JP2005292462A - 誘電体多層膜を有する光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 良好な光学特性を保持しながら信頼性の高い誘電体多層膜を有する光学素子を提供する。
【解決手段】 光学素子は、合成樹脂基板Ｓ上に高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌとが交互に積層された構造の誘電体多層膜ＭＣを有する。低屈折率層Ｌを構成する材料は、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との混合物である。
【選択図】 図１

Description

本発明は誘電体多層膜を有する光学素子に関するものであり、例えば、反射防止膜，赤外カットフィルター膜等の誘電体多層膜を有する光学素子に関するものである。

誘電体多層膜を有する合成樹脂製の光学素子(レンズ，フィルター等)として、従来より様々なタイプのものが提案されている(例えば、特許文献１〜４参照。)。それらの誘電体多層膜は高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された構造を有しており、耐熱性，耐擦過性等を向上させるための工夫がなされている。
特公平７−１１９８４４号公報 特公平７−１１９８４５号公報 特公平６−８５００１号公報 特許第３０６８２５２号公報

一般に、ガラス基板に誘電体多層膜を作製する場合には、２００℃以上の加熱を行いながら成膜を行う。一方、合成樹脂基板の場合には、基板自体の耐熱性が低いため、ほとんど加熱を行うことができない。したがって、合成樹脂基板上の多層膜は、基板がガラス製の場合よりも誘電体多層膜と基板との密着性が弱く、誘電体多層膜自身の耐久性も低いという問題がある。さらに、合成樹脂はガラスや薄膜形成材料と比較して熱膨張率が大きいため、合成樹脂基板上に形成される誘電体多層膜の層数が多いほど、大きな応力により剥離やクラックが発生するという問題もある。

また、合成樹脂基板に誘電体多層膜を形成する場合、低屈折率材料としてＳｉＯ₂を使用するのが一般的であるが、ＳｉＯ₂は強い圧縮応力を持つという欠点がある。高屈折率材料として、引っ張り応力を持つ酸化チタン系の材料を使用すると、ＳｉＯ₂と応力の方向が逆となるため、全体として、応力が緩和される傾向となる。しかし、ＳｉＯ₂と高屈折率材料とを等しい光学膜厚(＝ｎ・ｄ、ｎ：屈折率、ｄ：膜厚)で交互に積層すると、屈折率の低いＳｉＯ₂層の方が物理的に厚くなるため、圧縮応力が増加する傾向となり、その傾向は、多層になるほど顕著になる。その結果、成膜直後には異常がなくても、大気中に放置しているだけで剥離やクラックが生じることがある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、良好な光学特性を保持しながら信頼性の高い誘電体多層膜を有する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に、第１の発明の光学素子は、合成樹脂基板上に高屈折率層(ｎ≧１．８、ｎ：屈折率)と低屈折率層(１．４≦ｎ＜１．８、ｎ：屈折率)とが交互に積層された構造の誘電体多層膜を有する光学素子であって、前記低屈折率層を構成する材料がＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との混合物であることを特徴とする。

第２の発明の光学素子は、上記第１の発明において、前記高屈折率層を構成する材料が酸化チタン、又は酸化チタンと酸化タンタル，酸化ランタン，酸化ジルコニウム若しくは酸化ディスプロシウムとの混合物であることを特徴とする。

第３の発明の光学素子は、上記第１又は第２の発明において、前記合成樹脂基板がシクロオレフィン系樹脂から成ることを特徴とする。

第４の発明の光学素子は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記合成樹脂基板と接している層が前記高屈折率層であることを特徴とする。

第５の発明の光学素子は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記誘電体多層膜が４層以上の積層構造を有することを特徴とする。

第６の発明の光学素子は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記誘電体多層膜が３０層以上の積層構造を有し、赤外カットフィルターとして機能することを特徴とする。

本発明によれば、低屈折率層がＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との混合物で構成されているため、光学特性を損なうことなく応力が緩和されて、剥離やクラックの発生が防止される。したがって、光学特性が良好で信頼性の高い誘電体多層膜を有する光学素子を実現することができる。

以下、本発明に係る光学素子の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、光学素子の一実施の形態について、その誘電体多層膜ＭＣの積層構造を光学断面で模式的に示す。図１に示す光学素子は、合成樹脂基板Ｓ上に高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌとが交互に積層された構造の誘電体多層膜ＭＣを有するものである。そして、図１(Ａ)は合成樹脂基板Ｓと接している層が高屈折率層Ｈであるタイプを示しており、図１(Ｂ)は合成樹脂基板Ｓと接している層が低屈折率層Ｌであるタイプを示している。

合成樹脂基板Ｓはプラスチックレンズ，プラスチック平板等の合成樹脂製光学素子に相当し、合成樹脂基板Ｓを構成する材料としては、例えば、ＺＥＯＮＥＸ(商品名)，アペル(商品名)等のシクロオレフィン系樹脂；ＰＭＭＡ(polymethyl methacrylate)等のアクリル系樹脂；ＰＣ(polycarbonate)等が挙げられる。低屈折率層Ｌを構成する材料は、Ａｌ₂Ｏ₃(酸化アルミニウム)とＳｉＯ₂(二酸化ケイ素)との混合物である。また、高屈折率層Ｈを構成する材料としてはＴｉＯ₂ベースの材料が挙げられる。例えば、酸化チタン(蒸着材料としてＴｉ₂Ｏ₃，Ｔｉ₃Ｏ₅等)、酸化チタンと酸化タンタルとの混合物(ＴｉＯ₂＋Ｔａ₂Ｏ₅等)、酸化チタンと酸化ランタンとの混合物(ＴｉＯ₂＋Ｌａ₂Ｏ₃等)、酸化チタンと酸化ジルコニウムとの混合物(ＴｉＯ₂＋ＺｒＯ₂等)、酸化チタンと酸化ディスプロシウムとの混合物(ＴｉＯ₂＋Ｄｙ₂Ｏ₅等)等である。

先に述べたように、合成樹脂基板に光学薄膜を積層させて、反射防止膜，フィルター膜等の誘電体多層膜を形成する場合、合成樹脂基板は高温加熱(ガラス基板の場合、通常２００〜３００℃)に耐えられないため、１００℃以下の低温加熱又は無加熱とする必要がある。このため、一般的な薄膜形成材料を使用したのでは、十分な耐久性を有する光学薄膜は得られず、基板に対する光学薄膜の密着性も不十分なものとなる。特に、低屈折率材料として一般的なＳｉＯ₂は大きな応力を持った光学薄膜を構成するため、層数の多い誘電体多層膜ほど高屈折率層との応力のバランスが崩れて剥離やクラックが発生しやすくなる。しかも、合成樹脂は熱膨張率が大きいため、層数の多い誘電体多層膜ほど大きな応力が発生して剥離やクラックを引き起こしてしまう。

上記問題を解決するため、この実施の形態では低屈折率層ＬをＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との混合物で構成している。低屈折率層ＬをＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との混合材料で構成すると、ＳｉＯ₂で構成した場合よりも、低屈折率層Ｌに生じる応力を小さくすることができる。特に、高屈折率層Ｈに酸化チタンを含む材料を使用すると、低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈとで応力がバランスよく相殺することができる。その結果、誘電体多層膜ＭＣの耐久性が向上し、剥離やクラックの発生を防止することができる。しかも、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との混合物はＳｉＯ₂とほぼ等しい屈折率を有するため(ＳｉＯ₂の屈折率：約１．４６，Ａｌ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂の屈折率：約１．４７)、光学特性が損なわれることもない。したがって、光学特性が良好で信頼性の高い誘電体多層膜ＭＣを合成樹脂基板Ｓ上でも得ることが可能となる。

誘電体多層膜の層数が多くなるほど光学性能は向上するが、剥離やクラックが発生しやすくなることから、上記のようにＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との混合物で低屈折率層Ｌの応力を緩和する構成は、層数の多い誘電体多層膜ＭＣを形成する場合に特に有効である。一般に層数が４以上になると応力の影響が大きくなるので、前記誘電体多層膜ＭＣは４層以上の積層構造に好適である。例えば反射防止膜を構成する場合には、誘電体多層膜ＭＣは６層〜１０層の積層構造を有することが好ましい。また、赤外カットフィルターとして機能する光学素子を構成する場合には、一般に層数は３０以上必要になるので、誘電体多層膜ＭＣは３０層以上の積層構造を有することが好ましい。

高屈折率層Ｈを構成する材料として、酸化チタン、又は酸化チタンと酸化タンタル，酸化ランタン，酸化ジルコニウム若しくは酸化ディスプロシウムとの混合物を用いることは、低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈとで応力を更にバランス良く相殺する上で好ましい。酸化チタン又はその混合物は、応力を相殺しやすい材料として適しており、屈折率が高いので光学特性上も有利である。また、合成樹脂基板Ｓと接している層は高屈折率層Ｈであることが好ましい。一般的な合成樹脂基板Ｓの屈折率を考慮した場合、図１(Ａ)に示すように合成樹脂基板Ｓと接する層を高屈折率層Ｈとすれば、誘電体多層膜ＭＣに必要とされる光学特性の向上に寄与することができる。

以下、本発明を実施した光学素子を、その誘電体多層膜ＭＣの光学構成等を挙げて更に具体的に示す。表１〜１６に、実施例１〜１０、比較例１〜６の光学構成をそれぞれ示す{λ：設計基準波長，ｎ：設計基準波長λに対する屈折率，ｄ：膜厚(ｎｍ)}。実施例１〜７，９，１０と比較例１〜３，５，６は反射防止膜として機能するものであり、実施例８と比較例４は赤外線カットフィルターとして機能するものである。全実施例及び全比較例の誘電体多層膜は、真空蒸着法を用い、基板を加熱せずに成膜を行った。だが、本発明は、真空蒸着法に限定されず、真空蒸着法の他、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の別の作製方法を用いることができる。

また、実施例１〜１０、比較例１〜６の誘電体多層膜に対し、以下に示す試験方法で耐久性試験を行った。
(ａ) 高温高湿放置
温度７０℃、湿度８０％に設定された恒温恒湿槽に、光学素子を１６８時間放置した後、目視にてクラックや剥離の有無を観察した。
(ｂ) 紫外線照射試験
光量１５ｍＷ／ｃｍ³の紫外線を、光学素子に４８時間照射した後、目視にてクラックや剥離の有無を観察した。
(ｃ) 温度ショック試験
光学素子を、温度−３０℃に１時間放置した後７０℃に１時間放置の２時間を１サイクルとし、１０サイクル間放置した後、目視にてクラックや剥離の有無を観察した。
(ｄ) 低温放置試験
−３０℃に設定された恒温槽に光学素子を１６８時間放置した後、目視にてクラックや剥離の有無を観察した。

表１７に、実施例１〜１０、比較例１〜６の誘電体多層膜に対し、上記試験を行った結果を示す。○は、変化の認められなかったもの、×は、クラック又は剥離が認められたものを示す。表１７に示したとおり、実施例１〜１０の光学素子は、比較例１〜６の光学素子と比較して、特に、紫外線照射及び温度ショックへの耐久性が向上しているものであった。

実施例１〜１０と比較例１〜６における誘電体多層膜ＭＣのコート条件を以下に示す。
《実施例１〜７，９，１０と比較例１〜３，５，６》
〈Ａｌ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂，ＳｉＯ₂の蒸着条件〉
・到達真空度：３．０×１０^-3Ｐａ
・酸素導入：１．３×１０^-2Ｐａ
・ＥＢ条件：電流値１００ｍＡ
〈ＴｉＯ₂＋Ｔａ₂Ｏ₅の蒸着条件〉
・到達真空度：３．０×１０^-3Ｐａ
・酸素導入：２．０×１０^-2Ｐａ
・ＥＢ条件：電流値２８０ｍＡ
〈ＴｉＯ₂＋Ｌａ₂Ｏ₃の蒸着条件〉
・到達真空度：３．０×１０^-3Ｐａ
・酸素導入：２．０×１０^-2Ｐａ
・ＥＢ条件：電流値１６５ｍＡ
〈ＴｉＯ₂＋Ｄｙ₂Ｏ₃の蒸着条件〉
・到達真空度：３．０×１０^-3Ｐａ
・酸素導入：２．０×１０^-2Ｐａ
・ＥＢ条件：電流値２００ｍＡ
〈ＴｉＯ₂＋ＺｒＯ₂の蒸着条件〉
・到達真空度：３．０×１０^-3Ｐａ
・酸素導入：２．０×１０^-2Ｐａ
・ＥＢ条件：電流値１７０ｍＡ

《実施例８，比較例４》
〈Ａｌ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂，ＳｉＯ₂の蒸着条件〉
・到達真空度：２．０×１０^-3Ｐａ
・酸素導入：なし
・ＥＢ条件：電流値４０ｍＡ
〈ＴｉＯ₂の蒸着条件〉
・到達真空度：２．０×１０^-3Ｐａ
・酸素導入：１．２×１０^-2Ｐａ
・ＥＢ条件：電流値２３０ｍＡ

本発明に係る誘電体多層膜の積層構造を模式的に示す断面図。

符号の説明

ＭＣ 誘電体多層膜
Ｌ 低屈折率層
Ｈ 高屈折率層
Ｓ 合成樹脂基板

Claims (6)

1. 合成樹脂基板上に高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された構造の誘電体多層膜を有する光学素子であって、前記低屈折率層を構成する材料がＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との混合物であることを特徴とする光学素子。
2. 前記高屈折率層を構成する材料が酸化チタン、又は酸化チタンと酸化タンタル，酸化ランタン，酸化ジルコニウム若しくは酸化ディスプロシウムとの混合物であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 前記合成樹脂基板がシクロオレフィン系樹脂から成ることを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
4. 前記合成樹脂基板と接している層が前記高屈折率層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記誘電体多層膜が４層以上の積層構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子。
6. 前記誘電体多層膜が３０層以上の積層構造を有し、赤外カットフィルターとして機能することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子。

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