JP2022044649A - 光学フィルタ、その製造方法および光学モジュール - Google Patents

光学フィルタ、その製造方法および光学モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】赤外線の直線透過率の高い赤外線透過フィルタを実現することが可能な、コロイドアモルファス集合体を有する光学フィルタ、その製造方法および光学モジュールを提供する。【解決手段】光学フィルタ１０は、マトリクス１２と、マトリクス１２中に分散された微粒子１４とを含む光学フィルタであって、微粒子１４は、少なくともコロイドアモルファス集合体を構成しており、７６０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長範囲内の少なくとも一部の波長の光に対する直線透過率が６０％以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、光学フィルタ、その製造方法および光学モジュールに関し、例えば、赤外線の直進透過率が高く、可視光の拡散反射率が高い赤外線フィルタとして好適に用いられる光学フィルタ、その製造方法およびそのような光学フィルタをデバイスが有する赤外線受光部の前面に備える光学モジュールに関する。上記デバイスは例えばセンシングデバイスまたは通信デバイスである。
赤外線を利用した、センサ技術または通信技術が開発・実用化されている。赤外線を受光する素子は、可視光にも感度を有するので、赤外線だけを選択的に透過させる赤外線透過フィルタが用いられている。赤外線の定義は、技術分野によって異なる。本明細書において、「赤外線」は、センシングまたは通信に用いられる波長が７６０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内の光（電磁波）を少なくとも含むものとする。また、「可視光」は４００ｎｍ以上７６０ｎｍ未満の範囲内の光をいう。
従来の赤外線透過フィルタは、可視光を吸収するために黒色を呈するものが主流で、そのため、意匠性が低いという問題があった。
そこで、例えば特許文献１には、赤外線を透過させ、かつ可視光を反射および透過させる誘電体多層膜と、梨地状に加工された表面を有する赤外線受発光部が開示されている。また、特許文献２には、透明基材の表面を粗面化することにより形成された微細な凹凸形状によるレイリー散乱を利用して可視光を散乱させて、白色を呈させるとともに、赤外線の透過率を１２％以上とした赤外線通信用光学物品が開示されている。
特開２００６－１６５４９３号公報（特許第４１２２０１０号公報） 特開２０１３－６５０５２号公報（特許第５７５６９６２号公報） 特開２０１０－０５８０９１号公報（特許第５２７４１６４号公報）
M. Iwata et al. "Bio-Inspired Bright Structurally Colored Colloidal Amorphous Array Enhanced by Controlling Thickness and Black Background", Adv. Mater., 2017, 29, 1605050.
特許文献１に記載の赤外線受発光部は、誘電体多層膜によって反射された可視光のみで外観を彩色するものであり、見る角度によって色が変化する。また、誘電体多層膜は高価であるという問題もある。
特許文献１に記載されているような、誘電体多層膜を利用した赤外線通信用フィルムは、本発明者の検討によると、このフィルムを介して赤外線カメラで手の動きを撮影すると、手の輪郭がぼやけてしまい、モーションキャプチャー用途に用いることは難しいことが分かった。これは、赤外線の直線透過率が低いためと考えられる。
一方、例えば、特許文献３および非特許文献１には、アモルファス構造を有する微粒子分散体またはコロイドアモルファス集合体が、角度依存性の少ない鮮やかな構造色（例えば青）を発現できることが開示されている。特許文献３には、アモルファス構造を有する微粒子分散体は特定の波長の光を反射する用途（例えば色材や赤外線反射膜等）に特に有用であると記載されている。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、赤外線の直線透過率の高い赤外線透過フィルタを実現することが可能な、コロイドアモルファス集合体を有する光学フィルタ、その製造方法および光学モジュールを提供することを目的とする。
本発明の実施形態によると以下の項目に示す解決手段が提供される。
［項目１］
マトリクスと、前記マトリクス中に分散された微粒子とを含む光学フィルタであって、
前記微粒子は、少なくともコロイドアモルファス集合体を構成しており、
７６０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長範囲内の少なくとも一部の波長の光に対する直線透過率が６０％以上である、光学フィルタ。前記マトリクスおよび前記微粒子は、可視光に対して透明であることが好ましい。
［項目２］
白色を呈する、項目１に記載の光学フィルタ。
［項目３］
波長が９５０ｎｍの光に対する直線透過率が６０％以上である、項目１または２に記載の光学フィルタ。
［項目４］
波長が１５５０ｎｍの光に対する直線透過率が６０％以上である、項目１から３のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目５］
標準光をＤ６５光源としたときに呈する色のＣＩＥ１９３１色度図上のｘ、ｙ座標は、０．２５≦ｘ≦０．４０、０．２５≦ｙ≦０．４０である、項目１から４のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目６］
前記微粒子は、平均粒径が８０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内にある、単分散の第１微粒子を含む、項目１から５のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目７］
前記第１微粒子の平均粒径は１５０ｎｍ以上である、項目６に記載の光学フィルタ。
［項目８］
前記フィルタの面方向に対して垂直な断面における前記微粒子の重心間距離の平均値が２００ｎｍ以上である、項目１から７のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目９］
前記フィルタの面方向に対して垂直な断面における前記微粒子の重心間距離の平均値の変動係数が１０％以上である、項目１から８のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目１０］
前記フィルタの面方向に対して垂直な断面における前記微粒子の重心間距離の平均値の変動係数が４０％以下である、項目１から９のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目１１］
前記フィルタの可視光の波長領域の透過率曲線は、長波長側から短波長側にかけて直線透過率が単調に減少する曲線部分を有し、前記曲線部分は入射角の増大につれて長波長側にシフトする、項目１から１０のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目１２］
波長が９５０ｎｍの光に対する入射角が６０°のときの直線透過率は、入射角が０°のときの直線透過率の８０％以上である、項目１から１１のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目１３］
分光測色計を用いてＳＣＥ方式で測定したＬ＊の値が２０以上である、項目１から１２のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目１４］
前記微粒子の体積分率は６％以上６０％以下である、項目１から１３のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目１５］
波長が５４６ｎｍの光に対する前記マトリクスの屈折率をｎＭ、前記微粒子の屈折率をｎＰとするとき、｜ｎＭ－ｎＰ｜が０．０３以上０．６以下である、項目１から１４のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目１６］
３次元形状を有する、項目１から１５のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目１７］
前記マトリクスは樹脂で形成されており、前記微粒子は無機材料で形成されている。項目１から１６のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
［項目１８］
項目１７に記載の光学フィルタを製造する方法であって、
硬化性樹脂と前記微粒子とを含む硬化性樹脂組成物を用意する工程と、
前記硬化性樹脂組成物を基材の表面に付与する工程と、
前記表面に付与された前記硬化性樹脂組成物に含まれる前記硬化性樹脂を硬化させる工程と
を包含する、製造方法。
［項目１９］
前記付与工程は、塗布法で行われる、項目１８に記載の製造方法。
［項目２０］
前記付与工程は、ディップコーティング法で行われる、項目１８に記載の製造方法。
［項目２１］
赤外線受光部を備えたデバイスと、
前記デバイスの前記赤外線受光部の前面に配置された、項目１から１７のいずれか１項に記載の光学フィルタと
を有する、光学モジュール。
［項目２２］
前記デバイスは、センシングデバイス、通信デバイス、太陽電池、ヒーター、または給電デバイスである、項目２１に記載の光学モジュール。
本発明の実施形態によると、赤外線の直線透過率の高い赤外線透過フィルタを実現することが可能な、コロイドアモルファス集合体を有する光学フィルタ、その製造方法および光学モジュールが提供される。
本発明の実施形態による光学フィルタ１０の模式的な断面図である。 実施例１の光学フィルタ１０Ａの断面ＴＥＭ像を示す図である。 比較例１の光学フィルタ２０Ａの断面ＴＥＭ像を示す図である。 実施例１の光学フィルタ１０Ａの断面ＴＥＭ像から求めた粒子の重心間距離のヒストグラムである。 比較例１の光学フィルタ２０Ａの断面ＴＥＭ像から求めた粒子の重心間距離のヒストグラムである。 モーションキャプチャデバイスを用いて取得したカメラ画像の例である。 実施例１の光学フィルタ１０Ａを介してモーションキャプチャデバイスを用いて取得したカメラ画像の例である。 比較例１の光学フィルタ２０Ａを介してモーションキャプチャデバイスを用いて取得したカメラ画像の例である。 実施例１の光学フィルタ１０Ａの光学像を示す図である。 比較例１の光学フィルタ２０Ａの光学像を示す図である。 本発明の実施形態による光学フィルタ１０の光学特性を説明するための模式図である。 光学フィルタの拡散透過率の測定方法を示す模式図である。 光学フィルタの直線透過率の測定方法を示す模式図である。 実施例１の光学フィルタ１０Ａの直線透過率スペクトルである。 実施例１の光学フィルタ１０Ａの拡散透過率スペクトルと拡散反射率スペクトルとの差として求められた吸収率スペクトルを示す図である。 比較例１の光学フィルタ２０Ａの直線透過率スペクトルである。 実施例２の光学フィルタの断面ＴＥＭ像を示す図である。 実施例２の光学フィルタの断面ＴＥＭ像から求めた粒子の重心間距離のヒストグラムである。 実施例２の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。 実施例３および４の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。 実施例５の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。 実施例６の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。 実施例７の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。 実施例８の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。 実施例９の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。 実施例１０の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。 実施例１０の光学フィルタの断面ＴＥＭ像を示す図である。 実施例１０の光学フィルタの断面ＴＥＭ像から求めた粒子の重心間距離のヒストグラムである。 実施例１１の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。 実施例１２の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。 実施例１３の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。 比較例２の光学フィルタの断面ＴＥＭ像を示す図である。 比較例２の光学フィルタの断面ＴＥＭ像から求めた粒子の重心間距離のヒストグラムである。 比較例２の光学フィルタの直線透過率スペクトルである（入射角０°、６０°）。 比較例３の光学フィルタの断面ＴＥＭ像を示す図である。 比較例３の光学フィルタの断面ＴＥＭ像から求めた粒子の重心間距離のヒストグラムである。 比較例３の光学フィルタの直線透過率スペクトルである 実施例１の光学フィルタ１０Ａおよび比較例Ａの光学フィルタの直線透過率スペクトルの入射角依存性を示す図である。 実施例１の光学フィルタ１０Ａの直線透過率スペクトルの入射角依存性を示す図である。 比較例Ａの光学フィルタの直線透過率スペクトルの入射角依存性を示す図である。 実施例２の光学フィルタの直線透過率スペクトルの入射角依存性を示す図である。 実施例６の光学フィルタの直線透過率スペクトルの入射角依存性を示す図である。 比較例３の光学フィルタの直線透過率スペクトルの入射角依存性を示す図である。 半球面状に形成された実施例の光学フィルタを示す光学画像（可視光）を示す図である。 図４４Ａに示した半球面状の実施例の光学フィルタの赤外線画像を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態による光学フィルタを説明する。本発明の実施形態による光学フィルタは、以下で例示するものに限定されない。
本発明の実施形態による光学フィルタは、マトリクスと、マトリクス中に分散された微粒子とを含む光学フィルタであって、微粒子は、少なくともコロイドアモルファス集合体を構成しており、７６０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長範囲内の少なくとも一部の波長の光に対する直線透過率が６０％以上である。例えば、波長が９５０ｎｍおよび１５５０ｎｍの光に対する直線透過率が６０％以上の光学フィルタを得ることができる。光学フィルタの直線透過率が６０％以上である光（近赤外線）の波長範囲は、例えば８１０ｎｍ以上１７００ｎｍ以下であることが好ましく、８４０ｎｍ以上１６５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。このような光学フィルタは、例えば、ＩｎＧａＡｓセンサ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂセンサ、ＣＭＯＳセンサ、ＮＭＯＳセンサ、ＣＣＤセンサに好適に用いられる。ここで、マトリクスおよび微粒子はともに、可視光に対して透明（以下、単に「透明」という。）であることが好ましい。本発明の実施形態による光学フィルタは、白色を呈し得る。
本発明の実施形態による光学フィルタは、コロイドアモルファス集合体を含む。コロイドアモルファス集合体とは、コロイド粒子（粒径１ｎｍ～１μｍ）の集合体で、長距離秩序を有さず、ブラッグ反射を起こさない集合体をいう。コロイド粒子が長距離秩序を有するように分布すると、いわゆるコロイド結晶（フォトニック結晶の一種）となり、ブラッグ反射が起きるのと対照的である。すなわち、本発明の実施形態による光学フィルタが有する微粒子（コロイド粒子）は、回折格子を形成しない。
本発明の実施形態による光学フィルタが含む微粒子は、平均粒径が赤外線の波長の１０分の１以上の単分散の微粒子を含む。すなわち、波長が７６０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内の赤外線に対して、微粒子の平均粒径は少なくとも８０ｎｍ以上であることが好ましく、１５０ｎｍ以上であることが好ましく、２００ｎｍ以上であることがさらに好ましい。微粒子の平均粒径の上限は例えば３００ｎｍである。平均粒径が異なる２以上の単分散の微粒子を含んでもよい。個々の微粒子はほぼ球形であることが好ましい。なお、本明細書において、微粒子（複数）は、微粒子の集合体の意味でも用い、単分散の微粒子とは、変動係数（標準偏差／平均粒径を百分率で表した値）が２０％以下、好ましくは１０％以下、より好ましくは１～５％のものをいう。本発明の実施形態による光学フィルタは、粒径（粒子直径、体積球相当径）が波長の１０分の１以上の粒子を利用することで、赤外線の直線透過率を高くする。特許文献２に記載の光学物品がレイリー散乱を利用しているのと原理が異なる。
平均粒径は、ここでは、３次元ＳＥＭ像に基づいて求めた。具体的には、集束イオンビーム走査型電子顕微鏡（以下、「ＦＩＢ－ＳＥＭ」という。）として、ＦＥＩ社製の型番Ｈｅｌｉｏｓ Ｇ４ ＵＸを用いて、連続断面ＳＥＭ像を取得し、連続画像位置を補正した後、３次元像を再構築した。詳細には、ＳＥＭによる断面反射電子像の取得とＦＩＢ（加速電圧：３０ｋＶ）加工とを５０ｎｍ間隔で１００回繰り返し、３次元像を再構築した。得られた３次元像について、解析ソフト（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製のＡＶＩＺＯ）のＳｅｇｍｅｎｔｉｏｎ機能を用いて２値化を行い、微粒子の像を抽出した。次に、個々の微粒子を識別するために、Ｓｅｐａｒａｔｅ ｏｂｊｅｃｔ操作を実施した後、各微粒子の体積を算出した。各粒子を球と仮定し、体積球相当径を算出し、微粒子の粒径を平均した値を平均粒径とした。
本発明の実施形態による光学フィルタは、微粒子およびマトリクスの屈折率、微粒子の平均粒径、体積分率、分布（非周期性の程度）および厚さのいずれかを調整することによって、７６０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長範囲内の少なくとも一部の波長の光に対する直線透過率を６０％以上とする。
本発明の実施形態による光学フィルタは、白色を呈し得る。ここで、白色とは、標準光をＤ６５光源としたときのＣＩＥ１９３１色度図上のｘ、ｙ座標がそれぞれ０．２５≦ｘ≦０．４０、０．２５≦ｙ≦０．４０の範囲内にあるものをいう。もちろん、ｘ＝０．３３３、ｙ＝０．３３３に近いほど白色度は高く、好ましくは、０．２８≦ｘ≦０．３７、０．２８≦ｙ≦０．３７であり、さらに好ましくは０．３０≦ｘ≦０．３５、０．３０≦ｙ≦０．３５である。また、ＣＩＥ１９７６色空間上のＳＣＥ方式で測定したＬ＊は２０以上であることが好ましく、４０以上であることがより好ましく、５０以上がさらに好ましく、６０以上であることが特に好ましい。Ｌ＊が２０以上であれば概ね白色と言える。Ｌ＊の上限値は例えば１００である。直線透過率の測定方法は、実験例（実施例および比較例を含む）において、後述する。
図１に本発明の実施形態による光学フィルタ１０の模式的な断面図を示す。本発明の実施形態による光学フィルタ１０は、可視光に対して透明なマトリクス１２と、透明なマトリクス１２中に分散された透明な微粒子１４とを含む。微粒子１４は、少なくともコロイドアモルファス集合体を構成している。微粒子１４が構成するコロイドアモルファス集合体を乱さない他の微粒子を含んでもよい。
光学フィルタ１０は、図１に模式的に示すように、実質的に平坦な表面を有している。ここで、実質的に平坦な表面とは、可視光や赤外線を散乱（回折）または拡散反射させるような大きさの凹凸構造を有しない表面をいう。また、光学フィルタ１０は、コレステリック液晶（高分子液晶、低分子液晶、これらの液晶混合物、および、これらの液晶材料に架橋剤を混合し、架橋するなどして固化したもので、コレステリック相を発現するものを広く包含する。）を含まない。なお、光学フィルタ１０は、例えば、フィルム状であるが、これに限られない。
透明な微粒子１４は、例えば、シリカ微粒子である。シリカ微粒子として、例えばストーバー法により合成されたシリカ微粒子を用いることができる。また微粒子として、シリカ微粒子以外の無機微粒子を用いてよく、樹脂微粒子を用いてもよい。樹脂微粒子としては、例えば、ポリスチレンおよびポリメタクリル酸メチルのうちの少なくとも１種からなる微粒子が好ましく、架橋したポリスチレン、架橋したポリメタクリル酸メチルまたは架橋したスチレン－メタクリル酸メチル共重合体からなる微粒子がさらに好ましい。なお、このような微粒子としては、例えば、エマルション重合により合成されたポリスチレン微粒子又はポリメタクリル酸メチル微粒子を適宜用いることができる。また、空気を含んだ中空シリカ微粒子および中空樹脂微粒子を用いることもできる。なお、無機材料で形成されている微粒子は、耐熱性・耐光性に優れるという利点を有する。微粒子の全体（マトリクスおよび微粒子を含む）に対する体積分率は、６％以上６０％以下が好ましく、２０％以上５０％以下がより好ましく、２０％以上４０％以下がさらに好ましい。透明な微粒子１４は光学的等方性を有してもよい。
マトリクス１２は、例えば、アクリル樹脂（例えば、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸メチル）、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ（ジエチレングリコールビスアリルカーボネート）、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ポリイミドを挙げられるが、これらに限られない。マトリクス１２は、硬化性樹脂（熱硬化性または光硬化性）を用いて形成することが好ましく、量産性の観点から光硬化性樹脂を用いて形成することが好ましい。光硬化性樹脂としては、種々の（メタ）アクリレートを用いることができる。（メタ）アクリレートは、２官能または３官能以上の（メタ）アクリレートを含むことが好ましい。また、マトリクス１２は光学的等方性を有していることが好ましい。多官能モノマーを含む硬化性樹脂を用いると、架橋構造を有するマトリクス１２が得られるので、耐熱性および耐光性を向上させることができる。
マトリクス１２が樹脂材料で形成された光学フィルタ１０は、柔軟性を有するフィルム状であり得る。光学フィルタ１０の厚さは、例えば、１０μｍ以上１０ｍｍ以下である。光学フィルタ１０の厚さが、例えば、１０μｍ以上１ｍｍ以下、さらには１０μｍ以上５００μｍ以下であれば、柔軟性を顕著に発揮することができる。
微粒子として、表面が親水性のシリカ微粒子を用いる場合、例えば親水性のモノマーを光硬化することによって形成することが好ましい。親水性モノマーとして、例えば、ポリエチレングリコール（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールトリ（メタ）アクリレート、ポリプロピレングリコール（メタ）アクリレート、ポリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、ポリプロピレングリコールトリ（メタ）アクリレート、２－ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、あるいは、２－ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、アクリルアミド、メチレンビスアクリルアミド、エトキシ化ビスフェノールＡジ（メタ）アクリレートを挙げることができるが、これらに限られない。またこれらのモノマーは１種類を単独で用いてもよいし、または２種類以上を混合して用いてもよい。もちろん、２種類以上のモノマーは、単官能モノマーと多官能モノマーとを含んでもよく、あるいは、２種類以上の多官能モノマーを含んでもよい。
これらのモノマーは光重合開始剤を適宜用いて硬化反応させることができる。光重合開始剤としては、例えばベンゾインエーテル、ベンゾフェノン、アントラキノン、チオキサン、ケタール、アセトフェノン等のカルボニル化合物や、ジスルフィド、ジチオカーバメート等のイオウ化合物、過酸化ベンゾイル等の有機過酸化物、アゾ化合物、遷移金属錯体、ポリシラン化合物、色素増感剤等が挙げられる。添加量は微粒子とモノマーとの混合物１００質量部に対して０．０５質量部以上３質量部以下が好ましく、０．０５質量部以上１質量部以下がさらに好ましい。
可視光に対するマトリクスの屈折率をｎＭ、微粒子の屈折率をｎＰとするとき、｜ｎＭ－ｎＰ｜（以下、単に屈折率差ということがある。）が０．０１以上であることが好ましく、０．６以下であることが好ましく、０．０３以上であることがより好ましく、０．１１以下であることがより好ましい。屈折率差が０．０３よりも小さいと散乱強度が弱くなり、所望の光学特性が得られにくくなる。また、屈折率差が０．１１を超えると、赤外線の直線透過率が低下することがある。また、例えば、ジルコニア微粒子（屈折率２．１３）とアクリル樹脂とを用いることで、屈折率差を０．６にした場合は、厚さを小さくすることによって赤外線の直線透過率を調整することができる。このように、赤外線の直線透過率は、例えば、光学フィルタの厚さと屈折率差とを制御することによって、調整することもできる。また、用途に応じて、赤外線を吸収するフィルタと重ねて用いることもできる。なお、可視光に対する屈折率は例えば５４６ｎｍの光に対する屈折率で代表され得る。ここでは、特に断らない限り、屈折率は５４６ｎｍの光に対する屈折率をいう。
本発明の実施形態による光学フィルタは、例えば、硬化性樹脂に微粒子を分散・混合させた硬化性樹脂組成物を用意する工程と、硬化性樹脂組成物を基材の表面に付与する工程と、表面に付与された硬化性樹脂組成物に含まれる硬化性樹脂を硬化させる工程とを包含する、製造方法によって、製造され得る。基材は、例えばガラス基板であっても、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）、ＰＩ（ポリイミド）のような樹脂フィルムであってよいが、これらに限られない。硬化性樹脂に微粒子を分散・混合させる工程は、ホモミキサ、ホモジナイザ（例えば、超音波ホモジナイザ、高圧ホモジナイザ）などの公知の分散・混合装置を用いて行うことができる。また、付与工程は、例えば、塗布法（例えば、ディップコーティング法、スプレーコーティング法、ダイコーティング法）や印刷法など、公知の種々の方法で行うことができる。
以下、具体的な実験例（実施例および比較例）を示して、本発明の実施形態による光学フィルタの構成と光学特性の特徴を説明する。実施例および比較例の光学フィルタの構成および光学特性を表１に示す。シリカ微粒子と樹脂の種類との組合せ、凝集剤の添加、さらには分散・混合方法の違いによって、表１に示す種々の光学フィルタを作製した。
実施例１～１３および比較例１～３の光学フィルタは、表１に記載のアクリル樹脂とシリカ微粒子とを用いてフィルムとして形成した。シリカ微粒子としては、ストーバー法で合成された単分散シリカ微粒子（（平均粒径１１０ｎｍ、粒径のＣＶ値４．５％）、（平均粒径１８１ｎｍ、粒径のＣＶ値４．７％）、（平均粒径２２１ｎｍ、粒径のＣＶ値４．９％）、および（平均粒径２９６ｎｍ、粒径のＣＶ値６．１％））を用いた。ここでは、シリカ微粒子として、富士化学株式会社製のハウトフォームＳｉｂｏｌ２２０を用いた。シリカ微粒子の粒度分布は、株式会社日立ハイテク社製の走査電子顕微鏡ＳＵ３８００で測定した。
アクリルモノマーＡ～Ｅにシリカ微粒子を所定の配合で混合・分散し、硬化性樹脂組成物を調製し、アプリケータを用いて、基材の表面に所定の厚さのフィルムが得られるように塗布し、硬化することによって得た。光重合開始剤としてＤａｒｏｃｕｒｅ１１７３をアクリルモノマー１００質量部に対して０．２質量部を配合し、ＵＶランプを照射し光重合によって硬化させた。モノマーの種類によって、屈折率の異なる樹脂（ポリマ）を形成した。
アクリルモノマーＡ～Ｅを以下に示す。モノマーＡおよびＥは３官能アクリレートであり、モノマーＢおよびＣは２官能アクリレートであり、モノマーＤは単官能アクリレートである。
Ａ：ペンタエリストールトリアクリレート
Ｂ：エトキシ化ビスフェノールＡジアクリレート（ｍ+ｎ=10）
Ｃ：エトキシ化ビスフェノールＡジアクリレート（ｍ+ｎ=3）
Ｄ：メトキシポリエチレングリコール＃400メタクリレート
Ｅ：トリメチロールプロパンＥＯ変性トリアクリレート
なお、アクリルモノマーＢおよびＣは、下記の化学式（化１）で表される。
Figure 2022044649000002
得られたフィルムの厚さをｄとしたとき、断面方向に対してｄ／２の位置をミクロトームで切断することによって、シリカ微粒子の平均粒径と同じ厚さの試料片を切り出し、ＴＥＭ観察用の試料を得た。ＴＥＭ（株式会社日立ハイテク社製ＨＴ７８２０）を用いて２００個以上の粒子の画像を含む断面ＴＥＭ像から、画像処理ソフトＩｍａｇｅ Ｊを用いて、微粒子を自動識別ドロネー図解析を行うことによって、隣接する微粒子の重心間距離の平均値（Ｌａ）および標準偏差（Ｌｄ）を求めた。また、重心間距離の平均値（「平均重心間距離」ともいう。）と標準偏差から、変動係数（距離のＣＶ値）を求めた。ここでは、重心間距離を求めるにあたって、粒径が１５０ｎｍ以上の粒子のみを対象とし、粒径が１５０ｎｍ未満の粒子は対象としなかった。後述するように、これらの値は、シリカ微粒子がコロイドアモルファス集合体を構成しているか否か、およびコロイドアモルファス集合体におけるシリカ微粒子の分布状態の指標となる。Ｌａの下限値は、１００ｎｍ以上が好ましく、１５０ｎｍ以上がさらに好ましく、１７５ｎｍ以上が一層好ましく、２００ｎｍ以上が特に好ましい。Ｌａの上限値は、６００ｎｍ以下が好ましく、５００ｎｍ以下がさらに好ましい。
本発明の実施形態による光学フィルタが有するコロイドアモルファス集合体は、微粒子１４の平均重心間距離の変動係数で特徴づけることができる。変動係数が小さい場合は、長距離秩序が大きいことを示し、ブラッグ反射に起因した角度依存性のある反射色が発現する。一方で、変動係数が大きい場合は、Ｍｉｅ散乱の影響が大きくなり光散乱の波長依存性が少なくなる傾向にある。したがって、本発明の実施形態による光学フィルタにおいては、微粒子１４の平均重心間距離の変動係数は１０％以上であることが好ましく、４５％以下が好ましく、１５％以上であることがより好ましく、４０％以下であることがより好ましく、２０％以上であることがさらに好ましく、４０％以下であることがさらに好ましく、２５％以上であることがなおいっそう好ましく、３５％以下であることがなおいっそう好ましい。
Figure 2022044649000003
図２に実施例１の光学フィルタ１０Ａの断面ＴＥＭ像を示し、図３に比較例１の光学フィルタ２０Ａの断面ＴＥＭ像を示す。図中のＴＥＭ像における白い円はシリカ微粒子であり、黒い円はシリカ微粒子が抜け落ちた跡である。画像処理においては、黒い円もシリカ微粒子として扱った。
図２に示した光学フィルタ１０Ａの断面においては、シリカ微粒子がほぼ均一に分散しているのに対し、図３に示した光学フィルタ２０Ａの断面においては、シリカ微粒子が一部凝集していることがわかる。これは、比較例１の光学フィルタ２０Ａの作製の際に、アクリルモノマーＡに加え、凝集剤としてポリエチレングリコールをアクリルモノマーＡに対して０．１質量％加えたためである。
次に、図４に、実施例１の光学フィルタ１０Ａの断面ＴＥＭ像から求めた粒子の重心間距離のヒストグラムを示し、図５に、比較例１の光学フィルタ２０Ａの断面ＴＥＭ像から求めた粒子の重心間距離のヒストグラムを示す。これらから求めた平均重心間距離Ｌａ（ｎｍ）、標準偏差Ｌｄ（ｎｍ）および変動係数（距離のＣＶ値）を表１に示す。以下では、距離のＣＶ値を単にＣＶ値ということがある。
実施例１の光学フィルタ１０Ａにおけるシリカ微粒子の分布は、比較例１の光学フィルタ２０Ａにおけるシリカ微粒子の分布に比べて均一性が高いことがわかる。実施例１の光学フィルタ１０ＡのＬｄが８４ｎｍ、ＣＶ値が２７．８％であるのに対し、比較例１の光学フィルタ２０ＡのＬｄは１６８ｎｍ、ＣＶ値は４９．３％と大きな値を示している。
次に、図６～図８を参照して、実施例１の光学フィルタ１０Ａおよび比較例１の光学フィルタ２０Ａを赤外線フィルタとしての性能を比較した結果を説明する。図６は、モーションキャプチャデバイスを用いて取得したカメラ画像の例であり、フィルタを用いることなく取得したカメラ画像である。図７は、実施例１の光学フィルタ１０Ａを介してモーションキャプチャデバイスを用いて取得したカメラ画像の例であり、図８は、比較例１の光学フィルタ２０Ａを介してモーションキャプチャデバイスを用いて取得したカメラ画像の例である。
ここでは、モーションキャプチャデバイスとして、Leap Motion Controller（登録商標）を用い、約２０ｃｍ離れた位置にある手のカメラ画像を取得した。なお、このデバイスは波長が８５０ｎｍの赤外線を用いている。図６、図７および図８を比較すると明らかなように、実施例の光学フィルタ１０Ａを用いた場合（図７）は、フィルタを用いない場合（図６）と同程度に鮮明な画像が得られているのに対し、比較例の光学フィルタ２０Ａを用いた場合（図９）では、鮮明な画像を取得することができず、手を認識することができなかった。
図９に、実施例１の光学フィルタ１０Ａの光学像を示し、図１０に比較例１の光学フィルタ２０Ａの光学像を示す。実施例１の光学フィルタ１０Ａおよび比較例１の光学フィルタ２０Ａは、約５cm×約１０cmのフィルムとして、デバイスの前面を覆うように配置した。図９および図１０からわかるように、いずれのフィルムも白色を呈している。したがって、実施例１の光学フィルタ１０Ａは、赤外線透過フィルタとして好適に用いられるとともに、白色を呈するので、高い意匠性を有している。もちろん、実施例１の光学フィルタ１０Ａの表面に印刷等によって、色や模様を付与することもできる。本発明の実施形態による光学フィルタが有する利点は以下で詳細に説明する。
光学フィルタの光学特性は以下のようにして評価することができる。
図１１に示すように、光学フィルタ１０に入射光Ｉ０が入射すると、入射光Ｉ０の一部は光学フィルタ１０を透過し（透過光Ｉｉ）、一部は界面反射し（界面反射光Ｒｉ）、他の一部は散乱される。散乱光には、光学フィルタ１０の前方に出射される前方散乱光Ｓｆと、後方に出射される後方散乱光Ｓｂとがある。後方散乱光Ｓｂによって、光学フィルタ１０は白色を呈する。入射光Ｉ０の一部は、光学フィルタ１０によって吸収されるが、ここで用いている樹脂およびシリカ微粒子は、４００ｎｍ～２０００ｎｍの光に対する吸収率は小さい。
図１２は、光学フィルタの拡散透過率の測定方法を示す模式図であり、図１３は、光学フィルタの直線透過率の測定方法を示す模式図である。拡散透過率は、図１２に示すように、積分球３２の開口部に試料（光学フィルタ１０）を配置し、透過光Ｉｉおよび前方散乱光Ｓｆの合計の強度の入射光Ｉ０の強度に対する百分率として求めた。また、直線透過率は、試料（光学フィルタ１０）を積分球３２の開口部から２０ｃｍ離した位置に配置して測定した。この時に得られた透過光Ｉｉの強度の入射光Ｉ０の強度に対する百分率として求めた。開口の直径は１．８ｃｍで、立体角で０．０２５ｓｒに相当する。分光器として、紫外可視近赤外分光光度計ＵＨ４１５０（株式会社日立ハイテクサイエンス製）を用いた。表１には７６０ｎｍ、９５０ｎｍおよび１５５０ｎｍの赤外線に対する直線透過率の値を示している。また、各試料の直線透過率スペクトルを図１４などに示す。直線透過率スペクトルにディンプル（局所的な透過率の低下）が存在するか否かで、ブラッグ反射の有無を判定できる。ブラッグ反射の有無も表１に示した。
後方散乱光Ｓｂの白色度は、分光測色計ＣＭ－２６００－Ｄ（コニカミノルタジャパン株式会社製）を用いて測定した。ＳＣＥ（正反射除去）方式のＬ＊の値とともに、ＣＩＥ１９３１色度図上のｘ、ｙ座標の値を求めた。Ｌ＊の値が大きいほど、ｘ、ｙの値は０．３３に近いほど、白色度は高い。これらの値も表１に示した。
図１４に、実施例１の光学フィルタ１０Ａの直線透過率スペクトルを示し、図１５に実施例１の光学フィルタ１０Ａの拡散透過率スペクトルと拡散反射率スペクトルとの差として求められた吸収率スペクトルを示す。図１４からわかるように、実施例１の光学フィルタ１０Ａは高い赤外線透過率を有している。特に、９００ｎｍ以上の波長の赤外線に対する透過率が高い。なお、図１５の吸収率スペクトルにみられる１２００ｎｍ以上の赤外線に対する吸収は、樹脂（有機化合物）の特性吸収によるものであり、わずかである。
図１６に、比較例１の光学フィルタ２０Ａの直線透過率スペクトルを示す。図１６を図１５と比較すると明らかなように、比較例１の光学フィルタ２０Ａの透過率は低い。表１を参照して、実施例１と比較例１とを比較すると、白色度を示すＬ＊、ＣＩＥ色度図上のｘ、ｙ座標の値は、実施例１と比較例１とで大差はないものの、赤外線の直線透過率は大きく異なっている。これは、ＣＶ値が比較例１では４９．３％と実施例１の２７．８％に比べて大きく、シリカ微粒子が凝集していることが影響していると考えられる。すなわち、ＣＶ値は、赤外線の直線透過率を向上させる指標となり得ることがわかる。
次に、図１７～図１９を参照して、実施例２の光学フィルタについて説明する。図１７は、実施例２の光学フィルタ断面ＴＥＭ像を示す図であり、図１８は、実施例２の光学フィルタの断面ＴＥＭ像から求めた粒子の重心間距離のヒストグラムである。図１９は、実施例２の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。実施例１では、平均粒径が２２１ｎｍのシリカ微粒子を用いていたのに対し、実施例２では、平均粒径が２９６ｎｍのシリカ微粒子を用いている。実施例２のＣＶ値は実施例１のＣＶ値とほぼ同じであるが、赤外線直線透過率は実施例２の方が低い。すなわち、シリカ微粒子の平均粒径を制御することによって、赤外線直線透過率を制御できることがわかる。
ここで、比較のために、図３５～図３７を参照して、比較例３の光学フィルタについて説明する。図３５は、比較例３の光学フィルタの断面ＴＥＭ像を示す図であり、図３６は、比較例３の光学フィルタの断面ＴＥＭ像から求めた粒子の重心間距離のヒストグラムである。図３７は、比較例３の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。比較例３では、平均粒径が１１０ｎｍのシリカ微粒子を用いた点で、実施例１および２と異なる。図３７および表１の結果から明らかなように、比較例３のＣＶ値は、実施例１および実施例２のＣＶ値とほぼ同じであるが、比較例３は７６０ｎｍの赤外線直線透過率が８７％と高く、さらに、可視光の直線透過率も高い。また、比較例３の白色度は、実施例１および２に比べると劣る。このことから、シリカ微粒子の平均粒径を制御することによって、赤外線直線透過率および白色度を制御できることがわかる。実施例１と、実施例２および比較例３との比較から、平均粒径が２２１ｎｍ以上のシリカ微粒子を含むことが好ましいと考えられる。
次に、図２０を参照し、実施例３および４の光学フィルタについて説明する。図２０は、実施例３および４の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。実施例３および４の光学フィルタは、シリカ微粒子の体積分率がそれぞれ３４％および３８％であり、実施例１の２９％よりも大きい。実施例１の結果と比較すると、９５０ｎｍおよび１５５０ｎｍにおける赤外線直線透過率およびＣＩＥ色度図上のｘ、ｙ座標に大差はなく、７６０ｎｍにおける赤外線直線透過率およびＬ＊の値が少し向上している。実施例３と実施例４との直線透過率スペクトルを比較すると、シリカ微粒子の体積分率が増大すると、散乱波長が短波長側にシフトし、Ｌ＊の値が少し向上している。
ここで比較のために図２５に示す実施例９の光学フィルタの直線透過率スペクトルを参照する。実施例９の光学フィルタはシリカ微粒子の体積分率が６％と低い。実施例１の結果と比較すると、９５０ｎｍにおける赤外線直線透過率が少し低下し、Ｌ＊の値が大きく低下している。これは、シリカ微粒子の体積分率の減少による散乱光の強度の低下によると考えられる。
このように、シリカ微粒子の体積分率を制御することによって、赤外線直線透過率およびＬ＊の値を制御することができる。
次に、図２１を参照して、実施例５の光学フィルタについて説明する。図２１は、実施例５の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。実施例１の光学フィルタの厚さが１００μｍであるのに対し、実施例５の光学フィルタの厚さは５００μｍである。実施例５を実施例１と比較すると、赤外線直線透過率の透過率は低下するが、白色度は向上している。光学フィルタの厚さを大きくすることによって、可視光の透過率も低下させることができる。
次に、図２２を参照して、実施例６の光学フィルタについて説明する。図２２は、実施例６の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。実施例６は、実施例１～５と異なるモノマーを用いて、屈折率が１．５２のポリマをマトリクスとして有している。実施例１～５のマトリクスの屈折率が１．４９であり、シリカ微粒子の屈折率１．４３との差が、０．０６であったのに対し、実施例６では、屈折率差が０．０９と大きい。実施例１と比較すると、７６０ｎｍ、９５０ｎｍおよび１５５０ｎｍのいずれの赤外線直線透過率およびＬ＊の値も向上している。
次に、図２３を参照して、実施例７の光学フィルタについて説明する。図２３は、実施例７の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。実施例６の光学フィルタがガラス基板上に形成されたのに対し、実施例７の光学フィルタはＰＥＴフィルム上に形成された点で異なる。図２３と図２２との比較および表１の結果を比較すると、基材の影響は少ないと考えられる。
次に、図２４を参照して、実施例８の光学フィルタについて説明する。図２４は、実施例８の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。実施例７の光学フィルタの厚さが１００μｍであるのに対し、実施例８の光学フィルタの厚さは５００μｍである。実施例８を実施例７と比較すると、赤外線直線透過率の透過率は低下するが、Ｌ＊は向上している。光学フィルタの厚さを大きくすることによって、可視光の透過率も低下させることができる。
次に、図２６～２８を参照して、実施例１０の光学フィルタについて説明する。図２６は、実施例１０の光学フィルタの直線透過率スペクトルであり、図２７は、実施例１０の光学フィルタの断面ＴＥＭ像を示す図である。図２８は、実施例１０の光学フィルタの断面ＴＥＭ像から求めた粒子の重心間距離のヒストグラムである。実施例１０は、屈折率が１．５４のポリマをマトリクスとして有しており、シリカ微粒子との屈折率差は０．１１と、実施例６における屈折率差よりもさらに大きい。実施例１、６と比較すると、赤外線直線透過率が低下し、Ｌ＊の値が向上する。
次に、図２９を参照して、実施例１１の光学フィルタについて説明する。図２９は、実施例１１の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。実施例１１は、屈折率が１．４６のポリマをマトリクスとして有している。実施例１１では、屈折率差が０．０３と小さい。実施例１と比較すると、１５５０ｎｍにおける赤外線直線透過率が低下し、可視光領域の透過率が上昇し、白色度が低下していることがわかる。
次に、図３０を参照して、実施例１２の光学フィルタについて説明する。図３０は、実施例１２の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。実施例１２の光学フィルタは、シリカ微粒子として、平均粒径が１１０ｎｍの微粒子と、平均粒径が２２１ｎｍの微粒子とを含む。体積比（１１０ｎｍ：２２１ｎｍ）は、１：１である。実施例１と比較すると、赤外線直線透過率および白色度ともに低下している（表１参照）。これは平均粒径１１０ｎｍのシリカ微粒子を混合した影響と考えられる（比較例３、図３７参照）。
次に、図３１を参照して、実施例１３の光学フィルタについて説明する。図３１は、実施例１３の光学フィルタの直線透過率スペクトルである。実施例１３の光学フィルタは、平均粒径が１８１ｎｍのシリカ微粒子を用いている点で、実施例６の光学フィルタと異なる。図３１を図２２と比較すると、実施例１３の方が、直線透過率が上昇する波長が実施例６よりも短波長側にシフトしている。すなわち、実施例１３の光学フィルタの可視光領域における直線透過率が実施例６よりも少し高く、その結果、Ｌ＊の値および白色度が実施例６よりも少し低いが、赤外線の直線透過率は高い値を有しており、平均粒径が１８１ｎｍのシリカ微粒子が好適に用いられることがわかる。なお、白色度の観点からは、平均粒径が２００ｎｍ以上のシリカ微粒子を含むことが好ましく、２２１ｎｍ以上のシリカ微粒子を含むことがさらに好ましい。
次に、図３２～図３４を参照して、比較例２の光学フィルタについて説明する。図３２は、比較例２の光学フィルタの断面ＴＥＭ像を示す図である。図３３は、比較例２の光学フィルタの断面ＴＥＭ像から求めた粒子の重心間距離のヒストグラムである。図３４は、比較例２の光学フィルタの直線透過率スペクトルであり、入射角が０°と入射角が６０°の結果を示している。入射角０°は光学フィルタの表面の法線方向である。比較例２はアクリルモノマーＥを用いて形成された、屈折率が１．４８のマトリクスを有している。マトリクスの屈折率は実施例１と０．０１しか変わらない。なお、直線透過率の入射角依存性は、紫外可視近赤外線分光光度計ＵＨ４１５０（日立ハイテクサイエンス社製）に付属の自動角度可変システムを用いて、入射光に対する試料の表面の角度（図１１中の光学フィルタ１０の角度）を変化させて測定した。
図３２および図３３からわかるように、比較例２の光学フィルタにおけるシリカ微粒子の集合体は長距離秩序を有している。その結果、表１のＣＶ値は９．４％と小さい値となっている。また、図３４に示した直線透過率スペクトルの可視光領域に急峻なディンプル（局所的な透過率の低下）が見られている。この急峻なディンプルは、ブラッグ反射によるものであり、比較例２の光学フィルタにおけるシリカ微粒子の集合体は、コロイドアモルファス集合体ではなく、長距離秩序を有するコロイド結晶またはコロイド結晶に近い構造を有している。また、可視光領域の急峻なディンプルは、入射角によってシフトしているので、比較例２の光学フィルタは見る角度によって色が変わって見える。したがって、可視光領域におけるブラッグ反射を抑制するためには、ＣＶ値は１０％以上が好ましいと考えられる。また、上述の比較例１の結果から、シリカ微粒子の凝集を抑制するために、ＣＶ値は４９％以下が好ましいと考えられる。
実施例１～１３の光学フィルタは、直線透過率スペクトルにおいて急峻なディンプルが見られず、シリカ微粒子がコロイドアモルファス集合体を構成している。また、７６０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長範囲内の少なくとも一部の波長の光に対する直線透過率が６０％以上を示している。さらに、標準光をＤ６５光源としたときの白色のＣＩＥ１９３１色度図上のｘ、ｙ座標は、０．２５≦ｘ≦０．４０、０．２５≦ｙ≦０．４０の範囲内にある。また、見る角度による色の変化も抑制される。
上述したことから明らかなように、本発明の実施形態による光学フィルタは、微粒子およびマトリクスの屈折率、微粒子の平均粒径、体積分率、分布（非周期性の程度）および厚さを調整することによって、所望の光学特性（例えば、赤外線直線透過率および白色度）を得ることができるとともに、見る角度による色の変化も抑制される。また、異なる光学特性を有する光学フィルタを重ねて用いることもできる。また、用途に応じて、例えば、赤外線を吸収するフィルタと重ねて用いることができる。図９から理解されるように、例えば、黒色やその他色を呈するフィルタと重ねて用いても、本発明の実施形態による光学フィルタは白色を呈するので、意匠性を高めることができる。
本発明の実施形態による光学フィルタは、直線透過率スペクトルの入射角依存性にも特徴を有する。
図３８～図４０を参照して、実施例１の光学フィルタ１０Ａおよび比較例Ａの光学フィルタの直線透過率スペクトルの入射角依存性（入射角０°、１５°、３０°、４５°、６０°）を説明する。比較例Ａの光学フィルタは、赤外線透過フィルタとして市販されている、東海光学株式会社製のホワイトＩＲウインドウ（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｔｏｋａｉｏｐｔｉｃａｌ．ｃｏｍ／ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ１４／）である。比較例Ａの光学フィルタは、特許文献２に記載の光学物品に相当し、誘電体多層膜とＰＥＴフィルムから構成されており、梨地状表面を有する。比較例Ａの光学フィルタは白色を呈し、厚さは１２０μｍであった。
図３８は、実施例１の光学フィルタ１０Ａおよび比較例Ａの光学フィルタの直線透過率スペクトルの入射角依存性を示す図である。図３９および図４０は、それぞれのグラフを最大透過率で規格化したグラフであり、図３９は、実施例１の光学フィルタ１０Ａの直線透過率スペクトルの入射角依存性を示す図であり、図４０は、比較例Ａの光学フィルタの直線透過率スペクトルの入射角依存性を示す図である。
図３８からわかるように、実施例１の光学フィルタ１０Ａの直線透過率は、比較例Ａの光学フィルタに比べて大きい。また、入射角の増大による赤外線直線透過率の低下は、実施例１の光学フィルタ１０Ａの方が比較例Ａの光学フィルタよりも小さい。例えば、９５０ｎｍの赤外線直線透過率は、入射角が０°のとき８８％であるのに対し、入射角が６０°のとき８０％であり、入射角が０°のときの透過率の９０％以上である。これに対し、比較例Ａでは、９５０ｎｍの赤外線に対する直線透過率は、入射角が０°のとき３０％であるのに対し、入射角が６０°のとき９％であり、入射角が０°のときの直線透過率の３０％まで低下している。このように、本発明の実施形態による光学フィルタの赤外線直線透過率は入射角依存性が小さく、例えば９５０ｎｍの赤外線に対して、入射角が６０°のときの直線透過率は入射角が０°のときの直線透過率の８０％以上、さらには８５％以上、さらには９０％以上を得ることができる。
図３９に示した、実施例１の光学フィルタ１０Ａの透過率曲線を見ると、可視光から赤外線にかけて直線透過率が単調に上昇する曲線部分が、入射角の増大につれて長波長側にシフト（約５０ｎｍ）している。この特徴的な入射角依存性は、図４１、図４２および図４３に示した実施例２、実施例６および比較例３の光学フィルタの直線透過率スペクトルの入射角依存性にも見られる。すなわち、可視光から赤外線にかけて直線透過率が単調に上昇する曲線部分が、入射角の増大につれて長波長側にシフトするという特徴的な入射角依存性は、光学フィルムに含まれるシリカ微粒子がコロイドアモルファス集合体を構成していることに起因すると考えられる。これに対し、図４０に示した比較例Ａの光学フィルタの透過率曲線では、可視光から赤外線にかけて直線透過率が単調に上昇する曲線部分が、入射角の増大につれて短波長側にシフト（約１００ｎｍ）している。すなわち、まったく逆の傾向になっている。
比較例Ａの光学フィルタでは、可視光から赤外線にかけて直線透過率が単調に上昇する曲線部分が、入射角の増大につれて短波長側にシフトするので、斜め入射光に対して、本来遮断したい短波長側の光を透過してしまう（光漏れ）おそれが生じる。これに対し、シリカ微粒子がコロイドアモルファス集合体を構成している光学フィルタでは、入射角の増大に伴って、より短波長側の光に対する透過率が低下するので、比較例Ａの光学フィルタのように光漏れが生じるおそれがない。
また、コロイドアモルファスシリカ微粒子がコロイドアモルファス集合体を構成している光学フィルタにおいて、入射角の増大に伴って、より短波長側の光に対する透過率が低下するのは、可視光（特に長波長側）の散乱光の強度が増大することによる。したがって、本発明による実施形態の光学フィルタを斜めから見ると、拡散反射光（後方散乱光）の強度が増大するので、白輝度が上昇し得る。
本発明の実施形態による光学フィルタは、上述したように白色を呈し得るので、赤外線透過インクを用いて、例えば、文字、絵、写真を光学フィルタの表面に印刷することによって、豊かな色彩を有する意匠性に富んだ光学フィルタを得ることができる。すなわち、本発明の実施形態による光学フィルタは、マトリクスと微粒子とを含む光学フィルタ層と、光学フィルタ層上に配置された、赤外線透過インクで形成されたプリント層とを有してもよい。プリント層は、光学フィルタ層の表面に直接形成されてもよいし、透明なフィルムの表面にプリント層を形成したものを、光学フィルタ層上に配置してもよい。赤外線透過インクとしては、用途または透過すべき赤外線の波長に応じて、公知の赤外線透過インクを選択すればよい。
また、本発明の実施形態による光学フィルタは、斜めから見たときに拡散反射光の強度が増大するので、白輝度が上昇し、意匠の見映え（意匠の視認性）が向上する。
実施形態による光学フィルタは例示したような平面状のフィルムであり得るが、これに限られず様々な形態をとり得る。実施形態による光学フィルタは、三次元形状を有し得る。例えば、三次元形状を有するフィルム状であり得る。具体的には、例えば、三次元形状を有する物体の表面に、塗布法を用いて、光学フィルタを形成してもよい。物体の表面は、球面の一部または全部、任意形状の曲面、多面体の表面の一部または全部など、任意の形状を有してよい。ただし、物体の表面は、光散乱を起こさないことが好ましい。
例えば、図４４Ａおよび図４４Ｂに示すように、半球面状に形成された光学フィルタを得ることができる。図４４Ａは、半球面状に形成された実施例の光学フィルタを示す光学画像（可視光）を示す図であり、図４４Ｂは、図４４Ａに示した半球面状の実施例の光学フィルタの赤外線画像を示す図である。図４４Ａおよび図４４Ｂに示した画像は、株式会社ケンコー・トキナー社製のフルハイビジョンデジタルムービーカメラＤＶＳＡ１０ＦＨＤＩＲを用いて撮影した。図４４Ａは、白色ＬＥＤ照明下で、可視光モードで撮影した画像であり、図４４Ｂは、暗室内で、上記カメラの赤外線ＬＥＤの光のみで撮像した画像である。
図４４Ａおよび図４４Ｂに示した光学フィルタは、半径が２cm、厚さが１mmのアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）製の半球の表面に、ディップコーティングにより実施例６と同じ材料を付与することによって形成された、厚さが３００μｍの光学フィルタである。図４４Ａに示すように、半球面状の白色のフィルタが得られた。また、図４４Ｂに示すように、このフィルタは赤外線を透過している。
本発明の実施形態による光学フィルタは、例示したセンシングデバイス（例えば赤外線カメラ）や通信デバイスに限られず、種々の用途に用いられる。例えば、太陽電池、赤外線を用いたヒーター、赤外線を用いた光給電デバイスに好適に用いられる。
本発明の実施形態による光学フィルタは、例えば、センサ技術または通信技術などに用いられる赤外線透過フィルタとして用いることができる。
１０、１０Ａ、２０Ａ ：光学フィルタ
１２ ：マトリクス
１４ ：微粒子

Claims (21)

  1. マトリクスと、前記マトリクス中に分散された微粒子とを含む光学フィルタであって、
    前記微粒子は、少なくともコロイドアモルファス集合体を構成しており、
    ７６０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長範囲内の少なくとも一部の波長の光に対する直線透過率が６０％以上である、光学フィルタ。
  2. 白色を呈する、請求項１に記載の光学フィルタ。
  3. 波長が９５０ｎｍの光に対する直線透過率が６０％以上である、請求項１または２に記載の光学フィルタ。
  4. 波長が１５５０ｎｍの光に対する直線透過率が６０％以上である、請求項１から３のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  5. 標準光をＤ６５光源としたときに呈する色のＣＩＥ１９３１色度図上のｘ，ｙ座標は、０．２５≦ｘ≦０．４０、０．２５≦ｙ≦０．４０である、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  6. 前記微粒子は、平均粒径が８０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内にある、単分散の第１微粒子を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  7. 前記第１微粒子の平均粒径は１５０ｎｍ以上である、請求項６に記載の光学フィルタ。
  8. 前記フィルタの面方向に対して垂直な断面における前記微粒子の重心間距離の平均値が２００ｎｍ以上である、請求項１から７のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  9. 前記フィルタの面方向に対して垂直な断面における前記微粒子の重心間距離の平均値の変動係数が１０％以上である、請求項１から８のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  10. 前記フィルタの面方向に対して垂直な断面における前記微粒子の重心間距離の平均値の変動係数が４５％以下である、請求項１から９のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  11. 波長が９５０ｎｍの光に対する入射角が６０°のときの直線透過率は、入射角が０°のときの直線透過率の８０％以上である、請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  12. 分光測色計を用いてＳＣＥ方式で測定したＬ＊の値が２０以上である、請求項１から１１のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  13. 前記微粒子の体積分率は６％以上６０％以下である、請求項１から１２のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  14. 波長が５４６ｎｍの光に対する前記マトリクスの屈折率をｎＭ、前記微粒子の屈折率をｎＰとするとき、｜ｎＭ－ｎＰ｜が０．０３以上０．６以下である、請求項１から１３のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  15. ３次元形状を有する、請求項１から１４のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  16. 前記マトリクスは樹脂で形成されており、前記微粒子は無機材料で形成されている、請求項１から１５のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  17. 請求項１６に記載の光学フィルタを製造する方法であって、
    硬化性樹脂に前記微粒子を分散・混合させた硬化性樹脂組成物を用意する工程と、
    前記硬化性樹脂組成物を基材の表面に付与する工程と、
    前記表面に付与された前記硬化性樹脂組成物に含まれる前記硬化性樹脂を硬化させる工程と
    を包含する、製造方法。
  18. 前記付与工程は、塗布法で行われる、請求項１７に記載の製造方法。
  19. 前記付与工程は、ディップコーティング法で行われる、請求項１７に記載の製造方法。
  20. 赤外線受光部を備えたデバイスと、
    前記デバイスの前記赤外線受光部の前面に配置された、請求項１から１６のいずれか１項に記載の光学フィルタと
    を有する、光学モジュール。
  21. 前記デバイスは、センシングデバイス、通信デバイス、太陽電池、ヒーター、または給電デバイスである、請求項２０に記載の光学モジュール。
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