(57)【要約】【課題】６００℃以上の高温となる環境下でも相転位等による屈折率変動等の光学特性劣化や剥離が生じず、かつ安価な高屈折率誘電体膜を用いることにより、６００℃以上の高温となる環境下でも光学特性の劣化が生じず、屈折率安定性が高く、コストパフォーマンスにも優れかつ信頼性の高い光学部品を提供する。【解決手段】光学部品であって、耐熱性基体の表面に、ニオビア膜と該ニオビア膜より屈折率が低い誘電体膜とがそれぞれ１層以上交互に積層された光学多層薄膜を有するものであることを特徴とする光学部品。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学部品であって、耐熱性基体の表面に、ニオビア膜と該ニオビア膜より屈折率が低い誘電体膜とがそれぞれ１層以上交互に積層された光学多層薄膜を有するものであることを特徴とする光学部品。
【請求項２】
前記ニオビア膜は、ニオビアの割合が９９質量％以上のものであることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
【請求項３】
前記誘電体膜が、シリカまたはアルミナからなるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学部品。
【請求項４】
前記耐熱性基体が、石英ガラスからなるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学部品。
【請求項５】
前記光学多層薄膜が光学反射膜であって、前記光学部品が耐熱性光学反射体であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光学部品。
【請求項６】
前記光学多層薄膜が光学透過膜であって、前記光学部品が耐熱性光学透過体であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光学部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタ用リフレクタなどのランプ部品のような、高温に晒される光学部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に光学系で用いられるミラー、フィルタ等の光学部品には、ＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜やＨＲ（Ｈｉｇｈ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜、波長選択フィルタ膜などの光学多層薄膜がガラス等の基体の表面に形成されている。このような光学多層薄膜には、使用する波長帯域で透明な誘電体等の薄膜材料が使用され、所望の光学反射特性または光学透過特性を得るために、使用する波長帯域での屈折率が比較的高い膜とそれより低い膜とを交互に多層積層した構造で設計される。
【０００３】
従来、このような高屈折率材料としてはチタニア膜（酸化チタン膜、ＴｉＯ２膜）が利用され、低屈折率材料としてはシリカ膜（酸化ケイ素膜、ＳｉＯ２膜）やアルミナ膜（酸化アルミニウム膜、Ａｌ２Ｏ３膜）が利用されていた。ここでチタニア膜の屈折率は、光の波長や成膜密度にもよるが、おおよそ２．１〜２．３程度、同様にシリカ膜の屈折率は１．４強、アルミナ膜の屈折率は１．６前後である。シリカ膜とアルミナ膜とでは同じ低屈折率膜でもその屈折率の値がかなり異なるが、従来の誘電体薄膜成膜装置には成膜されたシリカ膜の光学膜厚の判定精度が高くないものもあるため、屈折率がシリカ膜より高いものの、光学膜厚判定精度のより高いアルミナ膜が用いられる場合があった。またＡＲコート膜設計などでは、光学多層薄膜を形成する基体の特性によってはアルミナ膜を利用する方が低反射率設計にできる場合もあり、これらの膜は目的に応じて使い分けがなされている。
【０００４】
さて、これらのうち低屈折率材料であるシリカ膜は光学的、機械的、化学的、熱的に大変安定しており、様々な用途での光学多層膜用材料として不満のない特性が得られている。ところが高屈折率材料であるチタニア膜は、湿度変動する環境下や紫外線環境下での分光特性が不安定である。更にチタニア膜の場合、３００℃以上で相転移を起こして結晶化してしまい光学特性が劣化するため、３００℃以上の高温で使用される光学部品の用途には、そもそもチタニア膜は利用できない。そこで、高精度な分光特性を要求される光学多層薄膜の用途には、酸化タンタル膜が用いられる（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
高屈折率膜として酸化タンタル膜を用いた場合、相転移温度が高いことと、基体や低屈折率膜との線膨張係数の差が小さくなることによる低応力化のため、使用可能温度が６００℃近くまで高くなる。但しそれ以上の温度環境下で使用する場合、相転移が発生し膜剥離や光吸収が発生してしまう。また、酸化タンタル膜の屈折率はその成膜条件を調整しても２以下であるため、チタニア膜に比べ屈折率がかなり小さい。光学多層薄膜からなる光学反射膜の反射率は高屈折率膜と低屈折率膜の屈折率差が大きいほど高く、また高屈折率膜−低屈折率膜ペアの数が多いほど高い。そのためチタニア膜−シリカ膜ペアを用いた光学多層薄膜と同一の反射率を得るためには、光学多層薄膜を構成する酸化タンタル膜−シリカ膜ペア数を増やさなければならず、コストや残留応力などの点で問題となる。
【０００６】
近年、高屈折率膜として酸化ビスマスまたはニオビア（酸化ニオブ、Ｎｂ２Ｏ５）を含有させた酸化タンタル膜を用いると、７００℃でも相転移や光吸収が生じず耐熱性の高い、高屈折率な光学多層薄膜が形成できることが開示されている（特許文献２参照）。
ところがここで開示されている高屈折率膜材料には未だにいくつかの問題がある。まず高温環境下での利用を考えた場合には以下の不安がある。例えば酸化タンタル膜中にニオビアを１０質量％添加すると、添加物を含まない酸化タンタル膜に比べ結晶化温度が１００℃以上低下し５５０℃まで下がることが知られている（非特許文献１）。つまり酸化タンタル膜中に別の酸化物を添加することは耐熱性向上につながるどころか、むしろ結晶化温度の低温化を誘発し、高温環境下での屈折率変動や最悪の場合膜の剥離の危険性が増加すると考えられる。
【０００７】
また一般に光学薄膜にはその屈折率安定性が最も厳しく求められるが、光学薄膜材料は多成分化するほど屈折率安定性が低下するため、一般に光学薄膜材料には他成分が混入しないように注意するのが普通である。上記の酸化ビスマスまたはニオビアを含有させた酸化タンタル膜はこの点で好ましくない。
更に光学薄膜材料を多成分系にすると、どうしても原料コストが高騰する問題が生じる。
最後に酸化タンタル膜中にニオビアを１０質量％添加した材料の屈折率は、添加物のない酸化タンタル膜の屈折率よりは高くなるものの、チタニア膜の屈折率に比べれば依然として低い。従って前述した理由により、コストや残留応力などの点で問題となる。
【０００８】
一方、近年、小型、高輝度化が進むプロジェクタ用の光源として高性能な小型、高輝度ハロゲンランプなどが採用されている。そのため該ハロゲンランプ用リフレクタもより高熱に晒されて高温運転が余儀なくされる。実際には６００℃以上でも光学特性の劣化しないリフレクタが求められはじめている。このハロゲンランプ用リフレクタの表面にも光学多層薄膜が形成されているが、そのような高温環境下での使用に耐える、最適な高屈折率材料は提供されていない。
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−３３２９３１号公報
【特許文献２】特開２００３−２４０９４２号公報
【非特許文献１】株式会社日立製作所プレスリリース２００２．１２．１１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、６００℃以上の高温となる環境下でも相転位等による屈折率変動等の光学特性劣化や剥離が生じず、かつ安価な高屈折率誘電体膜を用いることにより、６００℃以上の高温となる環境下でも光学特性の劣化が生じず、屈折率安定性が高く、コストパフォーマンスにも優れかつ信頼性の高い光学部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、光学部品であって、耐熱性基体の表面に、ニオビア膜と該ニオビア膜より屈折率が低い誘電体膜とがそれぞれ１層以上交互に積層された光学多層薄膜を有するものであることを特徴とする光学部品を提供する（請求項１）。
【００１２】
このように、耐熱性基体の表面に、耐熱性が高く屈折率が高くかつ安価なニオビアの膜と、該ニオビア膜より屈折率が低い誘電体膜とがそれぞれ１層以上交互に積層された光学多層薄膜を有する光学部品であれば、耐熱性が高く、６００℃以上で７００℃程度までの高温となる環境下でも光学特性劣化が生じず、屈折率安定性が高く、また光学多層薄膜の積層数を少なくできるのでコストパフォーマンスにも優れかつ信頼性の高い光学部品とできる。
【００１３】
この場合、前記ニオビア膜は、ニオビアの割合が９９質量％以上のものであることが好ましい（請求項２）。
このように、ニオビア膜が、ニオビアの割合が９９質量％以上のものであれば、屈折率変動が確実に生じず、屈折率安定性がより高いものとなり、光学特性が非常に安定した光学部品とできる。
【００１４】
また、前記誘電体膜が、シリカまたはアルミナからなるものであることが好ましい（請求項３）。
このように、誘電体膜がシリカまたはアルミナからなるものであれば、屈折率が十分に低く、耐熱性が十分に高く、光学的、機械的、化学的、熱的に安定した誘電体膜とできる。
【００１５】
また、前記耐熱性基体が、石英ガラスからなるものであることが好ましい（請求項４）。
このように、耐熱性基体が石英ガラスからなるものであれば、耐熱性が十分に高く、光学的、機械的、化学的、熱的に安定した耐熱性基体とできる。
【００１６】
また、前記光学多層薄膜が光学反射膜であって、前記光学部品が耐熱性光学反射体であることが好ましい（請求項５）。
このように、本発明の光学多層薄膜を光学反射膜とし、光学部品を耐熱性光学反射体として用いれば、耐熱性が高く、６００℃以上で７００℃程度までの高温となる環境下でも光学特性劣化が生じず、反射率安定性が高く、コストパフォーマンスにも優れた、信頼性の高い耐熱性光学反射体とできる。
【００１７】
また、前記光学多層薄膜が光学透過膜であって、前記光学部品が耐熱性光学透過体であることが好ましい（請求項６）。
このように、本発明の光学多層薄膜を光学透過膜とし、光学部品を耐熱性光学透過体として用いれば、耐熱性が高く、６００℃以上で７００℃程度までの高温となる環境下でも光学特性劣化が生じず、透過率安定性が高く、コストパフォーマンスにも優れた、信頼性の高い耐熱性光学透過体とできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、耐熱性が高く屈折率が高くかつ安価なニオビアの膜を用いることで、６００℃以上の高温となる環境下でも光学特性劣化が生じず、屈折率安定性が高く、コストパフォーマンスにも優れた、信頼性の高い光学部品とできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下では、本発明の実施形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は本発明に係る光学部品の実施形態の一例を示す断面概略図である。
この光学部品１０は、耐熱性基体１の表面に、ニオビア膜２１と該ニオビア膜より屈折率が低い低屈折率誘電体膜２２とがそれぞれ１層以上交互に積層された光学多層薄膜２を有するものである。以下、この光学部品１０の構成について詳述する。
【００２０】
耐熱性基体１は、その表面に光学多層薄膜２を形成するものであり、例えば光学板、リフレクタ、レンズ、プリズム等があげられる。その材質は耐熱性のものであれば特に限定されないが、石英ガラスからなるものであれば、耐熱性が十分に高く、光学的、機械的、化学的、熱的に安定したものとできるので好ましい。また、石英ガラスにフッ素、ホウ素、リン、アルミニウム等を添加して屈折率その他の物性を所望の特性としたものでもよい。
【００２１】
ニオビア膜２１は結晶化の相転位温度が７００℃より高く、６００℃以上で７００℃程度までの高温に晒されても結晶化せず、光吸収等を生じず、光学特性が劣化しない。また、屈折率が２．３前後とチタニア膜と同等に高いため、所望の反射特性や透過特性を得るために必要な膜の積層数を減少させることができる。このため、低コストにでき、積層数の増加に伴う残留応力等による膜の剥離が起こりにくく、信頼性の高い膜とできる。さらに光学膜厚の設計ではチタニア膜での設計がほぼそのまま適用できるため、従来の設計を再適用することにより、光学膜厚設計のリードタイムを短縮することができる。またニオビア材料は工業的に非常に古くから用いられており、酸化タンタル材料よりも高純度のものを安価に入手できる。このような他成分の混入していない高純度の材料を用いて高純度の膜とできるので、屈折率変動が生じず、屈折率安定性が高いものとできる。
さらに、このように他成分の混入しない高純度の材料を用いることで、材料が特性のばらつきがないものとなる。材料自体の特性にばらつきがあると、同一の特性の膜を得るためには使用する材料組成の管理を徹底して行なわなければならず、また材料のロットに応じて成膜条件等をチューニングする必要があるので好ましくない。
【００２２】
このようにニオビア膜２１のニオビアの純度は高いものほど屈折率特性が安定しているので好ましいが、９９質量％以上、特に好ましくは９９．９９質量％以上のものであれば、屈折率変動が確実に生じず、屈折率安定性がより高いものとなり、光学特性が非常に安定した光学部品とできる。
【００２３】
誘電体膜２２はニオビア膜２１より屈折率の低いものであれば特に限定されないが、膜の積層数を減らすためにはなるべく屈折率が低いものが好ましい。シリカまたはアルミナからなるものであれば、屈折率が十分に低く、耐熱性が十分に高く、光学的、機械的、化学的、熱的に安定したものとできるので好ましい。
【００２４】
光学多層薄膜２は、ニオビア膜２１及び誘電体膜２２を交互に積層して形成される。図１ではニオビア膜２１及び誘電体膜２２がそれぞれ３層づつ積層されたものを示しているが、これらの膜の膜厚および積層数は特に限定されず、使用する光の波長や帯域と各膜の屈折率、及び必要とされる反射特性あるいは透過特性により適宜設計することができる。例えば、膜２１、２２の膜厚を変えることにより、反射する波長を変えることができ、異なる膜厚の膜２１、２２を積層することにより、反射する波長帯域を広くすることができる。また、膜２１、２２の膜厚が同じものを積層することにより、反射率を高めることができる。このようにして、光学多層薄膜２を、所望のＡＲコート膜、ＨＲコート膜、波長選択フィルタ膜等とすることができる。
【００２５】
そして、このように膜２１、２２の膜厚および積層数を適宜設計して光学多層薄膜２を形成することにより、光学部品１０を、使用する波長帯域で光学多層薄膜が所望の分光特性をもつ光学反射膜であり、６００℃以上の高温となる環境下で使用できる耐熱性光学反射体、例えばリフレクタ等のミラー、反射型波長選択フィルタ、反射プリズム等とできる。または、使用する波長帯域で光学多層薄膜が所望の分光特性をもつ光学透過膜であり、高温環境下で使用できる耐熱性光学透過体、例えば透過型波長選択フィルタ、レンズ、分光プリズム等とできる。
【００２６】
なお、光学多層薄膜は、例えばＩＡＤ（イオンアシスト蒸着）法によりニオビア膜、シリカ膜を成膜、積層して形成することができる。ＩＡＤ法で成膜に用いることができるニオビアターゲットとシリカターゲット等は高純度のものが容易に入手できる。例えばニオビアターゲットは純度９９．９９％の材料を用い、他成分酸化物は添加されていないものとできる。このようなターゲット材料を用いることによりニオビア膜のニオビアの純度を高くできるので、光学特性の安定したニオビア膜が成膜できる。そして、別途用意した耐熱性基体、例えば石英ガラス板の表面に、ＩＡＤ法でニオビア膜とシリカ膜を交互に例えば２４〜３０層積層して光学多層薄膜を形成できる。例えば、プロジェクタ等に用いるハロゲンランプ用リフレクタの場合は、光学多層薄膜を、要求される可視光領域での反射特性を得るために、ニオビア膜とシリカ膜とをそれぞれ４〜５種類の光学膜厚で設計し、全部で８〜１０種類の膜から構成することができる。また、図１では耐熱性基体１の直上にはニオビア膜２１が成膜されているが、誘電体膜２２を成膜してもよい。また、光学多層薄膜２の最上層には誘電体膜２２が成膜されているが、ニオビア膜２１であってもよい。
【００２７】
光学部品１０は、このようにして作製することができ、６００℃以上の高温となる環境下でも光学特性劣化が生じず、屈折率安定性が高く、コストパフォーマンスにも優れた、信頼性の高いものとできる。
【実施例】
【００２８】
以下に本発明の実施例および比較例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、比較例１）
他成分酸化物が添加されていない、純度９９.９９％のニオビアターゲットとシリカターゲットを用意した。そして、別途用意した石英ガラス基板の表面に、ＩＡＤ法でニオビア膜とシリカ膜を交互に３０層積層した。ここでニオビア膜とシリカ膜とはそれぞれ５種類の光学膜厚で設計されており、全部で１０種類の膜から構成されている。なお、この時の成膜条件でのニオビア膜の屈折率は波長６３３ｎｍで２．３２であった。
【００２９】
上記のようにして得られた実施例１の光学多層薄膜付石英ガラス基板のサンプルを３枚用意し、５００℃、６００℃、７００℃の各温度でそれぞれ２時間アニール処理し、その後の膜表面劣化有無評価と、ニオビア膜の波長６３３ｎｍでの屈折率評価をおこなった。また、比較例１として、酸化タンタル材料中に１０質量％のニオビアを添加した高屈折率材料（以下、ニオビア添加酸化タンタルと記載する）のターゲットとシリカターゲットを用いて、ほぼ同様の分光特性となるように石英ガラス基板上にニオビア添加酸化タンタル膜とシリカ膜を交互に４０層積層して光学多層薄膜を形成した、光学多層薄膜付石英ガラス基板を作製した。なお、この時の成膜条件でのニオビア添加酸化タンタル膜の屈折率は波長６３３ｎｍで２．０７でありニオビア膜より低かった。これを実施例１の光学多層膜付石英ガラス基板と同一条件でアニール処理し、その後膜表面劣化有無評価と、ニオビア添加酸化タンタル膜の波長６３３ｎｍでの屈折率評価を行なった。その結果を表１に示す。ここで参考までに、比較例１で用いたニオビア添加酸化タンタルのターゲット材料は、実施例１で用いた純度９９．９９％のニオビアターゲット材料より３倍高価であった。
【００３０】
表１から明らかなように、純度９９．９９％のニオビアターゲットを用いて成膜した実施例１の光学多層薄膜付石英ガラス基板は、クラックや剥離などの膜劣化もなく、また分光特性にとって最も重要な屈折率変動も生じていないことが確かめられた。一方、ニオビア添加酸化タンタルターゲットを用いて成膜した光学多層薄膜付石英ガラス基板は、クラックや剥離などの膜劣化こそなかったものの、６００℃、７００℃でのアニール処理後にはニオビア添加酸化タンタル膜の屈折率が若干上昇していることが確認された。このように屈折率が変化したということは、高温に晒されたことにより光学多層薄膜付石英ガラス基板の分光特性が変化してしまうことを意味しており、比較例１の光学多層薄膜では６００℃以上での高温使用が事実上不可能であることを意味している。尚、ニオビア添加酸化タンタル膜が６００℃、７００℃でのアニール処理後に屈折率上昇した原因は、前述の公知例にあるように５５０℃で結晶化が始まったためと推定される。
【００３１】
【表１】
2005274603.tif 000002
【００３２】
（実施例２、比較例２）
次に、実施例１及び比較例１で使用した各ターゲットの購入の１ヶ月後に、純度９９．９９％のニオビアターゲットとニオビア添加酸化タンタルターゲットをもう１ロットづつ購入し、各ターゲットを用いて別々の石英ガラス基体上にＩＡＤ装置で各膜を成膜し、波長６３３ｎｍでの屈折率を測定した。その結果を表２に示す。表２から、比較例２のニオビア添加酸化タンタルターゲットを用いて成膜した膜では、比較例１の膜に対して屈折率が変動していることが確認された。つまり異なるロットのニオビア添加酸化タンタルターゲットを用いて同一の屈折率の膜を成膜する場合には、材料の組成管理の徹底か、ロット毎の成膜条件チューニングが必要なことを意味しており、実用的でない。一方、実施例２のニオビアターゲットを用いて成膜した膜では、実施例１の膜に対して屈折率の変動が起こっておらず、異なるロットでも特性の安定したターゲットが容易に入手可能であることが示唆された。
【００３３】
【表２】
2005274603.tif 000003
【００３４】
（実施例３、比較例３）
次にニオビア膜の付着性を確かめるために、実施例２と同様に成膜したニオビア膜と、ニオビアターゲットの代わりにチタニアターゲットを用いた以外は実施例２と同様に成膜したチタニア膜に対して、Ｘカットテープ試験を行なった。その結果、何れの膜もはがれがまったく生じず、同等の結果が得られた。このように、ニオビア膜はチタニア膜と同等の、実用上十分な付着強度を有することを確認した。
【００３５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３６】
例えば、上記実施例では、光学多層薄膜の成膜にＩＡＤ装置を用いたが、イオンビームスパッタ装置などを用いてもよく、特に成膜方法は拘らない。また今回は耐熱性基体として石英ガラスを用いたが、もちろん基体についても６００℃以上の使用環境下で使用可能なものなら、特に材料種類については拘らない。また、本発明は、６００℃以上の高温となる環境下で使用される、ＡＲコート膜、ＨＲコート膜、波長選択フィルタ膜等の光学多層薄膜を有するあらゆる光学部品に適用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る光学部品の実施形態の一例を示す断面概略図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…耐熱性基体、  ２…光学多層薄膜、  ２１…ニオビア膜、
２２…低屈折率誘電体膜、  １０…光学部品。
【図１】
2005274603.tif 000004