(57)【要約】【課題】赤外光用の光学部品において、ノイズとなる可視光から近赤外光までの波長の光は透過せず、遠赤外光の透過率は高い遠赤外光学部品を提供する。【解決手段】気相合成法で多結晶ダイヤモンドを形成する際に、その表面粗度を１μｍ以上に制御すれば、可視〜近赤外領域の任意の波長を上限値としてそれより短波長の光を部分的又は全体的に遮蔽し、より長波長の遠赤外光を良好に透過する多結晶ダイヤモンド光学部品が得られる。このような光学部品は、可視光から近赤外光がノイズにならない。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過部に多結晶ダイヤモンドが使用され、この多結晶ダイヤモンドの光透過面の片面又は両面の平均面粗度が１μｍ以上であることを特徴とする遠赤外光学部品。
【請求項２】
０．４乃至３μｍの波長域での透過率が１５％以下であり、かつ６乃至２５μｍの波長域での透過率が５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の遠赤外光学部品。
【請求項３】
０．４乃至６μｍの波長域での透過率が１５％以下であり、かつ８乃至２５μｍの波長域での透過率が５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の遠赤外光学部品。
【請求項４】
０．４乃至８μｍの波長域での透過率が１５％以下であり、かつ１２乃至２５μｍの波長域での透過率が５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の遠赤外光学部品。
【請求項５】
厚さが３０乃至１００μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の遠赤外光学部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶ダイヤモンドからなり遠赤外光を透過する遠赤外光学部品に関し、特に、可視光から近赤外光までの光に対して遮光性がある遠赤外光学系部品として好適の多結晶ダイヤモンド遠赤外光学部品に関する。
【０００２】
【従来技術】
赤外光の持つ優れた機能を利用した新たな高機能光学装置の開発が進んでいる。例えば、赤外光のセンシング機能を活用した実用途には、物体の表面温度を非接触で測定する表面温度計、地球上の資源分布を上空から検知する資源探査システム、暗視野中で物体を検知する装置、セキュリティーシステムにおける人体検知用センサー、ガス分析装置等を挙げることができる。また、これらの収集データーを画像処理する赤外画像処理装置、赤外光の熱エネルギーを利用したハイパワーのレーザー加工装置等も知られている。
【０００３】
このように高機能な赤外光利用装置の実用化に伴い、それらの装置に組み込まれる光学的な機能を果たす部品、例えば、窓材及びレンズ材等の種々の光学部品に対して、高い実用機能と低コスト化が以前にも増して要求されるようになってきている。
【０００４】
このような光学部品材料のうち、波長８〜２５μｍ帯用の部品材料としては、従来からＧｅ、ＺｎＳｅ及びＺｎＳ等の材料が使用されている。また、最近では、低コストであると共に加工性が優れたポリエチレンのような樹脂も使用されるようになってきた。
【０００５】
しかしながら、Ｇｅ、ＺｎＳｅ及びＺｎＳ等のセラミックス材料は衝撃に弱く、例えば屋外で使用する機器又は振動及び衝撃を受ける車両に搭載される機器のように、過酷な使用環境に曝される用途においては、これらの無機材料単独では機械的な強度及び表面硬度が不足し、更に紫外線による表面酸化等の点で問題がある場合があり、他の材料と複合化する必要がある。
【０００６】
更に、光学部品本体を樹脂製のものにすると、無機材料に比べて耐熱性は更に低下し、また光学部品全体としての機械的な強度の低下等の問題が更に深刻になる。しかも、樹脂製の光学部品の光透過率を上げるためには、部品全体の厚さを薄くする必要があるが、そうすると、機械的な強度の低下が避けられない。
【０００７】
また、これらの光学部品材料は、通常、可視光から赤外光までの広い波長域の光を透過する。このため、例えば８〜２５μｍの波長域の人体表面から発する赤外線の選択的な検知を目的とするような場合には、波長域の異なる検知対象外の光、特に波長０．４〜３μｍの可視光から近赤外光までの波長域の光はノイズとなる。その結果、検知部で検知された光強度の信号処理部に誤動作が生じたり、信号のバックグランドが上昇して検知精度が低下するという問題がある。
【０００８】
このようなノイズをカットするため、従来は光学部品本体の表面に、波長フィルタ層を形成して、ノイズ成分等を除去していた。しかしながら、この波長フィルタ層は、スパッタリング法、真空蒸着法又はＣＶＤ法のような気相蒸着法で形成されるため、製造コストが嵩むという問題点があった。
【０００９】
そこで、所望の波長帯の赤外光の透過率の低下を極力抑えるとともに、確実に可視光から近赤外光までの波長域の光を遮蔽する機能を有し、しかも低コストで製造できる光学部品の開発が要望されている。つまり、０．４〜３μｍの波長域での透過率はできるだけ低く、かつ８〜２５μｍの波長域での透過率はできるだけ高い材料の開発が望まれている。
【００１０】
このため、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ又はＧｅ等のセラミックス材料に可視光から近赤外光までの波長域の光を遮蔽する添加剤（Ａｇ、Ｆｅ３０４等）を１種類又は２種類以上均一かつ微細に分散添加することにより、可視光から近赤外光までの波長域の光を部分的又は全体的に遮蔽し、遠赤外光の光を高率で透過する光学部品が提案されている（特許文献１：特開２００２−２３４７７４号公報）。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−２３４７７４号公報
【非特許文献１】Ｐ．Ｋｏｉｄｌ，Ｃ．Ｗｉｌｄ，ａｎｄ  Ｎ．Ｈｅｒｒｅｓ：Ｐｒｏｃ．ＮＩＲＩＭ  Ｉｎｔ’ｌ．Ｓｙｍｐ．Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ’９４，Ｔｓｕｋｕｂａ（Ｊａｐａｎ），Ｍａｒｃｈ１３−１７，１９９４，ｐ．ｌ．
【非特許文献２】Ｃ．Ｗｉｌｄ，Ｐ．Ｋｏｉｄｌ，Ｗ．Ｍｕｌｌｅｒ−Ｓｅｂｅｒｔ，Ｈ．Ｗａｌｃｈｅｒ，Ｒ．Ｋｏｈｌ，Ｎ．Ｈｅｒｒｅｓ，Ｒ．Ｌｏｃｈｅｒ，Ｒ．Ｓａｍｌｅｎｓｋｉ，ａｎｄ  Ｒ，Ｂｒｅｎｎ：Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｒｅｌａｔ，Ｍａｔｅｒ，．２（１９９３）１５８
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この公報に記載の従来の光学部品は、Ｇｅ、ＺｎＳｅ又はＺｎＳ等のセラミックス材料を使用しているため、前述の如く、耐衝撃性が低く、振動及び衝撃を受ける場合のように、過酷な使用環境に曝される用途においては、機械的な強度及び表面硬度が不足し、更に紫外線による表面酸化等の点で問題があるため、単独では使用できないという欠点がある。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、遠赤外光（波長８〜２５μｍ）の透過率を向上させ、更にノイズとなる可視光から近赤外光までの波長域（０．４〜３μｍ）の遮光性を向上させることができ、更に、強度、耐衝撃性及び耐酸化性が優れて多結晶ダイヤモンド遠赤外光学部品を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る遠赤外光学部品は、光透過部に多結晶ダイヤモンドが使用され、この多結晶ダイヤモンドの光透過面の片面又は両面の平均面粗度が１μｍ以上であることを特徴とする。
【００１５】
この遠赤外光学部品において、▲１▼０．４乃至３μｍの波長域での透過率が１５％以下であり、かつ６乃至２５μｍの波長域での透過率が５０％以上であるか、▲２▼０．４乃至６μｍの波長域での透過率が１５％以下であり、かつ８乃至２５μｍの波長域での透過率が５０％以上であるか、▲３▼０．４乃至８μｍの波長域での透過率が１５％以下であり、かつ１２乃至２５μｍの波長域での透過率が５０％以上であることが好ましい。
【００１６】
更に、この多結晶ダイヤモンド光学部品は、厚さが３０乃至１００μｍであることが好ましい。
【００１７】
表面凹凸の程度によって透過する赤外線の波長領域が異なるので、遠赤外部品として適用される応用製品によって、上記▲１▼〜▲３▼の条件を選択する。例えば、生物学の分野では、特定の赤外線領域に分けて赤外線照射／不照射の差を調べる際に、上記のような異なるタイプの光学部品を複数種類使用する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について更に詳細に説明する。本発明においては、多結晶ダイヤモンドの膜、板又は塊を光学部品に成形し、この光学部品の光透過面の片面又は両面において、その平均面粗度を１μｍ以上にする。これにより、透過面の表面を適度に粗いものとする。なお、本発明においては、多結晶ダイヤモンドの形状は任意であるが、以下、便宜上、この多結晶ダイヤモンドの形状を膜として説明する。
【００１９】
多結晶ダイヤモンド膜の成膜面は凹凸が大きいので、光学部品の光学窓等として利用する場合は、従来、多結晶ダイヤモンド膜の表面を研磨加工して平滑化している。本発明においては、この多結晶ダイヤモンド膜の表面の凹凸を逆に利用して可視光を散乱させることにより、可視光の透過率を低下させる。一方で、より長波長の遠赤外線は、表面凹凸の影響を受けにくく、ダイヤモンドの赤外透過性を確保することができる。
【００２０】
このような多結晶ダイヤモンド光学部品は、モリブデン又はシリコンを基材とし、気相合成法で多結晶ダイヤモンドを成膜して作製できる。表面の凹凸はダイヤモンドの核形成密度と優先成長結晶方位によって自在に制御することができる。一般論として、核形成密度を小さくすると表面凹凸が顕著になり、核形成密度が大きい場合は逆の結果となる。また、優先成長する結晶方位は、一般に〈１００〉方位と〈１１１〉方位との成長速度の比であるαパラメータで経験的に表される。
【００２１】
ダイヤモンドの合成条件について、非特許文献１（Ｐ．Ｋｏｉｄｌ，Ｃ．Ｗｉｌｄ，ａｎｄ  Ｎ．Ｈｅｒｒｅｓ：Ｐｒｏｃ．ＮＩＲＩＭ  Ｉｎｔ’ｌ．Ｓｙｍｐ．Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ’９４，Ｔｓｕｋｕｂａ（Ｊａｐａｎ），Ｍａｒｃｈ１３−１７，１９９４，ｐ．ｌ．）等には、メタン濃度と基板温度に対して、結晶形態を表す「αパラメータ」の分布が記載されている。このαパラメータとは、結晶面｛１１１｝及び｛１００｝の積層速度を、夫々Ｖ１１１及びＶ１００とするとき、α＝√３×Ｖ１００／Ｖ１１１で定義される。ダイヤモンドの場合、結晶成長の結果出現するファセットは、主に｛１１１｝面と｛１００｝面であることが知られており、わずかに｛１１０｝面と｛３１１｝面が現れることがあるが、殆どの場合、｛１１１｝面と｛１００｝面の現れ方によって結晶形態を表現することができる。従って、結晶成長が微小な核から始まった場合には、αパラメータは成長の結果出現する結晶形態を表すともいえる。代表的なαパラメータに対応した結晶形態が非特許文献２（Ｃ．Ｗｉｌｄ，Ｐ．Ｋｏｉｄｌ，Ｗ．Ｍｕｌｌｅｒ−Ｓｅｂｅｒｔ，Ｈ．Ｗａｌｃｈｅｒ，Ｒ．Ｋｏｈｌ，Ｎ．Ｈｅｒｒｅｓ，Ｒ．Ｌｏｃｈｅｒ，Ｒ．Ｓａｍｌｅｎｓｋｉ，ａｎｄ  Ｒ，Ｂｒｅｎｎ：Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｒｅｌａｔ，Ｍａｔｅｒ，．２（１９９３）１５８）に記載されている。α＝１のときは全ての面が｛１００｝面からなる立方体であるが、その中間では、ちょうど立方体の頂点が削られたように｛１１１｝面が現れ、α値が大きくなるに従い｛１１１｝面が大きく｛１００｝面が小さくなる。そしてα＝３のとき、｛１００｝面が消滅し、全ての面が｛１１１｝面で覆われ、正八面体となる。
【００２２】
本発明の多結晶シリコン膜の具体的な製造方法は、例えば、以下のとおりである。多結晶ダイヤモンドを、（００１）結晶面又は（１１１）結晶面を有するシリコンを基材として、マイクロ波ＣＶＤ（化学気相成長：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で成膜する。なお、ダイヤモンドの気相合成法としては、他に、熱フィラメントＣＶＤ法、直流プラズマＣＶＤ法、プラズマジェット法、又は熱ＣＶＤ法等があり、これらの方法を使用して多結晶ダイヤモンド膜を成膜することもできる。マイクロ波（周波数９１５／２４５０ＭＨｚ）は石英製マイクロ波窓を通して真空容器内に導入され、基板上方にプラズマが発生する。真空容器に導入された原料ガスは、真空ポンプを通して排出される途中、マイクロ波プラズマで分解され、一部が基板上にダイヤモンドとして析出する。具体的な成膜条件は、マイクロ波パワー：１〜７．５ｋＷ、ガス圧：３５〜１５０Ｔｏｒｒ、試料表面温度：７００〜１１００℃、水素ガス流量：０．１〜３リッター／分、メタンガス流量：０．０２〜０．１リッター／分、二酸化炭素流量：０．０１〜０．０５リッター／分であり、ダイヤモンドの析出速度は０．２〜１０μｍ／時である。なお、成膜に使用する基板については、ダイヤモンド膜を気相合成する前に、アルコール洗浄し、表面にダイヤモンド粉末若しくはダイヤモンドペーストを使用したバフ研磨による傷つけ処理又は超音波処理による傷つけ処理を施す。
【００２３】
成膜終了後に特別な機械研磨加工は施さなくてもよい。気相合成時にダイヤモンドが基材と接触していた面は、機械的方法では研磨しづらいが、基材面の面粗度を小さくすることにより、この多結晶ダイヤモンド膜における基材との接触面の平均面粗度を所望のものにすることができ、基材を除去した後に、この多結晶ダイヤモンド膜における基材接触面の光透過性能を十分高いものとすることができる。基材は、化学薬品で融解除去することもできるし、又は、ダイヤモンドと基材との熱膨張率との差異を利用して、気相合成後に室温まで降温することで、基材とダイヤモンド膜とを自律的に分離することができる。
【００２４】
以上のようにして得られた多結晶ダイヤモンドを、目的とする光学部品の形状に加工する。例えば、フィルター又はレンズとしてダイヤモンドを使う場合には、所定の直径の円形として円板状の板を得た後、上下側面を加工することにより、フィルター又はレンズを得ることができる。
【００２５】
また、例えば、２５ｍｍ径・０．５ｍｍ厚のシリコン円板基板上に成膜した後、シリコンを薬液除去して作製した光学部品の場合は、ダイヤモンドが成長時にシリコンの上面だけでなく外周部にも成長するので、シリコンを除去すると結果的に外周部に成長したダイヤモンドが「かえり」として残る。「かえり」とはいえ、機械的な強度は大きく、簡単には除去できないので、装置と接合する外周部は実質的に０．５ｍｍに近い厚さが得られる。このような光学部品は、光が透過する部分は０．１ｍｍ程度に抑えることで、透過率を高く保ち、作製コストを抑えながら、部品としての取扱いは０．５ｍｍ程度の透過窓と同等にできる利点がある。
【００２６】
本発明において使用するダイヤモンドは、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、又はＧｅ等の光学材料と比べて、紫外線〜可視光〜赤外線領域において、高い光透過性及び屈折率だけでなく、熱伝導性、機械的強度、及び耐熱性が優れた材料として、光学的機能を有する窓材及びレンズ等の部品に利用されている。ダイヤモンドをこの種の分野に適用するためには、高圧法又は気相合成法で作製したダイヤモンドを機械的に研磨加工して所定の形状にすることが多い。
【００２７】
従来、多結晶ダイヤモンド光学部品において、可視光から近赤外光までの波長域の光を透過しにくくすると共に、遠赤外域での透過性を優れたものとすることは、常識的には困難であると考えられていた。ダイヤモンド膜中にボロン又は窒素等の不純物を添加して、光透過率を変えることは可能ではあるが、その光透過率を変える効果は一部の波長領域に限られてしまう。
【００２８】
これに対し、本発明のように、光透過面の片面又は両面の平均面粗度を適切に粗くすることにより、ノイズとなる可視光から近赤外光までの波長域（０．４〜３μｍ）の遮光性を向上させることができると共に、遠赤外光の透過率は低下させず、多結晶ダイヤモンド膜の優れた光透過率は確保することができる。
【００２９】
図１は、このような多結晶ダイヤモンド膜の光透過スペクトルを測定した結果を示す。図１の従来型ダイヤモンドの線分は、表面研磨済みダイヤモンドの光透過スペクトルであり、実施例１乃至３の線分は、本発明の平均表面粗度を有する多結晶ダイヤモンド膜の光透過スペクトルである。本発明の実施例１乃至３の多結晶ダイヤモンド膜は、触針計での測定で、平均面粗度が夫々１．０μｍ以上、１．５μｍ以上、２．５μｍ以上であることを示した。
【００３０】
この図１に示すように、実施例１乃至３の場合は、赤外光でも短波長側は光散乱され、透過率が２％以下である一方、例えば、実施例３の場合は、波長が８μｍから１２μｍに長くなるにつれて急激に透過率が立ち上がり、波長が１２μｍ以上では透過率が６０％以上となる。このように、本発明により、遠赤外波長域では高い光透過率を有すると共に、可視光から近赤外域では、光透過を遮蔽する多結晶ダイヤモンド光学部品を得ることができる。
【００３１】
このような多結晶ダイヤモンド光学部品は、研磨加工を要しないため、従来のダイヤモンド光学部品に比べて、はるかに低コストで作製することができる。
【００３２】
【実施例】
次に、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。
実施例１
モリブデン又はシリコンを基材として、気相合成法により多結晶ダイヤモンド膜を成膜した。この多結晶ダイヤモンド膜の平均面粗度は、触針法で測定した結果、１．０μｍ以上であった。
【００３３】
このようにして成膜した多結晶ダイヤモンド膜の厚さ方向の可視光から赤外光領域の直線透過率をダブルビーム式分光光度計により測定した。このとき、試料と検出器との距離は７５ｍｍであった。図１にこの実施例１の光透過スペクトルを示す。前述の如く、図１には、比較のために両面を鏡両加工した同サイズの従来型ダイヤモンドの光透過スペクトルを示す。図１からわかるように、従来型ダイヤモンドは測定した全波長領域において優れた光透過性を示している。これに対して、本発明の多結晶ダイヤモンドは、波長０．４〜３μｍの範囲の光は、実質的に光透過を遮断し、かつ６〜２５μｍの範囲の光については、５０％以上の光透過率を有して、良く透過していることがわかる。
【００３４】
実施例２
実施例１と同じ多結晶ダイヤモンド膜からなる光学部品を製造した。ダイヤモンド気相合成条件を変えて、表面粗度を大きくした。触針計で測定した多結晶ダイヤモンド表面の平均面粗度は１．５μｍ、厚さは３０μｍであった。このようなダイヤモンドの透過スペクトルを測定した結果を図１に合わせて示す。実施例２では、波長０．４〜６μｍの範囲の光は、実質的に遮断し、かつ８〜２５μｍの範囲の光の透過率は、６０％以上と高いものであった。
【００３５】
実施例３
実施例１と同じ多結晶ダイヤモンドを主成分として光学部品を試作した。ダイヤモンド気相合成条件を変えて、表面粗度を大きくした。触針計で測定した多結晶ダイヤモンド表面の平均面粗度は２．５μｍ、厚さは１００μｍであった。このようなダイヤモンドの透過スペクトルを測定した結果も図１に示す。実施例３では、波長０．４〜８μｍの範囲の光は、実質的に遮断し、かつ１２〜２５μｍの範囲の光の透過率は、６０％以上と良く透過した。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の多結晶ダイヤモンド光学部品は、表面粗度を制御することにより、可視〜近赤外領域の任意の波長を上限値として、それより短波長側の光を部分的又は全体的に遮蔽し、より長波長の遠赤外光を良好に透過するという独特の光学特性を有する。このため、本発明は、高機能な赤外光利用装置に使用される窓材及びレンズ材等の光学部品として、その目的又は用途に最適な材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１〜３及び従来型ダイヤモンド膜の光透過スペクトルを示す。
【図１】
2004233802.tif 000003