JP5203582B2

JP5203582B2 - 光学素子

Info

Publication number: JP5203582B2
Application number: JP2006203215A
Authority: JP
Inventors: 智一西本
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: JP2008032804A

Description

本発明は、赤外反射防止膜が設けられた光学素子、特にその反射防止効果の改良に関する。

光学測定器には、光学フィルターや光学窓といった光学素子が不可欠であるが、それらの表面での光の反射は光量のロスとなる。そこで、光学素子の表面に光の波長程度の厚みをもつ光学膜を形成し、光の干渉効果を利用して表面反射を抑えている。

基板となる物質の屈折率よりも小さい屈折率をもつ物質で光学膜を形成すると、その膜の光学膜厚（屈折率×物理的な膜厚）の４倍の波長の光に対して最も反射防止効果が高い膜となるが、その波長から離れていくほどその効果は少なくなる。また、反射防止の度合いは屈折率の関係で決まり、入射媒質の屈折率をｎ_０、反射防止膜の屈折率をｎ_１、基板の屈折率をｎ_２とすれば、ｎ_１＝（ｎ_０ｎ_２）^１／２が成り立つとき、表面反射をゼロにすることができる。したがって、これらの条件を満たすような膜材料を使用するのが一般的である。

単層の反射防止膜では、図１に示すように、光学膜厚の４倍の波長から離れていくに従い、急激に反射防止効果が小さくなる。そのため、ある特定の狭い波長範囲で反射防止したいときには単層の反射防止膜で十分であるが、より広い波長範囲でその効果を望む場合には反射防止膜の層数を増やす必要がある。例えば、反射防止膜を二層で形成すると、図１から分かるように、単層の反射防止膜よりも広い波長範囲で良好な反射防止効果を示す。

このように、広い波長範囲で良好な反射防止効果を得るためには、複数の層で反射防止膜を構成する必要がある。特に、赤外域で用いられる反射防止膜は、可視域のものと比べけた違いに広い波長領域での反射防止効果が要求されるため、多層で構成することが一般的となっている（例えば、特許文献１参照）。
実開昭６１−１６５０１号公報

多層の場合も十分な反射防止効果を得ようとすれば、各層の屈折率が特定の関係を満たすように膜材料を選ばなければならない。つまり、広帯域の反射防止膜を作製するためには、広い波長範囲で吸収がなく、さらに適切な屈折率の関係を満たす材料の組み合わせが必要となってくる。しかしながら、赤外領域では、赤外光に対して透明な物質が少ないため、適切な物質の組み合わせを実現するのは不可能な場合が多く、広帯域にわたって反射防止効果のある加工を施すことは難しかった。

また、層数が増えると干渉が複雑になり、その結果、反射スペクトルは、リップルと呼ばれる、波長によって高反射、低反射を細かく繰り返すような形状となる。多層膜ではリップルが非常に大きくかつ多数となるため、広帯域で一様な反射防止効果を得るための障害となっていた。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は赤外の広い波長領域に渡って良好な反射防止効果を持つ反射防止膜が形成された光学素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明にかかるスペクトル測定用光学素子は、基板と、該基板の表裏両面に設けられた赤外反射防止膜と、を備え、前記赤外反射防止膜は複数の光学膜が積層した多層膜であり、前記基板の表側及び裏側に設けられた赤外反射防止膜の膜構成が互いに異なることを特徴とする。
また、前記光学素子において、基板表側及び裏側の多層膜は、基板より外側に向かうにつれ、屈折率が低下し、該多層膜の各層の光学膜厚が２００〜１１００nmに分布していることが好適である。

上記の光学素子において、前記赤外反射防止膜は、前記基板から数えて第１層目がＺｎＳの光学膜、第２層目がＣｅＯ_２の光学膜、第３層目がＰｂＦ_２の光学膜、第４層目がＬａＦ_３またはＢａＦの光学膜、第５層目がＹＦ_３の光学膜で構成されていることが好適である。

本発明にかかる光学素子は、基板の表裏両面にそれぞれ異なる膜構成の赤外反射防止膜が設けられているため、広い波長範囲にわたって良好な反射防止効果をもつ。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
図２は本発明の一実施形態にかかる光学素子の概略構成図である。図２の光学素子１０は、基板１２と、基板１２の一方の面に設けられた第1赤外反射防止膜１４と、基板１２の他方の面に設けられた第２赤外反射防止膜１６と、を備える。赤外反射防止膜１４，１６はそれぞれ、複数（図では５層）の光学膜（１４−１〜１４−５、１６−１〜１６−５）が積層されて構成される。さらに、赤外反射防止膜１４，１６は膜構成（各層の屈折率及び膜厚）を調整して、反射率の波長依存性がそれぞれ異なるように構成されている。具体的には、一方の面に形成された赤外反射防止膜の反射率が大きくなっている波長領域で、他方の面の赤外反射防止膜の反射率が小さくなるように、それぞれの赤外反射防止膜１４、１６の多層膜構造が決められている。その結果、図３に示すように、表裏両面に同じ膜構成の反射防止膜を設けた場合（点線）よりも、本実施形態の光学素子のように表裏両面に異なる構成の反射防止膜を設けた場合（実線）の方が広帯域にわたって低い反射率をもつ。また、図４に示すように、同時にリップルも相殺された赤外反射防止膜とすることもできる。ここで、図４（ａ）が表面のみに赤外反射防止膜を設けた光学素子（点線）、裏面のみに赤外反射防止膜を設けた光学素子（破線）の反射スペクトルを示すグラフであり、図４（ｂ）が表裏両面に赤外反射防止膜を設けた光学素子の反射スペクトルである。

このように、第１赤外反射防止膜１４のみを基板に設けたと仮定したときの反射スペクトルの山にあたる波長範囲が、第２赤外反射防止膜１６のみを基板に設けたと仮定したときの反射スペクトルの谷にあたる波長範囲に略対応し、第１赤外反射防止膜１４のみを基板に設けたと仮定したときの反射スペクトルの谷にあたる波長範囲が、第２赤外反射防止膜１６のみを基板に設けたと仮定したときの反射スペクトルの山にあたる波長範囲に対応するように、第１および第２赤外反射防止膜１４，１６の膜構造が互いに異なるように構成されているため、比較的少ない層数で広い波長領域（１．３μｍ〜１３μｍ）に渡り良好な反射防止効果を有する光学素子を得ることができる。

本実施形態の光学素子の基板１２はＺｎＳｅで構成され、赤外反射防止膜１４、１６は、基板１２から数えて第１層目（１４−１、１６−１）がＺｎＳの光学膜、第２層目（１４−２、１６−２）がＣｅＯ_２の光学膜、第３層目（１４−３、１６−３）がＰｂＦ_２の光学膜、第４層目（１４−４、１６−４）がＬａＦ_３またはＢａＦ_２の光学膜、第５層目（１４−５、１６−５）がＹＦ_３の光学膜で構成されていることが好適である。ここで、上記の材質の波長５００ｎｍでの屈折率はそれぞれ、ＺｎＳ：２．４、ＣｅＯ_２：２、ＰｂＦ_２：１．７５、ＬａＦ_３：１．６、ＢａＦ_２：１．４８、ＹＦ_３：１．４５である。このよう膜構成とすることで、比較的少ない層数で広い波長範囲（１．３μｍ〜１３μｍ）にわたり良好な反射防止効果を有することに加え、十分な耐湿性を有する光学素子とすることができる。

さらに、赤外反射防止膜の各層の屈折率は、Ｎ_０（Ｎ_２Ｎ_４）^２Ｎ_ｂ＝（Ｎ_１Ｎ_３Ｎ_５）^２の条件を満たすことが好適である。ここで、Ｎ_ｎは表側の第ｎ層目１４−ｎ（ｎ＝１〜５）の光学的膜厚であり、Ｎ_０は入射媒質の屈折率であり、Ｎ_ｂは基板の屈折率である。
なお、本発明の構成が適用される「光学素子」の例としては、相対向する面を有する略板状形状のものであれば特に限定されないが、例えば赤外光検知器の窓等が好適な例として挙げられる。

以下、本発明にかかる光学素子のより詳しい実施例を説明するが、本発明はこれに限定されず、その他の構成をとってもよい。

製造方法
光学研磨したＺｎＳｅ基板を１５０℃に保ち、電子シャワーで表面を洗浄した。その後、高真空中で下記表１に示した膜構成で真空蒸着を行なった。なお、表中の層の順序は基板から数えたものであり、光学膜厚は波長５００ｎｍの屈折率で計算した。

図５は、表１に示した実施例１の光学素子の反射スペクトル（波長範囲１３００ｎｍ〜１３０００ｎｍ）である。ここで、図５（ａ）が表裏両面に反射防止膜を形成した場合の反射スペクトルであり、図５（ｂ）が、ＺｎＳｅ基板自体の反射スペクトル（実線）、表側のみに反射防止膜を蒸着したＺｎＳｅ基板の反射スペクトル（点線）、もしくは裏側のみに反射防止膜を蒸着したＺｎＳｅ基板（破線）の反射スペクトルである。
図５（ａ）から、実施例１の光学素子は、波長範囲１３００ｎｍ〜１３０００ｎｍにわたって、リップルが少なくかつ低い反射率（反射率２０％未満）の良好な反射防止効果を有していることが分かる。

次に実施例１の光学素子に対し下記に記載する試験を行い、耐湿性を調べた。
耐湿性試験
（試験方法）室温、湿度９５％中の雰囲気で、実施例１の光学素子を一ヶ月、放置。
（試験結果）前記実施例１の光学素子の、外観、透過スペクトルに変化なし。
上記の試験結果から、実施例１の光学素子は実用上十分な耐湿性も有することが分かった。

製造方法
実施例１と同様の製造方法で、ＺｎＳｅ基板に対し、下記表２に示す膜構成の赤外反射防止膜を形成した。なお、表中の層の順序は基板から数えたものであり、光学膜厚は波長５００ｎｍの屈折率で計算した。

図６は、表２に示した実施例２の光学素子の反射スペクトル（波長範囲１３００ｎｍ〜１３０００ｎｍ）である。ここで、図６（ａ）が表裏両面に反射防止膜を形成した場合の反射スペクトルであり、図６（ｂ）が表側のみ（実線）、もしくは裏側のみ（破線）に反射防止膜を形成した場合の反射スペクトルである。
図６（ａ）から、実施例２の光学素子は波長範囲１３００ｎｍ〜１３０００ｎｍにわたって、リップルが少なく、反射率が９％未満の良好な波長防止効果を有していることが分かる。
また、実施例２の光学素子に対しても実施例１と同様に耐湿性の試験を行なったが、実用上十分な性能を持つことが確認された。

Ｓｉ基板の反射率（実線）、Ｓｉ基板上に一層の光学膜（ＳｉＯ）を形成したものの反射率（点線）、及びＳｉ基板上に二層の光学膜（ＣｅＯ_２＋ＭｇＦ_２）を形成したものの反射率（破線）、の波長依存性を示したグラフである。本発明の実施形態にかかる光学素子の概略構成図である。基板の表側と裏側に同一構成の反射防止膜を設けた光学素子の反射スペクトル（点線）と、基板の表側と裏側に異なる構成の反射防止膜を設けた光学素子の反射スペクトル（実線）とを示したグラフである。図４（ａ）は表側のみに反射防止膜を設けた光学素子（点線）、および裏側のみに反射防止膜を設けた光学素子（破線）の反射スペクトルを示すグラフであり、図４（ｂ）は表裏両面に反射防止膜を設けた光学素子の反射スペクトルである。図５は実施例１の光学素子の反射スペクトルである。ここで、図５（ａ）が表裏両面に反射防止膜を形成した場合の反射スペクトルであり、図５（ｂ）が、ＺｎＳｅ基板自体の反射スペクトル（実線）、表側のみに反射防止膜を蒸着したＺｎＳｅ基板の反射スペクトル（点線）、裏側のみに反射防止膜を蒸着したＺｎＳｅ基板（破線）の反射スペクトルである。図６は実施例２の光学素子の反射スペクトルであり、図６（ａ）が表裏両Ｓ面に反射防止膜を形成した場合の反射スペクトル、図６（ｂ）が表側のみ（実線）、裏側のみ（破線）に反射防止膜を形成した場合の反射スペクトルである。

符号の説明

１０光学素子
１２基板
１４反射防止膜
１６反射防止膜

Claims

基板と、該基板の表裏両面に設けられた赤外反射防止膜と、を備えたスペクトル測定用光学素子であって、
前記赤外反射防止膜は複数の光学膜が積層した多層膜であり、前記基板表側及び裏側の多層膜は、前記基板から数えて第１層目がＺｎＳの光学膜、第２層目がＣｅＯ _２の光学膜、第３層目がＰｂＦ _２の光学膜、第４層目がＬａＦ _３またはＢａＦの光学膜、第５層目がＹＦ _３の光学膜で構成されており、各光学膜の光学膜厚が２００〜１１００nmに分布していることを特徴とするスペクトル測定用光学素子。