(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、上記基板からの第１層目は光学膜厚が０．８６〜４．８０μｍのＧｅ層、第２層目は光学膜厚が２．３１〜２．５７μｍのＺｎＳ層であることを特徴とする赤外域用反射防止膜。
【請求項２】
Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、上記基板からの第１層目は光学膜厚が１．４４〜４．７４μｍのＧｅ層、第２層目は光学膜厚が２．３８〜２．５６μｍのＺｎＳｅ層であることを特徴とする赤外域用反射防止膜。
【請求項３】
Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、上記基板からの第１層目がＧｅ、第２層目がＺｎＳｅ、第３層目がＺｎＳであることを特徴とする赤外域用反射防止膜。
【請求項４】
Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、上記基板からの第１層目がＧｅ、第２層目がＳｉ、第３層目が金属フッ化物であることを特徴とする赤外域用反射防止膜。
【請求項５】
Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、上記基板からの第１層目がＧｅ、第２層目がＳｉ、第３層目がＧｅ、第４層目が金属フッ化物であることを特徴とする赤外域用反射防止膜。
【請求項６】
金属フッ化物は、ＣｅＦ3、 ＹＦ3、ＣａＦ2及びクライオライトのいずれか一つであることを特徴とする請求項４または５記載の赤外域用反射防止膜。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の赤外域用反射防止膜を用いたことを特徴とする透過窓。
【請求項８】
基板の厚みは０．１ｍｍから２ｍｍであることを特徴とする請求項７記載の透過窓。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線による光学機器のレンズ材料、透過窓などに用いられる８〜１２μｍ帯の赤外域用反射防止膜及びこれを用いた透過窓に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、赤外線による光学機器の利用が盛んになっており、低コストの光学部品が要望されている。赤外線の主な利用波長帯は、３〜５μｍ帯と８〜１２μｍ帯であり、赤外線センサもこの波長帯に感度を有するものが一般的である。これらの帯域の窓材料やレンズ材料にはＳｉやＧｅ、ＺｎＳｅなどが使われるが、これらの材料の屈折率は一般に高く、窓やレンズに適応する場合、透過率の向上のため反射防止膜が施される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、３〜５μｍ帯の窓材料やレンズ材料としては安価なＳｉが用いられていたが、８〜１２μｍ帯では、Ｓｉに比べて極めて高価であるＧｅやＺｎＳ、ＺｎＳｅなどの光学部材を使用しており、コストが高くなるという問題点がった。
【０００４】
また、８〜１２μｍ帯での良好な反射防止膜としては、Ｇｅ基板ではＺｎＳによる単層の反射防止膜が良く知られているが、これをＳｉ基板にそのまま適用すると、密着性が小さく、剥離するなど耐久性に問題があった。
【０００５】
また、このような単層の反射防止膜の場合は、基板の屈折率をｎＳとしたとき、ｎＳ１／２の屈折率を、透過させたい波長のおよそ１／４の光学膜厚（＝屈折率×物理的膜厚）で基板上にコーティングすることにより良好なものとなるが、Ｓｉの屈折率３．４に対し、ＺｎＳは２．２であるため、屈折率のミスマッチが大きく良好な反射防止特性が得られないという問題点があった。
【０００６】
一方、光学膜材料としてよく使われるＡｌ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、ＳｉＯ、Ｔａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２などの金属酸化物は、Ｓｉとの密着性は良好であるが、８〜１２μｍ帯での吸収が大きく、反射防止膜としては不適であった。
【０００７】
本発明は以上のような問題点を解決するためになされたもので、低コストで耐久性に優れ反射防止特性が良好な８〜１２μｍ帯の赤外域用反射防止膜を得ることを目的とする。また、この赤外域用反射防止膜を用いた赤外域用透過窓を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る赤外域用反射防止膜は、Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、基板からの第１層目は光学膜厚が０．８６〜４．８０μｍのＧｅ層、第２層目は光学膜厚が２．３１〜２．５７μｍのＺｎＳ層である。
【０００９】
また、Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、基板からの第１層目は光学膜厚が１．４４〜４．７４μｍのＧｅ層、第２層目は光学膜厚が２．３８〜２．５６μｍのＺｎＳｅ層である。
【００１０】
また、Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、基板からの第１層目がＧｅ、第２層目がＺｎＳｅ、第３層目がＺｎＳである。
【００１１】
また、Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、基板からの第１層目がＧｅ、第２層目がＳｉ、第３層目が金属フッ化物である。
【００１２】
また、Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、基板からの第１層目がＧｅ、第２層目がＳｉ、第３層目がＧｅ、第４層目が金属フッ化物である。
【００１３】
また、金属フッ化物は、ＣｅＦ３、  ＹＦ３、ＣａＦ２及びクライオライトのいずれか一つである。
【００１４】
また、この発明に係る赤外域用透過窓は、請求項１から６のいずれか一項に記載の赤外域用反射防止膜を用いたものである。
【００１５】
また、基板の厚みは０．１ｍｍから２ｍｍである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の赤外域用反射防止膜及び透過窓について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１ないし図５は、本発明の赤外域用反射防止膜を示す断面図である。図において、１はＳｉ平板、２はＧｅ層、３はＺｎＳ層、４はＺｎＳｅ層、５はＳｉ層、６は金属フッ化物層である。
【００１８】
一般に赤外線反射防止膜を設計する際には、基板材料と膜材料の密着性ならびに膜材料間の密着性、及び選定した材料が反射防止膜を構成する上で適当な屈折率と膜厚を有していることが重要となる。なお、本発明において対象としている赤外域は波長８〜１２μｍ帯であり、本発明の反射防止膜はこの波長域の反射率を抑制することを意味する。本発明による材料の組み合わせと膜厚は、発明者らが本発明の目的に合致するように、コンピュータによる光学多層膜の演算と試作とを繰り返し、あらゆる組み合わせの中から鋭意研究してきた結果として選ばれたものである。
【００１９】
本発明の赤外域用反射防止膜は、図１に示されるように、Ｓｉ製の平板１を基板として、順番にＧｅ層２、ＺｎＳ層３を配したことに特徴がある。ＧｅはＳｉとの密着性がよく、またＧｅとＺｎＳとの密着性もよいため、耐久性は良好なものとなる。膜厚はＧｅとＺｎＳの屈折率を考慮し、Ｇｅは８〜１２μｍの中心波長である１０μｍの１／２の光学膜厚（＝物理的膜厚×屈折率）かまたは１／４の光学膜厚、ＺｎＳは１０μｍの１／４の光学膜厚を基準とすると良好な反射防止膜が得られる。これは、反射防止膜の典型的な設計例であるＨＱ型反射防止膜ならびにＱＱ型反射防止膜に従ったためであるが、最終的な膜厚は、コンピュータによる数値計算により最適化を実施することにより決定された。
【００２０】
また、本発明の別の赤外域用反射防止膜は、図２に示されるように、Ｓｉ製の平板１を基板として、順番にＧｅ層２、ＺｎＳｅ層４を配したことに特徴がある。この材料の配し方は、基本的には図１に示したＺｎＳ層３の代わりにＺｎＳｅ層４を用いたものである。ＺｎＳｅはＺｎＳと特徴がよく似ており、Ｇｅとの密着性もよく、同様の効果が期待されるが、ＺｎＳより若干屈折率が高いため、反射防止膜の透過曲線に違いが生じ、使用目的によってはＺｎＳより好ましい特性となる。
【００２１】
また、本発明の別の赤外域用反射防止膜は、図３に示されるように、Ｓｉ製の平板１を基板として、順番にＧｅ層２、ＺｎＳｅ層４、ＺｎＳ層３を配したことに特徴がある。この材料の配し方は、図２に示したＺｎＳｅ層４を、ＺｎＳｅ、ＺｎＳの２層で置き代えたものであるが、ＺｎＳｅはＺｎＳと比較して硬度が小さく傷のつきやすい材料であるので、ＺｎＳｅと密着性のよいＺｎＳをＺｎＳｅの保護膜として配したものである。膜厚は、ＨＱ型反射防止膜ならびにＱＱ型反射防止膜に従うことにより良好な反射防止特性が得られるが、この場合、ＺｎＳとＺｎＳｅの２層により１０μｍの１／４の等価膜かまたは１／２の等価膜としなくてはならない。最終的な膜厚は、コンピュータによる数値計算により最適化を実施することにより決定された。
【００２２】
また、本発明の別の赤外域用反射防止膜は、図４に示されるように、Ｓｉ製の平板１を基板として、順番にＧｅ層２、Ｓｉ層５、金属フッ化物層６を配したことに特徴がある。この材料の配し方は、膜材料間の密着性が良好なだけでなく、膜厚をすべて中心波長の１／４としたＱＱＱ型反射防止膜構造とし、さらに膜厚の最適化を実施することにより極めて良好な反射防止特性が得られる。
【００２３】
上記金属フッ化物としては、例えば、ＭｇＦ２、ＣｅＦ３、ＹＦ３、ＣａＦ２、クライオライト（Ｎａ３ＡｌＦ６）、ＡｌＦ３、ＬｉＦ２、ＢａＦ２、ＴｈＦ４などの金属フッ化物をあげることができ、そのうち波長８〜１２μｍの赤外光に対し透明であることや材料の屈折率や毒性、また反射防止膜の最外層としての耐久性を考慮すれば、ＣｅＦ３、ＹＦ３、ＣａＦ２及びクライオライトから選ばれた１種であることが好ましい。
【００２４】
また、本発明の別の赤外域用反射防止膜は、図５に示されるように、Ｓｉ製の平板１を基板として、順番にＧｅ層２、Ｓｉ層５、Ｇｅ層２、金属フッ化物層６を配したことに特徴がある。基板から３層目のＧｅ層２を除いては図４と同じ構成となっている。３層目のＧｅ層２は、Ｓｉ層５と金属フッ化物層６の密着性を改善するために配したもので、Ｓｉと金属フッ化物を直接密着させた場合より、ＳｉとＧｅ、Ｇｅと金属フッ化物を直接密着させたときの方が、密着性が大幅に改善される。この３層目のＧｅ層２はＳｉと金属フッ化物の密着性を改善するために配されたものであるから、層の厚さは薄くてもよく、この場合の設計変更は些少なものとなる。また上限はＧｅ層２を含めて設計変更を行い、反射防止特性を劣化させない程度にとどめておけばよい。最外層の金属フッ化物層６は、すでにのべたとおり、ＹＦ３、ＣｅＦ３、ＣａＦ２またはクライオライトから選ばれた１種であることが好ましい。
【００２５】
以上のような赤外域用反射防止膜を用いて赤外域用透過窓を作製する場合、基板となるＳｉ平板１は、厚さをあまり薄くすると、ハンドリングや衝撃を与えた際に破損したりするため、０．１ｍｍまでにとどめるのが好ましい。また、Ｓｉは波長９μｍ近傍と１０μｍ以上で赤外線の吸収を有するため、あまり厚くすることは好ましくない。また、両面を研磨したＳｉ平板では、厚さ２ｍｍで波長８〜１２μｍの平均吸収率が１３％となったが、これ以上の赤外線透過率の減少は好ましくなく、従って、Ｓｉ平板の厚さの上限は２ｍｍ程度が好ましい。
【００２６】
赤外域用反射防止膜の形成法については、特に限定されないが、たとえば真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などがあげられる。なかでも光学多層膜の形成を目的とした真空蒸着法が膜厚のコントロールと膜厚の均一性の点から好ましい。以下、該方法及び該方法を実施する場合の真空蒸着装置について説明する。
【００２７】
図６は、本発明の赤外域用反射防止膜の製造に用いられる蒸着装置を示す構成図である。図において、１０は高真空を得るための真空容器、１１は基板取り付けドーム、１２は蒸着すべき基板、１３は蒸着物質を入れるるつぼ、１４はるつぼ回転ステージ、１５は電子ビームを放出する電子銃、１６は蒸着膜の膜厚を測る反射式光学膜厚計、１７はモニタ用基板、１８はシャッタである。
【００２８】
次に製造方法について説明する。まず、蒸着すべき基板１２を基板取り付けドーム１１に取り付ける。なお、基板取り付けドーム１１は、蒸着中において膜の均一性を向上させるために回転される。次に、るつぼ１３に必要な量の蒸着物質を入れてるつぼ回転ステージ１４に配置する。るつぼ１３は、るつぼ回転ステージ１４によって、電子銃１５から放出される電子ビームの当たる位置に移動される。電子銃１５から放出された電子ビームによってるつぼ１３内が加熱されると、蒸発した蒸着物質は基板１２及びモニタ基板１７の表面に蒸着され、膜となる。この蒸着膜の厚さは、真空容器１０の上方に取り付けられた反射式光学膜厚計１６により、モニタ用基板１７の膜厚を蒸着中に計測することによって同時に測定され、所望の厚さになったときにシャッタ１８が閉じる。以下、同様にして順次異なる層の蒸着膜を所定の厚さだけ形成することによって、本発明の赤外域用反射防止膜が得られる。
【００２９】
なお、以下に述べる各実施例における電子ビーム蒸着法は、上記方法により行ったが、蒸着物質の加熱には電子ビーム法だけでなく、金属製のるつぼに電流を流して加熱する抵抗加熱法も用いることができる。また、光学式膜厚計としても、反射式だけでなく、真空容器の下部に光源を設けた透過式膜厚計等も用いることができる。
【００３０】
以上のように、本発明の８〜１２μｍ帯の赤外域用反射防止膜によれば、基板に安価なＳｉを用ると共に、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅは反射防止膜として積層するので、安価に製造できる効果が得られる。また、Ｓｉ基板の直上を積層れる層はＳｉと密着性の良いＧｅであるので、優れた耐久性が得られる効果がある。さらに、Ｓｉ基板と各反射防止膜層との屈折率が設計上の整合性がとれているので、良好な反射防止特性が得られるという効果が得られる。
【００３１】
次に、以下の実施例に基づいて、本発明の赤外域用反射防止膜及び赤外域用透過窓について、さらに詳細に説明する。
【００３２】
【実施例】
実施例１〜５．
直径３０ｍｍφ、厚さ０．５ｍｍの両面を研磨したＳｉ製の平板を、蒸着装置内の基板取り付けドームに取り付け、真空度１×１０−４ｔｏｒｒ以下で、電子ビーム蒸着法によって基板から順に表１記載の材料と光学膜厚で積層して赤外域用反射防止膜を形成した（実施例１から３が図１に記載、実施例４、５が図２に記載のものにそれぞれ対応）。なお、光学膜厚を決めるための屈折率値は赤外線の波長１０μｍ近傍での値を使うこととした。具体的にはＧｅ膜、ＺｎＳ膜、ＺｎＳｅ膜の屈折率はそれぞれ４．０、２．２、２．４、Ｓｉ平板の屈折率は３．４となる。なお、基板の反対の面についても同じ手順により蒸着を行った。
【００３３】
【表１】
0003610777.tif 000002
【００３４】
得られた赤外域用反射防止膜の透過率を、フーリエ変換赤外分光光度計（日本電子（株）製ＪＩＲ−７０００）により測定した。その分光透過率曲線を図７及び図８に示す。
【００３５】
実施例６〜１０．
直径３０ｍｍφ、厚さ０．５ｍｍの両面を研磨したＳｉ製の平板を、実施例１〜５と同様の方法によって、基板の両面に表２記載の材料と光学膜厚を有する膜を積層して赤外域用反射防止膜を形成した（実施例６、７が図３に記載、実施例８から１０が図４に記載のものにそれぞれ対応）。なお、材料の屈折率値は、Ｇｅ膜、ＺｎＳ膜、ＺｎＳｅ膜、Ｓｉ平板については実施例１〜５と同じであり、さらにＳｉ膜、ＣｅＦ３膜、ＹＦ３膜、ＣａＦ２膜についてはそれぞれ３．４、１．６、１．６、１．４となる。
【００３６】
【表２】
0003610777.tif 000003
【００３７】
得られた赤外域用反射防止膜の透過率を、実施例１〜５と同様の方法により測定した。その分光透過率曲線を図９及び図１０に示す。
【００３８】
実施例１１〜１３．
直径３０ｍｍφ、厚さ０．５ｍｍの両面を研磨したＳｉ製の平板を、実施例１〜５と同様の方法によって、基板の両面に表３記載の材料と光学膜厚を有する膜を積層して赤外域用反射防止膜を形成した（図５に記載のものに対応）。実施例６〜１０と同じ材料については同じ屈折率値であり、さらにクライオライトについては１．４となる。
【００３９】
【表３】
0003610777.tif 000004
【００４０】
得られた赤外域用反射防止膜の透過率を、実施例１〜５と同様の方法により測定した。その分光透過率曲線を図１１に示す。
【００４１】
実施例１４．
直径３０ｍｍφ、厚さ０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍの両面を研磨したＳｉ製の平板をそれぞれ実施例１〜５と同様の方法によって、基板の両面に実施例１と同じ材料を積層して赤外域用透過窓を形成した。得られた赤外域用透過窓の透過率を、実施例１〜５と同様の方法により測定した。その分光透過率曲線を図１２に示す。
【００４２】
以上の結果から、実施例１〜１３における赤外域用反射防止膜は、８〜１２μｍ帯の赤外域において、９μｍ付近で吸収があるものの、全体的に良好な反射防止特性を有していることが分かる。
【００４３】
また、実施例１４における赤外域用透過窓は、実施例１における赤外域用反射防止膜を用いているため、８〜１２μｍ帯の赤外域において、９μｍ付近で吸収があるものの、全体的に良好な反射防止特性を有していることが分かる。また、Ｓｉ基板の厚さは、０．１〜２．０ｍｍが適当であることが分かる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明によれば、Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、基板からの第１層目は光学膜厚が０．８６〜４．８０μｍのＧｅ層、第２層目は光学膜厚が２．３１〜２．５７μｍのＺｎＳ層であるので、低コストで耐久性に優れ反射防止特性が良好な８〜１２μｍ帯の赤外域用反射防止膜を得る効果がある。
【００４５】
また、請求項２記載の発明によれば、Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、基板からの第１層目は光学膜厚が１．４４〜４．７４μｍのＧｅ層、第２層目は光学膜厚が２．３８〜２．５６μｍのＺｎＳｅ層であるので、低コストで耐久性に優れ反射防止特性が良好な８〜１２μｍ帯の赤外域用反射防止膜を得る効果がある。
【００４６】
また、請求項３記載の発明によれば、Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、基板からの第１層目がＧｅ、第２層目がＺｎＳｅ、第３層目がＺｎＳであるので、低コストで耐久性に優れ反射防止特性が良好な８〜１２μｍ帯の赤外域用反射防止膜を得る効果がある。
【００４７】
また、請求項４記載の発明によれば、Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、基板からの第１層目がＧｅ、第２層目がＳｉ、第３層目が金属フッ化物であるので、低コストで耐久性に優れ反射防止特性が良好な８〜１２μｍ帯の赤外域用反射防止膜を得る効果がある。
【００４８】
また、請求項５記載の発明によれば、Ｓｉからなる基板上に形成され８〜１２μｍ帯の波長を透過するものであって、基板からの第１層目がＧｅ、第２層目がＳｉ、第３層目がＧｅ、第４層目が金属フッ化物であるので、低コストで耐久性に優れ反射防止特性が良好な８〜１２μｍ帯の赤外域用反射防止膜を得る効果がある。
【００４９】
また、請求項６記載の発明によれば、金属フッ化物は、ＣｅＦ３、  ＹＦ３、ＣａＦ２及びクライオライトのいずれか一つであるので、低コストで耐久性に優れ反射防止特性が良好な８〜１２μｍ帯の赤外域用反射防止膜を得る効果がある。
【００５０】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１から６のいずれか一項に記載の赤外域用反射防止膜を用いたので、低コストで耐久性に優れ反射防止特性が良好な８〜１２μｍ帯の透過窓を得る効果がある。
【００５１】
また、請求項８記載の発明によれば、基板の厚みは０．１ｍｍから２ｍｍであるので、低コストで耐久性に優れ反射防止特性が良好な８〜１２μｍ帯の透過窓を得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態による赤外域用反射防止膜を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態による別の赤外域用反射防止膜を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態による別の赤外域用反射防止膜を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態による別の赤外域用反射防止膜を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態による別の赤外域用反射防止膜を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態による赤外域用反射防止膜の製造に用いられる蒸着装置を示す構成図である。
【図７】この発明の実施例１から３による赤外域用反射防止膜の赤外線分光透過率を示す図である。
【図８】この発明の実施例４、５による赤外域用反射防止膜の赤外線分光透過率を示す図である。
【図９】この発明の実施例６、７による赤外域用反射防止膜の赤外線分光透過率を示す図である。
【図１０】この発明の実施例８から１０による赤外域用反射防止膜の赤外線分光透過率を示す図である。
【図１１】この発明の実施例１１から１３による赤外域用反射防止膜の赤外線分光透過率を示す図である。
【図１２】この発明の実施例１４によるＳｉ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【符号の説明】
１  Ｓｉ平板、２  Ｇｅ層、３  ＺｎＳ層、４  ＺｎＳｅ層、５  Ｓｉ層、６  金属フッ化物層、１０  真空容器、１１  基板取り付けドーム、１２  基板、１３  るつぼ、１４  回転ステージ、１５  電子銃、１６  反射式光学膜厚計、１７  モニタ用基板、１８  シャッタ。
【図１】
0003610777.tif 000005
【図２】
0003610777.tif 000006
【図３】
0003610777.tif 000007
【図４】
0003610777.tif 000008
【図５】
0003610777.tif 000009
【図６】
0003610777.tif 000010
【図７】
0003610777.tif 000011
【図８】
0003610777.tif 000012
【図９】
0003610777.tif 000013
【図１０】
0003610777.tif 000014
【図１１】
0003610777.tif 000015
【図１２】
0003610777.tif 000016