JP2005275434A - ＺｎＳを基板とする耐環境性赤外線透過構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 優れた赤外線透過率を有すると同時に、過酷な環境下での使用に対しても反射防止膜の剥離や傷の発生のない、耐環境性に優れた赤外線透過構造体を提供する。
【解決手段】 ＺｎＳ基板と、ＺｎＳ基板上に形成した弾性率が１００ＧＰａ以上の材料からなる衝撃緩和層と、衝撃緩和層上に形成したダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素からなる最外層とを備え、ＺｎＳ基板と衝撃緩和層との間にＹ_２Ｏ_３又はＭｇＦ_２からなる中間層を設けることもできる。衝撃緩和層を構成する弾性率１００ＧＰａ以上の材料は、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＢＰ、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＹＦ_３、ＬａＦ_３、又はＣｅＦ_３であることが好ましい。
【選択図】 なし

Description

本発明は、赤外線センサーなどの赤外線検出器に光学窓などとして用いられる赤外線の透過性に優れた構造体、特に過酷な環境下で用いられる赤外線透過構造体に関するものである。

近年、物体から放射又は放散される熱による赤外線を検知する各種の赤外線検出機器の開発が進められている。これらの赤外線検出機器の光学窓などを構成する赤外線透過構造体は、必要な波長帯の赤外線を透過する材料で作成することが要求される。

かかる赤外線透過材料のひとつとして、硫化亜鉛（ＺｎＳ）がある。硫化亜鉛は、屈折率が２.２と高く、表面反射損失が大きいために直線透過率はそれほど大きくなく、例えば厚み５ｍｍの硫化亜鉛基板では７０％程度の直線透過率が最大である。従って、ＺｎＳを光学窓などとして使用する場合には、表面にＭｇＦ_２などの弗化物やＴｉＯ_２などの酸化物をコーティングした反射防止膜を設け、直線透過率を向上させる処理が一般的に行われている。

従来の一般的な赤外線検出機器は、赤外線放射温度測定器、入侵入検知センサーなどのように、屋内使用を前提にしているため、反射防止膜も直線透過率の改善のみを目的として施されており、耐環境性を考慮したものは少なかった。

しかし最近では、赤外線検出機器の屋外使用が多くなり、航空機のような高速飛翔体にも装備されている。その結果、このような長時間の高温多湿環境下及び急激な温度変化を受ける環境下での使用、更には高速飛翔体の飛行時の雨滴衝突条件への暴露に対しては、短時間で硫化亜鉛基板から反射防止膜が剥離したり、反射防止膜に傷が発生するという問題があった。

本発明は、かかる従来の事情に鑑み、優れた赤外線透過率を有すると同時に、過酷な環境下での使用、特に高速飛翔体の飛行時の雨滴衝突に対しても、反射防止膜の剥離や傷の発生のない、耐環境性に優れた赤外線透過構造体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明が提供する赤外線透過構造体は、ＺｎＳ基板と、該ＺｎＳ基板上に形成した弾性率が１００ＧＰａ以上の材料からなる衝撃緩和層と、衝撃緩和層上に形成したダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素からなる最外層とを備えたことを特徴とするものである。

上記本発明の赤外線透過構造体において、前記ＺｎＳ基板と衝撃緩和層との間に、Ｙ_２Ｏ_３又はＭｇＦ_２からなる中間層を設けることができる。

また、上記本発明の赤外線透過構造体において、前記衝撃緩和層を構成する弾性率１００ＧＰａ以上の材料は、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＢＰ、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＹＦ_３、ＬａＦ_３、又はＣｅＦ_３であることが好ましい。

更に、上記本発明の赤外線透過構造体において、前記ＺｎＳ基板は透明化処理を施したＺｎＳ基板であってよく、その場合は赤外線と共に可視光線の透過性に優れた赤外線透過構造体となる。

本発明によれば、優れた赤外線透過性を有すると同時に、高温多湿の環境下や急激な温度変化を受ける環境下での使用に適し、特に雨滴の衝突などの過酷な環境下で使用しても反射防止膜が剥離したり反射防止膜に傷が発生したりすることがない、耐環境性に優れた赤外線透過構造体を提供することができる。

従って、本発明の赤外線透過構造体は、屋内用はもちろん屋外用の赤外線検出機器の光学窓として有用であり、特に高速飛翔体に用いる赤外線検出機器の光学窓として有効である。

上述したように、赤外線透過材料である硫化亜鉛は、ＺｎＳ基板のみでは赤外線透過率が７０％前後に過ぎない。そこで、赤外線透過率を向上させる手段として、ＺｎＳ基板の表面に屈折率の低い材料をコーティングして反射防止膜とすることは良く知られている。しかしながら、耐環境性を考慮した場合には、反射防止膜とＺｎＳ基板の接着性や反射防止膜自体の耐摩耗性などが必要となる。

基板であるＺｎＳとの付着性に優れた反射防止膜の材料としてＰｂＦ_２があるが、ＰｂＦ_２は水を吸収して白く変質するため多湿な環境化では役に立たない。また、ＺｎＳ基板及び透明化処理を施されたＺｎＳ基板は、表面硬度がヌープ硬度で１５０〜３５０と低く、弾性率も７０〜９０ＧＰａと低いため、雨滴の衝突を受けた場合、ＺｎＳ基板の表面に小さな傷が多数発生し、透過率が急激に低下する。

そこで、本発明の赤外線透過構造体は、優れた赤外線透過率を持つと同時に、特に雨滴などの衝突に対して優れた耐久性を付与するために、ＺｎＳ基板上に雨滴衝突時の衝撃を緩和する目的で、弾性率が１００ＧＰａ以上の材料、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＢＰ、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２などの酸化物、ＹＦ_３、ＬａＦ_３、ＣｅＦ_３などの弗化物からなる衝撃緩和層を設けている。ここで、弾性率を１００ＧＰａ以上とする理由は、雨滴衝突時の衝撃をはね返して緩和する固さが必要なためである。

加えて、耐雨滴摩耗性を持たせるため、この衝撃緩和層の上の最外層にダイヤモンド状炭素（Ｄｉａｍｏｎｄｏ−ｌｉｋｅ−ｃａｒｂｏｎ）又はダイヤモンドの層を設ける。ダイヤモンド状炭素及びダイヤモンドは、表面硬度がヌープ硬度で２０００以上であり、化学的に安定で、可視から赤外域まで優れた透過性を有しており、上記衝撃緩和層を構成する材料との密着性にも優れている。

上記衝撃緩和層の膜厚は０.０２〜２５.０μｍの範囲が好ましく、また上記ダイヤモンド状炭素又はダイヤモンド層の膜厚は０.２０〜２０.０μｍの範囲が好ましい。これらの層の膜厚を上記の範囲内にすることにより、可視から赤外の使用波長帯に合わせて、最適の膜厚を選択することができる。

また、雨滴の衝突による衝撃を更に緩和するために、ＺｎＳ基板と衝撃緩和層との間に、Ｙ_２Ｏ_３やＭｇＦ_２などからなる中間層を設けることができる。雨滴の衝突によるＺｎＳ基板への衝撃を抑えるためには、この中間層の膜厚を出来るだけ厚くすることが好ましいが、０.２μｍ以上になると赤外透過率に影響するので避けるべきである。

更に、上記赤外線透過構造体において、ＺｎＳ基板として透明化処理（ＨＩＰ処理）が施されたＺｎＳ基板を使用すれば、このＺｎＳ基板は可視から赤外域まで６０〜７５％程度の透過率を有するので、可視光線の透過性にも優れた赤外線透過構造体を得ることができる。

なお、上記の赤外線透過構造体における全ての層の形成は、公知のスパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法及びプラズマＣＶＤ法などによって形成する。

厚み５ｍｍのＺｎＳ基板の片面に、このＺｎＳ基板と直接接せしめて膜厚１０.０μｍのＧｅからなる衝撃緩和層を形成し、更にこの衝撃緩和層上に膜厚０.８５μｍのダイヤモンド状炭素からなる最外層を形成した。Ｇｅの衝撃緩和層は電子ビームを用いる真空蒸着法により基板温度１５０℃で形成し、ダイヤモンド状炭素の最外層はプラズマＣＶＤ法により基板温度１８０℃で形成した。

得られた赤外線透過構造体は、対象波長の赤外線での反射率が１５％以下であった。また、この赤外線透過構造体を高速飛翔体に取り付け、雨滴衝突に対する耐久性に関して試験したところ、２５ｍｍ／ｈの雨量において、飛翔体の速度２８３ｍ／ｓｅｃまで膜剥離が生じず、膜に傷が付くこともなかった。

Claims (4)

1. ＺｎＳ基板と、該ＺｎＳ基板上に形成した弾性率が１００ＧＰａ以上の材料からなる衝撃緩和層と、衝撃緩和層上に形成したダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素からなる最外層とを備えたことを特徴とする赤外線透過構造体。
2. 前記ＺｎＳ基板と衝撃緩和層との間に、Ｙ_２Ｏ_３又はＭｇＦ_２からなる中間層を設けることを特徴とする、請求項１に記載の赤外線透過構造体。
3. 前記衝撃緩和層を構成する弾性率１００ＧＰａ以上の材料が、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＢＰ、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＹＦ_３、ＬａＦ_３、又はＣｅＦ_３であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の赤外線透過構造体。
4. 前記ＺｎＳ基板が透明化処理を施したＺｎＳ基板であり、赤外線と共に可視光線の透過性に優れていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線透過構造体。