JP4177147B2 - 3層反射防止膜 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学薄膜により構成され、例えば、ファラデー回転子、固体レーザ素子、ガラスレーザ素子、セラミックレーザ素子、波長変換素子、カメラレンズ、眼鏡レンズなどの光学部品に適用される反射防止膜に係り、特に、反射率を限りなくゼロに近づけることを可能とする反射防止膜の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
【0003】
【特許文献1】
特公平7−117603号公報(第3欄38行〜第4欄10行)
【特許文献2】
特開平4−38885号公報(特許請求の範囲、第2頁右上欄8行〜14行)
【非特許文献1】
「Thin-film optical filters 2nd edn」(H.A.Macleod, Bristol Adam Hilger Ltd. P95-100, P118-122, 1986)
【0004】
光学薄膜により構成されるこの種の反射防止膜は、従来、以下の表1に示す代表的な膜材料を用いて構成されている。
【0005】
【表1】
ところで、最も単純な反射防止膜は単層反射防止膜であるが、単層反射防止膜に用いる上記膜材料としては、以下の数式(I)で示される膜の屈折率(Nf)の条件を満足しなければならない。
【0006】
Nf=√(N0・Ns) (I)
但し、数式(I)中、N0は媒質の屈折率、Nsは単層反射防止膜が施される基板の屈折率を示している。
【0007】
そして、代表的な光学ガラスBK7基板の屈折率は1.52、石英基板の屈折率は1.45程度であることから、空気中(N0=1.00)で単層反射防止膜に適した屈折率を有する一般的な膜材料は存在しない(表1参照)。
【0008】
そこで、従来、以下に示すような手法を採用した各種の反射防止膜が開発されている。
(1)コンポジット膜法による2層反射防止膜
コンポジット膜法[非特許文献1のp95−100参照]を適用することで、ある数値範囲の基板屈折率に対する2層反射防止膜の設計が可能になる。
【0009】
但し、この2層反射防止膜を高出力レーザ用として適用する場合、耐レーザ損傷の高い膜材料を用いて反射防止膜を設計する必要がある。そして、耐レーザ損傷性の高い膜材料は、一般的にSiO2とAl2O3である。
【0010】
ところで、コンポジット膜法は、膜材料の屈折率により理論的に反射率がゼロとなる基板の屈折率の上限が以下の数式(II)に示すように決まっている。
【0011】
Ns<N0・(N2/N1)2 数式(II)
但し、数式(II)中、N0は媒質の屈折率、Nsは反射防止膜が施される基板の屈折率、N1は膜材料の媒質側層の屈折率、N2は膜材料の基板側層の屈折率を示している。
【0012】
そして、SiO2とAl2O3の膜材料を用いてコンポジット膜法による2層反射防止膜が設計できる基板の屈折率は上記数式(II)から1.23までである。
【0013】
従って、コンポジット膜法を用いて代表的な光学ガラスBK7基板や石英基板についてその反射率をゼロにする膜設計は困難であった(表1参照)。
【0014】
尚、このコンポジット膜法を採用して光学ガラスBK7と石英基板に適用する反射防止膜の反射率が最も小さくなるように設計した膜構成について、その具体例を以下の表2と表3に示し、かつ、それぞれの反射防止膜における分光反射率を図1と図2に示す。
【0015】
そして、図1と図2に示すグラフ図から、反射率をゼロにすることが困難であることが確認される。
【0016】
【表2】
【0017】
【表3】
(2)3層反射防止膜
次に、反射率をゼロに近づける手法として、各層の光学的膜厚がλ/4(λは設計中心波長である)の3層反射防止膜が開発されている。
【0018】
そして、各層の光学的膜厚がλ/4の3層反射防止膜を構成するには、以下の数式(III)の屈折率条件を満足しなければならない。
【0019】
N1・N3=N2√(N0・Ns) 数式(III)
但し、数式(III)中、N0は媒質の屈折率、Nsは反射防止膜が施される基板の屈折率、N1は媒質側から第1層目の膜材料屈折率、N2は媒質側から第2層目の膜材料屈折率、N3は媒質側から第3層目の膜材料屈折率を示している。
【0020】
ところで、この3層反射防止膜を採用して、例えば、高出力レーザ用の反射防止膜あるいは長期信頼性が要求される光通信用部品の反射防止膜を設計する場合、表1に示した全ての膜材料を使用することはできず、耐レーザ損傷性が高く、耐候性に優れた膜材料、具体的には、SiO2、Al2O3、Ta2O5等の膜材料で構成することが望ましい。
【0021】
そして、3層反射防止膜のN1あるいはN2の膜材料に、耐レーザ損傷性の高いSiO2あるいはTa2O5を用いた場合、最も一般的な光学ガラスBK7(屈折率:1.52)に対するN3の屈折率は数式(III)から1.80になる。
【0022】
しかし、代表的な蒸着物質でその屈折率が1.80の材料は、表1に示すように存在しない。
【0023】
そこで、表4に示すように、屈折率N3の膜材料として、屈折率が1.85のY2O3を用いた膜構成では、図3に示すように設計中心波長における理論的な残留反射率は約0.08%になってしまう。
【0024】
また、表5に示すように、屈折率N3の膜材料として、屈折率が1.60のAl2O3を用いた膜構成では、図4に示すよう設計中心波長における理論的な残留反射率は約1.35%になってしまう。
【0025】
従って、高出力レーザ用の反射防止膜あるいは長期信頼性が要求される光通信用部品の反射防止膜を設計する場合、反射率をゼロにする3層反射防止膜は現実には困難であった。
【0026】
【表4】
【0027】
【表5】
【0035】
【発明が解決しようとする課題】
このように光学薄膜により構成される反射防止膜を設計する場合、必要とする屈折率の膜材料を選択することはもちろん、高出力レーザに用いるには膜材料の耐レーザ損傷性等、光通信に用いるには耐候性等も重要な要素となる。
【0036】
例えば、1つの反射防止膜を設計するには、反射防止膜を施す基板の屈折率を考慮して屈折率の異なる膜材料を少なくとも2種類以上選択し、選択された膜材料を用いて目的とする反射防止膜を構成する。
【0037】
そして、最小限の膜総数で目的の反射防止膜を構成するためには、反射防止膜を構成する各層に必要とする屈折率の膜材料を適用する必要がある。
【0038】
もし、必要とする屈折率を有する膜材料が存在しない場合は、少なくとも2層以上の光学薄膜を用いて等価な膜を設計(例えば、3層等価膜法)して用いることになる。
【0039】
従って、利用可能な屈折率を有する膜材料の種類が多いほど、反射防止膜における設計自由度を広げることができる。また、2種類の膜材料を用いて反射防止膜を設計する場合、各膜材料の屈折率差が大きい程設計に自由度が広がる。
【0040】
しかし、使用波長において目的とする屈折率に近く、かつ、使用波長において透過率の高い膜材料が選択された場合でも、用途によっては利用できないことがある。
【0041】
例えば、海底ケーブルの光通信に使用する反射防止膜は、長期信頼性が必要とされるので高温高湿に耐える膜材料を用いた光学薄膜で構成することを要する。また、高出力レーザに用いる反射防止膜は、レーザダメージの閾値が高い膜材料を用いた光学薄膜で構成しなくてはならない。
【0042】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、光学薄膜に適用できる新規な膜材料を用いて限りなく反射率をゼロに近づけられる3層反射防止膜を提供することにある。
【0043】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項1に係る発明は、
基板上に形成される第一薄膜と、第一薄膜上に形成される第二薄膜と、第二薄膜上に形成される第三薄膜とで構成される3層反射防止膜において、
上記基板が屈折率1.52の光学ガラスにより構成され、第一薄膜が屈折率1.80で光学的膜厚(λ/4)のYAG(Y 3 Al 5 O 12 :イットリウムアルミニウムガーネット)により構成され、かつ、第二薄膜が屈折率2.10で光学的膜厚(λ/4)のTa 2 O 5 により構成されると共に、第三薄膜が屈折率1.44で光学的膜厚(λ/4)のSiO 2 により構成されることを特徴とする。
(但し、λは設計中心波長である)
【0044】
次に、請求項2に係る発明は、
基板上に形成される第一薄膜と、第一薄膜上に形成される第二薄膜と、第二薄膜上に形成される第三薄膜とで構成される3層反射防止膜において、
上記基板が屈折率1.52の光学ガラスにより構成され、第一薄膜が屈折率1.44で光学的膜厚(λ/4)のSiO 2 により構成され、かつ、第二薄膜が屈折率2.10で光学的膜厚(λ/4)のTa 2 O 5 により構成されると共に、第三薄膜が屈折率1.80で光学的膜厚(λ/4)のYAG(Y 3 Al 5 O 12 :イットリウムアルミニウムガーネット)により構成されることを特徴とする。
(但し、λは設計中心波長である)
【0045】
次に、請求項3に係る発明は、
基板上に形成される第一薄膜と、第一薄膜上に形成される第二薄膜と、第二薄膜上に形成される第三薄膜とで構成される3層反射防止膜において、
上記基板が屈折率1.52の光学ガラスにより構成され、第一薄膜が屈折率1.60で光学的膜厚(λ/4)のAl 2 O 5 により構成され、かつ、第二薄膜が屈折率1.80で光学的膜厚(λ/4)のYAG(Y 3 Al 5 O 12 :イットリウムアルミニウムガーネット)により構成されると共に、第三薄膜が屈折率1.44で光学的膜厚(λ/4)のSiO 2 により構成されることを特徴とする。
(但し、λは設計中心波長である)
【0046】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0047】
本発明は、反射防止膜を構成する光学薄膜として、YAG(Y3Al5O12:イットリウムアルミニウムガーネット)を主成分とする光学薄膜を新たに追加することで膜設計の自由度を広げることを可能としている。
【0048】
すなわち、YAG(Y3Al5O12:イットリウムアルミニウムガーネット)はレーザ結晶として知られているように非常に硬度が高く、熱伝導率もよく、化学的にも安定で、透過波長域も約250〜5000nmと広く、さらに、光吸収も非常に少なく、耐レーザ損傷性も高いことから、本発明者等はYAGのこれ等特性に着目して反射防止膜への応用を試み、上記課題を解決している。
【0049】
また、YAGの屈折率は1.80で、耐レーザ損傷性が高く、硬度の高い膜として知られている屈折率1.60の上記Al2O3よりも屈折率が大きいため、屈折率1.44のSiO2と組合わせて反射防止膜を設計した場合、屈折率の差が大きいことから膜設計の自由度を広げることを可能とする。
【0050】
すなわち、SiO2の光学薄膜とYAG(Y3Al5O12:イットリウムアルミニウムガーネット)を主成分とする光学薄膜を組み合わせることで、上述したSiO2とAl2O3の組み合わせでは実現できなかった膜層数で反射防止膜の反射率をほとんどゼロにすることを可能にしたり、反射防止膜の膜層数を減らすことを可能とする。
【0051】
尚、YAG(Y3Al5O12:イットリウムアルミニウムガーネット)を主成分とする光学薄膜については、YAG(Y3Al5O12:イットリウムアルミニウムガーネット)の結晶体若しくは焼結体、または酸素欠損を有するYAG(Y3Al5O12-X)の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜してもよいし、あるいは、Y2O3(イットリア)とAl2O3(アルミナ)の結晶体若しくは焼結体、または酸素欠損を有するイットリア(Y2O3-X)と酸素欠損を有するアルミナ(Al2O3-X)の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜してもよい。
【0052】
以下、YAG(Y3Al5O12:イットリウムアルミニウムガーネット)を主成分とする光学薄膜が適用された本発明に係る各種反射防止膜について具体的に説明する。
(1)コンポジット膜法による2層反射防止膜
コンポジット膜法は、上述したように膜材料の屈折率により理論的に反射率がゼロとなる基板の屈折率の上限が数式(II)に示すように決まっている。
【0053】
Ns<N0・(N2/N1)2 数式(II)
そして、SiO2とAl2O3の膜材料を用いてコンポジット膜法による2層反射防止膜が設計できる基板の屈折率は上記数式(II)から1.23まででまであったが、SiO2と屈折率1.80のYAGを膜材料にして成膜した光学薄膜を用いることで、コンポジット膜法により反射率がゼロになる基板の屈折率の上限は上記数式(II)から1.56になる。
【0054】
従って、本発明により、光学ガラスBK7や石英の反射率をゼロにする2層反射防止膜の設計が可能となる。
【0055】
表6と表7にはそれぞれSiO2とYAGを用いて、コンポジット膜法により設計した2層反射防止膜の膜構成を示し、かつ、それぞれの反射防止膜における分光反射特性を図5と図6に示す。
【0056】
【表6】
【0057】
【表7】
(2)3層反射防止膜
SiO2、Ta2O5とYAG、あるいはSiO2、Al2O3とYAGを用いて、屈折率1.52のガラス(BK7)基板および屈折率1.64のガラス(BACD18)基板に対する各層の光学的膜厚がλ/4の3層反射防止膜について、以下の数式(III)により設計した3層反射防止膜の膜構成を表8、表9、表10にそれぞれ示すと共に、それぞれの3層反射防止膜における分光反射特性を図7、図8、図9に示す。
【0058】
N1・N3=N2√(N0・Ns) 数式(III)
これらの3層反射防止膜の設計中心波長における理論的な残留反射率は、0.01%以下である。
【0059】
【表8】
【0060】
【表9】
【0061】
【表10】
【0072】
【実施例】
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
【0073】
尚、実施例では、YAGと他の膜材料を比較すると共に、本発明に係る反射防止膜の各種特性を、従来の反射防止膜の特性と比較する。
【0074】
膜材料にはYAG組成の焼結体とYAG結晶を用い、電子ビーム蒸着法とマグネトロンスパッタ法により成膜を行った。成膜中には、膜に酸素が不足して光吸収が増加しないように、どちらもYAG薄膜の成膜中には酸素を導入した。
【0075】
このように成膜したYAG薄膜の屈折率は約1.80であり、Al2O3の1.60より高く、Y2O3の1.85より低かった。
【0076】
次に、これ等膜材料を用いて成膜した光学薄膜の各種特性を調べるため、以下のテストを行い、SiO2、Al2O3、ZrO2、Ta2O5を膜材料にして成膜した光学薄膜と相対的に比較した。尚、結果を表11に示す。
【0077】
耐候性(PCTプレッシャークッカ - テスト)
温度105℃、湿度100%、2気圧で500時間経過後、ピンホールからの水分の浸透によるシミの広がりを50倍の顕微鏡で観察する。
【0078】
尚、表11において、良好を「○」、不良を「×」、その中間を「△」にて示す。
【0079】
擦傷性
2kgの加重をかけたスチールウールで10回往復擦り、傷を観察する。
【0080】
尚、表11において、傷なしを「○」、傷が多を「×」、その中間を「△」にて示す。
【0081】
付着力
接着剤(エポキシ接着剤)を用いて光学薄膜表面に引っ張り試験治具(丸棒)を固定し、基板と膜界面から剥がれるまで引っ張り試験機により引っ張り、その引っ張り力の相対強度を比較する。
【0082】
尚、表11において、付着力が強い場合を「○」、付着力が弱い場合を「×」、その中間を「△」にて示す。
【0083】
レーザ損傷閾値
Nd:YAGレーザにおける第2高調波の波長:532nm、パルス幅:8nsのレーザをレンズを用いて集光させ、どの程度のパワー密度(J/cm2)まで損傷を受けないかを調べる。
【0084】
尚、表11において、レーザ損傷閾値が比較的高い場合を「○」、レーザ損傷閾値が比較的低い場合を「×」、その中間を「△」にて示す。また、レーザ損傷閾値が極めて高い場合を「◎」にて示す。
【0085】
【表11】
『比較試験結果』
1.表11「耐候性」の欄に示された結果から確認されるように、YAGは、ZrO2やTa2O5を膜材料として成膜した光学薄膜よりピンホールからの水分の浸透によるシミの広がりが少なかった。
【0086】
YAGはグレインサイズが細かく緻密なため、耐候性(耐湿性)が高いと考えられる。
2.表11「擦傷性」の欄に示された結果から確認されるように、YAGは従来ハードコートに用いられていたSiO2を膜材料として成膜した光学薄膜よりも明らかに優れていた。
3.表11「付着力」の欄に示された結果から確認されるように、基板がガラスの場合、YAGおよびSiO2を膜材料にして成膜した膜で良好な付着力が得られているが、基板がYAG結晶の場合、基板側層がYAGの方が良好な付着力を得ることができる。
4.表11「レーザ損傷閾値」の欄に示された結果から確認されるように、YAGは、YAG結晶がレーザ結晶に使用されているように光吸収が少なく、酸化物系の薄膜の中ではSiO2膜の次にレーザ損傷閾値が高い。
【0087】
この比較試験結果から以下のことが理解される。
【0088】
まず、YAG膜を光学薄膜に用いることで、この屈折率を利用して新たな反射防止膜の設計が可能になり、また、YAGを膜材料にして成膜した膜が耐候性、硬度、付着力に優れている特性を生かして、この膜を最表面側や基板側に用いて光学薄膜を設計することで、今までにない特性を有した光学薄膜を成膜することができる。
【0089】
さらに、YAG膜は耐レーザ損傷性にも優れているので、SiO2、Al2O3と組み合わせることにより、耐レーザ損傷性に優れた反射防止膜を得ることができる。
【0090】
以下、実施例に係る個々の反射防止膜(膜構成の詳細は実施の形態欄参照)について、従来の反射防止膜より優れている点を具体的に説明する。
(2)3層反射防止膜
SiO2、Ta2O5とYAGを用い、屈折率1.52のガラス(BK7)基板に対して形成した各層の光学的膜厚がλ/4の実施例に係る3層反射防止膜(表9参照)については、最表面層がYAGのため、上記YAG単層と同様に耐候性に優れ、擦傷性にも優れていた。
【0099】
【発明の効果】
本発明に係る3層反射防止膜によれば、
YAG(Y3Al5O12:イットリウムアルミニウムガーネット)を主成分とする光学薄膜を有するため以下のような顕著な効果を有する。
【0100】
まず、YAGの屈折率を利用して新たな反射防止膜の設計が可能となり、かつ、YAGの光学薄膜が具備する耐候性、硬度、付着力等の特性を生かしてこの膜を最表面側や基板側に用いて光学薄膜を設計することで、今までにない特性(反射率が限りなくゼロに近づく特性)を有した3層反射防止膜を得ることが可能となる効果を有する。
【0101】
さらに、YAGの光学薄膜は耐レーザ損傷性にも優れているので、SiO2、Al2O3と組み合わせることにより、耐レーザ損傷性に優れた3層反射防止膜を得ることができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の2層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図2】 従来の2層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図3】 従来の3層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図4】 従来の3層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図5】 YAGが用いられた2層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図6】 YAGが用いられた2層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図7】 本発明に係る3層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図8】 本発明に係る3層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図9】 本発明に係る3層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
Claims (3)
- 基板上に形成される第一薄膜と、第一薄膜上に形成される第二薄膜と、第二薄膜上に形成される第三薄膜とで構成される3層反射防止膜において、
上記基板が屈折率1.52の光学ガラスにより構成され、第一薄膜が屈折率1.80で光学的膜厚(λ/4)のYAG(Y 3 Al 5 O 12 :イットリウムアルミニウムガーネット)により構成され、かつ、第二薄膜が屈折率2.10で光学的膜厚(λ/4)のTa 2 O 5 により構成されると共に、第三薄膜が屈折率1.44で光学的膜厚(λ/4)のSiO 2 により構成されることを特徴とする3層反射防止膜。
(但し、λは設計中心波長である) - 基板上に形成される第一薄膜と、第一薄膜上に形成される第二薄膜と、第二薄膜上に形成される第三薄膜とで構成される3層反射防止膜において、
上記基板が屈折率1.52の光学ガラスにより構成され、第一薄膜が屈折率1.44で光学的膜厚(λ/4)のSiO 2 により構成され、かつ、第二薄膜が屈折率2.10で光学的膜厚(λ/4)のTa 2 O 5 により構成されると共に、第三薄膜が屈折率1.80で光学的膜厚(λ/4)のYAG(Y 3 Al 5 O 12 :イットリウムアルミニウムガーネット)により構成されることを特徴とする3層反射防止膜。
(但し、λは設計中心波長である) - 基板上に形成される第一薄膜と、第一薄膜上に形成される第二薄膜と、第二薄膜上に形成される第三薄膜とで構成される3層反射防止膜において、
上記基板が屈折率1.52の光学ガラスにより構成され、第一薄膜が屈折率1.60で光学的膜厚(λ/4)のAl 2 O 5 により構成され、かつ、第二薄膜が屈折率1.80で光学的膜厚(λ/4)のYAG(Y 3 Al 5 O 12 :イットリウムアルミニウムガーネット)により構成されると共に、第三薄膜が屈折率1.44で光学的膜厚(λ/4)のSiO 2 により構成されることを特徴とする3層反射防止膜。
(但し、λは設計中心波長である)
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