JPH02135401A

JPH02135401A - ゲルマニウム用反射防止膜

Info

Publication number: JPH02135401A
Application number: JP63290513A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Morimoto; 森本　幸博; Toru Tajime; 田治米　徹
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-11-17
Filing date: 1988-11-17
Publication date: 1990-05-24

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、赤外光学装置のレンズ等の光学素子に用い
られるゲルマニウムの表面における反射を広帯域にわた
って防止するゲルマニウム用反射防止膜に関するもので
ある。

［従来の技術］赤外光学装置におけるレンズ等の光学素子に用いられる
ゲルマニウムは屈折率が高く、その表面における反射が
大きい。このため、信号光の減少が大きく、また光学素
子間の多重反射によるフレアやゴーストが大きいので、
赤外光学装置の光学特性が著しく劣化する。そこで、ゲ
ルマニウムの表面には上記反射を防止する反射防止膜が
設けられている。

一般に、屈折率が光学素子の屈折率の平方根に等しく、
光学的厚さ（屈折率と厚さの積）が基準波長λ。の１／
４である単１１Ｎ膜の場合、単層膜の空気との境界面に
おける反射光と光学素子との境界面における反射光とが
干渉しあって基準波長λ。

における反射率が０％となることは良く知られている。

しかし、赤外光学装置では、例えば３〜５μｍあるいは
８〜１３μｍと利用する帯域が広く。

広帯域にわたって反射を防止しなければならないので、
単層膜ではその反射防止が不十分であり、多層からなる
反射防止膜が必要である。

広帯域にわたって反射を防止する多層反射防止膜として
、マグロ−ヒル・ブック・カンパニー（ＭＣＧＲＡＷ−
旧ＬＬ　ＢＯＯＫ　ＣＯＭＰＡＮＹ）から１９７８年発
行の「光学ハンドブックＪ　（Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ
　０ｐｔｉｃｓ）のｐ８−４９に次式を満足する三層反
射防止膜が提示されている。

ｎｌ　　ｎｌ　　”　　ｎ２　　　”　　ｎｏ　　ｎｍ
　　　　　　　　　　（’１ｎｌ　　ｄ＋＝　　ｎ２　
　ｄ２”　　ｎｌ　ｄ３　”　　λＯ／４（２１λ０　
＝λ、λ２／２（λ１　＋λ２　）　　　　　　　＋３
）ｎ、：第１層の屈折率、ｄ、：第１層の厚さｎ２：第
２層の屈折率、ｄ２：第２層の厚さｎｌ：第３層の屈折
率、ｄ３：第３層の厚さｎｏ　　空気の屈折率ｎ、：光学素子の屈折率 λ、・帯域の短波長側の限界波長 λ２　帯域の長波長側の限界波長 λ０二基準波長なお、各層は空気側より第１層、第２層、第３層と称す
る。

また、ゲルマニウム用としては、各層の屈折率がｎ　１
　＝１．３５．　ｎ　２　＝２．２０．　ｎ　３　＝３
．３０である３層反射防止膜が示されている。第１層の
材料として、屈折率が１．３５程度と低く赤外光に対し
て透過性を示すフッ化ナトリウム、クリオライト、フッ
化マグネシウム、フッ化カルシウム等のフッ化物がある
。屈折率が２．２０前後である第２層の材料としては硫
化亜鉛が考えられる。また、屈折率が高い第３層の材料
としてはシリコンが考えられる。

以上のことから、従来のゲルマニウム用反射防止膜は第
３図に示すような構成をしていた。図において、（１）
はフッ化カルシウムからなる第１層、（２）は硫化亜鉛
からなる第２層、（８）はシリコンからなる第３ｒｒ３
であり、（５）は光学素子として用いられるゲルマニウ
ムである。なお、各Ｎ（１）、　＋２１．　＋８１の光
学的厚さはいずれも基準波長λ。の１／４である。

第４図は、第３図に示す上記ゲルマニウム用反射防止膜
の残留反射率の波長依存性を示す特性図である。実用の
見地から重要である３〜５μｍ帯に対して反射を防止す
るため、第（３）式より基準波長λ。を３．７５μｍと
した場合の特性である。上記帯域における平均残存反射
率は０．６％であり、広帯域にわたってゲルマニウムの
表面における反射を防止できる。なお、以下では上記３
〜５μｍ帯用の反射防止膜として説明していく。

［発明が解決しようとする課題］従来のゲルマニウム用反射防止膜は以上のように構成さ
れており、各層の材料の線膨張係数はフッ化カルシウム
が２４．０Ｘ１０−’、硫化亜鉛が７．５ＸＩＯ−’、
シリコンが２．５ＸＩＯ−’である。コノため、フッ化
カルシウムの線膨張係数とシリコンの線膨張係数の差が
大きく、温度が変わったときクラックが生じやすく信頼
性に問題があった。特に温度が下がる場合、線膨張係数
が大きいフッ化カルシウムがシリコンより縮まろうとす
るため、引張り応力を受はクラックが生じやすかった。

また、第１層の材料として考えられるフッ化ナトリウム
、クリオライト、フッ化マグネシウム等の他のフッ化物
もフッ化カルシウム同様、線膨張係数が大きく、上記と
同様の問題点があった。

また、第５図は、３層反射防止膜において第１層がフッ
化物で第２層が硫化亜鉛であるときの第３層の屈折率と
帯域内の平均反射率の関係を示す特性図である。広帯域
にわたって反射を防止し帯域内の平均反射率を十分小さ
くするには、第３層の屈折率は３．２〜３．７でなけれ
ばならないことが図よりわかる。このように高い屈折率
を有し赤外光に対して透過性を示す材料はシリコンしか
ない。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、広帯域にわたってゲルマニウムの表面におけ
る反射を防止するとともに、温度変化に強く信頼性の高
いゲルマニウム用反射防止膜を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］この発明に係るゲルマニウム用反射防止膜は、第１層を
光学的厚さが基準波長λ。の１／４であるフッ化物層と
し、第２層を光学的厚さが基準波長λ。の１／４である
硫化亜鉛層とし、第３Ｍ４をゲルマニウム層、第４層を
硫化亜鉛層とするとともに、上記第３層、第４層及び第
３層と同じ厚さを有するゲルマニウムの表層部からなる
対称３層構造の等価的な光学的厚さが基準波長λ。の１
／４で屈折率が３．２〜３．７であるよう第３層と第４
層の厚さｄ、、ｄ、を次式のように関係付けたものであ
る。

３．２≦ ≦３．７ｃｏｓ　−”　［ｃｏｓ２ｂａ　ｃｐｓδ４−２　（：
　＋　Ｐ、　）　５ｉｎ２１ｂ　ｓｉｎδ４］＝晋−２
−３ｎｉｄ３ｔ　　δ４＝−２Ｊｎ４ｄ４δ３−λ。　
　　　　　　　　λ。

（ｎ３はゲルマニウムの屈折率、ｎ４は硫化亜鉛の屈折
率）［作用］ゲルマニウムからなる第３層、硫化亜鉛からなる第４層
及びゲルマニウムの表層部で形成される対称３ＷＪ構造
は、等価的に光学的厚さが基準波長λ。の１／４で屈折
率が３．２〜３．７であるので、この発明による反射防
止膜は、第１Ｎがフッ化物層で、第２層が硫化亜鉛層で
、第３層部が屈折率３．２〜３．７の層であり、各層の
光学的厚さが基準波長λ。の１／４である３層反射防止
膜と見做すことができ、ゲルマニウムの表面における反
射を広帯域にわたって防止する。また、上記３層反射防
止膜の第３Ｎ部を比較的線膨張係数が大きいゲルマニウ
ムと硫化亜鉛とで形成しているので、温度変化に強く高
い信頼性を有する。

［実施例］以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図において、（１）はフッ化物からなる第１層、（
２）は硫化亜鉛からなる第２層、（３）はゲルマニウム
からなる第３層、（４）は硫化亜鉛からなる第４層であ
り、（５）は光学素子として用いられるゲルマニウムで
ある。第１層（１１及び第２層（２）の光学的厚さは基
準波長λ。の１／４である。第３層（３）、第４層（４
）及び第３層（３）と同じ厚さを有するゲルマニウム（
５）の表層部（６）は、対称３層構造（７）を形成して
いる。また、第３７＠　（３１及び第４７ＦＪ　ｔ４）
の厚さｄ３゜ｄ４は、次の第（４）弐〜第（７）式の関
係を有している。

３．２≦ ≦３．７　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　１４）ｃｐｓ−’　［ｃｏｓ２５３ｃｏｓδ’　−２
（）鐘）　’Ｊ’に１２ｂｓ　ｓｉｎδ４］＝晋（５）
δ３　　”’　ｎ３ｄユ（６１＃δ、　＝　　１ｘｎ４
，３４（７）−λ。　　　　　　　　　　　　　　　λ
０ここで、ｎ３はゲルマニウムの屈折率、ｎ４は硫化亜
鉛の屈折率である。

一般に、屈折率がｎ、で厚さがｄ、である外側の層と屈
折率がｎｂで厚さがｄあである内側の層からなる対称構
造をした３層膜は、波長λに対して周囲の媒質に関係な
く次式で与えられる屈折率Ｎ及び厚さＤを等価的に有す
る。

Ｎ＝Ｄ＝迅μｓ゛１［μｓム預δ５−↓（社十と）歯環ｎδｂｌ
（９）δ、　＝　”ｎａｄａ　　（１０）＃δ、　＝　
　：２Ｊｃｎ、ｄ、　（１１）λ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　λここで、第１図の対称３層構造（７
）において、外側の層の屈折率が０３で厚さがｄ３であ
り、内側の層の屈折率がｎ４で厚さがｄ４であるので、
ｎａ　　”　ｎ３　　ｔ　　ｎｂ　　＝＝　ｒ１４ｇ　
　ｄａ　　”ｄユ＊ｄｂ＝ｄ、を第（８）弐〜第（１１
）式に代入する。第３層（３）の厚さｄ３と第４層（４
）の厚さｄ４とは第（４）弐〜第（７）式の関係にある
ので、対称３層構造（７）の光学的厚さは基準波長λ。

の】／４で屈折率は３．２〜３．７となる。このため、
第１図に示した４層からなる反射防止膜は、第１ＮＪが
フッ化物層で、第２層が硫化亜鉛層で、第３ＷＪ部が屈
折率３．２〜３．７の層で、しかも各層の光学的厚さが
基準波長λ。の１／４である３層反射防止膜と見做すこ
とができるので、第５図より広帯域にわたってゲルマニ
ウムの表面における反射を防止できることがわかる。

第２図は、この発明によるゲルマニウム用反射防止膜の
設計例を表で示したものである。第１Ｊｆｆｌがフッ化
ナトリウム、クリオライト、フッ化マグネシウムあるい
はフッ化カルシウムの場合であり、波長範囲３〜５μｍ
における反射を防止するものである。いずれの場合も上
記波長範囲における平均反射率は０．３２％以下であり
、広帯域にわたって反射を防止できることがわかる。な
お、ここでは、基準波長λ。は第（３）式によらず、各
材料の組合せにおいて上記平均反射率が最小になるよう
に設定した。

また、第１図に構造を示したこの発明による反射防止膜
では、上記のようにゲルマニウムからなる第３　ＷＪ（
３１、硫化亜鉛からなる第４層（４）及びゲルマニウム
（５）の表層部（６）で形成された対称３層構造（７）
が光学的に従来の３層反射防止膜のシリコンからなる第
３　［（８１と同様の作用を有しているが、ゲルマニウ
ム及び硫化亜鉛の線膨張係数はそれぞれ５．８Ｘ１０−
’、　７．５　Ｘｌ０−’とシリコンの線膨張係数より
大きい。このため、第１１＋１１のフッ化物の線膨張係
数との差が小さく、温度が変化したときに生じる応力が
より小さくなるので、クラックの発生率が小さく高い信
頼性が得られる。

なお、以上は３〜５μｍ帯におけるゲルマニウム用反射
防止膜について説明したが、各層（１）〜（４）の厚さ
を約２．６倍することで、実用の見地から重要である８
〜１３μｍ帯においても同様に効果を有する。

［発明の効果］以上のように、この発明によれば、広帯域にわたってゲ
ルマニウムの表面における反射を防止できる３層反射防
止膜の第３層部を、線膨張係数の比較的大きなゲルマニ
ウム層、硫化亜鉛層及びゲルマニウムの表層部からなる
対称３層構造により形成したので、広帯域にわたってゲ
ルマニウムの表面における反射を防止するとともに、温
度変化に強く高い信頼性が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるゲルマニウム用反射
防止膜を示す構成図、第２図はこの発明によるゲルマニ
ウム用反射防止膜の設計例を示す図表、第３図及び第４
図は従来のゲルマニウム用反射防止膜の構成図及び残存
反射率の波長依存性を示す特性図、第５図は光学的厚さ
が等しい３ＦＶｊの反射防止膜において第１層をフッ化
物層、第２層を硫化亜鉛層としたときの第３層の屈折率
と残存反射率の関係を示す特性図である。（１）はフッ化物からなる第１層、（２）は硫化亜鉛か
らなる第２層、（３）はゲルマニウムからなる第３層、
（４）は硫化亜鉛からなる第４層、（５）はゲルマニウ
ム、（６）はゲルマニウム（５）の表層部、（７）は対
称３層構造。なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】　光学素子として用いられるゲルマニウムに向かって、
フッ化物からなり光学的厚さが基準波長λ＿０の１／４
である第１層と、硫化亜鉛からなり光学的厚さが基準波
長λ＿０の１／４である第２層と、ゲルマニウムからな
り厚さがｄ＿３である第３層と、硫化亜鉛からなり厚さ
がｄ＿４である第４層を備え、上記第３層及び第４層の
厚さｄ＿３、ｄ＿４が次式の関係にあることを特徴とす
るゲルマニウム用反射防止膜。 ▲数式、化学式、表等があります▼ （ｎ＿３はゲルマニウムの屈折率、ｎ＿４は硫化亜鉛の
屈折率）