【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、赤外域での光学膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の航空機、ミサイル、船舶、戦車などの防衛装備品に備えられる赤外線探知機や赤外線カメラは高性能化の一途を辿っている。たとえば、探知装置の広帯域化や複数の帯域を探知するマルチバンド化はその１つであり、大気中において赤外線が透過しやすい（大気による吸収の小さい）大気の窓と称する赤外線の波長範囲（以下、帯域ともいう）３〜５μｍと８〜１２μｍの両方か、または波長範囲３〜１２μｍのすべての帯域に亘る探知能力を有することによって、その探知性能と耐妨害性を大幅に向上することができる。しかしながら、これらの実現のためには装置の光学系を形成するレンズの透過率やフィルタの特性の改良が重要である。なお、本明細書においては、波長範囲３〜１２μｍを赤外域という。
【０００３】
従来の技術では、赤外域用の反射防止膜に対しては、大気の窓のうちの波長範囲３〜５μｍ帯域内のみの反射防止効果をねらったものやそれをわずかに拡大したもの、または波長範囲８〜１２μｍ帯域内のみの反射防止効果をねらったものやそれをわずかに拡大したものなどがあった。また、フィルタに対しても、帯域以外の赤外線侵入の阻止を目的とした長波長透過フィルタや短波長透過フィルタ、またはバンドパスフィルタなどがあった。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−３１３８０２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の技術では、波長範囲３〜５μｍと８〜１２μｍの両方の帯域の探知を１つの光学系で行うような光学装置のレンズやウィンドウの反射防止膜として使うことはできないことは自明である。またフィルタに対しても、このような光学系は赤外線センサとして波長範囲３〜５μｍ用と８〜１２μｍ用の２種類を具備することが多いが、入射した波長範囲３〜５μｍと８〜１２μｍの赤外光を２つの波長帯に分離し、波長範囲３〜５μｍ用のセンサと８〜１２μｍ用のセンサとにそれぞれ分岐するような光学素子としてもつかうことはできない。なお、波長範囲３〜５μｍと８〜１２μｍの２つの波長帯域に分離する目的の光学素子を、以下ビームスプリッタと称する。通常のビームスプリッタが、所望する波長帯域に対して、５０％の反射と５０％の透過特性を利用して光を分岐することとは異なっていることを注意すべきである。
【０００６】
本発明は、前述のような問題点を解消するためになされたものであり、波長範囲３〜５μｍと８〜１２μｍの両方の帯域を透過するレンズ系と波長範囲３〜５μｍ、８〜１２μｍの２つのセンサを有する光学装置に対して、波長範囲３〜５μｍと８〜１２μｍの両方の帯域の反射防止特性に優れた反射防止膜と、波長範囲３〜５μｍを反射し、８〜１２μｍを透過することによりこの２つの帯域を分離するビームスプリッタ用の光学多層膜、および波長範囲３．５〜５μｍを透過し、８〜１１μｍを反射することによりこの２つの帯域を分離するビームスプリッタ用の光学多層膜、ならびにビームスプリッタ素子を提供することを目的としている。本明細書中では、かかる光学多層膜とは複数の薄膜を積層させて特定の波長の光を反射させたり透過させたりする性質を有する多層膜のことをいう。なお、後者のビームスプリッタ用光学多層膜において、波長範囲３〜５μｍではなく３．５〜５μｍ、また波長範囲８〜１２μｍではなく８〜１１μｍとしたのは、どのような膜の構成を考えても波長範囲３〜５μｍの透過と８〜１２μｍの反射の両方の帯域を同時に満たすことが光学的に不可能なためである。そのため、前者に比べて分離する帯域が狭くはなるが、本発明の目的のためには充分有効なものである。
【０００７】
さらに強調すべきことは、従来技術におけるフィルタが本発明の目的にそのまま適用できないのは、従来技術のフィルタのうち、たとえば長波長透過フィルタにおいては、重要な課題は所望する透過帯域の短波長側をなるべくシャープにカットすることである。そのため、光の透過を阻止する高反射帯と、光を透過させる透過帯とがちょうど隣りあって出現するような設計をおこなったり、透過帯域から離れたところでは吸収によって阻止帯域を設けるようなことがある。すなわち、長波長透過フィルタは所望する波長の透過率については高い透過率を有するように設計を行うが、反射率についてはとくに考慮しないのが一般的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の赤外域用反射防止膜は、ＺｎＳからなる基板上に形成される赤外域用光学膜において前記基板からの第１層目がＳｉまたはＧｅ、第２層目がＺｎＳ、第３層目がＳｉまたはＧｅ、第４層目がＺｎＳ、第５層目がＹ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＴｉＯ2またはＺｒＯ2から選ばれる金属酸化物、第６層目がＹＦ3、ＣｅＦ3、ＣａＦ2またはクライオライト（Ｎａ3ＡｌＦ6）から選ばれる金属フッ化物であることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の赤外域用光学膜および光学素子について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１ないし図４は、本発明の赤外域用反射防止膜の実施例の構造を示す断面説明図である。図５および図６は、本発明のビームスプリッタ用光学膜の実施例の構造を示す断面説明図である。図７および図８は、本発明のビームスプリッタの説明図である。図９は、本発明の赤外域用光学膜の製造に用いられる蒸着装置の一例の断面説明図である。図１０ないし図３２は、本発明の実施例１ないし実施例２３でそれぞれえられた赤外域用反射防止膜を有するＧｅ基板およびＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。図３３ないし図４７は、本発明の実施例２４ないし実施例３８でそれぞれえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。図４８ないし図４９は、本発明の実施例３９ないし実施例４０でそれぞれえられたＺｎＳを基板とするビームスプリッタの入射角４５°の赤外分光反射率および分光透過率を示す図である。
【００１１】
まず、本発明の赤外域用反射防止膜は、図１に示されるように、Ｇｅ製のレンズやウィンドウを基板１として、順番にＺｎＳ層２、ＳｉまたはＧｅ層３、ＺｎＳ層２、金属酸化物層４、金属フッ化物層５を配したことに特徴がある。なお、本発明における赤外域とは波長３〜１２μｍの範囲を意味し、ばあいによっては大気の窓である波長３〜５μｍと波長８〜１２μｍの２つの範囲に分けて取り扱う。
【００１２】
また、本発明の別の赤外域用反射防止膜は、図２に示されるように、ＺｎＳ製のレンズやウィンドウを基板６として、順番にＳｉまたはＧｅ層３、ＺｎＳ層２、ＳｉまたはＧｅ層３、ＺｎＳ層２、金属酸化物層４、金属フッ化物層５を配したことに特徴がある。
【００１３】
また、本発明の別の赤外域用反射防止膜は、図３に示されるように、Ｇｅ製のレンズやウィンドウを基板１として、順番にＳｉ層７、ＺｎＳ層２、金属酸化物層４、金属フッ化物層５を配したことに特徴がある。
【００１４】
また、本発明の別の赤外域用反射防止膜は、図４に示されるように、ＺｎＳ製のレンズやウィンドウを基板６として、順番にＺｎＳｅ層８、ＺｎＳまたはＴｉＯ2層９、Ｙ2Ｏ3またはＳｃ2Ｏ3層１０、金属フッ化物層５を配したことに特徴がある。
【００１５】
これらの材料の配し方は、本発明者らが本発明の目的に合致するように、コンピュータによる光学多層膜の演算と試作を繰り返し、あらゆる組み合わせの中から鋭意研究してきた結果として選ばれたものである。
【００１６】
前記金属酸化物層としては、たとえばＡｌ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＨｆＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＳｉＯ、Ｔａ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＴｈＯ2などの酸化物をあげることができ、そのうち、波長３〜１２μｍの光に対して透明であることや、材料の屈折率、毒性がないことなどからＹ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2から選ばれた１種であることが好ましい。
【００１７】
また、前記の金属フッ化物としては、たとえばＭｇＦ2、ＣｅＦ3、ＹＦ3、ＣａＦ2、クライオライト、ＡｌＦ3、ＬｉＦ2、ＢａＦ2、ＴｈＦ4などの金属フッ化物をあげることができ、そのうち波長３〜１２μｍの光に対し透明であることや、材料の屈折率や毒性、また多層膜の最外層としての耐久性を考慮すれば、ＹＦ3、ＣｅＦ3、ＣａＦ2またはクライオライトから選ばれた１種であることが好ましい。
【００１８】
一方、本発明のビームスプリッタ用の光学多層膜は、図５に示されるように、ＺｎＳ製の基板６上に、基板から順にＧｅ層１１とＺｎＳ層２を交互に１７層以上７３層以下奇数回積層し、その上にさらに金属酸化物層４を積層することに特徴がある。
【００１９】
Ｇｅ層とＺｎＳ層の積層については、波長範囲３〜５μｍの赤外線を反射するように膜厚と層数が選ばれるならばいずれの構成であってもよく、前述したコンピュータによる光学多層膜の演算による特性の予測と試作を繰り返すことによって、膜厚と層数とを決めることができる。
【００２０】
また、前記金属酸化物層は、ＧｅとＺｎＳの交互層による反射帯域の外側の透過帯におけるリップルの低減を行うものである。かかる金属酸化物層としては、たとえばＡｌ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＨｆＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＳｉＯ、Ｔａ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＴｈＯ2などの酸化物をあげることができ、波長範囲３〜１２μｍで透明であることや、材料の屈折率、毒性がないことなどからＹ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2のうちから選ばれた１種であることが好ましい。
【００２１】
なお、本発明の赤外域用光学多層膜に波長範囲３〜５μｍでの良好な反射特性と、波長範囲８〜１２μｍでの良好な透過特性を付与したいばあいは、第１層目のＧｅの光学膜厚を０．５６μｍ、第２層目からのＺｎＳとＧｅの交互層を少なくとも７層以上３５層以下奇数回積層し、その光学膜厚をすべて１．１３μｍ、その上のＧｅ層の光学膜厚を１．００μｍ、その上からのＺｎＳとＧｅの交互層を少なくとも７層以上３５層以下奇数回積層し、その光学膜厚をすべて０．８８μｍ、その上のＧｅの光学膜厚を０．４４μｍ、さらにその上の金属酸化物層の光学膜厚を２．６９μｍとすることが好ましい。
【００２２】
これらの光学膜厚は、前述の数値になるべく近いことが特性上望まれるが、±８％程度の誤差が製造上に発生したとしても、充分な特性がえられる。
【００２３】
また、本発明の別の赤外域用光学多層膜は、図６に示されるように、ＺｎＳ製の基板上６に、基板からの第１層目にＴｉＯ2層またはＺｒＯ2層１２を積層し、その上に順にＺｎＳ層とＧｅ層を交互に７層以上５１層以下奇数回積層し、さらにその上に金属フッ化物層を積層することを特徴とするものである。
【００２４】
ＺｎＳ層とＧｅ層の積層については、波長８〜１１μｍの範囲内の赤外線を反射するように膜厚と層数が選ばれるならばいずれの構成であってもよく、前述したコンピュータによる光学多層膜の演算による特性の予測と試作を繰り返すことによって、膜厚と層数とを決めることができる。
【００２５】
ただし、ここでＺｎＳとＧｅの交互層を、さらに広い帯域である波長８〜１２μｍの範囲内の赤外線を反射するように選ぶと、光の反射率の高い高反射帯域が波長範囲３〜４μｍのあいだにも発生し、この波長帯域において高い透過率は望めない。波長範囲８〜１１μｍの帯域に限定すると、高反射帯域は３．５μｍ以下にとどまり、本発明の目的に対して完全ではないが充分合致するものとなる。
【００２６】
また、第１層のＴｉＯ2またはＺｒＯ2層と最外層の金属フッ化物層は、ＧｅとＺｎＳの交互層による高反射帯域の外側の透過帯のリップルの低減を行うものである。第１層としてＴｉＯ2またはＺｒＯ2が選ばれるのは、リップルの低減を行う上で好ましい屈折率を有しているためである。また最外層の金属フッ化物層としては、ＭｇＦ2、ＣｅＦ3、ＹＦ3、ＣａＦ2、クライオライト、ＡｌＦ3、ＬｉＦ2、ＢａＦ2またはＴｈＦ4などの金属フッ化物があげられるが、波長範囲３〜１２μｍで透明であることや、材料の屈折率や毒性、また多層膜の最外層としての耐久性を考慮すれば、ＹＦ3、ＣｅＦ3、ＣａＦ2またはクライオライトのうちから選ばれた１種であることが好ましい。
【００２７】
なお、本発明の赤外域用光学多層膜に波長３．５〜５μｍの範囲内での良好な透過特性と、波長８〜１１μｍの範囲内での良好な反射特性を付与したいばあいは、第１層目のＴｉＯ2またはＺｒＯ2の光学膜厚を１．００μｍ、第２層目のＺｎＳ層を１．１５μｍ、第３層目からのＧｅとＺｎＳ層の交互層を５層以上４９層以下奇数回積層しその光学膜厚をすべて２．３０μｍ、そのＺｎＳ層の光学膜厚を１．１５μｍ、その上の金属フッ化物層の光学膜厚を０．５９μｍとすることが好ましい。
【００２８】
これらの光学膜厚は、前述の数値になるべく近いことが特性上望まれるが、±８％程度の誤差が製造上に発生したとしても、充分な特性がえられる。
【００２９】
つづいて本発明の赤外域用ビームスプリッタについて説明する。
【００３０】
本発明の赤外域用ビームスプリッタは、平行平板であるＺｎＳを基板として、基板の片面に波長３〜５μｍの範囲内の赤外線を反射し、かつ波長８〜１２μｍの範囲内の赤外線を透過する多層膜をコーティングし、他方の面に波長３〜５μｍの範囲内と８〜１２μｍの範囲内の両方の帯域に反射防止特性を有する多層膜をコーティングすることを特徴とするものである。
【００３１】
図７は、本ビームスプリッタの使用法の一例を示したものである。ＺｎＳ基板１３の赤外線の入射面側に波長３〜５μｍの範囲内の赤外線を反射し、かつ、波長８〜１２μｍの範囲内の赤外線を透過する多層膜１４を、また出射面側に波長３〜５μｍの範囲内と８〜１２μｍの範囲内の両方の帯域に反射防止特性を有する多層膜１５を配したものである。そのため、入射した赤外線１６のうち波長３〜５μｍの範囲内の赤外線１７は反射、波長８〜１２μｍの範囲内の赤外線１８は透過することにより、この２つの波長帯域が分離される。しかも、出射面側の反射防止膜は波長３〜５μｍの範囲内と８〜１２μｍの範囲内両方の帯域で反射防止特性を有しているので、出射面側での赤外線の反射１９は小さく（すなわち、基板の表裏２つの面のあいだの反射を繰り返す多重反射の小さい）ビームスプリッタとして良好な特性をうることができる。
【００３２】
また、本発明の別の赤外域用ビームスプリッタは、平行平板であるＺｎＳを基板として、基板の片面に波長３．５〜５μｍの範囲内の赤外線を透過し、かつ波長８〜１１μｍの範囲内の赤外線を透過する多層膜をコーティングし、他方の面に波長３〜５μｍの範囲内と８〜１１μｍの範囲内の両方の帯域に反射防止特性を有する多層膜をコーティングすることを特徴とするものである。
【００３３】
図８は、本ビームスプリッタの使用法の一例を示したものである。ＺｎＳ基板１３の赤外線の入射面側に波長３．５〜５μｍの範囲内の赤外線を透過し、かつ、波長８〜１１μｍの範囲内の赤外線を反射する多層膜２０を、また出射面側に波長３〜５μｍの範囲内と８〜１２μｍの範囲内の両方の帯域に反射防止特性を有する多層膜２１を配したものである。そのため、入射した赤外線１６のうち波長８〜１１μｍの範囲内の赤外線２２は反射、波長３．５〜５μｍの範囲内の赤外線２３は透過することにより、この２つの波長帯域が分離される。しかも、出射面側の反射防止膜は波長３〜５μｍと８〜１２μｍの両方の帯域で反射防止特性を有しているので、出射面側での赤外線の反射２４は小さく（すなわち基板内の多重反射の小さい）ビームスプリッタとして良好な特性をうることができる。
【００３４】
なお、ＺｎＳ基板にコーティングされるこれらの特性を有する光学膜は、すでに述べてきた本発明の赤外域用光学膜が適用できることはいうまでもない。
【００３５】
赤外域用の光学膜の形成法については、とくに限定されないが、たとえば真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などがあげられる。なかでも光学多層膜の形成を目的とした真空蒸着法が膜厚のコントロールと膜厚の均一性の点から好ましい。以下、該方法および該方法を実施するばあいの真空蒸着装置について説明する。
【００３６】
図９は、その蒸着装置の一例の断面説明図を示す。図９において、３３は高真空をうるための真空容器、２５は蒸着すべき基板２６を取り付けるための基板取り付けドームで、蒸着中は膜の均一性を向上させるために回転される。２７は蒸着物質を入れるるつぼで、必要な材料と量をるつぼに入れたのち、るつぼ回転ステージ２８に配置する。るつぼ２７はるつぼ回転ステージ２８によって、蒸着されるべき物質の入ったるつぼが電子銃２９から放出される電子ビームの当たる位置に移動される。電子ビームによって加熱され、蒸発した物質は基板２６の表面に蒸着され、膜となる。この蒸着膜の厚さは、真空容器３３の上方に取り付けられた反射式光学膜厚計３０により、モニタ用ガラス基板３１の膜厚を計測することによって測定され、所望の厚さになったときシャッタ３２が閉じる。以下、同様にして順次異なる層の蒸着膜を所定の厚さだけ形成することによって、本発明の赤外域用光学膜がえられる。
【００３７】
なお、後述する各実施例における電子ビーム蒸着法は、前記方法により行ったが、蒸着物質の加熱には電子ビーム法だけでなく、金属製のるつぼに電流を流して加熱する抵抗加熱法をも用いることができる。また、光学式膜厚計としても、反射式だけでなく、真空容器の下部に光源を設けた透過式膜厚計をも用いることができる。
【００３８】
つぎに、具体的な実施例により、本発明の赤外域用光学膜と光学素子について、さらに詳細に説明する。
【００３９】
［実施例１〜７］
直径３０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの両面を研磨したＧｅ製の基板を、蒸着装置の基板取り付けドームに取り付け、真空度１×１０-4ｔｏｒｒ以下で、電子ビーム蒸着法によって基板から順に表１記載の材料と光学膜厚を有する膜を積層して赤外域用反射防止膜を形成した。なお、光学膜厚を決めるための屈折率値は赤外線の波長７．５μｍ近傍での値を使うこととした。
【００４０】
基板の反対の面についても同じ手順により蒸着を行い、赤外域の反射防止膜を両面に形成したＧｅ基板をそれぞれえた。
【００４１】
えられた基板の透過率を、フーリエ変換赤外分光光度計（日本電子（株）製ＪＩＲ−７０００）により測定した。その分光透過率曲線を図１０〜１６に示す。
【００４２】
［実施例８〜１１］
直径３０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの両面を研磨したＧｅ製の基板を、実施例１〜７と同様の方法によって、基板の両面に表２記載の材料と光学膜厚を有する膜を積層して赤外域用反射防止膜を形成した。えられた基板の透過率を、実施例１〜７と同様の方法により測定した。その分光透過率曲線を図１７〜２０に示す。
【００４３】
［実施例１２〜１９］
直径３０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの両面を研磨したＺｎＳ製の基板を、実施例１〜７と同様の方法によって、基板の両面に表３記載の材料と光学膜厚を有する膜を積層して赤外域用反射防止膜を形成した。えられた基板の透過率を、実施例１〜７と同様の方法により測定した。その分光透過率曲線を図２１〜２８に示す。
【００４４】
［実施例２０〜２３］
直径３０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの両面を研磨したＺｎＳ製の基板を、実施例１〜７と同様の方法によって、基板の両面に表４記載の材料と光学膜厚を有する膜を積層して赤外域用反射防止膜を形成した。えられた基板の透過率を実施例１〜７と同様の方法により測定した。その分光透過率曲線を図２９〜３２に示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
【表３】
【００４８】
【表４】
【００４９】
図１０〜３２に示す透過率の測定結果から、本発明の実施例のばあいには、所望する透過帯域において高い透過率がえられていることがわかる。
【００５０】
［実施例２４〜３０］
直径５０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの両面を研磨したＺｎＳ製の基板を、蒸着装置の基板取り付けドームに取り付け、真空度１×１０-4ｔｏｒｒ以下で、電子ビーム蒸着法によって基板から順に表５〜７記載の材料と光学膜厚を有する膜を積層してビームスプリッタ用の光学膜を基板の片面に形成した。
【００５１】
えられた基板の分光透過率と分光反射率を、フーリエ変換赤外分光光度計（日本電子（株）製ＪＩＲ−７０００）と反射測定ホルダ（日本電子（株）製ＩＲ−ＲＳＣ１００）により測定した。その分光透過率曲線および分光反射率曲線を図３３〜３９に示す。
【００５２】
［実施例３１〜３７］
直径５０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの両面を研磨したＺｎＳ製の基板を、実施例２４〜３０と同様の方法によって、表８〜１１記載の材料と光学膜厚を有する膜を積層してビームスプリッタ用の光学膜を形成した。えられた基板の分光透過率と分光反射率を、実施例２４〜３０と同様の方法により測定した。その分光透過率曲線および分光反射率曲線を図４０〜４７に示す。
【００５３】
【表５】
【００５４】
【表６】
【００５５】
【表７】
【００５６】
【表８】
【００５７】
【表９】
【００５８】
【表１０】
【００５９】
【表１１】
【００６０】
図３３〜３９に示す透過率と反射率の測定結果から、本発明の実施例のばあいには、波長３〜５μｍの範囲内で高い反射率を有し、かつ、波長８〜１２μｍの範囲内で高い透過率を有するビームスプリッタ用の光学膜がえられていることがわかる。
【００６１】
また、図４０〜４７に示す透過率と反射率の測定結果から、本発明の実施例のばあいには、波長３．５〜５μｍの範囲内で高い透過率を有し、かつ、波長８〜１１μｍの範囲内で高い反射率を有するビームスプリッタ用の光学膜がえられていることがわかる。
【００６２】
［実施例３９］
直径５０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの両面を研磨したＺｎＳ製の基板に対し、基板の片面には実施例１２にしたがった反射防止膜、他の面には実施例２４にしたがった光学膜を形成し、波長３〜５μｍの範囲内の赤外線を反射し、かつ、波長８〜１２μｍの範囲内の赤外線を透過することにより２つの波長帯域を分離するビームスプリッタを作製した。
【００６３】
作製したビームスプリッタの入射角４５°の透過率と反射率を、フーリエ変換赤外分光光度計（日本電子（株）製ＪＩＲ−７０００）と角度可変型反射測定ホルダ（ＩＲ−ＲＳＣ１１０）により測定した。入射角を４５°としたのは、反射光を透過光に対し９０°の方向変換を行うことにより赤外線の分離を試みたためである。測定結果を図４８に示す。
【００６４】
［実施例４０］
直径５０ｍｍφ、厚さ１ｍｍの両面を研磨したＺｎＳ製の基板に対し、基板の片面には実施例１３にしたがった反射防止膜、他の面には実施例３１にしたがった光学膜を形成し、波長３．５〜５μｍの範囲内の赤外線を透過し、かつ、波長８〜１１μｍの範囲内の赤外線を反射することにより２つの波長帯域を分離するビームスプリッタを作製した。
【００６５】
作製したビームスプリッタの入射角４５度の透過率と反射率を、実施例３９と同様の方法により測定した。測定結果を図４９に示す。
【００６６】
図４８に示す透過率と反射率の測定結果から、本発明の実施例のばあいには、入射角４５°の入射赤外線の波長３〜５μｍの範囲を反射、波長８〜１２μｍの範囲を透過し、反射光は透過光に対し９０°方向となるビームスプリッタがえられていることがわかる。
【００６７】
また、図４９に示す透過率と反射率の測定結果から、本発明の実施例のばあいには、入射角４５°の入射赤外線の波長３．５〜５μｍの範囲を透過、波長８〜１１μｍの範囲を反射し、反射光は透過光に対し９０°方向となるビームスプリッタがえられていることがわかる。
【００６８】
【発明の効果】
また、本発明による反射防止膜によれば、基板をＺｎＳとして、基板からの第１層目がＳｉまたはＧｅ、第２層目がＺｎＳ、第３層目がＳｉまたはＧｅ、第４層目がＺｎＳ、第５層目がＹ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＴｉＯ2またはＺｒＯ2から選ばれる金属酸化物、第６層目がＹＦ3、ＣｅＦ3、ＣａＦ2またはクライオライト（Ｎａ3ＡｌＦ6）から選ばれる金属フッ化物であるように形成したので、波長範囲３〜５μｍと８〜１２μｍの両方の帯域で反射防止効果のある赤外域用反射防止膜がえられる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の赤外域用反射防止膜の実施例の構造を示す断面説明図である。
【図２】 本発明の赤外域用反射防止膜の別の実施例の構造を示す断面説明図である。
【図３】 本発明の赤外域用反射防止膜の別の実施例の構造を示す断面説明図である。
【図４】 本発明の赤外域用反射防止膜の別の実施例の構造を示す断面説明図である。
【図５】 本発明のビームスプリッタ用光学膜の一実施例の構造を示す断面説明図である。
【図６】 本発明のビームスプリッタ用光学膜の他の実施例の構造を示す断面説明図である。
【図７】 本発明のビームスプリッタを説明する図である。
【図８】 本発明の他のビームスプリッタを説明する図である。
【図９】 本発明の赤外域用光学膜の製造に用いられる蒸着装置の一例の断面説明図である。
【図１０】 本発明の実施例１でえられた赤外域用反射防止膜を有するＧｅ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図１１】 本発明の実施例２でえられた赤外域用反射防止膜を有するＧｅ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図１２】 本発明の実施例３でえられた赤外域用反射防止膜を有するＧｅ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図１３】 本発明の実施例４でえられた赤外域用反射防止膜を有するＧｅ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図１４】 本発明の実施例５でえられた赤外域用反射防止膜を有するＧｅ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図１５】 本発明の実施例６でえられた赤外域用反射防止膜を有するＧｅ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図１６】 本発明の実施例７でえられた赤外域用反射防止膜を有するＧｅ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図１７】 本発明の実施例８でえられた赤外域用反射防止膜を有するＧｅ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図１８】 本発明の実施例９でえられた赤外域用反射防止膜を有するＧｅ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図１９】 本発明の実施例１０でえられた赤外域用反射防止膜を有するＧｅ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図２０】 本発明の実施例１１でえられた赤外域用反射防止膜を有するＧｅ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図２１】 本発明の実施例１２でえられた赤外域用反射防止膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図２２】 本発明の実施例１３でえられた赤外域用反射防止膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図２３】 本発明の実施例１４でえられた赤外域用反射防止膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図２４】 本発明の実施例１５でえられた赤外域用反射防止膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図２５】 本発明の実施例１６でえられた赤外域用反射防止膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図２６】 本発明の実施例１７でえられた赤外域用反射防止膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図２７】 本発明の実施例１８でえられた赤外域用反射防止膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図２８】 本発明の実施例１９でえられた赤外域用反射防止膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図２９】 本発明の実施例２０でえられた赤外域用反射防止膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図３０】 本発明の実施例２１でえられた赤外域用反射防止膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図３１】 本発明の実施例２２でえられた赤外域用反射防止膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図３２】 本発明の実施例２３でえられた赤外域用反射防止膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光透過率を示す図である。
【図３３】 本発明の実施例２４でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図３４】 本発明の実施例２５でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図３５】 本発明の実施例２６でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図３６】 本発明の実施例２７でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図３７】 本発明の実施例２８でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図３８】 本発明の実施例２９でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図３９】 本発明の実施例３０でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図４０】 本発明の実施例３１でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図４１】 本発明の実施例３２でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図４２】 本発明の実施例３３でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図４３】 本発明の実施例３４でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図４４】 本発明の実施例３５でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図４５】 本発明の実施例３６でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図４６】 本発明の実施例３７でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図４７】 本発明の実施例３８でえられたビームスプリッタ用光学膜を有するＺｎＳ基板の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図４８】 本発明の実施例３９でえられたＺｎＳを基板とするビームスプリッタの入射角４５°の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【図４９】 本発明の実施例４０でえられたＺｎＳを基板とするビームスプリッタの入射角４５°の赤外線分光反射率および分光透過率を示す図である。
【符号の説明】
１ Ｇｅ基板、２ ＺｎＳ層、３ ＳｉまたはＧｅ層、４ 金属酸化物層、５金属フッ化物層、６ ＺｎＳ基板、７ Ｓｉ層、８ ＺｎＳｅ層、９ ＺｎＳまたはＴｉＯ2層、１０ Ｙ2Ｏ3またはＳｃ2Ｏ3層、１１ Ｇｅ層、１２ ＴｉＯ2またはＺｒＯ2層、１３ ＺｎＳ基板、１４ ３〜５μｍ反射および８〜１２μｍ透過の光学膜、１５ ３〜５μｍおよび８〜１２μｍの反射防止膜、１６ 入射赤外線、１７ 基板の入射面で反射した３〜５μｍ赤外線、１８ 透過した８〜１２μｍ赤外線、１９ 基板の出射面で反射した赤外線、 ０ ３．５〜５μｍ透過および８〜１１μｍ反射の光学膜、２１ ３．５〜５μｍおよび８〜１１μｍの反射防止膜、２２ 基板の入射面で反射した８〜１１μｍの赤外線、２３ 透過した３．５〜５μｍ赤外線、２４ 基板の出射面で反射した赤外線、２５ 基板取り付けドーム、２６ 基板、２７ るつぼ、 ２８ 回転ステージ、２９ 電子銃、３０ 反射式光学膜厚計、３１ モニタ用ガラス基板、３２ シャッタ、３３ 真空容器。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an optical film in the infrared region.
[0002]
[Prior art]
Infrared detectors and infrared cameras used in recent defense equipment such as aircraft, missiles, ships, and tanks are becoming increasingly sophisticated. For example, widening of the detection device and multiband detection of a plurality of bands are one of them, and an infrared wavelength range (hereinafter referred to as an atmospheric window) that easily transmits infrared rays in the atmosphere (small absorption by the atmosphere) By having detection capability over both 3-5 μm and 8-12 μm, or all bands in the wavelength range 3-12 μm, the detection performance and anti-jamming capability can be greatly improved. . However, in order to realize these, it is important to improve the transmittance of the lens forming the optical system of the apparatus and the characteristics of the filter. In the present specification, a wavelength range of 3 to 12 μm is referred to as an infrared region.
[0003]
In the conventional technology, for an antireflection film for infrared region, an antireflection effect only in the wavelength range of 3 to 5 μm in the atmospheric window, a slightly expanded one, or a wavelength Some of them aimed at the antireflection effect only in the range of 8 to 12 μm, and some of them were slightly enlarged. Also for the filters, there have been long-wavelength transmission filters, short-wavelength transmission filters, bandpass filters, and the like for the purpose of preventing infrared intrusion other than the band.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-6-313802
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
It is obvious that such a conventional technique cannot be used as an antireflection film for a lens or window of an optical apparatus in which detection of both bands of the wavelength range of 3 to 5 μm and 8 to 12 μm is performed by one optical system. . Also for the filter, such an optical system often has two types of infrared sensors for the wavelength range of 3 to 5 μm and 8 to 12 μm, but the incident wavelength ranges of 3 to 5 μm and 8 to 12 μm. Infrared light is separated into two wavelength bands and cannot be used as an optical element that branches into a sensor for a wavelength range of 3 to 5 μm and a sensor for a wavelength of 8 to 12 μm. An optical element for the purpose of separation into two wavelength bands of 3 to 5 μm and 8 to 12 μm is hereinafter referred to as a beam splitter. It should be noted that a typical beam splitter is different from splitting light using 50% reflection and 50% transmission characteristics for the desired wavelength band.
[0006]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has a lens system that transmits both the wavelength ranges of 3 to 5 μm and 8 to 12 μm, and the wavelength ranges of 3 to 5 μm and 8 to 12 μm. For an optical device having two sensors, an antireflection film excellent in antireflection characteristics in both the wavelength range of 3 to 5 μm and the band of 8 to 12 μm, reflects the wavelength range of 3 to 5 μm, and transmits 8 to 12 μm. And an optical multilayer film for a beam splitter that separates the two bands, and an optical for a beam splitter that transmits the wavelength range of 3.5 to 5 μm and reflects the 8 to 11 μm to separate the two bands. An object of the present invention is to provide a multilayer film and a beam splitter element. In this specification, such an optical multilayer film refers to a multilayer film having a property of laminating a plurality of thin films to reflect or transmit light of a specific wavelength. In the latter optical multilayer film for a beam splitter, the wavelength range is set to 3.5 to 5 μm instead of 3 to 5 μm, and the wavelength range is set to 8 to 11 μm instead of 8 to 12 μm. This is because it is optically impossible to simultaneously satisfy both the transmission band in the wavelength range of 3 to 5 μm and the reflection band of 8 to 12 μm. Therefore, although the band to be separated is narrower than that of the former, it is sufficiently effective for the purpose of the present invention.
[0007]
Further, it should be emphasized that the prior art filter cannot be applied as it is to the object of the present invention. Among the prior art filters, for example, in the long wavelength transmission filter, an important problem is that the short wavelength side of the desired transmission band. Is to cut as sharply as possible. For this reason, design should be made so that a high reflection band that blocks light transmission and a transmission band that transmits light appear just next to each other, or a stop band is provided by absorption away from the transmission band. There is. That is, the long wavelength transmission filter is designed so as to have a high transmittance with respect to the transmittance of a desired wavelength, but the reflectance is generally not particularly considered.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The antireflection film for infrared region of the present invention is an optical film for infrared region formed on a substrate made of ZnS. The first layer from the substrate is Si or Ge, the second layer is ZnS, and the third layer. Is Si or Ge, the fourth layer is ZnS, and the fifth layer is Y 2 O Three , Sc 2 O Three , HfO 2 TiO 2 Or ZrO 2 The metal oxide selected from the sixth layer is YF Three , CeF Three , CaF 2 Or cryolite (Na Three AlF 6 It is a metal fluoride chosen from these.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the infrared optical film and optical element of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0010]
1 to 4 are cross-sectional explanatory views showing the structure of an embodiment of the antireflection film for infrared region of the present invention. 5 and 6 are cross-sectional explanatory views showing the structure of an embodiment of the optical film for a beam splitter of the present invention. 7 and 8 are explanatory diagrams of the beam splitter of the present invention. FIG. 9 is a cross-sectional explanatory view of an example of a vapor deposition apparatus used for manufacturing the infrared optical film of the present invention. 10 to 32 are diagrams showing infrared spectral transmittances of the Ge substrate and the ZnS substrate having the antireflection film for infrared region obtained in each of Examples 1 to 23 of the present invention. 33 to 47 are diagrams showing infrared spectral transmittances of ZnS substrates having optical beams for beam splitters obtained in Examples 24 to 38 of the present invention, respectively. FIGS. 48 to 49 are diagrams showing the infrared spectral reflectance and the spectral transmittance at an incident angle of 45 ° of the beam splitter using ZnS as a substrate obtained in Examples 39 to 40 of the present invention, respectively.
[0011]
First, as shown in FIG. 1, the antireflection film for infrared region of the present invention has a ZnS layer 2, a Si or Ge layer 3, a ZnS layer 2, a metal oxide in order, using a Ge lens or window as a substrate 1. The physical layer 4 and the metal fluoride layer 5 are arranged. In addition, the infrared region in the present invention means a range of wavelength 3 to 12 μm, and depending on cases, it is divided into two ranges of wavelength 3 to 5 μm and wavelength 8 to 12 μm, which are windows of the atmosphere.
[0012]
In addition, as shown in FIG. 2, the antireflection film for infrared region according to the present invention includes, as a substrate, a ZnS lens or window, a Si or Ge layer 3, a ZnS layer 2, a Si or Ge layer. 3, the ZnS layer 2, the metal oxide layer 4, and the metal fluoride layer 5 are arranged.
[0013]
In addition, as shown in FIG. 3, the antireflection film for infrared region of the present invention has a Si lens 7, a ZnS layer 2, a metal oxide layer 4, It is characterized in that the metal fluoride layer 5 is provided.
[0014]
Further, as shown in FIG. 4, another antireflection film for infrared region of the present invention uses a ZnS lens or window as a substrate 6, and in order, a ZnSe layer 8, ZnS or TiO. 2 Layer 9, Y 2 O Three Or Sc 2 O Three It is characterized in that the layer 10 and the metal fluoride layer 5 are arranged.
[0015]
The method of arranging these materials was selected as a result of earnest research from all combinations by repeating the calculation and trial production of the optical multilayer film by a computer so that the inventors could meet the purpose of the present invention. Is.
[0016]
As the metal oxide layer, for example, Al 2 O Three , Sb 2 O Three , HfO 2 , In 2 O Three , Nd 2 O Three , Sc 2 O Three , SiO, Ta 2 O Three TiO 2 , Y 2 O Three , ZrO 2 , ThO 2 Among them, Y is because it is transparent to light having a wavelength of 3 to 12 μm, the refractive index of the material, and no toxicity. 2 O Three , Sc 2 O Three , HfO 2 TiO 2 , ZrO 2 It is preferable that it is 1 type chosen from.
[0017]
Examples of the metal fluoride include MgF. 2 , CeF Three , YF Three , CaF 2 , Cryolite, AlF Three , LiF 2 , BaF 2 , ThF Four In view of the fact that it is transparent to light with a wavelength of 3 to 12 μm, the refractive index and toxicity of the material, and the durability as the outermost layer of the multilayer film, YF Three , CeF Three , CaF 2 Or it is preferable that it is 1 type chosen from cryolite.
[0018]
On the other hand, as shown in FIG. 5, the optical multilayer film for a beam splitter of the present invention has an odd number of 17 layers or more and 73 layers or less alternately on a ZnS substrate 6 by alternately placing Ge layers 11 and ZnS layers 2 in order from the substrate. It is characterized in that it is laminated twice and a metal oxide layer 4 is further laminated thereon.
[0019]
The Ge layer and the ZnS layer may have any structure as long as the film thickness and the number of layers are selected so as to reflect infrared rays having a wavelength range of 3 to 5 μm. It is possible to determine the film thickness and the number of layers by repeating the characteristic prediction and the trial production.
[0020]
The metal oxide layer reduces ripples in the transmission band outside the reflection band due to the alternating layers of Ge and ZnS. As such a metal oxide layer, for example, Al 2 O Three , Sb 2 O Three , HfO 2 , In 2 O Three , Nd 2 O Three , Sc 2 O Three , SiO, Ta 2 O Three TiO 2 , Y 2 O Three , ZrO 2 , ThO 2 Oxides such as the above can be mentioned, and it is transparent in the wavelength range of 3 to 12 μm, the refractive index of the material, and the absence of toxicity. 2 O Three , Sc 2 O Three , HfO 2 TiO 2 , ZrO 2 It is preferable that it is 1 type chosen from these.
[0021]
If the infrared optical multilayer film of the present invention is to have good reflection characteristics in the wavelength range of 3 to 5 μm and good transmission characteristics in the wavelength range of 8 to 12 μm, the first layer of Ge The optical film thickness is 0.56 μm, and at least 7 to 35 alternating layers of ZnS and Ge from the second layer are stacked an odd number of times, the optical film thickness is all 1.13 μm, and the Ge layer optical The film thickness is 1.00 μm, and alternating layers of ZnS and Ge are stacked at an odd number of times not less than 7 and not more than 35 layers, the optical film thickness is all 0.88 μm, and the Ge optical film thickness is 0 It is preferable that the optical film thickness of the metal oxide layer on top of .44 μm is 2.69 μm.
[0022]
Although these optical film thicknesses are desired to be as close as possible to the above-mentioned numerical values, even if an error of about ± 8% occurs in manufacturing, sufficient characteristics can be obtained.
[0023]
In addition, as shown in FIG. 6, another optical multilayer film for infrared region according to the present invention is formed on a ZnS substrate 6 with a TiO 2 as the first layer from the substrate. 2 Layer or ZrO 2 The layer 12 is laminated, and a ZnS layer and a Ge layer are alternately laminated thereon in an odd number of times not less than 7 and not more than 51 layers, and a metal fluoride layer is further laminated thereon.
[0024]
The lamination of the ZnS layer and the Ge layer may have any configuration as long as the film thickness and the number of layers are selected so as to reflect infrared rays within a wavelength range of 8 to 11 μm. It is possible to determine the film thickness and the number of layers by repeating the characteristic prediction and trial production by the above calculation.
[0025]
However, when the alternating layer of ZnS and Ge is selected so as to reflect infrared rays within a wavelength range of 8 to 12 μm, which is a wider band, a high reflection band having a high light reflectivity has a wavelength range of 3 to 4 μm. It occurs even in the meantime, and high transmittance cannot be expected in this wavelength band. When limited to a band in the wavelength range of 8 to 11 μm, the high reflection band is limited to 3.5 μm or less, which is not perfect for the purpose of the present invention, but is well matched.
[0026]
The first layer of TiO 2 Or ZrO 2 The outermost metal fluoride layer and the outermost metal fluoride layer reduce the ripple of the transmission band outside the high reflection band by alternating layers of Ge and ZnS. TiO as the first layer 2 Or ZrO 2 Is selected because it has a preferable refractive index in reducing ripple. As the outermost metal fluoride layer, MgF 2 , CeF Three , YF Three , CaF 2 , Cryolite, AlF Three , LiF 2 , BaF 2 Or ThF Four Metal fluorides such as YF can be used, but considering the transparency in the wavelength range of 3 to 12 μm, the refractive index and toxicity of the material, and the durability as the outermost layer of the multilayer film, YF Three , CeF Three , CaF 2 Or it is preferable that it is 1 type chosen from cryolite.
[0027]
In the case where it is desired to give the optical multilayer film for infrared region of the present invention good transmission characteristics in the wavelength range of 3.5 to 5 μm and good reflection characteristics in the wavelength range of 8 to 11 μm, 1st layer TiO 2 Or ZrO 2 An optical film thickness of 1.00 μm, a ZnS layer of the second layer is 1.15 μm, and alternating layers of Ge and ZnS layers from the third layer are laminated an odd number of times from 5 to 49 layers. It is preferable that all are 2.30 μm, the optical film thickness of the ZnS layer is 1.15 μm, and the optical film thickness of the metal fluoride layer thereon is 0.59 μm.
[0028]
These optical film thicknesses are desired to be as close as possible to the above-mentioned numerical values, but sufficient characteristics can be obtained even if an error of about ± 8% occurs in manufacturing.
[0029]
Next, the infrared beam splitter of the present invention will be described.
[0030]
The infrared beam splitter of the present invention uses a parallel plate of ZnS as a substrate, and reflects multiple infrared rays within a wavelength range of 3 to 5 μm and transmits infrared rays within a wavelength range of 8 to 12 μm on one side of the substrate. The film is coated, and the other surface is coated with a multilayer film having antireflection properties in both bands in the wavelength range of 3 to 5 μm and in the range of 8 to 12 μm.
[0031]
FIG. 7 shows an example of how to use the present beam splitter. A multilayer film 14 that reflects infrared rays within a wavelength range of 3 to 5 μm and transmits infrared rays within a wavelength range of 8 to 12 μm on the infrared incident surface side of the ZnS substrate 13, and has a wavelength of 3 to 3 on the emission surface side. The multilayer film 15 having antireflection characteristics is disposed in both the band within the range of 5 μm and the range of 8 to 12 μm. Therefore, among the incident infrared rays 16, the infrared rays 17 within the wavelength range of 3 to 5 μm are reflected, and the infrared rays 18 within the wavelength range of 8 to 12 μm are transmitted, whereby the two wavelength bands are separated. Moreover, since the antireflection film on the exit surface side has antireflection characteristics in both bands in the wavelength range of 3 to 5 μm and in the range of 8 to 12 μm, the infrared reflection 19 on the exit surface side is small ( That is, it is possible to obtain good characteristics as a beam splitter having a small multiple reflection that repeats reflection between the two surfaces of the substrate.
[0032]
In addition, another infrared beam splitter of the present invention uses a parallel plate of ZnS as a substrate, transmits infrared light in a wavelength range of 3.5 to 5 μm to one side of the substrate, and in a wavelength range of 8 to 11 μm. A multilayer film that transmits infrared rays is coated, and the other surface is coated with a multilayer film having antireflection characteristics in both bands in the wavelength range of 3 to 5 μm and in the range of 8 to 11 μm. It is.
[0033]
FIG. 8 shows an example of how to use this beam splitter. A multilayer film 20 that transmits infrared rays within a wavelength range of 3.5 to 5 μm and reflects infrared rays within a wavelength range of 8 to 11 μm is formed on the infrared incident surface side of the ZnS substrate 13 and has a wavelength on the emission surface side. The multilayer film 21 having the antireflection characteristic is disposed in both the band of 3 to 5 μm and the band of 8 to 12 μm. Therefore, among the incident infrared rays 16, the infrared rays 22 within the wavelength range of 8 to 11 μm are reflected and the infrared rays 23 within the wavelength range of 3.5 to 5 μm are transmitted, so that these two wavelength bands are separated. In addition, since the antireflection film on the exit surface side has antireflection characteristics in both the wavelength bands of 3 to 5 μm and 8 to 12 μm, the infrared reflection 24 on the exit surface side is small (that is, the multiplexing within the substrate). Good characteristics as a beam splitter (low reflection) can be obtained.
[0034]
Needless to say, the optical film for infrared region of the present invention described above can be applied to the optical film having these characteristics coated on the ZnS substrate.
[0035]
The method for forming the optical film for the infrared region is not particularly limited, and examples thereof include a vacuum deposition method, an ion plating method, a sputtering method, and a CVD method. Of these, vacuum deposition for the purpose of forming an optical multilayer film is preferable from the viewpoints of film thickness control and film thickness uniformity. Hereinafter, the method and a vacuum deposition apparatus when the method is performed will be described.
[0036]
FIG. 9 shows a cross-sectional explanatory diagram of an example of the vapor deposition apparatus. In FIG. 9, 33 is a vacuum vessel for obtaining a high vacuum, 25 is a substrate mounting dome for mounting a substrate 26 to be deposited, and is rotated during deposition to improve the uniformity of the film. Reference numeral 27 denotes a crucible for depositing a vapor deposition substance. After a necessary material and amount are placed in the crucible, the crucible is placed on the crucible rotating stage 28. The crucible 27 is moved by the crucible rotating stage 28 to a position where the crucible containing the material to be deposited is hit by the electron beam emitted from the electron gun 29. The substance heated and evaporated by the electron beam is deposited on the surface of the substrate 26 to form a film. The thickness of the deposited film is measured by measuring the film thickness of the monitor glass substrate 31 with a reflective optical film thickness meter 30 attached above the vacuum vessel 33, and when the thickness reaches a desired thickness. The shutter 32 is closed. In the same manner, the infrared film of the present invention can be obtained by sequentially forming vapor deposition films of different layers to a predetermined thickness in the same manner.
[0037]
In addition, although the electron beam vapor deposition method in each Example described later was performed by the above method, not only the electron beam method but also a resistance heating method in which a current is supplied to a metal crucible for heating the vapor deposition material. Can be used. Further, as the optical film thickness meter, not only a reflection type but also a transmission type film thickness meter provided with a light source at the lower part of the vacuum vessel can be used.
[0038]
Next, the infrared optical film and optical element of the present invention will be described in more detail by way of specific examples.
[0039]
[Examples 1 to 7]
A Ge substrate polished on both sides with a diameter of 30 mmφ and a thickness of 1 mm is attached to the substrate mounting dome of the vapor deposition apparatus, and the degree of vacuum is 1 × 10. -Four Below the torr, an antireflection film for infrared region was formed by laminating the materials shown in Table 1 and films having an optical film thickness in order from the substrate by electron beam evaporation. The refractive index value for determining the optical film thickness is a value near the infrared wavelength of 7.5 μm.
[0040]
Vapor deposition was performed on the opposite side of the substrate by the same procedure, and Ge substrates each having an infrared antireflection film formed on both sides were obtained.
[0041]
The transmittance of the obtained substrate was measured with a Fourier transform infrared spectrophotometer (JIR-7000, manufactured by JEOL Ltd.). The spectral transmittance curves are shown in FIGS.
[0042]
[Examples 8 to 11]
A Ge substrate polished on both sides with a diameter of 30 mmφ and a thickness of 1 mm was laminated by laminating films having materials and optical film thicknesses shown in Table 2 on both sides of the substrate in the same manner as in Examples 1 to 7. An antireflection film was formed. The transmittance of the obtained substrate was measured by the same method as in Examples 1-7. The spectral transmittance curves are shown in FIGS.
[0043]
[Examples 12 to 19]
A ZnS substrate having a diameter of 30 mmφ and a thickness of 1 mm polished on both sides of the substrate is laminated with a film having the material and optical film thickness described in Table 3 on both sides of the substrate in the same manner as in Examples 1 to 7. An antireflection film was formed. The transmittance of the obtained substrate was measured by the same method as in Examples 1-7. The spectral transmittance curves are shown in FIGS.
[0044]
[Examples 20 to 23]
A substrate made of ZnS having a diameter of 30 mmφ and a thickness of 1 mm, polished on both sides, was laminated with a film having the material and optical film thickness shown in Table 4 on both sides of the substrate by the same method as in Examples 1 to 7. An antireflection film was formed. The transmittance of the obtained substrate was measured by the same method as in Examples 1-7. The spectral transmittance curves are shown in FIGS.
[0045]
[Table 1]
[0046]
[Table 2]
[0047]
[Table 3]
[0048]
[Table 4]
[0049]
From the measurement results of the transmittance shown in FIGS. 10 to 32, it can be seen that, in the case of the example of the present invention, a high transmittance is obtained in the desired transmission band.
[0050]
[Examples 24 to 30]
A ZnS substrate polished on both sides with a diameter of 50 mmφ and a thickness of 1 mm is attached to the substrate mounting dome of the vapor deposition apparatus, and the degree of vacuum is 1 × 10. -Four Below the torr, an optical film for a beam splitter was formed on one side of the substrate by laminating the materials listed in Tables 5 to 7 and a film having an optical film thickness in order from the substrate by electron beam evaporation.
[0051]
Spectral transmittance and spectral reflectance of the obtained substrate were measured with a Fourier transform infrared spectrophotometer (JIR-7000, manufactured by JEOL Ltd.) and a reflection measurement holder (IR-RSC100, manufactured by JEOL Ltd.). . The spectral transmittance curve and the spectral reflectance curve are shown in FIGS.
[0052]
[Examples 31 to 37]
A substrate made of ZnS having a diameter of 50 mmφ and a thickness of 1 mm, polished on both sides, is laminated with the materials described in Tables 8 to 11 and films having an optical film thickness by the same method as in Examples 24 to 30. An optical film was formed. The spectral transmittance and spectral reflectance of the obtained substrate were measured by the same method as in Examples 24-30. The spectral transmittance curve and the spectral reflectance curve are shown in FIGS.
[0053]
[Table 5]
[0054]
[Table 6]
[0055]
[Table 7]
[0056]
[Table 8]
[0057]
[Table 9]
[0058]
[Table 10]
[0059]
[Table 11]
[0060]
From the measurement results of the transmittance and the reflectance shown in FIGS. 33 to 39, in the case of the example of the present invention, it has a high reflectance in the wavelength range of 3 to 5 μm and the wavelength range of 8 to 12 μm. It can be seen that an optical film for a beam splitter having a high transmittance is obtained.
[0061]
Further, from the measurement results of the transmittance and reflectance shown in FIGS. 40 to 47, in the case of the example of the present invention, the transmittance is high within the wavelength range of 3.5 to 5 μm, and the wavelength of 8 It can be seen that an optical film for a beam splitter having a high reflectance within a range of ˜11 μm is obtained.
[0062]
[Example 39]
With respect to a ZnS substrate polished on both sides with a diameter of 50 mmφ and a thickness of 1 mm, an antireflection film according to Example 12 is formed on one side of the substrate, and an optical film according to Example 24 is formed on the other side. A beam splitter that separates two wavelength bands by reflecting infrared rays within a wavelength range of 3 to 5 μm and transmitting infrared rays within a wavelength range of 8 to 12 μm was produced.
[0063]
The transmittance and reflectance at an incident angle of 45 ° of the produced beam splitter were measured with a Fourier transform infrared spectrophotometer (JIR-7000, manufactured by JEOL Ltd.) and an angle variable reflection measurement holder (IR-RSC110). . The reason why the incident angle is set to 45 ° is that the infrared rays are separated by changing the direction of the reflected light by 90 ° with respect to the transmitted light. The measurement results are shown in FIG.
[0064]
[Example 40]
For a ZnS substrate polished on both sides with a diameter of 50 mmφ and a thickness of 1 mm, an antireflection film according to Example 13 is formed on one side of the substrate, and an optical film according to Example 31 is formed on the other side. A beam splitter that separates two wavelength bands by transmitting infrared rays within a wavelength range of 3.5 to 5 μm and reflecting infrared rays within a wavelength range of 8 to 11 μm was produced.
[0065]
The transmittance and reflectance at an incident angle of 45 degrees of the produced beam splitter were measured by the same method as in Example 39. The measurement results are shown in FIG.
[0066]
From the measurement results of the transmittance and reflectance shown in FIG. 48, in the case of the example of the present invention, the incident infrared ray having an incident angle of 45 ° reflects the wavelength range of 3 to 5 μm and transmits the wavelength range of 8 to 12 μm. In addition, it can be seen that a beam splitter is obtained in which the reflected light is 90 ° with respect to the transmitted light.
[0067]
Further, from the measurement results of transmittance and reflectance shown in FIG. 49, in the case of the example of the present invention, the incident infrared ray having an incident angle of 45 ° is transmitted through the wavelength range of 3.5 to 5 μm and the wavelength of 8 to 11 μm. It can be seen that a beam splitter is obtained in which the reflected light is reflected at 90 ° with respect to the transmitted light.
[0068]
【The invention's effect】
Further, according to the antireflection film of the present invention, the substrate is made of ZnS, the first layer from the substrate is Si or Ge, the second layer is ZnS, the third layer is Si or Ge, and the fourth layer is ZnS, fifth layer is Y 2 O Three , Sc 2 O Three , HfO 2 TiO 2 Or ZrO 2 The metal oxide selected from the sixth layer is YF Three , CeF Three , CaF 2 Or cryolite (Na Three AlF 6 In other words, an antireflection film for infrared region having an antireflection effect in both the wavelength ranges of 3 to 5 μm and 8 to 12 μm can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view showing the structure of an example of an antireflection film for infrared region according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory cross-sectional view showing the structure of another embodiment of the antireflection film for infrared region of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view showing the structure of another embodiment of the antireflection film for infrared region of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory cross-sectional view showing the structure of another embodiment of the antireflection film for infrared region of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory cross-sectional view showing the structure of an embodiment of an optical film for a beam splitter of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view showing the structure of another embodiment of the optical film for a beam splitter of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a beam splitter according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating another beam splitter of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory cross-sectional view of an example of a vapor deposition apparatus used for manufacturing the optical film for infrared region of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing infrared spectral transmittance of a Ge substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 1 of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing an infrared spectral transmittance of a Ge substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 2 of the present invention.
FIG. 12 is a graph showing the infrared spectral transmittance of a Ge substrate having an infrared antireflection film obtained in Example 3 of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing the infrared spectral transmittance of a Ge substrate having an infrared antireflection film obtained in Example 4 of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing an infrared spectral transmittance of a Ge substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 5 of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing the infrared spectral transmittance of a Ge substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 6 of the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing the infrared spectral transmittance of a Ge substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 7 of the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing an infrared spectral transmittance of a Ge substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 8 of the present invention.
FIG. 18 is a diagram showing an infrared spectral transmittance of a Ge substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 9 of the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing an infrared spectral transmittance of a Ge substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 10 of the present invention.
FIG. 20 is a diagram showing an infrared spectral transmittance of a Ge substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 11 of the present invention.
FIG. 21 is a diagram showing an infrared spectral transmittance of a ZnS substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 12 of the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing an infrared spectral transmittance of a ZnS substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 13 of the present invention.
FIG. 23 is a diagram showing the infrared spectral transmittance of a ZnS substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 14 of the present invention.
FIG. 24 is a view showing the infrared spectral transmittance of a ZnS substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 15 of the present invention.
FIG. 25 is a view showing an infrared spectral transmittance of a ZnS substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 16 of the present invention.
FIG. 26 is a diagram showing the infrared spectral transmittance of a ZnS substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 17 of the present invention.
FIG. 27 is a diagram showing the infrared spectral transmittance of a ZnS substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 18 of the present invention.
FIG. 28 is a diagram showing the infrared spectral transmittance of a ZnS substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 19 of the present invention.
FIG. 29 is a diagram showing the infrared spectral transmittance of a ZnS substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 20 of the present invention.
FIG. 30 is a diagram showing the infrared spectral transmittance of a ZnS substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 21 of the present invention.
FIG. 31 is a diagram showing the infrared spectral transmittance of a ZnS substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 22 of the present invention.
FIG. 32 is a view showing the infrared spectral transmittance of a ZnS substrate having an antireflection film for infrared region obtained in Example 23 of the present invention.
FIG. 33 is a graph showing infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having a beam splitter optical film obtained in Example 24 of the present invention.
FIG. 34 is a diagram showing infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having an optical film for a beam splitter obtained in Example 25 of the present invention.
FIG. 35 is a graph showing infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having an optical film for a beam splitter obtained in Example 26 of the present invention.
FIG. 36 is a graph showing infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having an optical film for a beam splitter obtained in Example 27 of the present invention.
FIG. 37 is a diagram showing the infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having an optical film for a beam splitter obtained in Example 28 of the present invention.
FIG. 38 is a diagram showing infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having an optical film for a beam splitter obtained in Example 29 of the present invention.
FIG. 39 is a graph showing infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having an optical film for a beam splitter obtained in Example 30 of the present invention.
FIG. 40 is a diagram showing the infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having an optical film for a beam splitter obtained in Example 31 of the present invention.
FIG. 41 is a diagram showing the infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having an optical film for a beam splitter obtained in Example 32 of the present invention.
FIG. 42 is a diagram showing an infrared spectral reflectance and a spectral transmittance of a ZnS substrate having an optical film for a beam splitter obtained in Example 33 of the present invention.
FIG. 43 is a graph showing infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having an optical film for a beam splitter obtained in Example 34 of the present invention.
44 is a diagram showing infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having a beam splitter optical film obtained in Example 35 of the present invention. FIG.
FIG. 45 is a diagram showing infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having a beam splitter optical film obtained in Example 36 of the present invention.
46 is a diagram showing infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having a beam splitter optical film obtained in Example 37 of the present invention. FIG.
47 is a graph showing infrared spectral reflectance and spectral transmittance of a ZnS substrate having a beam splitter optical film obtained in Example 38 of the present invention. FIG.
FIG. 48 is a diagram showing the infrared spectral reflectance and spectral transmittance at an incident angle of 45 ° of the beam splitter using ZnS as a substrate obtained in Example 39 of the present invention.
FIG. 49 is a diagram showing infrared spectral reflectance and spectral transmittance at an incident angle of 45 ° of a beam splitter using ZnS as a substrate obtained in Example 40 of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Ge substrate, 2 ZnS layer, 3 Si or Ge layer, 4 metal oxide layer, 5 metal fluoride layer, 6 ZnS substrate, 7 Si layer, 8 ZnSe layer, 9 ZnS or TiO 2 Layer, 10 Y 2 O Three Or Sc 2 O Three Layer, 11 Ge layer, 12 TiO 2 Or ZrO 2 Layer, 13 ZnS substrate, 14 3-5 μm reflective and 8-12 μm transparent optical film, 15 3-5 μm and 8-12 μm anti-reflective film, 16 incident infrared, 17 3-5 μm infrared reflected on the incident surface of the substrate, 18 Infrared 8-12 μm infrared rays, 19 Infrared rays reflected from the exit surface of the substrate, 0 3.5-5 μm transmission and 8-11 μm reflection optical film, 21 3.5-5 μm and 8-11 μm antireflection film, 22 8 to 11 μm infrared reflected by the incident surface of the substrate, 23 transmitted 3.5 to 5 μm infrared, 24 infrared reflected by the outgoing surface of the substrate, 25 substrate mounting dome, 26 substrate, 27 crucible, 28 rotary stage, 29 electrons Gun, 30 reflective optical film thickness meter, 31 glass substrate for monitor, 32 shutter, 33 vacuum vessel.