(57)【要約】  光学部材の支持体が記載されている。その支持体は、高い比剛性を有するベース基板および仕上げ層を備えている。このベース基板は、非酸化物のセラミック材料であり、好ましくは、炭化ホウ素または炭化ケイ素などの炭化物である。その仕上げ層は、ＧｅまたはＡｌとＳｉの合金であることが好ましい。その仕上げ層は、低仕上げの表面を提供するように加工されている、または加工することができる。その仕上げ層は、ベース基板の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有する。その光学部材は、必要に応じて、仕上げ層上に反射積層体を備える。
2022502710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学部材において、
非酸化物セラミックから作られ、第１の熱膨張係数を有するベース基板、および
前記非酸化物セラミックと接触した仕上げ層であって、Ｇｅ、Ａｌ、またはＳｉを含み、前記第１の熱膨張係数の±１０％以内にある第２の熱膨張係数を有する仕上げ層、
を備えた光学部材。
【請求項２】
前記非酸化物セラミックが炭化ホウ素または炭化ケイ素を含む、請求項１記載の光学部材。
【請求項３】
前記非酸化物セラミックが、少なくとも４．０×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍの比剛性を有する、請求項１または２記載の光学部材。
【請求項４】
前記仕上げ層が、ＡｌとＳｉの合金を含む、請求項１から３いずれか１項記載の光学部材。
【請求項５】
前記仕上げ層が、４質量％〜２５質量％のＳｉを含むＡｌとＳｉの前記合金を含む、請求項４記載の光学部材。
【請求項６】
前記仕上げ層が、ダイヤモンド旋削表面を含む、請求項１から５いずれか１項記載の光学部材。
【請求項７】
前記仕上げ層が、１０Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げを有する表面を含む、請求項１から６いずれか１項記載の光学部材。
【請求項８】
前記仕上げ層が、前記非酸化物セラミックと直接接触している、請求項１から７いずれか１項記載の光学部材。
【請求項９】
前記ベース基板と前記仕上げ層との間に位置付けられた接着層をさらに備える、請求項１から７いずれか１項記載の光学部材。
【請求項１０】
前記接着層がＢまたはＳｉを含む、請求項９記載の光学部材。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は、その内容が依拠され、ここに全て引用される、２０１８年１０月３日に出願された米国仮特許出願第６２／７４０６１８号に優先権の恩恵を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本記載は、光学部材に関する。より詳しくは、本記載は、低仕上げの表面を有する支持体上に反射層を備えた光学部材に関する。最も詳しくは、本記載は、高い比剛性を有するベース基板および低仕上げの仕上げ層を備えた光学部材の支持体に関する。
【背景技術】
【０００３】
サイズ、質量および消費電力（ＳＷＡＰ）は、携帯性および移動性が有利な用途への使用が予定されている光学系にとって重要な設計パラメータである。サイズおよび質量は、光学系の設計により直接的に影響を受け得るのに対し、電力は、より軽い系では動かすのにより少ない電力しか必要とされないので、間接的に影響を受ける。
【０００４】
光学系の設計の選択は、一般に、屈折光学部材および反射光学部材に基づく。軽量の光学系を設計する場合、いくつかの要因は、反射光学部材の使用に好意的である。第一に、ある系において光学部材の数を最小にすると、その系の質量が減少する。しかしながら、より少ない素子で系の性能を維持するには、精密な非球面または自由形状表面を持つ光学素子を使用する必要がある。そのような光学素子は、ダイヤモンド旋削できる材料により、最良に達成される。
【０００５】
第二に、サイズおよび質量は、全てのスペクトル帯をただ１つの開口に集めて通す設計のマルチスペクトル系において減少させることができる。屈折率の波長依存性のために、マルチスペクトル集束は、屈折光学素子で達成することは難しい。しかしながら、反射光学系は、広いスペクトル範囲に亘る光を共通焦点に容易に集束させることができる。
【０００６】
第三に、系の質量は、個々の光学部材の質量を最小にすることによって、減少させることができる。例えば、光学部材を薄くすることなど、構造の最適化により、軽量化を達成することができる。しかしながら、屈折力は光学素子の十分な厚さを必要とするので、薄化は、屈折光学素子にとって現実性がない。それにひきかえ、反射光学素子における光学的効果は、表面領域のみに依存し、一般に、反射面を支持する基板を、機械的完全性の要件にしたがう程度まで薄くして、質量を減少させることが可能である。
【０００７】
第四に、系の質量は、光学部材に低密度材料を選択することによって、減少させることができる。屈折光学素子を通る透過率の必要性により、材料の選択が制限され、多くの望ましい基板の使用が妨げられる。反射部材用の基板には、はるかに少ない制限しか適用されない。特定の基板材料が、関心のあるスペクトル帯に亘り不十分な反射を有していたとしても、通常、基板の表面上に薄い反射薄膜を堆積させることによって、所望の性能を達成することが可能である。
【０００８】
上述した検討事項に基づいて、低仕上げを達成するためにダイヤモンド旋削に適した表面を特徴とする、低密度の構造的に最適化された鏡を使用した反射光学素子が、幅広いまたはマルチバンドの携帯型光学系の好ましい設計選択である。
【０００９】
新たな用途が現れるにつれて、反射光学部材に、より厳しい要件が課せられる。航空宇宙用途と商業的用途の両方の動的条件下で精密な形状を維持できる軽量の反射光学部材が現在必要とされている。商業的用途について、高速スキャナーには、極度の振動または回転加速度荷重下で反射面の平坦性を維持するために、軽量鏡が必要である。空中偵察および標的用途について、振動および熱環境、航空機の振動および熱環境において正確な形状を維持するために、軽量鏡が必要である。宇宙用途について、様々な作動および／または宇宙船の加速および熱環境下で正確な形状を維持するために、軽量鏡が必要である。宇宙船について、衛星を宇宙に打ち上げるポンド当たりの費用のために、質量も大きな要因である。また、宇宙環境について、宇宙放射線を遮断する材料が、多くの場合、利点である、および／または検出器を保護するために必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
厳しい条件下で精密な形状を維持する軽量鏡の必要性が、高い剛性を示す新たな低密度基板への探求を促している。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示は、反射光学部材用の支持体およびその支持体を備えた反射光学部材を提供する。この支持体は、ベース基板および仕上げ層を備えている。このベース基板は、高い比剛性を有する非酸化物セラミック材料、好ましくは、炭化ホウ素または炭化ケイ素などの炭化物から作られている。仕上げ層は、ベース基板よりも低い表面粗さに加工することのできる層である。この仕上げ層は、２５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さより低い仕上げに加工できることが好ましい。仕上げ層が加工される場合、その仕上げ層は、２５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さより低い仕上げを有する表面を含む。その仕上げ層は、ベース基板の熱膨張係数（ＣＴＥ）の±２０％以内にある熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。この仕上げ層を加工する方法としては、ダイヤモンド旋削、磁性粘性仕上げ、および研磨が挙げられる。前記光学部材は、必要に応じて、仕上げ層上に反射層を備える。ベース基板上に仕上げ層を形成する方法も記載されている。
【００１２】
本開示は、
光学部材において、
非酸化物セラミックから作られ、第１の熱膨張係数を有するベース基板、および
この非酸化物セラミックと接触した仕上げ層であって、Ｇｅ、Ａｌ、またはＳｉを含み、第１の熱膨張係数の±２０％以内にある第２の熱膨張係数を有する仕上げ層、
を備えた光学部材
に及ぶ。
【００１３】
追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部には、その説明から当業者に容易に明白となるか、または記載された説明およびその特許請求の範囲、並びに添付図面に記載されたように実施の形態を実施することによって、認識されるであろう。
【００１４】
先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方とも、例示に過ぎず、請求項の性質および特徴を理解するための概要または骨子を提供する意図があることを理解すべきである。
【００１５】
添付図面は、さらなる理解を与えるために含まれ、本明細書に包含され、その一部を構成する。図面は、本記載の選択された態様の例証であり、説明と共に、本記載により包含される方法、製品、および組成物の原理および作動を説明する働きをする。図面に示された特徴は、本記載の選択された実施の形態の例証であり、必ずしも、適切な尺度で示されていない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
明細書は、記載された説明の主題を具体的に指摘し、個別に主張する特許請求の範囲で締めくくっているが、明細書は、添付図面と共に解釈された場合、以下の記載の説明からよりよく理解されるであろうと考えられる。
【図１】炭化ホウ素のベース基板、ＳｉＣ／Ｓｉ接着層、およびＧｅ仕上げ層を備えた支持体を示す図
【図２】図１に示された支持体の表面の一部の画像  図面に述べられた実施の形態は、事実上説明的であり、詳細な説明または請求項の範囲の限定を意図していない。できるときはいつでも、同じまたは同様の特徴を指すために、図面に亘り同じ参照番号が使用される。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本開示は、実現するための教示として与えられ、以下の説明、図面、実施例、および特許請求の範囲を参照することによって、より容易に理解できる。この目的のために、当業者は、有益な結果をまだ維持しつつ、ここに記載された実施の形態の様々な態様に多くの変更を行えることが認識され、理解されるであろう。これらの実施の形態の所望の恩恵の内のいくつかは、他の特徴を利用せずに、特徴の内のいくつかを選択することによって得られることも明白であろう。したがって、当業者は、多くの改変および適用が、可能であり、特定の状況下で望ましくさえあり得、本開示の一部であることを認識するであろう。それゆえ、本開示は、特に明記のない限り、開示された特定の組成物、物品、装置および方法に限定されないことを理解すべきである。ここに使用した専門用語は、特定の態様を記載する目的のためだけであり、限定を意図していないことも理解すべきである。
【００１８】
開示された反射光学部材および反射光学部材を製造する方法に使用できる、それと共に使用できる、その調製に使用できる、またはその実施の形態として使用できる構成要素（材料、化合物、組成物、および方法の工程を含む）が開示されている。構成要素の組合せが開示されている場合、個別の各構成要素および２つ以上の構成要素の各部分的組合せも、明白に述べられていない場合でさえ、考えられ、ここに開示されていることが理解されよう。例えば、構成要素Ａ、Ｂ、およびＣの組合せが開示されている場合、ひいては、Ａ、Ｂ、およびＣの各々が、部分的組合せＡ−Ｂ、Ｂ−Ｃ、Ａ−Ｃ、およびＡ−Ｂ−Ｃの各々のように、個々に開示されている。この概念は、以下に限られないが、材料、化合物、組成物、および方法の工程に対応する構成要素を含む、本開示の全ての対応に適用される。
【００１９】
本明細書およびそれに続く特許請求の範囲において、以下の意味を有すると定義される多数の用語に言及する。
【００２０】
ここに用いられているように、接触は、直接的な接触または間接的な接触を称する。直接接触している要素は、互いに触れている。間接的に接触している要素は、互いに触れていないが、１つ以上の介在材料を通じて結合されている。接触している要素は、剛性的または非剛性的に結合されることがある。接触させるとは、２つの要素を直接的または間接的な接触に置くことを称する。直接的（間接的に）接触している要素は、互いに直接的（間接的）に接触していると言われることがある。
【００２１】
本光学部材における一連の層における層の順序は、ベース基板に対して記載される。ここでの層の順序の記載は、ベース基板の向きに関係ない。
【００２２】
特に明記のない限り、「仕上げ」または「表面仕上げ」という用語は、表面の二乗平均平方根（ｒｍｓ）粗さを称する。粗さの低い表面は、低い仕上げを有すると言われ、粗さの高い表面は、高い仕上げを有すると言われる。仕上げの低い光学面は、より滑らかであり、ここに記載された光学部材にとって好ましい。
【００２３】
ここで、本記載の説明に役立つ実施の形態を詳しく参照する。
【００２４】
本記載は、反射光学部材用の支持体を提供する。その支持体は、軽い質量、高い比剛性、および低い仕上げの仕上げ層または低い仕上げに加工できる仕上げ層を有する。本記載は、その支持体を使用した反射光学部材も提供する。この反射光学部材は、支持体の仕上げ層上に反射層または反射積層体を備えることもある。反射積層体は、協働して反射または他の光学効果を与える２つ以上の層の組合せである。
【００２５】
その支持体は、ベース基板およびそのベース基板上の仕上げ層を備える。この仕上げ層は、ベース基板と直接的または間接的に接触している。ここに用いられているように、仕上げ層は、ベース基板の仕上げを改善する（減少させる）層を称する。軽量であり、高い比剛性を有するベース基板は、大抵、低い粗さに仕上げることが難しい粗い表面を有する材料から製造されている。仕上げ層は、ベース基板の表面（加工されたかまたはされていない）よりも低い仕上げを有する、または有するように加工できる表面を有する、ベース基板の表面に加えられる層である。その仕上げ層は、ベース基板の加工されたまたは未加工の表面に施される。その仕上げ層は、ベース基板の加工されたまたは未加工の表面の仕上げより低い仕上げを有し、それに続く層（例えば、反射層）の堆積のためのより滑らかな表面を与える。仕上げ層の表面の仕上げは、仕上げ層の堆積の際、および／または堆積後の仕上げ層の表面の加工の際に、ベース基板の加工されたまたは未加工の表面の仕上げより低い。好ましくは、仕上げ層は、２５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げに加工できる表面を有する、または２５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げを有する表面を持つ層である。１つ以上の追加の層（例えば、反射層、接着層、調整層、および／または保護層）が、必要に応じて、その仕上げ層と接触している。
【００２６】
その支持体は、仕上げ層とベース基板との間に１つ以上の介在層も備えることがある。その１つ以上の介在層は、ベース基板に対する仕上げ層の接着を改善する接着層を含むことがある。
【００２７】
ベース基板の選択は、機械的に要求の厳しい用途において、軽量および形状の維持の設計目標により動機付けられている。ベース基板材料の特性を導く選択の１つは、比剛性であり、これは、密度（ρ）に対する弾性率（Ｅ）の比（Ｅ／ρ）として定義される。他の関連する材料特性としては、熱膨張係数（ＣＴＥ）、寸法安定性、環境適合性（腐食、放射線）、仕上げ能力（例えば、光学的品質にダイヤモンド旋削および／または研磨する能力）、反射コーティングとの適合性、および費用が挙げられる。
【００２８】
極端に軽量な鏡について、ベリリウム（Ｂｅ）が、事実上の業界標準である。Ｂｅは、任意の金属の最高の比剛性（Ｅ＝４．２５×１０７ｌｆｆ／ｉｎ２、ρ＝０．０６７ｌｂｍ／ｉｎ３、Ｅ／ρ＝６．３４×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍ）を有し、その宇宙放射線を遮断する能力のために、宇宙用途に適している。しかしながら、Ｂｅ鏡の仕上げ費用は、非常に高く、Ｂｅは、低い仕上げに直接機械加工または加工できない。Ｂｅ基板の低い仕上げには、低い仕上げに加工できる（例えば、ダイヤモンド旋削または研磨）材料による表面Ｂｅのメッキが必要である。毒性が、Ｂｅの主な欠点である。Ｂｅ加工からの埃またはヒュームは、重大な健康上のリスクを伴う（ベリリウム中毒）。Ｂｅに関連する欠点のために、Ｂｅ鏡は、Ｂｅの材料の性能が費用よりもずっと重要である用途（典型的に宇宙用途）に指定されている。
【００２９】
本記載は、Ｂｅに関連する欠点のない、Ｂｅに匹敵する性能を持つベース基板を提供する。Ｂｅに匹敵する比剛性を持つ材料の唯一の部類は、セラミックである。具体的には、特定の非酸化物セラミックは、高い比剛性を有する。ここでの態様において、ベース基板は非酸化物セラミックである。好ましいベース基板は、炭化物を含む。代表的な炭化物に、炭化ホウ素および炭化ケイ素がある。炭化ホウ素は、７．４７×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍの比剛性を有し、炭化ケイ素は、５．５４×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍの比剛性を有する。炭化ホウ素は、宇宙放射線を遮断し、航空宇宙用途に使用することができる。両方の材料は、ニアネットシェイプに加熱プレスおよび／または機械加工することもできる。
【００３０】
炭化物は、高い硬度を有し、５０Åｒｍｓ（二乗平均平方根）未満の表面仕上げに直接加工することができないので、反射光学素子用の支持体として広く使用されていない。炭化物は、例えば、５０Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げを持つ表面を得るためのダイヤモンド旋削または研磨に適していない。結果として、５０Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さより低い表面仕上げに加工できる仕上げ層を炭化物に施すことが望ましくなる。支持体の表面上に存在する粗さは、支持体上に形成される層に複製されるので、低い表面仕上げが望ましい。反射光学部材の反射を最大にするために、反射面の粗さを最小にすることが必須である。反射面上の粗さの存在は、光信号の歪みまたは光学効率の低下などの悪影響をもたらす。
【００３１】
機械的に要求の厳しい設置環境において形状の高い安定性を要求する用途において、炭化物支持体用の仕上げ層に適切な材料を見つけることは、これまで難題であった。炭化物用の仕上げ層として現在使用されている材料は、接着が弱いために剥離する傾向にあり、仕上げ層と炭化物支持体の熱膨張係数の不一致のために、限られた温度範囲に亘ってしか作動可能ではない。本記載は、炭化物ベース基板に対する良好な接着および炭化物ベース基板との熱膨張係数の良好な一致を示す仕上げ層を提供する。
【００３２】
光学部材用の支持体がここに記載されている。その支持体は、ベース基板および仕上げ層を備える。そのベース基板はセラミック材料である。好ましい実施の形態において、ベース基板は非酸化物セラミック材料である。好ましい非酸化物セラミック材料に、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの炭化物がある。１つの実施の形態において、その仕上げ層は、２５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げを持つ表面を有する。別の実施の形態において、仕上げ層は、２５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げを持つ表面がないが、２５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げに加工することができる。
【００３３】
ベース基板の比剛性は、少なくとも２．０×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍ、または少なくとも４．０×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍ、または少なくとも６．０×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍ、または少なくとも７．０×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍ、または２．０×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍから１．０×１０９ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍの範囲、または３．０×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍから９．０×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍの範囲、または４．０×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍから８．０×１０９ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍの範囲、または４．５×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍから７．５×１０９ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍの範囲にある。
【００３４】
ベース基板の熱膨張係数は、１．０×１０−６／℃〜９．０×１０−６／℃の範囲、または２．０×１０−６／℃〜８．０×１０−６／℃の範囲、または３．０×１０−６／℃〜７．０×１０−６／℃の範囲、または４．０×１０−６／℃〜６．０×１０−６／℃の範囲にある。
【００３５】
代表的な仕上げ層は、Ｇｅ、ＡｌとＳｉの合金、Ａｌ２Ｏ３、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＷを含む。ＡｌとＳｉの合金は、５０質量％超のＡｌ、または６０質量％超のＡｌ、または７０質量％超のＡｌ、または８０質量％超のＡｌ、または９０質量％超のＡｌを含む。その合金中のＳｉの量は、１質量％〜４５質量％の範囲、または２質量％〜３５質量％の範囲、または３質量％〜３０質量％の範囲、または４質量％〜２５質量％の範囲にある。Ａｌは、ほとんどの炭化物ベース基板よりも高い熱膨張係数を有し、一方で、Ｓｉは、ほとんどの炭化物ベース基板よりも低い熱膨張係数を有する。ＡｌをＳｉで合金化することによって、炭化物ベース基板との密接な一致を提供するように、熱膨張係数を制御することができる。仕上げ層を形成するための技術としては、ＰＶＣ（物理的気相成長法）、ＣＶＤ（化学的気相成長法）、スパッタリング、蒸発、およびメッキがある。仕上げ層は、ベース基板と直接的または間接的に接触している。
【００３６】
堆積の際に、仕上げ層は、２５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の表面仕上げを有しても、有さなくてもよい。いくつかの実施の形態において、仕上げ層は、２５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げ、または２０Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げ、または１５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げ、または１０Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げ、または１０Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げ、または５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ〜２５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さの範囲の仕上げ、または５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ〜２０Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さの範囲の仕上げ、または５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ〜１５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さの範囲の仕上げを持つ表面を備えるように加工されている。仕上げ層を加工して仕上げを減少させるための技術としては、ダイヤモンド旋削、磁性粘性研磨、研磨スラリーによる研磨、イオンビーム形状修正(ion beam figuring)、およびその組合せが挙げられる。仕上げ層の堆積前に、ベース基板の表面を加工して、その仕上げを減少させるために、同じ加工技術が必要に応じて使用される。
【００３７】
仕上げ層の厚さは、５μｍ〜２００μｍの範囲、または１０μｍ〜１５０μｍの範囲、または２０μｍ〜１２５μｍの範囲、または３０μｍ〜１００μｍの範囲にある。上述したように、その仕上げ層は、仕上げを減少させるために加工されていても、いなくてもよい表面を含む。仕上げを減少させるための加工に、仕上げ層の一部の除去がある。加工が必要または所望である場合、堆積時の仕上げ層の厚さは、特定の仕上げを達成するために必要な材料の予測除去を補うために調節することができる。
【００３８】
光学部材が広い温度範囲に亘る熱サイクルに曝される用途において、仕上げ層とベース基板との間の熱応力を最小にするために、仕上げ層が、ベース基板の熱膨張係数と密接に一致する熱膨張係数を有することが好ましい。様々な態様において、仕上げ層の熱膨張係数は、ベース基板の熱膨張係数の±２０％以内、またはベース基板の熱膨張係数の±１５％以内、またはベース基板の熱膨張係数の±１０％以内、またはベース基板の熱膨張係数の±５％以内である。例えば、ベース基板の熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃（１０×１０−６／℃）であり、仕上げ層の熱膨張係数がベース基板の熱膨張係数の±２０％以内にある場合、仕上げ層の熱膨張係数は、８ｐｐｍ／℃から１２ｐｐｍ／℃の範囲にあり、この範囲は、１０ｐｐｍ／℃±２０％に相当する。
【００３９】
仕上げ層の接着を改善するために、特定の態様において、仕上げ層とベース基板との間に、接着層が配置される。接着層は、炭化ホウ素、炭化ケイ素、Ｂ、Ｓｉ、遷移金属の炭化物（例えば、ＴｉＣ、ＷＣ）、遷移金属（例えば、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ）、およびその組合せを含む。例示の支持体に関する層の順序に、以下：
ベース基板＼Ｂ４Ｃ＼Ｂ＼仕上げ層
ベース基板＼ＳｉＣ＼Ｓｉ＼仕上げ層
ベース基板＼Ｂ＼仕上げ層
ベース基板＼Ｓｉ＼仕上げ層
ベース基板＼ＴｉＣ＼Ｔｉ＼仕上げ層
ベース基板＼ＴｉＣ＼Ｂ＼仕上げ層
ベース基板＼ＴｉＣ＼Ｓｉ＼仕上げ層
ベース基板＼ＴｉＣ＼Ｔｉ＼ＮｉまたはＮｉＣｒまたはＣｒ＼仕上げ層
ベース基板＼ＴｉＣ＼Ｂ＼ＮｉまたはＮｉＣｒまたはＣｒ＼仕上げ層
ベース基板＼ＴｉＣ＼Ｓｉ＼ＮｉまたはＮｉＣｒまたはＣｒ＼仕上げ層
ベース基板＼ＷＣ＼Ｗ＼仕上げ層
ベース基板＼ＷＣ＼Ｂ＼仕上げ層
ベース基板＼ＷＣ＼Ｓｉ＼仕上げ層
ベース基板＼ＷＣ＼Ｗ＼ＮｉまたはＮｉＣｒまたはＣｒ＼仕上げ層
ベース基板＼ＷＣ＼Ｂ＼ＮｉまたはＮｉＣｒまたはＣｒ＼仕上げ層
ベース基板＼ＷＣ＼Ｓｉ＼ＮｉまたはＮｉＣｒまたはＣｒ＼仕上げ層
があり、ここで、ベース基板はＢ４ＣまたはＳｉＣであり、仕上げ層は好ましくはＧｅまたはＡｌとＳｉの合金である。
【００４０】
接着層の厚さは、１０ｎｍ超、または５０ｎｍ超、または１００ｎｍ超、または５００ｎｍ超、または１０ｎｍから１０００ｎｍの範囲、または２０ｎｍから５００ｎｍの範囲、または３０ｎｍから２５０ｎｍの範囲、または４０ｎｍから２００ｎｍの範囲にある。
【００４１】
１つの態様において、ここに開示された支持体は、仕上げ層上に形成された様々な反射層または反射積層体を備えた光学部材用の支持体の機能を果たす。この反射コーティングは、可視（ＶＩＳ）、近赤外（ＮＩＲ）、短波赤外（ＳＷＩＲ）、中波赤外（ＭＷＩＲ）、および長波赤外（ＬＷＩＲ）帯域の１つ以上において高い反射率を提供することが好ましい。この反射コーティングは、単一材料の層または２つ以上の材料の多層積層体である。１つの実施の形態において、反射コーティングは、反射層および１つ以上の調整層を備える。反射コーティングは、必要に応じて、バリア層、１つ以上の界面層、および１つ以上の保護層を備える。その１つ以上の保護層は、存在する場合、積層体における他の層の上に載っている。
【００４２】
代表的な反射層は、遷移金属層などの金属層を含む。その反射層は、ＶＩＳ、ＮＩＲ、ＳＷＩＲ、ＭＷＩＲ、およびＬＷＩＲスペクトル帯の波長で高い反射率を有することが好ましい。その反射金属は、元素金属または金属合金である。例示の反射層は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｃｕ、ＰｔおよびＮｉからなる群より選択される１種類以上の元素を含む。反射金属層の厚さは、７５ｎｍから３５０ｎｍの範囲、または８０ｎｍから１５０ｎｍの範囲、または９０ｎｍから１２０ｎｍの範囲にある。
【００４３】
反射コーティングは、必要に応じて、１つ以上の調整層を含む。その１つ以上の調整層は、反射コーティングの保護層と前記仕上げ層との間に位置付けられている。１つの実施の形態において、調整層は、反射コーティングの反射層と保護層との間に位置付けられている。調整層は、所定の波長領域内の反射を最適化するように設計されている。調整層は、典型的に、高屈折率材料と低屈折率材料、または高屈折率材料と、中屈折率材料と、低屈折率材料との代わりの組合せを含む。調整層に使用される材料が、０．４μｍから１５．０μｍの波長範囲において低吸収であることが好ましい。調整層のための代表的な材料としては、ＹｂＦ３、ＧｄＦ３、ＹＦ３、ＹｂＯｘＦｙ、ＧｄＦ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｂｉ２Ｏ３、およびＺｎＳが挙げられる。調整層は、７５ｎｍから３００ｎｍの範囲の厚さを有する。１つの実施の形態において、反射コーティングは、調整層として、ＹｂＦ３およびＺｎＳを含む。
【００４４】
いくつかの態様において、反射層および調整層は直接接触しており、他の態様において、反射層と調整層との間に１つ以上の界面層が存在する。その界面層は、反射層と調整層との間の接着を促進するか、またはそれらの間のガルバニック適合性(galvanic compatibility)を与える。その界面層は、接着に十分な厚さを有する必要があるが、反射層から反射した光の吸収を最小にするのに十分に薄くなければならない。反射層と調整層との間に位置付けられた界面層は、５ｎｍから２０ｎｍ、または８ｎｍから１５ｎｍ、または８ｎｍから１２ｎｍの範囲の厚さを有する。反射層と調整層との間に位置付けられた界面層は、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｂｉ２Ｏ３、ＺｎＳおよびＡｌ２Ｏ３の内の１つ以上を含む。
【００４５】
１つの実施の形態において、反射層は、前記仕上げ層と直接接触している。別の実施の形態において、前記光学部材は、反射層と仕上げ層との間にバリア層および／または界面層を備えている。さらに別の実施の形態において、光学部材は、仕上げ層と直接接触したバリア層を備えている。また別の実施の形態において、光学部材は、仕上げ層と直接接触したバリア層およびそのバリア層と直接接触した界面層を備えている。その界面層は、反射層とバリア層との間、または反射層とガルバニック適合性層との間の接着を促進する。いくつかの態様において、界面層は、仕上げ層との反射コーティングのガルバニック適合性、または反射層とのバリア層のガルバニック適合性を確実にする。いくつかの態様において、バリア層は、反射層とグラファイト基板との間のガルバニック適合性を確実にする。他の態様において、バリア層は、光学部材が湿度または塩水噴霧に曝されたときに、反射層の腐食を防ぐ。
【００４６】
代表的なバリア層は、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＯ２、ＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素）、Ａｌ、ＣｒＮ、およびＳｉｘＮｙＯｚを含む。バリア層は、１００ｎｍから５０μｍの範囲、または５００ｎｍから１０μｍの範囲、または１μｍから５μｍの範囲の厚さを有する。バリア層の厚さは、光学部材の形状を歪めずに、温度変化に順応するように調節することもできる。熱応力は、作動温度範囲が上昇するにつれて増加し、よって、温度の大きい振れ幅を経験する設置環境における形状歪みを避けるために、より薄いバリア層が推奨される。しかしながら、より厚いバリア層は、よりよい耐腐食性を与える。
【００４７】
仕上げ層と反射層との間に位置付けられた代表的な界面層は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ合金（例えば、ニクロム）、Ｎｉ−Ｃｕ合金（例えば、Ｍｏｎｅｌ（登録商標））、Ｔｉ、ＴｉＯ２、ＺｎＳ、Ｐｔ、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＡｌＯｘＮｙ、Ｂｉ、Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘＮｙ、ＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素）、ＭｇＦ２、ＹｂＦ３、およびＹＦ３の内の１つ以上を含む。界面層は、０．２ｎｍから２５ｎｍの範囲の厚さを有し、界面層が金属である（反射コーティングを透過する光の寄生吸収を防ぐために）場合、その厚さ範囲の下端（例えば、０．２ｎｍから２．５ｎｍ、または０．２ｎｍから５ｎｍ）が適しており、界面層が誘電体である場合、厚さ範囲の上端（例えば、２．５ｎｍから２５ｎｍ、または５ｎｍから２５ｎｍ）が適している。
【００４８】
保護層は、耐引掻性、機械的損傷耐性、および化学的耐久性を与える。保護層の代表的な材料としては、ＹｂＦ３、ＹｂＦｘＯｙ、ＹＦ３およびＳｉ３Ｎ４が挙げられる。その保護層は、反射コーティングの最上層である。保護層は、６０ｎｍから２００ｎｍの範囲の厚さを有する。
【実施例】
【００４９】
炭化ホウ素ベース基板、接着層、および仕上げ層を備えた支持体を調製した。この接着層は、ＳｉＣの層およびＳｉの層を含んだ。仕上げ層はＧｅであった。これらの層の順序は、炭化ホウ素＼ＳｉＣ＼Ｓｉ＼Ｇｅであった。
【００５０】
仕上げ層を形成する前に、炭化ホウ素ベース基板を洗浄し、真空室に装填し、真空下で加熱して、残留汚染物質を放出させてそれらを除去した。その放出のための典型的な温度は、２００℃と２５０℃の間にある。加熱時間は、炭化ホウ素ベース基板の気孔率に依存し、典型的に、２時間〜２４時間の範囲にある。加熱後、炭化ホウ素ベース基板の表面をイオン衝撃により処理した。イオン衝撃は、その表面を状態調節して、ベース基板に対する隣接するそれに続く層の接着を改善する。
【００５１】
炭化ホウ素ベース基板の状態調節された表面上に７０ｎｍ厚のＳｉＣ層を形成し、このＳｉＣ層上に７００ｎｍ厚のＳｉ層を形成した。ＳｉＣ／Ｓｉ層の組合せは、Ｇｅ仕上げ層の接着を改善する。
【００５２】
ＤＣマグネトロンスパッタリングを使用して、Ｓｉ層上に１００μｍ厚のＧｅ層を堆積させた。このＧｅ仕上げ層は、粗さを減少させるために、ダイヤモンド旋削により加工した。図１は、Ｇｅ仕上げ層の加工後の支持体を示しており、Ｇｅ仕上げ層の高度な鏡面を示す。図２は、Ｇｅ仕上げ層の表面の代表的な部分の画像を示している。図２に示された画像は、Ｚｙｇｏ表面形状測定装置により得た。画像の解析により、仕上げは６．６Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ（表面上の５つの測定位置の平均）であることが示された。その表面の形状は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（６３２．８ｎｍ）を使用して、約１波の最大値から最小値の差であると決定された。
【００５３】
本記載の態様１は、
光学部材において、
非酸化物セラミックから作られ、第１の熱膨張係数を有するベース基板、および
前記非酸化物セラミックと接触した仕上げ層であって、Ｇｅ、Ａｌ、またはＳｉを含み、前記第１の熱膨張係数の±２０％以内にある第２の熱膨張係数を有する仕上げ層、
を備えた光学部材
である。
【００５４】
本記載の態様２は、
前記非酸化物セラミックが炭化ホウ素または炭化ケイ素を含む、態様１の光学部材
である。
【００５５】
本記載の態様３は、
前記非酸化物セラミックが、少なくとも４．０×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍの比剛性を有する、態様１または２の光学部材
である。
【００５６】
本記載の態様４は、
前記非酸化物セラミックが、３．０×１０−６／℃〜７．０×１０−６／℃の範囲の熱膨張係数を有する、態様１または２の光学部材
である。
【００５７】
本記載の態様５は、
前記仕上げ層が、ＡｌとＳｉの合金を含む、態様１〜４のいずれかの光学部材
である。
【００５８】
本記載の態様６は、
前記仕上げ層が、１質量％〜４５質量％のＳｉを含むＡｌとＳｉの合金を含む、態様５の光学部材
である。
【００５９】
本記載の態様７は、
前記仕上げ層が、４質量％〜２５質量％のＳｉを含むＡｌとＳｉの合金を含む、態様５の光学部材
である。
【００６０】
本記載の態様８は、
前記仕上げ層が、ダイヤモンド旋削表面を含む、態様１〜７のいずれかの光学部材
である。
【００６１】
本記載の態様９は、
前記仕上げ層が、２５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げを有する表面を含む、態様１〜８のいずれかの光学部材
である。
【００６２】
本記載の態様１０は、
前記仕上げ層が、１０Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げを有する表面を含む、態様１〜８のいずれかの光学部材
である。
【００６３】
本記載の態様１１は、
前記仕上げ層が、前記非酸化物セラミックと直接接触している、態様１〜１０のいずれかの光学部材
である。
【００６４】
本記載の態様１２は、
前記仕上げ層の熱膨張係数が、前記ベース基板の熱膨張係数の±１０％以内である、態様１〜１１のいずれかの光学部材
である。
【００６５】
本記載の態様１３は、
前記仕上げ層の熱膨張係数が、前記ベース基板の熱膨張係数の±５％以内である、態様１〜１１のいずれかの光学部材
である。
【００６６】
本記載の態様１４は、
前記ベース基板と前記仕上げ層との間に位置付けられた接着層をさらに備える、態様１〜１０のいずれかの光学部材
である。
【００６７】
本記載の態様１５は、
前記接着層がＢまたはＳｉを含む、態様１４の光学部材
である。
【００６８】
本記載の態様１６は、
前記接着層が炭化物を含む、態様１４または１５の光学部材
である。
【００６９】
本記載の態様１７は、
前記接着層が遷移金属を含む、態様１４〜１６のいずれかの光学部材
である。
【００７０】
本記載の態様１８は、
前記接着層が、ＳｉＣの層およびＳｉの層を含む、態様１４の光学部材
である。
【００７１】
本記載の態様１９は、
前記接着層が、炭化ホウ素の層およびＢの層を含む、態様１４の光学部材
である。
【００７２】
本記載の態様２０は、
前記接着層が、前記ベース基板および前記仕上げ層と直接接触している、態様１４〜１９のいずれかの光学部材
である。
【００７３】
本記載の態様２１は、
前記仕上げ層と接触した反射層をさらに備え、該反射層は、金属または金属合金を含み、該金属または金属合金は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｃｕ、ＰｔおよびＮｉからなる群より選択される元素を含む、態様１〜２０のいずれかの光学部材
である。
【００７４】
特に明記のない限り、ここに述べられたどの方法も、その工程が特定の順序で行われることを要求していると解釈されることは決して意図されていない。したがって、方法の請求項が、その工程がしたがうべき順序を実際に列挙していない場合、もしくは請求項または説明に、工程が特定の順序に限定されるべきであることが他に具体的に述べられていない場合、どの特定の順序も暗示されることも決して意図されていない。
【００７５】
説明された実施の形態の精神または範囲から逸脱せずに、様々な改変および変更が行えることが当業者に明白であろう。説明された実施の形態の精神および実体を含む、開示の実施の形態の改変、組合せ、部分的組合せおよび変更が当業者に想起されるであろうから、その説明は、付随の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内に全てを含むと解釈されるべきである。
【００７６】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００７７】
実施形態１
光学部材において、
非酸化物セラミックから作られ、第１の熱膨張係数を有するベース基板、および
前記非酸化物セラミックと接触した仕上げ層であって、Ｇｅ、Ａｌ、またはＳｉを含み、前記第１の熱膨張係数の±２０％以内にある第２の熱膨張係数を有する仕上げ層、
を備えた光学部材。
【００７８】
実施形態２
前記非酸化物セラミックが炭化ホウ素または炭化ケイ素を含む、実施形態１に記載の光学部材。
【００７９】
実施形態３
前記非酸化物セラミックが、少なくとも４．０×１０８ｌｂｆ−ｉｎ／ｌｂｍの比剛性を有する、実施形態１または２に記載の光学部材。
【００８０】
実施形態４
前記非酸化物セラミックが、３．０×１０−６／℃〜７．０×１０−６／℃の範囲の熱膨張係数を有する、実施形態１または２に記載の光学部材。
【００８１】
実施形態５
前記仕上げ層が、ＡｌとＳｉの合金を含む、実施形態１〜４のいずれかに記載の光学部材。
【００８２】
実施形態６
前記仕上げ層が、１質量％〜４５質量％のＳｉを含むＡｌとＳｉの前記合金を含む、実施形態５に記載の光学部材。
【００８３】
実施形態７
前記仕上げ層が、４質量％〜２５質量％のＳｉを含むＡｌとＳｉの前記合金を含む、実施形態５に記載の光学部材。
【００８４】
実施形態８
前記仕上げ層が、ダイヤモンド旋削表面を含む、実施形態１〜７のいずれかに記載の光学部材。
【００８５】
実施形態９
前記仕上げ層が、２５Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げを有する表面を含む、実施形態１〜８のいずれかに記載の光学部材。
【００８６】
実施形態１０
前記仕上げ層が、１０Åｒｍｓ（二乗平均平方根）粗さ未満の仕上げを有する表面を含む、実施形態１〜８のいずれかに記載の光学部材。
【００８７】
実施形態１１
前記仕上げ層が、前記非酸化物セラミックと直接接触している、実施形態１〜１０のいずれかに記載の光学部材。
【００８８】
実施形態１２
前記仕上げ層の熱膨張係数が、前記ベース基板の熱膨張係数の±１０％以内である、実施形態１〜１１のいずれかに記載の光学部材。
【００８９】
実施形態１３
前記仕上げ層の熱膨張係数が、前記ベース基板の熱膨張係数の±５％以内である、実施形態１〜１１のいずれかに記載の光学部材。
【００９０】
実施形態１４
前記ベース基板と前記仕上げ層との間に位置付けられた接着層をさらに備える、実施形態１〜１０のいずれかに記載の光学部材。
【００９１】
実施形態１５
前記接着層がＢまたはＳｉを含む、実施形態１４に記載の光学部材。
【００９２】
実施形態１６
前記接着層が炭化物を含む、実施形態１４または１５に記載の光学部材。
【００９３】
実施形態１７
前記接着層が遷移金属を含む、実施形態１４〜１６のいずれかに記載の光学部材。
【００９４】
実施形態１８
前記接着層が、ＳｉＣの層およびＳｉの層を含む、実施形態１４に記載の光学部材。
【００９５】
実施形態１９
前記接着層が、炭化ホウ素の層およびＢの層を含む、実施形態１４に記載の光学部材。
【００９６】
実施形態２０
前記接着層が、前記ベース基板および前記仕上げ層と直接接触している、実施形態１４〜１９のいずれかに記載の光学部材。
【００９７】
実施形態２１
前記仕上げ層と接触した反射層をさらに備え、該反射層は、金属または金属合金を含み、該金属または金属合金は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｃｕ、ＰｔおよびＮｉからなる群より選択される元素を含む、実施形態１〜２０のいずれかに記載の光学部材。
【図１】
2022502710.tif 000003
【図２】
2022502710.tif 000004
【国際調査報告】
2022502710.tif 000005
2022502710.tif 000006