JP2019133078A

JP2019133078A - 光学素子、ハーフミラー、及びバンドパスフィルタ

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Publication number: JP2019133078A
Application number: JP2018017155A
Authority: JP
Inventors: 啓一佐原; Keiichi Sahara; 今村　努; Tsutomu Imamura; 努今村; 泰崇田邉; Yasutaka Tanabe
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2019-08-08

Abstract

【課題】光の吸収率、特に可視光の吸収率の低い光学素子を提供することを課題とする。【解決手段】透明基板１と、透明基板１上に設けられた銀層２と、前記銀層２において、前記透明基板１とは反対側に設けられ、前記銀層２に接する保護層３と、誘電体層４と、を備え、前記保護層３は、金属酸化物、金属窒化物、または金属酸窒化物を含み、厚みが３〜２０ｎｍであることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子、ハーフミラー及びバンドパスフィルタに関する。

光学素子は、様々な分野にて広く用いられている。

例えば、特許文献１のように、ハーフミラーを有する観察系（光学素子）がある。このような光学素子に求められる特性としては、光の吸収率を下げることである。

特開平１１−２４９０６７号公報

しかし、特許文献１の光学素子は、金属膜としてＡｇ膜とＣｒ膜とを有している。Ｃｒ膜は、光を吸収する特性を有しているため、光の吸収率を下げる効果は不十分であり、更なる光の吸収率の低減が求められている。また、Ａｇ膜が酸化されることにより、光の吸収率が低下するという問題もある。

そこで、本発明は、光の吸収率、特に可視光の吸収率の低い光学素子を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために創案された本発明に係る光学素子は、透明基板と、透明基板上に設けられた銀層と、前記銀層の前記透明基板とは反対側に設けられ、前記銀層に接する保護層と、誘電体層と、を備え、前記保護層は、金属酸化物、金属窒化物、または金属酸窒化物を含み、厚みが２〜２０ｎｍであることを特徴とする。

このような構成によれば、銀層に接して設けられた保護層により、誘電体層の酸素が銀層に到達することが抑制される。これにより、光学素子の可視光の吸収率を効率的に低減できる。

上記の構成において、前記銀層の厚みが１〜３０ｎｍであることが好ましい。銀層の厚みが上記の範囲内であることにより、光学素子の透明度を保ちつつ、光学素子の可視光の吸収率を効率的に低減できる。

上記課題を解決するために創案された本発明に係るハーフミラーは、上記のいずれかの光学素子を含むことを特徴とする。ハーフミラーには、低い可視光吸収率が要求される。本発明により、当該要求を満たすハーフミラーを得ることができる。

上記課題を解決するために創案された本発明に係るバンドパスフィルタは、上記のいずれかの光学素子を含むことを特徴とする。銀層は、誘電体層を構成する物質と比較して可視光の平均屈折率が０．５以下と非常に低い。そのため、誘電体層側から入射された可視光の入射角が非常に小さい場合でも、可視光が全反射する。よって、入射角が略０°以外の可視光のみを透過するバンドパスフィルタとして好適である。

本発明によれば、可視光の吸収率の低い光学素子を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る光学素子を示す断面図である。ハーフミラー用途として用いられる光学素子を示す断面図である。実施例１に係る光学素子の透過・反射・吸収スペクトルを示すグラフである。比較例１に係る光学素子の透過・反射・吸収スペクトルを示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

図１は、本発明の光学素子１０の実施形態の一例を示す断面図である。図１に示す光学素子１０は、透明基板１と、透明基板１の一方の主面に配設された銀層２と、銀層２に接して配設された保護層３と、保護層３上に配設された誘電体層４を主要な構成要素とする。

光学素子１０が適用される用途としては、例えば、ハーフミラー、バンドパスフィルタ、等が挙げられる。

透明基板１は透明性を有し、光学素子１０の製造や使用の際に受ける負荷に耐える機械的強度を有する基板である。透明性とは、可視光（４００〜７００ｎｍ）を平均して８０％以上透過することを意味する。透明基板１は、ガラスまたは樹脂材料が適している。ガラスとしては、例えば、無アルカリガラス、アルミノシリケートガラス、ソーダライムガラス、石英ガラス等の公知のガラスを用いることができる。また、化学強化ガラス等の強化ガラスやＬＡＳ系結晶化ガラス等の結晶化ガラスも用いることができる。なお、ガラスとしては、アルミノシリケートガラスであることが好ましく、アルミノシリケートガラスは、質量％で、ＳｉＯ_２：５０〜８０％、Ａｌ_２Ｏ_３：５〜２５％、Ｂ_２Ｏ_３：０〜１５％、Ｎａ_２Ｏ：１〜２０％、Ｋ_２Ｏ：０〜１０％を含有することがより好ましい。樹脂材料としては、例えば、ポリメタクリル酸メチル等のアクリル系樹脂、ポリカーボネート樹脂、及びエポキシ樹脂が挙げられる。

透明基板１は、第一主面１ａと第一主面１ａと対向する第二主面１ｂを有する。透明基板１の厚さは、機械的物性等を考慮して設定すればよく、例えば、０．０５〜１０ｍｍの範囲であることが好ましい。

透明基板１の第一主面１ａ上には、銀層２が配設されている。銀層２は、材料として銀を主成分として含む層である。銀層２中における銀の質量割合は、９５質量％以上であることが好ましく、９７質量％以上であることがより好ましく、９９質量％以上であることが更に好ましい。銀層２中における銀の質量割合が低すぎると、光学素子の吸収率が高くなる場合がある。銀層２は、銀以外にも、例えば、ユウロピウム、銅、カルシウム、プラセオジム、サマリウム、マグネシウム、テルビウム、ガドリウム、ネオジム、ランタン、セリウム等を含んでもよい。

銀層２は、可視光の吸収率が非常に低い。そのため、光学素子１０の可視光の吸収率を効率的に低減できる。なお、銀層２が、酸化銀等の金属酸化物を多く含むことにより、銀層２における可視光の吸収率が高くなる。そのため、銀層２は、金属酸化物をほとんど含まないことがより好ましい。

銀層２の厚みは、１〜３０ｎｍであることが好ましい。銀層２の厚みが１ｎｍ以上であれば、銀層２を形成した効果が効率的に発現する。銀層２の厚みが３０ｎｍ以下であれば、可視光が十分に透過し、光学素子１０の透明性が保たれる。銀層２の厚みは、３〜２５ｎｍであることがより好ましく、５〜１０ｎｍであることがさらに好ましい。

保護層３は、銀層２に接して配設される。保護層３は、酸素や窒素が銀層２に混入し、銀層２が酸化、窒化することを抑制する。銀層２に酸素や窒素が混入する要因としては、例えば、後述する誘電体層４の形成時において、銀層２に、例えばプラズマ等のエネルギーが加わることにより、銀層２に含まれる銀が酸化や窒化されることにある。酸素や窒素が銀層２に混入することにより、銀層２での可視光の吸収率が高くなる。

保護層３は、金属酸化物、金属窒化物、または金属酸窒化物により構成さる。保護層３を設けることにより、銀層２に、例えばプラズマ等のエネルギーが直接加わることを抑制でき、銀の酸化が抑制される。

金属酸化物、金属窒化物、及び金属酸窒化物を構成する金属としては、ケイ素が好ましい。ケイ素を用いることにより、不動態に似たような特性が保護層３に付与される。そのため、仮に保護層３にエネルギーが加わったとしても、酸素が銀層２に混入する可能性が低くなる。このような効果を有する金属としては、他にも、ニッケル、モリブデン、銅などが挙げられる。

また、保護層３の厚みは、２〜２０ｎｍである。保護層３の厚みが２ｎｍ以上であれば、プラズマ等のエネルギーが銀層２に直接加わることを効率的に抑制できる。保護層３の厚みが２０ｎｍ以下であれば、保護層３の形成が迅速に行える。保護層３の厚みは、２〜１８ｎｍであることが好ましい。より好ましくは、４〜１５ｎｍであり、更に好ましくは５〜１３ｎｍである。

誘電体層４は、単層または複数層の誘電体多層膜により構成される。誘電体層４は、例えば、高屈折率層と、低屈折率層が交互に積層されたものが挙げられる。高屈折率層としては、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化ジルコン、窒化ケイ素等が挙げられる。低屈折率層としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、フッ化マグネシウム等が挙げられる。誘電体多層膜の厚みや層数、材質に関しては、光学素子１０に求められる特性に応じて設計すればよい。

光学素子１０の用途としては、ハーフミラーが好ましい。ハーフミラーには、低い可視光吸収率が要求される。本発明により、当該要求を満たすハーフミラーを得ることができる。

ハーフミラー用途として光学素子２０を使用する場合は、図２に示すように、透明基板１と銀層２との間にも、誘電体層４を形成する。

また、光学素子１０の用途としては、バンドパスフィルタが好ましい。銀層２は、誘電体層４と比較して可視光の平均屈折率が０．５以下と非常に低い。そのため、誘電体層４側から入射された可視光の入射角が非常に小さい場合でも、可視光が全反射する。よって、入射角が略０°以外の可視光のみを透過するバンドパスフィルタとして好適である。

次に、光学素子１０の製造方法について説明する。

銀層２は、例えば、スパッタリング法や真空蒸着法などの物理蒸着法やメッキ法により形成することができる。１〜３０ｎｍの膜厚の銀層を精度よく安定して形成するためには、スパッタリング法が好ましい。

保護層３は、例えば、スパッタリング法や真空蒸着法などの物理蒸着法により形成することができる。２〜２０ｎｍの膜厚の保護層を精度よく安定して形成するためには、スパッタリング法が好ましい。スパッタリング装置のターゲットとしては、ケイ素、アルミニウム、ジルコニウム等の金属ターゲットを用いることができる。ケイ素ターゲットの導電性を高めるために１０ｗｔ％を超えない範囲でアルミニウムやホウ素などの金属をドープしてもよい。

誘電体層４は、例えば、スパッタリング法や真空蒸着法などの物理蒸着法により形成することができる。誘電体層４を精度よく安定して形成するためには、スパッタリング法が好ましい。また、スパッタリング法の中でも、ＲＡＳ（ＲａｄｉｃａｌＡｓｓｉｓｔｅｄＳｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）法等の反応性スパッタリング法は、誘電体層４の成膜速度が速く生産性に優れるため、特に好ましい。

次に、実施例及び比較例について説明する。

（実施例１）
まず透明基板として、厚さ１．０ｍｍの石英ガラス基板の上に、誘電体層として厚さ２４．６ｎｍの酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）膜、厚さ３１．２ｎｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜、厚さ５３．３ｎｍのＮｂ_２Ｏ_５膜及び厚さ１０．０ｎｍのＳｉＯ_２膜を、順にスパッタリング法で形成した。スパッタリング法によるそれぞれの膜の形成には、ロードロック式反応性スパッタリング装置を用いた。

続いて、銀層を、ロードロック式反応性スパッタリング装置を用いて形成し、更に、保護層としてケイ素のターゲットをスパッタリングした。この際、アルゴンガスの流量を４００ｓｃｃｍとした。成膜圧力は、それぞれ、０．１Ｐａ、０．４Ｐａとした。また、膜厚は、表１に示す。

次に、誘電体層としてニオブのターゲットをスパッタリングし、ガラス板上にＮｂ_２Ｏ_５膜を成膜し、更に、ケイ素のターゲットをスパッタリングすることにより、Ｎｂ_２Ｏ_５膜上に、ＳｉＯ_２膜を成膜した。この際、アルゴンガスの流量を５００ｓｃｃｍとし、酸素ガスの流量を２００ｓｃｃｍとした。膜成膜圧力は、それぞれ０．４Ｐａとした。また、膜厚は、表１に示す。

（比較例１）
保護層を形成しなかった以外は、実施例１と同様にして光学素子を作製した。

実施例１及び比較例１の膜構成を表１に示す。

（評価）
実施例１及び比較例１で得られた光学素子について、透過率（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）及び反射率（Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）を、日立ハイテク社製、商品名「Ｕ−４０００」にて測定した。また、吸収率（Ａｂｓｏｒｐｔａｎｃｅ）を、式（１）によって計算して求めた。

吸収率（％）＝１００−透過率（％）−反射率（％）
結果を図３及び４に示す。

図３に示すように、実施例１の光学素子は、可視光の波長範囲（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）において、吸収率が１０％以下と低かった。一方、図４に示すように比較例１の光学素子は、波長４８５ｎｍ以下の吸収率が１０％以上と高かった。

１透明基板
２銀層
３保護層
４誘電体層

Claims

透明基板と、
透明基板上に設けられた銀層と、
前記銀層において、前記透明基板とは反対側に設けられ、前記銀層に接する保護層と、
誘電体層と、
を備え、
前記保護層は、金属酸化物、金属窒化物、または金属酸窒化物を含み、厚みが２〜２０ｎｍである光学素子。
前記銀層の厚みが１〜３０ｎｍである請求項１に記載の光学素子。
請求項１または２に記載の光学素子を含むハーフミラー。
請求項１または２に記載の光学素子を含むバンドパスフィルタ。