JP2014032213A - 赤外線用光学機能膜 - Google Patents
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Abstract
【課題】赤外線用光学部材として優れた光学機能を有し、耐久性に優れた赤外線用光学機能膜を提供する。
【解決手段】基板101上に、複数の光学機能層を有する多層構造の赤外線用光学機能膜100であって、複数の光学機能層の層間の少なくとも一つに、前記複数の光学機能層のいずれの層より膜厚が小さい密着強化層kを有し、該密着強化層がY2O3層又はHfO2層である、赤外線用光学機能膜。光学機能層としてZnS層を含むとよい。
【選択図】図1
【解決手段】基板101上に、複数の光学機能層を有する多層構造の赤外線用光学機能膜100であって、複数の光学機能層の層間の少なくとも一つに、前記複数の光学機能層のいずれの層より膜厚が小さい密着強化層kを有し、該密着強化層がY2O3層又はHfO2層である、赤外線用光学機能膜。光学機能層としてZnS層を含むとよい。
【選択図】図1
Description
本発明は、赤外線用光学機能膜に関し、特に、赤外反射防止膜及び帯域フィルタに関する。
近年、赤外線カメラ、赤外線センサなど、赤外線を利用した光学機器の開発が盛んに行われている。これら赤外光学機器には、主に3〜5μm帯域と8〜14μm帯域の赤外線を利用する場合が多い。この領域の赤外線に有効な反射防止膜や帯域フィルタなどの赤外線用光学機能膜が種々提案されている。このような赤外線用光学機能膜は、レンズやプリズムなどのガラスブロックである基板の表面に複数の層を積層させた多層構造の膜として形成される。こうして形成された多層膜は基板から剥離したり、層間で剥離するなど耐久性の点で問題を有していた。
特許文献1には、膜全体の内部応力の不均衡を緩和し、膜剥離などが生じることのない、耐久性に優れた赤外反射防止膜を得るために、ZnSeやZnSからなる基板上に、中間屈折率のZnS膜、低屈折率のYF3膜、中間屈折率のZnS膜及び低屈折率のYF3膜が積層された赤外反射防止膜において、前記基板に直接接する層としてAl2O3、Y2O3、Ti2O3、TiO及びTiO2からなる群より選ばれる密着力強化層を設け、更には最外層にY2O3からなる耐磨耗性強化層を設けることが記載されている。
特許文献1には、膜全体の内部応力の不均衡を緩和し、膜剥離などが生じることのない、耐久性に優れた赤外反射防止膜を得るために、ZnSeやZnSからなる基板上に、中間屈折率のZnS膜、低屈折率のYF3膜、中間屈折率のZnS膜及び低屈折率のYF3膜が積層された赤外反射防止膜において、前記基板に直接接する層としてAl2O3、Y2O3、Ti2O3、TiO及びTiO2からなる群より選ばれる密着力強化層を設け、更には最外層にY2O3からなる耐磨耗性強化層を設けることが記載されている。
赤外線を利用した光学機器は、昨今、屋外で使用される頻度も増え、多層膜の密着性、環境変化に対する耐久性などのより一層の向上が求められている。赤外線用光学部材における多層膜の剥離(基板と多層膜との剥離、多層膜内での層間剥離など)の原因の一つは、基板と多層膜との線膨張係数の違いが挙げられる。赤外線用光学部材の基板の材質としては、ZnSe、カルコゲナイドガラス、Si、Ge、ZnSなどが挙げられるが、特にカルコゲナイドガラスは線膨張係数が大きく、温度変化により多層膜の剥離が生じ易い。
特許文献1に記載の反射防止膜では、一定の耐久性向上の効果が得られるものの、更なる改善が求められている。
特許文献1に記載の反射防止膜では、一定の耐久性向上の効果が得られるものの、更なる改善が求められている。
以上のような状況に鑑み、本発明の目的は、赤外線用光学部材として優れた光学機能を有し、耐久性に優れた赤外線用光学機能膜を提供することである。
本発明者らが検討したところ、密着力強化層を多層膜の層間に設け、該密着力強化層を融点の高いY2O3やHfO2で層形成して設けることで、多層膜の剥離が抑制され、耐久性が向上することを見出した。更に多層膜に特定の材料からなる層を設けることで、多層膜の剥離が抑制される効果が高まり、耐久性が著しく向上することを見出した。
即ち、前記課題は、以下の手段により解決することができる。
[1]
基板上に、ZnS層を含む複数の光学機能層を有する多層構造の赤外線用光学機能膜であって、
前記複数の光学機能層の層間の少なくとも一つに、前記複数の光学機能層のいずれの層より膜厚が小さい密着強化層を有し、該密着強化層がY2O3層又はHfO2層である、赤外線用光学機能膜。
[2]
更に、前記基板と前記多層構造との間に、前記密着強化層としてY2O3層又はHfO2層を有する、[1]記載の赤外線用光学機能膜。
[3]
更に、前記多層構造の前記基板と反対側の最も外側の表面に保護層を有し、該保護層がY2O3層又はHfO2層である、[1]又は[2]記載の赤外線用光学機能膜。
[4]
前記複数の光学機能層の少なくとも一層に、Y2O3又はHfO2からなる密着強化層が挿入されている、[1]〜[3]のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
[5]
前記密着強化層の膜厚が5〜60nmである、[1]〜[4]のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
[6]
前記密着強化層がHfO2層である、[1]〜[5]のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
[7]
前記保護層がHfO2層である、[3]〜[6]のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
[8]
前記多層構造を構成する複数の光学機能層のそれぞれは、MgF2層、YF3層、ZnS層及びGe層からなる群から選ばれる層である、[1]〜[7]のいずれか一項記載の赤外線用光学膜。
[9]
前記基板が、ZnSe、カルコゲナイドガラス、Si、Ge及びZnSからなる群から選ばれる1つである、[1]〜[8]のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
[10]
前記基板がカルコゲナイドガラスである、[9]記載の赤外線用光学機能膜。
[11]
基板上に、複数の光学機能層を有する多層構造の赤外線用光学機能膜であって、
前記複数の光学機能層の少なくとも一層の層中に、前記複数の光学機能層のいずれの層より膜厚の小さい密着強化層を有し、該密着強化層がY2O3層又はHfO2層である、赤外線用光学機能膜。
[12]
前記多層構造を構成する複数の光学機能層のそれぞれは、MgF2層、YF3層、ZnS層及びGe層からなる群から選ばれる層である、[11]記載の赤外線用光学機能膜。
[13]
前記多層構造が、反射防止膜又は帯域フィルタ膜として機能する、[1]〜[12]のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
[1]
基板上に、ZnS層を含む複数の光学機能層を有する多層構造の赤外線用光学機能膜であって、
前記複数の光学機能層の層間の少なくとも一つに、前記複数の光学機能層のいずれの層より膜厚が小さい密着強化層を有し、該密着強化層がY2O3層又はHfO2層である、赤外線用光学機能膜。
[2]
更に、前記基板と前記多層構造との間に、前記密着強化層としてY2O3層又はHfO2層を有する、[1]記載の赤外線用光学機能膜。
[3]
更に、前記多層構造の前記基板と反対側の最も外側の表面に保護層を有し、該保護層がY2O3層又はHfO2層である、[1]又は[2]記載の赤外線用光学機能膜。
[4]
前記複数の光学機能層の少なくとも一層に、Y2O3又はHfO2からなる密着強化層が挿入されている、[1]〜[3]のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
[5]
前記密着強化層の膜厚が5〜60nmである、[1]〜[4]のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
[6]
前記密着強化層がHfO2層である、[1]〜[5]のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
[7]
前記保護層がHfO2層である、[3]〜[6]のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
[8]
前記多層構造を構成する複数の光学機能層のそれぞれは、MgF2層、YF3層、ZnS層及びGe層からなる群から選ばれる層である、[1]〜[7]のいずれか一項記載の赤外線用光学膜。
[9]
前記基板が、ZnSe、カルコゲナイドガラス、Si、Ge及びZnSからなる群から選ばれる1つである、[1]〜[8]のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
[10]
前記基板がカルコゲナイドガラスである、[9]記載の赤外線用光学機能膜。
[11]
基板上に、複数の光学機能層を有する多層構造の赤外線用光学機能膜であって、
前記複数の光学機能層の少なくとも一層の層中に、前記複数の光学機能層のいずれの層より膜厚の小さい密着強化層を有し、該密着強化層がY2O3層又はHfO2層である、赤外線用光学機能膜。
[12]
前記多層構造を構成する複数の光学機能層のそれぞれは、MgF2層、YF3層、ZnS層及びGe層からなる群から選ばれる層である、[11]記載の赤外線用光学機能膜。
[13]
前記多層構造が、反射防止膜又は帯域フィルタ膜として機能する、[1]〜[12]のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
本発明によれば、赤外線用光学部材として優れた分光特性を有し、耐久性に優れた、反射防止膜や帯域フィルタなどの赤外線用光学機能膜を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[第一の実施形態]
本発明の第一の実施形態における赤外線用光学機能膜は、基板上に、ZnS層を含む複数の光学機能層を有する多層構造を有し、前記複数の光学機能層の層間の少なくとも一つに、前記複数の光学機能層のいずれの層より膜厚の小さい密着強化層を有し、該密着強化層がY2O3層又はHfO2層である。
なお、本明細書において、「ZnS層」は、主にZnSから形成された層であることを意味するが、該層がZnS以外に他の成分を含んでもよい。「Y2O3層」や「HfO2層」など他の層についても同様なことを意味する。
本発明の第一の実施形態における赤外線用光学機能膜は、基板上に、ZnS層を含む複数の光学機能層を有する多層構造を有し、前記複数の光学機能層の層間の少なくとも一つに、前記複数の光学機能層のいずれの層より膜厚の小さい密着強化層を有し、該密着強化層がY2O3層又はHfO2層である。
なお、本明細書において、「ZnS層」は、主にZnSから形成された層であることを意味するが、該層がZnS以外に他の成分を含んでもよい。「Y2O3層」や「HfO2層」など他の層についても同様なことを意味する。
図1に、第一の実施形態における赤外線用光学機能膜の概略断面図を示す。
図1に示す赤外線用光学機能膜100は、基板101上に、層1〜層NまでのN層からなる多層構造を有する。多層構造は、ZnS層Nを含む複数の光学機能層と、光学機能層の層k−1と層k+1の層間にある密着力強化層kとを含む。密着力強化層kはY2O3層又はHfO2層である。
図1に示す赤外線用光学機能膜100は、基板101上に、層1〜層NまでのN層からなる多層構造を有する。多層構造は、ZnS層Nを含む複数の光学機能層と、光学機能層の層k−1と層k+1の層間にある密着力強化層kとを含む。密着力強化層kはY2O3層又はHfO2層である。
基板としては赤外線を透過するものであれば特に制限されないが、基板の材料としては、ZnSe、カルコゲナイドガラス、Si、Ge、ZnSなどが挙げられ、利用する赤外線の波長域(例えば、3〜5μmや8〜14μmの波長域)や所望の光学性能に応じて選択することができる。
なかでも、透過率が高く、コスト的な観点から、カルコゲナイドガラスが好ましい。カルコゲナイドガラスとしては、例えば株式会社オプトクリスタル社製 KG−1が挙げられる。
なかでも、透過率が高く、コスト的な観点から、カルコゲナイドガラスが好ましい。カルコゲナイドガラスとしては、例えば株式会社オプトクリスタル社製 KG−1が挙げられる。
光学機能層は、赤外線に対する低反射性(反射防止)、高透過性、特定波長帯域カット、輝度・色調補正、透過率調整(ハーフミラー)、反射(ミラー)等の光学機能を発現する層である。なかでも、良好な反射防止層又は帯域フィルタ層として機能する層であることが好ましく、屈折率の異なる層を複数層積層することなどにより、積層体全体として優れた反射防止性能や帯域フィルタ性能を発現させることができる。この場合、本発明の赤外線用光学機能膜は、赤外線用反射防止膜又は帯域フィルタとして用いることができる。
屈折率の異なる層の積層により反射防止性能又は帯域フィルタ性能を発現させる態様としては、
(1)低屈折率層、中屈折率層及び高屈折率層の積層
(2)低屈折率層及び高屈折率層の積層
などが挙げられる。上記(1)及び(2)において、低屈折率層、中屈折率層、高屈折率層はそれぞれ複数層含んでもよく。所望の光学機能に応じて、層数や積層順序及び各層の膜厚を決定することができる。
なお、上記「低屈折率」、「中屈折率」、「高屈折率」とは相対的な屈折率の大小関係を示すものである。
屈折率の異なる層の積層により反射防止性能又は帯域フィルタ性能を発現させる態様としては、
(1)低屈折率層、中屈折率層及び高屈折率層の積層
(2)低屈折率層及び高屈折率層の積層
などが挙げられる。上記(1)及び(2)において、低屈折率層、中屈折率層、高屈折率層はそれぞれ複数層含んでもよく。所望の光学機能に応じて、層数や積層順序及び各層の膜厚を決定することができる。
なお、上記「低屈折率」、「中屈折率」、「高屈折率」とは相対的な屈折率の大小関係を示すものである。
光学機能層の材料としては特に制限されないが、低屈折率層の材料としてはMgF2、YF3、CaF3、BaF2、CeF3等のフッ化物やCe2O3などの低屈折率材料が挙げられる。中屈折率層又は高屈折率層の材料としては、ZnS、ZnSe、CeO2、SiOなどの中屈折率材料が挙げられる。高屈折率層の材料としては、Geなどの高屈折率材料が挙げられる。
低屈折率材料としては、MgF2、YF3が好ましい。中屈折率材料としては、ZnS、ZnSe、CeO2が好ましく、ZnS又はCeO2がより好ましく、ZnSが更に好ましい。
低屈折率材料としては、MgF2、YF3が好ましい。中屈折率材料としては、ZnS、ZnSe、CeO2が好ましく、ZnS又はCeO2がより好ましく、ZnSが更に好ましい。
本実施形態では、光学機能層としてZnS層を含む。光学機能層として多層構造中にZnSからなる層を含めることにより、層間剥離が抑制される。
また、多層構造中、基板から遠い側にZnS層を有していることが好ましく、最も基板から遠い層(即ち、空気に接する層)がZnS層であることがより好ましい。もちろん、所望の光学性能を得るために、基板に近い側にZnS層を有していてもよいし、多層構造が基板から遠い側にZnS層を有している場合でも更に、基板に近い側に別のZnS層を有していてもよい。ここで、基板から「遠い側」とは、多層構造が基板側から数えてN層からなるとしたときN/2番目以降の層を指し、基板から「近い側」とはN/2番目の層より基板側の層を指す。
また、多層構造中、基板から遠い側にZnS層を有していることが好ましく、最も基板から遠い層(即ち、空気に接する層)がZnS層であることがより好ましい。もちろん、所望の光学性能を得るために、基板に近い側にZnS層を有していてもよいし、多層構造が基板から遠い側にZnS層を有している場合でも更に、基板に近い側に別のZnS層を有していてもよい。ここで、基板から「遠い側」とは、多層構造が基板側から数えてN層からなるとしたときN/2番目以降の層を指し、基板から「近い側」とはN/2番目の層より基板側の層を指す。
多層構造中の光学機能層それぞれは、MgF2、YF3、ZnS又はGeのうちから選ばれる1つからなる層であることが好ましい。
反射防止膜の好ましい態様としては、基板側から、高屈折率層又は中屈折率層と低屈折率層とをこの順に積層した2層膜(各層の膜厚は、設計中心波長λ0に対して、膜厚×屈折率がほぼλ0/4となる値とする)を基本とした態様である。ここで、基本の2層膜に対して、等価膜により層数及び膜厚を増やすことができる。密着力強化層は、基板側の第一層に設け、更に一層おきに設ける態様が好ましい。
ここで、光学機能層の層数、積層順及び各層の光学膜厚(物理的膜厚×屈折率)は所望の光学機能に応じて決定することができる。
ここで、光学機能層の層数、積層順及び各層の光学膜厚(物理的膜厚×屈折率)は所望の光学機能に応じて決定することができる。
本発明の第一の実施形態における光学機能膜は、光学機能層の層間の少なくとも一つに光学機能層のいずれの層より膜厚の小さい密着強化層を有し、該密着強化層はY2O3層又はHfO2層である。密着力強化層としては、HfO2層がより好ましい。
密着力強化層としてY2O3層又はHfO2層を設けることにより、多層膜の剥離が抑制され、耐久性を向上させることができる。これは、Y2O3及びHfO2は融点が高く(Y2O3が約2410℃、HfO2が約2758℃)、真空蒸着法で形成する場合、蒸着温度はY2O3が2300℃〜2600℃、HfO2が2750℃〜2900℃程度となる。このため、層形成時に蒸着物質(Y2O3又はHfO2)が高エネルギーで蒸着面に到達し、下層を基板側へ押し込みながら蒸着され、その結果、層間の密着力が強化されるものと推測している。
光学機能層の層間の複数に密着力強化層を設けてもよく、全ての光学機能層の層間に密着力強化層を設ける態様も好ましい態様である。ただし、密着性の良い光学機能層同士の層間には密着力強化層を設けなくてもよい。密着性の良い光学機能層としては、例えば、ZnS層とGe層が挙げられる。
また、光学機能層の層間に加えて、基板と多層構造との間に密着力強化層としてY2O3層又はHfO2層を設けることも好ましい。
更にまた、密着力強化層を複数層設ける場合、全ての密着力強化層が同一材料(Y2O3又はHfO2)層であってもよいし、Y2O3からなる密着力強化層とHfO2からなる密着力強化層が併用されていてもよい。
密着力強化層は、多層構造を構成する光学機能層のいずれの層より膜厚が小さく、実質的に光学機能に関与しない層である。このため、密着力強化層の膜厚は5〜60nmとし、他の層に比べて極めて薄い層であることが好ましい。「密着力強化層が実質的に光学機能に関与しない」とは、多層構造において密着力強化層を設けた場合と、密着力強化層を設けず他の構成を同じとした場合とで、発現する光学機能に実際上の差異がない(光学機能膜を構成するときの膜厚や材料の屈折率のバラツキによる誤差と同等の範囲以下の影響しか与えない)ことを意味する。このことは、所望の光学機能を有する多層構造の設計を容易にする上で好ましい。
密着力強化層としてY2O3層又はHfO2層を設けることにより、多層膜の剥離が抑制され、耐久性を向上させることができる。これは、Y2O3及びHfO2は融点が高く(Y2O3が約2410℃、HfO2が約2758℃)、真空蒸着法で形成する場合、蒸着温度はY2O3が2300℃〜2600℃、HfO2が2750℃〜2900℃程度となる。このため、層形成時に蒸着物質(Y2O3又はHfO2)が高エネルギーで蒸着面に到達し、下層を基板側へ押し込みながら蒸着され、その結果、層間の密着力が強化されるものと推測している。
光学機能層の層間の複数に密着力強化層を設けてもよく、全ての光学機能層の層間に密着力強化層を設ける態様も好ましい態様である。ただし、密着性の良い光学機能層同士の層間には密着力強化層を設けなくてもよい。密着性の良い光学機能層としては、例えば、ZnS層とGe層が挙げられる。
また、光学機能層の層間に加えて、基板と多層構造との間に密着力強化層としてY2O3層又はHfO2層を設けることも好ましい。
更にまた、密着力強化層を複数層設ける場合、全ての密着力強化層が同一材料(Y2O3又はHfO2)層であってもよいし、Y2O3からなる密着力強化層とHfO2からなる密着力強化層が併用されていてもよい。
密着力強化層は、多層構造を構成する光学機能層のいずれの層より膜厚が小さく、実質的に光学機能に関与しない層である。このため、密着力強化層の膜厚は5〜60nmとし、他の層に比べて極めて薄い層であることが好ましい。「密着力強化層が実質的に光学機能に関与しない」とは、多層構造において密着力強化層を設けた場合と、密着力強化層を設けず他の構成を同じとした場合とで、発現する光学機能に実際上の差異がない(光学機能膜を構成するときの膜厚や材料の屈折率のバラツキによる誤差と同等の範囲以下の影響しか与えない)ことを意味する。このことは、所望の光学機能を有する多層構造の設計を容易にする上で好ましい。
多層構造の各層の形成法については、特に限定されないが、例えば、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、CVD法などがあげられる。なかでも真空蒸着法が膜厚のコントロールと膜厚の均一性の点から好ましい。形成条件(例えば、真空度、加熱温度等)で各層の屈折率を調整することもできる。
[第二の実施形態]
図2に、第二の実施形態における赤外線用光学機能膜の概略断面図を示す。なお、図2において、図1に示す第一の実施形態と同一のものについては同じ番号を付し、以下その説明は省略する。
図2に示す赤外線用光学機能膜200は、赤外線用光学機能膜100と同じく、基板101上に、層1〜層NまでのN層からなる多層構造を有する。多層構造は、ZnSからなる層Nを含む複数の光学機能層と、光学機能層の層k−1と層k+1の層間にある密着力強化層kとを含む。
第二の実施形態における赤外線用光学機能膜200においては、多層構造の最表面に更に保護層N+1を有する。密着力強化層k及び保護層N+1はY2O3層又はHfO2層である。
図2に、第二の実施形態における赤外線用光学機能膜の概略断面図を示す。なお、図2において、図1に示す第一の実施形態と同一のものについては同じ番号を付し、以下その説明は省略する。
図2に示す赤外線用光学機能膜200は、赤外線用光学機能膜100と同じく、基板101上に、層1〜層NまでのN層からなる多層構造を有する。多層構造は、ZnSからなる層Nを含む複数の光学機能層と、光学機能層の層k−1と層k+1の層間にある密着力強化層kとを含む。
第二の実施形態における赤外線用光学機能膜200においては、多層構造の最表面に更に保護層N+1を有する。密着力強化層k及び保護層N+1はY2O3層又はHfO2層である。
密着力強化層に加えて、最表層に保護層としてY2O3層又はHfO2層を設けることにより、耐久性を更に改善することができる。特に、耐熱性や耐湿性などを向上させることができる。
保護層は、HfO2層であることがより好ましい。
保護層は密着力強化層と同じく実質的に光学機能に関与しない層であることが好ましく、保護層の膜厚は5〜60nmであることが好ましい。
保護層は、HfO2層であることがより好ましい。
保護層は密着力強化層と同じく実質的に光学機能に関与しない層であることが好ましく、保護層の膜厚は5〜60nmであることが好ましい。
[第三の実施形態]
本発明の第三の実施形態における赤外線用光学機能膜は基板上に、複数の光学機能層からなる多層構造を有し、前記複数の光学機能層の少なくとも一層の層中に、前記複数の光学機能層のいずれの層より膜厚の小さい密着強化層を有し、該密着強化層がY2O3層又はHfO2層である。
図3に、第三の実施形態における赤外線用光学機能膜の概略断面図を示す。なお、図3において、図1及び図2に示す第一及び第二の実施形態と同一のものについては同じ番号を付し、以下その説明は省略する。
図3に示す赤外線用光学機能膜300は、赤外線用光学機能膜100と同じく、基板101上に、層1〜層NまでのN層からなる多層構造を有する。
第三の実施形態における赤外線用光学機能膜300においては、光学機能層k−1とk+1とは同一材料で構成され、全体で一つの光学機能層Kとして機能する。即ち、密着力強化層kは光学機能層Kの層中に挿入されているとみなせる。密着力強化層kは光学機能に関与しないため、光学機能層k−1とk+1と合わせた全体で光学機能層Kとして機能する。
本発明の第三の実施形態における赤外線用光学機能膜は基板上に、複数の光学機能層からなる多層構造を有し、前記複数の光学機能層の少なくとも一層の層中に、前記複数の光学機能層のいずれの層より膜厚の小さい密着強化層を有し、該密着強化層がY2O3層又はHfO2層である。
図3に、第三の実施形態における赤外線用光学機能膜の概略断面図を示す。なお、図3において、図1及び図2に示す第一及び第二の実施形態と同一のものについては同じ番号を付し、以下その説明は省略する。
図3に示す赤外線用光学機能膜300は、赤外線用光学機能膜100と同じく、基板101上に、層1〜層NまでのN層からなる多層構造を有する。
第三の実施形態における赤外線用光学機能膜300においては、光学機能層k−1とk+1とは同一材料で構成され、全体で一つの光学機能層Kとして機能する。即ち、密着力強化層kは光学機能層Kの層中に挿入されているとみなせる。密着力強化層kは光学機能に関与しないため、光学機能層k−1とk+1と合わせた全体で光学機能層Kとして機能する。
第三の実施形態においても、光学機能層の層中に挿入される密着力強化層以外に、第一及び第二の実施形態と同じく光学機能層の層間に密着力強化層を設けてもよい。更に、第二の実施形態と同じく多層構造の最表面に保護層を設けてもよい。
[反射防止膜、帯域フィルタ]
本発明の赤外線用光学機能膜は、光学機能層として屈折率の異なる層を複数層積層することにより、赤外線用反射防止膜又は帯域フィルタとして用いることができる。
反射防止膜としては、3〜5μmや8〜14μmの波長域に対する反射防止膜として用いることができる。該反射防止膜の上記波長域における反射率は、1%以下であることが好ましく、0.5%以下であることがより好ましい。
帯域フィルタとしては、3〜5μmや8〜14μmの波長域を透過する(即ち、該領域以外の波長域の赤外線を遮断する)フィルタとして用いることができる。該帯域フィルタの上記波長域における透過率は、99.0%以上であることが好ましく、99.5%以上であることがより好ましい。
本発明の赤外線用光学機能膜は、光学機能層として屈折率の異なる層を複数層積層することにより、赤外線用反射防止膜又は帯域フィルタとして用いることができる。
反射防止膜としては、3〜5μmや8〜14μmの波長域に対する反射防止膜として用いることができる。該反射防止膜の上記波長域における反射率は、1%以下であることが好ましく、0.5%以下であることがより好ましい。
帯域フィルタとしては、3〜5μmや8〜14μmの波長域を透過する(即ち、該領域以外の波長域の赤外線を遮断する)フィルタとして用いることができる。該帯域フィルタの上記波長域における透過率は、99.0%以上であることが好ましく、99.5%以上であることがより好ましい。
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
ZnSe基板(直径30mm、厚さ1mm)上に、表1に示す各材料を表1に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。ここで、Y2O3を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間に形成した。ただし、Ge層とZnS層の層間には密着力強化層を設けなかった。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた反射防止膜の反射率分布を図4に示す。3〜5μmの波長域で良好な反射防止性能が得られた。
ZnSe基板(直径30mm、厚さ1mm)上に、表1に示す各材料を表1に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。ここで、Y2O3を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間に形成した。ただし、Ge層とZnS層の層間には密着力強化層を設けなかった。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた反射防止膜の反射率分布を図4に示す。3〜5μmの波長域で良好な反射防止性能が得られた。
[実施例2〜4]
ZnSe基板(直径30mm、厚さ1mm)上に、表2〜4に示す各材料を表2〜4に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。ここで、Y2O3を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間に形成した。ただし、Ge層とZnS層の層間には密着力強化層を設けなかった。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた実施例2〜4の反射防止膜の反射率分布を図5〜7に示す。各実施例とも8〜12μmの波長域で良好な反射防止性能が得られた。
ZnSe基板(直径30mm、厚さ1mm)上に、表2〜4に示す各材料を表2〜4に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。ここで、Y2O3を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間に形成した。ただし、Ge層とZnS層の層間には密着力強化層を設けなかった。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた実施例2〜4の反射防止膜の反射率分布を図5〜7に示す。各実施例とも8〜12μmの波長域で良好な反射防止性能が得られた。
[実施例5〜9、比較例1]
カルコゲナイドガラス基板(直径30mm、厚さ2mm)上に、表5〜10に示す各材料を表5〜10に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。ここで、Y2O3又はHfO2を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間に形成した。ただし、実施例7以外ではGe層とZnS層の層間には密着力強化層を設けなかった。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた実施例5〜9及び比較例1の反射防止膜の反射率分布を図8〜13に示す。各実施例及び比較例とも3〜5μm又は8〜12μmの波長域で良好な反射防止性能が得られた。
カルコゲナイドガラス基板(直径30mm、厚さ2mm)上に、表5〜10に示す各材料を表5〜10に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。ここで、Y2O3又はHfO2を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間に形成した。ただし、実施例7以外ではGe層とZnS層の層間には密着力強化層を設けなかった。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた実施例5〜9及び比較例1の反射防止膜の反射率分布を図8〜13に示す。各実施例及び比較例とも3〜5μm又は8〜12μmの波長域で良好な反射防止性能が得られた。
[実施例10〜16]
カルコゲナイドガラス基板(直径30mm、厚さ2mm)上に、表11〜17に示す各材料を表11〜17に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。
ここで、HfO2を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、光学機能層の層間及び層中に形成した。光学機能層の層中に形成された密着力強化層とは、実施例10の第5層のHfO2層のように、前後の層が同一材料(実施例10の場合にはMgF2層(第4層及び第6層)となる層のことを指す。
実施例11〜15については、最上層にHfO2を用いて保護層を形成した。
なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた実施例10〜16の反射防止膜の反射率分布を図14〜20に示す。各実施例とも8〜12μmの波長域で良好な反射防止性能が得られた。
カルコゲナイドガラス基板(直径30mm、厚さ2mm)上に、表11〜17に示す各材料を表11〜17に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。
ここで、HfO2を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、光学機能層の層間及び層中に形成した。光学機能層の層中に形成された密着力強化層とは、実施例10の第5層のHfO2層のように、前後の層が同一材料(実施例10の場合にはMgF2層(第4層及び第6層)となる層のことを指す。
実施例11〜15については、最上層にHfO2を用いて保護層を形成した。
なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた実施例10〜16の反射防止膜の反射率分布を図14〜20に示す。各実施例とも8〜12μmの波長域で良好な反射防止性能が得られた。
[耐久性の評価]
上記のように作製した実施例6、9、10、13〜16及び比較例1の反射防止膜について、以下の試験・評価を行った。評価結果を表18に示す。
[密着性]
作製した反射防止膜表面にセロハンテープ(商品名:セロハンテープNo.405 テープ幅18mm、製造元:ニチバン株式会社)をはりつけ、これを剥がすことを3回繰り返し、膜の剥がれの有無を目視で確認した。3回とも膜が剥がれなかった場合を「○」(密着性良好)、膜の剥がれがあった場合を「×」(密着性不良)とした。
[煮沸密着性]
作製した反射防止膜を純水に入れ、30分間煮沸した。その後、反射防止膜表面に前記セロハンテープをはりつけ、これを剥がすことを3回繰り返し、膜の剥がれの有無を目視で確認した。3回とも膜が剥がれなかった場合を「○」(密着性良好)、膜の剥がれがあった場合を「×」(密着性不良)とした。
[耐湿密着性]
作製した反射防止膜を50℃95%RHの環境下に入れ、3時間、12時間及び24時間保持した。各時間経過後、反射防止膜表面に前記セロハンテープをはりつけ、これを剥がす密着性テストを3回繰り返し、膜の剥がれの有無を目視で確認した。24時間経過後の密着性テストで3回とも膜が剥がれなかった場合を「○」(密着性良好)とした。また、いずれかの時間経過後の密着性テストで膜の剥がれがあった場合には「×」(密着性不良)として、その時間を表18に示す。
[摩滅性]
作製した反射防止膜表面を専用ゴム(商品名:Eraser Insert、製造元:Summers Optical, A Division of EMS Acqisition Corp.)にて2.5ポンドの加重をかけて20回往復で擦ったとき、膜の剥がれなかったものを「○」、膜が剥がれたものを「×」として評価した。
[耐久性総合判定]
上記の密着性、煮沸密着性、耐湿密着性及び摩滅性の結果に基づいて、以下の基準で評価した。
◎:密着性、煮沸密着性、耐湿密着性及び摩滅性がいずれも○
○:密着性、煮沸密着性及び摩滅性が○、耐湿密着性が3時間経過後までは○
×:密着性、煮沸密着性及び摩滅性が○、耐湿密着性が3時間経過後で×、又は密着性が○、煮沸密着性及び摩滅性のいずれか1つが×で、耐湿密着性が12時間経過後で×
××:密着性及び摩滅性が○で、煮沸密着性及び耐湿密着性(3時間経過後)の2つが×
×××:密着性が×
上記のように作製した実施例6、9、10、13〜16及び比較例1の反射防止膜について、以下の試験・評価を行った。評価結果を表18に示す。
[密着性]
作製した反射防止膜表面にセロハンテープ(商品名:セロハンテープNo.405 テープ幅18mm、製造元:ニチバン株式会社)をはりつけ、これを剥がすことを3回繰り返し、膜の剥がれの有無を目視で確認した。3回とも膜が剥がれなかった場合を「○」(密着性良好)、膜の剥がれがあった場合を「×」(密着性不良)とした。
[煮沸密着性]
作製した反射防止膜を純水に入れ、30分間煮沸した。その後、反射防止膜表面に前記セロハンテープをはりつけ、これを剥がすことを3回繰り返し、膜の剥がれの有無を目視で確認した。3回とも膜が剥がれなかった場合を「○」(密着性良好)、膜の剥がれがあった場合を「×」(密着性不良)とした。
[耐湿密着性]
作製した反射防止膜を50℃95%RHの環境下に入れ、3時間、12時間及び24時間保持した。各時間経過後、反射防止膜表面に前記セロハンテープをはりつけ、これを剥がす密着性テストを3回繰り返し、膜の剥がれの有無を目視で確認した。24時間経過後の密着性テストで3回とも膜が剥がれなかった場合を「○」(密着性良好)とした。また、いずれかの時間経過後の密着性テストで膜の剥がれがあった場合には「×」(密着性不良)として、その時間を表18に示す。
[摩滅性]
作製した反射防止膜表面を専用ゴム(商品名:Eraser Insert、製造元:Summers Optical, A Division of EMS Acqisition Corp.)にて2.5ポンドの加重をかけて20回往復で擦ったとき、膜の剥がれなかったものを「○」、膜が剥がれたものを「×」として評価した。
[耐久性総合判定]
上記の密着性、煮沸密着性、耐湿密着性及び摩滅性の結果に基づいて、以下の基準で評価した。
◎:密着性、煮沸密着性、耐湿密着性及び摩滅性がいずれも○
○:密着性、煮沸密着性及び摩滅性が○、耐湿密着性が3時間経過後までは○
×:密着性、煮沸密着性及び摩滅性が○、耐湿密着性が3時間経過後で×、又は密着性が○、煮沸密着性及び摩滅性のいずれか1つが×で、耐湿密着性が12時間経過後で×
××:密着性及び摩滅性が○で、煮沸密着性及び耐湿密着性(3時間経過後)の2つが×
×××:密着性が×
比較例1においては、密着性が不良なため、他の評価は行わなかった。
表18から、ZnSからなる層を含む光学機能層を有し、光学機能層同士の層間にY2O3又はHfO2からなる密着強化層を有する反射防止膜(実施例6、9、10、13、15及び16)と、光学機能層の層中に密着強化層を有する反射防止膜(実施例14)は、密着性に優れることが分かる。
また、更にY2O3又はHfO2からなる保護層を最外層に設けた反射防止膜(実施例13、14、15)では、保護層を設けない場合よりも優れた密着性を示すことが分かる。
表18から、ZnSからなる層を含む光学機能層を有し、光学機能層同士の層間にY2O3又はHfO2からなる密着強化層を有する反射防止膜(実施例6、9、10、13、15及び16)と、光学機能層の層中に密着強化層を有する反射防止膜(実施例14)は、密着性に優れることが分かる。
また、更にY2O3又はHfO2からなる保護層を最外層に設けた反射防止膜(実施例13、14、15)では、保護層を設けない場合よりも優れた密着性を示すことが分かる。
[実施例17、18]
Si基板(直径30mm、厚さ1mm)上に、表19及び20に示す各材料を表19及び20に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。ここで、Y2O3を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間に形成した。ただし、Ge層とZnS層の層間には密着力強化層を設けなかった。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた実施例17及び18の反射防止膜の反射率分布を図21及び22に示す。3〜5μmの帯域で良好な反射防止性能が得られた。
Si基板(直径30mm、厚さ1mm)上に、表19及び20に示す各材料を表19及び20に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。ここで、Y2O3を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間に形成した。ただし、Ge層とZnS層の層間には密着力強化層を設けなかった。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた実施例17及び18の反射防止膜の反射率分布を図21及び22に示す。3〜5μmの帯域で良好な反射防止性能が得られた。
[実施例19〜24]
Ge基板(直径30mm、厚さ1mm)上に、表21〜26に示す各材料を表21〜26に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。ここで、Y2O3を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間及び層中に形成した。ただし、Ge層とZnS層の層間に密着力強化層を設けていない場合がある。また、光学機能層の層中に形成された密着力強化層とは、実施例24の第8層のY2O3層のように、前後の層が同一材料(実施例24ではYF3層(第7層及び第9層)となる層のことを指す。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた実施例19〜24反射防止膜の反射率分布を図23〜28に示す。3〜5μm又は8〜12μmの波長域で良好な反射防止性能が得られた。
Ge基板(直径30mm、厚さ1mm)上に、表21〜26に示す各材料を表21〜26に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。ここで、Y2O3を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間及び層中に形成した。ただし、Ge層とZnS層の層間に密着力強化層を設けていない場合がある。また、光学機能層の層中に形成された密着力強化層とは、実施例24の第8層のY2O3層のように、前後の層が同一材料(実施例24ではYF3層(第7層及び第9層)となる層のことを指す。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた実施例19〜24反射防止膜の反射率分布を図23〜28に示す。3〜5μm又は8〜12μmの波長域で良好な反射防止性能が得られた。
[実施例25〜31]
ZnS基板(直径30mm、厚さ1mm)上に、表27〜33に示す各材料を表27〜33に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。ここで、Y2O3又はHfO2を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間又は層中に形成した。ただし、実施例25、27及び28においてはGe層とZnS層の層間には密着力強化層を設けなかった。また、光学機能層の層中に形成された密着力強化層とは、実施例26の第9層のY2O3層のように、前後の層が同一材料の層(実施例26ではMgF2層(第8層及び第10層)を指す。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた実施例25〜31反射防止膜の反射率分布を図29〜35に示す。3〜5μm又は8〜12μmの波長域で良好な反射防止性能が得られた。
ZnS基板(直径30mm、厚さ1mm)上に、表27〜33に示す各材料を表27〜33に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して反射防止膜を作製した。ここで、Y2O3又はHfO2を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間又は層中に形成した。ただし、実施例25、27及び28においてはGe層とZnS層の層間には密着力強化層を設けなかった。また、光学機能層の層中に形成された密着力強化層とは、実施例26の第9層のY2O3層のように、前後の層が同一材料の層(実施例26ではMgF2層(第8層及び第10層)を指す。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた実施例25〜31反射防止膜の反射率分布を図29〜35に示す。3〜5μm又は8〜12μmの波長域で良好な反射防止性能が得られた。
実施例2(基板ZnSe)、17(基板Si)、19(基板Ge)、21(基板Ge)及び25(基板ZnS)で作製した反射防止膜について、実施例6、9、10、13〜16及び比較例1の反射防止膜に対して行ったのと同様に、密着性、煮沸密着性、耐湿密着性、摩滅性の試験を行い、耐久性を評価した。評価結果を表34に示す。
表34に示すように、本発明の反射防止膜は、カルコゲナイド以外の基板上設けた場合でも、優れた密着性を有することが分かる。
[実施例32]
Si基板上に、表35に示す各材料を表35に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して帯域フィルタを作製した。ここで、Y2O3を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間に形成した。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた帯域フィルタの透過率分布を図36に示す。3〜5μmの帯域を選択的に透過する良好な帯域フィルタ性能が得られた。
Si基板上に、表35に示す各材料を表35に記載の膜厚で順次真空蒸着法により積層して帯域フィルタを作製した。ここで、Y2O3を用いて密着力強化層を、基板と最初の光学機能層(第2層)との間、及び光学機能層の層間に形成した。なお、各層の膜厚は設計中心波長λ0に対する比として表中に示した。
得られた帯域フィルタの透過率分布を図36に示す。3〜5μmの帯域を選択的に透過する良好な帯域フィルタ性能が得られた。
100、200、300 光学機能膜
Claims (13)
- 基板上に、ZnS層を含む複数の光学機能層を有する多層構造の赤外線用光学機能膜であって、
前記複数の光学機能層の層間の少なくとも一つに、前記複数の光学機能層のいずれの層より膜厚が小さい密着強化層を有し、該密着強化層がY2O3層又はHfO2層である、赤外線用光学機能膜。 - 更に、前記基板と前記多層構造との間に、前記密着強化層としてY2O3層又はHfO2層を有する、請求項1記載の赤外線用光学機能膜。
- 更に、前記多層構造の前記基板と反対側の最も外側の表面に保護層を有し、該保護層がY2O3層又はHfO2層である、請求項1又は2記載の赤外線用光学機能膜。
- 前記複数の光学機能層の少なくとも一層に、Y2O3又はHfO2からなる密着強化層が挿入されている、請求項1〜3のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
- 前記密着強化層の膜厚が5〜60nmである、請求項1〜4のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
- 前記密着強化層がHfO2層である、請求項1〜5のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
- 前記保護層がHfO2層である、請求項3〜6のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
- 前記多層構造を構成する複数の光学機能層のそれぞれは、MgF2層、YF3層、ZnS層及びGe層からなる群から選ばれる層である、請求項1〜7のいずれか一項記載の赤外線用光学膜。
- 前記基板が、ZnSe、カルコゲナイドガラス、Si、Ge及びZnSからなる群から選ばれる1つである、請求項1〜8のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
- 前記基板がカルコゲナイドガラスである、請求項9記載の赤外線用光学機能膜。
- 基板上に、複数の光学機能層を有する多層構造の赤外線用光学機能膜であって、
前記複数の光学機能層の少なくとも一層の層中に、前記複数の光学機能層のいずれの層より膜厚の小さい密着強化層を有し、該密着強化層がY2O3層又はHfO2層である、赤外線用光学機能膜。 - 前記多層構造を構成する複数の光学機能層のそれぞれは、MgF2層、YF3層、ZnS層及びGe層からなる群から選ばれる層である、請求項11記載の赤外線用光学機能膜。
- 前記多層構造が、反射防止膜又は帯域フィルタ膜として機能する、請求項1〜12のいずれか一項記載の赤外線用光学機能膜。
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