反射防止膜及び赤外線用光学素子
【課題】カルコゲナイドガラスに対して密着性が良好であり、かつ耐候性が良好な赤外線用の反射防止膜を提供する。
【解決手段】硫黄やセレン，テルルを主成分としたいわゆるカルコゲナイドガラスからなる基材１２の表面に反射防止膜１３を設ける。反射防止膜１３は、基材１２側から順に、第１薄膜１６と第２薄膜１７を備える。第１薄膜１６は、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）からなる。第２薄膜１７は、フッ化イットリウム（ＹＦ３）からなる。
【解決手段】硫黄やセレン，テルルを主成分としたいわゆるカルコゲナイドガラスからなる基材１２の表面に反射防止膜１３を設ける。反射防止膜１３は、基材１２側から順に、第１薄膜１６と第２薄膜１７を備える。第１薄膜１６は、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）からなる。第２薄膜１７は、フッ化イットリウム（ＹＦ３）からなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線用硝材の表面に設けられる反射防止膜に関するものであり、さらに詳しくは、カルコゲナイドからなる硝材の表面に設けられる反射防止膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、赤外線を利用して撮影を行う赤外線カメラが普及している。周知のように、赤外線カメラは暗所での撮影や薄い布等の遮蔽物を通した撮影に適している。このため、赤外線カメラは、例えば店舗等の各種施設に設置され、防犯や防災のための監視カメラとして用いられる。また、ダムの水量計測や交通量の計測等にも用いられる。さらに、近年では、自動車に設置され、赤外線カメラで撮影した映像を車内に設置されたモニタに表示することによって夜間の視野を拡大し、安全走行が支援するシステムも知られている。
【０００３】
また、赤外線は水蒸気等の大気中の成分による吸収が大きいため、赤外線カメラで利用する波長帯は、こうした吸収のない大気の窓と称される波長帯に限られる。こうした波長帯の中でも、例えば波長０．７〜２．５μｍの近赤外線を用いる近赤外線カメラや、３．０〜１０００μｍの遠赤外線を用いる遠赤外線カメラが実用化されている。
【０００４】
こうした赤外線カメラは、撮影に利用する波長が長いことから、レンズ等の光学要素に屈折率の大きい硝材が用いられる。例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）やセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等が赤外線用の硝材として知られている。しかし、これらの赤外線用硝材は高価であるとともに、結晶であるため、加工方法が研磨に限られ、マイクロレンズアレイ等の複雑な構造に表面を加工することが難しい。
【０００５】
このため、近年では、赤外線用の硝材として、硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ），テルル（Ｔｅ）を主成分とする硝材（以下、カルコゲナイドガラスと言う）が知られている（特許文献１）。カルコゲナイドガラスは、ゲルマニウム結晶やセレン化亜鉛等に比べて安価であるとともに、モールド成型によって、要求される光学要素の形状に容易に加工することができる。
【０００６】
また、こうした赤外線用硝材は、その屈折率の大きさから、表面反射が多く、透過率は６０〜７０％程度に留まり、単にレンズ等の形状に表面形状を加工しただけでは十分な撮影光量が得られにくいことが知られている。このため、こうした赤外線用硝材からなる光学要素の表面には、表面反射による光量損失を抑えるために、反射防止膜が設けられる。
【０００７】
赤外線用の反射防止膜としては、硝材としてゲルマニウムやセレン化亜鉛を用いる場合、ＺｎＳ，ＣａＦ２，ＹＦ３，Ｙ２Ｏ３，Ｇｅ，Ｓｉ等を積層して形成する例が知られている。また、反射防止膜の密着性を高めるために、ＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３を下地として基板表面に設ける例が知られている（特許文献２）。特に、硝材としてカルコゲナイドガラスを用いる場合には、Ａｌ２Ｏ３，Ｇｅ，ＺｎＳ，ＭｇＦ２の４層で構成することにより耐久性を向上させた反射防止膜（特許文献３）や、Ｇｅ，ＺｎＳ，ＣｅＦ３等の積層体の上にＣｅＯ２を設けて耐候性を向上した反射防止膜（特許文献４）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１６１３７４号公報
【特許文献２】特開平６−３１３８０２号公報
【特許文献３】特開平８−１５５０１号公報
【特許文献４】特開２００６−７２０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のように、赤外線カメラは、周囲環境が比較的安定した室内に設置されるばかりでなく、気温や湿度等の変動が大きな室外や自動車等の過酷な環境にも設置される。このため、赤外線用硝材の表面に設けられる反射防止膜には、こうした過酷な環境下で使用しても変色や剥離，クラック等が生じない十分な耐候性が求められる。また、赤外線カメラを構成する光学要素に、ゲルマニウム等の高価な結晶基板素材を用いると高価である。このため、カルコゲナイドガラス等の安価な材料からなる光学要素で赤外線カメラを構成することが望まれている。
【００１０】
しかしながら、基材としてカルコゲナイドガラスを用いる場合に、その表面に設ける反射防止膜として、従来のゲルマニウム結晶基板上に設ける反射防止膜を単に流用すると、必ずしも密着性が良いとは言えず、前述のような過酷な環境下では剥離してしまうことがある。
【００１１】
また、ゲルマニウム結晶基板上に設ける反射防止膜には、Ｇｅ等の高価な材料からなる薄膜をその層構成に含むことがある。このため、このようなゲルマニウム結晶基板用の反射防止膜をカルコゲナイドガラスを用いる場合に流用すると、安価なカルコゲナイドガラスを用いたにもかかわらずコスト高になってしまう原因となる。また、反射防止膜を構成する層構造の層数が多いほど高コストになりやすいため、できるだけ安価な材料だけを用い、かつ、少ない層数で反射防止膜を構成することが望まれる。
【００１２】
さらに、ゲルマニウム結晶基板用の反射防止膜には、ＭｇＦ２等の耐候性が必ずしも良いとは言えない材料を層構成に含み、十分な耐候性が得られないことがある。したがって、こうしたゲルマニウム結晶基板用の反射防止膜をカルコゲナイドガラス用の反射防止膜として用いる場合、当然ながら十分な耐候性が得られない。このため、前述のようにＭｇＦ２等の耐候性の低い材料からなる層を含む場合に、反射防止膜の最外層に耐候性が良好な層を設ける例も知られている。しかし、こうして最外層にだけ耐候性が高い材料を設け、内側の層に耐候性の不十分な材料が使用されている場合、気温や湿度の変動によって反射防止膜にわずかでもクラックや剥離等が生じると、耐候性が不十分な層が露呈され、そこを起点に立ちどころにクラックや剥離が拡大してしまうため、製品寿命が短くなりやすいという欠点がある。こうしたことから、反射防止膜は、耐候性が不十分な材料を用いず、耐候性が良好な材料だけで構成されることが望まれている。
【００１３】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、基材としてカルコゲナイドガラスを用いる場合に、密着性及び耐候性が良好で安価な赤外線用反射防止膜を提供することを目的とする。また、カルコゲナイドガラスにこの反射防止膜を設けることにより、所定波長帯の赤外線の透過率を向上させた安価な赤外線用光学素子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】
【００１４】
本発明の反射防止膜は、カルコゲナイドからなる基材の表面に設けられ、前記基材側から順に、Ｂｉ２Ｏ３からなる第１薄膜と、ＹＦ３からなる第２薄膜とを備えることを特徴とする。
【００１５】
前記第１薄膜は、イオンビームアシスト蒸着法によって成膜されることが好ましい。
【００１６】
また、前記第２薄膜は、イオンビームアシスト蒸着法によって成膜されたアシスト層と、イオンビームによるアシストを行わずに成膜された非アシスト層とを交互に複数積層して形成されることが好ましい。
【００１７】
前記基材から最も遠い前記第２薄膜の最上層が、前記アシスト層であることが好ましい。
【００１８】
前記第１薄膜に接する層が、前記アシスト層であることが好ましい。
【００１９】
前記第２薄膜上に、耐候性を向上させる材料からなる耐候性薄膜を備えることが好ましい。
【００２０】
前記耐候性薄膜は、Ｓｉ，ＳｉＯ，ＳｉＯ２のうちいずれかの材料からなることが好ましい。
【００２１】
前記耐候性薄膜の膜厚は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
本発明の赤外線用光学素子は、上述の反射防止膜を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、基材としてカルコゲナイドガラスを用いる場合に、密着性及び耐候性が良好で安価な赤外線用反射防止膜を提供することができる。また、カルコゲナイドガラスにこの反射防止膜を設けることにより、所定波長帯の赤外線の透過率を向上させた安価な赤外線用光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】反射防止膜の構成を示す説明図である。
【図２】第１薄膜及び第２薄膜の構成を示す説明図である。
【図３】蒸着装置の構成例を示す説明図である。
【図４】反射防止膜を設けたカルコゲナイドガラスの特性を示すグラフである。
【図５】耐候性薄膜を含む反射防止膜の例を示す説明図である。
【図６】基材の表裏に反射防止膜を設ける例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１に示すように、レンズ１１は、波長３．０〜１０００μｍの遠赤外線による撮影に用いられるレンズであり、基材１２と、その表面に設けられた反射防止膜１３とからなる。
【００２６】
基材１２は、硫黄やセレン，テルルを主成分とするカルコゲナイドガラスであり、前述の波長帯（３．０〜１０００μｍ）における屈折率が約２．６の高屈折率材料であり、硫黄やセレン，テルル（いわゆるカルコゲン）を主成分とするカルコゲナイドガラスである。カルコゲナイドガラスは、ゲルマニウム結晶基板等の他の赤外線硝材と比較して安価であるとともに、レンズ等の素子形状への加工性に優れる。以下、基材１２は、カルコゲナイドガラスをモールド成型し、予めレンズ１１の形状に形成されているとともに、その表面は光学面として機能するように滑らかに仕上げられているものとする。
【００２７】
反射防止膜１３は、基材１２側から順に、第１薄膜１６と第２薄膜１７の２種類の薄膜を含む。
【００２８】
第１薄膜１６は、基材１２への密着性が良好な酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）からなる。また、Ｂｉ２Ｏ３は水に不溶であり、レンズ１１の使用環境等によって反射防止膜１３の表面に結露が生じた場合であっても溶出してしまうことがなく、反射防止膜１３の材料として十分な耐候性を有する。
【００２９】
また、第２薄膜１７は、フッ化イットリウム（ＹＦ３）からなる。ＹＦ３は、Ｂｉ２Ｏ３への密着性が良好であり、また、水に対して不要である。したがって、前述の第１薄膜１６と同様に、レンズ１１の使用環境等によって反射防止膜１３の表面に結露が生じた場合であっても溶出してしまうことはなく、反射防止膜１３の材料として十分な耐候性を有する。
【００３０】
図２に示すように、第１薄膜１６は、Ｂｉ２Ｏ３からなる１層の薄膜から構成される。また、第１薄膜１６は、後述するイオンビームアシスト法によって成膜された１層の薄膜で構成される。このため、第１薄膜１６は、イオンビームによるアシストを行わずに、基材１２表面にＢｉ２Ｏ３を成膜した薄膜と比較して、基材１２の表面に、より強固に密着して成膜されるとともに、その表面（第２薄膜１７との界面）は、より平坦に形成される。
【００３１】
一方、第２薄膜１７は前述のように材料としては全てＹＦ３からなるが、第２薄膜１７は、ＹＦ３の成膜方法が異なるアシスト層２１と非アシスト層２２の２種類の層で構成される。また、アシスト層２１と非アシスト層２２は交互に積層される。
【００３２】
アシスト層２１は、ＹＦ３をイオンビームアシスト法によって成膜した層であり、その厚さは、第２薄膜１７全体の物理膜厚に対して１／１０に成膜される。また、アシスト層２１は、イオンビームアシスト法によって成膜されるため、成膜するもととなる下地の層に対して密着性が良く、また、表面の平坦性も良好である。
【００３３】
また、非アシスト層２２は、アシスト層２１と同様にＹＦ３を第２薄膜１７全体の物理膜厚に対して１／１０の厚さに成膜した薄膜である。しかし、この非アシスト層２２は、イオンビームによるアシストを行わずに成膜された点が前述のアシスト層２１とは異なる。このため、非アシスト層２２は、アシスト層２１と比べると下地の層への密着性や表面の平坦性は劣るが、アシスト層２２に比べて内部応力は小さい。
【００３４】
第２薄膜１７は、こうして形成されるアシスト層２１と非アシスト層２２を１０層程度交互に積層して形成されることで、第１薄膜１６や第２薄膜１７の内部応力を緩和するバッファとなる。これにより、クラックを生じたり、基材１２から剥離したりせずに反射防止膜１３を成膜することができる。また、第２薄膜１７が上述のような多層構造となっていることで、気温や湿度等、レンズ１１の周囲環境が変動した場合にも、反射防止膜１３のクラックの発生や、基材１２からの反射防止膜１３の剥離が抑制される。
【００３５】
上述のように構成される反射防止膜１３は、図３に示すように、イオンビームアシスト法による蒸着と、イオンビームによるアシストを行わない蒸着法とを切り替え可能な蒸着装置３１によって基材１２表面に成膜される。蒸着装置３１は、真空槽３２と、この真空槽３２内に設けられた基材ホルダ３６、材料ホルダ３７、イオン源３８等から構成される。
【００３６】
基材ホルダ３６は、基材１２等、表面に薄膜が成膜される基材を保持する保持部材である。基材ホルダ３６は、図示しない移動機構によって材料ホルダ３７やイオン源３８に対する位置や角度を自在に変更可能になっている。また、基材ホルダ３６には、保持した基材を加熱するヒータ（図示しない）が設けられており、反射防止膜１３の成膜時には基材１２の温度が所定温度に加熱される。
【００３７】
材料ホルダ３７は、複数種類の蒸着材料を各々保持する保持部材である。ここでは、材料ホルダ３７には、第１薄膜１６の材料であるＢｉ２Ｏ３と、第２薄膜１７の材料であるＹＦ３とがそれぞれ保持される。これらの材料は、電子銃（図示しない）から照射される電子ビームによって加熱，溶融されることにより材料ホルダ３７から飛散する。こうして材料ホルダ３７から飛散した蒸着材料粒子４１は、基材ホルダ３６に保持された基材１２の表面に堆積され、薄膜が成膜される。なお、材料ホルダ３７から飛散させる蒸着材料は、基材１２上に成膜する薄膜に応じて適宜選択される。
【００３８】
イオン源３８は、イオンビーム４２を基材ホルダ３６に保持された基材１２に向けて照射する。イオンビーム４２は、アルゴン等の不活性ガスをイオン化し、所定の速度に加速したものであり、蒸着材料粒子４１に衝突してエネルギーを供給し、蒸着材料粒子４１の堆積をアシストする。こうしてイオンビーム４２によってアシストしながら蒸着材料粒子４１を堆積させると、基材１２や薄膜等の下地の表面に蒸着材料粒子４１とのミキシング層が形成され、イオンビーム４２によってアシストせずに成膜した場合と比較して、より密着力が強い薄膜が成膜される。また、イオンビーム４２によってアシストしながら成膜すると、イオンビーム４２でアシストしない場合と比較して、表面がより平坦な薄膜が成膜される。このように、イオンビーム４２を照射しながら成膜する方法がイオンビームアシスト蒸着法である。
【００３９】
なお、蒸着装置３１では、イオン源３８からイオンビーム４２を照射するか否かは、材料ホルダ３７からの蒸着材料粒子４１の飛散とは別個に、独立して制御可能となっている。したがって、蒸着装置３１では、イオンビームアシスト蒸着法による成膜と、イオンビーム４２の照射を行わない成膜とを、成膜する薄膜に求められる性質に応じて任意に切り替えながら成膜が行われる。
【００４０】
前述のように、カルコゲナイドガラスからなる基材１２の表面に、赤外線用の反射防止膜１３を設けるときには、まず、基材１２を基材ホルダ３６にセットし、真空槽３２を所定圧力に達するまで真空引きする。その後、イオン源３８からイオンビーム４２を照射しながら、蒸着材料粒子４１としてＢｉ２Ｏ３を飛散させることにより、基材１２の表面に第１薄膜１６を成膜する。このとき、基材１２は、基材ホルダ３６に設けられたヒータによって１００度程度の温度に加熱される。
【００４１】
その後、蒸着材料粒子４１として飛散させる材料をＢｉ２Ｏ３からＹＦ３に切り替え、既に成膜した第１薄膜１６上にＹＦ３を成膜する。このとき、ＹＦ３を所定の膜厚に成膜する毎に、イオンビーム４２のオンオフを切り替える。例えば、まずイオンビーム４２を照射しながらＹＦ３を成膜し、アシスト層２１を形成する。次いで、イオンビーム４２の照射を止めてＹＦ３を成膜することにより、アシスト層２１上に非アシスト層２２を形成する。その後、再びイオンビーム４２を照射しながらＹＦ３を成膜することにより、非アシスト層２２上にアシスト層２１を形成する。こうしてアシスト層２１と非アシスト層２２を交互に、合計で１０層程度形成することにより第２薄膜１７を成膜する。こうして、第２薄膜１７を成膜するときも、前述の第１薄膜１６の成膜時と同様に、基材１２は基材ホルダ３６に設けられたヒータによって１００度程度の温度に加熱される。
【００４２】
なお、こうして反射防止膜１３を成膜するときに、基材１２を１００度程度に加熱する例を説明したが、反射防止膜１３を成膜するときの基材１２の温度は、基材１２の材料の具体的な組成によって任意に定められる。但し、基材１２の材料であるカルコゲナイドガラスは、赤外線用硝材として一般的なゲルマニウム結晶基板や可視光用のガラス材料と比べて、比較的低温で軟化，溶融する。例えば、典型的なカルコゲナイドガラスの軟化点，溶融点は３５０度程度である。一方、基材１２への密着力が強い反射防止膜１３を成膜するためには、基材１２をできるだけ高温で反射防止膜１３を成膜する方が好ましい。こうしたことから、基材１２が軟化，溶融しない範囲内で、基材１２をできるだけ高温（例えば上述の例で説明したように１００度程度）に加熱しながら反射防止膜１３を成膜することが好ましい。基材１２として、軟化点，溶融点が３５０度程度の典型的なカルコゲナイドガラスを用いる場合には、反射防止膜１３を成膜するときに、基材１２を５０度以上２００度以下の温度に加熱することが好ましく、７０度以上１５０度以下の温度に加熱することがより好ましく、９０度以上１２０度以下の温度に加熱することが特に好ましい。
【００４３】
上述のよう構成された反射防止膜１３は、基材１２への密着性が良く、耐候性（特に耐水性）に優れる。例えば、水に溶けやすいとは言えないまでも可溶性の物質（例えばＭｇＦ２）を含む反射防止膜を設けた赤外線用光学素子の場合、これを煮沸すると、可溶性物質からなる層が溶解し、反射防止膜は容易に剥離してしまう。これに対して、反射防止膜１３はＢｉ２Ｏ３とＹＦ３という水に不溶な物質だけから構成されるため、反射防止膜１３を設けた赤外線用光学素子（例えばレンズ１１）を煮沸しても反射防止膜１３は溶解や剥離を起こさない。
【００４４】
また、基材１２がカルコゲナイドガラスからなることから、反射防止膜１３は１００度程度の低温で成膜されるが、基材１２側から、Ｂｉ２Ｏ３からなる第１薄膜１６、ＹＦ３からなる第２薄膜１７の順に積層した構成になっていることで、反射防止膜１３の密着性は良好になる。さらに、反射防止膜１３は、基材１２に接する第１薄膜１６がイオンビームアシスト蒸着法によって成膜されるので、基材１２への反射防止膜１３の密着性は特に良好になる。
【００４５】
さらに、反射防止膜１３は、Ｂｉ２Ｏ３とＹＦ３というクラックが生じにくい材料の組み合わせからなるとともに、ＹＦ３からなる第２薄膜１７がアシスト層２１と非アシスト層２２を交互に積層した構造になっていることで、反射防止膜１３の内部応力が均衡するため、反射防止膜１３にはクラックが生じ難い。したがって、反射防止膜１３は安定した生産が可能である。同時に、反射防止膜１３を設けた赤外線用光学素子が、気温や湿度等の周囲環境が大きく変動する過酷な環境で用いられる場合であっても、こうした周囲環境の変動によって反射防止膜１３にクラックが生じることは殆どなく、長期間安定した光学機能を果たすことができる。
【００４６】
また、Ｂｉ２Ｏ３やＹＦ３は安価である。例えば、Ｂｉ２Ｏ３はゲルマニウムの概ね１／１０程度の価格である。したがって、反射防止膜１３は、ゲルマニウムからなる層を含む従来の赤外線用反射防止膜と比較して、安価に製造することができる。
【００４７】
上述の実施形態で説明した反射防止膜１３を設けたカルコゲナイドガラスの透過率及び反射率の一例を示す。ここで基材１２として用いたカルコゲナイドガラスはＧｅＳｂＳｅであり、波長１０μｍの遠赤外線に対する屈折率は２．５９６６９である。同時に、反射防止膜１３は、第１薄膜１６（Ｂｉ２Ｏ３）の物理膜厚を１３８０ｎｍとした。この第１薄膜１６の波長１０μｍの遠赤外線に対する屈折率は２．２である。また、第２薄膜１７（ＹＦ３）の物理膜厚を１９４０ｎｍとし、アシスト層２１と非アシスト層２２を合計で１０層交互に積層して形成した。この第２薄膜１７の波長１０μｍの遠赤外線に対する屈折率は１．５２である。
【００４８】
図４に示すように、反射防止膜１３を設けた基材１２は、遠赤外線撮影に用いられる波長３．０〜１０００μｍの範囲のうち少なくとも８〜１２μｍの範囲内で、透過率は概ね９９％以上（反射率は概ね１％以下）である。したがって、反射防止膜１３は、前述のように密着性及び耐候性（特に耐水性）に優れると同時に、反射防止膜１３を設けない場合のカルコゲナイドガラス（ＧｅＳｂＳｅ）の透過率が、波長８〜１２μｍの範囲で概ね６０％〜７０％程度であることを考慮すれば、反射防止膜１３が第１薄膜１６と第２薄膜１７というわずか２つの薄膜で構成されているにも関わらず、良好な反射防止効果を示すことが分かる。
【００４９】
なお、上述の実施形態では、反射防止膜１３をＢｉ２Ｏ３からなる第１薄膜１６とＹＦ３からなる第２薄膜１７とから構成する例を説明したが、必ずしもこの２つの薄膜だけで反射防止膜１３を構成形成する必要はない。反射防止膜１３は、基材１２側からＢｉ２Ｏ３からなる第１薄膜１６とＹＦ３からなる第２薄膜１７とを含む構成であれば良く、第２薄膜１７上にさらに他の材料からなる薄膜を成膜しても良い。
【００５０】
例えば、図５に示すように、反射防止膜５１は、基材１２側から第１薄膜１６、第２薄膜１７、耐候性薄膜５２の３種類の薄膜からなる。したがって、反射防止膜５１は、第１薄膜１６と第２薄膜１７は上述の実施形態で説明したものと同じであるが、第２薄膜１７上にさらに耐候性薄膜５２を設けた点が、前述の反射防止膜１３と異なる。耐候性薄膜５２は、例えば、ＳｉＯ，ＳｉＯ２，Ｓｉ等からなる十分に薄く設けられた薄膜であり、反射防止膜の耐候性をさらに向上させる。
【００５１】
こうした材料からなる耐候性薄膜５２は、撮影に用いる赤外線の帯域に含まれる特定の波長を吸収することがあるが、耐候性薄膜５２が十分に薄く設けられている場合には、これによる吸収をほとんど無視することができる。例えば、Ｂｉ２Ｏ３からなる第１薄膜１６を１３２１ｎｍ、ＹＦ３からなる第２薄膜１７を１６９９ｎｍとし、耐候性薄膜５２をＳｉＯで形成する場合、耐候性薄膜５２を１００ｎｍとすれば、上述の反射防止膜５１は、前述の反射防止膜１３とほぼ同様の良好な反射防止効果（図４参照）を得つつ、さらに耐候性が向上した反射防止膜となる。
【００５２】
こうして反射防止膜のさらなる耐候性向上のために設ける耐候性薄膜５２は、耐候性が向上し、かつ、撮影に用いる赤外線の吸収を無視することができる厚さであれば任意の厚さに設けて良いが、耐候性薄膜５２は薄すぎると耐候性がそれほど向上せず、逆に厚すぎると吸収が顕著になり撮影に支障をきたすことがある。このため、耐候性薄膜５２の膜厚は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、８０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより好ましく、９０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であることが特に好ましい。
【００５３】
また、赤外線用光学素子の表面は、耐候性を向上させるために、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）でコーティングされることがある。反射防止膜１３，５１を設けた場合には、反射防止膜１３，１５に十分な耐候性があるのでＤＬＣによるコーティングは必須ではないが、反射防止膜１３，５１の上にさらにＤＬＣをコーティングしても良い。
【００５４】
また、上述の実施形態では、反射防止膜１３をＢｉ２Ｏ３からなる第１薄膜１６とＹＦ３からなる第２薄膜１７とで構成する例を説明したが、反射防止膜１３は、基材１２に接する薄膜がＢｉ２Ｏ３からなり、さらにその上にＹＦ３からなる薄膜が設けられていれば良い。したがって、例えば、第１薄膜１６と第２薄膜１７を成膜した後、第２薄膜１７の上にさらにＢｉ２Ｏ３からなる薄膜やＹＦ３からなる薄膜を成膜して、その光学特性を調節しても良い。例えば、基材１２側から順に、Ｂｉ２Ｏ３，ＹＦ３，Ｂｉ２Ｏ３，ＹＦ３・・・の積層構造で反射防止膜１３を構成しても良い。
【００５５】
なお、上述の実施形態では、基材１２の一方の表面に反射防止膜１３を設ける例を説明したがこれに限らない。例えば、図６に示すように、基材１２の表裏両面に反射防止膜１３を設けても良い。こうして基材１２の表裏両面に反射防止膜１３を設ける場合、基材１２の形状等によっては、表裏にそれぞれ設けた反射防止膜１３のうち、先に成膜した反射防止膜１３にクラックが生じることがある。こうした場合には、例えば表裏各々の反射防止膜１３で、第２薄膜１７のアシスト層２１と非アシスト層２２の積層数を変えて、２つの反射防止膜１３による応力を表裏で総合的に均衡させることが好ましい。
【００５６】
なお、上述の実施形態では、遠赤外線撮影に用いられる波長帯の中でも８〜１２μｍの波長帯について透過率が９９％以上となる反射防止膜１３の例を示したが、これに限らず、第１薄膜１７や第２薄膜１８の厚さ等を調節することで、３．０〜１０００μｍのうちほぼ任意の部分的な波長帯で上述と同様の良好な性質の反射防止膜１３を作製することができる。したがって、遠赤外線撮影は、３．０〜１０００μｍのうち、撮像素子の特性や大気による吸収等を考慮して選択された部分的な波長帯の遠赤外線を用いて行われるが、これらの波長帯に各々対応した反射防止膜１３を上述の実施形態と同様にして作製することができる。また、上述の実施形態では、遠赤外線撮影で用いるレンズ１１、及び反射防止膜１３を例に説明したが、これに限らない。例えば、上述の実施形態で説明した反射防止膜１３は、第１薄膜１６や第２薄膜１７の膜厚を調節することによって、近赤外線や中赤外線に対して好適な反射防止膜とすることができる。但し、硝材１２の具体的な特性にもよるが、上述の実施形態で説明した反射防止膜１３は、遠赤外線の波長帯で特に好適な光学特性が得られやすい。
【００５７】
なお、上述の実施形態では、反射防止膜１３を構成する２つの薄膜のうち、第２薄膜１７をアシスト層２１と非アシスト層２２の積層構造で形成する例を説明したがこれに限らない。例えば、第２薄膜１６と同様にして、第１薄膜１６をアシスト層と非アシスト層の積層構造にしても良い。このように、第１薄膜１６をアシスト層と非アシスト層の積層構造にすると、反射防止膜１３の内部応力を均衡させやすくなる。但し、こうして第１薄膜１６をアシスト層と非アシスト層の積層構造とする場合には、少なくとも基材１２に直接接する層を基材１２への密着性のためにアシスト層とする必要がある。
【００５８】
なお、上述の実施形態では、反射防止膜１３を構成する２つの薄膜のうち、第２薄膜１７をアシスト層２１と非アシスト層２２の積層構造で形成する例を説明したが、第２薄膜１７を構成する複数の層２１，２２うち、少なくとも第１薄膜１６に接する層はアシスト層２１とすることが好ましい。こうして、第１薄膜１６に接する層をアシスト層２１とすると、第１薄膜１６への密着性が良い第２薄膜１７を容易に成膜することができる。また、第２薄膜１７を構成する複数の層２１，２２のうち、最外層（基材１２及び第１薄膜１６から最も遠い層）は、アシスト層２１にすることが好ましい。こうして第２薄膜１７の最外層をアシスト層２１にすることで、平坦性が良好な反射防止膜１３を容易に得ることができる。また、前述のように、第２薄膜１７の上に、さらに耐候性薄膜５２を設ける場合には、耐候性薄膜５２と第２薄膜１７との密着性も向上する。
【００５９】
なお、上述の実施形態では、第２薄膜１７を合計で１０層程度のアシスト層２１及び非アシスト層２２で構成する例を説明したが、第２薄膜１７は、アシスト層２１と非アシスト層２２が交互に積層されていれば良く、アシスト層２１及び非アシスト層２２の層数や各層の膜厚は、各々任意に定めることができる。
【００６０】
例えば、アシスト層２１及び非アシスト層２２の層数は合計で１０層でなくても良く、任意である。但し、第２薄膜１７の全体としての膜厚は、反射防止膜３１の光学特性で定まるので、アシスト層２１及び非アシスト層２２の層数が多いほど、各層の膜厚は薄くなり、安定した製造が難しくなる。一方、各々１層ずつで構成する場合のように、アシスト層２１及び非アシスト層２２の層数が少なすぎると、反射防止膜１３の内部応力の均衡させ難くなる。したがって、第２薄膜１７は、上述の実施形態で説明したように、合計で１０層程度のアシスト層２１及び非アシスト層２２で構成することが好ましい。
【００６１】
また、アシスト層２１及び非アシスト層２２の各々層数が一致していなくても良い。例えば、第１薄膜１６に接する層と最外層をアシスト層２１とする場合には、非アシスト層２２に比べてアシスト層２１の層数が１層多くなる。
【００６２】
さらに、アシスト層２１及び非アシスト層２２の膜厚は、反射防止膜１３の内部応力を均衡させるように任意に定めることができる。例えば、基材１２の形状等によっては、一方の層に比べて他方の層を薄く（または厚く）しても良い。また、例えば、第１薄膜１６からとおくなるにつれて、各層の厚さを薄く（厚く）するなど、アシスト層２１，非アシスト層２２でも積層する位置によって膜厚を変えても良い。
【００６３】
なお、上述の実施形態では、反射防止膜３１を成膜する蒸着装置３１を一例として説明したが、イオンビームアシスト蒸着法による成膜を行える蒸着装置であれば上述の実施形態で説明した蒸着装置３１の構成に限らない。例えば、材料ホルダ３７には複数の蒸着材料が予め保持される例を説明したが、材料ホルダ３７は１種類の蒸着材料を保持するものとし、適宜蒸着材料を入れ替えるようにしても良い。また、蒸着装置３１では、基材ホルダ３６に１つの基材１２を保持する例を説明したが、複数の基材１２を保持し、これらに同時に反射防止膜１３を成膜するようにしても良い。さらに、蒸着装置３１では、反射防止膜３１の成膜中に基材ホルダ３６が移動しない例を説明したが、基材ホルダ３６の形状等によっては、基材ホルダ３６を回転させたり、移動させたりしながら反射防止膜１３の成膜を行うようにしても良い。また、イオンビーム４２のオンオフは必ずしも切り替えられなくても良く、イオンビームアシスト蒸着法による成膜を行う蒸着装置と、イオンビームを照射しない蒸着装置を共に用いるようにしても、反射防止膜３１を成膜することができる。
【００６４】
なお、上述の実施形態では、基材１２の一例としてＧｅＳｂＳｅからなるカルコゲナイドガラスを挙げたが、これに限らない。反射防止膜１３を成膜する基材１２の組成は、いわゆるカルコゲナイドガラスであれば任意の組成のものを用いて良い。
【００６５】
なお、上述の実施形態では、赤外線用光学素子の例としてレンズ１１を説明したが、カルコゲナイドガラスを基材とし、赤外線に用いる光学素子であればレンズ以外の任意の光学素子に本発明の反射防止膜を好適に用いることができる。したがって、上述の実施形態で説明した基材１２は、反射防止膜１３を成膜できる形状であれば、その形状やサイズは任意である。
【符号の説明】
【００６６】
１１ レンズ
１２ 基材
１３，５１ 反射防止膜
１６ 第１薄膜
１７ 第２薄膜
２１ アシスト層
２２ 非アシスト層
３１ 蒸着装置
４１ 蒸着材料粒子
４２ イオンビーム
５２ 耐候性薄膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線用硝材の表面に設けられる反射防止膜に関するものであり、さらに詳しくは、カルコゲナイドからなる硝材の表面に設けられる反射防止膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、赤外線を利用して撮影を行う赤外線カメラが普及している。周知のように、赤外線カメラは暗所での撮影や薄い布等の遮蔽物を通した撮影に適している。このため、赤外線カメラは、例えば店舗等の各種施設に設置され、防犯や防災のための監視カメラとして用いられる。また、ダムの水量計測や交通量の計測等にも用いられる。さらに、近年では、自動車に設置され、赤外線カメラで撮影した映像を車内に設置されたモニタに表示することによって夜間の視野を拡大し、安全走行が支援するシステムも知られている。
【０００３】
また、赤外線は水蒸気等の大気中の成分による吸収が大きいため、赤外線カメラで利用する波長帯は、こうした吸収のない大気の窓と称される波長帯に限られる。こうした波長帯の中でも、例えば波長０．７〜２．５μｍの近赤外線を用いる近赤外線カメラや、３．０〜１０００μｍの遠赤外線を用いる遠赤外線カメラが実用化されている。
【０００４】
こうした赤外線カメラは、撮影に利用する波長が長いことから、レンズ等の光学要素に屈折率の大きい硝材が用いられる。例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）やセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等が赤外線用の硝材として知られている。しかし、これらの赤外線用硝材は高価であるとともに、結晶であるため、加工方法が研磨に限られ、マイクロレンズアレイ等の複雑な構造に表面を加工することが難しい。
【０００５】
このため、近年では、赤外線用の硝材として、硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ），テルル（Ｔｅ）を主成分とする硝材（以下、カルコゲナイドガラスと言う）が知られている（特許文献１）。カルコゲナイドガラスは、ゲルマニウム結晶やセレン化亜鉛等に比べて安価であるとともに、モールド成型によって、要求される光学要素の形状に容易に加工することができる。
【０００６】
また、こうした赤外線用硝材は、その屈折率の大きさから、表面反射が多く、透過率は６０〜７０％程度に留まり、単にレンズ等の形状に表面形状を加工しただけでは十分な撮影光量が得られにくいことが知られている。このため、こうした赤外線用硝材からなる光学要素の表面には、表面反射による光量損失を抑えるために、反射防止膜が設けられる。
【０００７】
赤外線用の反射防止膜としては、硝材としてゲルマニウムやセレン化亜鉛を用いる場合、ＺｎＳ，ＣａＦ２，ＹＦ３，Ｙ２Ｏ３，Ｇｅ，Ｓｉ等を積層して形成する例が知られている。また、反射防止膜の密着性を高めるために、ＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３を下地として基板表面に設ける例が知られている（特許文献２）。特に、硝材としてカルコゲナイドガラスを用いる場合には、Ａｌ２Ｏ３，Ｇｅ，ＺｎＳ，ＭｇＦ２の４層で構成することにより耐久性を向上させた反射防止膜（特許文献３）や、Ｇｅ，ＺｎＳ，ＣｅＦ３等の積層体の上にＣｅＯ２を設けて耐候性を向上した反射防止膜（特許文献４）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１６１３７４号公報
【特許文献２】特開平６−３１３８０２号公報
【特許文献３】特開平８−１５５０１号公報
【特許文献４】特開２００６−７２０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のように、赤外線カメラは、周囲環境が比較的安定した室内に設置されるばかりでなく、気温や湿度等の変動が大きな室外や自動車等の過酷な環境にも設置される。このため、赤外線用硝材の表面に設けられる反射防止膜には、こうした過酷な環境下で使用しても変色や剥離，クラック等が生じない十分な耐候性が求められる。また、赤外線カメラを構成する光学要素に、ゲルマニウム等の高価な結晶基板素材を用いると高価である。このため、カルコゲナイドガラス等の安価な材料からなる光学要素で赤外線カメラを構成することが望まれている。
【００１０】
しかしながら、基材としてカルコゲナイドガラスを用いる場合に、その表面に設ける反射防止膜として、従来のゲルマニウム結晶基板上に設ける反射防止膜を単に流用すると、必ずしも密着性が良いとは言えず、前述のような過酷な環境下では剥離してしまうことがある。
【００１１】
また、ゲルマニウム結晶基板上に設ける反射防止膜には、Ｇｅ等の高価な材料からなる薄膜をその層構成に含むことがある。このため、このようなゲルマニウム結晶基板用の反射防止膜をカルコゲナイドガラスを用いる場合に流用すると、安価なカルコゲナイドガラスを用いたにもかかわらずコスト高になってしまう原因となる。また、反射防止膜を構成する層構造の層数が多いほど高コストになりやすいため、できるだけ安価な材料だけを用い、かつ、少ない層数で反射防止膜を構成することが望まれる。
【００１２】
さらに、ゲルマニウム結晶基板用の反射防止膜には、ＭｇＦ２等の耐候性が必ずしも良いとは言えない材料を層構成に含み、十分な耐候性が得られないことがある。したがって、こうしたゲルマニウム結晶基板用の反射防止膜をカルコゲナイドガラス用の反射防止膜として用いる場合、当然ながら十分な耐候性が得られない。このため、前述のようにＭｇＦ２等の耐候性の低い材料からなる層を含む場合に、反射防止膜の最外層に耐候性が良好な層を設ける例も知られている。しかし、こうして最外層にだけ耐候性が高い材料を設け、内側の層に耐候性の不十分な材料が使用されている場合、気温や湿度の変動によって反射防止膜にわずかでもクラックや剥離等が生じると、耐候性が不十分な層が露呈され、そこを起点に立ちどころにクラックや剥離が拡大してしまうため、製品寿命が短くなりやすいという欠点がある。こうしたことから、反射防止膜は、耐候性が不十分な材料を用いず、耐候性が良好な材料だけで構成されることが望まれている。
【００１３】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、基材としてカルコゲナイドガラスを用いる場合に、密着性及び耐候性が良好で安価な赤外線用反射防止膜を提供することを目的とする。また、カルコゲナイドガラスにこの反射防止膜を設けることにより、所定波長帯の赤外線の透過率を向上させた安価な赤外線用光学素子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】
【００１４】
本発明の反射防止膜は、カルコゲナイドからなる基材の表面に設けられ、前記基材側から順に、Ｂｉ２Ｏ３からなる第１薄膜と、ＹＦ３からなる第２薄膜とを備えることを特徴とする。
【００１５】
前記第１薄膜は、イオンビームアシスト蒸着法によって成膜されることが好ましい。
【００１６】
また、前記第２薄膜は、イオンビームアシスト蒸着法によって成膜されたアシスト層と、イオンビームによるアシストを行わずに成膜された非アシスト層とを交互に複数積層して形成されることが好ましい。
【００１７】
前記基材から最も遠い前記第２薄膜の最上層が、前記アシスト層であることが好ましい。
【００１８】
前記第１薄膜に接する層が、前記アシスト層であることが好ましい。
【００１９】
前記第２薄膜上に、耐候性を向上させる材料からなる耐候性薄膜を備えることが好ましい。
【００２０】
前記耐候性薄膜は、Ｓｉ，ＳｉＯ，ＳｉＯ２のうちいずれかの材料からなることが好ましい。
【００２１】
前記耐候性薄膜の膜厚は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
本発明の赤外線用光学素子は、上述の反射防止膜を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、基材としてカルコゲナイドガラスを用いる場合に、密着性及び耐候性が良好で安価な赤外線用反射防止膜を提供することができる。また、カルコゲナイドガラスにこの反射防止膜を設けることにより、所定波長帯の赤外線の透過率を向上させた安価な赤外線用光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】反射防止膜の構成を示す説明図である。
【図２】第１薄膜及び第２薄膜の構成を示す説明図である。
【図３】蒸着装置の構成例を示す説明図である。
【図４】反射防止膜を設けたカルコゲナイドガラスの特性を示すグラフである。
【図５】耐候性薄膜を含む反射防止膜の例を示す説明図である。
【図６】基材の表裏に反射防止膜を設ける例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１に示すように、レンズ１１は、波長３．０〜１０００μｍの遠赤外線による撮影に用いられるレンズであり、基材１２と、その表面に設けられた反射防止膜１３とからなる。
【００２６】
基材１２は、硫黄やセレン，テルルを主成分とするカルコゲナイドガラスであり、前述の波長帯（３．０〜１０００μｍ）における屈折率が約２．６の高屈折率材料であり、硫黄やセレン，テルル（いわゆるカルコゲン）を主成分とするカルコゲナイドガラスである。カルコゲナイドガラスは、ゲルマニウム結晶基板等の他の赤外線硝材と比較して安価であるとともに、レンズ等の素子形状への加工性に優れる。以下、基材１２は、カルコゲナイドガラスをモールド成型し、予めレンズ１１の形状に形成されているとともに、その表面は光学面として機能するように滑らかに仕上げられているものとする。
【００２７】
反射防止膜１３は、基材１２側から順に、第１薄膜１６と第２薄膜１７の２種類の薄膜を含む。
【００２８】
第１薄膜１６は、基材１２への密着性が良好な酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）からなる。また、Ｂｉ２Ｏ３は水に不溶であり、レンズ１１の使用環境等によって反射防止膜１３の表面に結露が生じた場合であっても溶出してしまうことがなく、反射防止膜１３の材料として十分な耐候性を有する。
【００２９】
また、第２薄膜１７は、フッ化イットリウム（ＹＦ３）からなる。ＹＦ３は、Ｂｉ２Ｏ３への密着性が良好であり、また、水に対して不要である。したがって、前述の第１薄膜１６と同様に、レンズ１１の使用環境等によって反射防止膜１３の表面に結露が生じた場合であっても溶出してしまうことはなく、反射防止膜１３の材料として十分な耐候性を有する。
【００３０】
図２に示すように、第１薄膜１６は、Ｂｉ２Ｏ３からなる１層の薄膜から構成される。また、第１薄膜１６は、後述するイオンビームアシスト法によって成膜された１層の薄膜で構成される。このため、第１薄膜１６は、イオンビームによるアシストを行わずに、基材１２表面にＢｉ２Ｏ３を成膜した薄膜と比較して、基材１２の表面に、より強固に密着して成膜されるとともに、その表面（第２薄膜１７との界面）は、より平坦に形成される。
【００３１】
一方、第２薄膜１７は前述のように材料としては全てＹＦ３からなるが、第２薄膜１７は、ＹＦ３の成膜方法が異なるアシスト層２１と非アシスト層２２の２種類の層で構成される。また、アシスト層２１と非アシスト層２２は交互に積層される。
【００３２】
アシスト層２１は、ＹＦ３をイオンビームアシスト法によって成膜した層であり、その厚さは、第２薄膜１７全体の物理膜厚に対して１／１０に成膜される。また、アシスト層２１は、イオンビームアシスト法によって成膜されるため、成膜するもととなる下地の層に対して密着性が良く、また、表面の平坦性も良好である。
【００３３】
また、非アシスト層２２は、アシスト層２１と同様にＹＦ３を第２薄膜１７全体の物理膜厚に対して１／１０の厚さに成膜した薄膜である。しかし、この非アシスト層２２は、イオンビームによるアシストを行わずに成膜された点が前述のアシスト層２１とは異なる。このため、非アシスト層２２は、アシスト層２１と比べると下地の層への密着性や表面の平坦性は劣るが、アシスト層２２に比べて内部応力は小さい。
【００３４】
第２薄膜１７は、こうして形成されるアシスト層２１と非アシスト層２２を１０層程度交互に積層して形成されることで、第１薄膜１６や第２薄膜１７の内部応力を緩和するバッファとなる。これにより、クラックを生じたり、基材１２から剥離したりせずに反射防止膜１３を成膜することができる。また、第２薄膜１７が上述のような多層構造となっていることで、気温や湿度等、レンズ１１の周囲環境が変動した場合にも、反射防止膜１３のクラックの発生や、基材１２からの反射防止膜１３の剥離が抑制される。
【００３５】
上述のように構成される反射防止膜１３は、図３に示すように、イオンビームアシスト法による蒸着と、イオンビームによるアシストを行わない蒸着法とを切り替え可能な蒸着装置３１によって基材１２表面に成膜される。蒸着装置３１は、真空槽３２と、この真空槽３２内に設けられた基材ホルダ３６、材料ホルダ３７、イオン源３８等から構成される。
【００３６】
基材ホルダ３６は、基材１２等、表面に薄膜が成膜される基材を保持する保持部材である。基材ホルダ３６は、図示しない移動機構によって材料ホルダ３７やイオン源３８に対する位置や角度を自在に変更可能になっている。また、基材ホルダ３６には、保持した基材を加熱するヒータ（図示しない）が設けられており、反射防止膜１３の成膜時には基材１２の温度が所定温度に加熱される。
【００３７】
材料ホルダ３７は、複数種類の蒸着材料を各々保持する保持部材である。ここでは、材料ホルダ３７には、第１薄膜１６の材料であるＢｉ２Ｏ３と、第２薄膜１７の材料であるＹＦ３とがそれぞれ保持される。これらの材料は、電子銃（図示しない）から照射される電子ビームによって加熱，溶融されることにより材料ホルダ３７から飛散する。こうして材料ホルダ３７から飛散した蒸着材料粒子４１は、基材ホルダ３６に保持された基材１２の表面に堆積され、薄膜が成膜される。なお、材料ホルダ３７から飛散させる蒸着材料は、基材１２上に成膜する薄膜に応じて適宜選択される。
【００３８】
イオン源３８は、イオンビーム４２を基材ホルダ３６に保持された基材１２に向けて照射する。イオンビーム４２は、アルゴン等の不活性ガスをイオン化し、所定の速度に加速したものであり、蒸着材料粒子４１に衝突してエネルギーを供給し、蒸着材料粒子４１の堆積をアシストする。こうしてイオンビーム４２によってアシストしながら蒸着材料粒子４１を堆積させると、基材１２や薄膜等の下地の表面に蒸着材料粒子４１とのミキシング層が形成され、イオンビーム４２によってアシストせずに成膜した場合と比較して、より密着力が強い薄膜が成膜される。また、イオンビーム４２によってアシストしながら成膜すると、イオンビーム４２でアシストしない場合と比較して、表面がより平坦な薄膜が成膜される。このように、イオンビーム４２を照射しながら成膜する方法がイオンビームアシスト蒸着法である。
【００３９】
なお、蒸着装置３１では、イオン源３８からイオンビーム４２を照射するか否かは、材料ホルダ３７からの蒸着材料粒子４１の飛散とは別個に、独立して制御可能となっている。したがって、蒸着装置３１では、イオンビームアシスト蒸着法による成膜と、イオンビーム４２の照射を行わない成膜とを、成膜する薄膜に求められる性質に応じて任意に切り替えながら成膜が行われる。
【００４０】
前述のように、カルコゲナイドガラスからなる基材１２の表面に、赤外線用の反射防止膜１３を設けるときには、まず、基材１２を基材ホルダ３６にセットし、真空槽３２を所定圧力に達するまで真空引きする。その後、イオン源３８からイオンビーム４２を照射しながら、蒸着材料粒子４１としてＢｉ２Ｏ３を飛散させることにより、基材１２の表面に第１薄膜１６を成膜する。このとき、基材１２は、基材ホルダ３６に設けられたヒータによって１００度程度の温度に加熱される。
【００４１】
その後、蒸着材料粒子４１として飛散させる材料をＢｉ２Ｏ３からＹＦ３に切り替え、既に成膜した第１薄膜１６上にＹＦ３を成膜する。このとき、ＹＦ３を所定の膜厚に成膜する毎に、イオンビーム４２のオンオフを切り替える。例えば、まずイオンビーム４２を照射しながらＹＦ３を成膜し、アシスト層２１を形成する。次いで、イオンビーム４２の照射を止めてＹＦ３を成膜することにより、アシスト層２１上に非アシスト層２２を形成する。その後、再びイオンビーム４２を照射しながらＹＦ３を成膜することにより、非アシスト層２２上にアシスト層２１を形成する。こうしてアシスト層２１と非アシスト層２２を交互に、合計で１０層程度形成することにより第２薄膜１７を成膜する。こうして、第２薄膜１７を成膜するときも、前述の第１薄膜１６の成膜時と同様に、基材１２は基材ホルダ３６に設けられたヒータによって１００度程度の温度に加熱される。
【００４２】
なお、こうして反射防止膜１３を成膜するときに、基材１２を１００度程度に加熱する例を説明したが、反射防止膜１３を成膜するときの基材１２の温度は、基材１２の材料の具体的な組成によって任意に定められる。但し、基材１２の材料であるカルコゲナイドガラスは、赤外線用硝材として一般的なゲルマニウム結晶基板や可視光用のガラス材料と比べて、比較的低温で軟化，溶融する。例えば、典型的なカルコゲナイドガラスの軟化点，溶融点は３５０度程度である。一方、基材１２への密着力が強い反射防止膜１３を成膜するためには、基材１２をできるだけ高温で反射防止膜１３を成膜する方が好ましい。こうしたことから、基材１２が軟化，溶融しない範囲内で、基材１２をできるだけ高温（例えば上述の例で説明したように１００度程度）に加熱しながら反射防止膜１３を成膜することが好ましい。基材１２として、軟化点，溶融点が３５０度程度の典型的なカルコゲナイドガラスを用いる場合には、反射防止膜１３を成膜するときに、基材１２を５０度以上２００度以下の温度に加熱することが好ましく、７０度以上１５０度以下の温度に加熱することがより好ましく、９０度以上１２０度以下の温度に加熱することが特に好ましい。
【００４３】
上述のよう構成された反射防止膜１３は、基材１２への密着性が良く、耐候性（特に耐水性）に優れる。例えば、水に溶けやすいとは言えないまでも可溶性の物質（例えばＭｇＦ２）を含む反射防止膜を設けた赤外線用光学素子の場合、これを煮沸すると、可溶性物質からなる層が溶解し、反射防止膜は容易に剥離してしまう。これに対して、反射防止膜１３はＢｉ２Ｏ３とＹＦ３という水に不溶な物質だけから構成されるため、反射防止膜１３を設けた赤外線用光学素子（例えばレンズ１１）を煮沸しても反射防止膜１３は溶解や剥離を起こさない。
【００４４】
また、基材１２がカルコゲナイドガラスからなることから、反射防止膜１３は１００度程度の低温で成膜されるが、基材１２側から、Ｂｉ２Ｏ３からなる第１薄膜１６、ＹＦ３からなる第２薄膜１７の順に積層した構成になっていることで、反射防止膜１３の密着性は良好になる。さらに、反射防止膜１３は、基材１２に接する第１薄膜１６がイオンビームアシスト蒸着法によって成膜されるので、基材１２への反射防止膜１３の密着性は特に良好になる。
【００４５】
さらに、反射防止膜１３は、Ｂｉ２Ｏ３とＹＦ３というクラックが生じにくい材料の組み合わせからなるとともに、ＹＦ３からなる第２薄膜１７がアシスト層２１と非アシスト層２２を交互に積層した構造になっていることで、反射防止膜１３の内部応力が均衡するため、反射防止膜１３にはクラックが生じ難い。したがって、反射防止膜１３は安定した生産が可能である。同時に、反射防止膜１３を設けた赤外線用光学素子が、気温や湿度等の周囲環境が大きく変動する過酷な環境で用いられる場合であっても、こうした周囲環境の変動によって反射防止膜１３にクラックが生じることは殆どなく、長期間安定した光学機能を果たすことができる。
【００４６】
また、Ｂｉ２Ｏ３やＹＦ３は安価である。例えば、Ｂｉ２Ｏ３はゲルマニウムの概ね１／１０程度の価格である。したがって、反射防止膜１３は、ゲルマニウムからなる層を含む従来の赤外線用反射防止膜と比較して、安価に製造することができる。
【００４７】
上述の実施形態で説明した反射防止膜１３を設けたカルコゲナイドガラスの透過率及び反射率の一例を示す。ここで基材１２として用いたカルコゲナイドガラスはＧｅＳｂＳｅであり、波長１０μｍの遠赤外線に対する屈折率は２．５９６６９である。同時に、反射防止膜１３は、第１薄膜１６（Ｂｉ２Ｏ３）の物理膜厚を１３８０ｎｍとした。この第１薄膜１６の波長１０μｍの遠赤外線に対する屈折率は２．２である。また、第２薄膜１７（ＹＦ３）の物理膜厚を１９４０ｎｍとし、アシスト層２１と非アシスト層２２を合計で１０層交互に積層して形成した。この第２薄膜１７の波長１０μｍの遠赤外線に対する屈折率は１．５２である。
【００４８】
図４に示すように、反射防止膜１３を設けた基材１２は、遠赤外線撮影に用いられる波長３．０〜１０００μｍの範囲のうち少なくとも８〜１２μｍの範囲内で、透過率は概ね９９％以上（反射率は概ね１％以下）である。したがって、反射防止膜１３は、前述のように密着性及び耐候性（特に耐水性）に優れると同時に、反射防止膜１３を設けない場合のカルコゲナイドガラス（ＧｅＳｂＳｅ）の透過率が、波長８〜１２μｍの範囲で概ね６０％〜７０％程度であることを考慮すれば、反射防止膜１３が第１薄膜１６と第２薄膜１７というわずか２つの薄膜で構成されているにも関わらず、良好な反射防止効果を示すことが分かる。
【００４９】
なお、上述の実施形態では、反射防止膜１３をＢｉ２Ｏ３からなる第１薄膜１６とＹＦ３からなる第２薄膜１７とから構成する例を説明したが、必ずしもこの２つの薄膜だけで反射防止膜１３を構成形成する必要はない。反射防止膜１３は、基材１２側からＢｉ２Ｏ３からなる第１薄膜１６とＹＦ３からなる第２薄膜１７とを含む構成であれば良く、第２薄膜１７上にさらに他の材料からなる薄膜を成膜しても良い。
【００５０】
例えば、図５に示すように、反射防止膜５１は、基材１２側から第１薄膜１６、第２薄膜１７、耐候性薄膜５２の３種類の薄膜からなる。したがって、反射防止膜５１は、第１薄膜１６と第２薄膜１７は上述の実施形態で説明したものと同じであるが、第２薄膜１７上にさらに耐候性薄膜５２を設けた点が、前述の反射防止膜１３と異なる。耐候性薄膜５２は、例えば、ＳｉＯ，ＳｉＯ２，Ｓｉ等からなる十分に薄く設けられた薄膜であり、反射防止膜の耐候性をさらに向上させる。
【００５１】
こうした材料からなる耐候性薄膜５２は、撮影に用いる赤外線の帯域に含まれる特定の波長を吸収することがあるが、耐候性薄膜５２が十分に薄く設けられている場合には、これによる吸収をほとんど無視することができる。例えば、Ｂｉ２Ｏ３からなる第１薄膜１６を１３２１ｎｍ、ＹＦ３からなる第２薄膜１７を１６９９ｎｍとし、耐候性薄膜５２をＳｉＯで形成する場合、耐候性薄膜５２を１００ｎｍとすれば、上述の反射防止膜５１は、前述の反射防止膜１３とほぼ同様の良好な反射防止効果（図４参照）を得つつ、さらに耐候性が向上した反射防止膜となる。
【００５２】
こうして反射防止膜のさらなる耐候性向上のために設ける耐候性薄膜５２は、耐候性が向上し、かつ、撮影に用いる赤外線の吸収を無視することができる厚さであれば任意の厚さに設けて良いが、耐候性薄膜５２は薄すぎると耐候性がそれほど向上せず、逆に厚すぎると吸収が顕著になり撮影に支障をきたすことがある。このため、耐候性薄膜５２の膜厚は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、８０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより好ましく、９０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であることが特に好ましい。
【００５３】
また、赤外線用光学素子の表面は、耐候性を向上させるために、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）でコーティングされることがある。反射防止膜１３，５１を設けた場合には、反射防止膜１３，１５に十分な耐候性があるのでＤＬＣによるコーティングは必須ではないが、反射防止膜１３，５１の上にさらにＤＬＣをコーティングしても良い。
【００５４】
また、上述の実施形態では、反射防止膜１３をＢｉ２Ｏ３からなる第１薄膜１６とＹＦ３からなる第２薄膜１７とで構成する例を説明したが、反射防止膜１３は、基材１２に接する薄膜がＢｉ２Ｏ３からなり、さらにその上にＹＦ３からなる薄膜が設けられていれば良い。したがって、例えば、第１薄膜１６と第２薄膜１７を成膜した後、第２薄膜１７の上にさらにＢｉ２Ｏ３からなる薄膜やＹＦ３からなる薄膜を成膜して、その光学特性を調節しても良い。例えば、基材１２側から順に、Ｂｉ２Ｏ３，ＹＦ３，Ｂｉ２Ｏ３，ＹＦ３・・・の積層構造で反射防止膜１３を構成しても良い。
【００５５】
なお、上述の実施形態では、基材１２の一方の表面に反射防止膜１３を設ける例を説明したがこれに限らない。例えば、図６に示すように、基材１２の表裏両面に反射防止膜１３を設けても良い。こうして基材１２の表裏両面に反射防止膜１３を設ける場合、基材１２の形状等によっては、表裏にそれぞれ設けた反射防止膜１３のうち、先に成膜した反射防止膜１３にクラックが生じることがある。こうした場合には、例えば表裏各々の反射防止膜１３で、第２薄膜１７のアシスト層２１と非アシスト層２２の積層数を変えて、２つの反射防止膜１３による応力を表裏で総合的に均衡させることが好ましい。
【００５６】
なお、上述の実施形態では、遠赤外線撮影に用いられる波長帯の中でも８〜１２μｍの波長帯について透過率が９９％以上となる反射防止膜１３の例を示したが、これに限らず、第１薄膜１７や第２薄膜１８の厚さ等を調節することで、３．０〜１０００μｍのうちほぼ任意の部分的な波長帯で上述と同様の良好な性質の反射防止膜１３を作製することができる。したがって、遠赤外線撮影は、３．０〜１０００μｍのうち、撮像素子の特性や大気による吸収等を考慮して選択された部分的な波長帯の遠赤外線を用いて行われるが、これらの波長帯に各々対応した反射防止膜１３を上述の実施形態と同様にして作製することができる。また、上述の実施形態では、遠赤外線撮影で用いるレンズ１１、及び反射防止膜１３を例に説明したが、これに限らない。例えば、上述の実施形態で説明した反射防止膜１３は、第１薄膜１６や第２薄膜１７の膜厚を調節することによって、近赤外線や中赤外線に対して好適な反射防止膜とすることができる。但し、硝材１２の具体的な特性にもよるが、上述の実施形態で説明した反射防止膜１３は、遠赤外線の波長帯で特に好適な光学特性が得られやすい。
【００５７】
なお、上述の実施形態では、反射防止膜１３を構成する２つの薄膜のうち、第２薄膜１７をアシスト層２１と非アシスト層２２の積層構造で形成する例を説明したがこれに限らない。例えば、第２薄膜１６と同様にして、第１薄膜１６をアシスト層と非アシスト層の積層構造にしても良い。このように、第１薄膜１６をアシスト層と非アシスト層の積層構造にすると、反射防止膜１３の内部応力を均衡させやすくなる。但し、こうして第１薄膜１６をアシスト層と非アシスト層の積層構造とする場合には、少なくとも基材１２に直接接する層を基材１２への密着性のためにアシスト層とする必要がある。
【００５８】
なお、上述の実施形態では、反射防止膜１３を構成する２つの薄膜のうち、第２薄膜１７をアシスト層２１と非アシスト層２２の積層構造で形成する例を説明したが、第２薄膜１７を構成する複数の層２１，２２うち、少なくとも第１薄膜１６に接する層はアシスト層２１とすることが好ましい。こうして、第１薄膜１６に接する層をアシスト層２１とすると、第１薄膜１６への密着性が良い第２薄膜１７を容易に成膜することができる。また、第２薄膜１７を構成する複数の層２１，２２のうち、最外層（基材１２及び第１薄膜１６から最も遠い層）は、アシスト層２１にすることが好ましい。こうして第２薄膜１７の最外層をアシスト層２１にすることで、平坦性が良好な反射防止膜１３を容易に得ることができる。また、前述のように、第２薄膜１７の上に、さらに耐候性薄膜５２を設ける場合には、耐候性薄膜５２と第２薄膜１７との密着性も向上する。
【００５９】
なお、上述の実施形態では、第２薄膜１７を合計で１０層程度のアシスト層２１及び非アシスト層２２で構成する例を説明したが、第２薄膜１７は、アシスト層２１と非アシスト層２２が交互に積層されていれば良く、アシスト層２１及び非アシスト層２２の層数や各層の膜厚は、各々任意に定めることができる。
【００６０】
例えば、アシスト層２１及び非アシスト層２２の層数は合計で１０層でなくても良く、任意である。但し、第２薄膜１７の全体としての膜厚は、反射防止膜３１の光学特性で定まるので、アシスト層２１及び非アシスト層２２の層数が多いほど、各層の膜厚は薄くなり、安定した製造が難しくなる。一方、各々１層ずつで構成する場合のように、アシスト層２１及び非アシスト層２２の層数が少なすぎると、反射防止膜１３の内部応力の均衡させ難くなる。したがって、第２薄膜１７は、上述の実施形態で説明したように、合計で１０層程度のアシスト層２１及び非アシスト層２２で構成することが好ましい。
【００６１】
また、アシスト層２１及び非アシスト層２２の各々層数が一致していなくても良い。例えば、第１薄膜１６に接する層と最外層をアシスト層２１とする場合には、非アシスト層２２に比べてアシスト層２１の層数が１層多くなる。
【００６２】
さらに、アシスト層２１及び非アシスト層２２の膜厚は、反射防止膜１３の内部応力を均衡させるように任意に定めることができる。例えば、基材１２の形状等によっては、一方の層に比べて他方の層を薄く（または厚く）しても良い。また、例えば、第１薄膜１６からとおくなるにつれて、各層の厚さを薄く（厚く）するなど、アシスト層２１，非アシスト層２２でも積層する位置によって膜厚を変えても良い。
【００６３】
なお、上述の実施形態では、反射防止膜３１を成膜する蒸着装置３１を一例として説明したが、イオンビームアシスト蒸着法による成膜を行える蒸着装置であれば上述の実施形態で説明した蒸着装置３１の構成に限らない。例えば、材料ホルダ３７には複数の蒸着材料が予め保持される例を説明したが、材料ホルダ３７は１種類の蒸着材料を保持するものとし、適宜蒸着材料を入れ替えるようにしても良い。また、蒸着装置３１では、基材ホルダ３６に１つの基材１２を保持する例を説明したが、複数の基材１２を保持し、これらに同時に反射防止膜１３を成膜するようにしても良い。さらに、蒸着装置３１では、反射防止膜３１の成膜中に基材ホルダ３６が移動しない例を説明したが、基材ホルダ３６の形状等によっては、基材ホルダ３６を回転させたり、移動させたりしながら反射防止膜１３の成膜を行うようにしても良い。また、イオンビーム４２のオンオフは必ずしも切り替えられなくても良く、イオンビームアシスト蒸着法による成膜を行う蒸着装置と、イオンビームを照射しない蒸着装置を共に用いるようにしても、反射防止膜３１を成膜することができる。
【００６４】
なお、上述の実施形態では、基材１２の一例としてＧｅＳｂＳｅからなるカルコゲナイドガラスを挙げたが、これに限らない。反射防止膜１３を成膜する基材１２の組成は、いわゆるカルコゲナイドガラスであれば任意の組成のものを用いて良い。
【００６５】
なお、上述の実施形態では、赤外線用光学素子の例としてレンズ１１を説明したが、カルコゲナイドガラスを基材とし、赤外線に用いる光学素子であればレンズ以外の任意の光学素子に本発明の反射防止膜を好適に用いることができる。したがって、上述の実施形態で説明した基材１２は、反射防止膜１３を成膜できる形状であれば、その形状やサイズは任意である。
【符号の説明】
【００６６】
１１ レンズ
１２ 基材
１３，５１ 反射防止膜
１６ 第１薄膜
１７ 第２薄膜
２１ アシスト層
２２ 非アシスト層
３１ 蒸着装置
４１ 蒸着材料粒子
４２ イオンビーム
５２ 耐候性薄膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルコゲナイドからなる基材の表面に設けられ、前記基材側から順に、Ｂｉ２Ｏ３からなる第１薄膜と、ＹＦ３からなる第２薄膜とを備えることを特徴とする反射防止膜。
【請求項２】
前記第１薄膜は、イオンビームアシスト蒸着法によって成膜されることを特徴とする請求項１記載の反射防止膜。
【請求項３】
前記第２薄膜は、イオンビームアシスト蒸着法によって成膜されたアシスト層と、イオンビームによるアシストを行わずに成膜された非アシスト層とを交互に複数積層して形成されることを特徴とする請求項１または２記載の反射防止膜。
【請求項４】
前記基材から最も遠い前記第２薄膜の最上層が、前記アシスト層であることを特徴とする請求項３記載の反射防止膜。
【請求項５】
前記第１薄膜に接する層が、前記アシスト層であることを特徴とする請求項３または４記載の反射防止膜。
【請求項６】
前記第２薄膜上に、耐候性を向上させる材料からなる耐候性薄膜を備えることを特徴とする請求項１ないし５いずれかに記載の反射防止膜。
【請求項７】
前記耐候性薄膜は、Ｓｉ，ＳｉＯ，ＳｉＯ２のうちいずれかの材料からなることを特徴とする請求項６記載の反射防止膜。
【請求項８】
前記耐候性薄膜の膜厚は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６または７記載の反射防止膜。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれかに記載の反射防止膜を備えることを特徴とする赤外線用光学素子。
【請求項１】
カルコゲナイドからなる基材の表面に設けられ、前記基材側から順に、Ｂｉ２Ｏ３からなる第１薄膜と、ＹＦ３からなる第２薄膜とを備えることを特徴とする反射防止膜。
【請求項２】
前記第１薄膜は、イオンビームアシスト蒸着法によって成膜されることを特徴とする請求項１記載の反射防止膜。
【請求項３】
前記第２薄膜は、イオンビームアシスト蒸着法によって成膜されたアシスト層と、イオンビームによるアシストを行わずに成膜された非アシスト層とを交互に複数積層して形成されることを特徴とする請求項１または２記載の反射防止膜。
【請求項４】
前記基材から最も遠い前記第２薄膜の最上層が、前記アシスト層であることを特徴とする請求項３記載の反射防止膜。
【請求項５】
前記第１薄膜に接する層が、前記アシスト層であることを特徴とする請求項３または４記載の反射防止膜。
【請求項６】
前記第２薄膜上に、耐候性を向上させる材料からなる耐候性薄膜を備えることを特徴とする請求項１ないし５いずれかに記載の反射防止膜。
【請求項７】
前記耐候性薄膜は、Ｓｉ，ＳｉＯ，ＳｉＯ２のうちいずれかの材料からなることを特徴とする請求項６記載の反射防止膜。
【請求項８】
前記耐候性薄膜の膜厚は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６または７記載の反射防止膜。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれかに記載の反射防止膜を備えることを特徴とする赤外線用光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２２１０４８（Ｐ２０１１−２２１０４８Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８６２９７（Ｐ２０１０−８６２９７）
【出願日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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