JP2010078714A

JP2010078714A - 広域熱線カットフィルタ

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Publication number: JP2010078714A
Application number: JP2008244790A
Authority: JP
Inventors: Shinji Noguchi; 晋治野口
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-09-24
Also published as: JP5279428B2

Abstract

【課題】可視光の透過率が向上し、広域の熱線をカットでき、また、高温下で連続使用しても熱線カット効果が低下しない。
【解決手段】広域熱線カットフィルタ１は、透明基板７上に光学多層膜８を備える。光学多層膜８は、高屈折率材料層９と低屈折率材料層１０とが交互に積層されており、略１０００〜２０００ｎｍの波長の熱線を反射する第１の反射部１１と、略８００〜１３００ｎｍの波長の熱線を反射する第２の反射部１２とを有する。第１の反射部１１は、薄い高屈折率材料層９、薄い低屈折率材料層１０、厚い高屈折率材料層９が順に積層される第１の構造１３と、薄い低屈折率材料層１０、薄い高屈折率材料層９、厚い低屈折率材料層１０が順に積層される第２の構造１４とを有し、第１の構造１３と第２の構造１４は交互に重ねられる。カットフィルタ１は、可視光に対する透過率及び熱線カット効果が向上し、高温下で連続使用しても熱線カット効果が低下しない。
【選択図】図２

Description

本発明は、照明光源から発生する不要な熱線、すなわち熱線波長域の光を遮蔽する広域熱線カットフィルタに関する。

店舗や舞台で使用されるスポットライト照明器具及びプロジェクタの光源は、演色性が良く、点灯・消灯の切り替えが容易なハロゲンランプが一般的に使われる。このようなハロゲンランプの放射スペクトルを図６に示す。ハロゲンランプから放射される可視光の量に比べて、放射される熱線（赤外線）の量は非常に多い。そのため、例えば、ハロゲンランプを備えるスポットライト照明器具を使用したとき、被照射物は明るく照らされると同時に、大量の熱線が放射されることになる。そこで、熱線吸収ガラス、熱線反射フィルタ等をハロゲンランプの光出射口近傍に配置することによって、ハロゲンランプから放射される不要な熱線をカットしている。

熱線をカットするために用いられる熱線吸収ガラスは、微量のコバルト、鉄、セレン等の金属が混入されたガラスであり、熱線を吸収することができる。しかしながら、熱線吸収ガラスは、高出力の光源であるハロゲンランプから放射される熱線を多量に吸収することで破損してしまうため、２００℃程度までが使用限界温度である。また、熱線吸収ガラスは可視光の透過率が良くない。

熱線をカットするために用いられる熱線反射フィルタは、ガラスや水晶等の透明基板上に光学多層膜が形成される（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。普通の光学多層膜を備える熱線反射フィルタは、熱線をカットする領域が狭いため、７８０〜１２００ｎｍの波長の熱線をカットできても、１２００ｎｍより長い波長の熱線をカットできない。そこで、光学多層膜を形成する高屈折率材料層と低屈折率材料層の光学膜厚は、１２００ｎｍより長い波長の熱線をカットするために、設計波長をλとしたとき、ｎｄ＝λ／４（ｎ：屈折率、ｄ：膜厚）の構成となるように設計されることが考えられる。しかしながら、上記のように設計された光学多層膜を備える熱線反射フィルタは、可視光領域の透過スペクトルにディンプルが発生するために、透過光に色むらが発生し、可視光の透過率が低下する。

カットできる熱線領域を広くするための別の手段として、カットできる熱線領域の異なる複数個の熱線反射フィルタを使用することが考えられるが、部品点数が増加して高価となる。また、さらに別の手段として、熱線吸収ガラスと熱線反射フィルタとを組み合わせることが考えられるが、この組み合わせでは、広域の熱線が綺麗にカットされず、可視光の透過特性が悪く、部品点数が増加して高価となる。

そこで、透明ガラス基板上に１０層以上が積層された光学多層薄膜に、Ｉｎ_２Ｏ_３及びＳｎＯ_２から成るＩＴＯ膜（インジウム・テイン・オキサイド膜）を組み合わせた熱線反射フィルタが知られている（例えば、特許文献３及び特許文献４参照）。この熱線反射フィルタは、光学多層薄膜で７８０〜１２００ｎｍの波長の熱線をカットし、ＩＴＯ膜で１２００ｎｍ以上の波長の熱線をカットする。しかしながら、この熱線反射フィルタは熱の影響を受けやすい性質を有しており、その性質が顕著に表れる耐熱試験結果を図７に示す。耐熱試験は、熱線反射フィルタのサンプルを３００℃で３５日間加熱して行われた。耐熱試験後の熱線反射フィルタは、耐熱試験前のものに比べて、ＩＴＯ膜が有する１２００ｎｍ以上の波長の熱線をカットする効果が大きく低下している。
特開２０００−３１４８０８号公報特開２００３−２７９７２６号公報特開平８−３２９７１９号公報特開平８−２４９９１４号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、４００〜８００ｎｍの可視光の透過率が向上し、８００〜２０００ｎｍの広域の熱線をカットでき、また、高温下で長時間連続使用しても熱線カット効果が低下しない高温耐久性を有する広域熱線カットフィルタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、透明基板と、前記透明基板の片面又は両面に光学多層膜とを備える広域熱線カットフィルタにおいて、前記光学多層膜は、前記透明基板上に高屈折率材料層と低屈折率材料層とが交互に積層され、略１０００〜２０００ｎｍの波長の熱線を反射する第１の反射部と、前記第１の反射部上に高屈折率材料層と低屈折率材料層とが交互に積層され、略８００〜１３００ｎｍの波長の熱線を反射する第２の反射部とを有し、前記第１の反射部は、設計波長をλとするとき、前記高屈折率材料層であって光学膜厚がλ／４より薄い層、前記低屈折率材料層であって光学膜厚がλ／４より薄い層、前記高屈折率材料層であって光学膜厚がλ／４以上の厚い層が順に積層されている第１の構造と、前記低屈折率材料層であって光学膜厚がλ／４より薄い層、前記高屈折率材料層であって光学膜厚がλ／４より薄い層、前記低屈折率材料層であって光学膜厚がλ／４以上の厚い層が順に積層されている第２の構造とを有し、前記第１の構造と前記第２の構造は、交互に重ねられているものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の広域熱線カットフィルタにおいて、前記高屈折率材料層はＴａ成分から成り、かつ、前記低屈折率材料層はＳｉ成分から成るものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の広域熱線カットフィルタにおいて、前記高屈折率材料層はＮｂ成分から成り、かつ、前記低屈折率材料層はＳｉ成分から成るものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の広域熱線カットフィルタが光出射口近傍に設けられる照明器具である。

請求項１乃至請求項３の発明によれば、４００〜８００ｎｍの波長の可視光に対する透過率が８０％以上であり、８００〜２０００ｎｍの波長の熱線を５０％以上カットし、３００℃を越える高温下で長時間連続使用しても熱線カット効果が低下しない。

請求項４の発明によれば、熱線カット効果及び可視光の透過率が高いので、被照射物の表面温度の上昇を抑制し、かつ、効率良く可視光を照射できる。

本発明の一実施形態に係る広域熱線カットフィルタ（以下、カットフィルタという）について図１及び図２を参照して説明する。図１は本実施形態のカットフィルタ１を備える照明器具２の概略構成を示す。本実施形態のカットフィルタ１は、照明器具２の光出射口近傍に設けられる。照明器具２は、適宜に反射鏡４が設けられる。ハロゲンランプである光源３から出射された光５は、直接、カットフィルタ１を透過し、又は反射鏡４によって反射された後にカットフィルタ１を透過し、透過光６となって外部に出射される。照明器具２は、カットフィルタ１が熱線をカットすると共に、可視光を透過させるので、被照射物の表面温度の上昇を抑制し、かつ、効率良く可視光を照射できる。

図２は本実施形態のカットフィルタ１の概略構成を示す。カットフィルタ１は、透明基板７と、透明基板７の片面に光学多層膜８とを備える。光学多層膜８は、透明基板７上に高屈折率材料層９と低屈折率材料層１０とが交互に積層され、略１０００〜２０００ｎｍの波長の熱線を反射する第１の反射部１１を有する。また、光学多層膜８は、第１の反射部１１上に高屈折率材料層９と低屈折率材料層１０とが交互に積層され、略８００〜１３００ｎｍの波長の熱線を反射する第２の反射部１２とを有する。具体的には、光学多層膜８は、例えば、高屈折率材料層９と低屈折率材料層１０とが交互に１層〜３７層まで積層される第１の反射部１１と、高屈折率材料層９と低屈折率材料層１０とが交互に３８層〜４６層まで積層される第２の反射部１２とを有する。カットフィルタ１は、光学多層膜８が設けられている側から入射した光５に含まれる可視光を透過させると共に、光５に含まれる熱線をカットする。

透明基板７の材質は、耐熱性を高めるために風冷強化された石英ガラス、硼珪酸ガラス（硬質ガラス）、ソーダライムガラス等が挙げられるが、特に限定されるものではない。また、透明基板７の形状は、カットフィルタ１を適用する照明器具２の形状に応じて適宜に形成される。

高屈折率材料層９の材質は、高温耐久性及び可視光線透過性能の点からＴａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５等が望ましい。なお、ＴｉＯ_２も高屈折率を有するが、可視光の波長を吸収して可視光線透過性能が悪いので、目標の可視光線透過率が得られないため、高屈折率材料層９の材質として望ましくない。低屈折率材料層１０の材質は、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２等が挙げられるが、高温耐久性の点からＳｉＯ_２が望ましい。高屈折率材料層９及び低屈折率材料層１０は、Ｉｎ成分、及びＳｎ成分を含有していないので、３００℃を越える高温下で長時間連続使用しても熱線カット効果が低下せず、また、高温下で変色するＡｇ成分を含有していないので、高温下で長時間連続使用しても可視光の照射を阻害しない。

第１の反射部１１は、設計波長をλとするとき、高屈折率材料層９であって光学膜厚がλ／４より薄い層（以下、薄い層という）、低屈折率材料層１０であって薄い層、高屈折率材料層９であって光学膜厚がλ／４以上の厚い層（以下、厚い層という）が順に積層されている第１の構造１３を有する。また、第１の反射部１１は、低屈折率材料層１０であって薄い層、高屈折率材料層９であって薄い層、低屈折率材料層１０であって厚い層が順に積層されている第２の構造１４と有する。そして、第１の構造１３と第２の構造１４は交互に重ねられている。すなわち、第１の反射部１１は、高屈折率材料層９と低屈折率材料層１０とが交互に積層され、かつ、厚い層と厚い層との間に薄い層が２層が挟まれている構造を複数有する。

また、第１の反射部１１は、例えば、第２の構造１４、高屈折率材料層９の厚い層、低屈折率材料層１０の厚い層、第１の構造１３が順に積層されている構造のような、第１の構造１３と第２の構造１４の間に複数の厚い層が挟まれる構造を有していてもよい。第１の反射部１１の最上部における構造は、例えば、第１の構造１３、低屈折率材料層１０の薄い層、高屈折率材料層９の薄い層が順に積層されている構造のような、第１の構造１３又は第２の構造１４の上に複数の薄い層が積層される構造を有していてもよい。

カットフィルタ１は、第１の反射部１１が上記のように設計されることにより、略４００〜８００ｎｍの波長の可視光の透過率が８０％以上となり、略８００〜２０００ｎｍの波長の熱線を５０％以上カットできる。また、カットフィルタ１は、可視光領域の透過スペクトルにディンプルが発生することを抑えるので、透過光６に色むらが発生しない。

第２の反射部１２は、高屈折率材料層９の厚い層と低屈折率材料層１０の厚い層とが交互に積層される構造を有する。また、第２の反射部１２の最上部は、高屈折率材料層９の厚い層上に低屈折率材料層１０の薄い層、又は低屈折率材料層１０の厚い層上に高屈折率材料層９の薄い層が積層されていてもよい。

製膜方法は、高屈折率材料層９及び低屈折率材料層１０の薄い層を極薄膜に構成するために、略３０〜５０ｎｍである膜厚を精度良く製膜でき、かつ、高温度でも剥離が起きない膜密度及び圧縮応力が得られるイオンアシスト蒸着、プラズマ蒸着、反応性スパッタリング等が挙げられるが、特に限定されるものではない。

図３は、カットフィルタ１の変形例の構成を示す。カットフィルタ１５の構成は、上記実施形態と比べ、透明基板７の両面に光学多層膜８が設けられる点で異なる。カットフィルタ１５は、上記実施形態と同じ設計の光学多層膜８が透明基板７の両面に設けられ、光学多層膜８が片面にのみ設けられたカットフィルタ１よりも高い可視光の透過率及び熱線カット効果が得られる。

次に、上述した実施形態を具現化した４つの実施例について説明する。

（実施例１）
厚さ１００ｍｍのガラス基板（商品名：ＴＥＭＰＡＸ、ＳＣＨＯＴＴ社製）である透明基板７を、弱アルカリ性のガラス用洗浄剤中で超音波洗浄した後に、純水で洗浄してから１３０℃で６０分間乾燥させる。次に、透明基板７の温度を２００℃にして、酸素ガスを導入させた状態で、高屈折率材料層９の材質であるＴａ_２Ｏ_５と低屈折率材料層１０の材質であるＳｉＯ_２を、イオンアシスト蒸着法によって交互に４６層積層させて、透明基板７の片面に光学多層膜８を形成させることでカットフィルタ１を得た。表１に高屈折率材料層９及び低屈折率材料層１０の各光学膜厚を示す。光学膜厚の欄に記載された値は、設計波長λを８５０ｎｍとしたときのλ／４の値を１として算出した値である。この値とλ／４との積が光学膜厚を示す。

次に、上記のように作製した実施例１のカットフィルタ１のサンプルを５００℃で３０日間加熱する耐熱試験を行った。

耐熱試験前と耐熱試験後のそれぞれのカットフィルタ１における分光透過特性を、株式会社日立ハイテクノロジー製、自記分光光度計Ｕ−４０００を用いて測定した。この分光透過特性の測定結果を図４に示す。図４から分かるように、耐熱試験前と耐熱試験後では、カットフィルタ１の分光透過特性に全く変化が無かった。そのため、カットフィルタ１は、高温下で長時間連続使用しても熱線カット効果が低下しない。また、可視光領域の透過スペクトルにディンプルがほとんど発生していないので、透過光６に色むらが生じない。なお、耐熱試験前及び耐熱試験後のいずれも、カットフィルタ１の可視光平均透過率が９０％、８００〜２０００ｎｍの波長の熱線カット率は７６％であった。

（実施例２）
表１に示される４６層の光学多層膜８を、透明基板７の両面にそれぞれ形成した以外は、実施例１と同様にしてカットフィルタ１５を得た。次に、実施例１と同様の耐熱試験を行った。耐熱試験前と耐熱試験後のそれぞれのカットフィルタ１５における分光透過特性の測定結果を図５に示す。図５から分かるように、耐熱試験前と耐熱試験後では、カットフィルタ１５の分光透過特性に全く変化が無かった。そのため、カットフィルタ１５は、高温下で長時間連続使用しても熱線カット効果が低下しない。また、可視光領域の透過スペクトルにディンプルがほとんど発生していないので、透過光６に色むらが生じない。なお、耐熱試験前及び耐熱試験後のいずれも、カットフィルタ１５の可視光平均透過率が９１．５％、８００〜２０００ｎｍの波長の熱線カット率が８３％であった。また、カットフィルタ１５は、耐熱試験前と耐熱試験後のいずれの場合も、可視光平均透過率及び熱線カット率が実施例１のカットフィルタ１より優れていた。

（実施例３）
高屈折率材料層９の材質をＮｂ_２Ｏ_５にした以外は、実施例１と同様にしてカットフィルタ１を得た。次に、実施例１と同様の耐熱試験を行った。耐熱試験前と耐熱試験後のそれぞれのカットフィルタ１の分光透過特性を測定した。耐熱試験前と耐熱試験後では、広域熱線カットフィルタの分光透過特性に全く変化が無かった。そのため、カットフィルタ１は、高温下で長時間連続使用しても熱線カット効果が低下しない。また、カットフィルタ１は、耐熱試験前及び耐熱試験後のいずれの場合も、可視光平均透過率が９０．５％、８００〜２０００ｎｍの波長の熱線カット率が７０％であった。

（実施例４）
実施例２で得られたカットフィルタ１５を、光源３として１０００Ｗのハロゲンランプを用いた舞台用スポットライト照明器具である照明器具２の光出射口近傍に設置した。照明器具２を点灯させ、４ｍ離れた被照射物の表面温度の測定を行った。被照射物の表面温度は、カットフィルタ１５を設置せずに光源３から光を照射させたときと比較すると８．５℃低くなった。カットフィルタ１５が設置された照明器具２の中心照度は、ＩＴＯ膜を用いた現行品の照明器具と比較して２４％向上した。また、ＩＴＯ膜を用いた現行品の照明器具の熱線カット効果は、２００〜３００時間の連続使用後に効果が半減したのに対して、カットフィルタ１５の照明器具２の熱線カット効果は、５０００時間の連続使用後も全く低下が認められなかった。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、透明基板の両面に光学多層膜を設ける場合、光学多層膜を構成する高屈折率材料層及び低屈折率材料層の膜厚の設計が一方の面と他方の面で異なっていても構わない。

本発明の一実施形態に係る広域熱線カットフィルタを用いた照明器具の断面図。同カットフィルタを示す側面図。同カットフィルタの変形例を示す側面図。耐熱試験前及び耐熱試験後の同カットフィルタの実施例における分光透過特性を示す図。耐熱試験前及び耐熱試験後の同カットフィルタの他の実施例における分光透過特性を示す図。ハロゲンランプの放射特性を示す図。耐熱試験前及び耐熱試験後の従来の熱線反射フィルタの分光透過特性を示す図。

符号の説明

１広域熱線カットフィルタ（カットフィルタ）
２照明器具
７透明基板
８光学多層膜
９高屈折率材料層
１０低屈折率材料層
１１第１の反射部
１２第２の反射部
１３第１の構造
１４第２の構造

Claims

透明基板と、前記透明基板の片面又は両面に光学多層膜とを備える広域熱線カットフィルタにおいて、
前記光学多層膜は、前記透明基板上に高屈折率材料層と低屈折率材料層とが交互に積層され、略１０００〜２０００ｎｍの波長の熱線を反射する第１の反射部と、
前記第１の反射部上に高屈折率材料層と低屈折率材料層とが交互に積層され、略８００〜１３００ｎｍの波長の熱線を反射する第２の反射部とを有し、
前記第１の反射部は、
設計波長をλとするとき、前記高屈折率材料層であって光学膜厚がλ／４より薄い層、前記低屈折率材料層であって光学膜厚がλ／４より薄い層、前記高屈折率材料層であって光学膜厚がλ／４以上の厚い層が順に積層されている第１の構造と、
前記低屈折率材料層であって光学膜厚がλ／４より薄い層、前記高屈折率材料層であって光学膜厚がλ／４より薄い層、前記低屈折率材料層であって光学膜厚がλ／４以上の厚い層が順に積層されている第２の構造とを有し、
前記第１の構造と前記第２の構造は、交互に重ねられていることを特徴とする広域熱線カットフィルタ。
前記高屈折率材料層はＴａ（タンタル）成分から成り、かつ、前記低屈折率材料層はＳｉ成分から成ることを特徴とする請求項１に記載の広域熱線カットフィルタ。
前記高屈折率材料層はＮｂ（ニオブ）成分から成り、かつ、前記低屈折率材料層はＳｉ成分から成ることを特徴とする請求項１に記載の広域熱線カットフィルタ。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の広域熱線カットフィルタが光出射口近傍に設けられる照明器具。