JP6269075B2 - 赤外線透過ガラス - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線センサー等に使用される赤外線透過ガラスに関する。
車載ナイトビジョンやセキュリティシステム等には、夜間の生体検知に用いられる赤外線センサーを備えている。赤外線センサーは、生体から発せられる波長約８〜１２μｍの赤外線を感知するため、センサー部の前には当該波長範囲の赤外線を透過するフィルターやレンズ等の光学素子が設けられる。
上記のような光学素子用の材料として、ＧｅやＺｎＳｅが挙げられる。これらは結晶であるため加工性に劣り、非球面レンズ等の複雑な形状に加工することが困難である。そのため量産しにくく、また赤外線センサーの小型化も困難であるという問題がある。
そこで、波長約８〜１２μｍの赤外線を透過し、加工が比較的容易なガラス質の材料として、カルコゲナイドガラスが提案されている（例えば特許文献１または２参照）。
特許文献１及び２に記載のガラスは、ガラス化範囲が狭く熱的に不安定である。またＧｅを多量に含有しており、コスト面で不利である。
以上に鑑み、本発明は、熱的に安定であり、かつ安価な赤外線透過ガラスを提供することを目的とする。
本発明の赤外線透過ガラスは、モル％で、Ｇｅ ０〜２０％（ただし０％、２０％を含まない）、Ｓｂ ０〜４０％（ただし０％を含まない）、Ｂｉ ０〜２０％（ただし０％を含まない）、及び、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ ５０〜８０％を含有することを特徴とする。
本発明の赤外線透過ガラスは、モル％で、Ｇｅ ２〜２０％（ただし２０％を含まない）、Ｓｂ ５〜３５％、Ｂｉ １〜２０％、及び、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ ５５〜７５％を含有することが好ましい。
本発明の赤外線透過ガラスは、さらに、モル％で、Ｓｎ ０〜２０％を含有することが好ましい。
本発明の赤外線透過ガラスは、Ａｓ、Ｃｄ、Ｔｌ及びＰｂを実質的に含有しないことが好ましい。
本発明の赤外線透過光学素子は、前記赤外線透過ガラスを用いることを特徴とする。
本発明の赤外線センサーは、前記赤外線透過光学素子を用いることを特徴とする。
本発明によれば、熱的に安定であり、かつ安価な赤外線透過ガラスを提供することが可能となる。
本発明の赤外線透過ガラスは、モル％で、Ｇｅ ０〜２０％（ただし０％、２０％を含まない）、Ｓｂ ０〜４０％（ただし０％を含まない）、Ｂｉ ０〜２０％（ただし０％を含まない）、及び、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ ５０〜８０％を含有することを特徴とする。このようにガラス組成を規定した理由を以下に説明する。
Ｇｅはガラス骨格を形成するための必須成分である。Ｇｅの含有量は０〜２０％（ただし０％、２０％を含まない）であり、２〜２０％（ただし２０％を含まない）であることが好ましく、２〜１８％であることがより好ましく、４〜１５％であることがさらに好ましい。Ｇｅを含有しない場合は、ガラス化しにくくなる。一方、Ｇｅの含有量が多すぎると、Ｇｅ系の結晶が析出しやすくなるとともに、原料コストが高くなる傾向がある。
Ｓｂもガラス骨格を形成するための必須成分である。Ｓｂの含有量は０〜４０％（ただし０％を含まない）であり、５〜３５％であることが好ましく、１０〜３３％であることがより好ましい。Ｓｂを含有しない場合、あるいはその含有量が多すぎると、ガラス化しにくくなる。
Ｂｉはガラス化を促進する成分である。カルコゲナイドガラスは、溶融時にカルコゲン元素であるＳ、Ｓｅ、Ｔｅが揮発しやすい。そのため、組成ズレや、Ｇｅ、Ｓｂとカルコゲン元素との反応性の低さによる不均質性に起因して、ガラス化しにくくなる。そこで、本発明では、ガラス化を促進するため、ガラス組成中にＢｉを含有させている。ガラス組成中にＢｉを含有させることによりガラス化を促進できる理由は以下の通りである。Ｇｅ及びＳｂは、融点がそれぞれ９４０℃及び６３０℃であるのに対し、Ｂｉは融点が２７０℃と低く、比較的低温で融解する。そのため、原料としてＢｉを添加することにより、カルコゲン元素は揮発する前にＢｉと反応し、ガラス化が促進される。なお、Ｂｉにはガラスの熱安定性を向上させる効果もある。ただし、Ｂｉの含有量が多すぎるとガラス化しにくくなる。以上に鑑み、Ｂｉの含有量は０〜２０％（ただし０％を含まない）であり、１〜２０％であることが好ましく、０．５〜１０％であることがより好ましく、２〜８％であることがさらに好ましい。
カルコゲン元素であるＳ、Ｓｅ及びＴｅはガラス骨格を形成する成分である。Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅの含有量（Ｓ、Ｓｅ及びＴｅの合量）は５０〜８０％であり、５５〜７５％であることが好ましく、５８〜６８％であることがより好ましい。Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅの含有量が少なすぎると、ガラス化しにくくなり、一方、多すぎると耐候性が低下する恐れがある。
なお、カルコゲン元素としては、環境面からＳを選択することが好ましい。
本発明の赤外線透過ガラスには、上記成分以外にも、下記の成分を含有させることができる。
Ｓｎはガラス化範囲を広げ、ガラスの熱安定性を高める成分である。Ｓｎの含有量は０〜２０％であることが好ましく、０．５〜１０％であることがより好ましい。Ｓｎの含有量が多すぎると、ガラス化しにくくなる。
Ｚｎ、Ｉｎ、Ｇａ及びＰはガラス化範囲を広げる成分であり、その含有量はそれぞれ０〜２０％であることが好ましい。これらの成分の含有量が多すぎると、ガラスしにくくなる。
Ｃｌ、Ｆ及びＩは赤外線の透過波長範囲を広げる成分であり、その含有量はそれぞれ０〜２０％であることが好ましい。これらの成分の含有量が多すぎると、耐候性が低下しやすくなる。
なお、本発明の赤外線透過ガラスは有毒物質であるＡｓ、Ｃｄ、Ｔｌ及びＰｂを実質的に含有しないことが好ましい。このようにすれば、環境面への影響を最小限に抑えることができる。ここで、「実質的に含有しない」とは、意図的に原料中に含有させないという意味であり、不純物レベルの混入をも排除するものではない。客観的には、各成分の含有量が１０００ｐｐｍ未満を指す。
本発明の赤外線透過ガラスは波長約８〜１２μｍにおける赤外線透過率に優れる。波長約８〜１２μｍにおける赤外線透過率を評価するための指標として、赤外領域における５０％透過波長が挙げられる。本発明の赤外領域における５０％透過波長（厚み２ｍｍ）は１０．５μｍ以上であることが好ましく、１１μｍ以上であることがより好ましい。
本発明の赤外線透過ガラスは、例えば以下のようにして作製することができる。まず、所望の組成となるように原料を調合する。加熱しながら真空排気を行った石英ガラスアンプルに原料を入れ、真空排気を行いながら酸素バーナーで封管する。封管された石英ガラスアンプルを６５０〜８００℃程度で６〜１２時間保持した後、室温まで急冷することにより本発明の赤外線透過ガラスを得る。
原料としては、元素原料（Ｇｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ等）を用いてもよく、化合物原料（ＧｅＳ２、Ｓｂ２Ｓ３、Ｂｉ２Ｓ３等）を用いても良い。
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表１及び表２は本発明の実施例及び比較例をそれぞれ示している。
各試料は次のようにして調製した。所定の組成比となるように、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ及びＳｎを混合し、原料バッチを得た。純水で洗浄した石英ガラスアンプルを加熱しながら真空排気した後、前記原料バッチを入れ、真空排気を行いながら酸素バーナーで石英ガラスアンプルを封管した。
封管された石英ガラスアンプルを溶融炉内で１０〜２０℃／時間の速度で６５０〜８００℃まで昇温後、６〜１２時間保持した。保持時間中、２時間ごとに石英ガラスアンプルの上下を反転し、溶融物を攪拌した。その後、石英ガラスアンプルを溶融炉から取り出し、室温まで急冷することにより試料を得た。
得られた試料について示差熱分析を行い、ガラス転移点の有無から、ガラス化しているかどうかを確認した。表中には、ガラス化しているものは「○」、ガラス化していないものは「×」として表記した。また、各試料につき厚み２ｍｍでの光透過率を測定し、波長８〜１２μｍ付近の赤外領域における５０％透過波長を測定した。なお、図１に実施例１の試料の光透過率曲線を示す。
表１に示すように、実施例１〜５の試料はガラス化しており、５０％透過波長が１１．２〜１１．６μｍであり、波長８〜１２μｍ付近の赤外領域において良好な光透過率を示していた。
一方、比較例１〜４の試料はガラス化しておらず、波長２〜２０μｍの範囲で光透過率はほぼ０％であった。
本発明の赤外線透過ガラスは、赤外線センサー等に用いられる赤外線透過光学素子として好適である。
Claims (6)
- モル％で、Ｇｅ ０〜１８％（ただし０％を含まない）、Ｓｂ ０〜４０％（ただし０％を含まない）、Ｂｉ ０〜２０％（ただし０％を含まない）、及び、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ ５０〜８０％を含有することを特徴とする赤外線透過ガラス。
- モル％で、Ｇｅ ２〜１８％、Ｓｂ ５〜３５％、Ｂｉ １〜２０％、及び、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ ５５〜７５％を含有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線透過ガラス。
- さらに、モル％で、Ｓｎ ０〜２０％を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線透過ガラス。
- Ａｓ、Ｃｄ、Ｔｌ及びＰｂを実質的に含有しないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の赤外線透過ガラス。
- 請求項１〜４のいずれか一項に記載の赤外線透過ガラスを用いることを特徴とする赤外線透過光学素子。
- 請求項５に記載の赤外線透過光学素子を用いることを特徴とする赤外線センサー。
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