JP2007101729A

JP2007101729A - 赤外カットコート膜、赤外カットコート膜を有する光学素子及び係る光学素子を有する内視鏡装置

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Publication number: JP2007101729A
Application number: JP2005289177A
Authority: JP
Inventors: Hideo Fujii; 秀雄藤井
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP4648813B2

Abstract

【課題】発熱による割れや欠けを生じることなく、一つの部材で広い波長範囲の赤外光をカットできる赤外カット材及びこれを有する内視鏡装置を提供する。
【解決手段】可視光Lvを透過する層21，22が積層されてなる赤外カットコート膜２であって、可視光Lvを透過する層21，22のうち少なくとも一層が赤外光波長領域に吸収を有する赤外光吸収層21である赤外カットコート膜２、赤外カットコート膜２を有する光学素子10及び光学素子10を有する内視鏡装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、可視光を透過し、赤外光を吸収する赤外カットコート膜に関し、より詳しくは広範な波長範囲の赤外光をカットすることができ、内視鏡の光源光学系に好適な赤外カットコート膜及び係る赤外カットコート膜を有する光学素子に関する。

内視鏡の光源光学系の照明光源には、キセノンランプやハロゲンランプが用いられることが多い。いずれのランプの照射光も、照明光として求められる可視光ばかりでなく、波長750 nm以上の赤外光を含んでいる。照明光源から照射された光は、集光レンズでライトガイドの入射端面に導かれるが、赤外光まで集光してしまうと、ライトガイドが焼けてしまう。最近、内視鏡用光源に多用されているキセノンランプの照射光の波長は220〜2000 nmであり、高い割合で波長750 nm以上の赤外光を含むので、ライトガイドの焼損が特に問題となっている。

そこで、図６に示すように、照明光源３と集光レンズ１との間に赤外カットフィルター５が設けられる。照明光源３から赤外光を含む光が照射されても、集光レンズ１の手前で赤外光をカットして可視光のみを透過させることによって、ライトガイド４の過熱を防止しつつ、必要な光を内視鏡に導くことができる。光の干渉によって赤外光をカットする多層干渉コート膜を設けた光学部材は、赤外カットフィルター５として用いられている。一般的な多層干渉コート膜は、図８に示すような分光透過率を示す。すなわち可視光を透過し、波長800〜1100 nmの赤外光を反射し、波長1100〜2000 nmの光を透過する。ライトガイド４の過熱を防ぐ観点からは、波長1100〜2000 nmの光も透過させないのが好ましいが、この波長域に干渉を生じさせて反射を起こさせると、可視光でも反射が起こってしまう。例えば波長1550 nmの光を反射させるようにすると、その１／３の波長である517 nmの光の反射も大きくなる（図９）。このように、可視光の透過性能を損なうのを防ぐ観点から、多層干渉コート膜は波長1100〜2000 nmの光をカットしない透過率を有するように設計されている。

赤外吸収ガラスのように赤外光を吸収する基板も、赤外カットフィルターとして機能しうる。しかし、赤外光を吸収する基板は、100〜300℃において70×10^-7℃^-1という大きな熱膨張係数を有するので、内視鏡用光源光学系の赤外カットフィルターとして用いると、短時間のうちに表面温度が数百度まで上昇してしまう。その結果、光が入射する面と出射する面及び／又は基板の中心部と周辺部との間に急激な温度分布を生じ、基板が割れたり欠けたりしてしまうという問題がある。

特許2876998号（特許文献１）には、図７に示すように、照明光源３とライトガイド４の間に、所定の透過エネルギー量を有する赤外線反射型フィルター51と、赤外線吸収型フィルター52とを具備する内視鏡用光源光学系が記載されている。この内視鏡用光源光学系においては、赤外線吸収型フィルター52が波長1100 nm以上の光を吸収し、赤外線反射型フィルター51が波長750〜1100 nmの赤外光を反射すると共に赤外線吸収型フィルター52の発熱量を低減する。そのため、照明光源３とライトガイド４との間にこれらのフィルター51，52を設けると、ライトガイド４の焼損を防止できる。しかし、赤外線反射型フィルター51と赤外線吸収型フィルター52という二つの部材を十分離して設けなければならず、光学系を小型化し難いという問題がある。

特許2876998号公報

従って本発明の目的は、発熱による割れや欠けを生じることなく、一つの部材で広い波長範囲の赤外光をカットできる赤外カット材及びこれを有する内視鏡装置を提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、可視光を透過し、赤外光を吸収する材料からなる層を有する膜を集光レンズ等の表面に設けることによって、内視鏡の照明光学系の光路に赤外線カットフィルターを別途設けなくても、赤外光による焼損を防止しつつ必要な可視光をライトガイドに取り入れることができることを発見し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の赤外カットコート膜は、可視光を透過する層が積層されてなり、前記可視光を透過する層のうち少なくとも一層が赤外光波長領域に吸収を有する赤外光吸収層であることを特徴とする。

前記赤外光吸収層は酸化亜鉛、酸化スズ及び酸化インジウムからなる群より選択された少なくとも一種を主成分とするのが好ましく、フッ素、アルミニウム、ガリウム、亜鉛、スズ、アンチモン及びインジウムからなる群より選択された少なくとも一種であって前記主成分と異なるものを副成分とするのが好ましい。前記副成分の含有量は0.1〜20質量％であるのが好ましい。

赤外カットコート膜は、赤外波長域に透過率５％以下の低透過率帯を有するのが好ましい。前記低透過率帯の短波長端が650〜850 nmにあり、長波長端が1300 nm以上にあるのが好ましい。

本発明の光学素子は、本発明の赤外カットコート膜を有するのが好ましい。

本発明の赤外カットコート膜は可視光を透過し、赤外線を吸収する。好ましい赤外カットコート膜は、波長800〜2000 nmの赤外光に対して５％以下という低い透過率を示す。そのため、照明光学系の集光レンズの表面に本発明の赤外カットコート膜を形成すると、キセノンランプのように幅広い波長の光を照射する光源を用いた場合であっても、光路に赤外光カットフィルター等の部材を別途設けなくても、赤外光によるライトガイドの焼損を防止できる。このように、幅広い波長範囲の赤外光をカットしうる赤外カットコート膜を有する光学素子は、小型化を要する照明光学系に好適である。

[1] 赤外カットコート膜
赤外カットコート膜は、赤外光波長領域に吸収を有する赤外光吸収層を有する。本明細書中、「赤外光波長領域に吸収を有する」とは、いわゆる赤外光のうち750〜2000 nmの範囲で０〜５％の透過率を示すことを言う。赤外光吸収層は波長850〜2000 nmの光を吸収するのが好ましく、750〜2000 nmの光を吸収するのがより好ましい。波長850〜2000 nmの光をカットしうる広帯域赤外カットコート膜は、内視鏡の照明光学系に好適である。

赤外光吸収層は可視光を透過し、透明である。赤外光吸収層は波長400〜700 nmで、80％以上の分光透過率を有するのが好ましい。このような透過率を示す層は、実質的に透明である。

赤外光吸収層は可視光を透過する主成分と、副成分とからなるのが好ましい。副成分を含有すると主成分の結晶格子には乱れが生じるが、この乱れによって赤外光の吸収が起こると考えられている。副成分の含有量は0.1〜20質量％であるのが好ましい。含有量が0.1質量％未満であると、赤外光吸収層が十分な赤外光吸収率を示し難過ぎる。20質量％超であると、可視光の領域で十分な透過性を示し難過ぎる。

赤外光吸収層の主成分は酸化亜鉛、酸化スズ及び酸化インジウムからなる群より選択された少なくとも一種であるのが好ましい。副成分は主成分と異なるものであって、フッ素、アルミニウム、ガリウム、亜鉛、スズ、アンチモン及びインジウムからなる群より選択された少なくとも一種であるのがのが好ましい。これらの主成分及び副成分からなる層は可視光を透過し、高い効率で赤外光を吸収する。好ましい赤外光吸収層の具体例としてアルミニウムを添加した酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛、フッ素を添加した酸化スズ、亜鉛を添加した酸化スズ、アンチモンを添加した酸化スズ及びスズを添加した酸化インジウムが挙げられる。特に好ましい赤外光吸収層は、アルミニウムを添加した酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛、並びにアルミニウム及びガリウムを添加した酸化亜鉛である。

赤外カットコート膜は赤外光吸収層の他に、可視光透過材からなり、赤外光を吸収しない非吸収層を有するのが好ましい。また1.7〜2.5程度の高い屈折率の層と、1.1〜1.6程度の低い屈折率の層とが交互に積層されてなるものであるのが好ましい。高屈折率層と低屈折率層を適当な膜厚で交互に積層することにより、広い波長範囲の可視光を透過しうる反射防止膜が得られる。赤外光吸収層が高屈折率の場合、非吸収層は低屈折率であるのが好ましく、赤外光吸収層が低屈折率の場合、非吸収層は高屈折率であるのが好ましい。例えば赤外光吸収層であるガリウム添加酸化亜鉛層は、1.9程度の高い屈折率を有するので、酸化ケイ素（屈折率1.48）のような低い屈折率を有する非吸収層と交互に積層されるのが好ましい。もちろん複数の高屈折率層及び低屈折率層を有し、それらのうち一部の層のみが赤外光吸収層であってもよい。非吸収層の好ましい材料の例として、酸化ケイ素、酸化タンタル、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化ハフニウム、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、フッ化マグネシウムが挙げられる。

赤外光吸収層及び非吸収層の厚さや層数は、各層の屈折率、吸収すべき波長範囲等によって適宜決定すればよい。赤外光吸収層と非吸収層とが交互に積層された赤外カットコート膜の場合、一般的には、各層の光学膜厚（nd）が50〜650 nmであり、各層の数は20〜80程度である。

赤外カットコート膜は、赤外波長域に低透過率帯を有する。低透過率帯の光透過率は５％以下であるのが好ましく、３％以下であるのがより好ましい。赤外波長域にある低透過率帯の光透過率が５％以下であると、内視鏡装置の照明光学系に用いた場合に、ライトガイドの過熱を有効に防止できる。低透過率帯の短波長端は650〜850 nmにあるのが好ましい。短波長端がこの範囲にあれば、可視光の透過を実質的に妨げない。長波長端は1300 nm以上であるのが好ましく、1300〜2300 nmにあるのがより好ましい。

[2] 光学素子
図１は、赤外カットコート膜を有する光学素子の一例を示す。図１に示す光学素子10は基材１と、基材１の表面11に形成された赤外カットコート膜２とからなる。図１に示す例では基材１はレンズであるが、本発明の光学素子10の基材１はレンズに限定されず、平板、プリズム、回折格子、偏光素子、吸収型フィルター等でも良い。

赤外カットコート膜は赤外光を吸収して高温になるので、基材１は150〜450℃の熱に耐性を有する材料からなるのが好ましい。また基材１の熱膨張係数は１×10^-7〜50×10^-7℃^-1であるのが好ましい。熱膨張係数がこの範囲であると、光学素子10の使用時に赤外カットコート膜２が昇温しても、基材１から剥がれ難い。好ましい基材１の材料の例として、パイレックス（登録商標）等の耐熱性ガラス、低膨張ガラス、透明セラミックスが挙げられる。

部分拡大図に示すように、赤外光吸収層21と、非吸収層22とが交互に積層され、赤外カットコート膜２となっている。図１に示す例では、基材１上に赤外光吸収層21が形成され、媒質に接触する層は非吸収層22であるが、基材１や各層21，22の屈折率等によっては、基材１上に非吸収層22が形成される場合や、媒質に接触する層が赤外光吸収層21である場合もある。

赤外カットコート膜２の各層21，22は、真空蒸着法、イオンビームアシスト法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法等によって形成することができる。これらの形成方法のうち、最も好ましいのはイオンビームアシスト法である。イオンビームアシスト法によって形成された膜は、基材１との高い密着性を示す。従って、赤外カットコート膜２が温度変化しても、基材１から剥がれ難い。

赤外光Li及び可視光Lvを含む光が赤外カットコート膜２側から光学素子10に入射すると、赤外光Liは赤外カットコート膜２によって吸収され、可視光Lvは赤外カットコート膜２を透過してレンズ１によって光軸上に集光される。赤外波長域の光透過率は５％以下であるのが好ましく、可視波長域の光透過率は95％以上であるのが好ましい。このような透過率を有する光学素子10を光路上にを設けると、赤外光Liを有効にカットすることによって他の光学部品が過熱されるのを防止しつつ、可視光Lvを利用し得る。

[3] 内視鏡装置
図２は、内視鏡装置の照明光学系の一例を概略的に示す。キセノンランプ31及び反射鏡32からなる光源３の光軸上に集光レンズ10と、ライトガイド４とが光路上にこの順に設けられている。キセノンランプ31から発せられた光は集光レンズ10に直接届くとともに、反射鏡32によって反射されて集光レンズ10に入射する。集光レンズ10の有効径は、光源３の光径以上であるのが好ましく、光源３の光径に等しいのがより好ましい。集光レンズ10の有効径が光源３の光径より小さいと、可視光を有効に集光できない上、カットされない赤外光が多く、ライトガイド４等が過熱され易過ぎる。

キセノンランプ31から照射される光のうち、可視光Lvは赤外カットコート膜２を透過し、レンズ１によって集光され、ライトガイド４に入る。赤外光Liは、赤外カットコート膜２に吸収されるので、ライトガイド４が過熱されない。すなわち、赤外カットコート膜２を有する光学素子10により、赤外光Liをカットしてライトガイド４の焼損を防止しつつ、ライトガイド４に可視光Lvを取り入れることができる。

本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

実施例１
50 mm×50 mm、厚さ１mmのパイレックス（登録商標）ガラス（熱膨張係数36×10^-7℃^-1、屈折率1.474）に、イオンビームアシスト法により、表１に示す赤外カットコート膜を成膜した。その際、Ta₂O₅（屈折率2.26）層やSiO₂（屈折率1.48）層は、純度99.9％以上の材料を用いて形成した。ガリウムを添加した酸化亜鉛の層（ZnO＋Ga、屈折率1.92）の材料には、純度99.9％の酸化亜鉛と、純度99.9％の酸化ガリウムとを予めガリウムの含有量が2.7質量％になるように混合したものを用いた。イオンアシストには、コモンウェルス社製MARK-IIイオンソースを使用し、イオン化ガスをアルゴン、加速電圧100 V、イオン電流２Aとした。真空槽には反応ガスとしてO₂を導入し、真空度を５×10^-2Paとした。

比較例１
50 mm×50 mm、厚さ１mmの赤外線吸収基板（HA15、熱膨張係数67×10^-7℃^-1、屈折率1.524、HOYA株式会社製）に、イオンビームアシスト法により、表２に示す光学膜を成膜した。Ta₂O₅及びSiO₂は、実施例１と同じものを用い、イオンビームアシストの条件も実施例１と同じにした。

比較例２
基板上に形成する光学膜の構成を表３の通りとした以外実施例１と同様にして、光学素子を作製した。

表３（続き）

実施例１、比較例１及び比較例２の赤外カットコート膜の表面における分光透過率をそれぞれ図３〜５に示した。実施例１は、可視域で高い透過率を示し、赤外域（波長800〜2000 nm）では３％以下という低い透過率であった。

実施例１の光学素子と比較例１の光学素子を200℃で500時間保持した後、セロハンテープ（登録商標）を貼って剥がすテストをし、膜の状態を観察した。比較例１は、テープと共に膜も剥離したが、実施例１の赤外カットコート膜には全く変化が見られなかった。

本発明の赤外カットコート膜を有する光学素子を示す断面図である。本発明の光学素子を有する照明光学系を示す構成図である。実施例１の膜面透過率を示すグラフである。比較例１の膜面透過率を示すグラフである。比較例２の膜面透過率を示すグラフである。従来の赤外カットフィルターを有する照明光学系の一例を示す構成図である。従来の赤外カットフィルターを有する照明光学系の別の例を示す構成図である。従来の赤外カットフィルターの膜面透過率を示すグラフである。従来の赤外カットフィルターの膜面透過率を示すグラフである。

符号の説明

１・・・基材
２・・・赤外カットコート膜
21・・・赤外光吸収層
22・・・非吸収層
３・・・光源
31・・・キセノンランプ
32・・・反射鏡
４・・・ライトガイド
Lv・・・可視光
Li・・・赤外光

Claims

可視光を透過する層が積層されてなる赤外カットコート膜であって、前記可視光を透過する層のうち少なくとも一層が赤外光波長領域に吸収を有する赤外光吸収層であることを特徴とする赤外カットコート膜。
請求項１に記載の赤外カットコート膜において、前記赤外光吸収層の主成分が酸化亜鉛、酸化スズ及び酸化インジウムからなる群より選択された少なくとも一種であって、副成分としてフッ素、アルミニウム、ガリウム、亜鉛、スズ、アンチモン及びインジウムからなる群より選択された少なくとも一種であって前記主成分と異なるものを含有し、前記副成分の含有量が0.1〜20質量％であることを特徴とする赤外カットコート膜。
請求項１又は２に記載の赤外カットコート膜において、赤外波長域に低透過率帯を有し、前記低透過率帯の透過率が５％以下であり、前記低透過率帯の短波長端が650〜850 nmにあり、長波長端が1300 nm以上にあることを特徴とする赤外カットコート膜。
請求項１〜３のいずれかに記載の赤外カットコート膜を有する光学素子。
請求項４に記載の光学素子を有する内視鏡装置。