(57)【要約】【課題】樹脂材料と水溶性の無機粒子との複合材料を用いて、水分吸収による赤外線透過性能の低下を招くことなく、安定して光学特性を維持できる赤外線透過部材を提供する。【解決手段】赤外線透過部材１１は、樹脂２と無機材料の微粒子１との複合材料により形成されたレンズ素子３と、疎水性を有する材料よりなり、レンズ素子３の表面全体を覆うように形成された疎水膜４とを備える。微粒子１には、赤外線透過性と水溶性とを有する無機材料が使用されるが、疎水膜４でレンズ素子３の全体を覆うことによって、空気中の水分子５がレンズ素子３へと浸透できなくなるので、微粒子１の吸湿による赤外線透過性能の低下が防止される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外光を透過させる赤外透過部材であって、
赤外透過性を有する樹脂材料と、前記樹脂材料中に分散された赤外透過性及び水溶性を有する無機材料粒子とを含む複合材料によって形成された光学素子と、
疎水性を有する材料よりなり、前記光学素子の表面全体を覆う疎水膜とを備える、赤外透過部材。
【請求項２】
前記疎水膜の厚みは、０．０５μｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の赤外透過部材。
【請求項３】
前記無機材料は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化カリウムの少なくとも１種類を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の赤外透過部材。
【請求項４】
前記疎水膜は、フッ素系樹脂またはシリコンであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の赤外透過部材。
【請求項５】
前記光学素子は、レンズ素子または窓材であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の赤外透過部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外用レンズや窓材等の赤外透過部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のナノテクノロジー技術の進展により、樹脂等の有機材料（母材）中にナノメートルサイズもしくはサブミクロンサイズに微粒子化した無機粒子を混合して複合化した微粒子複合化材料、いわゆる、ナノコンポジット材料を得ることが可能となった。ナノコンポジット材料は、粗粒子や固体結晶では得られなかった特異な物性を有することが知られており、様々な技術分野で注目を集めている。とりわけ光学材料の分野では、無機粒子の粒子径を光の波長よりも小さくすることによって、通常では光を透過させなかった物質中も光が透過できるようになるので、レンズ素子や窓材といった光学素子へのナノコンポジット材料の利用が期待できる。ナノコンポジット材料は、ガラス等の従来の光学材料に比べて成型加工が容易で一般的に安価である。
【０００３】
ただし、無機粒子の粒径を小さくすることには限度があり、一般的には数百ｎｍの粒径を持ったサブミクロン粒子の作製が限界となる。使用する無機粒子の粒径がサブミクロンサイズの場合、ナノコンポジット材料を透過可能な光は、波長が１μｍ以上の赤外線領域となる。したがって、ナノコンポジット材料よりなる光学レンズ素子や窓材は、赤外線領域での使用が想定される。
【０００４】
従来、赤外線透過用のレンズ素子や窓材としては、ゲルマニウムやカルコゲン化合物が用いられているが、材料コスト、加工コスト共に高価である。そこで、赤外線透過用のレンズ素子や窓材として、コストが安価なナノコンポジット材料を適用することが期待されている。
【特許文献１】実開平５−２５３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
赤外線を透過する性質を有し、ナノコンポジット材料に利用できる無機材料には、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化銀といった塩化物や、臭化カリウム、臭化タリウムといった臭化物等、水溶性や潮解性を有するものが多い。したがって、これらの材料よりなる無機粒子を含むナノコンポジット材料でレンズ素子や窓材を形成する場合、無機粒子が空気中の湿気を吸湿しないように工夫する必要がある。
【０００６】
例えば、特許文献１には、塩化ナトリウムの結晶からなる赤外線窓材の吸湿を防止する方法として、塩化ナトリウム結晶の表面に赤外線に対する透過性を有するシート状の樹脂薄膜を密着させることが記載されている。樹脂薄膜が外気からの空気中水分を遮断するため、塩化ナトリウム結晶の表面溶解が防止される。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載される方法では、シート状の樹脂薄膜を真空密閉により窓材本体に密着させるため、平板状の結晶体に対しては密着性が得られやすいが、光学素子の形状によっては樹脂薄膜の密着性が不十分となる場合がある。光学素子と樹脂薄膜との間に少しでも隙間が生じると、その隙間から空気中の水分が浸入して、無機粒子に吸収され、赤外線透過性能の低下を招いてしまう。また、樹脂の種類によっては僅かに透水性を有するものもあり、使用可能な樹脂薄膜の材質も限定される。
【０００８】
それ故に、本発明は、樹脂材料と水溶性や潮解性を有する無機粒子との複合材料を用いて、赤外線透過性能の低下を招くことなく、安定して光学特性を維持できる赤外線透過部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る赤外透過部材は、赤外透過性を有する樹脂材料と、樹脂材料中に分散された赤外透過性及び水溶性を有する無機材料粒子とを含む複合材料によって形成された光学素子と、疎水性を有する材料よりなり、光学素子の表面全体を覆う疎水膜とを備える。
【００１０】
このように構成すれば、光学素子表面の疎水膜が空気中の水分を遮断するため、光学素子中に含まれる無機材料粒子の吸湿を防止できる。
【００１１】
疎水膜の厚みは、０．０５μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
また、無機材料は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化カリウムの少なくとも１種類を含むことが好ましい。
【００１３】
一方、疎水膜は、フッ素系樹脂またはシリコンであることが好ましい。
【００１４】
上記の光学素子としては、レンズ素子または窓材が利用できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、樹脂材料と水溶性の無機粒子との複合材料を用いて、水分吸収による赤外線透過性能の低下を招くことなく、安定して光学特性を維持できる赤外線透過部材を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る赤外線透過部材の概略断面図である。尚、図１には、二点鎖線で囲った部分の模式的な拡大図が併せて示されている。
【００１７】
本実施の形態に係る赤外線透過部材１１は、両凸形状のレンズ素子３と、疎水膜４とを備える。
【００１８】
レンズ素子３は、樹脂２中に無機材料の微粒子１を分散させて複合化した複合材料によって形成されている。微粒子１は、赤外透過性及び水溶性を有する材料よりなり、本実施の形態では、平均粒径が０．３μｍの塩化ナトリウムが使用されている。ただし、微粒子１は塩化ナトリウムに限られず、例えば、塩化カリウム、塩化銀、臭化カリウム、臭化タリウム等、他の無機材料を使用しても良い。また、樹脂２には、ポリエチレン、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ポリスチレン、ポリエステル等を利用できる。
【００１９】
疎水膜４は、疎水性を有する材料よりなり、レンズ素子３の表面全体を覆うように形成されている。疎水膜４の材料として、本実施の形態では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が使用されている。ただし、ＰＴＦＥに代えて、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシ）樹脂等の他のフッ素樹脂で疎水膜４を形成しても良い。
【００２０】
疎水膜４の厚みは、０．０５μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。疎水膜の厚みが０．０５μｍを下回ると、疎水膜４の撥水効果が不足し、空気中の水分がレンズ素子３の内部に浸透する可能性がある。一方、疎水膜の厚みが１μｍを超えると、疎水膜４の構成材料であるフッ素樹脂による赤外線の吸収が顕著となり、赤外線透過性能の低下を招く。したがって、疎水膜４の厚みを上記の範囲に設定することによって、撥水性及び赤外線透過性能の両方に優れた赤外透過部材１１を構成することができる。
【００２１】
本実施の形態のように、疎水性材料よりなる疎水膜４でレンズ素子３を覆うことによって、空気中の水分子５がレンズ素子３へと浸透できなくなるので、微粒子１の吸湿による赤外線透過性能の低下を防止することができる。したがって、本実施の形態によれば、水溶性及び赤外透過性を有する微粒子１と樹脂２との複合材料を用いて所望の光学特性を達成できると共に、長期間にわたって、高い赤外線透過性能を持続できる赤外線透過部材を実現することが可能となる。
【００２２】
ここで、図１に示した赤外線透過部材１１の製造方法を説明する。
【００２３】
まず、レンズ素子３を形成するためのナノコンポジット材料を作製する。
【００２４】
より詳細には、トルエンに平均粒子径０．３μｍの塩化ナトリウムの微粒子１を１０重量％となるように混合した分散液３００ｇを調整し、更に樹脂７０ｇを混合する。樹脂は、トルエン中に溶解して均一化されるので、塩化ナトリウム微粒子が樹脂中に均一に混合された混合物が得られる。続いて、得られた混合物をシャーレ状の広口ガラス容器に入れ、溶媒留去法によりトルエンを揮発させて、混合物を固化させる。固化した混合物を真空乾燥炉に入れ、炉内を排気して真空状態に保ち、残留しているトルエンを完全に揮発させて混合物を乾燥させる。
【００２５】
これらの工程を経ることにより、平均粒子径０．３μｍの塩化ナトリウムの微粒子１（一次粒子）が樹脂２の内部に均一に分布したナノコンポジット材料を作製できる。
【００２６】
ナノコンポジット材料の作製工程においては、水溶性及び潮解性を有する塩化ナトリウム微粒子を、含水率が極めて少ないトルエンに混合させることで、大気中からの吸湿等による塩化ナトリウム微粒子の溶解を防止することができる。この結果、トルエン留去時における塩化ナトリウム成分の析出も防止されるので、複数の塩化ナトリウム微粒子同士が固結した塊（二次粒子）の生成が抑制される。
【００２７】
次に、作製したナノコンポジット材料を成形プレス機に入れ、１５０℃に加熱して軟化させ、その後、加圧成形することにより、所望の形状を有するレンズ素子３を成形する。
【００２８】
次に、ＰＴＦＥの微粒子をエタノールに混合して得られたＰＴＦＥ分散液を、成形したレンズ素子３の表面に滴下し、滴下したＰＴＦＥ分散液をスピンコーターで遠心塗布することより、レンズ素子３表面に厚さ０．５μｍのＰＴＦＥ膜を形成する。
【００２９】
次に、形成したＰＴＦＥ膜を温度６０℃で１０分間乾燥させてエタノールを除去し、ＰＴＦＥ膜を固化させる。
【００３０】
次に、レンズ素子３の裏面に再度ＰＴＦＥ溶液を滴下し、スピンコーターで遠心塗布することにより、レンズ素子の裏面にも厚さ０．５μｍのＰＴＦＥ膜を形成する。
【００３１】
次に、両面にＰＴＦＥ膜を形成したレンズを真空乾燥機に入れ、ＰＴＦＥ膜中のエタノールと水分が完全に除去されるまで乾燥させる。
【００３２】
以上の各工程を経ることで、図１に示した赤外線透過部材１１を作製できる。
【００３３】
以下では、本実施の形態に係る赤外線透過部材１１の赤外線透過性能について説明する。
【００３４】
図２は、本発明の実施の形態１に係る赤外線透過部材の加湿試験の結果を示すグラフであって、厚さ１ｍｍの赤外線透過部材を、温度６０℃、湿度９０％の高温高湿下に置き、所定時間の経過時に計測した赤外線透過率（波長８〜１３μｍ）の経時変化を示したものである。
【００３５】
図２において、横軸は、赤外線透過部材を高温高湿下に置いた時間を表し、縦軸は、各時間経過後における赤外線透過率を表す。尚、赤外線透過率は、加湿試験前における値に対する割合によって表したものである。また、図２の実線は、本実施の形態に係る赤外線透過部材１１の赤外線透過率の経時変化を表し、図２の破線は、比較例として、本実施の形態と同一の材質で形成されているが、疎水膜が設けられていないレンズ素子の赤外線透過率の経時変化を表す。
【００３６】
図２の実線で示すように、本実施の形態に係る赤外線透過部材は、高温高湿下に約１００時間置かれた後でも、加湿試験前とほぼ同じ赤外線透過率を示した。一方、破線で示すように、疎水膜が設けられていない場合には、加湿試験の開始直後から赤外線透過率の低下が始まり、３時間経過後には、赤外線透過率は約５％まで低下した。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、湿度の高い環境下においても、高い赤外線透過性能を長期間にわたって維持できる赤外線透過部材を実現できる。
【００３８】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る赤外線透過部材の概略断面図である。尚、図３には、二点鎖線で囲った部分の模式的な拡大図が併せて示されている。
【００３９】
赤外線透過部材１２は、メニスカス形状のレンズ素子７と、レンズ素子７の表面全体を覆う疎水膜８とを備える。本実施形態においては、レンズ素子７は、樹脂２に平均粒径が０．１５μｍの臭化カリウムの微粒子６を分散させた複合材料により形成されている。また、疎水膜８はシリコンによって形成されている。
【００４０】
このように構成すると、空気中の水分子５が疎水膜８内部のレンズ素子７へと浸透することができなくなるため、臭化カリウムの微粒子６の吸湿による赤外線透過性能の低下を防止することができる。したがって、本実施の形態によれば、赤外透過性及び水溶性を有する微粒子６と樹脂２との複合材料を用いて所望の光学特性を達成しつつ、長期間にわたって、高い赤外線透過性能を持続できる赤外線透過部材を実現することが可能となる。
【００４１】
ここで、図３に示した赤外線透過部材１２の製造方法を説明する。
【００４２】
まず、レンズ素子３を形成するためのナノコンポジット材料を作製する。
【００４３】
より詳細には、トルエンに平均粒子径０．１５μｍの臭化カリウムの微粒子６を１０重量％となるように混合した分散液３００ｇを調整し、更に樹脂７０ｇを混合する。樹脂は、トルエン中に溶解して均一化されるので、塩化ナトリウム微粒子が樹脂中に均一に混合された混合物が得られる。続いて、得られた混合物をシャーレ状の広口ガラス容器に入れ、溶媒留去法によりトルエンを揮発させて、混合物を固化させる。固化した混合物を真空乾燥炉に入れ、炉内を排気して真空状態に保ち、残留しているトルエンを完全に揮発させて混合物を乾燥させる。
【００４４】
これらの工程を経ることにより、平均粒子径０．１５μｍの塩化ナトリウムの微粒子６（一次粒子）が樹脂２の内部に均一に分布したナノコンポジット材料を作製できる。
【００４５】
ナノコンポジット材料の作製工程においては、水溶性及び潮解性を有する塩化ナトリウム微粒子を、含水率が極めて少ないトルエンに混合させることで、大気中からの吸湿等による塩化ナトリウム微粒子の溶解を防止することができる。この結果、トルエン留去時における塩化ナトリウム成分の析出も防止されるので、複数の塩化ナトリウム微粒子同士が固結した塊（二次粒子）の生成が抑制される。
【００４６】
次に、作製したナノコンポジット材料を成形プレス機に入れ、１５０℃に加熱して軟化させ、その後、加圧成形することにより、所望の形状を有するレンズ素子３を成形する。
【００４７】
次に、成形したレンズ素子３をスパッタリング装置に入れ、圧力１．３Ｐａのアルゴンガス雰囲気下において、シリコンターゲットを電力５０Ｗの高周波で３０分間スパッタリングすることにより、レンズ素子３の表面に厚さ０．１μｍのシリコンの膜を形成する。
【００４８】
次に、レンズ素子の裏面にも同条件でスパッタリングを行い、レンズ素子の表裏両面に厚さ０．１μｍのシリコンの膜を形成する。
【００４９】
以上の各工程を経ることで、図３に示した赤外線透過部材１２が作製できる。
【００５０】
本実施の形態では、スパッタリングによりシリコンをコーティングして疎水膜８を形成するので、実施の形態１のようにＰＴＦＥ分散液をコーティングする場合と比べて、膜の乾燥プロセスを省くことができる。
【００５１】
以下、本実施の形態に係る赤外線透過部材１２の赤外線透過性能について説明する。
【００５２】
図４は、本発明の実施の形態２に係る赤外線透過部材の加湿試験の結果を示すグラフであって、厚さ１ｍｍの赤外線透過部材を、温度６０℃、湿度９０％の高温高湿下に置き、所定時間の経過時に測定した赤外線透過率（波長８〜１３μｍ）の経時変化を示したものである。
【００５３】
図４において、横軸は、赤外線透過部材を高温高湿下に置いた時間を表し、縦軸は、各時間経過後における赤外線透過率を表す。尚、赤外線透過率は、加湿試験前における値に対する割合によって表したものである。また、図４の実線は、本実施の形態に係る赤外線透過部材１２の赤外線透過率の経時変化を表し、図４の破線は、比較例として、本実施の形態と同一の材質で形成されているが、疎水膜が設けられていないレンズ素子の赤外線透過率の経時変化を表す。
【００５４】
図４の実線で示すように、本実施の形態に係る赤外線透過部材１２は、高温高湿下に約１００時間置かれた後でも、加湿試験前とほぼ同じ赤外線透過率を示した。一方、破線で示されるように、疎水膜が設けられていない場合には、加湿試験の開始直後から赤外線透過率の低下が始まり、３時間経過後には、赤外線透過率は約５％まで低下した。
【００５５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、湿度の高い環境下においても、高い赤外線透過性能を長期間にわたって維持できる赤外線透過部材を実現できる。
【００５６】
尚、本実施の形態では、水溶性及び潮解性を有する無機材料として、臭化カリウムを用いた例を説明したが、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化銀、臭化タリウム等の他の無機材料を用いても、同様に高い赤外線透過性能を有する赤外線透過部材を構成できる。
【００５７】
また、本実施の形態では、シリコンをスパッタリングすることにより疎水膜８を形成したが、蒸着法や電子ビーム法等の他の形成方法を利用しても良い。
【００５８】
（その他の変形例）
上記の実施の形態１及び２においては、レンズ素子と疎水膜とからなる赤外線透過部材について説明したが、本発明は、レンズ素子以外の赤外用光学素子にも適用可能である。例えば、樹脂と無機材料微粒子の複合材料よりなる窓材の表面全体を覆うように上述した疎水膜を設けた赤外透過部材を構成することも可能である。
【００５９】
また、上記の実施の形態１及び２においては、レンズ素子の形状を特定しているが、疎水膜を設ける光学素子の形状は特に限定されず、任意の形状で良い。上記の実施の形態１及び２で説明した疎水膜の形成方法であれば、光学素子の表面に直接成膜できるので、光学素子の形状にかかわらず密着性の高い疎水膜を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係る赤外線透過部材は、赤外線カメラや赤外線光ピックアップ装置のレンズや窓材等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る赤外線透過部材の概略断面図
【図２】本発明の実施の形態１に係る赤外線透過部材の加湿試験の結果を示すグラフ
【図３】本発明の実施の形態２に係る赤外線透過部材の概略断面図
【図４】本発明の実施の形態２に係る赤外線透過部材の加湿試験の結果を示すグラフ
【符号の説明】
【００６２】
１、６  微粒子
２  樹脂
３、７  レンズ素子
４、８  疎水膜
１１、１２  赤外線透過部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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