率が低下する。また、有効ビーム径を最大径とする領域内にのみ微細凸構造体を形成すれば良いため、誘電体膜213における加工範囲を更により狭くすることができる。
FIG. 33 shows Example 4 in which the fine structure region is a region that coincides with a region having the maximum effective beam diameter on the B surface. In this case, all the light within the effective beam diameter that substantially affects the intensity fluctuation of the light emitted from the
図34には、微細構造部領域が、B面における有効ビーム径を最大径とする領域に含まれる領域である例5が示されている。この場合、B面を通過する光のうち有効ビーム径を最大径とする領域内における最大強度の光を含む強度が大きい一部の光であって、レーザ装置200から射出される光の強度変動に大きく影響する一部の光が微細構造部領域に入射し、該一部の光の反射率を低下する。また、有効ビーム径を最大径とする領域よりも小さい領域にのみ微細凸構造体を形成すれば良いため、誘電体膜213における加工範囲を更により一層狭くすることができる。
FIG. 34 shows an example 5 in which the fine structure region is a region included in the region having the maximum effective beam diameter on the B surface. In this case, the intensity variation of the light emitted from the
本実施例では、微細構造部領域が、例1〜例5のいずれかとなるように設定されている。 In the present embodiment, the fine structure region is set to be one of Examples 1 to 5.
ところで、通常、空気と窓部材との境界では、屈折率の急激な変化があるため、光の一部が反射される(図24(A)参照)。本実施例では、誘電体膜213の+Z側の面に、複数の円錐状の微細凸構造体を有する微細構造部213bが形成されているため、空気と誘電体膜213との間の領域の見かけの屈折率を連続的に変化させることができ(図24(B)参照)、光の反射を抑えることができる。
By the way, usually, at the boundary between air and the window member, there is a sudden change in the refractive index, so that part of the light is reflected (see FIG. 24A). In this embodiment, since the
この結果、レーザ光が窓部材内部で集光されて該窓部材が変質し透過率が低下することや、レーザ光がレーザ媒質や励起用光源に戻るのを抑制することができる。また、点火装置から射出されるレーザ光の強度が低下するのを抑制することができる。 As a result, it is possible to suppress the laser light from being condensed inside the window member, the window member being altered and the transmittance being lowered, and the laser light from being returned to the laser medium or the excitation light source. Moreover, it can suppress that the intensity | strength of the laser beam inject | emitted from an ignition device falls.
また、従来、窓部材での反射を低減するために、該窓部材に反射防止膜をコートする方法が用いられるが、点火装置では、窓部材は燃焼室に臨んで設けられ、約600℃もの高温にさらされるため、コート材料の多くは変質してしまう。 Conventionally, in order to reduce reflection at the window member, a method of coating the window member with an antireflection film is used. However, in the ignition device, the window member is provided facing the combustion chamber and has a temperature of about 600 ° C. Many of the coating materials are altered by exposure to high temperatures.
本実施例では、窓部材が約600℃にも耐えられる誘電体膜を有し、該誘電体膜の射出端面に複数の微細凸構造体が形成されているため、微細凸構造体が形成されていない場合に比べ、射出端面での反射を抑えることができる。また、本実施例では、微細凸構造体がない場合に比べ、誘電体膜の射出端面と燃焼室内で発生するパーティクルとの接触面積が小さくなるため、誘電体膜へのパーティクルの付着を抑えることができる。すなわち、窓部材の汚染を防止することができる。 In this embodiment, the window member has a dielectric film that can withstand about 600 ° C., and a plurality of fine convex structures are formed on the exit end face of the dielectric film. The reflection at the exit end face can be suppressed as compared with the case where it is not. In addition, in this embodiment, the contact area between the injection end face of the dielectric film and the particles generated in the combustion chamber is smaller than in the case where there is no fine convex structure, thereby suppressing the adhesion of particles to the dielectric film. Can do. That is, contamination of the window member can be prevented.
また、本実施例では、微細凸構造体は、入射側から射出側へ向かう方向に、断面(横断面)が徐々に小さくなるテーパ形状のため、屈折率変化を緩やかにでき、反射率を十分に低下させることができる。そして、図35(A)及び図35(B)に示されるように、微細凸構造体の凸方向の長さ(高さ)が長いほど屈折率変化をより緩やかにすることができ、反射率をより低下させることができる。 In this embodiment, the fine convex structure has a tapered shape in which the cross section (transverse cross section) gradually decreases in the direction from the incident side to the exit side, so that the refractive index change can be moderated and the reflectivity is sufficient. Can be lowered. Then, as shown in FIGS. 35 (A) and 35 (B), as the length (height) in the convex direction of the fine convex structure is longer, the refractive index change can be made more gradual, and the reflectance Can be further reduced.
また、複数の微細凸構造体における中心間隔が略一定の場合には、微細凸構造体が形成された全域で略均一な反射率低減効果を得ることができる。そして、複数の微細凸構造体における、各微細凸構造体の直径が5nm〜1000nm、隣接する2つの微細凸構造体の間隔が10nm〜2000nmのランダムであっても反射率を十分に低下させることができる。 In addition, when the center interval between the plurality of fine convex structures is substantially constant, a substantially uniform reflectance reduction effect can be obtained over the entire area where the fine convex structures are formed. And, in a plurality of fine convex structures, the diameter of each fine convex structure is 5 nm to 1000 nm, and the reflectance is sufficiently lowered even if the interval between two adjacent fine convex structures is 10 nm to 2000 nm. Can do.
図2に戻り、レーザ装置200から射出される光のZ軸方向に関する集光位置の調整は、射出光学系210の焦点距離、及びZ軸方向に関する射出光学系210の配置位置を調整することにより、行うことができる。
Returning to FIG. 2, the adjustment of the condensing position of the light emitted from the
第1集光光学系203は、少なくとも1つの集光レンズを有している。ここでは、第1集光光学系203における光学素子の構成については限定されない。要するに、面発光レーザアレイ201から射出される光が、光ファイバ204の−Z側端面の中心部に集光されれば良い。
The first condensing
本実施形態では、光ファイバ204を用いることにより、面発光レーザアレイ201とレーザ共振器206との距離を光ファイバ204の長さの分だけ長くすることができる。
In the present embodiment, by using the
そこで、レーザ装置200を内燃機関の点火装置に使用する場合、該内燃機関の周辺の高温領域や振動領域から面発光レーザアレイ201を遠ざけることが可能となり、点火装置の信頼性を向上させることができる。
Therefore, when the
第2集光光学系205は、ここでは、一例として図36に示されるように、第1レンズ205aと第2レンズ205bとから構成されている。
Here, as shown in FIG. 36 as an example, the second condensing
第1レンズ205aは、コリメートレンズであり、光ファイバ204から射出された光を略平行光とする。
The
第2レンズ205bは、集光レンズであり、第1レンズ205aによって略平行光とされた光を集光する。
The
なお、第2集光光学系205は、3つ以上の光学素子から構成されていても良い。また、第2集光光学系205は、1つの光学素子から構成されていても良い。この場合、該1つの光学素子は集光レンズである。
The second condensing
レーザ共振器206は、本実施形態では、Nd:YAG結晶及びCr:YAG結晶が、いずれもセラミックスであるため、単結晶に比べて生産コストが低く、安価である。また、Nd:YAG結晶とCr:YAG結晶の境界部が分離していないため、単一の結晶と同等の特性が得られ、機械強度的及び光学的に有利である。
In the present embodiment, since the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are both ceramics, the
第2レンズ205bで集光された光は、レーザ媒質206aに入射される。すなわち、第2レンズ205bで集光された光によってレーザ媒質206aが励起される。なお、以下では、レーザ媒質206aに入射される光を「励起光」ともいう。
The light condensed by the
射出光学系210は、単一の光学素子からなっていても良いし、複数の光学素子からなっていても良い。
The emission
ところで、半導体レーザとして、端面発光レーザが広く知られている。しかしながら、この端面発光レーザから射出される光は、温度に対する波長の変動が大きい。そこで、高温環境下での使用が想定される点火装置では、端面発光レーザを励起用光源に使用する場合、端面発光レーザの温度を一定に保つための精密な温度制御機構が必要になり、点火装置の大型化や高コスト化を招く。 By the way, an edge emitting laser is widely known as a semiconductor laser. However, the light emitted from the edge emitting laser has a large variation in wavelength with respect to temperature. Therefore, in an ignition device that is assumed to be used in a high temperature environment, when an edge emitting laser is used as an excitation light source, a precise temperature control mechanism is required to keep the temperature of the edge emitting laser constant. This increases the size and cost of the device.
一方、面発光レーザアレイから射出される光は、温度に対する波長の変動が端面発光レーザの約1/10である。そこで、面発光レーザアレイを励起用光源に使用する点火装置では、精密な温度制御機構を必要としない。そのため、小型かつ低コストな点火装置を実現することができる。 On the other hand, the light emitted from the surface emitting laser array has a wavelength variation with respect to temperature of about 1/10 that of the edge emitting laser. Therefore, an ignition device that uses a surface emitting laser array as an excitation light source does not require a precise temperature control mechanism. Therefore, a small and low-cost ignition device can be realized.
加えて、面発光レーザアレイは、発光領域が半導体内部にあることから端面破壊の懸念がなく、点火装置の信頼性を向上させることができる。 In addition, since the surface emitting laser array has a light emitting region inside the semiconductor, there is no fear of end face destruction, and the reliability of the ignition device can be improved.
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る点火装置301では、保護部材212によって、本発明の点火装置における窓部材が構成されている。
As is clear from the above description, in the
また、本実施形態に係る点火装置301では、レーザ装置200によって、本発明の点火装置における光源が構成され、射出光学系210によって、本発明の点火装置における光学系が構成されている。
In the
以上説明したように、本実施形態に係る保護部材212は、光が入射するA面と、該A面に入射した光が射出されるB面とを有する板状部材212aと、該板状部材212aのB面上に設けられた誘電体膜213とを備えている。そして、誘電体膜213は、微細凸構造体を複数有する微細構造部を含んでいる。
As described above, the
微細凸構造体の形状は、光の進行方向に向かって、断面積が連続的小さくなるような錐形状である。微細凸構造体の直径は、光の波長の1/2以下であり、微細構造部における複数の微細凸構造体の間隔は、光の波長の1/2以下である。 The shape of the fine convex structure is a cone shape whose cross-sectional area continuously decreases in the light traveling direction. The diameter of the fine convex structure is ½ or less of the wavelength of light, and the interval between the plurality of fine convex structures in the fine structure is ½ or less of the wavelength of light.
また、板状部材212aはサファイヤガラスであり、誘電体膜213の材料は、Si3N4である。
The plate-
この保護部材212によると、耐熱性の向上と反射光の低減とを両立させることができるとともに、汚れの付着抑制を図ることができる。
According to this
そして、保護部材212は、低温環境下、常温環境下で使用される場合は無論、反射コートが困難である高温環境下において使用される窓部材に特に有効である。すなわち、保護部材212は、あらゆる温度環境下での窓部材としての用途に広く適用可能である。
The
そして、点火装置301は、保護部材212を有しているため、安定した点火を効率良く行うことができる。
And since the
また、エンジン300は、点火装置301を備えているため、結果として、効率化を図ることができる。
Further, since
なお、上記実施形態では、板状部材212aが矩形板状の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、円形板状、楕円板状、長方形板状、多角形板状であっても良い。
In the above-described embodiment, the case where the plate-
また、上記実施形態では、保護部材212が点火装置に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、画像形成装置(例えばレーザ複写機、レーザプリンタ等)や画像投影装置(例えばプロジェクタ)における窓部材として用いることができる。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the
また、保護部材212が耐熱性を必要としない装置の窓部材として用いられても良い。
Further, the
また、上記実施形態において、励起用光源として面発光レーザアレイが用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。 Moreover, in the said embodiment, although the case where a surface emitting laser array was used as a light source for excitation was demonstrated, it is not limited to this.
次に、保護部材212の変形例(変形例1〜変形例6)について説明する。
Next, modified examples (modified examples 1 to 6) of the
変形例1の保護部材212では、一例として図37に示されるように、板部材212aのB面上に誘電体膜213が付与されている。そして、微細構造部213bは、複数の微細凹構造体を有し、微細構造部213bが下地部213aの+Z側に設けられている。
In the
ここでは、図38(A)に示されるように、先ず、板状部材212aのB面上に下地部213aを形成し、その後、図38(B)に示されるように、下地部213aを削って複数の微細凹構造体を形成することによって、誘電体膜213が設けられている。変形例1の保護部材212は、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
Here, as shown in FIG. 38 (A), first, the
変形例2の保護部材212では、一例として図39に示されるように、板部材212aのA面上に誘電体膜213が付与されている。そして、微細構造部213bは、複数の微細凸構造体を有し、微細構造部213bは、下地部213aの−Z側に設けられている。微細凸構造体は、+Z方向に断面積が連続して大きくなる形状を有している。なお、該微細凸構造体は、+Z方向に断面積が階段状に大きくなる形状であっても良い。
In the
この場合、誘電体膜213の−Z側の面での反射を抑えることができる。そこで、この変形例2の保護部材212によると、耐熱性の向上と反射光の低減とを両立させることができる。
In this case, reflection on the surface on the −Z side of the
変形例3の保護部材212では、一例として図40に示されるように、板部材212aのA面上に誘電体膜213が付与されている。そして、微細構造部213bは、複数の微細凹構造体を有し、微細構造部213bが下地部213aの−Z側に設けられている。
In the
この場合、誘電体膜213の−Z側の面での反射を抑えることができる。そこで、この変形例3の保護部材212によると、耐熱性の向上と反射光の低減とを両立させることができる。
In this case, reflection on the surface on the −Z side of the
変形例4の保護部材212では、一例として図41に示されるように、板部材212aのA面上及びB面上に誘電体膜213が付与されている。各誘電体膜213の微細構造部は、複数の微細凸構造体を有している。変形例4の保護部材212は、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
In the
変形例5の保護部材212では、一例として図42に示されるように、板部材212aのA面上及びB面上に誘電体膜213が付与されている。各誘電体膜213の微細構造部は、複数の微細凹構造体を有している。変形例5の保護部材212は、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
In the
なお、変形例4の保護部材212において、A面側の微細凸構造体とB面側の微細凸構造体の位置がそろっていても良いし、互いにずれていても良い。同様に、変形例5の保護部材212において、A面側の微細凹構造体とB面側の微細凹構造体の位置がそろっていても良いし、互いにずれていても良い。
In the
また、A面側が微細凸構造体であり、B面側が微細凹構造体であっても良いし、A面側が微細凹構造体であり、B面側が微細凸構造体であっても良い。 Further, the A surface side may be a fine convex structure, the B surface side may be a fine concave structure, the A surface side may be a fine concave structure, and the B surface side may be a fine convex structure.
変形例6の保護部材212では、一例として図43に示されるように、下地部はなく、微細構造部のみで構成されている。この場合も、上記実施例とほぼ同様の効果を得ることができる。
As shown in FIG. 43 as an example, the
また、上記実施例及び変形例において、一例として図44に示されるように、微細凸構造体及び微細凹構造体の形状が、柱形状であっても良い。この場合であっても、従来よりも、反射光を低減させることができる。そこで、耐熱性の向上と反射光の低減とを両立させることができる。なお、柱形状として、円柱状、楕円柱状、四角柱状、多角柱状などがある。 Moreover, in the said Example and modification, as FIG. 44 shows as an example, the shape of a fine convex structure and a fine concave structure may be column shape. Even in this case, the reflected light can be reduced as compared with the conventional case. Therefore, both improvement in heat resistance and reduction in reflected light can be achieved. Note that the columnar shape includes a columnar shape, an elliptical columnar shape, a quadrangular columnar shape, a polygonal columnar shape, and the like.
また、上記実施例及び変形例において、一例として図45に示されるように、隣接する2つの微細構造体の間隔がほぼ0であっても良い。すなわち、上記実施例における平坦部が設けられていなくても良い。この場合であっても、従来よりも、反射光を低減させることができる。そこで、耐熱性の向上と反射光の低減とを両立させることができる。 Further, in the above embodiment and modification, as shown in FIG. 45 as an example, the interval between two adjacent fine structures may be substantially zero. That is, the flat part in the said Example does not need to be provided. Even in this case, the reflected light can be reduced as compared with the conventional case. Therefore, both improvement in heat resistance and reduction in reflected light can be achieved.
また、上記実施例及び変形例において、誘電体膜213が多層膜であっても良い。例えば、図46に示されるように、微細構造部213bが、誘電体213cでコーティングされていても良い。この場合、従来の多層膜よりも少ない層数で、従来の多層膜と同等以上に小さい反射率を実現することができる。そして、従来の多層膜よりも層数が少なくて良いことから、クラックの発生を抑制することができる。
Further, in the above embodiments and modifications, the
また、上記実施例では、誘電体膜213の材料がSi3N4の場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、使用環境に応じた耐熱性を有する材料であれば良い。この場合、前述した窒化物、酸化物、及び炭化物だけではなく、例えば、Si、Al、Ca、Mg、B、C、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Sr、Zr、Nb、Ru、Pd、Ag、In、Sn、Hf、Ta、W、Ot、Au、Biのいずれかを主成分とする材料や、該主成分のフッ化物を用いることもできる。
Further, in the above embodiment, the material of the
また、上記実施例では、板状部材212aの材料がサファイアガラスの場合について説明したが、これに限定されるものではない。
Moreover, although the said Example demonstrated the case where the material of the plate-shaped
200…レーザ装置(光源)、201…面発光レーザアレイ、203…第1集光光学系、204…光ファイバ(伝送部材)、205…第2集光光学系、205a…第1レンズ、205b…第2レンズ、206…レーザ共振器、206a…レーザ媒質、206b…可飽和吸収体、210…射出光学系(光学系)、212…保護部材(窓部材)、212a…板状部材、213…誘電体膜、213a…下地部、213b…微細構造部、213c…誘電体、214…筐体、215…AR膜、215a…AR膜、215b…AR膜、216…サファイア基板、217…微細凸構造体、218…Si3N4層、220…駆動装置、222…エンジン制御装置、300…エンジン(内燃機関)、301…点火装置、302…燃料噴出機構、303…排気機構、304…燃焼室、305…ピストン、501…液体、502…微粒子。
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記光が入射するA面と、前記A面に入射した光が射出されるB面とを有する板状部材と、
前記板状部材の前記A面及び前記B面の少なくとも一方の面上に設けられる誘電体膜とを備え、
前記誘電体膜は、凸状又は凹状の微細構造体を複数有する微細構造部を含む窓部材。 A window member disposed on an optical path of light,
A plate-like member having an A surface on which the light is incident and a B surface on which the light incident on the A surface is emitted;
A dielectric film provided on at least one of the A surface and the B surface of the plate-like member,
The dielectric film is a window member including a microstructure part having a plurality of convex or concave microstructures.
前記微細構造体は、前記光の進行方向に向かって、断面積が連続的あるいは階段状に小さくなることを特徴とする請求項1に記載の窓部材。 The dielectric film is provided on the B surface,
2. The window member according to claim 1, wherein the fine structure has a cross-sectional area that decreases continuously or stepwise in the light traveling direction.
前記微細構造体は、前記光の進行方向に向かって、断面積が連続的あるいは階段状に大きくなることを特徴とする請求項1又は2に記載の窓部材。 The dielectric film is provided on the A surface,
3. The window member according to claim 1, wherein the fine structure has a cross-sectional area that increases continuously or stepwise in the traveling direction of the light.
前記微細構造部における複数の微細構造体の直径は、一様ではないことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の窓部材。 The diameter of the microstructure is not more than 1/2 of the wavelength of the light,
The window member according to any one of claims 1 to 5, wherein the diameters of the plurality of fine structures in the fine structure portion are not uniform.
前記光源から射出される光を集光する光学系と、
前記光源及び前記光学系が収容される筐体と、
前記光学系を介した光の光路上であって、前記筐体に設けられた請求項1〜13のいずれか一項に記載の窓部材と、を備える点火装置。 A light source;
An optical system for collecting the light emitted from the light source;
A housing that houses the light source and the optical system;
An ignition device comprising: the window member according to any one of claims 1 to 13 provided on the housing on an optical path of light through the optical system.
前記燃料に点火するための請求項14に記載の点火装置を備えることを特徴とする内燃機関。 In an internal combustion engine that generates combustion gas by burning fuel,
An internal combustion engine comprising the ignition device according to claim 14 for igniting the fuel.
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