JP2022034713A - 光学部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法で製造可能であり、かつ安定した光学特性を有する光学部材及びその製造方法を提供する。【解決手段】カルコゲナイドガラスからなる光学部材であって、光学部材は、ガラス部１１と、ガラス部１１上に配される結晶部１２とを備える、光学部材１。【選択図】図１

Description

本発明は、光学部材及びその製造方法に関する。

車載ナイトビジョンやセキュリティシステム等で用いる赤外線カメラの開発が進んでいる。赤外線カメラは、赤外線を透過するフィルターやレンズ等の光学部材を備えている。

上記光学部材には、ゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）等の結晶材料がしばしば用いられる。しかし、Ｇｅは高価な材料であり、光学部材の低コスト化に不利である。また、Ｓｉは赤外線透過率が低く、赤外線カメラの性能向上に不利である。

そこで、赤外線透過率に優れ、かつ比較的安価な材料として、カルコゲナイドガラスが提案されている（特許文献１）。

特開２０１７－１７８６７４号公報 特開２０１７－１２８４９１号公報 国際公開第２０１６／０５２０７９号

カルコゲナイドガラスは、結晶材料に比べて機械的強度が低い。そのため、上記材料を用いた光学部材は、耐衝撃性が低く、傷が付きやすいという問題がある。また、それにより所望の光学特性が得づらくなる恐れがある。

上記問題に対し、例えば、表面に炭素系の保護膜を形成した光学部材が開示されている（特許文献２、３）。しかし、上記で開示された方法は、保護膜の形成が難しい。また、保護膜が剥がれやすく、光学部材の保護が不十分になる恐れもある。

上記課題に鑑み、本発明は簡便な方法で製造可能であり、かつ安定した光学特性を有する光学部材及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の光学部材は、カルコゲナイドガラスからなる光学部材であって、前記光学部材は、ガラス部と、前記ガラス部上に配される結晶部とを備えることを特徴とする。

本発明の光学部材において、前記結晶部が、前記ガラス部の表面全体に配されることが好ましい。

本発明の光学部材において、前記結晶部が、前記ガラス部のガラス構成成分の少なくとも一部を結晶構成成分として含むことが好ましい。

本発明の光学部材において、前記カルコゲナイドガラスが、モル％で、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ ２０％～９５％を含有することが好ましい。

本発明の光学部材において、前記結晶部が、カルコゲン元素を含有する結晶を含むことが好ましい。

本発明の光学部材は、前記結晶部の表面に機能膜を有することが好ましい。

本発明の光学部材において、前記機能膜が、反射防止膜であることが好ましい。

本発明の光学部材は、レンズ形状であることが好ましい。

本発明の光学部材の製造方法は、上述した光学部材を製造するための方法であって、カルコゲナイドガラスからなるガラス母材の表面に加熱処理を施すことにより、前記ガラス母材上に結晶部を形成する工程を備えることを特徴とする。

本発明の光学部材の製造方法において、前記加熱処理が、過熱水蒸気または熱風により行われることが好ましい。

本発明の光学部材の製造方法において、前記加熱処理の温度が、前記カルコゲナイドガラスの軟化点＋２００℃以下であることが好ましい。

本発明の光学部材の製造方法は、上述した光学部材を製造するための方法であって、カルコゲナイドガラスからなるガラス母材の表面を結晶化させることによって前記ガラス母材上に結晶部を形成する工程を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡便な方法で製造可能であり、かつ安定した光学特性を有する光学部材及びその製造方法を提供することができる。

本発明の光学部材の構造の一例を示す模式的断面図である。 本発明の光学部材の変形例の一例を示す模式的断面図である。 ガラス部と結晶部の一例を示す写真である。 結晶部をＸＲＤにて測定した例を示す画像である。

以下、好ましい実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

（光学部材１）
図１は、本発明の光学部材の構造の一例を示す模式的断面図である。光学部材１は、ガラス部１１と、ガラス部１１上に配される結晶部１２とを備える。

このように、本発明では、ガラス部１１上に結晶部１２を備える。結晶部１２はガラス部１１に比べて硬度が高く、傷が付きにくい。そのため、結晶部１２を備えることで、光学部材１の劣化を抑制することができ、所望の光学特性を維持しやすくなる。

光学部材１の形状、大きさは特に限定されない。例えば、レンズ形状、板状、円盤状とすることができる。光学部材１の大きさは、例えば、長径１０ｍｍ～３００ｍｍとすることができる。光学部材１の厚みは、例えば、５ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下としてもよい。下限値は特に限定されないが、例えば、０．１ｍｍ以上としてもよい。

光学部材１は、カルコゲナイドガラスからなる。本発明において、カルコゲナイドガラスは、カルコゲン元素（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）から選択される少なくとも一種を必須成分として含有する。例えば、モル％で、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ ２０％～９５％、３０％～９０％、４０％～８５％、特に５０％～８０％を含有することが好ましい。なお、本明細書において、「○＋○＋・・・」は該当する各成分の含有量の合量を意味する。

カルコゲン元素のうち、Ｔｅを含有することにより、より長波長の赤外線（例えば、波長２０μｍ以上の赤外線）を透過しやすくなる。また、結晶部１２を形成しやすくなる。Ｔｅの含有量はモル％で、２０％以上、４０％以上、５０％以上、特に６０％以上であることが好ましい。一方、Ｔｅの含有量が多すぎると、かえって赤外線が透過しづらくなる。そのため、Ｔｅの含有量はモル％で、９５％以下、９０％以下、８５％以下、特に８０％以下であることが好ましい。

上記成分以外にも、例えば、以下に示す成分を含有してもよい。

Ｇｅは赤外線透過率を低下させることなく、ガラス化範囲を広げ、ガラスの熱的安定性を高める成分である。Ｇｅの含有量は、モル％で、０％～４０％、１％～３５％、５％～３０％、７％～２５％、特に１０％～２０％であることが好ましい。Ｇｅの含有量が多すぎると、原料コストが高くなりやすい。

Ｇａは赤外線透過率を低下させることなく、ガラス化範囲を広げ、ガラスの熱的安定性を高める成分である。Ｇａの含有量は、モル％で、０％～３０％、１％～３０％、３％～２５％、特に４％～２０％、であることが好ましい。Ｇａの含有量が多すぎると、原料コストが高くなりやすい。

カルコゲナイドガラスの熱膨張係数は、例えば、４００×１０^－７／℃以下、２５０×１０^－７／℃以下、２２０×１０^－７／℃以下、２００×１０^－７／℃以下、特に１８０×１０^－７／℃以下としてもよい。熱膨張係数の下限は、例えば、５０×１０^－７／℃以上としてもよい。なお、特に記載がない限り、本発明の「熱膨張係数」は、３０～１５０℃の温度範囲において測定した熱膨張係数の値を意味する。

結晶部１２は、ガラス部１１の表面全体に配されることが好ましい。このようにすれば、光学部材１が一層傷付きにくくなるため、その劣化を一層抑制しやすくなる。なお、結晶部１２がガラス部１１の表面の一部に形成されていてもよい。

結晶部１２は、ガラス部１１のガラス構成成分の少なくとも一部を結晶構成成分として含むことが好ましい。さらにはガラス部１１の一部が結晶化してなることにより形成されていることが好ましい。これにより、ガラス部１１上に結晶部１２を容易に配することができる。また、上記構成の結晶部１２は、ガラス部１１との密着性が高く剥がれ落ちにくいため、所望の光学特性を一層維持しやすくなる。なお、上記構成において、結晶部１２は、ガラス部１１の組成に応じた結晶が析出することにより形成される。例えば、結晶部１２は、カルコゲン元素を含有する結晶を含んでいてもよい。例えば、光学部材１にＴｅを含有するカルコゲナイドガラスを用いる場合、結晶部１２はＴｅ元素を含有する結晶を含んでいてもよい。

また結晶部１２は、その他の方法、例えばガラス部１１上に、別途用意した板状の結晶体を積層することにより形成してもよい。

結晶部１２の厚みは、例えば、１ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下、０．２ｍｍ以下、０．１５ｍｍ以下、特に０．１ｍｍ以下であることが好ましい。結晶部１２の厚みが大きすぎると、赤外線が散乱されすぎて、光学部材１の赤外線透過率が低下しやすくなる。下限値は、上述の効果を得るために、例えば０．００１ｍｍ以上、０．０１ｍｍ以上とすることが好ましい。

結晶部１２は、全体が均一な厚みを有していてもよく、特定箇所の厚みを大きくしてもよい。図２は、本発明の光学部材の変形例の一例を示す模式的断面図である。図２に示す光学部材１は、主面と、側面を有する。図２において、側面の結晶部１２ａの厚みは、主面の結晶部１２ｂの厚みより大きい。これにより、側面の破損を抑制することができ、光学部材１の劣化を抑制しやすくなる。

光学部材１は表面に機能膜１３を有することが好ましい。これにより、光学部材１の耐候性を向上させやすくなる。機能膜１３は、結晶部１２の表面に配されることが好ましく、特に結晶部１２の表面全体に配されていることが好ましい。なお、機能膜１３は、結晶部１２の表面の一部に配されていてもよい。このように結晶部１２と機能膜１３の両者を配することにより、光学部材１の劣化をより一層抑制することができ、所望の光学特性をより一層維持しやすくなる。

ところで、機能膜を含む薄膜は、その製造時にピンホールが生じやすい。ピンホールは傷と同様に、光学部材１の劣化が進行する原因となりうる。一般に、ピンホールは成膜装置内の不純物等が原因で発生することが多い。そのため、ピンホールの発生を抑制しようとすると、製造装置のより高度な維持管理が必要になり、製造が難しくなりやすく、かつ製造コストも高くなりやすい。一方、本発明の光学部材１は、結晶部１２を備えているため、機能膜１３が形成されていない領域があったとしても、光学部材１の劣化を抑制することができ、所望の光学特性を維持しやすい。また、結晶部１２は後述する簡便な方法により形成することができるため、光学部材１の製造コストを低減しやすい。

機能膜１３は、反射防止膜であることが好ましい。反射防止膜は、低屈折率層と高屈折率層が交互に合計２層以上、２層～３４層、特に４層～１２層積層されていることが好ましい。積層数が少なすぎると、所望の光学特性が得づらくなる。積層数が多すぎると、コスト面で不利になりやすい。なお、低屈折率層及び高屈折率層の組み合わせに制限はなく、高屈折率層の屈折率が低屈折率層の屈折率より相対的に大きければよい。

低屈折率層及び高屈折率層の１層あたりの厚みは、０．０１～１０μｍ、０．０２～５μｍ、特に０．０３～２μｍが好ましい。１層あたりの厚みが小さすぎると、所望の光学特性が得づらくなる。一方、厚みが大きすぎると、機能膜１３と光学部材１の界面にかかる応力が大きくなり、機能膜１３の密着性や、光学部材１の機械的強度が低下しやすくなる。

低屈折率層及び高屈折率層としては、金属酸化物（Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、Ｔｉ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２）、水素化炭素、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、Ｇｅ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ａｓ_２Ｓ_３、Ａｓ_２Ｓｅ_３、ＰｂＦ_２、テルル化物、フッ化物（ＹＦ_３）等を用いることができる。

（光学部材１の製造方法）
本発明の光学部材１の製造方法は、カルコゲナイドガラスからなるガラス母材の表面に加熱処理を施すことにより、ガラス母材上に結晶部１２を形成する工程を備える。言い換えると、加熱処理を施すことにより、ガラス母材の表面部分を結晶化させて、ガラス母材上に結晶を析出させて結晶部を形成する。これにより、ガラス部１１と結晶部１２とが一体的に形成された光学部材１を得ることができる。

加熱処理は、過熱水蒸気または熱風を用いて行うことが好ましい。このようにすれば、結晶部１２の厚みを制御しやすくなる。また、結晶部１２の形成箇所を精密に制御しやすくなる。

加熱処理の温度は、使用するカルコゲナイドガラスの軟化点＋２００℃以下、１８０℃以下、１６０℃以下であることが好ましく、軟化点＋４０℃以上、＋５０℃以上、＋６０℃以上であることが好ましい。処理温度が高すぎると、加熱処理中に光学部材１が変形、破損する恐れがある。一方、処理温度が低すぎると、結晶部１２が形成されにくくなる。

上記方法にて得られた結晶部１２の一例を以下に示す。図３は、ガラス部と結晶部の一例を示す写真である。図４は、結晶部をＸＲＤにて測定した例を示す画像である。図３、図４では、カルコゲナイドガラスとしてＧｅ－Ｇａ－Ｔｅ系カルコゲナイドガラスを用いている。このとき、結晶部１２はＴｅ結晶とＧａ_０．５Ｇｅ_１．９Ｔｅ_７．６結晶が析出している。

結晶部１２を形成する工程の後に、光学部材１の表面を研磨する工程を含んでもよい。これにより、光学部材１（結晶部１２）の表面の平滑性を確保しやすくなる。

なお、光学部材１をプレス成型により作製する場合は、ガラス母材を低温でプレスした後、そのままプレス型の温度を上記加熱温度とすることにより、プレス成型と結晶部１２の形成を同時に行ってもよい。このとき、プレス温度は、使用するカルコゲナイドガラスの軟化点＋４０℃未満、＋３０℃以下、＋２０℃以下であることが好ましく、軟化点－４０℃以上、－３０℃以上、－２０℃以上であることが好ましい。ただし、結晶部１２の厚みを精密に制御する観点では、プレス成型により光学部材１と同等の形状を有するガラス母材を作製した後、ガラス母材に加熱処理を施すことにより、ガラス母材上に結晶部１２を形成することが好ましい。

本発明の光学部材１は、赤外線センサー、赤外線カメラ等の赤外線デバイスに好適に用いることができる。

１ 光学部材
１１ ガラス部
１２、１２ａ、１２ｂ 結晶部
１３ 機能膜

Claims (12)

1. カルコゲナイドガラスからなる光学部材であって、
   前記光学部材は、ガラス部と、前記ガラス部上に配される結晶部とを備える、光学部材。
2. 前記結晶部が、前記ガラス部の表面全体に配される、請求項１に記載の光学部材。
3. 前記結晶部が、前記ガラス部のガラス構成成分の少なくとも一部を結晶構成成分として含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学部材。
4. 前記カルコゲナイドガラスが、モル％で、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ ２０％～９５％を含有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の光学部材。
5. 前記結晶部が、カルコゲン元素を含有する結晶を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の光学部材。
6. 前記結晶部の表面に機能膜を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の光学部材。
7. 前記機能膜が、反射防止膜である、請求項５に記載の光学部材。
8. レンズ形状である、請求項１～７のいずれか一項に記載の光学部材。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の光学部材の製造方法であって、
   カルコゲナイドガラスからなるガラス母材の表面に加熱処理を施すことにより、前記ガラス母材上に結晶部を形成する工程を備える、光学部材の製造方法。
10. 前記加熱処理が、過熱水蒸気または熱風により行われる、請求項９に記載の光学部材の製造方法。
11. 前記加熱処理の温度が、前記カルコゲナイドガラスの軟化点＋２００℃以下である、請求項９又は１０に記載の光学部材の製造方法。
12. 請求項１～８のいずれか一項に記載の光学部材の製造方法であって、
    カルコゲナイドガラスからなるガラス母材の表面を結晶化させることによって前記ガラス母材上に結晶部を形成する工程を備える、光学部材の製造方法。

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