JPH04217201A - 赤外線光学部品 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、赤外線反射鏡や光学窓
材などの赤外線光学部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、通信、観測、制御および評価など
の様々な技術分野において、赤外線を利用した技術が適
用されるようになってきている。このような赤外線を利
用した技術を実現するための赤外線光学部品には、反射
鏡、透光性の窓材、分光器、レンズ、フィルタ、ビーム
スプリッタなどがあり、これらの光学部品には赤外線の
損失が少ないという特性が要求される。すなわち、赤外
線の吸収が少なく、また赤外線の散乱が小さいことが必
要である。

【０００３】たとえば反射鏡では、基材の表面に金属膜
を形成して構成したものなどが、充分な特性を有してい
る。この金属膜に適用可能な金属材料には、Ａｌ，Ｒｈ
，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇなどがある。特に高い反射率が要求
される用途に対してや、金属膜表面の保護が必要である
場合には、金属膜表面にＣｅＯ２　，ＳｉＯ２　，Ｓｉ
Ｏ，Ａｌ２　Ｏ３　，ＭｇＦ２　などの誘電体膜が付加
される場合もある。

【０００４】また、窓材などに適用される透光性の材料
としては、ＺｎＳ，ＭｇＦ２　，ＮａＣｌ，ＫＣｌ，Ｚ
ｎＳｅ，ＬｉＦ，ＭｇＡｌ２　Ｏ４　，ＳｉＯ２　，Ｃ
ａＦ２　，ＢａＦ２　などの誘電体や、Ｓｉ，Ｇｅなど
の半導体が挙げられ、要求される特性に応じて、表面に
種々の誘電体膜などが付加される場合もある。上記の材
料のうち硫化亜鉛（ＺｎＳ）は、透光性を示す波長領域
が０．４〜１４．４μｍと広く、しかも比較的大きな多
結晶バルク材料を得ることもできるので、赤外線光学部
品の構成材料として今後の応用が期待される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、赤外線
光学部品には、赤外線の吸収および散乱が少ないことが
要求される。このうち赤外線の吸収は、大部分が材料の
本質的な特性の影響によるものであるので、材料の選択
に依存すると言える。一方、赤外線の散乱には、材料内
部の微細構造などによる散乱の他に、部品の表面での散
乱がある。この部品の表面での赤外線の散乱は、基本的
には、表面研磨技術に依存し、現状では特に問題がない
程度まで表面研磨技術が確立されていると言える。

【０００６】しかしながら、通常の取扱を繰り返してい
るうちに表面に機械的な損傷が与えられたり、自然環境
にさらされるなどの劣悪な環境下で使用されて表面に損
傷を受ける場合などには、部品の表面での赤外線の散乱
が使用とともに増加することになる。これにより、当該
赤外線光学部品の特性が劣化し、ひいては当該赤外線光
学部品を含む光学的システム全体の能力の低下を招来す
ることになる。

【０００７】たとえば、ほとんどの金属膜は柔らかくて
容易に損傷を受ける。すなわち、Ａｌ蒸着膜は布でこす
るだけで傷が入り、またＡｕ膜やＡｇ膜はＡｌ膜よりも
さらに柔らかくて傷が入りやすい。したがって、このよ
うな金属膜を用いた反射鏡では、定期的に再コートして
、表面の状態を良好に維持する必要がある。定期的な再
コートが不可能な場合には、金属表面に誘電体からなる
保護膜を形成して、長期使用に耐え得るようにすること
もある。しかし、保護膜よりも硬度の高い材料からなる
他の部材との接触回数が多い反射鏡や、航空機や人工衛
生などのような高速飛翔体において使用される反射鏡な
どでは、上記の誘電体の保護膜でも不十分であった。

【０００８】赤外線透光性材料を用いた窓材などの光学
部品においても、同様である。たとえば、上記のように
赤外線透光材料として有用な硫化亜鉛を例にとると（こ
の材料は耐水性、耐薬品性、耐熱性などに優れており、
光学的にも有効な材料である）、ヌープ硬度が約２５０
ｋｇ／ｍｍ２　程度で、機械的接触に対してやや弱く、
表面損傷を受けやすい。各種の誘電体膜を表面コートす
ることによって或る程度の効果は見られるものの、さら
なる機械的特性の向上が要求されている。

【０００９】そこで、本発明の目的は、上述の技術的課
題を解決し、表面の機械的強度を格段に向上して、赤外
線散乱特性の劣化を抑制することができる赤外線光学部
品を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の赤外線光学部品では、基材の少なくとも
１表面に、ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素層
とＳｉ層とを含む多層コートが施される。ここで、ダイ
ヤモンド層またはダイヤモンド状炭素層は、多層コート
膜の最外層を構成し、このダイヤモンド層またはダイヤ
モンド状炭素層の内側に隣接してＳｉ層が形成される。

【００１１】ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素
層は、公知のプラズマＣＶＤ法、熱フィラメント法、イ
オンプレーティング法、スパッタ法、イオンビーム法な
どにより形成することができる。またＳｉ層は、公知の
ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、真空蒸着法、イオンプレ
ーティング法、スパッタ法により形成可能である。上記
Ｓｉ層の膜厚は、５０Å以上であることが好ましい。こ
れは、５０Å以下の膜厚では、完全な膜の形成が困難だ
からである。

【００１２】また、上記ダイヤモンド層またはダイヤモ
ンド状炭素層の膜厚は、２００Å乃至２００μｍである
ことが好ましい。２００Å未満の膜厚では、基材表面を
保護する保護膜として充分に機能させることができず、
また２００μｍ以上の膜厚では内部応力などの影響によ
り剥離が生じたり、また赤外光の透過率が低下したりす
るからである。

【００１３】上記赤外線光学部品が赤外線反射鏡である
ときには、上記基材は、金属製のものであるか、または
金属膜が表面に形成されているものであってもよい。ま
た、上記赤外線光学部品が光学窓材などであるときには
、上記基材は、赤外線透光材料で構成されたものである
ことが好ましい。一例として、上記基材が硫化亜鉛を材
料として構成されている場合がある。

【００１４】硫化亜鉛を材料として基材を構成した場合
には、上記多層コート膜が、上記基材とＳｉ層との間に
少なくとも１層のＭｇＦ２　層を含むことが好ましい。 これにより、硫化亜鉛基材に良好に付着するＭｇＦ２　
層によって、多層コート膜を付着性良好に基材表面に形
成することができる。ＭｇＦ２　層は、公知の真空蒸着
法、イオンプレーティング法、スパッタ法などにより形
成することができる。

【００１５】

【作用】ダイヤモンド膜およびダイヤモンド状炭素膜は
、赤外光に対して充分な透過性を有している。また、ダ
イヤモンド膜はビッカース硬度が約１００００ｋｇ／ｍ
ｍ２　ときわめて高い。このような高硬度の膜を光学部
品の外界に接触する表面に形成することにより、光学部
品表面の損傷を著しく低減することができる。

【００１６】一方、ダイヤモンド膜またはダイヤモンド
状炭素膜は、誘電体や金属に対する付着力に劣り、剥離
が生じやすい。本件発明者は、ダイヤモンド膜またはダ
イヤモンド状炭素膜に対する各種の膜材料に対する付着
力に関する鋭意研究を行った結果、これらの膜はＳｉに
対して高い付着性を示すことが判明した。そこで、本発
明では、ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素層を
形成するための下層として、Ｓｉ層を形成することとし
ている。これにより剥離の起こりにくい保護膜の形成が
可能となった。なお、Ｓｉ層は、赤外光に対して充分な
透過性を示す。

【００１７】この発明が特に効果を発揮する赤外線光学
部品は、赤外反射鏡や光学窓などの透光性材料である。 上述のように、赤外反射鏡に用いられる金属膜は傷など
の損傷を受けやすく、装置系への着脱を繰り返すうちに
表面に散乱の原因となる傷がしばしば入る。また、航空
宇宙関係の通信用や観測用に用いられる反射鏡も、待機
中のほこりや水滴、氷滴、あるいは宇宙塵による損傷を
受けやすい。こうした部品の表面に硬質の保護膜を形成
することにより、散乱の少ない平滑な表面を維持するこ
とが可能となった。このような効果は、誘電体などの透
光性材料に関しても同様に得られた。

【００１８】たとえば硫化亜鉛の場合、硬度が約２５０
ｇ／ｍｍ２　と比較的柔らかい材料であり、表面の損傷
が非常に問題となる。しかし、本発明を基材が硫化亜鉛
で構成された光学部品に適用すれば、上記の硬度の問題
が克服され、硫化亜鉛の良好な特性を生かして、きわめ
て有用な光学部品を構成することができる。なお、Ｍｇ
Ｆ２　は硫化亜鉛に対して付着性の高いことで知られて
おり、同時に赤外光の吸収が少ない材料である。そこで
、この材料をＳｉ層と硫化亜鉛で構成した光学部品の基
材との間の中間層として使用すると、光学特性を阻害せ
ずに、多層コート膜全体の基材への付着性を向上させる
ことができる。

【００１９】さらに多層コート膜には、上記の各層以外
に層を付加することもでき、適切な設計により、反射率
や透過率を向上したり、ビームスプリッタやフィルタな
どの光学的機能を付加したりすることができる。

【００２０】

【実施例】赤外線反射鏡の基板として、直径２０ｍｍ、
厚さ１ｍｍのガラス基板上にＣｕを０．５μｍ真空蒸着
したものを用い、光学窓材などを構成すべき透光性材料
の基板として、直径２０ｍｍ、厚さ２ｍｍの両面研磨さ
れたＺｎＳ多結晶基板を使用した。これら２種類の基板
に対して、ＭｇＦ２、Ｓｉ、ダイヤモンド状炭素（ＤＣ
Ｌ）を、表１に示すような構造でそれぞれ成膜した。

【００２１】ＭｇＦ２　層、Ｓｉ層は、真空蒸着法によ
り形成した。基板温度は１５０℃とした。ダイヤモンド
状炭素層は、１３．５６ＭＨｚの高周波によるプラズマ
ＣＶＤ法により形成した。原料には、メタンガスを使用
し、基板温度は１５０℃とした。被覆膜の付着性に関し
ては、引っかきテストで評価した。その結果は表１に示
されている。反射鏡の場合、Ｓｉ層の存在によりダイヤ
モンド状炭素層の付着力が向上するのが明らかに認めら
れる。一方、ＺｎＳ基板の場合、Ｓｉ層の導入により付
着力の向上はみられるが、一部剥離が生ずるものが見ら
れる。しかし、さらにＭｇＦ２　層を導入することによ
って、剥離が全く見られなくなった。

【００２２】保護膜としての有効性は、ボールミル試験
の前後で、８μｍの赤外光の反射率、または透過率の減
少を調べることで判定した。なおボールミル試験は、平
均粒径２００μｍの石英粉末とともに２時間ボールミル
で混合するものである。被覆膜を形成していない面は充
分な厚さの樹脂で被覆保護しておき、ボールミル試験後
これを除去して評価した。この評価結果は、上記の表１
に併せて示されている。この結果から、ダイヤモンド状
炭素層の保護膜としての有効性が明らかに認められる。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明の赤外線光学部品に
よれば、赤外線光学部品の表面に硬質のダイヤモンドま
たはダイヤモンド状炭素層が付着性良好に形成されてい
る。これにより、光学部品の表面の充分な保護が達成さ
れるので、赤外線散乱特性の劣化が抑制される。この結
果、光学部品の取扱が容易になり、航空、宇宙関係など
の劣悪環境下で使用される光学部品の耐環境性を大きく
向上することができる。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基材の少なくとも一表面に、最外層に形成
   したダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素層と、こ
   のダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素層の内側に
   隣接させて形成したＳｉ層とを含む多層コート膜を形成
   したことを特徴とする赤外線光学部品。
2. 【請求項２】上記Ｓｉ層の膜厚が、５０Å以上であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の赤外線光学部品。
3. 【請求項３】上記ダイヤモンド層またはダイヤモンド状
   炭素層の膜厚が、２００Å乃至２００μｍであることを
   特徴とする請求項１記載の赤外線光学部品。
4. 【請求項４】上記赤外線光学部品は赤外線反射鏡であり
   、上記基材は、金属製のものか、または金属膜が表面に
   形成されているものであることを特徴とする請求項１、
   ２または３記載の赤外線光学部品。
5. 【請求項５】上記赤外線光学部品は光学窓材であり、上
   記基材は、赤外線透光材料で構成したものであることを
   特徴とする請求項１、２または３記載の赤外線光学部品
   。
6. 【請求項６】上記基材が硫化亜鉛を材料として構成され
   ていることを特徴とする請求項５記載の赤外線光学部品
   。
7. 【請求項７】上記多層コート膜は、上記基材とＳｉ層と
   の間に少なくとも１層のＭｇＦ２　層を含むことを特徴
   とする請求項６記載の赤外線光学部品。