光学部品、その形成方法および赤外線検出装置
【課題】ゲルマニウムレンズを使用する環境は、ゲルマニウムレンズ自身から輻射される赤外線量を低減するために、低温や極低温であることが好ましい。しかしながら、たとえば極低温状態での使用では、ゲルマニウムレンズと反射防止層との熱膨張率の相違や密着力不足のため、反射防止層にクラックや剥離が発生するという問題がある。反射防止層にクラックや剥離が発生すると、ゲルマニウムレンズに部分的な屈折率異常が発生する。
上述の問題に鑑み、反射防止層のクラックおよび剥離の発生を低減可能な、光学部品、その形成方法および赤外線検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
ゲルマニウム材料を含む光学部品を、フッ化水素酸と過酸化水素水との混合薬液で処理し、多孔質の反射防止層を形成することにより、光学部品と元々一体であり、クラックや剥離を低減可能な反射防止層を形成する。
上述の問題に鑑み、反射防止層のクラックおよび剥離の発生を低減可能な、光学部品、その形成方法および赤外線検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
ゲルマニウム材料を含む光学部品を、フッ化水素酸と過酸化水素水との混合薬液で処理し、多孔質の反射防止層を形成することにより、光学部品と元々一体であり、クラックや剥離を低減可能な反射防止層を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部品、その形成方法および赤外線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から赤外線透過材料として、ＮａＣｌ等のアルカリハライド、ゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）等が知られている。
【０００３】
その中でもゲルマニウム（Ｇｅ）は、赤外線に対して幅広い透過波長範囲をもっており、ＣＯ2、ＣＯ等の吸収帯がある３μｍ〜５μｍ領域や、人体や室温近傍の温度領域の熱輻射である８μｍ〜１０μｍ領域で使用が可能である。また、屈折率が大きい（波長２μｍ〜１５μｍ領域で屈折率は約４．０）ために、レンズ厚を薄くしても短焦点とすることができる。さらに、広い波長範囲において屈折率分散が小さいため、色収差の補償が省略できる。
【０００４】
ゲルマニウム（Ｇｅ）レンズは上記の代表的な光学特性に加えて、化学的にも極めて安定であり、硬度や機械的強度、耐湿性等にも優れているため、赤外線カメラ等の赤外線画像を扱う装置に広く使われている。ＣＯ2やＣＯ等のほかに、ＮＯXやＳＯX等の測定に使用する赤外線分析計や気象・地球資源観測や温度計測等の大気汚染防止のための環境計測や、熱や炎を監視する防犯・防災装置、化学・半導体プロセス等の熱管理装置の中で熱や赤外線を検出できる検出装置に使用されている。近年は人工衛星に赤外線検出装置を搭載して、地球上の物体が放射する赤外線を検出して、資源探査等を実施している。
【０００５】
ゲルマニウム（Ｇｅ）レンズ自体に対して、その透過特性を向上させるために、或いはレンズ表面を外部環境から保護するために、反射防止層を施すことも有効である。レンズ強度を高めるために、レンズ表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜等の超硬質膜によって反射防止層を形成する場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２６０５６７号公報
【特許文献２】特開２００７−２４１０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ゲルマニウムレンズを使用する環境は、ゲルマニウムレンズ自身から輻射される赤外線量を低減するために、低温や極低温であることが好ましい。しかしながら、たとえば極低温状態での使用では、ゲルマニウムレンズと反射防止層との熱膨張率の相違や密着力不足のため、反射防止層にクラックや剥離が発生するという問題がある。反射防止層にクラックや剥離が発生すると、ゲルマニウムレンズに部分的な屈折率異常が発生する。
【０００８】
上述の問題に鑑み、反射防止層のクラックおよび剥離の発生を低減可能な、光学部品、その形成方法および赤外線検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、ゲルマニウム材料を含む部材の表面上に、ゲルマニウム材料を含む反射防止層を有することを特徴とする光学部品が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の観点によれば、ゲルマニウム材料を含む部材の表面酸化膜を除去する工程と、前記部材を、フッ化水素酸と過酸化水素水との混合薬液へ浸し、前記部材よりも密度が小さい反射防止層を形成する工程とを有することを特徴とする光学部品の形成方法が提供される。
【００１１】
また、本発明の他の観点によれば、ゲルマニウム材料を含む部材の表面上に、ゲルマニウム材料を含む反射防止層を有することを特徴とする光学部品を搭載した赤外線検出装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
開示の光学部品により、反射防止層のクラックおよび剥離を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、開示の光学部品の形成工程を表すプロセスフローである。
【図２】図２Ａ、図２Ｂは、ゲルマニウム材料を含む光学部品の透過率の波数依存性を表したグラフである。
【図３】図３は、ゲルマニウム材料を含む試料の赤外線分光分析(ＦＴ−ＩＲ)結果のグラフである。
【図４】図４Ａ〜図４Ｃは、ゲルマニウムレンズおよび開示の反射防止層を示す。
【図５】図５は、開示の反射防止層を厚膜化するための追加プロセスフローである。
【図６】図６は、コリメータの断面図である。
【図７】図７は、放射冷却器を装着した赤外線検出装置の要所断面である。
【図８】図８は、宇宙シミュレータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に実施例を示す。
【実施例１】
【００１５】
図１は、開示の光学部品の形成工程を表すプロセスフローである。
【００１６】
図１において、先ず光学部品を準備する。光学部品はゲルマニウム材料を含み、例えば、凹凸レンズ、プリズム、光学的窓などである。また、光学部品は、例えば、成型完了した状態のものであり、その表面を鏡面加工してあるものである。
【００１７】
まず、光学部品を有機溶剤で洗浄（Ｓ１）し、光学部品表面を脱脂する。有機溶剤は、アセトン、エタノール、ＩＰＡなどが良い。
【００１８】
次に、洗浄後の光学部品の表面を乾燥（Ｓ２）させた後、光学部品を希塩酸（例：１０ｗｔ％ＨＣｌ）または希フッ化水素酸（例：１０ｗｔ％ＨＦ）等の酸希釈液に浸漬（Ｓ３）し、光学部品表面の酸化膜を除去する。酸希釈液から光学部品を取り出し、その後、水洗（Ｓ４）により表面に付着していた酸希釈液を除去する。
【００１９】
次に、光学部品の表面を乾燥（Ｓ５）させる。
【００２０】
次に、光学部品をフッ化水素酸＋過酸化水素水を含む混合薬液に浸漬（Ｓ６）する。この工程により、開示の反射防止層が形成される。混合薬液は、たとえば体積比にして、５０ｗｔ％フッ化水素酸を１とした場合、３７ｗｔ％過酸化水素水を０．０００５として混合する。混合薬液温度は、たとえば２５℃が望ましい。浸漬時間は、例えば６分２０秒が望ましい。また、６分２０秒以上であっても良い。混合薬液の体積比、温度および浸漬時間は、必要とされる反射防止層の条件によって適宜調整することができ、これらの浸漬条件に限定されるものではない。
【００２１】
次に、光学部品を水洗（Ｓ７）し、光学部品表面に付着したフッ化水素酸＋過酸化水素水を除去する。
【００２２】
最後に、光学部品の表面を乾燥（Ｓ８）させる。
【００２３】
以上のＳ１からＳ８までが、反射防止層形成プロセスフローである。
【００２４】
図２Ａ、図２Ｂは、ゲルマニウム材料を含む光学部品の透過率の波数依存性を表したグラフである。透過率測定用試料としてはゲルマニウム単結晶から、面方位（１００）と面方位（１１１）との２種類を切り出して準備した。ゲルマニウム単結晶から光学部品を切り出す場合に、表面に現れるのは主に面方位（１００）または面方位（１１１）である。そこで、２種類について測定を行う。
【００２５】
図２Ａ、図２Ｂのグラフはともに、縦軸は透過率であり、横軸は測定に用いた赤外線の波数である。
【００２６】
図２Ａは、ゲルマニウム面方位（１００）に対するグラフである。
【００２７】
図２Ａで、反射防止層が無い場合では、波数範囲４０００ｃｍ-1〜８００ｃｍ-1において、約４５％の透過率である。
【００２８】
また図２Ａで、開示の反射防止層が有る場合では、波数範囲４０００ｃｍ-1〜８００ｃｍ-1において、約５０％の透過率である。そのため開示の反射防止層の形成により、透過率は、約５％増加する。
【００２９】
図２Ｂは、ゲルマニウム面方位（１１１）に対するグラフである。
【００３０】
図２Ｂの結果は、図２Ａとほぼ同様であり、開示の反射防止層の形成により、波数範囲４０００ｃｍ-1〜８００ｃｍ-1において、透過率が約５％増加する。
【００３１】
以上より、開示の反射防止層の形成により、ゲルマニウム材料を含む光学部品の透過率を、約５％増加させることができる。
【００３２】
図３は、ゲルマニウム材料を含む試料の赤外線分光分析(ＦＴ−ＩＲ)結果を表したグラフである。図２Ａ、図２Ｂの透過率の結果では、面方位（１００）と面方位（１１１）との差異はほとんど見られなかったため、面方位（１１１）の試料を準備して、ＦＴ−ＩＲ分析を行った。ＦＴ−ＩＲ分析は、内部反射法にて行った。そのため試料は、内部反射法に最適な形状に加工した上で、ＦＴ−ＩＲ分析を行った。図３のグラフは、縦軸は赤外線吸収強度（透過率スペクトル）であり、横軸は測定に用いた赤外線の波数である。
【００３３】
図３のグラフから、反射防止層が無い場合、すなわち鏡面状態では、４０００ｃｍ-1〜８００ｃｍ-1の範囲において、大きな赤外線吸収は見られなかった。
【００３４】
一方、開示の反射防止層が有る場合、４０００ｃｍ-1〜８００ｃｍ-1の範囲において、５か所の赤外線波数域で赤外線吸収が見られた。
【００３５】
ＦＴ−ＩＲ分析は、物質に対して赤外線を照射し、赤外線の波数を連続的に変化させながら、波数ごとに赤外線吸収強度を測定する手法である。赤外線を物質に照射すると、物質内では特定の赤外線波数域で、その波数に応じた「分子の振動」が発生する。この「分子の振動」は、照射された赤外線エネルギーが物質内で吸収されたために発生する。これを図３のように、縦軸を赤外線吸収強度、横軸を赤外線波数としてグラフ表示する。グラフでは、赤外線吸収が起こった赤外線波数域において、赤外線強度が下がる。このように、ＦＴ−ＩＲ分析では、どの赤外線波数域において、どのくらいの赤外線エネルギー吸収が起こったかという情報を得ることにより、「化合物を構成する元素の種類と結合状態（原子団）およびその量」を判定することができる分析である。
【００３６】
図３のグラフから、開示の反射防止層が有る場合、約８００ｃｍ-1近辺での赤外線吸収２１はＧｅ−Ｈ変角振動、約１６００ｃｍ-1近辺での赤外線吸収２２はＨ2Ｏ変角振動、約２０００ｃｍ-1近辺での赤外線吸収２３はＧｅ−Ｈ伸縮振動、約３２００ｃｍ-1近辺での赤外線吸収２４はＨ2Ｏ伸縮振動、約３４００ｃｍ-1近辺での赤外線吸収２５はＧｅＯ−Ｈ伸縮振動、に対する赤外線吸収をそれぞれ示している。ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む振動に着目すると、開示の反射防止層が有る場合では、Ｇｅ−Ｈ変角振動、Ｇｅ−Ｈ伸縮振動、ＧｅＯ−Ｈ伸縮振動に対する赤外線吸収が多く発生している。Ｇｅ−Ｈ変角振動、Ｇｅ−Ｈ伸縮振動は、Ｇｅ−Ｈ結合に起因するものであり、ＧｅＯ−Ｈ伸縮振動は、ＧｅＯ−Ｈ結合に起因するものである。
【００３７】
通常、Ｇｅ−Ｈ結合およびＧｅＯ−Ｈ結合は、ゲルマニウム材料を含む光学部品の表面に存在する。
【００３８】
反射防止層が無い場合でも、鏡面状態として表面は存在している。それにも関わらず、これらの結合に起因する赤外線吸収は見られなかった。すなわち、鏡面状態の表面では、ＦＴ−ＩＲ分析で赤外線吸収を引き起こすほど、Ｇｅ−Ｈ結合およびＧｅＯ−Ｈ結合が多く存在していないことを示している。
【００３９】
一方、開示の反射防止層が有る場合では、Ｇｅ−Ｈ結合およびＧｅＯ−Ｈ結合に起因する赤外線吸収が大きく引き起こされており、Ｇｅ−Ｈ結合およびＧｅＯ−Ｈ結合が格段に多く存在する状態であることを示している。
【００４０】
図４Ａ〜図４Ｃは、ゲルマニウム凸レンズおよび開示の反射防止層を示す。
【００４１】
図４Ａは、ゲルマニウム凸レンズの正面図であり、図４Ｂは、図４Ａに示したゲルマニウム凸レンズ３０のＡ−Ａ断面図である。結像タイプの凸レンズを例として示したため、中央部の厚みは外周部よりも厚くなっている。
【００４２】
図４Ｃは、開示の反射防止層付きゲルマニウム凸レンズ表面の拡大断面図である。図４Ｃは、透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）に基づく断面図である。
【００４３】
４０は反射防止層形成プロセス（図１）実施前のゲルマニウムレンズ表面であり、点線で示す。４１は空洞、４２は残留ゲルマニウム、４３は表面が溶けてできた窪み、４４は開示の反射防止層である。
【００４４】
反射防止層形成プロセス（図１）実施前のゲルマニウム凸レンズ表面４０は、凹凸はなく、鏡面状態である。
【００４５】
一方、反射防止層形成プロセス（図１）実施により、図４Ｃに示すように開示の反射防止層４４は、ゲルマニウム凸レンズ３０をフッ化水素酸＋過酸化水素水を含む混合薬液に浸漬することにより、ゲルマニウム凸レンズ表面が一部溶解した状態である。一部溶解したことにより、表面にできた空洞４１、溶けずに残った残留ゲルマニウム４２、および表面が溶けてできた窪み４３が形成される。
【００４６】
開示の反射防止層４４は、図４Ｃのように空洞４１や窪み４３が多く存在する、いわば多孔質層である。多孔質層は、鏡面状態と比較すると、格段に表面が多い状態である。
【００４７】
Ｇｅ−Ｈ結合およびＧｅＯ−Ｈ結合は、ゲルマニウムレンズ表面に多く存在し、図３のＦＴ−ＩＲ結果では、開示の反射防止層４４は、Ｇｅ−Ｈ結合およびＧｅＯ−Ｈ結合が格段に多く存在する状態であることから、多孔質層であることを示している。
【００４８】
開示の反射防止層４４は多孔質層であり、ゲルマニウム凸レンズ３０と残留ゲルマニウム４２とが繋がっていることにより、ゲルマニウム凸レンズ表面に形成されている。残留ゲルマニウム４２とゲルマニウム凸レンズ３０とは、元々一体であり、しかも同じ材料である。そのため、熱膨張率は同一であり、元々一体であるため、密着力においても強固である。ＤＬＣのような材料の反射防止層を堆積して形成した場合に比較すると、開示の反射防止層４４は、クラックおよび剥離の発生を低減することができる。
【００４９】
図４Ｃに示す開示の反射防止層４４の厚さは、例えば約５ｎｍである。
【００５０】
また、図示していないが、空洞４１や窪み４３の状態にまで至らなくても、開示の反射防止層４４は、フッ化水素酸＋過酸化水素水を含む混合薬液に浸漬する工程により、ゲルマニウム凸レンズ３０の表面密度が内部に比べて低くなった状態であれば良い。この場合は、ゲルマニウム凸レンズ３０の表面密度が低くなった箇所には、ＨまたはＯＨが多く入り込み、これらがＧｅと結びついて、Ｇｅ−Ｈ変角振動、Ｇｅ−Ｈ伸縮振動、ＧｅＯ−Ｈ伸縮振動による吸収が観測されたと考えられる。ゲルマニウム凸レンズ３０の表面密度が低くなった状態の反射防止層であっても、ゲルマニウム凸レンズ３０とは、元々一体であり、しかも同じ材料であるため、クラックおよび剥離の発生を低減することができる。
【００５１】
図５は、開示の反射防止層を厚膜化するための追加プロセスフローである。
【００５２】
前述の反射防止層形成プロセス（図１）を１回実施した場合、約５ｎｍ厚の反射防止層を形成できる。さらに厚い反射防止層とするには、図５に示す追加プロセスを実施しても良い。
【００５３】
図５において、図１でＳ１からＳ８まで完了した状態の光学部品を準備する。
【００５４】
その後、光学部品をフッ化水素酸＋過酸化水素水を含む混合薬液に浸漬（Ｓ９）する。混合薬液は、たとえば体積比にして、５０ｗｔ％フッ化水素酸を１とした場合、３７ｗｔ％過酸化水素水を０．０００５として混合する。混合薬液温度は、たとえば２５℃が望ましい。浸漬時間は、例えば６分２０秒が望ましい。また、６分２０秒以上であっても良い。混合薬液の体積比、温度および浸漬時間は、適宜調整することができ、限定されるものではない。
【００５５】
次に、光学部品の表面を水洗（Ｓ１０）する。この工程により、光学部品の表面に付着したフッ化水素酸＋過酸化水素水を除去する。
【００５６】
最後に、光学部品の表面を乾燥（Ｓ１１）させる。
【００５７】
以上のＳ９からＳ１１までを追加実施すると、開示の反射防止層を厚膜化できる。
Ｓ９からＳ１１までを追加実施すると、さらに約５ｎｍの反射防止層が追加形成される。
【００５８】
反射防止層をさらに厚膜化するには、図５のＳ９に戻り、開示の反射防止層が所望の厚さになるまで、繰り返しＳ９からＳ１１までを追加実施しても良い。追加実施する毎に、約５ｎｍずつ反射防止層は厚膜化する。
【００５９】
開示の反射防止層が、数μｍの波長の赤外線に対して、反射防止層として機能する理由について
(1) 一般的には板状の部材において、屈折率ｎの場合、屈折率ｎ0から入射する場合の透過率はＴ＝４ｎ0ｎ／（ｎ0＋ｎ）2 であり、反射率はＲ＝１−Ｔ＝（ｎ0−ｎ）2／（ｎ0＋ｎ）2である。ゲルマニウムの屈折率は約４と大きく、上記の式から空気または真空中での透過率は０．４７（４７％）であり、反射率は０．５３（５３％）と大きい。
【００６０】
(2) そのため、板状部材（屈折率ｎ）を用いる場合は入射側の部材（屈折率ｎ0）との屈折率差が小さいほうが、反射率を小さく抑制できることが上記式からうかがえる。
【００６１】
(3)開示の反射防止層は、赤外線波長（約５μｍ）に比較して格段に小さな空洞(孔)と残留構造（図４における残留ゲルマニウム）を有するため、赤外線にとっては板状部材よりも密度が低く、結果として屈折率の小さな層が存在しているように見える。屈折率が空気とＧｅのそれとの中間の値を持つこの層の存在により、最表面での反射、および、反射防止層と板状部材との界面での反射がともに抑制され、開示の反射防止層は膜厚が数ｎｍであるが反射防止層として機能すると推測できる。
【実施例２】
【００６２】
近年は人工衛星に赤外線検出装置を搭載して、例えば地球上の物体が放射する赤外線を検出して、資源探査等を実施している。このように地球上の物体などが放射する赤外線は、コリメータで集光する。
【００６３】
図６は、コリメータの断面図を示す。６０はコリメータ、６１は赤外線発光光源、６２は副反射鏡、６３は放物面鏡、６４はスリット、６５は平行光束の赤外線である。
【００６４】
コリメータ６０は、赤外線発光光源６１に斜めに対向する副反射鏡６２と、副反射鏡６２に対向配置した放物面鏡６３とを含む。
【００６５】
そして、赤外線発光光源６１と副反射鏡６２との間にスリット６４を配置し、赤外線発光光源６１の発する赤外線を絞って副反射鏡６２に投射させる。次に、副反射鏡６２の反射光を放物面鏡６３に投射させ、放物面鏡６３で反射させ、最終的には平行光束の赤外線６５を、後述の図７で示す赤外線検出装置等に入射させている。
【００６６】
図７は、放射冷却器を装着した赤外線検出装置の要所断面である。図７は、図６と断面方向が同じ断面図である。
【００６７】
６５は平行光束の赤外線、７０−１、７０−２、７０−３は、赤外線検出素子、７１はコーン、７１Ａはコーン箱形部、７１Ｂはコーン放射部、７２はパッチ、７３は断熱材、７４はサファイア等の基板、７５−１、７５−２、７５−３は結像ゲルマニウムレンズ、７６はレンズホルダ、７７−１、７７−２は分光素子、７７−３は反射鏡、８０は放射冷却器、１００は赤外線検出装置である。平行光束の赤外線６５は、図６のコリメータ６０を経由して放射された赤外線である。
【００６８】
赤外線検出装置１００に実装する結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３および赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３を極低温（約１００Ｋ）に冷却することが好ましい。これらのレンズや素子を極低温に冷却するには、循環冷凍機を使用する方法と放射冷却器を用いる方法とがあるが、人工衛星搭載用としては、長寿命，無振動，無電力という長所を有する放射冷却器が採用されている（例えば、特開平７−２６０５６７号公報）。
【００６９】
赤外線検出装置１００は、平行光束の赤外線６５を赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３に入射させる集光光学系と、赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３を所定の極低温（約１００Ｋ）に冷却する放射冷却器８０とを含む。
【００７０】
放射冷却器８０は、通常一段目のコーン７１（材料は良熱伝導性で且つ軽量な金属板例えばアルミニウム板等）と二段目のパッチ７２（材料は良熱伝導性で且つ軽量な金属板例えばアルミニウム板等）とを含む。
【００７１】
コーン７１は、宇宙空間の極低温（４Ｋ〜０Ｋ）に向かって開口するほぼ傘形のコーン放射部７１Ｂと、コーン放射部７１Ｂの根元に形成したコーン箱形部７１Ａとを含み、パッチ７２は、コーン箱形部７１Ａの宇宙空間に対向する開口側（即ちコーン放射部７１Ｂの底部分）に、断熱材７３を介して固着されている。
【００７２】
コーン７１の外周面は、太陽の放射熱を遮断するためにシールドし、さらにコーン放射部７１Ｂの内面は、パッチ７２の有効視野がすべて宇宙になるように、鏡面にしている。
【００７３】
上述のコーン７１は、断熱材を介して赤外線検出装置１００のベース金具（図示省略）に支持されている。一方、パッチ７２のコーン箱形部７１Ａの内側にある面（コーン放射部７１Ｂとは反対側のパッチ７２の面）に、基板７４を接着して赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３を、コーン箱形部７１Ａ内に実装している。
【００７４】
放射冷却器８０を上述のように二段構成にし、コーン７１は自身の熱放射によって冷却されて所定の低温（例えば１６０Ｋ) に維持されることで、パッチ７２へ放射される熱量を軽減させて、パッチ７２がより一層低い温度（例えば１００Ｋ) に到達できるようにしている。
【００７５】
パッチ７２に赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３を実装しているので、赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３は所定の極低温に保持される。結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３は、円筒形のレンズホルダ７６に挿着されている。結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３の光軸と赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３の光軸とがそれぞれ一致するように、赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３の受光面に対応するコーン箱形部７１Ａの開口部に、レンズホルダ７６を固着している。
【００７６】
この結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３は、宇宙空間において焦点位置が、赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３の受光面に一致するように、コーン箱形部７１Ａに固着されるものである。レンズホルダ７６の外周面にねじ山を螺刻し、このレンズホルダ７６をコーン箱形部７１Ａの壁部に設けたねじ孔に螺合して、結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３の位置調整（焦点調整）ができるようにしている。位置調整が終了した後に、レーザ溶接等してレンズホルダ７６をコーン箱形部７１Ａに固着している。
【００７７】
結像ゲルマニウムレンズ自身から輻射される赤外線量を低減するために低温であることが好ましい。したがって、上述のように結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３をコーン箱形部７１Ａに固着して、低温になるようにしている。
【００７８】
地上の物体は、放射する赤外線の波長帯がその物体特有である。したがって、図７に示したように、パッチ７２に複数（図では３個）の赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３を実装し、異なる波長帯の赤外線を受光するようにしている。図７では３個としたが、３個に限るものではない。
【００７９】
集光光学系のコリメータ６０を経由して放射された平行光束の赤外線６５の光路上に、４５度傾斜した分光素子７７−１、７７−２及び反射鏡７７−３を配置している。１段目の分光素子７７−１(例えばビームスプリッタ) は、第１の波長帯の赤外線を反射して１段目の結像ゲルマニウムレンズ７５−１を介して、１段目の赤外線検出素子７０−１に入射させるものである。
【００８０】
分光素子７７−１を透過した第２，第３の波長帯のうち、第２の波長帯の赤外線は、次段に配置された２段目の分光素子７７−２で反射して、２段目の結像ゲルマニウムレンズ７５−２を介して２段目の赤外線検出素子７０−２に入射する。
【００８１】
２段目の分光素子７７−２を透過した第３の波長帯の赤外線は、３段目の反射鏡７７−３で反射して、３段目の結像ゲルマニウムレンズ７５−３を介して３段目の赤外線検出素子７０−３に入射する。
【００８２】
赤外線検出装置１００は、このように赤外線を複数の波長帯に分離し検出することで、地上の物体を探査している。赤外線検出装置１００においては、その赤外線の検出性能を高めるために、結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３と赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３との距離（図７に図示した距離ｂ）が、結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３の焦点距離に一致していることが好ましい。
図８は、宇宙シミュレータの断面図である。
【００８３】
図８は、図６、図７と断面方向が異なり、ｙ−ｚ断面である。７０は赤外線検出素子、７５は結像ゲルマニウムレンズ、１５０は宇宙シミュレータ、２０１は真空チャンバー、２０２は冷却装置、２０２−１は冷媒流路の一方の開口、２０２−２は冷媒流路の他の開口、２０３はパッチ温度調整体、２０４は温度計、２０５はコーン温度調整体、２０６は温度計、２０７は計測器、２０８は旋回台、２０９は焦点補正機構、２１０は第１のレンズ、２１１は第２のレンズ、２１２は窓である。
【００８４】
真空チャンバー２０１は、結像ゲルマニウムレンズ７５および赤外線検出素子７０を組み込んだ赤外線検出装置１００を収容する。冷却装置２０２は、真空チャンバー２０１内でコーン７１の開口側に設置する。冷却装置２０２は良熱伝導性の金属板内に、液体窒素等の冷媒の流路を設け、流路の一方の開口２０２−１から液体窒素等の冷媒を投入し、他方の開口２０２−２から排出することで、真空チャンバー２０１内を極低温にして、コーン７１, パッチ７２及び結像ゲルマニウムレンズ７５を所望の低温度に冷却している。赤外線検出装置１００でコーン７１やパッチ７２を冷却した際に、結像ゲルマニウムレンズ７５などの結露を低減するために、真空チャンバー２０１内は真空状態にする。
【００８５】
図６のコリメータ６０を経由して放射された平行光束の赤外線６５は、宇宙シミュレータ１５０に設置されている、窓２１２を経由して宇宙シミュレータ１５０内に導入される。
【００８６】
パッチ温度調整体２０３は、両端部に金属端面板を備えた、その金属端面板間を良熱伝導性のばね性ある金属線束（例えばアルミニウム線，銅線）で連結したもので、一方の金属端面板を冷却装置２０２に溶接等して固着し、他方の金属端面板をパッチ７２の面に圧接させている。また、温度計２０４でパッチ７２の温度を観測している。
【００８７】
したがって、パッチ７２の熱はパッチ温度調整体２０３を介して冷却装置２０２に伝達されるので、パッチ７２の温度は、パッチ温度調整体２０３が無いときよりもさらに低温になる。そして、金属線束の断面積を調整することで、パッチ７２を所望の低温度に冷却することができる。
【００８８】
コーン温度調整体２０５は、両端部に金属端面板を備えた、その金属端面板間を良熱伝導性のばね性ある金属線束（例えばアルミニウム線，銅線）で連結したもので、一方の金属端面板を冷却装置２０２に溶接等して固着し、他方の金属端面板をコーン７１の面に圧接させている。また、温度計２０６でコーン７１の温度を観測している。
【００８９】
したがって、コーン７１の熱はコーン温度調整体２０５を介して冷却装置２０２に伝達されるので、コーン７１の温度は、コーン温度調整体２０５が無いときよりもさらに低温になる。そして、金属線束の断面積を調整することで、コーン７１を所望の低温度に冷却することができる。
【００９０】
上述のようなパッチ温度調整体２０３、および、コーン温度調整体２０５を宇宙シミュレータ１５０に設けることにより、冷却装置２０２を稼働すると、コーン７１の温度は時間の経過とともに低下して、所望の低温度で定常となる。
【００９１】
また、パッチ７２の温度は時間の経過とともに低下して、所望の低温度で定常となる。パッチ温度調整体２０３、および、コーン温度調整体２０５は設けなくても良い。
【００９２】
パッチ温度調整体２０３、および、コーン温度調整体２０５を設けると、上述のようにパッチ７２及びコーン７１の温度を高精度に宇宙空間での予測温度に設定することができるので、パッチ温度調整体２０３、および、コーン温度調整体２０５を設けることが好ましい。
【００９３】
また、温度計２０６でコーン７１の温度を観測し、温度計２０４でパッチ７２の温度を観測している。さらに、赤外線検出素子の端子に繋がる導線を真空チャンバー２０１の外に引出して、計測器２０７を接続し、赤外線検出素子７０の出力を計測するようにしている。
【００９４】
コリメータ６０を旋回台２０８上に設置し、コリメータ６０を経由して放射された平行光束の赤外線６５を、結像ゲルマニウムレンズ７５に入射するようにしている。この旋回台２０８は、コリメータ６０の光軸と結像ゲルマニウムレンズ７５の光軸を一致させるためのものである。
【００９５】
結像ゲルマニウムレンズ７５の焦点位置と赤外線検出素子７０の受光面とが一致している場合に、赤外線検出素子７０の出力が最大となるので好ましい。
【００９６】
図８に示すように、宇宙シミュレータ１５０とコリメータ６０との間に、必要に応じて、焦点補正機構２０９を配置する。焦点補正機構２０９は、内部に第１のレンズ２１０および第２のレンズ２１１を備えている。コリメータ６０からの赤外線が、宇宙シミュレータ１５０内の赤外線検出素子７０にて焦点が合うように、第１のレンズ２１０および第２のレンズ２１１が光軸方向に移動可能である。また、必要に応じて、焦点補正機構２０９全体を光軸方向に移動調整して、焦点を合わせることも可能である。このように、焦点補正機構２０９により、焦点を合わせることが可能となり、赤外線検出素子７０の出力が最大となるようにすることができる。
【００９７】
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００９８】
Ｓ１ 光学部品の表面を有機溶剤で洗浄する工程
Ｓ２ 洗浄後の光学部品の表面を乾燥させる工程
Ｓ３ 光学部品を希塩酸または希フッ化水素酸に浸漬する工程
Ｓ４ 光学部品の表面を水洗する工程
Ｓ５ 光学部品の表面を乾燥させる工程
Ｓ６ 光学部品をフッ化水素酸＋過酸化水素水を含む混合薬液に浸漬する工程
Ｓ７ 光学部品の表面を水洗する工程
Ｓ８ 光学部品の表面を乾燥させる工程
Ｓ９ 光学部品をフッ化水素酸＋過酸化水素水を含む混合薬液に浸漬する工程
Ｓ１０ 光学部品の表面を水洗する工程
Ｓ１１ 光学部品の表面を乾燥させる工程
２１ 約 ８００ｃｍ-1近辺における赤外線吸収
２２ 約１６００ｃｍ-1近辺における赤外線吸収
２３ 約２０００ｃｍ-1近辺における赤外線吸収
２４ 約３２００ｃｍ-1近辺における赤外線吸収
２５ 約３４００ｃｍ-1近辺における赤外線吸収
３０ ゲルマニウム凸レンズ
４０ 反射防止層形成プロセス（図１）実施前のゲルマニウムレンズ表面
４１ 空洞
４２ 残留ゲルマニウム
４３ 窪み
４４ 開示の反射防止層
６０ コリメータ
６１ 赤外線発光光源
６２ 副反射鏡
６３ 放物面鏡
６４ スリット
６５ 平行光束の赤外線
７０ 赤外線検出素子
７０−１、７０−２、７０−３ 赤外線検出素子
７１ コーン
７１Ａ コーン箱形部
７１Ｂ コーン放射部
７２ パッチ
７３ 断熱材
７４ 基板
７５ 結像ゲルマニウムレンズ
７５−１、７５−２、７５−３ 結像ゲルマニウムレンズ
７６ レンズホルダ
７７ 分光素子（または反射鏡）
７７−１、７７−２ 分光素子
７７−３ 反射鏡
８０ 放射冷却器
１００ 赤外線検出装置
１５０ 宇宙シミュレータ
２０１ 真空チャンバー
２０２ 冷却装置
２０２−１ 冷媒流路の一方の開口
２０２−２ 冷媒流路の他の開口
２０３ パッチ温度調整体
２０４ 温度計
２０５ コーン温度調整体
２０６ 温度計、
２０７ 計測器
２０８ 旋回台
２０９ 焦点補正機構
２１０ 第１のレンズ
２１１ 第２のレンズ
２１２ 窓
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部品、その形成方法および赤外線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から赤外線透過材料として、ＮａＣｌ等のアルカリハライド、ゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）等が知られている。
【０００３】
その中でもゲルマニウム（Ｇｅ）は、赤外線に対して幅広い透過波長範囲をもっており、ＣＯ2、ＣＯ等の吸収帯がある３μｍ〜５μｍ領域や、人体や室温近傍の温度領域の熱輻射である８μｍ〜１０μｍ領域で使用が可能である。また、屈折率が大きい（波長２μｍ〜１５μｍ領域で屈折率は約４．０）ために、レンズ厚を薄くしても短焦点とすることができる。さらに、広い波長範囲において屈折率分散が小さいため、色収差の補償が省略できる。
【０００４】
ゲルマニウム（Ｇｅ）レンズは上記の代表的な光学特性に加えて、化学的にも極めて安定であり、硬度や機械的強度、耐湿性等にも優れているため、赤外線カメラ等の赤外線画像を扱う装置に広く使われている。ＣＯ2やＣＯ等のほかに、ＮＯXやＳＯX等の測定に使用する赤外線分析計や気象・地球資源観測や温度計測等の大気汚染防止のための環境計測や、熱や炎を監視する防犯・防災装置、化学・半導体プロセス等の熱管理装置の中で熱や赤外線を検出できる検出装置に使用されている。近年は人工衛星に赤外線検出装置を搭載して、地球上の物体が放射する赤外線を検出して、資源探査等を実施している。
【０００５】
ゲルマニウム（Ｇｅ）レンズ自体に対して、その透過特性を向上させるために、或いはレンズ表面を外部環境から保護するために、反射防止層を施すことも有効である。レンズ強度を高めるために、レンズ表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜等の超硬質膜によって反射防止層を形成する場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２６０５６７号公報
【特許文献２】特開２００７−２４１０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ゲルマニウムレンズを使用する環境は、ゲルマニウムレンズ自身から輻射される赤外線量を低減するために、低温や極低温であることが好ましい。しかしながら、たとえば極低温状態での使用では、ゲルマニウムレンズと反射防止層との熱膨張率の相違や密着力不足のため、反射防止層にクラックや剥離が発生するという問題がある。反射防止層にクラックや剥離が発生すると、ゲルマニウムレンズに部分的な屈折率異常が発生する。
【０００８】
上述の問題に鑑み、反射防止層のクラックおよび剥離の発生を低減可能な、光学部品、その形成方法および赤外線検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、ゲルマニウム材料を含む部材の表面上に、ゲルマニウム材料を含む反射防止層を有することを特徴とする光学部品が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の観点によれば、ゲルマニウム材料を含む部材の表面酸化膜を除去する工程と、前記部材を、フッ化水素酸と過酸化水素水との混合薬液へ浸し、前記部材よりも密度が小さい反射防止層を形成する工程とを有することを特徴とする光学部品の形成方法が提供される。
【００１１】
また、本発明の他の観点によれば、ゲルマニウム材料を含む部材の表面上に、ゲルマニウム材料を含む反射防止層を有することを特徴とする光学部品を搭載した赤外線検出装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
開示の光学部品により、反射防止層のクラックおよび剥離を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、開示の光学部品の形成工程を表すプロセスフローである。
【図２】図２Ａ、図２Ｂは、ゲルマニウム材料を含む光学部品の透過率の波数依存性を表したグラフである。
【図３】図３は、ゲルマニウム材料を含む試料の赤外線分光分析(ＦＴ−ＩＲ)結果のグラフである。
【図４】図４Ａ〜図４Ｃは、ゲルマニウムレンズおよび開示の反射防止層を示す。
【図５】図５は、開示の反射防止層を厚膜化するための追加プロセスフローである。
【図６】図６は、コリメータの断面図である。
【図７】図７は、放射冷却器を装着した赤外線検出装置の要所断面である。
【図８】図８は、宇宙シミュレータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に実施例を示す。
【実施例１】
【００１５】
図１は、開示の光学部品の形成工程を表すプロセスフローである。
【００１６】
図１において、先ず光学部品を準備する。光学部品はゲルマニウム材料を含み、例えば、凹凸レンズ、プリズム、光学的窓などである。また、光学部品は、例えば、成型完了した状態のものであり、その表面を鏡面加工してあるものである。
【００１７】
まず、光学部品を有機溶剤で洗浄（Ｓ１）し、光学部品表面を脱脂する。有機溶剤は、アセトン、エタノール、ＩＰＡなどが良い。
【００１８】
次に、洗浄後の光学部品の表面を乾燥（Ｓ２）させた後、光学部品を希塩酸（例：１０ｗｔ％ＨＣｌ）または希フッ化水素酸（例：１０ｗｔ％ＨＦ）等の酸希釈液に浸漬（Ｓ３）し、光学部品表面の酸化膜を除去する。酸希釈液から光学部品を取り出し、その後、水洗（Ｓ４）により表面に付着していた酸希釈液を除去する。
【００１９】
次に、光学部品の表面を乾燥（Ｓ５）させる。
【００２０】
次に、光学部品をフッ化水素酸＋過酸化水素水を含む混合薬液に浸漬（Ｓ６）する。この工程により、開示の反射防止層が形成される。混合薬液は、たとえば体積比にして、５０ｗｔ％フッ化水素酸を１とした場合、３７ｗｔ％過酸化水素水を０．０００５として混合する。混合薬液温度は、たとえば２５℃が望ましい。浸漬時間は、例えば６分２０秒が望ましい。また、６分２０秒以上であっても良い。混合薬液の体積比、温度および浸漬時間は、必要とされる反射防止層の条件によって適宜調整することができ、これらの浸漬条件に限定されるものではない。
【００２１】
次に、光学部品を水洗（Ｓ７）し、光学部品表面に付着したフッ化水素酸＋過酸化水素水を除去する。
【００２２】
最後に、光学部品の表面を乾燥（Ｓ８）させる。
【００２３】
以上のＳ１からＳ８までが、反射防止層形成プロセスフローである。
【００２４】
図２Ａ、図２Ｂは、ゲルマニウム材料を含む光学部品の透過率の波数依存性を表したグラフである。透過率測定用試料としてはゲルマニウム単結晶から、面方位（１００）と面方位（１１１）との２種類を切り出して準備した。ゲルマニウム単結晶から光学部品を切り出す場合に、表面に現れるのは主に面方位（１００）または面方位（１１１）である。そこで、２種類について測定を行う。
【００２５】
図２Ａ、図２Ｂのグラフはともに、縦軸は透過率であり、横軸は測定に用いた赤外線の波数である。
【００２６】
図２Ａは、ゲルマニウム面方位（１００）に対するグラフである。
【００２７】
図２Ａで、反射防止層が無い場合では、波数範囲４０００ｃｍ-1〜８００ｃｍ-1において、約４５％の透過率である。
【００２８】
また図２Ａで、開示の反射防止層が有る場合では、波数範囲４０００ｃｍ-1〜８００ｃｍ-1において、約５０％の透過率である。そのため開示の反射防止層の形成により、透過率は、約５％増加する。
【００２９】
図２Ｂは、ゲルマニウム面方位（１１１）に対するグラフである。
【００３０】
図２Ｂの結果は、図２Ａとほぼ同様であり、開示の反射防止層の形成により、波数範囲４０００ｃｍ-1〜８００ｃｍ-1において、透過率が約５％増加する。
【００３１】
以上より、開示の反射防止層の形成により、ゲルマニウム材料を含む光学部品の透過率を、約５％増加させることができる。
【００３２】
図３は、ゲルマニウム材料を含む試料の赤外線分光分析(ＦＴ−ＩＲ)結果を表したグラフである。図２Ａ、図２Ｂの透過率の結果では、面方位（１００）と面方位（１１１）との差異はほとんど見られなかったため、面方位（１１１）の試料を準備して、ＦＴ−ＩＲ分析を行った。ＦＴ−ＩＲ分析は、内部反射法にて行った。そのため試料は、内部反射法に最適な形状に加工した上で、ＦＴ−ＩＲ分析を行った。図３のグラフは、縦軸は赤外線吸収強度（透過率スペクトル）であり、横軸は測定に用いた赤外線の波数である。
【００３３】
図３のグラフから、反射防止層が無い場合、すなわち鏡面状態では、４０００ｃｍ-1〜８００ｃｍ-1の範囲において、大きな赤外線吸収は見られなかった。
【００３４】
一方、開示の反射防止層が有る場合、４０００ｃｍ-1〜８００ｃｍ-1の範囲において、５か所の赤外線波数域で赤外線吸収が見られた。
【００３５】
ＦＴ−ＩＲ分析は、物質に対して赤外線を照射し、赤外線の波数を連続的に変化させながら、波数ごとに赤外線吸収強度を測定する手法である。赤外線を物質に照射すると、物質内では特定の赤外線波数域で、その波数に応じた「分子の振動」が発生する。この「分子の振動」は、照射された赤外線エネルギーが物質内で吸収されたために発生する。これを図３のように、縦軸を赤外線吸収強度、横軸を赤外線波数としてグラフ表示する。グラフでは、赤外線吸収が起こった赤外線波数域において、赤外線強度が下がる。このように、ＦＴ−ＩＲ分析では、どの赤外線波数域において、どのくらいの赤外線エネルギー吸収が起こったかという情報を得ることにより、「化合物を構成する元素の種類と結合状態（原子団）およびその量」を判定することができる分析である。
【００３６】
図３のグラフから、開示の反射防止層が有る場合、約８００ｃｍ-1近辺での赤外線吸収２１はＧｅ−Ｈ変角振動、約１６００ｃｍ-1近辺での赤外線吸収２２はＨ2Ｏ変角振動、約２０００ｃｍ-1近辺での赤外線吸収２３はＧｅ−Ｈ伸縮振動、約３２００ｃｍ-1近辺での赤外線吸収２４はＨ2Ｏ伸縮振動、約３４００ｃｍ-1近辺での赤外線吸収２５はＧｅＯ−Ｈ伸縮振動、に対する赤外線吸収をそれぞれ示している。ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む振動に着目すると、開示の反射防止層が有る場合では、Ｇｅ−Ｈ変角振動、Ｇｅ−Ｈ伸縮振動、ＧｅＯ−Ｈ伸縮振動に対する赤外線吸収が多く発生している。Ｇｅ−Ｈ変角振動、Ｇｅ−Ｈ伸縮振動は、Ｇｅ−Ｈ結合に起因するものであり、ＧｅＯ−Ｈ伸縮振動は、ＧｅＯ−Ｈ結合に起因するものである。
【００３７】
通常、Ｇｅ−Ｈ結合およびＧｅＯ−Ｈ結合は、ゲルマニウム材料を含む光学部品の表面に存在する。
【００３８】
反射防止層が無い場合でも、鏡面状態として表面は存在している。それにも関わらず、これらの結合に起因する赤外線吸収は見られなかった。すなわち、鏡面状態の表面では、ＦＴ−ＩＲ分析で赤外線吸収を引き起こすほど、Ｇｅ−Ｈ結合およびＧｅＯ−Ｈ結合が多く存在していないことを示している。
【００３９】
一方、開示の反射防止層が有る場合では、Ｇｅ−Ｈ結合およびＧｅＯ−Ｈ結合に起因する赤外線吸収が大きく引き起こされており、Ｇｅ−Ｈ結合およびＧｅＯ−Ｈ結合が格段に多く存在する状態であることを示している。
【００４０】
図４Ａ〜図４Ｃは、ゲルマニウム凸レンズおよび開示の反射防止層を示す。
【００４１】
図４Ａは、ゲルマニウム凸レンズの正面図であり、図４Ｂは、図４Ａに示したゲルマニウム凸レンズ３０のＡ−Ａ断面図である。結像タイプの凸レンズを例として示したため、中央部の厚みは外周部よりも厚くなっている。
【００４２】
図４Ｃは、開示の反射防止層付きゲルマニウム凸レンズ表面の拡大断面図である。図４Ｃは、透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）に基づく断面図である。
【００４３】
４０は反射防止層形成プロセス（図１）実施前のゲルマニウムレンズ表面であり、点線で示す。４１は空洞、４２は残留ゲルマニウム、４３は表面が溶けてできた窪み、４４は開示の反射防止層である。
【００４４】
反射防止層形成プロセス（図１）実施前のゲルマニウム凸レンズ表面４０は、凹凸はなく、鏡面状態である。
【００４５】
一方、反射防止層形成プロセス（図１）実施により、図４Ｃに示すように開示の反射防止層４４は、ゲルマニウム凸レンズ３０をフッ化水素酸＋過酸化水素水を含む混合薬液に浸漬することにより、ゲルマニウム凸レンズ表面が一部溶解した状態である。一部溶解したことにより、表面にできた空洞４１、溶けずに残った残留ゲルマニウム４２、および表面が溶けてできた窪み４３が形成される。
【００４６】
開示の反射防止層４４は、図４Ｃのように空洞４１や窪み４３が多く存在する、いわば多孔質層である。多孔質層は、鏡面状態と比較すると、格段に表面が多い状態である。
【００４７】
Ｇｅ−Ｈ結合およびＧｅＯ−Ｈ結合は、ゲルマニウムレンズ表面に多く存在し、図３のＦＴ−ＩＲ結果では、開示の反射防止層４４は、Ｇｅ−Ｈ結合およびＧｅＯ−Ｈ結合が格段に多く存在する状態であることから、多孔質層であることを示している。
【００４８】
開示の反射防止層４４は多孔質層であり、ゲルマニウム凸レンズ３０と残留ゲルマニウム４２とが繋がっていることにより、ゲルマニウム凸レンズ表面に形成されている。残留ゲルマニウム４２とゲルマニウム凸レンズ３０とは、元々一体であり、しかも同じ材料である。そのため、熱膨張率は同一であり、元々一体であるため、密着力においても強固である。ＤＬＣのような材料の反射防止層を堆積して形成した場合に比較すると、開示の反射防止層４４は、クラックおよび剥離の発生を低減することができる。
【００４９】
図４Ｃに示す開示の反射防止層４４の厚さは、例えば約５ｎｍである。
【００５０】
また、図示していないが、空洞４１や窪み４３の状態にまで至らなくても、開示の反射防止層４４は、フッ化水素酸＋過酸化水素水を含む混合薬液に浸漬する工程により、ゲルマニウム凸レンズ３０の表面密度が内部に比べて低くなった状態であれば良い。この場合は、ゲルマニウム凸レンズ３０の表面密度が低くなった箇所には、ＨまたはＯＨが多く入り込み、これらがＧｅと結びついて、Ｇｅ−Ｈ変角振動、Ｇｅ−Ｈ伸縮振動、ＧｅＯ−Ｈ伸縮振動による吸収が観測されたと考えられる。ゲルマニウム凸レンズ３０の表面密度が低くなった状態の反射防止層であっても、ゲルマニウム凸レンズ３０とは、元々一体であり、しかも同じ材料であるため、クラックおよび剥離の発生を低減することができる。
【００５１】
図５は、開示の反射防止層を厚膜化するための追加プロセスフローである。
【００５２】
前述の反射防止層形成プロセス（図１）を１回実施した場合、約５ｎｍ厚の反射防止層を形成できる。さらに厚い反射防止層とするには、図５に示す追加プロセスを実施しても良い。
【００５３】
図５において、図１でＳ１からＳ８まで完了した状態の光学部品を準備する。
【００５４】
その後、光学部品をフッ化水素酸＋過酸化水素水を含む混合薬液に浸漬（Ｓ９）する。混合薬液は、たとえば体積比にして、５０ｗｔ％フッ化水素酸を１とした場合、３７ｗｔ％過酸化水素水を０．０００５として混合する。混合薬液温度は、たとえば２５℃が望ましい。浸漬時間は、例えば６分２０秒が望ましい。また、６分２０秒以上であっても良い。混合薬液の体積比、温度および浸漬時間は、適宜調整することができ、限定されるものではない。
【００５５】
次に、光学部品の表面を水洗（Ｓ１０）する。この工程により、光学部品の表面に付着したフッ化水素酸＋過酸化水素水を除去する。
【００５６】
最後に、光学部品の表面を乾燥（Ｓ１１）させる。
【００５７】
以上のＳ９からＳ１１までを追加実施すると、開示の反射防止層を厚膜化できる。
Ｓ９からＳ１１までを追加実施すると、さらに約５ｎｍの反射防止層が追加形成される。
【００５８】
反射防止層をさらに厚膜化するには、図５のＳ９に戻り、開示の反射防止層が所望の厚さになるまで、繰り返しＳ９からＳ１１までを追加実施しても良い。追加実施する毎に、約５ｎｍずつ反射防止層は厚膜化する。
【００５９】
開示の反射防止層が、数μｍの波長の赤外線に対して、反射防止層として機能する理由について
(1) 一般的には板状の部材において、屈折率ｎの場合、屈折率ｎ0から入射する場合の透過率はＴ＝４ｎ0ｎ／（ｎ0＋ｎ）2 であり、反射率はＲ＝１−Ｔ＝（ｎ0−ｎ）2／（ｎ0＋ｎ）2である。ゲルマニウムの屈折率は約４と大きく、上記の式から空気または真空中での透過率は０．４７（４７％）であり、反射率は０．５３（５３％）と大きい。
【００６０】
(2) そのため、板状部材（屈折率ｎ）を用いる場合は入射側の部材（屈折率ｎ0）との屈折率差が小さいほうが、反射率を小さく抑制できることが上記式からうかがえる。
【００６１】
(3)開示の反射防止層は、赤外線波長（約５μｍ）に比較して格段に小さな空洞(孔)と残留構造（図４における残留ゲルマニウム）を有するため、赤外線にとっては板状部材よりも密度が低く、結果として屈折率の小さな層が存在しているように見える。屈折率が空気とＧｅのそれとの中間の値を持つこの層の存在により、最表面での反射、および、反射防止層と板状部材との界面での反射がともに抑制され、開示の反射防止層は膜厚が数ｎｍであるが反射防止層として機能すると推測できる。
【実施例２】
【００６２】
近年は人工衛星に赤外線検出装置を搭載して、例えば地球上の物体が放射する赤外線を検出して、資源探査等を実施している。このように地球上の物体などが放射する赤外線は、コリメータで集光する。
【００６３】
図６は、コリメータの断面図を示す。６０はコリメータ、６１は赤外線発光光源、６２は副反射鏡、６３は放物面鏡、６４はスリット、６５は平行光束の赤外線である。
【００６４】
コリメータ６０は、赤外線発光光源６１に斜めに対向する副反射鏡６２と、副反射鏡６２に対向配置した放物面鏡６３とを含む。
【００６５】
そして、赤外線発光光源６１と副反射鏡６２との間にスリット６４を配置し、赤外線発光光源６１の発する赤外線を絞って副反射鏡６２に投射させる。次に、副反射鏡６２の反射光を放物面鏡６３に投射させ、放物面鏡６３で反射させ、最終的には平行光束の赤外線６５を、後述の図７で示す赤外線検出装置等に入射させている。
【００６６】
図７は、放射冷却器を装着した赤外線検出装置の要所断面である。図７は、図６と断面方向が同じ断面図である。
【００６７】
６５は平行光束の赤外線、７０−１、７０−２、７０−３は、赤外線検出素子、７１はコーン、７１Ａはコーン箱形部、７１Ｂはコーン放射部、７２はパッチ、７３は断熱材、７４はサファイア等の基板、７５−１、７５−２、７５−３は結像ゲルマニウムレンズ、７６はレンズホルダ、７７−１、７７−２は分光素子、７７−３は反射鏡、８０は放射冷却器、１００は赤外線検出装置である。平行光束の赤外線６５は、図６のコリメータ６０を経由して放射された赤外線である。
【００６８】
赤外線検出装置１００に実装する結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３および赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３を極低温（約１００Ｋ）に冷却することが好ましい。これらのレンズや素子を極低温に冷却するには、循環冷凍機を使用する方法と放射冷却器を用いる方法とがあるが、人工衛星搭載用としては、長寿命，無振動，無電力という長所を有する放射冷却器が採用されている（例えば、特開平７−２６０５６７号公報）。
【００６９】
赤外線検出装置１００は、平行光束の赤外線６５を赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３に入射させる集光光学系と、赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３を所定の極低温（約１００Ｋ）に冷却する放射冷却器８０とを含む。
【００７０】
放射冷却器８０は、通常一段目のコーン７１（材料は良熱伝導性で且つ軽量な金属板例えばアルミニウム板等）と二段目のパッチ７２（材料は良熱伝導性で且つ軽量な金属板例えばアルミニウム板等）とを含む。
【００７１】
コーン７１は、宇宙空間の極低温（４Ｋ〜０Ｋ）に向かって開口するほぼ傘形のコーン放射部７１Ｂと、コーン放射部７１Ｂの根元に形成したコーン箱形部７１Ａとを含み、パッチ７２は、コーン箱形部７１Ａの宇宙空間に対向する開口側（即ちコーン放射部７１Ｂの底部分）に、断熱材７３を介して固着されている。
【００７２】
コーン７１の外周面は、太陽の放射熱を遮断するためにシールドし、さらにコーン放射部７１Ｂの内面は、パッチ７２の有効視野がすべて宇宙になるように、鏡面にしている。
【００７３】
上述のコーン７１は、断熱材を介して赤外線検出装置１００のベース金具（図示省略）に支持されている。一方、パッチ７２のコーン箱形部７１Ａの内側にある面（コーン放射部７１Ｂとは反対側のパッチ７２の面）に、基板７４を接着して赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３を、コーン箱形部７１Ａ内に実装している。
【００７４】
放射冷却器８０を上述のように二段構成にし、コーン７１は自身の熱放射によって冷却されて所定の低温（例えば１６０Ｋ) に維持されることで、パッチ７２へ放射される熱量を軽減させて、パッチ７２がより一層低い温度（例えば１００Ｋ) に到達できるようにしている。
【００７５】
パッチ７２に赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３を実装しているので、赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３は所定の極低温に保持される。結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３は、円筒形のレンズホルダ７６に挿着されている。結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３の光軸と赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３の光軸とがそれぞれ一致するように、赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３の受光面に対応するコーン箱形部７１Ａの開口部に、レンズホルダ７６を固着している。
【００７６】
この結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３は、宇宙空間において焦点位置が、赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３の受光面に一致するように、コーン箱形部７１Ａに固着されるものである。レンズホルダ７６の外周面にねじ山を螺刻し、このレンズホルダ７６をコーン箱形部７１Ａの壁部に設けたねじ孔に螺合して、結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３の位置調整（焦点調整）ができるようにしている。位置調整が終了した後に、レーザ溶接等してレンズホルダ７６をコーン箱形部７１Ａに固着している。
【００７７】
結像ゲルマニウムレンズ自身から輻射される赤外線量を低減するために低温であることが好ましい。したがって、上述のように結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３をコーン箱形部７１Ａに固着して、低温になるようにしている。
【００７８】
地上の物体は、放射する赤外線の波長帯がその物体特有である。したがって、図７に示したように、パッチ７２に複数（図では３個）の赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３を実装し、異なる波長帯の赤外線を受光するようにしている。図７では３個としたが、３個に限るものではない。
【００７９】
集光光学系のコリメータ６０を経由して放射された平行光束の赤外線６５の光路上に、４５度傾斜した分光素子７７−１、７７−２及び反射鏡７７−３を配置している。１段目の分光素子７７−１(例えばビームスプリッタ) は、第１の波長帯の赤外線を反射して１段目の結像ゲルマニウムレンズ７５−１を介して、１段目の赤外線検出素子７０−１に入射させるものである。
【００８０】
分光素子７７−１を透過した第２，第３の波長帯のうち、第２の波長帯の赤外線は、次段に配置された２段目の分光素子７７−２で反射して、２段目の結像ゲルマニウムレンズ７５−２を介して２段目の赤外線検出素子７０−２に入射する。
【００８１】
２段目の分光素子７７−２を透過した第３の波長帯の赤外線は、３段目の反射鏡７７−３で反射して、３段目の結像ゲルマニウムレンズ７５−３を介して３段目の赤外線検出素子７０−３に入射する。
【００８２】
赤外線検出装置１００は、このように赤外線を複数の波長帯に分離し検出することで、地上の物体を探査している。赤外線検出装置１００においては、その赤外線の検出性能を高めるために、結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３と赤外線検出素子７０−１、７０−２、７０−３との距離（図７に図示した距離ｂ）が、結像ゲルマニウムレンズ７５−１、７５−２、７５−３の焦点距離に一致していることが好ましい。
図８は、宇宙シミュレータの断面図である。
【００８３】
図８は、図６、図７と断面方向が異なり、ｙ−ｚ断面である。７０は赤外線検出素子、７５は結像ゲルマニウムレンズ、１５０は宇宙シミュレータ、２０１は真空チャンバー、２０２は冷却装置、２０２−１は冷媒流路の一方の開口、２０２−２は冷媒流路の他の開口、２０３はパッチ温度調整体、２０４は温度計、２０５はコーン温度調整体、２０６は温度計、２０７は計測器、２０８は旋回台、２０９は焦点補正機構、２１０は第１のレンズ、２１１は第２のレンズ、２１２は窓である。
【００８４】
真空チャンバー２０１は、結像ゲルマニウムレンズ７５および赤外線検出素子７０を組み込んだ赤外線検出装置１００を収容する。冷却装置２０２は、真空チャンバー２０１内でコーン７１の開口側に設置する。冷却装置２０２は良熱伝導性の金属板内に、液体窒素等の冷媒の流路を設け、流路の一方の開口２０２−１から液体窒素等の冷媒を投入し、他方の開口２０２−２から排出することで、真空チャンバー２０１内を極低温にして、コーン７１, パッチ７２及び結像ゲルマニウムレンズ７５を所望の低温度に冷却している。赤外線検出装置１００でコーン７１やパッチ７２を冷却した際に、結像ゲルマニウムレンズ７５などの結露を低減するために、真空チャンバー２０１内は真空状態にする。
【００８５】
図６のコリメータ６０を経由して放射された平行光束の赤外線６５は、宇宙シミュレータ１５０に設置されている、窓２１２を経由して宇宙シミュレータ１５０内に導入される。
【００８６】
パッチ温度調整体２０３は、両端部に金属端面板を備えた、その金属端面板間を良熱伝導性のばね性ある金属線束（例えばアルミニウム線，銅線）で連結したもので、一方の金属端面板を冷却装置２０２に溶接等して固着し、他方の金属端面板をパッチ７２の面に圧接させている。また、温度計２０４でパッチ７２の温度を観測している。
【００８７】
したがって、パッチ７２の熱はパッチ温度調整体２０３を介して冷却装置２０２に伝達されるので、パッチ７２の温度は、パッチ温度調整体２０３が無いときよりもさらに低温になる。そして、金属線束の断面積を調整することで、パッチ７２を所望の低温度に冷却することができる。
【００８８】
コーン温度調整体２０５は、両端部に金属端面板を備えた、その金属端面板間を良熱伝導性のばね性ある金属線束（例えばアルミニウム線，銅線）で連結したもので、一方の金属端面板を冷却装置２０２に溶接等して固着し、他方の金属端面板をコーン７１の面に圧接させている。また、温度計２０６でコーン７１の温度を観測している。
【００８９】
したがって、コーン７１の熱はコーン温度調整体２０５を介して冷却装置２０２に伝達されるので、コーン７１の温度は、コーン温度調整体２０５が無いときよりもさらに低温になる。そして、金属線束の断面積を調整することで、コーン７１を所望の低温度に冷却することができる。
【００９０】
上述のようなパッチ温度調整体２０３、および、コーン温度調整体２０５を宇宙シミュレータ１５０に設けることにより、冷却装置２０２を稼働すると、コーン７１の温度は時間の経過とともに低下して、所望の低温度で定常となる。
【００９１】
また、パッチ７２の温度は時間の経過とともに低下して、所望の低温度で定常となる。パッチ温度調整体２０３、および、コーン温度調整体２０５は設けなくても良い。
【００９２】
パッチ温度調整体２０３、および、コーン温度調整体２０５を設けると、上述のようにパッチ７２及びコーン７１の温度を高精度に宇宙空間での予測温度に設定することができるので、パッチ温度調整体２０３、および、コーン温度調整体２０５を設けることが好ましい。
【００９３】
また、温度計２０６でコーン７１の温度を観測し、温度計２０４でパッチ７２の温度を観測している。さらに、赤外線検出素子の端子に繋がる導線を真空チャンバー２０１の外に引出して、計測器２０７を接続し、赤外線検出素子７０の出力を計測するようにしている。
【００９４】
コリメータ６０を旋回台２０８上に設置し、コリメータ６０を経由して放射された平行光束の赤外線６５を、結像ゲルマニウムレンズ７５に入射するようにしている。この旋回台２０８は、コリメータ６０の光軸と結像ゲルマニウムレンズ７５の光軸を一致させるためのものである。
【００９５】
結像ゲルマニウムレンズ７５の焦点位置と赤外線検出素子７０の受光面とが一致している場合に、赤外線検出素子７０の出力が最大となるので好ましい。
【００９６】
図８に示すように、宇宙シミュレータ１５０とコリメータ６０との間に、必要に応じて、焦点補正機構２０９を配置する。焦点補正機構２０９は、内部に第１のレンズ２１０および第２のレンズ２１１を備えている。コリメータ６０からの赤外線が、宇宙シミュレータ１５０内の赤外線検出素子７０にて焦点が合うように、第１のレンズ２１０および第２のレンズ２１１が光軸方向に移動可能である。また、必要に応じて、焦点補正機構２０９全体を光軸方向に移動調整して、焦点を合わせることも可能である。このように、焦点補正機構２０９により、焦点を合わせることが可能となり、赤外線検出素子７０の出力が最大となるようにすることができる。
【００９７】
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００９８】
Ｓ１ 光学部品の表面を有機溶剤で洗浄する工程
Ｓ２ 洗浄後の光学部品の表面を乾燥させる工程
Ｓ３ 光学部品を希塩酸または希フッ化水素酸に浸漬する工程
Ｓ４ 光学部品の表面を水洗する工程
Ｓ５ 光学部品の表面を乾燥させる工程
Ｓ６ 光学部品をフッ化水素酸＋過酸化水素水を含む混合薬液に浸漬する工程
Ｓ７ 光学部品の表面を水洗する工程
Ｓ８ 光学部品の表面を乾燥させる工程
Ｓ９ 光学部品をフッ化水素酸＋過酸化水素水を含む混合薬液に浸漬する工程
Ｓ１０ 光学部品の表面を水洗する工程
Ｓ１１ 光学部品の表面を乾燥させる工程
２１ 約 ８００ｃｍ-1近辺における赤外線吸収
２２ 約１６００ｃｍ-1近辺における赤外線吸収
２３ 約２０００ｃｍ-1近辺における赤外線吸収
２４ 約３２００ｃｍ-1近辺における赤外線吸収
２５ 約３４００ｃｍ-1近辺における赤外線吸収
３０ ゲルマニウム凸レンズ
４０ 反射防止層形成プロセス（図１）実施前のゲルマニウムレンズ表面
４１ 空洞
４２ 残留ゲルマニウム
４３ 窪み
４４ 開示の反射防止層
６０ コリメータ
６１ 赤外線発光光源
６２ 副反射鏡
６３ 放物面鏡
６４ スリット
６５ 平行光束の赤外線
７０ 赤外線検出素子
７０−１、７０−２、７０−３ 赤外線検出素子
７１ コーン
７１Ａ コーン箱形部
７１Ｂ コーン放射部
７２ パッチ
７３ 断熱材
７４ 基板
７５ 結像ゲルマニウムレンズ
７５−１、７５−２、７５−３ 結像ゲルマニウムレンズ
７６ レンズホルダ
７７ 分光素子（または反射鏡）
７７−１、７７−２ 分光素子
７７−３ 反射鏡
８０ 放射冷却器
１００ 赤外線検出装置
１５０ 宇宙シミュレータ
２０１ 真空チャンバー
２０２ 冷却装置
２０２−１ 冷媒流路の一方の開口
２０２−２ 冷媒流路の他の開口
２０３ パッチ温度調整体
２０４ 温度計
２０５ コーン温度調整体
２０６ 温度計、
２０７ 計測器
２０８ 旋回台
２０９ 焦点補正機構
２１０ 第１のレンズ
２１１ 第２のレンズ
２１２ 窓
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲルマニウム材料を含む部材の表面に、該ゲルマニウム材料を含む反射防止層を有する
ことを特徴とする光学部品。
【請求項２】
前記反射防止層は、多孔質である
ことを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
【請求項３】
前記部材がレンズである
ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の光学部品。
【請求項４】
ゲルマニウム材料を含む部材を処理し、表面にゲルマニウム材料を含む反射防止層を形成する工程を有することを特徴とする光学部品の形成方法。
【請求項５】
前記処理は、フッ化水素酸と過酸化水素水との混合薬液に浸すことであることを特徴とする請求項４に記載の光学部品の形成方法。
【請求項６】
ゲルマニウム材料を含む部材の表面に、該ゲルマニウム材料を含む反射防止層を有するレンズと、該レンズを介して赤外線を受光する赤外線検出素子とを含む赤外線検出装置。
【請求項１】
ゲルマニウム材料を含む部材の表面に、該ゲルマニウム材料を含む反射防止層を有する
ことを特徴とする光学部品。
【請求項２】
前記反射防止層は、多孔質である
ことを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
【請求項３】
前記部材がレンズである
ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の光学部品。
【請求項４】
ゲルマニウム材料を含む部材を処理し、表面にゲルマニウム材料を含む反射防止層を形成する工程を有することを特徴とする光学部品の形成方法。
【請求項５】
前記処理は、フッ化水素酸と過酸化水素水との混合薬液に浸すことであることを特徴とする請求項４に記載の光学部品の形成方法。
【請求項６】
ゲルマニウム材料を含む部材の表面に、該ゲルマニウム材料を含む反射防止層を有するレンズと、該レンズを介して赤外線を受光する赤外線検出素子とを含む赤外線検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１０３４５４（Ｐ２０１２−１０３４５４Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５１５３０（Ｐ２０１０−２５１５３０）
【出願日】平成２２年１１月１０日（２０１０．１１．１０）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１０日（２０１０．１１．１０）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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