JP3972410B2 - 反射鏡 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定波長帯域の光を吸収し、かつ複雑な曲面を有する反射鏡の作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術では金，銀，銅，アルミニウムなどの金属を反射面として用い、金属の厚さ，種類を適切に選択することにより、異なる反射率の鏡を作製した。また任意の厚さ，材質の誘電体多層膜を形成することにより、任意の反射率を有する鏡を作製した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、金属を利用した場合には任意の波長帯域の吸収特性を有する反射鏡を作製することが不可能であり、また誘電体多層膜を利用した場合には、膜厚を厳密に制御する必要から、複雑な曲面の反射鏡の作製が困難であるといった問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、任意の波長帯域における吸収特性と任意の表面形状を有する反射鏡を容易に製作する方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、基板の上に金，銀，銅、又はアルミニウムの金属を反射面として用いた反射鏡において、前記基板に蒸着され表面を親水性とされた金，銀，銅、又はアルミニウムの金属薄膜層と、前記金属薄膜層に吸着された粒径５ｎｍから１００μｍの単一径のポリスチレン，スチレン／ブタジエン，ポリビニルトルエン，スチレン／ジビニルベンゼン、あるいはビニルトルエン／ターシャリーブチルスチレンの高分子またはシリコン，酸化シリコン，砒化ガリウム、あるいはガラスの非金属の絶縁体微小球と、前記絶縁体微小球上に蒸着された金，銀，銅、又はアルミニウムの金属微粒子層と、を備えたものである。
金属微粒子の表面プラズモンによる吸収特性は、微粒子の形状，材料，粒径に依存しており、バルクの吸収特性とは異なることが知られているが、金属微粒子を数ｎｍから数１００ｎｍの絶縁体スペーサ層を介して金属基板に吸着すると、金属微粒子の局在表面プラズモンと金属基板の表面プラズモンの相互作用により吸収が増大すること、また吸収スペクトルのピークが粒径に依存して大幅に変化することが近年になり判明した。
【０００６】
金属基板上に粒径の揃った絶縁体の微小球を一層形成し、さらに微小球上に金属を蒸着すると微粒子が絶縁体スペーサ層となり、また蒸着された金属は微小球の上で孤立した金属微粒子となるので、図１（ａ）に示す様に、金属基板１，絶縁体スペーサ層として機能する絶縁体微小球２、金属微粒子３の三層からなる反射鏡を容易に形成することができた。入射光４のうち特定波長帯域の成分が吸収され、反射光５として正反射した。反射特性は、蒸着される金属の種類と絶縁体微小球の粒径に強く依存する。金により反射鏡が作製された場合、図１（ｂ）に示す様に、粒径１００ｎｍの微粒子を用いた際得られる反射率６，同図（ｃ）のように、粒径２００ｎｍの微小球を用いた際得られる反射率７，同図（ｄ）のように粒径３００ｎｍの微小球を用いた際得られる反射率８などとなる。
【０００７】
本発明の反射鏡は、粒径に大きく依存する反面、反射特性は蒸着膜の厚さ，蒸着方向にはさほど依存しないため、曲面状表面においても均一な吸収特性を実現することができた。
【０００８】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
以下、本発明の一実施例を図２により説明する。平坦なシリコン基板１０の上に、蒸着により厚さ５ｎｍから１０００ｎｍの金薄膜１１を形成した。金薄膜表面を親水性にするために、チオグリコール酸ナトリウムの様にカルボン酸を有するチオール溶液（濃度０.０１ｍＭ から１Ｍ）で金薄膜を１分以上処理して、金薄膜表面をチオール分子層１２で化学修飾した。
【０００９】
次に、濃度０.０１ｍＭ から１Ｍのカルボジイミド溶液でチオール分子のカルボン酸を活性化し、水溶液に懸濁された粒径５ｎｍから１００μｍのポリスチレン微小球１３を表面に添加することにより金薄膜表面に吸着した。乾燥後、金を厚さ５ｎｍから１００ｎｍに蒸着して金微粒子１４を形成することにより、反射鏡を作製した。本実施例によれば、任意の反射特性を有する反射鏡を、適切な粒径の微小球を選択することにより容易に作製できる効果がある。
【００１０】
＜実施例２＞
以下、本発明の一実施例を図３により説明する。平坦なガラス基板２０の上に、金の蒸着により厚さ５ｎｍから１０００ｎｍの金薄膜２１を形成した。金薄膜表面を親水性にするために、チオグリコール酸ナトリウムの様にカルボン酸を有するチオール溶液（濃度０.０１ｍＭ から１Ｍ）で金薄膜を１分以上処理して、金薄膜表面をチオール分子層２２で化学修飾した。次に、濃度０.０１ｍＭ から１Ｍのカルボジイミド溶液でカルボン酸を活性化し、水溶液に懸濁された粒径５ｎｍから１００μｍのポリスチレンのＡ微小球２３とＢ微小球２４といった異なる粒径の微小球を表面に添加することにより、金薄膜表面に吸着した。
【００１１】
乾燥後、厚さ５ｎｍから１００ｎｍの金をさらに蒸着して金微粒子２５を形成することにより、同図（ｂ）のように、Ａ微小球２３による吸収２６とＢ微小球２４による吸収２７を合わせた広波長帯域吸収特性２８の反射鏡を作製した。本実施例によれば、任意の広帯域吸収特性を有する反射鏡を容易に作製できる効果があり、また吸着する微小球は二種類に限定するものではない。
【００１２】
＜実施例３＞
以下、本発明の一実施例を図４により説明する。同図（ａ）のように、放物面を有する高分子基板３０に、蒸着により厚さ５ｎｍから１０００ｎｍの銀薄膜を形成した。銀薄膜表面を親水性にするために、チオグリコール酸ナトリウムの様にカルボン酸を有するチオール溶液（濃度０.０１ｍＭ から１Ｍ）で銀薄膜を１分以上処理して、銀薄膜表面をチオール分子層で化学修飾した。次に、濃度0.01ｍＭから１Ｍのカルボジイミド溶液でカルボン酸を活性し、水溶液に懸濁された粒径５ｎｍから１００μｍのポリスチレン微小球を表面に添加することにより、銀薄膜表面に吸着した。乾燥後、厚さ５ｎｍから１００ｎｍの銀をさらに蒸着することにより、吸収膜３１で被覆された反射面３２を有する放物鏡３３を作製した。
【００１３】
本実施例によれば、任意の反射特性を有する反射鏡を容易に作製できるため、従来であれば同図（ｂ）のように反射鏡３４と吸収フィルタ３５の個別の光学素子を必要とした場合にも、一つの反射鏡で代用でき、光学系の簡素化の効果がある。また本実施例によれば、放物面のみならず、図５に示す様に複雑な反射面 ４０を有する反射鏡４１も容易に作製できる効果がある。
【００１４】
＜実施例４＞
以下、本発明の一実施例を図６により説明する。平坦なシリコン基板５０の上に、蒸着により厚さ５ｎｍから１０００ｎｍの金薄膜５１を形成した。金薄膜表面を親水性にするために、チオグリコール酸ナトリウムの様にカルボン酸を有するチオール溶液（濃度０.０１ｍ Ｍから１Ｍ）で金薄膜を１分以上処理して、金薄膜表面をチオール分子層５２で化学修飾した。次に、濃度０.０１ｍＭ から１Ｍのカルボジイミド溶液でチオール分子のカルボン酸を活性化し、水溶液に懸濁された粒径５ｎｍから１００μｍのポリスチレン微小球５３を表面に添加することにより金薄膜表面に吸着した。乾燥後、金を厚さ５ｎｍから１００ｎｍに蒸着して金微粒子５４を形成した。二層目の反射面を構築するにあたって、絶縁体薄膜５５を形成し、次に一層目と同様な手法により、銀薄膜５６，微小球５７，金微粒子５８から構成される二層目の反射膜を構築した。本実施例によれば、各反射層において適切な粒径の微小球を選択することにより、任意の反射特性を有する反射鏡を容易に作製できる効果がある。
【００１５】
【発明の効果】
本発明により、任意波長帯域の吸収特性を有し、また任意の表面形状を有する反射鏡の作製方法を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成と基板上に形成された金属微小球により生じる光反射特性を示す図。
【図２】本発明の一実施例の反射鏡の作製工程を示す断面図。
【図３】粒径の異なる複数の微小球を用いた実施例の断面図とその光吸収特性を示す図。
【図４】反射鏡と吸収フィルタの機能を一体化した実施例の反射鏡と、従来例を示す断面図。
【図５】複雑な曲面を有する反射鏡に、光学的に均一に吸収膜を形成した実施例の断面図。
【図６】反射層を複数有する実施例の反射鏡を示す断面図。
【符号の説明】
１…金属基板、２…絶縁体微小球、３…金属微粒子、４…入射光、５…反射光、６…粒径１００ｎｍの微小球を用いた際得られる反射率、７…粒径２００ｎｍの微小球を用いた際得られる反射率、８…粒径３００ｎｍの微小球を用いた際得られる反射率、１０…シリコン基板、１１…金薄膜、１２…チオール分子層、 １３…ポリスチレン微小球、１４…金微粒子、２０…ガラス基板、２１…金薄膜、２２…チオール分子層、２３…Ａ微小球、２４…Ｂ微小球、２５…金微粒子、２６…Ａ微小球による吸収、２７…微小球Ｂによる吸収、２８…広波長帯域吸収特性、３０…放物面を有する高分子基板、３１…吸収膜、３２…反射面、３３…反射鏡、３４…吸収膜を有さない放物鏡、３５…吸収フィルタ、４０…反射面、４１…反射鏡、５０…シリコン基板、５１…金薄膜、５２…チオール分子層、 ５３…ポリスチレン微小球、５４…金微粒子、５５…絶縁体薄膜、５６…銀薄膜、５７…微小球、５８…銀微粒子。
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定波長帯域の光を吸収し、かつ複雑な曲面を有する反射鏡の作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術では金，銀，銅，アルミニウムなどの金属を反射面として用い、金属の厚さ，種類を適切に選択することにより、異なる反射率の鏡を作製した。また任意の厚さ，材質の誘電体多層膜を形成することにより、任意の反射率を有する鏡を作製した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、金属を利用した場合には任意の波長帯域の吸収特性を有する反射鏡を作製することが不可能であり、また誘電体多層膜を利用した場合には、膜厚を厳密に制御する必要から、複雑な曲面の反射鏡の作製が困難であるといった問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、任意の波長帯域における吸収特性と任意の表面形状を有する反射鏡を容易に製作する方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、基板の上に金，銀，銅、又はアルミニウムの金属を反射面として用いた反射鏡において、前記基板に蒸着され表面を親水性とされた金，銀，銅、又はアルミニウムの金属薄膜層と、前記金属薄膜層に吸着された粒径５ｎｍから１００μｍの単一径のポリスチレン，スチレン／ブタジエン，ポリビニルトルエン，スチレン／ジビニルベンゼン、あるいはビニルトルエン／ターシャリーブチルスチレンの高分子またはシリコン，酸化シリコン，砒化ガリウム、あるいはガラスの非金属の絶縁体微小球と、前記絶縁体微小球上に蒸着された金，銀，銅、又はアルミニウムの金属微粒子層と、を備えたものである。
金属微粒子の表面プラズモンによる吸収特性は、微粒子の形状，材料，粒径に依存しており、バルクの吸収特性とは異なることが知られているが、金属微粒子を数ｎｍから数１００ｎｍの絶縁体スペーサ層を介して金属基板に吸着すると、金属微粒子の局在表面プラズモンと金属基板の表面プラズモンの相互作用により吸収が増大すること、また吸収スペクトルのピークが粒径に依存して大幅に変化することが近年になり判明した。
【０００６】
金属基板上に粒径の揃った絶縁体の微小球を一層形成し、さらに微小球上に金属を蒸着すると微粒子が絶縁体スペーサ層となり、また蒸着された金属は微小球の上で孤立した金属微粒子となるので、図１（ａ）に示す様に、金属基板１，絶縁体スペーサ層として機能する絶縁体微小球２、金属微粒子３の三層からなる反射鏡を容易に形成することができた。入射光４のうち特定波長帯域の成分が吸収され、反射光５として正反射した。反射特性は、蒸着される金属の種類と絶縁体微小球の粒径に強く依存する。金により反射鏡が作製された場合、図１（ｂ）に示す様に、粒径１００ｎｍの微粒子を用いた際得られる反射率６，同図（ｃ）のように、粒径２００ｎｍの微小球を用いた際得られる反射率７，同図（ｄ）のように粒径３００ｎｍの微小球を用いた際得られる反射率８などとなる。
【０００７】
本発明の反射鏡は、粒径に大きく依存する反面、反射特性は蒸着膜の厚さ，蒸着方向にはさほど依存しないため、曲面状表面においても均一な吸収特性を実現することができた。
【０００８】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
以下、本発明の一実施例を図２により説明する。平坦なシリコン基板１０の上に、蒸着により厚さ５ｎｍから１０００ｎｍの金薄膜１１を形成した。金薄膜表面を親水性にするために、チオグリコール酸ナトリウムの様にカルボン酸を有するチオール溶液（濃度０.０１ｍＭ から１Ｍ）で金薄膜を１分以上処理して、金薄膜表面をチオール分子層１２で化学修飾した。
【０００９】
次に、濃度０.０１ｍＭ から１Ｍのカルボジイミド溶液でチオール分子のカルボン酸を活性化し、水溶液に懸濁された粒径５ｎｍから１００μｍのポリスチレン微小球１３を表面に添加することにより金薄膜表面に吸着した。乾燥後、金を厚さ５ｎｍから１００ｎｍに蒸着して金微粒子１４を形成することにより、反射鏡を作製した。本実施例によれば、任意の反射特性を有する反射鏡を、適切な粒径の微小球を選択することにより容易に作製できる効果がある。
【００１０】
＜実施例２＞
以下、本発明の一実施例を図３により説明する。平坦なガラス基板２０の上に、金の蒸着により厚さ５ｎｍから１０００ｎｍの金薄膜２１を形成した。金薄膜表面を親水性にするために、チオグリコール酸ナトリウムの様にカルボン酸を有するチオール溶液（濃度０.０１ｍＭ から１Ｍ）で金薄膜を１分以上処理して、金薄膜表面をチオール分子層２２で化学修飾した。次に、濃度０.０１ｍＭ から１Ｍのカルボジイミド溶液でカルボン酸を活性化し、水溶液に懸濁された粒径５ｎｍから１００μｍのポリスチレンのＡ微小球２３とＢ微小球２４といった異なる粒径の微小球を表面に添加することにより、金薄膜表面に吸着した。
【００１１】
乾燥後、厚さ５ｎｍから１００ｎｍの金をさらに蒸着して金微粒子２５を形成することにより、同図（ｂ）のように、Ａ微小球２３による吸収２６とＢ微小球２４による吸収２７を合わせた広波長帯域吸収特性２８の反射鏡を作製した。本実施例によれば、任意の広帯域吸収特性を有する反射鏡を容易に作製できる効果があり、また吸着する微小球は二種類に限定するものではない。
【００１２】
＜実施例３＞
以下、本発明の一実施例を図４により説明する。同図（ａ）のように、放物面を有する高分子基板３０に、蒸着により厚さ５ｎｍから１０００ｎｍの銀薄膜を形成した。銀薄膜表面を親水性にするために、チオグリコール酸ナトリウムの様にカルボン酸を有するチオール溶液（濃度０.０１ｍＭ から１Ｍ）で銀薄膜を１分以上処理して、銀薄膜表面をチオール分子層で化学修飾した。次に、濃度0.01ｍＭから１Ｍのカルボジイミド溶液でカルボン酸を活性し、水溶液に懸濁された粒径５ｎｍから１００μｍのポリスチレン微小球を表面に添加することにより、銀薄膜表面に吸着した。乾燥後、厚さ５ｎｍから１００ｎｍの銀をさらに蒸着することにより、吸収膜３１で被覆された反射面３２を有する放物鏡３３を作製した。
【００１３】
本実施例によれば、任意の反射特性を有する反射鏡を容易に作製できるため、従来であれば同図（ｂ）のように反射鏡３４と吸収フィルタ３５の個別の光学素子を必要とした場合にも、一つの反射鏡で代用でき、光学系の簡素化の効果がある。また本実施例によれば、放物面のみならず、図５に示す様に複雑な反射面 ４０を有する反射鏡４１も容易に作製できる効果がある。
【００１４】
＜実施例４＞
以下、本発明の一実施例を図６により説明する。平坦なシリコン基板５０の上に、蒸着により厚さ５ｎｍから１０００ｎｍの金薄膜５１を形成した。金薄膜表面を親水性にするために、チオグリコール酸ナトリウムの様にカルボン酸を有するチオール溶液（濃度０.０１ｍ Ｍから１Ｍ）で金薄膜を１分以上処理して、金薄膜表面をチオール分子層５２で化学修飾した。次に、濃度０.０１ｍＭ から１Ｍのカルボジイミド溶液でチオール分子のカルボン酸を活性化し、水溶液に懸濁された粒径５ｎｍから１００μｍのポリスチレン微小球５３を表面に添加することにより金薄膜表面に吸着した。乾燥後、金を厚さ５ｎｍから１００ｎｍに蒸着して金微粒子５４を形成した。二層目の反射面を構築するにあたって、絶縁体薄膜５５を形成し、次に一層目と同様な手法により、銀薄膜５６，微小球５７，金微粒子５８から構成される二層目の反射膜を構築した。本実施例によれば、各反射層において適切な粒径の微小球を選択することにより、任意の反射特性を有する反射鏡を容易に作製できる効果がある。
【００１５】
【発明の効果】
本発明により、任意波長帯域の吸収特性を有し、また任意の表面形状を有する反射鏡の作製方法を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成と基板上に形成された金属微小球により生じる光反射特性を示す図。
【図２】本発明の一実施例の反射鏡の作製工程を示す断面図。
【図３】粒径の異なる複数の微小球を用いた実施例の断面図とその光吸収特性を示す図。
【図４】反射鏡と吸収フィルタの機能を一体化した実施例の反射鏡と、従来例を示す断面図。
【図５】複雑な曲面を有する反射鏡に、光学的に均一に吸収膜を形成した実施例の断面図。
【図６】反射層を複数有する実施例の反射鏡を示す断面図。
【符号の説明】
１…金属基板、２…絶縁体微小球、３…金属微粒子、４…入射光、５…反射光、６…粒径１００ｎｍの微小球を用いた際得られる反射率、７…粒径２００ｎｍの微小球を用いた際得られる反射率、８…粒径３００ｎｍの微小球を用いた際得られる反射率、１０…シリコン基板、１１…金薄膜、１２…チオール分子層、 １３…ポリスチレン微小球、１４…金微粒子、２０…ガラス基板、２１…金薄膜、２２…チオール分子層、２３…Ａ微小球、２４…Ｂ微小球、２５…金微粒子、２６…Ａ微小球による吸収、２７…微小球Ｂによる吸収、２８…広波長帯域吸収特性、３０…放物面を有する高分子基板、３１…吸収膜、３２…反射面、３３…反射鏡、３４…吸収膜を有さない放物鏡、３５…吸収フィルタ、４０…反射面、４１…反射鏡、５０…シリコン基板、５１…金薄膜、５２…チオール分子層、 ５３…ポリスチレン微小球、５４…金微粒子、５５…絶縁体薄膜、５６…銀薄膜、５７…微小球、５８…銀微粒子。
Claims (3)
- 基板の上に金，銀，銅、又はアルミニウムの金属を反射面として用いた反射鏡において、
前記基板に蒸着され表面を親水性とされた金，銀，銅、又はアルミニウムの金属薄膜層と、
前記金属薄膜層に吸着された粒径５ｎｍから１００μｍの単一径のポリスチレン，スチレン／ブタジエン，ポリビニルトルエン，スチレン／ジビニルベンゼン、あるいはビニルトルエン／ターシャリーブチルスチレンの高分子またはシリコン，酸化シリコン，砒化ガリウム，あるいはガラスの非金属の絶縁体微小球と、
前記絶縁体微小球上に蒸着された金，銀，銅、又はアルミニウムの金属微粒子層と、
を備えたことを特徴とする反射鏡。 - 請求項１に記載のものにおいて、前記絶縁体微小球は異なる粒径の複数種類とされたことを特徴とする反射鏡。
- 請求項１に記載のものにおいて、前記金属微粒子層上に形成された絶縁体薄膜と、該絶縁体薄膜上に蒸着され親水性とされた金，銀，銅、又はアルミニウムの第２金属薄膜層と、該第２金属薄膜層に吸着された粒径５ｎｍから１００μｍの単一径のポリスチレン，スチレン／ブタジエン，ポリビニルトルエン，スチレン／ジビニルベンゼン、あるいはビニルトルエン／ターシャリーブチルスチレンの高分子またはシリコン，酸化シリコン，砒化ガリウム、あるいはガラスの非金属の第２絶縁体微小球と、該第２絶縁体微小球上に蒸着された金，銀，銅、又はアルミニウムの第２金属微粒子層と、を備えたことを特徴とする反射鏡。
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1997
- 1997-06-06 JP JP14894197A patent/JP3972410B2/ja not_active Expired - Fee Related
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