JP4177146B2 - ２層反射防止膜 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファラデー回転子、固体レーザ素子、ガラスレーザ素子、セラミックレーザ素子、波長変換素子、カメラレンズ、眼鏡レンズなど光学部品に設けられる反射防止膜（光学薄膜）に係り、特に、反射率をゼロにすることを可能とする反射防止膜（光学薄膜）の改良に関するものである。
【０００２】
尚、光学薄膜とは、光の波長程度の薄い膜による干渉を利用して上記反射防止膜、反射膜、狭帯域フィルター、偏光膜等の機能をさせる薄膜をいう。
【０００３】
【従来の技術】
【０００４】
【特許文献１】
特公平７−１１７６０３号公報（第３欄３８行〜第４欄１０行）
【非特許文献１】
「Thin-film optical filters 2nd edn」（H.A.Macleod, Bristol Adam Hilger Ltd. P95-100, 1986）
【０００５】
この種の光学薄膜は、従来、表１に示す膜材料を用いて構成されていた。
【０００６】
【表１】
そして、目的に応じて、光学薄膜には上記反射膜防止膜、反射膜、狭帯域フィルターや偏光膜等の多くの種類がある。
【０００７】
以下、反射膜防止膜を例に挙げて従来の光学薄膜を説明する。
【０００８】
まず、最も単純な反射防止膜は単層反射防止膜であるが、単層反射防止膜に用いる上記膜材料としては、以下の数式（Ｉ）で示される膜の屈折率（Ｎｆ）の条件を満足しなければならない。
【０００９】
Ｎｆ＝√（Ｎ０・Ｎｓ） （Ｉ）
尚、数式（Ｉ）中、Ｎ０は媒質の屈折率、Ｎｓは単層反射防止膜が施される基板の屈折率を示している。
【００１０】
そして、代表的な光学ガラスＢＫ７基板の屈折率は１．５２、石英基板の屈折率は１．４５程度であることから、空気中（Ｎ０＝１．００）で単層反射防止膜に適した屈折率を有する一般的な膜材料は存在しなかった（表１参照）。
【００１１】
次に単純な反射防止膜は２層反射防止膜である。そして、この２層反射防止膜は、コンポジット膜法を適用することで、ある数値範囲の基板屈折率に対する膜設計が可能になる。
【００１２】
但し、この２層反射防止膜を高出力レーザ用として適用する場合、耐レーザ損傷の高い膜材料を用いて反射防止膜を設計する必要がある。そして、耐レーザ損傷性の高い膜材料は、一般的にＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3である。
【００１３】
ところで、コンポジット膜法（非特許文献１参照）は、膜材料の屈折率により理論的に反射率がゼロとなる基板の屈折率の上限が以下の数式（II）に示すように決まっている。
【００１４】
Ｎｓ＜Ｎ０・（Ｎ２／Ｎ１）2 数式（II）
尚、数式(II)中、Ｎ０は媒質の屈折率、Ｎｓは反射防止膜が施される基板の屈折率、Ｎ１は膜材料の媒質側層の屈折率、Ｎ２は膜材料の基板側層の屈折率を示している。
【００１５】
そして、ＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の膜材料を用いてコンポジット膜法による２層反射防止膜が設計できる基板の屈折率は上記数式（II）から１．２３までである。
【００１６】
従って、コンポジット膜法を用いて代表的な光学ガラスＢＫ７基板や石英基板についてその反射率をゼロにする膜設計は困難であった（表１参照）。
【００１７】
尚、このコンポジット膜法を採用して光学ガラスＢＫ７と石英基板に適用する反射防止膜の反射率が最も小さくなるように設計した膜構成について、その具体例を以下の表２と表３に示し、かつ、それぞれの反射防止膜における分光反射率を図１と図２に示す。
【００１８】
【表２】
【００１９】
【表３】
そして、図１と図２に示すグラフ図から、反射率をゼロにすることが困難であることが確認される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
このように反射防止膜等の光学薄膜を設計する場合、必要とする屈折率の膜材料を選択することはもちろん、高出力レーザに用いるには膜材料の耐レーザ損傷性等、光通信に用いるには耐候性等も重要な要素となる。
【００２１】
例えば、最もよく利用される光学薄膜の１つの反射防止膜を設計するには、反射防止膜を施す基板の屈折率を考慮して屈折率の異なる膜材料を少なくとも２種類以上選択し、選択された膜材料を用いて目的とする反射防止膜を構成する。
【００２２】
そして、最小限の膜総数で目的の反射防止膜を構成するためには、反射防止膜を構成する各層に必要とする屈折率の膜材料を適用する必要がある。
【００２３】
もし、必要とする屈折率を有する膜材料が存在しない場合は、少なくとも２層以上の光学薄膜を用いて等価な膜を設計（例えば、特許文献１に記載された３層等価膜法）して用いることになる。
【００２４】
従って、利用可能な屈折率を有する膜材料の種類が多いほど、反射防止膜における設計自由度を広げることができる。また、２種類の膜材料を用いて反射防止膜を設計する場合、各膜材料の屈折率差が大きい程設計に自由度が広がる。
【００２５】
しかし、使用波長において目的とする屈折率に近く、かつ、使用波長において透過率の高い膜材料が選択された場合でも、用途によっては利用できないことがある。
【００２６】
例えば、海底ケーブルの光通信に使用する反射防止膜は、長期信頼性が必要とされるので高温高湿に耐える膜材料を用いた光学薄膜で構成することを要する。また、高出力レーザに用いる反射防止膜、反射膜や偏光膜は、レーザ損傷閾値が高い膜材料を用いた光学薄膜で構成しなくてはならない。
【００２７】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、新規な膜材料を用いて反射率をゼロにできる２層反射防止膜（光学薄膜）を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に係る発明は、
基板上に形成される第一薄膜と、この第一薄膜上に形成される第二薄膜とで構成される２層反射防止膜において、
屈折率１．５２の光学ガラスにより基板が構成され、かつ、屈折率１．８０でその光学的膜厚（０．１８８／０．２５）×（λ／４）のＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）により第一薄膜が構成されると共に、屈折率１．４４でその光学的膜厚（０．２７６／０．２５）×（λ／４）のＳｉＯ 2 により第二薄膜が構成されることを特徴とし、
（但し、λは設計中心波長である）
請求項２に係る発明は、
基板上に形成される第一薄膜と、この第一薄膜上に形成される第二薄膜とで構成される２層反射防止膜において、
屈折率１．４５の石英により基板が構成され、かつ、屈折率１．８０でその光学的膜厚（０．１５４／０．２５）×（λ／４）のＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）により第一薄膜が構成されると共に、屈折率１．４４でその光学的膜厚（０．２９６／０．２５）×（λ／４）のＳｉＯ 2 により第二薄膜が構成されることを特徴とし、
（但し、λは設計中心波長である）
請求項３に係る発明は、
請求項１または２に記載の２層反射防止膜において、
上記第一薄膜が、ＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜された薄膜により構成されていることを特徴とするものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３１】
ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）はレーザ結晶として知られているように非常に硬度が高く、熱伝導率もよく、化学的にも安定で、透過波長域も約２５０〜５０００ｎｍと広く、さらに、光吸収も非常に少なく、耐レーザ損傷性も高いことから、本発明者等はＹＡＧのこれ等特性に着目して光学薄膜への応用を試み、上記課題を解決している。
【００３２】
また、ＹＡＧの屈折率は約１．８０で、耐レーザ損傷性が高く、硬度の高い膜として知られている屈折率１．６０の上記Ａｌ2Ｏ3よりも屈折率が大きいため、屈折率１．４４のＳｉＯ2と組合わせて光学薄膜を設計した場合、屈折率の差が大きいことから膜設計の自由度を広げることを可能とする。すなわち、ＳｉＯ2の光学薄膜とＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）を主成分とする光学薄膜を組み合わせることで、上述したＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の組み合わせでは実現できなかった反射防止膜の反射率をほとんどゼロにすることを可能にしたり、反射防止膜の膜層数を減らしたり、あるいは、反射防止の帯域を広くしたりすことが可能となる。
【００３３】
本発明は、膜材料として、ＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜された薄膜、および、ＳｉＯ 2 の薄膜を光学薄膜に用いると共に、基板として光学ガラス若しくは石英を用いて反射率をほとんどゼロにできる２層反射防止膜を提供するものである。
すなわち、基板として光学ガラスを用いた本発明の２層反射防止膜は、
基板上に形成される第一薄膜と、この第一薄膜上に形成される第二薄膜とで構成される２層反射防止膜を前提とし、
屈折率１．５２の光学ガラスにより基板が構成され、かつ、屈折率１．８０でその光学的膜厚（０．１８８／０．２５）×（λ／４）のＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）により第一薄膜が構成されると共に、屈折率１．４４でその光学的膜厚（０．２７６／０．２５）×（λ／４）のＳｉＯ 2 により第二薄膜が構成されることを特徴とするものである。
（但し、λは設計中心波長である）
また、上記基板として石英を用いた本発明の２層反射防止膜は、
基板上に形成される第一薄膜と、この第一薄膜上に形成される第二薄膜とで構成される２層反射防止膜を前提とし、
屈折率１．４５の石英により基板が構成され、かつ、屈折率１．８０でその光学的膜厚（０．１５４／０．２５）×（λ／４）のＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）により第一薄膜が構成されると共に、屈折率１．４４でその光学的膜厚（０．２９６／０．２５）×（λ／４）のＳｉＯ 2 により第二薄膜が構成されることを特徴とするものである。
（但し、λは設計中心波長である）
【００３８】
また、本発明は、Ｙ2Ｏ3（イットリア）とＡｌ2Ｏ3（アルミナ）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜されたＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）も光学薄膜に用いることができる。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
【００４８】
尚、実施例では、ＹＡＧと他の膜材料を比較すると共に、ＹＡＧを反射防止膜用に設計して従来の反射防止膜の特性と比較する。
【００４９】
膜材料にはＹＡＧ組成の焼結体とＹＡＧ結晶を用い、電子ビーム蒸着法とマグネトロンスパッタ法により成膜を行った。成膜中には、膜に酸素が不足して光吸収が増加しないように、どちらもＹＡＧ薄膜の成膜中には酸素を導入した。
【００５０】
このように成膜したＹＡＧ薄膜の屈折率は約１．８０であり、Ａｌ2Ｏ3の１．６０より高く、Ｙ2Ｏ3の１．８５より低かった。
【００５１】
次に、これ等膜材料を用いて成膜した光学薄膜の各種特性を調べるため、以下のテストを行い、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5を膜材料にして成膜した光学薄膜と相対的に比較した。尚、結果を表４に示す。
【００５２】
耐候性（ＰＣＴプレッシャークッカ - テスト）
温度１０５℃、湿度１００％、２気圧で５００時間経過後、ピンホールからの水分の浸透によるシミの広がりを５０倍の顕微鏡で観察する。
【００５３】
尚、表４において、良好を「○」、不良を「×」、その中間を「△」にて示す。
【００５４】
擦傷性
２ｋｇの加重をかけたスチールウールで１０回往復擦り、傷を観察する。
【００５５】
尚、表４において、傷なしを「○」、傷が多を「×」、その中間を「△」にて示す。
【００５６】
付着力
接着剤（エポキシ接着剤）を用いて光学薄膜表面に引っ張り試験治具（丸棒）を固定し、基板と膜界面から剥がれるまで引っ張り試験機により引っ張り、その引っ張り力の相対強度を比較する。
【００５７】
尚、表４において、付着力が強い場合を「○」、付着力が弱い場合を「×」、その中間を「△」にて示す。
【００５８】
レーザ損傷閾値
Ｎｄ：ＹＡＧレーザにおける第２高調波の波長：５３２ｎｍ、パルス幅：８ｎｓのレーザをレンズを用いて集光させ、どの程度のパワー密度（Ｊ／ｃｍ2）まで損傷を受けないかを調べる。
【００５９】
尚、表４において、レーザ損傷閾値が比較的高い場合を「○」、レーザ損傷閾値が比較的低い場合を「×」、その中間を「△」にて示す。また、レーザ損傷閾値が極めて高い場合を「◎」にて示す。
【００６０】
【表４】
『比較試験結果』
１．表４「耐候性」の欄に示された結果から確認されるように、ＹＡＧは、ＺｒＯ2やＴａ2Ｏ5を膜材料として成膜した光学薄膜よりピンホールからの水分の浸透によるシミの広がりが少なかった。
【００６１】
ＹＡＧはグレインサイズが細かく緻密なため、耐候性（耐湿性）が高いと考えられる。
２．表４「擦傷性」の欄に示された結果から確認されるように、ＹＡＧは従来ハードコートに用いられていたＳｉＯ2を膜材料として成膜した光学薄膜よりも明らかに優れていた。
３．表４「付着力」の欄に示された結果から確認されるように、基板がガラスの場合、ＹＡＧおよびＳｉＯ2を膜材料にして成膜した膜で良好な付着力が得られているが、基板がＹＡＧ結晶の場合、基板側層がＹＡＧの方が良好な付着力を得ることができる。
４．表４「レーザ損傷閾値」の欄に示された結果から確認されるように、ＹＡＧは、ＹＡＧ結晶がレーザ結晶に使用されているように光吸収が少なく、酸化物系の薄膜の中ではＳｉＯ2膜の次にレーザ損傷閾値が高い。
【００６２】
次に、本発明に係る光学薄膜を反射防止膜用に具体的に設計した実施例について詳細に説明する。
【００６３】
コンポジット膜法は、上述したように膜材料の屈折率により理論的に反射率がゼロとなる基板の屈折率の上限が数式（II）に示すように決まっている。
【００６４】
Ｎｓ＜Ｎ０・（Ｎ２／Ｎ１）2 数式（II）
そして、ＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の膜材料を用いてコンポジット膜法による２層反射防止膜が設計できる基板の屈折率は上記数式（II）から１．２３まででまであったが、ＳｉＯ2と屈折率１．８０のＹＡＧを膜材料にして成膜した光学薄膜を用いることで、コンポジット膜法により反射率がゼロになる基板の屈折率の上限は上記数式（II）から１．５６になる。
【００６５】
従って、本発明により、光学ガラスＢＫ７や石英の反射率をゼロにする２層反射防止膜の設計が可能となる。
【００６６】
表５と表６にはそれぞれＳｉＯ2とＹＡＧを用いて、コンポジット膜法により設計した２層反射防止膜の膜構成を示し、かつ、それぞれの反射防止膜における分光反射特性を図３と図４に示す。
【００６７】
【表５】
【００６８】
【表６】
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る２層反射防止膜によれば、
光学薄膜としてのＹＡＧが具備する耐候性、硬度、付着力等の特性を生かしてこの膜を基板側に用いて光学薄膜を設計することで、反射率をゼロにすることが可能となる効果を有する。
【００７０】
さらに、光学薄膜としてのＹＡＧは、耐レーザ損傷性にも優れているので、ＳｉＯ2と組み合わせることにより、耐レーザ損傷性に優れた２層反射防止膜を得ることができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光学薄膜が適用された反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図２】従来の光学薄膜が適用された反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図３】 光学薄膜としてＹＡＧが適用された本発明に係る２層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図４】 光学薄膜としてＹＡＧが適用された本発明に係る２層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファラデー回転子、固体レーザ素子、ガラスレーザ素子、セラミックレーザ素子、波長変換素子、カメラレンズ、眼鏡レンズなど光学部品に設けられる反射防止膜（光学薄膜）に係り、特に、反射率をゼロにすることを可能とする反射防止膜（光学薄膜）の改良に関するものである。
【０００２】
尚、光学薄膜とは、光の波長程度の薄い膜による干渉を利用して上記反射防止膜、反射膜、狭帯域フィルター、偏光膜等の機能をさせる薄膜をいう。
【０００３】
【従来の技術】
【０００４】
【特許文献１】
特公平７−１１７６０３号公報（第３欄３８行〜第４欄１０行）
【非特許文献１】
「Thin-film optical filters 2nd edn」（H.A.Macleod, Bristol Adam Hilger Ltd. P95-100, 1986）
【０００５】
この種の光学薄膜は、従来、表１に示す膜材料を用いて構成されていた。
【０００６】
【表１】
【０００７】
以下、反射膜防止膜を例に挙げて従来の光学薄膜を説明する。
【０００８】
まず、最も単純な反射防止膜は単層反射防止膜であるが、単層反射防止膜に用いる上記膜材料としては、以下の数式（Ｉ）で示される膜の屈折率（Ｎｆ）の条件を満足しなければならない。
【０００９】
Ｎｆ＝√（Ｎ０・Ｎｓ） （Ｉ）
尚、数式（Ｉ）中、Ｎ０は媒質の屈折率、Ｎｓは単層反射防止膜が施される基板の屈折率を示している。
【００１０】
そして、代表的な光学ガラスＢＫ７基板の屈折率は１．５２、石英基板の屈折率は１．４５程度であることから、空気中（Ｎ０＝１．００）で単層反射防止膜に適した屈折率を有する一般的な膜材料は存在しなかった（表１参照）。
【００１１】
次に単純な反射防止膜は２層反射防止膜である。そして、この２層反射防止膜は、コンポジット膜法を適用することで、ある数値範囲の基板屈折率に対する膜設計が可能になる。
【００１２】
但し、この２層反射防止膜を高出力レーザ用として適用する場合、耐レーザ損傷の高い膜材料を用いて反射防止膜を設計する必要がある。そして、耐レーザ損傷性の高い膜材料は、一般的にＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3である。
【００１３】
ところで、コンポジット膜法（非特許文献１参照）は、膜材料の屈折率により理論的に反射率がゼロとなる基板の屈折率の上限が以下の数式（II）に示すように決まっている。
【００１４】
Ｎｓ＜Ｎ０・（Ｎ２／Ｎ１）2 数式（II）
尚、数式(II)中、Ｎ０は媒質の屈折率、Ｎｓは反射防止膜が施される基板の屈折率、Ｎ１は膜材料の媒質側層の屈折率、Ｎ２は膜材料の基板側層の屈折率を示している。
【００１５】
そして、ＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の膜材料を用いてコンポジット膜法による２層反射防止膜が設計できる基板の屈折率は上記数式（II）から１．２３までである。
【００１６】
従って、コンポジット膜法を用いて代表的な光学ガラスＢＫ７基板や石英基板についてその反射率をゼロにする膜設計は困難であった（表１参照）。
【００１７】
尚、このコンポジット膜法を採用して光学ガラスＢＫ７と石英基板に適用する反射防止膜の反射率が最も小さくなるように設計した膜構成について、その具体例を以下の表２と表３に示し、かつ、それぞれの反射防止膜における分光反射率を図１と図２に示す。
【００１８】
【表２】
【表３】
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
このように反射防止膜等の光学薄膜を設計する場合、必要とする屈折率の膜材料を選択することはもちろん、高出力レーザに用いるには膜材料の耐レーザ損傷性等、光通信に用いるには耐候性等も重要な要素となる。
【００２１】
例えば、最もよく利用される光学薄膜の１つの反射防止膜を設計するには、反射防止膜を施す基板の屈折率を考慮して屈折率の異なる膜材料を少なくとも２種類以上選択し、選択された膜材料を用いて目的とする反射防止膜を構成する。
【００２２】
そして、最小限の膜総数で目的の反射防止膜を構成するためには、反射防止膜を構成する各層に必要とする屈折率の膜材料を適用する必要がある。
【００２３】
もし、必要とする屈折率を有する膜材料が存在しない場合は、少なくとも２層以上の光学薄膜を用いて等価な膜を設計（例えば、特許文献１に記載された３層等価膜法）して用いることになる。
【００２４】
従って、利用可能な屈折率を有する膜材料の種類が多いほど、反射防止膜における設計自由度を広げることができる。また、２種類の膜材料を用いて反射防止膜を設計する場合、各膜材料の屈折率差が大きい程設計に自由度が広がる。
【００２５】
しかし、使用波長において目的とする屈折率に近く、かつ、使用波長において透過率の高い膜材料が選択された場合でも、用途によっては利用できないことがある。
【００２６】
例えば、海底ケーブルの光通信に使用する反射防止膜は、長期信頼性が必要とされるので高温高湿に耐える膜材料を用いた光学薄膜で構成することを要する。また、高出力レーザに用いる反射防止膜、反射膜や偏光膜は、レーザ損傷閾値が高い膜材料を用いた光学薄膜で構成しなくてはならない。
【００２７】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、新規な膜材料を用いて反射率をゼロにできる２層反射防止膜（光学薄膜）を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に係る発明は、
基板上に形成される第一薄膜と、この第一薄膜上に形成される第二薄膜とで構成される２層反射防止膜において、
屈折率１．５２の光学ガラスにより基板が構成され、かつ、屈折率１．８０でその光学的膜厚（０．１８８／０．２５）×（λ／４）のＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）により第一薄膜が構成されると共に、屈折率１．４４でその光学的膜厚（０．２７６／０．２５）×（λ／４）のＳｉＯ 2 により第二薄膜が構成されることを特徴とし、
（但し、λは設計中心波長である）
請求項２に係る発明は、
基板上に形成される第一薄膜と、この第一薄膜上に形成される第二薄膜とで構成される２層反射防止膜において、
屈折率１．４５の石英により基板が構成され、かつ、屈折率１．８０でその光学的膜厚（０．１５４／０．２５）×（λ／４）のＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）により第一薄膜が構成されると共に、屈折率１．４４でその光学的膜厚（０．２９６／０．２５）×（λ／４）のＳｉＯ 2 により第二薄膜が構成されることを特徴とし、
（但し、λは設計中心波長である）
請求項３に係る発明は、
請求項１または２に記載の２層反射防止膜において、
上記第一薄膜が、ＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜された薄膜により構成されていることを特徴とするものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３１】
ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）はレーザ結晶として知られているように非常に硬度が高く、熱伝導率もよく、化学的にも安定で、透過波長域も約２５０〜５０００ｎｍと広く、さらに、光吸収も非常に少なく、耐レーザ損傷性も高いことから、本発明者等はＹＡＧのこれ等特性に着目して光学薄膜への応用を試み、上記課題を解決している。
【００３２】
また、ＹＡＧの屈折率は約１．８０で、耐レーザ損傷性が高く、硬度の高い膜として知られている屈折率１．６０の上記Ａｌ2Ｏ3よりも屈折率が大きいため、屈折率１．４４のＳｉＯ2と組合わせて光学薄膜を設計した場合、屈折率の差が大きいことから膜設計の自由度を広げることを可能とする。すなわち、ＳｉＯ2の光学薄膜とＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：イットリウムアルミニウムガーネット）を主成分とする光学薄膜を組み合わせることで、上述したＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の組み合わせでは実現できなかった反射防止膜の反射率をほとんどゼロにすることを可能にしたり、反射防止膜の膜層数を減らしたり、あるいは、反射防止の帯域を広くしたりすことが可能となる。
【００３３】
本発明は、膜材料として、ＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜された薄膜、および、ＳｉＯ 2 の薄膜を光学薄膜に用いると共に、基板として光学ガラス若しくは石英を用いて反射率をほとんどゼロにできる２層反射防止膜を提供するものである。
すなわち、基板として光学ガラスを用いた本発明の２層反射防止膜は、
基板上に形成される第一薄膜と、この第一薄膜上に形成される第二薄膜とで構成される２層反射防止膜を前提とし、
屈折率１．５２の光学ガラスにより基板が構成され、かつ、屈折率１．８０でその光学的膜厚（０．１８８／０．２５）×（λ／４）のＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）により第一薄膜が構成されると共に、屈折率１．４４でその光学的膜厚（０．２７６／０．２５）×（λ／４）のＳｉＯ 2 により第二薄膜が構成されることを特徴とするものである。
（但し、λは設計中心波長である）
また、上記基板として石英を用いた本発明の２層反射防止膜は、
基板上に形成される第一薄膜と、この第一薄膜上に形成される第二薄膜とで構成される２層反射防止膜を前提とし、
屈折率１．４５の石英により基板が構成され、かつ、屈折率１．８０でその光学的膜厚（０．１５４／０．２５）×（λ／４）のＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）により第一薄膜が構成されると共に、屈折率１．４４でその光学的膜厚（０．２９６／０．２５）×（λ／４）のＳｉＯ 2 により第二薄膜が構成されることを特徴とするものである。
（但し、λは設計中心波長である）
【００３８】
また、本発明は、Ｙ2Ｏ3（イットリア）とＡｌ2Ｏ3（アルミナ）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜されたＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）も光学薄膜に用いることができる。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
【００４８】
尚、実施例では、ＹＡＧと他の膜材料を比較すると共に、ＹＡＧを反射防止膜用に設計して従来の反射防止膜の特性と比較する。
【００４９】
膜材料にはＹＡＧ組成の焼結体とＹＡＧ結晶を用い、電子ビーム蒸着法とマグネトロンスパッタ法により成膜を行った。成膜中には、膜に酸素が不足して光吸収が増加しないように、どちらもＹＡＧ薄膜の成膜中には酸素を導入した。
【００５０】
このように成膜したＹＡＧ薄膜の屈折率は約１．８０であり、Ａｌ2Ｏ3の１．６０より高く、Ｙ2Ｏ3の１．８５より低かった。
【００５１】
次に、これ等膜材料を用いて成膜した光学薄膜の各種特性を調べるため、以下のテストを行い、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5を膜材料にして成膜した光学薄膜と相対的に比較した。尚、結果を表４に示す。
【００５２】
耐候性（ＰＣＴプレッシャークッカ - テスト）
温度１０５℃、湿度１００％、２気圧で５００時間経過後、ピンホールからの水分の浸透によるシミの広がりを５０倍の顕微鏡で観察する。
【００５３】
尚、表４において、良好を「○」、不良を「×」、その中間を「△」にて示す。
【００５４】
擦傷性
２ｋｇの加重をかけたスチールウールで１０回往復擦り、傷を観察する。
【００５５】
尚、表４において、傷なしを「○」、傷が多を「×」、その中間を「△」にて示す。
【００５６】
付着力
接着剤（エポキシ接着剤）を用いて光学薄膜表面に引っ張り試験治具（丸棒）を固定し、基板と膜界面から剥がれるまで引っ張り試験機により引っ張り、その引っ張り力の相対強度を比較する。
【００５７】
尚、表４において、付着力が強い場合を「○」、付着力が弱い場合を「×」、その中間を「△」にて示す。
【００５８】
レーザ損傷閾値
Ｎｄ：ＹＡＧレーザにおける第２高調波の波長：５３２ｎｍ、パルス幅：８ｎｓのレーザをレンズを用いて集光させ、どの程度のパワー密度（Ｊ／ｃｍ2）まで損傷を受けないかを調べる。
【００５９】
尚、表４において、レーザ損傷閾値が比較的高い場合を「○」、レーザ損傷閾値が比較的低い場合を「×」、その中間を「△」にて示す。また、レーザ損傷閾値が極めて高い場合を「◎」にて示す。
【００６０】
【表４】
１．表４「耐候性」の欄に示された結果から確認されるように、ＹＡＧは、ＺｒＯ2やＴａ2Ｏ5を膜材料として成膜した光学薄膜よりピンホールからの水分の浸透によるシミの広がりが少なかった。
【００６１】
ＹＡＧはグレインサイズが細かく緻密なため、耐候性（耐湿性）が高いと考えられる。
２．表４「擦傷性」の欄に示された結果から確認されるように、ＹＡＧは従来ハードコートに用いられていたＳｉＯ2を膜材料として成膜した光学薄膜よりも明らかに優れていた。
３．表４「付着力」の欄に示された結果から確認されるように、基板がガラスの場合、ＹＡＧおよびＳｉＯ2を膜材料にして成膜した膜で良好な付着力が得られているが、基板がＹＡＧ結晶の場合、基板側層がＹＡＧの方が良好な付着力を得ることができる。
４．表４「レーザ損傷閾値」の欄に示された結果から確認されるように、ＹＡＧは、ＹＡＧ結晶がレーザ結晶に使用されているように光吸収が少なく、酸化物系の薄膜の中ではＳｉＯ2膜の次にレーザ損傷閾値が高い。
【００６２】
次に、本発明に係る光学薄膜を反射防止膜用に具体的に設計した実施例について詳細に説明する。
【００６３】
コンポジット膜法は、上述したように膜材料の屈折率により理論的に反射率がゼロとなる基板の屈折率の上限が数式（II）に示すように決まっている。
【００６４】
Ｎｓ＜Ｎ０・（Ｎ２／Ｎ１）2 数式（II）
そして、ＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の膜材料を用いてコンポジット膜法による２層反射防止膜が設計できる基板の屈折率は上記数式（II）から１．２３まででまであったが、ＳｉＯ2と屈折率１．８０のＹＡＧを膜材料にして成膜した光学薄膜を用いることで、コンポジット膜法により反射率がゼロになる基板の屈折率の上限は上記数式（II）から１．５６になる。
【００６５】
従って、本発明により、光学ガラスＢＫ７や石英の反射率をゼロにする２層反射防止膜の設計が可能となる。
【００６６】
表５と表６にはそれぞれＳｉＯ2とＹＡＧを用いて、コンポジット膜法により設計した２層反射防止膜の膜構成を示し、かつ、それぞれの反射防止膜における分光反射特性を図３と図４に示す。
【００６７】
【表５】
【表６】
【発明の効果】
本発明に係る２層反射防止膜によれば、
光学薄膜としてのＹＡＧが具備する耐候性、硬度、付着力等の特性を生かしてこの膜を基板側に用いて光学薄膜を設計することで、反射率をゼロにすることが可能となる効果を有する。
【００７０】
さらに、光学薄膜としてのＹＡＧは、耐レーザ損傷性にも優れているので、ＳｉＯ2と組み合わせることにより、耐レーザ損傷性に優れた２層反射防止膜を得ることができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光学薄膜が適用された反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図２】従来の光学薄膜が適用された反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図３】 光学薄膜としてＹＡＧが適用された本発明に係る２層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
【図４】 光学薄膜としてＹＡＧが適用された本発明に係る２層反射防止膜の分光反射特性を示すグラフ図。
Claims (3)
- 基板上に形成される第一薄膜と、この第一薄膜上に形成される第二薄膜とで構成される２層反射防止膜において、
屈折率１．５２の光学ガラスにより基板が構成され、かつ、屈折率１．８０でその光学的膜厚（０．１８８／０．２５）×（λ／４）のＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）により第一薄膜が構成されると共に、屈折率１．４４でその光学的膜厚（０．２７６／０．２５）×（λ／４）のＳｉＯ 2 により第二薄膜が構成されることを特徴とする２層反射防止膜。
（但し、λは設計中心波長である） - 基板上に形成される第一薄膜と、この第一薄膜上に形成される第二薄膜とで構成される２層反射防止膜において、
屈折率１．４５の石英により基板が構成され、かつ、屈折率１．８０でその光学的膜厚（０．１５４／０．２５）×（λ／４）のＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）により第一薄膜が構成されると共に、屈折率１．４４でその光学的膜厚（０．２９６／０．２５）×（λ／４）のＳｉＯ 2 により第二薄膜が構成されることを特徴とする２層反射防止膜。
（但し、λは設計中心波長である） - 上記第一薄膜が、ＹＡＧ（Ｙ 3 Ａｌ 5 Ｏ 12 ：イットリウムアルミニウムガーネット）の結晶体若しくは焼結体を蒸着材料若しくはスパッタターゲットとして成膜された薄膜により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の２層反射防止膜。
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