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紫外・赤外光に対応する特殊レンズ材の選び方
紫外・赤外光に対応する特殊レンズ材の選び方
― カルコゲナイドガラス、フッ化物ガラスなど、波長別材料選定のポイント ―
可視光領域（およそ400〜700nm）では、一般的な光学ガラス（例：BK7、硝子系樹脂）が広く用いられますが、紫外領域（200～400nm）や赤外領域（700nm～10µm、さらに遠赤外まで）になると、通常のガラスでは透過率が著しく低下し、適切な材料の選定が欠かせません。この記事では、紫外・赤外対応の代表的な特殊レンズ材と、その波長ごとの選定ポイントを解説します。
紫外線対応のレンズ材料
1. 合成石英（シリカガラス：SiO₂）
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対応波長：180nm～2µm
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特長：優れたUV透過性を持ち、紫外線領域で最も広く使われている材料。耐熱性・耐薬品性も高く、光学的均質性にも優れています。
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用途：紫外レーザー、紫外顕微鏡、リソグラフィ光学系など。
2. フッ化カルシウム（CaF₂）
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対応波長：150nm～8µm
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特長：広範な波長帯域にわたって高い透過率を持ち、紫外から中赤外まで対応可能。反射防止膜との組み合わせで、さらに透過性を高められます。
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注意点：機械的強度はやや低く、取り扱いに注意が必要。
赤外線対応のレンズ材料
1. カルコゲナイドガラス（Chalcogenide Glass）
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対応波長：1.5µm～12µm（種類によっては20µm超も）
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主成分：硫黄（S）、セレン（Se）、テルル（Te）などのカルコゲン元素に、ゲルマニウムやヒ素などを添加。
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特長：非酸化物ガラスで、赤外線の透過率が高く、熱放射を観測するサーマルイメージングやセンサー光学系に利用されます。
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加工性：通常のガラスと比較して成形しやすく、モールド成形にも対応可能。
2. ゲルマニウム（Ge）
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対応波長：2µm～14µm
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特長：高屈折率（n ≒ 4）と高い赤外線透過率を持つため、赤外線カメラやサーマルイメージングに多用されます。
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注意点：高温で透過率が低下する（熱放射により自己吸収）。
3. シリコン（Si）
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対応波長：1.2µm～7µm
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特長：赤外線領域における高い機械的強度と熱伝導性を持ち、耐久性が求められる赤外光学系に適しています。赤外レーザーシステムにも使用。
波長別 材料選定のポイント
| 波長帯域 | 主な材料 | 特長と注意点 |
|---|---|---|
| 紫外（200～400nm） | 合成石英、CaF₂ | UV透過性、耐熱・耐薬品性、低吸収性 |
| 近赤外（0.7～2µm） | Si、カルコゲナイドガラス | レーザー光学系向き。高耐久・高屈折率。 |
| 中赤外（2～5µm） | Ge、カルコゲナイドガラス、ZnSe | サーマルイメージング。加工性やコストに注意。 |
| 遠赤外（5µm～） | カルコゲナイドガラス、Ge | 高透過性だが、熱による性能変化に注意。 |
選定時の実務ポイント
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透過率だけでなく、屈折率・加工性・コストも考慮する
→ 高屈折率材料はコンパクトな設計が可能ですが、ARコートとの組み合わせが難しい場合があります。 -
量産可否・成形方法の検討
→ カルコゲナイドガラスはモールド成形に対応し、コスト面でも優位。 -
表面処理やコーティングとの相性
→ 高屈折率材料（Geなど）は反射損失が大きいため、ARコート設計が重要です。
光とは何か
波長による光の色の変化
光は、電磁波の一種に分類されます。電磁波のうち、波長がおよそ360〜830ナノメートルの範囲にあるものを「光」または「可視光」「可視光線」と呼び、この範囲の電磁波は人間の目で認識することができます。
目に入ってくる光は、その波長の違いによって見える色が異なります。たとえば、波長が400ナノメートル付近の光は紫、450ナノメートルでは青、550ナノメートルでは緑、630ナノメートルでは黄色、700ナノメートルでは赤といったように、波長によって色の知覚が変わります。
まとめ
紫外・赤外光に対応する光学系を設計する際には、波長ごとの透過特性を正確に把握したうえで、材料の物理特性や加工性、コストなども総合的に検討することが重要です。
単一の材料で全てをまかなうのではなく、アプリケーションや使用環境に応じて最適な材料を選び分けることが、機能性とコストパフォーマンスの両立につながります。
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