JP2542108B2 - 光学干渉被膜およびそれを用いたランプ - Google Patents

光学干渉被膜およびそれを用いたランプ

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JP2542108B2
JP2542108B2 JP2187337A JP18733790A JP2542108B2 JP 2542108 B2 JP2542108 B2 JP 2542108B2 JP 2187337 A JP2187337 A JP 2187337A JP 18733790 A JP18733790 A JP 18733790A JP 2542108 B2 JP2542108 B2 JP 2542108B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 〔発明の分野〕 本発明は、赤外線を反射しかつ可視光線を透過させる
ために役立つ薄膜状の光学干渉被膜およびそれを用いた
ランプに関するものである。更に詳しく言えば本発明
は、交互に配置された高屈折率層および低屈折率層から
構成されることによって赤外線を反射しかつ可視光線を
透過させるために約立つ光学干渉被膜であって、該被膜
がスペクトル中において互いに隣接した３つの多周期積
層物から成り、第１の積層物が少なくとも２つの周期を
有する公知の短波長通過積層物であり、しかも第２およ
び第３の積層物がそれぞれに少なくとも２の周期を有し
かつスペクトル中において第１の積層物よりも順次に長
い波長の位置に存在しているような光学干渉被膜、並び
にかかる被膜を用いたランプに関する。
〔先行技術の説明〕
相異なる屈折率を有する２種以上の材料の層を交互に
配置して成りかつ干渉フィルタとして知られる薄膜状の
光学干渉被膜は、当業者にとって公知のものである。か
かる被膜は、電磁被スペクトル中の様々な部分（たとえ
ば、紫外線、可視光線および赤外線部分）を選択的に反
射もしくは透過させるために役立つ。このような被膜
は、反射体やランプ管球を被覆するためランプ業界にお
いて使用されている。かかる薄膜状の光学干渉被膜が有
用であることが判明している用途の１つは、フィラメン
トまたはアークから放射される電磁波スペクトル中の可
視光線部分を透過させながら赤外線部分を反射してフィ
ラメントまたはアークに戻すことによって白熱ランプお
よびアーク放電ランプの効率を向上させることである。
このようにすれば、動作温度を維持するためフィラメン
トまたはアークに供給する必要のある電気エネルギーの
量を低減させることができる。また、赤外線を透過させ
ることが所望されるようなランプ用途においては、かか
る被膜を使用することにより、フィラメントまたはアー
クから放射されるスペクトル中の短波長部分（たとえ
ば、紫外線および可視光線部分）を反射しかつ主として
赤外線部分を透過させることもできる。このようにすれ
ば、可視光線をほとんどもしくは全く伴うことなしに熱
線を供給することができるのである。このような用途の
実例としては、ヒータから放射される可視光線が不要と
されるような通常の住宅用または工業用輻射ヒータが挙
げられる。
約500℃を越える高温への暴露を伴う用途のために使
用される光学干渉被膜（または干渉フィルタ）は、タン
タラ（五酸化タンタルTa2O5）、チタニア（二酸化チタ
ンTiO2）、ニオビア（五酸化ニオブNb2O5）およびシリ
カ（SiO2）のごとき耐火性金属酸化物の層を交互に配置
したものから成る。この場合、シリカが低屈折率材料を
成すのに対し、タンタラ、チタニアまたはニオビアが高
屈折率層を成す。このような被膜およびそれを用いたラ
ンプは、たとえば、米国特許第4588923、4663557、4689
519および4734614号明細書中に開示されている。かかる
ランプ用途においては、上記のごとき被膜は内部にフィ
ラメントまたはアークを収容しかつしばしば900℃もの
動作温度に達することのあるガラス質ランプ管球の外面
上に設置される。かかる被膜の作製に際しては、真空蒸
着法、スパッタリング法、化学蒸着法（CVD法）および
低圧化学蒸着法（LPCVD法）のごとき方法が使用されて
いる。また、かかる被膜を作製するためには、米国特許
第4701663号明細書中に開示されたような溶液塗布法も
使用されてきた。とは言え、溶液塗布法によれば比較的
厚い層が形成されるのであって、かかる層は亀裂を生じ
易いばかりでなく、被膜の構成に顕著な制限をもたら
す。なお、反射体やランプ管球のごとき平坦でない物体
上に被膜を設置するためには、CVD法および（とりわ
け）LPCVD法が好適である。
発明の要約 本発明は赤外線を反射しかつ可視光線を透過させるた
めの光学干渉被膜に関するものである。かかる被膜は交
互に配置された複数の高屈折率層および低屈折率層から
成っていて、約400〜770nmの広いスペクトル範囲にわた
って少なくとも約90％の高い平均透過率を有し、かつ約
800〜1900nmの広いスペクトル範囲にわたって少なくと
も約70％の高い平均反射率を有することを特徴とする。
好適な実施の態様に従えば、本発明の被膜はスペクトル
中において互いに隣接した３つの多周期積層物から成っ
ていて、該積層物の各々は少なくとも２つの周期を有
し、該積層物の１者を成す第１の積層物は公知の短波長
通過積層物であり、しかも第２および第３の積層物はス
ペクトル中において該短波長通過積層物の波長よりも長
くかつ互いに異なる波長の位置に存在している。
本発明の一層好適な実施の態様に従えば、スペクトル
中において互いに隣接した３つの多周期積層物から成っ
ていて、該積層物の１者を成す第１の積層物が少なくと
も２つの周期を有する公知の短波長通過積層物であり、
第２および第３の積層物が少なくとも２つの周期を有す
ると共に、スペクトル中において第１の積層物の波長よ
りも長くかつ互いに異なる波長の位置に存在しており、
しかも第２および第３の積層物の各周期が式 （ただし、２≦ａ≦４ ５≦ｂ≦15 ５≦ｃ≦15 １≦ｄ≦2.5 であり、ＬおよびＨは低屈折率材料および高屈折率材料
をそれぞれ表わし、かつＬおよびＨの各々は該積層物の
波長の1/4に等しい光学的厚さを有するものとして定義
される）によって表わされるごとく交互に配置された７
つの高屈折率層および低屈折率層から成るような光学干
渉被膜が使用され、かつそれが計算機最適化によって微
調整される。上記の定義に基づけば、記号L/aは積層物
の波長の1/4に等しい低屈折率材料の光学的厚さを分子
とした分数を表わすのであって、たとえばａ＝２の場合
には４分の１波長の1/2（すなわち、1/8波長）に等しく
なる。非常に薄い層H/bおよびL/cは積層物の波長の1/20
以下に等しい光学的厚さを有していて、それらは可視ス
ペクトル領域中における光の透過を妨害する積層物の高
次反射帯を解消するために役立つ。これらの周期中に存
在するその他の層の光学的厚さは、同じ波長を有する公
知の短波長通過積層物中に見出される層の光学的厚さに
ほぼ等しくかつそれよりも小さい値を有している。
上記のごとくに本発明の被膜は、可視スペクトル領域
においては約400〜770nmの広いスペクトル範囲にわたっ
て少なくとも約90％の高い平均透過率を有し、また近赤
外スペクトル領域においては約800〜1900nmの広いスペ
クトル範囲にわたって少なくとも約70％の高い平均反射
率を有している。かかる被膜は、可視光線を透過させな
がら赤外線を反射してフィラメントまたはアークに戻す
ことによってランプの効率を向上させるため、ガラス質
のランプ管球上において使用するのに特に適することが
判明している。
本発明の特に好適な実施の態様に従えば、第１の積層
物は周囲の大気に接触する最も外側の積層物であり、か
つ最も波長の短い積層物である。かかる第１の積層物
は、少なくとも２の周期、好ましくは少なくとも３の周
期を有する公知の短波長通過型４分の１波長積層物であ
る。この場合、各周期は高屈折率層および低屈折率層を
交互に配置したものから成っていて、高屈折率の中心層
は積層物の波長の約1/4に等しい光学的厚さを有し、ま
た中心層の両側に隣接した低屈折率層は積層物の波長の
約1/8に等しい光学的厚さを有する。
発明の詳細な説明 本発明は、薄層を用いて多層被膜を形成することによ
り、赤外線を反射しかつ可視光線を透過させるためのい
わゆるホットミラー被膜を得ようとするものである。高
い屈折率および低い屈折率を有する２種の材料から成る
通常の厚さ（すなわち、約1000Å以上の厚さ）の層を交
互に配置することによって干渉フィルタ型のホットミラ
ー被膜を作製する場合には、可視光線透過窓の幅は主と
して被膜材料の屈折率の比によって決定される。適当な
材料の選択は温度やその他の考慮事項に応じて制限され
ることがあるから、可視光線透過窓の幅も制限を受ける
ことがある。ランプ管球用の赤外線反射被膜の場合に
は、被膜用として使用し得る材料が温度によって制限さ
れることが多い。可視光線透過窓の幅を広げるための方
法の１つは３種の被膜材料を使用することであって、そ
の際に使用される第３の材料は高屈折率材料と低屈折率
材料との中間の屈折率を有するものである。この場合、
所要の中間屈折率は他の２種の材料の屈折率によって決
定されることになる。このように３種の材料を使用する
方法はランプ用途にとって好適であるけれども、所要の
屈折率、物理的適合性および化学的適合性を有する適当
な被膜材料の利用可能性、並びに相異なる熱膨張率を持
った３種の材料から成る被膜中における応力の発生がも
たらす制約は避けられない。
本発明に従って薄膜を使用すれば、可視スペクトル領
域中の広いスペクトル範囲にわたって高い平均透過率を
有しかつ近赤外スペクトル領域中の広いスペクトル範囲
にわたって高い平均反射率を有する光学干渉被膜を得る
ことができる。ここで言う「薄膜」とは、第２および第
３の積層物中に存在する層の少なくとも一部が該積層物
の波長の４分の１波長の1/5以下（すなわち、該積層物
の波長の1/20以下）に等しい光学的厚さを有することを
意味している。本発明に基づく光学干渉被膜において
は、２種の材料を使用することにより、３種の材料を使
用した場合と同等な性能を達成することができるのであ
る。
薄膜型の光学干渉被膜はまた、層厚さの誤差に対して
低い感受性を有している。光学的厚さの系統誤差の存在
によって全ての層が厚過ぎたり、あるいは薄過ぎたりし
た場合には、可視スペクトル領域中における透過窓が長
波長側または短波長側に移動することになる。しかる
に、ランプ上に設置された被膜の透過窓の幅が広けれ
ば、ランプの見掛けの色を変化させることなしに透過窓
はより大幅な移動を示し得るわけである。本発明の被膜
においては、層厚さの変動に対する許容度が大きい結
果、不整合誤差およびランダム誤差のいずれについても
より大きな余裕が得られることになる。不整合誤差と
は、一方の材料から成る全ての層の光学的厚さが所望の
値より大きくかつ他方の材料から成る全ての層の光学的
厚さが所望の値より小さいような最終被膜を生み出す被
膜工程の系統誤差を意味する。この種の誤差は、可視光
線透過窓の位置を移動させるのではなく、高い透過率レ
ベルや観測される色を損なうことになる。ランダム誤差
とは、被覆工程の制御に関する通常の欠陥の結果として
ランダムに生じるような層厚さの誤差を意味する。この
種の誤差もまた、透過率および観測される色を損なうこ
とになる。本発明に基づく薄層型の光学干渉被膜を使用
すれば、被覆物体の寸法の増大、蒸着制御装置の価格の
低廉化、および製品歩留りの向上のごとき顕著な利益が
得られるのである。
従来の赤外線反射被膜を使用したランプを表面に対し
て垂直な方向とは異なる角度から見た場合、スペクトル
中における透過窓の位置が短波長側に移動し、そのため
にランプは青色または青緑色に見える。本発明の被膜に
おける透過窓は幅が広いため、色の変化を生じることな
しに観測し得る視覚範囲の増大が得られるのである。
前述のごとく、本発明は赤外線を反射しかつ可視光線
を透過させるための光学干渉被膜に関するものである。
かかる被膜は交互に配置された複数の高屈折率層および
低屈折率層から成っていて、約400〜770nmの広いスペク
トル範囲にわたって少なくとも約90％の高い平均透過率
を有すると共に、約800〜1900nmの広いスペクトル範囲
にわたって少なくとも約70％の高い平均反射率をする。
好ましくは、かかる被膜はスペクトル中において互いに
隣接した３つの多周期積層物から成り、該積層物の各々
は少なくとも２の周期を有し、該積層物の１つは公知の
短波長通過積層物であり、しかも残り２つの積層物はス
ペクトル中において該短波長通過積層物の波長よりも長
くかつ互いに異なる波長の位置に存在している。更に詳
しく述べれば、本発明の光学干渉被膜はスペクトル中に
おいて互いに隣接した３つの多周期積層物から成ってい
て、該積層物の各々は少なくとも２つの周期を有し、該
積層物の１者を成す第１の積層物は少なくとも２の周期
を有する短波長通過型の４分の１の波長積層物であり、
しかも第２および第３の積層物は少なくとも２（好まし
くは少なくとも３）の周期を有すると共に、スペクトル
中において第１の積層物の波長よりも長くかつ互いに異
なる波長の位置に存在している。好適な実施の態様に例
えば、第２および第３の積層物の各周期は、式 （ただし、２≦ａ≦４ ５≦ｂ≦15 ５≦ｃ≦15 １≦ｄ≦2.5 であり、ＬおよびＨは低屈折率材料および高屈折率材料
をそれぞれ表わし、かつＬおよびＨの各々は該積層物の
波長の1/4に等しい光学的厚さを有するものとして定義
される）によって表わされるごとく７つの高屈折率層お
よび低屈折率層を交互に配置したものから成るように設
計される。特に好適な実施の態様に従えば、上記のごと
くにして設計された被膜に対し、当業者にとって公知の
計算機最適化が施される。かかる計算機最適化を施した
後においても、上記のごとき周期の大部分（すなわち、
半分以上）はやはり７つの層を含んでいる。ここで言う
「積層物の波長」とは、最も強い反射帯または遮断帯が
存在する位置の波長を意味する。また、ここで言う「ス
ペクトル中において互いに隣接した積層物」とは、一方
の積層物の高反射率領域の最も長い波長が他方の積層物
の高反射領域の最も短い波長にほぼ合致していることを
意味する。実際には、スペクトル中において互いに隣接
した２つの積層物の高反射率領域同士は僅かに重なり合
っている。
第１の積層物（または短波長通過積層物）は、 式 （ただし、ＨおよびＬは高屈折率材料および低屈折率材
料をそれぞれ表わし、かつＨおよびＬの各々は該積層物
の波長の1/4に等しい光学的厚さを有するものとして定
義される）によって表わされるような公知の短波長通過
積層物であることが好ましい。また、かかる第１の積層
物は少なくとも２、好ましくは少なくとも３、そして一
層好ましくは少なくとも４の周期を有している。上記の
定義に基づけば、L/2は該積層物の波長の約1/8に等しい
光学的厚さを有するわけである。なお、（LH）という表
記法も一般に使用されている。かかる積層物中に存在す
る層の実際の厚さは約±10％の範囲内で変動してもよ
い。
本発明は第１図を参照することによって一層容易に理
解されよう。第１図は、３つの積層物から成る本発明の
光学干渉被膜の構成を示す図式である。ＬおよびＨは低
屈折率材料および高屈折率材料をそれぞれ表わし、かつ
ＬおよびＨの各々は該積層物の波長の1/4に等しい光学
的厚さ（すなわち、４分の１波長の光学的厚さ）を有す
るものとして定義される。１つの周期を構成する層がカ
ッコ内に示されていて、それの肩に付けられた文字は該
積層物中における周期の反復回数を表わしている。第１
の積層物は最も波長の短い積層物であって、波長λ１を
有する公知の短波長通過積層物である。好適な実施の態
様に従えば、第１の積層物は周囲の大気に接触するよう
に配置される。これは、リプルの量を最小にすると共
に、可視スペクトル領域中における透過量を最大にする
ために役立つ。第１の積層物は少なくとも２の周期を有
していて、各々の周期は該積層物の波長の約1/4に等し
い光学的厚さを有する高屈折率の中心層を含み、かつそ
れの両側には該積層物の波長の約1/8に等しい光学的厚
さを有する低屈折率層が配置されている。肩に付けられ
た文字ｘは第１の積層物中における周期の最小反復回数
を表わしていて、それは少なくとも２、好ましくは少な
くとも３、そして一層好ましくは少なくとも４の値を有
する。
第２および第３の積層物はスペクトル中において順次
により長い波長の位置に存在しており、かつ少なくとも
２、好ましくは少なくとも３の周期を有している。各々
の周期は、「発明の要約」中および上記の説明中に記載
されたごとく低屈折率層および高屈折率層を交互に配置
した７層構造物から成っている。第１図に示されるごと
く、各周期中における（左側から数えて）１、４および
７番目の層は上記のごとき公知の短波長通過積層物中に
見出される層の光学的厚さにほぼ等しくかつそれよりも
小さい光学的厚さを有している。しかるに、２、３、５
および６番目の層は該積層物の波長の1/20以下に等しい
光学的厚さを有する実質的に薄い層であって、それらは
可視スペクトル領域中における光の透過を妨害する積層
物の高次反射帯を解消するために役立つ。実際には、
２、３、５および６番目の層の物理的厚さは一般に約40
0Åより小さく、また更には300Åより小さいこともあ
る。第２および第３の積層物を構成する各周期中におけ
る層の厚さを別の形で表現すれば、中央には該積層物の
波長の1/4以下（一般には1/4未満）に等しい光学的厚さ
を有する高屈折率材料の中心層が配置され、かかる中心
層の両側には該積層物の波長の1/20以下（一般には1/20
未満）に等しい光学的厚さをそれぞれに有する１対の低
屈折率層および高屈折率層が低屈折率層を中心層に隣接
させた状態で配置され、かつその外側には該積層物の波
長の1/8以下（一般には1/8未満）に等しい光学的厚さを
有する低屈折率層が上記の高屈折率層に隣接して配置さ
れている。このように、７つの層から成る各周期中に含
まれる２つの高屈折率層および２つの低屈折率層の光学
的厚さは該積層物の波長の1/20を越えることがないので
ある。
次の第２図は、本発明の実施の一態様に従って設計さ
れた実際の光学干渉被膜の構成を示す図式である。図
中、ＨおよびＬはやはり高屈折率材料および低屈折率材
料をそれぞれ表わし、かつＨおよびＬの各々は該積層物
の波長の1/4に等しい光学的厚さを有するものとして定
義される。この場合、公知の短波長通過型４分の１波長
積層物である第１の積層物は930nmの設計波長を有して
いるが、これはＨおよびＬの光学的厚さが930nmの1/4に
等しいことを意味している。すなわち、この場合におけ
るＨおよびＬは233nmの光学的厚さを有するわけであ
る。同様に、1300nmの設計波長を有する第２の積層物中
におけるＨおよびＬの光学的厚さは1300nmの1/4（＝333
nm）に等しく、また第３の積層物中におけるＨおよびＬ
の光学的厚さは1700nmの1/4（＝425nm）に等しい。
第２図中において、ｘ、ｙおよびｚの値はそれぞれ
４、４および３として示されている。これは、第１およ
び第２の積層物が４の周期を有しかつ第３の積層物が３
の周期を有することを意味している。各々の積層物を表
わす式中においては、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ａ′、ｄ′、
ｃ′およびｄ′の値が分母として示されている。たとえ
ば、第３の積層物を構成する各周期中の中心層（H/1.
2）の光学的厚さToは、Ｈが該積層物の波長λ３の1/4
（＝λ/4）に等しい光学的厚さを有するものとして定義
されているから、1700nm/（４×1.2）＝354nmに等しく
なる。かかる中心層の物理的厚さTpは、光学的厚さを層
材料の屈折率ｎで割ることによって得られる（Tp＝To/
n）。すなわち、高屈折率材料が1700nmの波長において
約2.2の屈折率を有するタンタラ（Ta2O5）である場合に
は、第３の積層物を構成する各周期中の中心層の物理的
厚さは161nmまたは1610Åである。
高屈折率層の材料が2.2の屈折率を有するタンタラ（T
a2O5）から成り、かつ低屈折率層の材料が1.46の屈折率
を有するシリカ（SiO2）から成る場合において、第２図
に示された光学干渉被膜の全体について上記のごとき計
算を行えば、下記第１表中に示されるような層の数およ
び物理的厚さが得られる。なお、第２図について述べれ
ば、層の番号は左から右に向かって付けられていて、基
体上に配置された１番目の層は最も左側に位置してい
る。周期が反復される場合、２つの隣接した低屈折率層
（SiO2層）同士は合体し、従って第１表中では１つの層
として示されている。すなわち、上記の構成に従ってシ
リカ層およびタンタラ層を交互に設置する場合、互いに
隣接したシリカ層は、単一の層として設置されるのであ
る。たとえば、第２の積層物を構成する各周期中におけ
る１番目および７番目の層の厚さは968Åである。第１
表中における層25は1936Åの厚さを有しているが、これ
は第２の積層物を構成する互いに隣接した周期中におけ
る１番目および７番目の層が合体したものから成ってい
るためである。同様に、相異なる積層物に由来する互い
に隣接した周期中における低屈折率層同士も合体し、従
って第１表中では１つの層として示されている場合があ
る。また、第１表中に例示された光学干渉被膜はシリカ
基体上に形成されている。この場合、最初に設置される
層はシリカ層であって、これは接着層として働く。かか
るシリカ層はシリカ基体と本質的に同じ組成を有するか
ら、それの厚さは任意の値を有し得る。ここに例示され
た被膜においては、最初のシリカ層からは500Åという
随意の厚さを有している。
再び第１表について説明すれば、第３の積層物は３の
周期を有するのであって、このことはｚが３回繰返され
ることによって示されている。同様に、第２表および第
１の積層物はいずれも４の周期を有するのであって、こ
のことはｙおよびｘがそれぞれ４回繰返されることによ
って示されている。第１表は本発明に従って設計された
実際の光学干渉被膜の構成を示すものであって、タンタ
ラ層およびシリカ層の数並びにそれらの層の物理的厚さ
を規定している。なお、当業者にとって公知の計算機最
適化により、上記の構成に対して更に微調整を施すこと
が好ましい。多層被膜を最適化するため計算機プログラ
ムとしては、多数のものが市販されている。たとえば、
光学工業に関する業界誌であるフォトニクス・スペクト
ラ（PHOTONICS SPECTRA）の1988年９月号の144頁には、
約15の供給業者およびプログラムのリストを見出すこと
ができる。このリスト中には、たとえば、アメリカ合衆
国マサチューセッツ州ケンブリッジ市アルバニーストリ
ート143番地のオプティコス（Optikos）社から入手し得
るカムス（CAMS）、およびアメリカ合衆国ニュージャー
ジー州プリンストン市私書箱579号のFTGソフトウェアア
ソシエーツ（FTG Software Associates）社から入手し
得るフィルム・スター（FILM＊STAR）が含まれている。
第１表中に示されたSiO2/Ta2O5光学干渉被膜の構成に
計算機最適化を施したところ、第２の積層物中に含まれ
る１つの周期から４つの層が排除された。その結果、第
１表中に示された厚さ39048Åの被膜を基礎として、47
の層から成りかつ（厚さ500Åの１番目の層を含めて）3
9283Åの合計厚さを有する被膜が得られた。かかる計算
機最適化によって得られた被膜の構成は第２表中に示さ
れている。第２表を検討すれば、第１表中に示された被
膜の構成に計算機最適化を施したところ、第２の積層物
中に含まれる１つの周期から４つの薄層が排除されてい
ることが認められよう。このように、本発明のかかる実
施の態様に基づく光学干渉被膜は40を越える層を含むと
共に、単一の層で1500Åまたは3000Å以上の厚さを有す
るものは存在せず、しかも合計厚さは40000Åを越えな
いのである。なお、第１および２表中に示された層の厚
さは、被膜の性能に顕著な影響を及ぼすことなしに±10
％の範囲内で変動し得ることに留意されたい。
次の第３図には、２種のSiO2/Ta2O5光学干渉被膜に関
する理論的な分光透過率が示されている。このグラフ
は、平坦な石英基体上に設置された被膜に関し、表面に
対して垂直な方向に透過した光を計算機で分析すること
によって作成したものである。実線の曲線は、計算機最
適化を施すことによって得られた本発明の光学干渉被
膜、すなわち第２表中に示されたごとく47の層から成り
かつ39283Åの合計厚さを有する光学干渉被膜の分光透
過率を表わしている。破線の曲線は、交互に配置された
25のSiO2層およびTa2O5層から成りかつ約39700Åの合計
厚さを有する従来の光学干渉被膜の分光透過率を表わし
ている。１番目および25番目のSiO2層を除けば、かかる
従来の被膜を構成する全ての層の厚さは少なくとも約10
00Åであった。
第３図を検討すればわかる通り、可視スペクトル領域
においては、本発明の被膜は実質的に同じ厚さを有する
従来の被膜に比べて約20％だけ広い約400〜770nmのスペ
クトル範囲にわたる透過窓を有し、しかもそれの全域に
わたって少なくとも約90％の平均透過率を示す。それに
対し、従来の被膜は約420〜720nmのスペクトル範囲にわ
たって透過窓を有するに過ぎない。近赤外スペクトル領
域においては、本発明の被膜は約800〜1900nmのスペク
トル範囲にわたって赤外線を反射し、かつ少なくとも約
75％の平均反射率を示す。赤外線の平均反射率はいずれ
の被膜についても同等であるが、それの分光分布は異な
っている。その結果、被膜の全厚が等しい場合、本発明
の被膜は従来の被膜よりも実質的に優れたものとなる。
なぜなら、可視光線透過窓が20％だけ広い結果、層厚さ
に関する製造許容差が遥かに大きく、しかも表面に対し
て垂直でない方向（たとえば45゜の方向）から見た場合
でも顕著な色ずれを生じないからである。たとえば、第
３図に示された本発明の被膜において層厚さが10％の誤
差を有する場合に生じる最大の色ずれは、第３図に示さ
れたもののような従来の被膜において層厚さが５％の誤
差を有する場合に生じる最大の色ずれよりも少ないので
ある。
LPCVD法の使用により、第２表に従って１インチ×１
インチ×1/8インチ（厚さ）の石英平板の表面上に47のS
iO2層およびTa2O5層が交互に設置された。次の第４図に
は、こうして得られた被膜に関する実際の分光透過率が
示されている。それによれば、本発明の被膜は約400〜7
70nmのスペクトル範囲にわたって少なくとも約90％の平
均透過率を示すと共に、約800〜1900nmのスペクトル範
囲にわたって少なくとも70％の平均反射率を示すことが
実証された。
上記のごとく、本発明の光学干渉被膜は真空蒸着法、
イオンプレーティング法、スパッタリング法、CVD法、
プラズマCVD法およびLPCVD法をはじめとする各種の被覆
方法によって作製することができる。それらの内でも、
LPCVD法はランプ管球のごとき複雑な形状の物体に対し
て特に好適に使用される。ランプ被膜を作製するために
使用されるLPCVD法の実例を述べれば、被膜の各材料に
対応した適当な金属酸化物前駆体から成る反応物質が蒸
着室内に個別に導入され、そしてそれの分解または反応
によって加熱された基体上に金属酸化物が生成される。
このようにして、たとえばシリカまたはタンタラから成
る個々の層を基体上に形成することにより、所望の被膜
が得られるのである。このような化学蒸着法は当業者に
とって公知であって、たとえば、米国特許第4006481、4
211803、4393097、4435445、4508054、4565747および47
75203号明細書中に開示されている。本発明に従ってタ
ンタラまたはシリカから成る金属酸化物層を基体上に形
成する際には、先ず最初に、基体が蒸着室内に配置され
る。一般に、蒸着室は炉内に収容されていて、それによ
り反応物質の反応または分解におよび基体上へのタンタ
ラまたはシリカの蒸着を達成するために必要な温度にま
で基体を加熱することができる。かかる温度は、使用す
る反応物質の種類に応じ、約350〜600℃の範囲内にある
のが普通である。LPCVD法の場合には、蒸着室は排気さ
れ、そして所望の金属酸化物（たとえば、タンタラまた
はシリカ）に対応した適当な蒸気状の有機金属前駆体か
ら成る反応物質が任意適宜の手段によって蒸着室内に流
される。蒸着室内に流れ込んだ反応物質は分解され、そ
してタンタラまたはシリカの層が基体上に蒸着される。
このような方法を使用すれば、タンタラ層およびシリカ
層を個別に蒸着することができると共に、平坦な基体お
よび（ランプ管球のごとき）湾曲した基体のいずれをも
一様に被膜することができる。このようにして、約100
〜100000Åの範囲内の厚さを有する一様なタンタラ層お
よびシリカ層を形成することができるのである。所望の
層厚さが得られた後、反応物質の流れを停止され、蒸着
室が排気され、そして別の材料に対応する反応物質が蒸
着室内に流される。この場合にも、反応物質は所望の層
厚さが得られるまで供給される。このような操作を繰返
すことにより、所望の多層干渉被膜が得られるのであ
る。
LPCVD法に従ってシリカ層を蒸着するため本発明にお
いて使用するのに適した反応物質の実例としては、テト
ラエトキシシラン、ジアセトキシジブトキシシラン、テ
トラアセトキシシランおよびシリコンテトラキスジエチ
ルオキシアミンが挙げられる。また、LPCVD法に従って
タンタラ層を蒸着するため本発明において使用するのに
適した反応物質の実例としては、タンタルエトキシド、
タンタルイソプロポキシド、タンタルメトキシド、タン
タルブトキシド、混合タンタルアルコキシド、および五
塩化タンタルと水および（または）酸素との混合物が挙
げられる。チタニアを蒸着するための反応物質としては
チタンテトラエトキシドが適当であり、またニオビアを
蒸着するための反応物質としてはペンタエチルニオベー
トが適当である。蒸着室内における反応物質の移動を容
易にするため蒸着室内にキャリアガスを供給することは
必要でないが、所望ならば不活性のキャリアガスを使用
することもできる。蒸着操作時における蒸着室内の圧力
は、使用する反応物質の種類および基体の温度に応じ、
約0.1〜2.0Torrの範囲内にあるのが普通である。蒸着室
内における気体状反応物質の流量は、蒸着室の大きさ、
反応物質の種類、キャリアガスの有無、所望の蒸着速度
などに応じ、約10〜2000SCCMの範囲内にあるのが普通で
ある。
次の第５図には、本発明の実施の一態様に基づくラン
プが示されている。かかるランプの外面上には本発明に
基づくタンタラ・シリカ光学干渉被膜が設置されてい
て、それにより赤外線は反射されてフィラメントに戻さ
れ、そして可視光線に変えられる。詳しく述べれば、第
５図に示されたランプは約800℃の高温の耐え得るガラ
ス質の光透過性材料（この場合には石英または融解石
英）から成る管球10を含んでいる。管球10の各端にはつ
まみ封止部12が設けられている。かかるつまみ封止部12
内にはモリブテン箔14が気密封止状態で包埋されてい
て、このモリブデン箔14には外部リード線13が適当な手
段（たとえば溶接）によって電気的かつ機械的に接続さ
れている。モリブテン箔14の他端には、適当な高融点金
属（たとえば、モリブデンまたはタングステン）から成
る内部リード線15の一端が接続されている。内部リード
線15の他端にはタングステンフィラメント17が接続され
ているが、それはまた複数の適当な支持部材（たとえ
ば、米国特許第3168670号明細書中に開示されているよ
うな渦巻線状のタングステン支持体）18によって管球10
の中心軸上に支持されている。本発明に基づく赤外線反
射性の薄膜状光学干渉被膜20は、上記のごときランプの
外面上に設置されている。
次の第６図には、本発明の別の実施の態様に基づく小
形の60ワットタングステンハロゲンランプ50が示されて
いる。かかるランプ50は石英または（米国特許第423870
5号明細書中に開示されたような種類の）耐熱性アルミ
ノケイ酸塩ガラスから成る光透過性のガラス質管球40を
含んでいて、それの外面は本発明に基づく光透過性かつ
赤外線反射性の被膜48によって被膜されている。ここで
言う「小形」とは、管球40が約12mmの長さおよび約10mm
の直径を有しており、かつランプ50の全長が約2 1/4イ
ンチであることを意味している。管球40の内部にはフィ
ラメントアセンブリ30が収容されている。管球40の両側
の管状端部44および46は箔部材26および26′上に収縮封
止されて気密封止部を形成しており、かつ所望の長さに
切断されている。管状端部44および46の外方には外部リ
ード線28および28′が伸びている。箔部材26および26′
の他端は、心合せ部材31および32′の脚36および36′に
それぞれ溶接されている。心合せ部材32および32′は適
当な高融点金属（たとえば、モリブテン、タングステン
など）の線を少なくとも１回巻いたリングまたはコイル
から成っていて、それの両側には脚36と34および36′と
34′がそれぞれ伸びている。脚34および34′は、適当な
手段（好ましくは、プラズマ溶接法またはレーザ溶接
法）によってフィラメント30に溶接されている。心合せ
部材32および32′は、フィラメント30を管球40の光学中
心に沿って配置するために役立つ。これは、フイラメン
ト30の直径が小さい（すなわち、１〜2mm）ために必要
なものである。小形の白熱ランプやアーク放電ランプの
場合には、収縮封止技術が特に好適である。なぜなら、
つまみ封止技術に比べ、収縮封止技術はランプ球管の管
状部分の変形や心狂いを最小限に抑えることができるか
らである。収縮封止技術は当業者にとって公知であっ
て、たとえば、米国特許第4389201および4810932号明細
書中に記載されている。フィラメント室42の内部には、
アルゴン、キセノン、クリプトンのごとき不活性ガスと
共に、少量（すなわち、10％未満）の窒素、１種以上の
ハロゲン化合物（たとえば、臭化メチル、ジブロモメタ
ン、ジクロロブロモメタンなど）およびゲッタ材料（た
とえばリン）が封入されている。
LPCVD法に従い、第６図に示されたような種類の60ワ
ットタングステンハロゲンランプのガラス質管球の外面
上にSiO2層およびTa2O5層が交互に設置された。詳しく
述べれば、第２表に示された計算機最適化の結果に基づ
き、全部で47のSiO2層およびTa2O5層から成りかつ約393
00Åの合計厚さを有する被膜が設置された。同様なラン
プに対し、先行技術に基づく被膜が同じLPCVD法に従っ
て設置された。かかる従来の被膜は、25のSiO2層および
Ta2O5層から成りかつ約39700Åの合計厚さを有するもの
であった。１番目および25番目のSiO2層を除けば、かか
る従来の被膜中に存在する全ての層は少なくとも約1000
Åの厚さを有していた。上記２種のランプの光出力（ル
ーメン／ワット）はほぼ同じであり、また両者の光出力
は未被覆の同様なランプの光出力よりも40％だけ大きか
った。とは言え、本発明の被膜で被覆されたランプは従
来の被膜で被覆されたものよりも優れた色特性を示し
た。
次の第７図には、管球40の外面上に被膜48を設置した
ランプ50をガラス製の放物面反射体62内に組込んで成る
アセンブリ60が示されている。詳しく述べれば、ランプ
50は導電性の取付部材64および66によって放物面反射体
62の底部に取付けられている。取付部材64および66は、
放物面反射体62の底部72に設けられた封止部（図示せ
ず）を貫通して伸びている。ランプ基部80は、ネック部
分82に設けられた手段（図示せず）により、ガラス反射
体62の底部に固定されている。口金80は、完成したアセ
ンブリを適当なソケットにねじ込むための標準的な口金
である。最後に、接着剤またはその他適宜の手段によっ
てガラスもしくはプラスチック製のレンズまたはカバー
86を放物面反射体62の他端に接合もしくは気密封止すれ
ば、完成したアセンブリが得られる。
本発明の被膜はまた、シングルエンド形のタングステ
ンハロゲンランプおよびその他の種類のランプ（たとえ
ば、アーク放電ランプ）に対しても有用である。すなわ
ち、第６図に示されたランプ50は、フィラメントの代り
に電極を収容して成るアーク放電ランプであってもよい
のである。従って、一般的に述べれば、本発明の被膜は
電灯用光源を内部に収容した光透過性の管球上にフィル
タとして使用することができるわけである。更にまた、
本発明の被膜はフィラメント、白熱ランプまたはアーク
管の少なくとも一部分を取巻く光透過性の包囲体上に設
置することも可能である。
本発明の被膜はランプ用途のみに限定されるわけでは
なく、また400℃もしくは500℃を越える温度を伴うラン
プ用途のために適することが知られている耐火性金属酸
化物（たとえば、タンタラ、チタニア、ニオビアおよび
シリカ）の使用のみに限定されるわけでもない。それ
故、上記の説明は本発明の実施を例示するものに過ぎな
いことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に基づく光学干渉被膜を構成する積層物
および該積層物中の周期を示す図式、第２図は本発明に
基づく実際の光学干渉被膜中における各層の光学的厚さ
を示す図式、第３図は赤外線を反射しかつ可視光線を透
過させるように設計された本発明の光学干渉被膜および
従来の光学干渉被膜に関する理論的な分光透過率を示す
グラフ、第４図は赤外線を反射しかつ可視光線を透過さ
せるために役立つ本発明の光学干渉被膜に関する実際の
分光透過率を示すグラフ、第５図は本発明に基づく赤外
線反射性の光学干渉被膜をランプ管球の外面上に設置し
て成る細長いダブルエンド形のタングステンハロゲンラ
ンプを示す略図、第６図は本発明に基づく赤外線反射性
の光学干渉被膜をガラス質管球の外面上に設置して成る
ダブルエンド形の小形タングステンハロゲンランプを示
す略図、そして第７図は第６図のタングステンハロゲン
ランプを放物面反射体内に組込んで成るアセンブリを示
す略図である。 図中、10は管球、12はつまみ封止部、13は外部リード
線、14はモリブデン箔、15は内線リード線、17はタング
ステンフィラメント、18は支持部材、そして20は光学干
渉被膜を表わす。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−296304（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−105203（ＪＰ，Ａ) 実公 昭41−21327（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】スペクトル中において互いに隣接した３つ
    の多周期積層物から成っていて、前記積層物の各々が少
    なくとも２つの周期を有し、前記積層物の１者を成す第
    １の積層物が短波長通過積層物であり、第２および第３
    の積層物がスペクトル中において前記第１の積層物の波
    長よりも長くかつ互いに異なる波長の位置に存在してお
    り、しかも前記第２および第３の積層物の各周期は、光
    学的厚さがそれぞれ （ただし、２≦ａ≦４ ５≦ｂ≦15 ５≦ｃ≦15 １≦ｄ≦2.5 であり、ＬおよびＨはそれぞれ低屈折率材料および高屈
    折率材料の該積層物の波長の1/4に等しい光学的厚さを
    表わし、該積層物の波長は最も強い反射が生じる波長と
    して定義される）を有する高および低屈折率材料の交互
    に配置された７つの層を含むことから成る、赤外線を反
    射しかつ可視光線を透過させるための光学干渉被膜。
  2. 【請求項２】層H/bおよびL/cが該積層物の波長の1/20以
    下に等しい光学的厚さを有する請求項１記載の被膜。
  3. 【請求項３】前記短波長通過積層物が1/4波長積層物で
    ある請求項１又は２記載の被膜。
  4. 【請求項４】前記1/4波長積層物が式 で表わされる周期を有する請求項３記載の被膜。
  5. 【請求項５】前記第２および第３の積層物の１番目およ
    び７番目の層が前記短波長通過積層物の各周期中に存在
    する前記低屈折率層の光学的厚さよりも小さい光学的厚
    さを有する請求項４記載の被膜。
  6. 【請求項６】前記第２および第３の積層物の各周期中に
    存在する前記中心層が前記短波長通過積層物の各周期中
    に存在する前記高屈折率層の光学的厚さよりも小さい光
    学的厚さを有する請求項５記載の被膜。
  7. 【請求項７】前記層が耐火性金属酸化物から成る請求項
    １乃至６のいずれか１項に記載の被膜。
  8. 【請求項８】前記低屈折率層がシリカを含み、前記高屈
    折率層がタンタラ、チタニア、およびニオビアからなる
    群より選ばれた酸化物を含む請求項１乃至７のいずれか
    １項に記載の被膜。
  9. 【請求項９】内部に光源（17）を収容した光透過性の管
    球（10）を含んでいて、前記管球の少なくとも一部分が
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学干渉被膜
    （20）で被覆されているランプ。
  10. 【請求項１０】交互に配置された複数の高屈折率層およ
    ひ低屈折率層から成っていて、約400〜770nmの広いスペ
    クトル範囲にわたって少なくとも90％の高い平均透過率
    を有していて前記400〜770nmの範囲で大部分の透過率が
    約80％未満とならず、かつ約800〜1900nmの広いスペク
    トル範囲にわたって少なくとも約70％の高い平均反射率
    を有し、赤外線を反射しかつ可視光線を透過させるため
    の光学干渉被膜であって、該被膜は、スペクトル中にお
    いて互いに隣接した３つの多周期積層物を含み、第２お
    よび第３の積層物の各周期が７つの層から成っていて、
    中央には該積層物の波長の約1/4以下に等しい光学的厚
    さを有する高屈折率材料の中心層が配置され、前記中心
    層の両側には該積層物の波長の1/20以下に等しい光学的
    厚さをそれぞれに有する１対の低屈折率層および高屈折
    率層が前記低屈折率層を前記中心層に隣接させた状態で
    配置され、かつその外側には該積層物の波長の1/8以下
    に等しい光学的厚さを有する低屈折率層が各対の前記高
    屈折率層に隣接して配置されていることから成り、上記
    積層物の波長は最も強い反射が生じる波長と定義されて
    いる、被膜。
  11. 【請求項１１】前記被膜の積層物の１つが第１積層物で
    公知の短波長通過積層物である請求項10記載の被膜。
  12. 【請求項１２】前記第１の積層物が４分の１波長積層物
    である請求項11記載の被膜。
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