JPH08271701A - ZnSを基板とする耐環境性赤外線透過構造体 - Google Patents

ZnSを基板とする耐環境性赤外線透過構造体

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JPH08271701A
JPH08271701A JP7077006A JP7700695A JPH08271701A JP H08271701 A JPH08271701 A JP H08271701A JP 7077006 A JP7077006 A JP 7077006A JP 7700695 A JP7700695 A JP 7700695A JP H08271701 A JPH08271701 A JP H08271701A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 優れた赤外線透過率を有し、過酷な環境下で
使用しても反射防止膜の剥離や傷の発生がない耐環境性
に優れた赤外線透過構造体を提供する。 【構成】 ZnS基板上に直接形成したY23の最内層
と、その上のYF3の中間層と、その上のMgF2の最外
層とを備えるか、又はZnS基板上に弾性率が100G
Pa以上の材料からなる衝撃緩和層と、その上のダイヤ
モンド又はダイヤモンド状炭素の最外層とを備えた赤外
線透過構造体。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、赤外線センサー等の赤
外線検出器に光学窓等として用いられる赤外線の透過性
に優れた構造体、特に過酷な環境下で用いられる赤外線
透過構造体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、物体から放射又は放散される熱に
よる赤外線を検知する各種の赤外線検出機器の開発が進
められている。これらの赤外線検出機器の光学窓等を構
成する赤外線透過構造体は、必要な波長帯の赤外線を透
過する材料で作成することが要求される。
【0003】かかる赤外線透過材料のひとつとして、硫
化亜鉛(ZnS)がある。硫化亜鉛は、屈折率が2.2
と高く、表面反射損失が大きいために直線透過率はそれ
ほど大きくなく、例えば厚み5mmの硫化亜鉛基板では
70%程度の直線透過率が最大である。従って、ZnS
を光学窓等として使用する場合には、表面にMgF2
の弗化物やTiO2等の酸化物をコーティングした反射
防止膜を設け、直線透過率を向上させる処理が一般的に
行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の一般的な赤外線
検出機器は、赤外線放射温度測定器、入侵入検知センサ
ー等のように、屋内使用を前提にしているため、反射防
止膜も直線透過率の改善のみを目的として施されてお
り、耐環境性を考慮したものは少なかった。
【0005】しかし最近では、赤外線検出機器の屋外使
用が多くなり、航空機のような高速飛翔体にも装備され
ている。その結果、このような長時間の高温多湿環境下
及び急激な温度変化を受ける環境下での使用、更には高
速飛行時の雨滴衝突条件への暴露に対しては、短時間で
硫化亜鉛基板から反射防止膜が剥離したり、反射防止膜
に傷が発生するという問題があった。
【0006】本発明は、かかる従来の事情に鑑み、優れ
た赤外線透過率を有すると同時に、過酷な環境下での使
用に対しても反射防止膜の剥離や傷の発生のない、耐環
境性に優れた赤外線透過構造体を提供することを目的と
する。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する第1の赤外線透過構造体は、Zn
S基板と、該ZnS基板に直接接して形成したY23
最内層と、最内層の上に形成したYF3の中間層と、中
間層の上に形成したMgF2の最外層とを備えたことを
特徴とする。
【0008】本発明が提供する第2の赤外線透過構造体
は、ZnS基板と、該ZnS基板上に形成した弾性率が
100GPa以上の材料からなる衝撃緩和層と、衝撃緩
和層上に形成したダイヤモンド又はダイヤモンド状炭素
からなる最外層とを備えたことを特徴とするものであ
る。
【0009】この赤外線透過構造体の衝撃緩和層を構成
する弾性率100GPa以上の材料としては、Ge、S
i、GaP、BP、Y23、Al23、TiO2、Y
3、LaF3、又はCeF3等を使用することができ
る。
【0010】又、これら第1又は第2の赤外線透過構造
体は、ZnS基板が透明化処理を施したZnS基板であ
ってよく、その場合には赤外線と共に可視光線の透過性
にも優れた赤外線透過構造体となる。
【0011】
【作用】ZnS基板のみでは、赤外線透過率が70%前
後に過ぎない。そこで、ZnS基板の表面に反射防止膜
として、屈折率の低い材料をコーティングすると透過率
が向上することは良く知られている。しかしながら、耐
環境性を考慮した場合には、反射防止膜とZnS基板の
接着性や反射防止膜自体の耐摩耗性等が必要となる。Z
nSと付着性の良い材料としてPbF2があるが、水を
吸収して白く変質するため多湿な環境化では役に立たな
い。
【0012】そこで、本発明の第1の赤外線透過構造体
では、水に強く高温でも安定なMgF2を最外層に用
い、中間層には赤外域でも透過性がありMgF2との接
着性に優れたYF3を用いる。この2層が対象波長での
反射防止膜として作用し、そのためにはMgF2の最外
層の膜厚は0.02〜0.80μm、及びYF3の中間層
の膜厚は0.1〜2.2μmの範囲が好ましく、この範囲
で対象とする赤外線波長に対し透過率が向上する膜厚を
適宜選択する。
【0013】しかし、中間層を構成するYF3はZnS
基板との接着力が余り優れておらず、高温多湿や急激な
温度変化等の過酷な環境下では、YF3膜がZnS基板
の界面で剥離しやすい。そこで、第1の赤外線透過構造
体では、YF3及びZnSとの接着力が非常に高く、水
及び温度変化に対して安定なY23を、ZnS基板と直
接接する最内層として用いる。
【0014】最内層としてY23層を介在させることに
より、過酷な環境下に長時間さらしても、ZnS基板と
の界面での剥離を防止できることが確認された。但し、
最内層のY23層は、接着力を向上させる為に用いるの
で、膜厚は対象赤外線波長での透過率にあまり影響ので
ない0.02〜0.20μm程度の薄さとする。
【0015】更に、上記第1の赤外線透過構造体におい
て、ZnS基板として透明化処理(HIP処理)が施さ
れたZnS基板を使用すれば、このZnS基板は可視か
ら赤外域まで60〜75%程度の透過率を有するので、
可視光線の透過性にも優れた赤外線透過構造体を得るこ
とができる。又、中間層の屈折率を1.4以上及び最外
層の屈折率を1.4以下とすることで、可視と赤外域の
2波長帯で透過率が向上する。
【0016】この場合、MgF2の最外層の膜厚は0.0
3〜1.50μm、及びYF3の中間層の膜厚は0.03
〜1.50μmが好ましく、これらの膜厚を最適値にす
ることにより、可視と赤外域の2波長帯で透過率が向上
する。又、最内層のY23層は、接着力を向上させる為
に用いるので、膜厚は対象赤外線波長での透過率にあま
り影響のでない0.02〜0.20μmが好ましい。
【0017】従来から可視光線と赤外線の両波長にわた
って透過率を向上させるには3層以上の多層構造の反射
防止膜が必要とされてきたが、透明化処理したZnS基
板を用いた上記第1の赤外線透過構造体により、3層の
みの反射防止膜で両波長で優れた透過率が得られ、同時
に高温多湿及び急激な温度変化でも膜剥離が発生しない
構造体が得られたものである。
【0018】上記の第1の赤外線透過構造体の製造にお
いて、全ての層の形成は、公知のスパッタリング法、真
空蒸着法、又はイオンプレーティング法等によって行う
ことができる。
【0019】次に、本発明の第2の赤外線透過構造体
は、優れた赤外線透過率を持つと同時に、特に雨滴等の
衝突に対して優れた耐久性を有するものである。即ち、
ZnS基板及び透明化処理を施されたZnS基板は、表
面硬度がヌープ硬度で150〜350と低く、弾性率も
70〜90GPaと低いため、雨滴の衝突を受けた場
合、ZnS基板表面に小さな傷が多数発生し、透過率が
急激に低下する。
【0020】その改善のため、第2の赤外線透過構造体
では、ZnS基板上に雨滴衝突時の衝撃を緩和する目的
で、弾性率が100GPa以上の材料、例えばGe、S
i、GaP、BP、Y23、Al23、TiO2等の酸
化物、YF3、LaF3、CeF3等の弗化物からなる、
衝撃緩和層を設けている。ここで、弾性率を100GP
a以上とする理由は、雨滴衝突時の衝撃をはね返して緩
和する固さが必要なためである。
【0021】加えて、耐雨滴摩耗性を持たせるため、こ
の衝撃緩和層の上の最外層にダイヤモンド状炭素(Di
amondo−like−carbon)又はダイヤモ
ンドの層を設ける。ダイヤモンド状炭素及びダイヤモン
ドは、表面硬度がヌープ硬度で2000以上であり、化
学的に安定で、可視から赤外域まで優れた透過性を有し
ており、上記衝撃緩和層を構成する材料との密着性にも
すぐれている。
【0022】上記衝撃緩和層の膜厚は0.02〜25.0
μm、及びダイヤモンド状炭素又はダイヤモンド層の膜
厚は0.20〜20.0μmの範囲が好ましい。これらの
層の膜厚を上記の範囲内にすることにより、可視から赤
外の使用波長帯に合わせて、最適の膜厚を選択すること
ができる。
【0023】又、ZnS基板と衝撃緩和層との間に、Y
23やMgF2等からなる中間層を設けることもでき
る。雨滴の衝突による基板への衝撃を抑えるためには、
この中間層の膜厚を出来るだけ厚くすることが好ましい
が、0.2μm以上になると赤外透過率に影響するので
避けるべきである。
【0024】上記第2の赤外線透過構造体においても、
ZnS基板として透明化処理が施されたZnS基板を使
用すれば、可視光線の透過性にも優れた赤外線透過構造
体を得ることができることは、第1の赤外線透過構造体
の場合と同様である。
【0025】尚、かかる第2の赤外線透過構造体におけ
る全ての層の形成は、公知のスパッタリング法、真空蒸
着法、イオンプレーティング法、CVD法及びプラズマ
CVD法等によって形成する。
【0026】
【実施例】実施例1 厚み5mmのZnS基板の片面に、基板と直接接せしめ
て膜厚0.05μmのY23からなる最内層、その上に
膜厚1.30μmのYF3からなる中間層、及びその上に
膜厚0.50μmのMgF2からなる最外層をそれぞれ形
成した。これら各層は、いずれも電子ビームを用いる真
空蒸着法により、基板温度400℃で形成した。
【0027】得られた赤外線透過構造体は、対象とする
赤外波長での反射率が7%以下となった。耐環境性につ
いては、Y23の最内層を用いない場合は、温度60℃
及び湿度95%の環境下にさらすと100時間で膜が剥
離したが、Y23の最内層を用いた本発明の構造体で
は、同環境下に1000時間さらしてもテープ試験では
剥離しなかった。又、−60℃〜450℃の温度サイク
ルを繰り返した後も、剥離は発生しなかった。
【0028】実施例2 厚み5mmの透明ZnS基板の片面に、基板と直接接せ
しめて膜厚0.075μmのY23からなる最内層、そ
の上に膜厚0.030μmのYF3からなる中間層、その
上に膜厚0.49〜0.610μmのMgF2からなる最
外層をそれぞれ形成した。これらの各層、いずれも電子
ビームを用いる真空蒸着法により、基板温度400℃で
形成した。
【0029】その結果、得られた構造体は、対象とする
可視域及び赤外域で反射率が8%以下となった。耐環境
性については、温度60℃及び湿度95%の環境下にさ
らすと、最内層にY23を用いなかった場合は80時間
で膜剥離が発生したが、最内層にY23を用いると10
00時間さらしてもテープ試験では剥離しなかった。
又、−60℃〜450℃の温度サイクルに繰り返しさら
しても、膜の剥離は発生しなかった。
【0030】実施例3 厚み5mmのZnS基板の片面に、基板と直接接せしめ
て膜厚10.0μmのGeからなる衝撃緩和層を形成
し、その上に膜厚は0.85μmのダイヤモンド状炭素
からなる最外層を形成した。Geの衝撃緩和層は電子ビ
ームを用いる真空蒸着法により基板温度150℃で形成
し、ダイヤモンド状炭素の最外層はプラズマCVD法に
より基板温度180℃で形成した。
【0031】得られた赤外線透過構造体は、対象波長の
赤外線での反射率が15%以下であった。又、この構造
体を高速飛翔体に取り付け、雨滴衝突に関して試験した
ところ、25mm/hの雨量において、飛翔体の速度2
83m/sまで膜剥離が生じず、膜に傷が付くこともな
かった。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、優れた赤外線透過性を
有すると同時に、高温多湿や急激な温度変化、更には雨
滴の衝突等の過酷な環境下での使用に対しても、反射防
止膜の剥離や反射防止膜に傷の発生することがない、耐
環境性に優れた赤外線透過構造体を提供することができ
る。
【0033】従って、本発明の赤外線透過構造体は、屋
内用はもちろん屋外用の赤外線検出機器の光学窓とし
て、あるいは高速飛翔体に用いる赤外線検出機器の光学
窓として特に有効である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ZnS基板と、該ZnS基板に直接接し
    て形成したY23の最内層と、最内層の上に形成したY
    3の中間層と、中間層の上に形成したMgF2の最外層
    とを備えたことを特徴とする赤外線透過構造体。
  2. 【請求項2】 ZnS基板が透明化処理を施したZnS
    基板であり、赤外線と共に可視光線の透過性に優れてい
    ることを特徴とする、請求項1に記載の赤外線透過構造
    体。
  3. 【請求項3】 ZnS基板と、該ZnS基板上に形成し
    た弾性率が100GPa以上の材料からなる衝撃緩和層
    と、衝撃緩和層上に形成したダイヤモンド又はダイヤモ
    ンド状炭素からなる最外層とを備えたことを特徴とする
    赤外線透過構造体。
  4. 【請求項4】 前記衝撃緩和層を構成する弾性率100
    GPa以上の材料が、Ge、Si、GaP、BP、Y2
    3、Al23、TiO2、YF3、LaF3、又はCeF
    3であることを特徴とする、請求項3に記載の赤外線透
    過構造体。
  5. 【請求項5】 ZnS基板が透明化処理を施したZnS
    基板であり、赤外線と共に可視光線の透過性に優れてい
    ることを特徴とする、請求項3又は4に記載の赤外線透
    過構造体。
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