JP2023150516A

JP2023150516A - 赤外域用多層膜光学素子

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Publication number: JP2023150516A
Application number: JP2022059663A
Authority: JP
Inventors: 誠瀬田; Makoto Seta; 正博秋葉; Masahiro Akiba; 旭伊藤; Akira Ito
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2023-10-16

Abstract

【課題】保護膜効果だけでなく、要求される光学特性を確保し、また、分解して有害な物質を発生せず、硬さや材質の安定性といった耐久性とを両立させた赤外域多層膜を提供する。【解決手段】Ｓｉ、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅまたはカルコゲナイドガラスのいずれかで構成された基板と、Ｙ２Ｏ３で構成された厚さ８０～８０００ｎｍの低屈折率層と、ＳｉまたはＧｅのいずれか一方で構成された厚さ３０～３５００ｎｍの高屈折率層とを有する赤外域用多層膜光学素子であって、前記各層は、基板＋低屈折率層＋（高屈折率層＋低屈折率層）×ｍ回積層の層構成（ｍは１以上の自然数）、または、基板＋（高屈折率層＋低屈折率層）×ｎ回積層の層構成（ｎは２以上の自然数）であり、最表層の前記低屈折率層は、厚さ５００～２０００ｎｍであることを特徴とする赤外域用多層膜光学素子。【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線領域の光学部材として用いられる赤外域用多層膜に関し、特に、要求される光学特性と耐久性とを両立させた赤外域多層膜に関する。

従来、赤外線領域を対象とする数多くの光学素子が開発されており、これに伴い、赤外線を対象とする赤外反射防止膜や、赤外線の特定波長のみを透過させそれ以外の波長をカットする赤外バンドパスフィルタ等が開発されている。

一般に、赤外域用多層膜光学素子は、赤外吸収や屈折率等の光学特性の観点から、例えばＧｅやＳｉ等の単体、ＣａＦ_２、ＭｇＦ_２、ＹＦ_３等のフッ化物、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２等の酸化物、ＺｎＳ等の硫化物等、使用できる基板材料や膜材料が限られている。

また、赤外域用多層膜光学素子の中には、例えば航空機の熱源探知等の用途に使用され、大気中の水滴が高速で衝突するなど過酷な環境で使用されるものもある。このような場合、赤外域用多層膜光学素子の最表層の耐久性が特に重要となる。

このような場合、ＹＦ_３やＺｎＳ等の柔軟な物質を最表層に使用すると、傷が入りやすいという問題があった。また、ＭｇＦ_２を使用すると、主に３～５μｍで使用可能ではあるものの、高温蒸着が必要であり、クラックが発生しやすく、拭くと白く濁るという問題があった。他には、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣと略称する）は反射防止として最表層に用いられることがあるが、吸収が大きいため、単層では影響が小さいものの、ＤＬＣ層を用いて多層化させることは困難であるという問題があった。

このような問題に対して、耐摩耗性および耐擦傷性に優れたＹ_２Ｏ_３層を耐摩耗性強化層として最表層に設ける技術（例えば、特許文献１参照）や、化合物系の基板上に被覆層を設け、その上に耐火性酸化物層としてＹ_２Ｏ_３層を設ける技術（例えば、特許文献２参照）が知られている。

特開平６－３１３８０２号公報特許第３１９７２７２号公報

しかしながら、特許文献１では、Ｙ_２Ｏ_３層は厚さ３００ｎｍ以下であり、耐久性は不十分であり、また、この厚さでは干渉膜としての効果が弱く、最表層は、単に耐摩耗性強化層としての機能のみを有しているに過ぎなかった。

また、特許文献２では、基板は、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、ガリウムヒ素等の化合物系のみを使用するものであった。しかしながら、化合物系基板においては、材料が入手しづらく、分解して有害な物質を発生し、硬さや材質の安定性も不十分であった。

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、最表層にＹ_２Ｏ_３層を使用し、保護膜効果だけでなく、λ／４等干渉効果を十分持つ厚さとすることで要求される光学特性を確保し、また、分解して有害な物質を発生せず、硬さや材質の安定性といった耐久性とを両立させた赤外域多層膜を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するものであり、請求項１に記載の発明は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅまたはカルコゲナイドガラスのいずれかで構成された基板と、Ｙ_２Ｏ_３で構成された厚さ８０～８０００ｎｍの低屈折率層と、ＳｉまたはＧｅのいずれか一方で構成された厚さ３０～３５００ｎｍの高屈折率層とを有する赤外域用多層膜光学素子であって、前記各層は、基板＋（高屈折率層＋低屈折率層）×ｎ回積層の層構成（ｎは２以上の自然数）、または、基板＋低屈折率層＋（高屈折率層＋低屈折率層）×ｍ回積層の層構成（ｍは１以上の自然数）であり、最表層の前記低屈折率層は、厚さ５００～２０００ｎｍであることを特徴とする赤外域用多層膜光学素子である。

本発明の上記赤外域用多層膜光学素子では、Ｓｉ（屈折率３．８）またはＧｅ（屈折率４．０）に対して、Ｙ_２Ｏ_３（屈折率１．８）を組み合わせているので、例えばＺｎＳ（屈折率２．２）等との組み合わせよりも屈折率差が大きく、低屈折率層及び高屈折率層との組み合わせとすることができる。また、最表層に同じくＹ_２Ｏ_３層を用いているので、これを低屈折率層として機能させ、かつ、耐摩耗性強化層としても機能させることができる。また、使用する材料は、分解して有害な物質を発生せず、硬さや材質の安定性といった耐久性とを両立させている。

本発明の実施例１～６（３層の反射防止膜）を示す模式断面図である。本発明の実施例７、８（５層の反射防止膜）を示す模式断面図である。本発明の実施例９、１０（バンドパスフィルタ）を示す模式断面図である。実施例１における反射率と波長の関係を示すグラフである。実施例２における反射率と波長の関係を示すグラフである。実施例３における反射率と波長の関係を示すグラフである。実施例４における反射率と波長の関係を示すグラフである。実施例５における反射率と波長の関係を示すグラフである。実施例６における反射率と波長の関係を示すグラフである。実施例７における反射率と波長の関係を示すグラフである。実施例８における反射率と波長の関係を示すグラフである。実施例９における透過率と波長の関係を示すグラフである。実施例１０における透過率と波長の関係を示すグラフである。

以下、本発明の構成について詳細に説明する。
本発明における基板は、単体のＳｉ、Ｇｅや、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、またはカルコゲナイドガラスのいずれかで構成される。カルコゲナイドガラスとは、周期表のヒ素、硫黄、セレン、テルル、アンチモン等とＧｅ、Ｓｉの化合物から成る非晶質体のことをいう。Ａｓ_２Ｓｅ_３，Ａｓ_２Ｔｅ_３，Ｔｅ_２ＡｓＳｉ、Ｇｅ_３２Ａｓ_１２Ｓｅ_５５、Ｇｅ_２８Ｓｂ_１２Ｓｅ_６０、など、その組合せと成分比により非常に多くの種類が公知である。この中でも、特に、ＳｉやＧｅが好ましい。

基板としては、平面状、レンズ等の球面状の他、任意の形状の自由曲面のものを採用することができる。その厚さは特に限定されないが、例えば平面状の場合、最低限の強度を確保するため、通常、１．０～１００ｍｍ程度のものが使用される。

本発明で低屈折率層としては、Ｙ_２Ｏ_３を採用している。各低屈折率層かつ最表層としても用いられるＹ_２Ｏ_３は、紫外～約１２μｍ（赤外）までの透過率が高く、３～５μｍおよび８～１０μｍの光学フィルタの膜材料として使用可能であり、ＤＬＣよりも吸収が少ないという特徴を有する。

また、Ｙ_２Ｏ_３は、屈折率が約１．８で、従来多用されてきた低屈折率層のＺｎＳの屈折率２．２より低く、低屈折率層として好適にＳｉ（屈折率３．８）やＧｅ（屈折率４．０）の高屈折率層と組み合わせて用いられるだけでなく、ＺｎＳ等と比較して非常に硬いため、最表層の保護層かつ低屈折率層としての機能を併せ持つ層として使用可能である。従来赤外域用多層膜光学素子は傷つきやすく取り扱いに注意が必要であるが、Ｙ_２Ｏ_３は非常に硬いため、本発明の赤外域用多層膜光学素子は、拭き作業にも耐え、航空機の熱源探知など過酷な環境での測定にも耐える。

後述する第１実施形態の反射防止膜としては、低屈折率層と高屈折率層の積層を単層や複数層のいずれにも設計することができ、また、厚さにより対象波長を３～５μｍや８～１２μｍとしたり、あるいはその両方を対象とした２波長帯域反射防止膜とすることができる。

各低屈折率層および各高屈折率層の膜厚は基本的には任意であるが、最表層の低屈折率層は、使用波長において光の干渉効果を引き起こすのに十分な光学厚さであり、例えばλ／４程度の光学膜厚が必要である。

本発明において、基板上に積層する各低屈折率層、高屈折率層、低屈折率層（最表層）の形成は、公知の真空蒸着法、イオンプレーティング法、真空薄膜堆積技術が用いられる。

＜第１実施形態：反射防止膜＞
本発明の赤外域用多層膜光学素子は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅまたはカルコゲナイドガラスのいずれかで構成された基板と、Ｙ_２Ｏ_３で構成された厚さ８０～８０００ｎｍの低屈折率層と、ＳｉまたはＧｅのいずれか一方で構成された厚さ３０～３５００ｎｍの高屈折率層とを有する赤外域用多層膜光学素子であって、前記各層は、基板＋低屈折率層＋（高屈折率層＋低屈折率層）×ｍ回積層の層構成（ｍは１以上の自然数）、または、基板＋（高屈折率層＋低屈折率層）×ｎ回積層の層構成（ｎは２以上の自然数）であり、最表層の前記低屈折率層は、厚さ５００～２０００ｎｍである。この赤外域用多層膜光学素子は、膜の積層順や各層の厚さや材料等の設計により、様々な性能を有する素子とすることができ、その第１の実施形態は、例えば、赤外域用の反射防止膜であり、その層構成は、「基板＋低屈折率層＋（高屈折率層＋低屈折率層）×ｍ回積層の層構成（ｍは１以上の自然数）」を取る。

具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅまたはカルコゲナイドガラスのいずれかで構成された基板上に、Ｙ_２Ｏ_３で構成された厚さ８０～８０００ｎｍの低屈折率層と、ＳｉまたはＧｅのいずれか一方で構成された厚さ３０～３５００ｎｍの高屈折率層とが交互に積層される。そして、最後に、Ｙ_２Ｏ_３で構成された厚さ５００～２０００ｎｍの低屈折率層が最表層として積層される。

第１実施形態の多層膜光学素子１の層構成の一例を、図１に示す。後述の実施例１～６の３～５μｍ反射防止膜および８～１０μｍ反射防止膜に対応する。使用する基準波長をλ_０とすると、最表層１１ｂはＹ_２Ｏ_３層を０．９２λ_０～１．０８λ_０の範囲とし、高屈折率層１２（ＳｉもしくはＧｅ層）を０．１８λ_０～２．６６λ_０の範囲で１層以上含むと好ましい。このように最低層数で２層でも可能であるが、実施例１のように平坦な特性が求められる場合は第１層に０．０８λ_０～λ_０のＹ_２Ｏ_３層を挿入した３層構造の方が望ましい。

第１実施形態の多層膜光学素子２の層構成の一例を、図２に示す。後述の実施例７、８の３～５μｍ、８～１０μｍ反射防止膜に対応する。基準波長λ_０＝９０００ｎｍとした場合、最表層２１ｃはＹ_２Ｏ_３層を０．４８λ_０～０．６３λ_０の範囲とする、高屈折率層２２ａおよび２２ｂ（ＳｉもしくはＧｅ層）を０．１８λ_０～２．６６λ_０の範囲で１層以上含む。実施例においては、第１層（Ｙ_２Ｏ_３）０．０５λ_０～０．１０λ_０、第２層（Ｓｉ）０．２λ_０～０．２９λ_０、第３層（Ｙ_２Ｏ_３）０．２０λ_０～０．３１λ_０、第４層（Ｓｉ）０．１３λ_０～０．１６λ_０、最表層はＹ_２Ｏ_３層を０．４８λ_０～０．６３λ_０の範囲とした。

＜第２実施形態：バンドパスフィルタ＞
第２の実施形態は、例えば、赤外域用のバンドパスフィルタであり、その層構成は「基板＋（高屈折率層＋低屈折率層）×ｎ回積層の層構成（ｎは２以上の自然数）」を取る。

具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅまたはカルコゲナイドガラスのいずれかで構成された基板上に、ＳｉまたはＧｅのいずれか一方で構成された厚さ３０～３５００ｎｍの高屈折率層と、Ｙ_２Ｏ_３で構成された厚さ８０～８０００ｎｍの低屈折率層とが交互に積層される。最後のＹ_２Ｏ_３で構成された低屈折率層は、最表層として厚さ５００～２０００ｎｍの厚さである。

第２実施形態の多層膜光学素子３の層構成の一例を、図３に示す。後述の実施例９、１０のバンドパスフィルタに対応する。基準波長λ_０として、０．２５λ_０を1単位としてＹ_２Ｏ_３低屈折率層の光学膜厚をＬ、高屈折率層（ＳｉまたはＧｅ）の光学膜厚をＨとした場合、ＨＬもしくはＬＨを繰り返し単位として、中央に光学膜厚０．５λ_０となる層を含み、それを挟んで対象となるようＨＬＨＬ…ＨＬＨＬ＋２×Ｈ＋ＬＨＬＨ…ＬＨＬＨ、またはＬＨＬＨ…ＬＨＬＨ＋２×Ｌ＋ＨＬＨＬ…ＨＬＨＬ、の積層構造を持ち、最終層としてＹ_２Ｏ_３層を０．５λ_０～１．３５λ_０成膜する。繰り返し回数は０．５λ_０層を挟んで対称であれば任意の繰り返し回数で良い。透過率向上のために最終層２層の膜厚を調整することで空気界面に対する反射防止設計を付与することも可能である。

以下、本発明の赤外域用多層膜光学素子を具体的な実施形態により説明するが、積層数や膜厚等の具体的数値は本発明の例示であり、本発明は、下記実施例のみに限定されない。

（実施例１：３～５μｍ反射防止膜）
図１に実施例１の３～５μｍ反射防止膜の模式断面図を、表１に各層の膜厚を、図４にその光学特性を示す。図１に示すように、基板１０上に、低屈折率層１１ａ、高屈折率層１２、低屈折率層（最表層）１１ｂを順に形成した。図４に示すように、３～５μｍの波長において、良好な反射率を示した。

（実施例２：３～５μｍ反射防止膜）
図１に実施例２の３～５μｍ反射防止膜の模式断面図を、表２に各層の膜厚を、図５にその光学特性を示す。図５に示すように、３～５μｍの波長において、良好な反射率を示した。

（実施例３：３～５μｍ反射防止膜）
図１に実施例３の３～５μｍ反射防止膜の模式断面図を、表３に各層の膜厚を、図６にその光学特性を示す。図６に示すように、３～５μｍの波長において、良好な反射率を示した。

（実施例４：３～５μｍ反射防止膜）
図１に実施例３の３～５μｍ反射防止膜の模式断面図を、表４に各層の膜厚を、図７にその光学特性を示す。図７に示すように、３～５μｍの波長において、良好な反射率を示した。

（実施例５：８～１０μｍ反射防止膜）
表５に実施例５の８～１０μｍ反射防止膜の各層の膜厚を、図８にその光学特性を示す。模式断面図は図１と共通であり、基板１０上に、低屈折率層１１ａ、高屈折率層１２、低屈折率層（最表層）１１ｂを順に形成した。図８に示すように８～１０μｍの波長において、良好な反射率を示した。

（実施例６：８～１０μｍ反射防止膜）
図１に実施例６の８～１０μｍ反射防止膜の模式断面図を、表６に各層の膜厚を、図９にその光学特性を示す。図９に示すように、３～５μｍの波長において、良好な反射率を示した。

（実施例７：３～５μｍ、８～１０μｍ反射防止膜）
図２に実施例７の３～５μｍ、８～１０μｍ反射防止膜の模式断面図を、表７に各層の膜厚を、図１０にその光学特性を示す。図２に示すように、基板２０上に、第１の低屈折率層２１ａ、第１の高屈折率層２２ａ、第２の低屈折率層２１ｂ、第２の高屈折率層２２ｂ、第３の低屈折率層（最表層）２１ｃを順に形成した。図１０に示すように３～５μｍおよび８～１０μｍの波長において、良好な反射率を示した。

（実施例８：３～５μｍ、８～１０μｍ反射防止膜）
図２に実施例８の３～５μｍ、８～１０μｍ反射防止膜の模式断面図を、表８に各層の膜厚を、図１１にその光学特性を示す。図１１に示すように、３～５μｍおよび８～１０μｍの波長において、良好な反射率を示した。

（実施例９：９μｍバンドパスフィルタ）
図３に実施例９の９μｍバンドパスフィルタの模式断面図を、表９に各層の膜厚を、図１２にその光学特性を示す。図３に示すように、基板３０上に、第１の高屈折率層３２ａ、第１の低屈折率層３１ａ、第２の高屈折率層３２ｂ、第２の低屈折率層３１ｂ、第３の高屈折率層３２ｃ、第３の低屈折率層３１ｃ、第４の高屈折率層３２ｄ、第４の低屈折率層３１ｄ、第５の高屈折率層３２ｅ、第５の低屈折率層３１ｅ、第６の高屈折率層３２ｆ、第６の低屈折率層３１ｆ、第７の高屈折率層３２ｇ、第７の低屈折率層（最表層）３１ｇを順に形成した。図１２に示すように選択的に９μｍ付近の波長において、良好な透過率を示した。

（実施例１０：９μｍバンドパスフィルタ）
表１０に実施例１０の９μｍバンドパスフィルタの各層の膜厚を、図１３にその光学特性を示す。模式断面図は図３と共通であり、基板３０上に、第１の高屈折率層３２ａ、第１の低屈折率層３１ａ、第２の高屈折率層３２ｂ、第２の低屈折率層３１ｂ、第３の高屈折率層３２ｃ、第３の低屈折率層３１ｃ、第４の高屈折率層３２ｄ、第４の低屈折率層３１ｄ、第５の高屈折率層３２ｅ、第５の低屈折率層３１ｅ、第６の高屈折率層３２ｆ、第６の低屈折率層３１ｆ、第７の高屈折率層３２ｇ、第７の低屈折率層（最表層）３１ｇを順に形成した。図１３に示すように選択的に９μｍ付近の波長において、良好な透過率を示した。

１／２／３：多層膜光学素子、
１０／２０／３０：基板、
１１ａ／ｂ：低屈折率層、
１２：高屈折率層、
２１ａ／ｂ／ｃ：低屈折率層、
２２ａ／ｂ：高屈折率層、
３１ａ／ｂ／ｃ／ｄ／ｅ／ｆ／ｇ：低屈折率層、
３２ａ／ｂ／ｃ／ｄ／ｅ／ｆ／ｇ：高屈折率層。

Claims

Ｓｉ、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅまたはカルコゲナイドガラスのいずれかで構成された基板と、Ｙ_２Ｏ_３で構成された厚さ８０～８０００ｎｍの低屈折率層と、ＳｉまたはＧｅのいずれか一方で構成された厚さ３０～３５００ｎｍの高屈折率層とを有する赤外域用多層膜光学素子であって、
前記各層は、基板＋低屈折率層＋（高屈折率層＋低屈折率層）×ｍ回積層の層構成（ｍは１以上の自然数）、または、基板＋（高屈折率層＋低屈折率層）×ｎ回積層の層構成（ｎは２以上の自然数）であり、
最表層の前記低屈折率層は、厚さ５００～２０００ｎｍであることを特徴とする赤外域用多層膜光学素子。