JP2015172617A

JP2015172617A - テラヘルツ帯光学素子

Info

Publication number: JP2015172617A
Application number: JP2014047613A
Authority: JP
Inventors: 賢憲和田; Satonori Wada; 雅宏森; Masahiro Mori
Original assignee: Optical Coatings Japan
Current assignee: Optical Coatings Japan
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-10-01

Abstract

【課題】反射を防止することが可能な波長帯域を広げつつ、膜剥離を抑制するテラヘルツ帯光学素子を提供すること。
【解決手段】周波数が０．１〜１０ＴＨｚのテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板２０と、基板２０の少なくとも一方の面に形成された反射防止膜３０とを備えるテラヘルツ帯光学素子であって、反射防止膜３０は、互いに異なる屈折率を有する２層以上の複数層３１から構成され、複数層３１は、基板２０側から外側に向けて、屈折率が徐々に低くなるように形成されているテラヘルツ帯光学素子１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、周波数が０．１〜１０ＴＨｚのテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板と、基板の少なくとも一方の面に形成された反射防止膜とを備えるテラヘルツ帯光学素子に関する。

テラヘルツ光は、物体を透過する性質を有することから、空港での所持品の検査、物品の非破壊検査、あるいは体内の病巣の検査などへの応用開発が進められている。テラヘルツ光の検出器には、例えば、その検出感度の向上のため、テラヘルツ光を選択的に透過させる光学素子が用いられる。なお、本明細書において、テラヘルツ光とは、周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３０００〜３０μｍ）の範囲にある光を意味する。

テラヘルツ領域で透明である基板材料はＧｅやＳｉ等になるが、屈折率は各々Ｇｅ３．８〜４．０、Ｓｉ３．３〜３．６と高いので基板表面での反射ロスが大きく、透過率は４７〜５５％と低くなり、レンズ・ウインドウ等で使用すると損失が大きく問題となっている。

そこで、基板表面での反射を防止するため、有機物パリレンをＣＶＤで単層コートし、当該コートを反射防止膜として利用することが一般的に知られている。ところが、パリレンコートは、膜厚のコントロールが難しく、反射防止膜の波長安定性が悪く、また、単層のみのコートしかできないので、反射防止できる帯域が狭いという問題があった。

一方、蒸着・スパッタリング等によって基板にＳｉＯ_２を単層コートし、当該コートを反射防止膜として利用することも考えられる。ところが、この場合、波長精度を高くすることは可能であるものの、やはり、ＳｉＯ_２の単層コートであるため、反射を防止することが可能な帯域が狭いという問題が生じる。

そこで、反射防止の帯域を広げる方法として、異なる屈折率を有する複数の膜を基板上に形成することが知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開２００４−１０９８２７号公報

ところが、テラヘルツ帯域の反射防止膜では、蒸着やスパッタリング等によって、互いに異なる屈折率を有する２層以上の複数層を基板の表面に形成した場合、膜厚が非常に厚くなりその膜内応力の為、各層間における界面等から膜剥離が発生するという別の問題が生じ、このことが設計上の制約となっていた。

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、反射を防止することが可能な波長帯域を広げつつ、膜剥離を抑制するテラヘルツ帯光学素子を提供することを目的とするものである。

本発明は、周波数が０．１〜１０ＴＨｚのテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板と、前記基板の少なくとも一方の面に形成された反射防止膜とを備えるテラヘルツ帯光学素子であって、前記反射防止膜は、互いに異なる屈折率を有する２層以上の複数層から構成され、前記複数層は、基板側から外側に向けて、屈折率が徐々に低くなるように形成されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項１に係る発明によれば、反射防止膜が、互いに異なる屈折率を有する２層以上の複数層から構成され、複数層は、基板側から外側に向けて、屈折率が徐々に低くなるように形成されていることにより、異なる屈折率を有する２層以上の複数層によって反射を防止することが可能な波長帯域を広げつつ、各層間における界面等における膜剥離を防止することができる。

本請求項２に係る発明によれば、複数層が、基板側から外側に向けて、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｌ、または、これらの混合物の酸化濃度が徐々に低くなるように形成されていることにより、反射防止膜の生成雰囲気における酸素のガス分圧、または、成分比を段階的に変化させることで、各層の屈折率が異なりつつも良好な耐剥離性を備えた反射防止膜を容易に製造することができる。
本請求項３に係る発明によれば、複数層が、生成雰囲気における酸素のガス分圧を段階的又は連続的に変化させて生成したものであることにより、段階的に屈折率が変化する複数層を形成するにあたり、生成雰囲気における酸素濃度を調整するだけで済むため、反射防止膜を容易かつ迅速に製造することができる。
本請求項４に係る発明によれば、反射防止膜の表面には、外側高級酸化物よりも低屈折率の樹脂層、または、ダイヤモンドライクカーボンから成る層が更に形成されていることにより、テラヘルツ帯光学素子の光透過性、電気絶縁性、撥水・撥油性、耐薬品性、防湿性等を向上することができる。

本発明のテラヘルツ帯光学素子の構成例を示す断面図。第１実施例の条件を示す説明図。第１実施例で得た特性値を示すグラフ。第２実施例の条件を示す説明図。第２実施例で得た特性値を示すグラフ。第２実施例で得た特性値のうち、０〜３００μｍの波長領域における４層反射防止膜および９層反射防止膜の特性値を示すグラフ。第３実施例で得た特性値を示すグラフ。

本発明のテラヘルツ帯光学素子を、添付の図面を用いて以下に説明する。

テラヘルツ帯光学素子１０は、図１に示すように、基板２０と、基板２０の片面に形成された反射防止膜３０とから構成されている。なお、図１に示す例では、基板２０の片面のみに反射防止膜３０を形成したが、基板２０の両方の面に反射防止膜３０を形成してもよい。

基板２０は、周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３０００〜３０μｍ）のテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示すものであり、このような基板２０の材料の例としては、ゲルマニウム、シリコン、石英、サファイア、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびフッ素樹脂等が挙げられる。

反射防止膜３０は、図１に示すように、互いに異なる屈折率を有した９つの層３１を積層することで構成され、複数の層３１は、基板２０側から外側に向けて、徐々に屈折率が低くなるように形成されている。ここで、反射防止膜３０を構成する層３１の層数は、２つ以上であればよい。

反射防止膜３０の各層３１は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｌ、または、これらの混合物を原料として、イオン蒸着、プラズマ蒸着、スパッタリング、イオンビームスパッタ、ＣＶＤ等によって、基板２０上に形成されるものである。反射防止膜３０の製造時には、生成雰囲気における酸素のガス分圧を段階的又は連続的に変化させる（すなわち、各層３１ごとに生成雰囲気における酸素のガス分圧を変える）ことで、原料の酸化濃度（酸化度合）が、基板２０側から外側に向けて徐々に低くなるように形成する。

すなわち、Ｓｉを原料として層３１を形成する場合を一例にとって具体的に説明すると、プラズマ蒸着プロセスにて、コート出発材料をＳｉとし、Ｓｉ膜コート開始時の導入ガスは不活性化ガス（アルゴンガス等）１００％で行い、その後、各層３１の屈折率に応じて酸素と不活性化ガスの比率を変化させ、最終層は酸素ガス１００％にてコートを行うことにより、基板２０側から外側に向けて各層３１の屈折率が徐々に低くなるように形成する。

なお、図１に示す例では、反射防止膜３０の表面に何らの層を形成していないが、反射防止膜３０の表面に、サイトップ（登録商標、旭硝子（株）製）、ポリパラキシリレン、テフロン（登録商標）、ポリエチレン、ダイヤモンドライクカーボン等から成る層を更に形成してもよい。

また、上記では、反射防止膜３０の製造方法として、生成雰囲気における酸素のガス分圧を段階的又は連続的に変化させることで、各層３１の酸化濃度を変化させ、各層３１の屈折率を変化させる方法を説明したが、各層３１の屈折率を変化させる方法は上記に限定されず、例えば、層３１の原料となるＳｉ、Ｓｉ酸化物、Ｇｅ、Ｇｅ酸化物、Ｔｉ酸化物、および、Ａｌ酸化物等の混合物の混合比率を基板２０側に向けて徐々に低くなるように変化させて同時にコートを行うことで、各層３１の屈折率を変化させてもよい。

また、テラヘルツ帯光学素子１０は、光学フィルタ用の光学素子や光学窓として構成される。光学フィルタ用の光学素子とは、光学素子に入射する光のうちで所定の性質を持つ光（例えば、特定の波長範囲の光）を透過し、それ以外の光を透過しない素子を意味する。

［実施例１］
次に、本発明の第１実施例について、図２および図３に基づいて以下に説明する。

第１実施例では、１層の層３１から成る１層反射防止膜、４層の層３１から成る４層反射防止膜、および、９層の層３１から成る９層反射防止膜のそれぞれの場合について、１００〜１５００μｍの波長の光を照射した際のテラヘルツ帯光学素子１０の光透過率を得た。また、第１実施例においては、各反射防止膜３０の各層３１の光学膜厚を３７．５μｍで揃えた。

１層反射防止膜では、層３１がＳｉＯ２から形成されている。また、４層反射防止膜および９層反射防止膜では、最内の層３１がＳｉから形成され、外側に向かうにつれて層３１の酸化濃度を高め、最外の層３１がＳｉＯ２から形成されている。これにより、４層反射防止膜および９層反射防止膜では、層３１の屈折率が基板２０から外側に向けて徐々に低くなっている。また、いずれの場合においても、基板２０をシリコンから形成した。

第１実施例では、図３に示すように、１層反射防止膜において、光の波長に応じて透過率に大きくバラツキが生じることが確認された。これに対し、４層反射防止膜および９層反射防止膜では、１層反射防止膜と比較して、全体的に透過率が高くなっていることが分かる。さらに、９層反射防止膜では、約６００〜１５００μｍの波長領域で、４層反射防止膜よりも透過率が高くなっており、１００〜１５００μｍの波長領域全体に亘って高い透過率を示すことが確認された。

また、第１実施例では、４層反射防止膜および９層反射防止膜のいずれの場合においても、層３１間における膜剥離が生じないことが確認された。

［実施例２］
次に、本発明の第２実施例について、図４〜図６に基づいて以下に説明する。

第２実施例においても、１層反射防止膜、４層反射防止膜、および９層反射防止膜のそれぞれの場合について、１００〜１５００μｍの波長の光を照射し、テラヘルツ帯光学素子１０の光透過率を得た。また、第２実施例においては、第１実施例とは異なり、各反射防止膜３０全体の光学膜厚を３３０．０μｍで揃えた。それ以外の条件については、第１実施例の場合と同様である。

第２実施例では、図５に示すように、第１実施例の場合と同様に、１層反射防止膜において、光の波長に応じて透過率に大きくバラツキが生じることが確認され、また、４層反射防止膜および９層反射防止膜では、１層反射防止膜と比較して、全体的に透過率が高くなっていることが分かる。また、図６に示すように、４層反射防止膜においては、約１４０〜１９０μｍの波長領域で透過率が大きく低くなるのに対して、９層反射防止膜においては、このような透過率の低下が見られなかった。

また、第２実施例においても、４層反射防止膜および９層反射防止膜のいずれの場合も、層間の膜剥離が生じないことが確認された。

［実施例３］
次に、本発明の第３実施例について、図７に基づいて以下に説明する。

第３実施例では、反射防止膜３０の表面にサイトップの層を形成した場合と、反射防止膜３０の表面にパリレンの層を形成しない場合のそれぞれについて、１００〜６００μｍの波長の光を照射し、テラヘルツ帯光学素子１０の光透過率を得た。

具体的には、第１実施例の９層反射防止膜の表面にサイトップの層を形成したテラヘルツ帯光学素子１０と、第１実施例の９層反射防止膜の表面にサイトップの層を形成していないテラヘルツ帯光学素子１０とを用いた。

第３実施例では、図７に示すように、反射防止膜３０の表面にサイトップの層を形成した場合の方が、反射防止膜３０の表面にサイトップの層を形成しない場合と比較して、全体的に透過率が高くなることが分かった。

１０・・・テラヘルツ帯光学素子
２０・・・基板
３０・・・反射防止膜
３１・・・層

Claims

周波数が０．１〜１０ＴＨｚのテラヘルツ帯にあるテラヘルツ光の透過率が３０％以上の値を示す基板と、前記基板の少なくとも一方の面に形成された反射防止膜とを備えるテラヘルツ帯光学素子であって、
前記反射防止膜は、互いに異なる屈折率を有する２層以上の複数層から構成され、
前記複数層は、基板側から外側に向けて、屈折率が徐々に低くなるように形成されていることを特徴とするテラヘルツ帯光学素子。
前記複数層は、基板側から外側に向けて、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｌ、または、これらの混合物を低級酸化物から高級酸化物に変化させるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ帯光学素子。
前記複数層は、生成雰囲気における酸素のガス分圧を段階的に、又は、連続的に変化させて生成したものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のテラヘルツ帯光学素子。
前記反射防止膜の表面には、外側高級酸化物よりも低屈折率の樹脂層、または、ダイヤモンドライクカーボンから成る層が更に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のテラヘルツ帯光学素子。