特表 2024-518902 近赤外光学部品のためのカルコゲニドハイブリッド無機／有機ポリマーおよびそれらの用途

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-05-08

(54)【発明の名称】近赤外光学部品のためのカルコゲニドハイブリッド無機／有機ポリマーおよびそれらの用途

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/00 20060101AFI20240426BHJP

   G02B 1/04 20060101ALI20240426BHJP

【ＦＩ】

G02B13/00

G02B1/04

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023566491

(86)(22)【出願日】2022-04-28

(85)【翻訳文提出日】2023-12-26

(86)【国際出願番号】 US2022026622

(87)【国際公開番号】W WO2022232330

(87)【国際公開日】2022-11-03

(31)【優先権主張番号】63/182,102

(32)【優先日】2021-04-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/182,573

(32)【優先日】2021-04-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/182,627

(32)【優先日】2021-04-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523405786

【氏名又は名称】ノーコン テクノロジーズ ホールディング インク．

(74)【代理人】

【識別番号】100130111

【弁理士】

【氏名又は名称】新保 斉

(72)【発明者】

【氏名】リーボウィッツ ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】ノーウッド ロバート エー

(72)【発明者】

【氏名】キム キュンヨ

(72)【発明者】

【氏名】ショウギー ササアン

【テーマコード（参考）】

2H087

【Ｆターム（参考）】

2H087KA01

2H087KA12

2H087LA00

2H087NA03

2H087RA44

2H087UA01

(57)【要約】

赤外スペクトルにおける用途にＳ－ＮＢＤ２を使用する方法を提供する。方法は、Ｓ－ＮＢＤ２を提供するステップと、Ｓ－ＮＢＤ２で光学装置を形成するステップと、近赤外スペクトルにおいて光学装置を使用するステップとを含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

近赤外スペクトルにおける用途にＳ－ＮＢＤ２を使用する方法であって、
（ａ）Ｓ－ＮＢＤ２を提供するステップ
（ｂ）前記Ｓ－ＮＢＤ２で光学装置を形成するステップ、および
（ｃ）前記近赤外スペクトルにおいて前記光学装置を使用するステップ
を含む方法。

【請求項2】

前記ステップ（ａ）が、以下の特性
（１）５０×１０^-6／℃未満である熱膨張係数
（２）前記近赤外スペクトルにおいて１．７超の屈折率、および
（３）前記近赤外スペクトルにわたって０．０５ｃｍ^-1以下である吸収係数
を有するＳ－ＮＢＤ２を提供することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ステップ（ａ）が、少なくとも８５℃のＴ_gを有する前記Ｓ－ＮＢＤ２を提供することを含む、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記ステップ（ａ）が、前記近赤外スペクトルにおいて１．９未満の屈折率を有する前記Ｓ－ＮＢＤ２を提供することを含む、請求項２に記載の方法。

【請求項5】

前記ステップ（ａ）が、３０×１０^-6／℃から５０×１０^-6／℃の間の熱膨張係数を有する前記Ｓ－ＮＢＤ２を提供することを含む、請求項２に記載の方法。

【請求項6】

前記ステップ（ａ）でＳ－ＮＢＤ２を提供することが、Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀を提供することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記ステップ（ｃ）が、光学レンズにおいて前記Ｓ－ＮＢＤ２を使用することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

アルミフレームに前記レンズを取り付けることをさらに含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記ステップ（ｃ）が、測距装置において前記Ｓ－ＮＢＤ２を使用することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

前記測距装置を使用することが、単一画素および複数画素の焦点面アレイ光検出器のうち１つを使用することを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記ステップ（ｃ）が、アクティブイメージング装置において前記Ｓ－ＮＢＤ２を使用することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項12】

前記ステップ（ｃ）が、前記Ｓ－ＮＢＤ２を使用して、画像として、または現実世界の３Ｄシーンの奥行き知覚マップとして２次元レンダリングを生成することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項13】

前記ステップ（ｃ）が、計測装置において前記Ｓ－ＮＢＤ２を使用することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項14】

前記ステップ（ｃ）が、分光装置において前記Ｓ－ＮＢＤ２を使用することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項15】

近赤外スペクトルにおける用途に光学ポリマーを使用する方法であって、
（ａ）以下の特性を有する前記光学ポリマーを提供するステップ
（１）５０×１０^-6／℃未満である熱膨張係数
（２）前記近赤外スペクトルにおいて１．７超の屈折率、および
（３）前記近赤外スペクトルにわたって０．０５ｃｍ^-1以下である吸収係数
（ｄ）前記ポリマーで光学装置を形成するステップ、および
（ｅ）前記近赤外波長スペクトルにおいて前記光学装置を使用するステップ
を含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

連邦政府支援の研究または開発に関する陳述
本発明は、ＳＢＩＲ契約番号２０１６０８９のもと、２０２０年９月１日に授与された米国政府の支援によりなされた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。

【0002】

本発明は、近赤外（ＮＩＲ）光学用途のカルコゲニドハイブリッド無機／有機ポリマー（「ＣＨＩＰ」または有機カルコゲニドポリマー）を使用する。本願は、１つまたは複数のレンズからなる光学アセンブリの設計と構造に関連して、近赤外用途におけるＣＨＩＰの熱膨張特性、高屈折率、および低光吸収が、近赤外域で透過性を有する現在の光学ポリマーと比較して重要であることを明らかにするものである。本願において、ＮＩＲは波長７００～１６００ｎｍと定義される。

【背景技術】

【0003】

ＣＨＩＰはカルコゲニドガラスのポリマー版として開発され、その後、ゲルマニウム、硫化亜鉛およびセレン化亜鉛などのＩＩ－ＶＩ化合物、ならびに臭化カリウムおよびフッ化カルシウムなどの赤外線透過塩などの赤外光学材料を、低コストで、加工性を高め、より頑丈にしたものである。ＣＨＩＰの原特許である特許文献１では、波長３００～１５００ｎｍで１．７～２．２の高屈折率、透過率、およびレンズについて検討する中で、赤外用途の材料の使用を認識している。同特許は、光透過性または光吸収について明確にしていない。原特許の対象となっている材料のガラス転移温度は、わずか５５℃で、研究所外での用途には一般に有用ではない。

【0004】

現在の無機材料に付随する問題、特にコストや加工にかかわる問題を軽減する材料を提供することは有益であろう。

【0005】

また、高屈折率ガラス光学部品は、レンズメーカーの式１／ｆ＝（ｎ－１）／Ｒに従って、単レンズとしてイメージングやセンシングの用途に使用されている。上式で、ｆは焦点距離、ｎは光学媒体の屈折率、Ｒはレンズの曲率半径であり、Ｒを大きくするためには、ｆを短くする、開口数を大きくする、またはｆ／＃およびシャッター速度を小さくする。複レンズおよびそれより複雑なレンズアセンブリでは、色収差を抑えるために、高屈折率ガラスレンズが低屈折率ガラスレンズと共に使用され、そのような複レンズはアクロマートレンズとしても知られている。低屈折率とは１．４５～１．６の範囲、高屈折率は１．７～１．９の範囲を言う。一般にこれらのガラスレンズは、屈折率の高低にかかわらず、１ｍｍあたりの内部透過率が少なくとも９９．９％、熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃未満、熱光学係数（ｄｎ／ｄＴ）が５ｐｐｍ／℃未満である。最も一般的な光学グレードのガラスは、屈折率１．５１の低屈折率ホウケイ酸ガラスＮ－ＢＫ７である。一般的な高屈折率ガラスは、屈折率１．７１のランタンクラウンガラスＮ－ＬＡＫ１０、および屈折率１．８３のランタンフリントガラスＮ－ＬＡＳＦ９である（９４０ｎｍでの屈折率）。

【0006】

場合によっては、光学ポリマー製レンズを、Ｎ－ＢＫ７などの低屈折率ガラス製レンズの代わりに使用することができる。透過率要件が低く、光熱要件がそれほど厳しくない穏やかな環境であれば、こうした代用は可能である。ＮＩＲ光学ポリマーは内部透過率が低く、一般に厚さ１ｍｍで９０％超である。屈折率は、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）の１．４８からポリカーボネートの１．５７までの幅である（屈折率が１．６を超えるポリマーもあるが、通常、近赤外域では透過率が十分でなく、微小光学用途に限定される）。屈折率が１．７を超え、かつ厚さ１ｍｍの内部透過率が９０％を超える光学ポリマーは存在しない。典型的な光学ポリマーのＣＴＥ値は６５ｐｐｍ／℃超、ｄｎ／ｄＴ値は８０～１３０ｐｐｍ／℃の範囲である。

【0007】

それにもかかわらず、光学設計者は、複雑なレンズ形状の採用、重量の削減、あるいはコスト削減の必要がある場合にはポリマーレンズを使用する。ポリマーは２００℃未満の温度で自由形状の光学部品に成形できるのに対し、ガラスはガラス転移温度（５００℃超）をゆうに超える温度で成形される。このような高温での成形は難しく、ポリマーレンズと比べてコストが大幅に上昇する。ポリマーの密度が一般に１．２ｇ／ｃｃの範囲であるのに対し、ガラスの密度は２．５ｇ／ｃｃの範囲であるため、同じ寸法であればポリマーレンズはガラスレンズよりも５０％軽い。妥当な光学性能と十分な高屈折率を有する光学ポリマーが存在しないため、光学ポリマーは高屈折率ガラスの代替品として使用されてこなかった。

【0008】

高屈折率ガラスに代わる高屈折率の光学ポリマーを提供することは有益であろう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】米国特許第９，３０６，２１８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本概要は概念の一部を簡略的に紹介するものであり、これについては以下の「発明を実施するための形態」で詳述する。本概要は、特許請求される主題の主要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、特許請求される主題の範囲を限定して用いることを意図したものでもない。

【課題を解決するための手段】

【0011】

一実施形態において、本発明は、赤外スペクトルにおける用途にＳ－ＮＢＤ２を使用する方法を提供する。方法は、Ｓ－ＮＢＤ２を提供するステップと、Ｓ－ＮＢＤ２で光学装置を形成するステップと、近赤外スペクトルにおいて光学装置を使用するステップとを含む。

【0012】

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、現時点で好ましい本発明の実施形態を示すものであり、上述した一般的な説明および以下に示す詳細な説明とともに、本発明の特徴を説明するのに用いられる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀の例示的なポリマー鎖を示す図である。

【図2】Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀の熱膨張係数（ＣＴＥ）を、他の光学ポリマーと比較して示すグラフである。

【図3】プリズム結合法と偏光解析法によって測定したＳ₅₀－ＮＢＤ２₅₀の屈折率を示すグラフである。

【図4】Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀とＳ₇₀－ＮＢＤ２₃₀の屈折率を比較したグラフである。

【図5】吸収制限透過および１５５０ｎｍ用の単層ＡＲコーティングを施した透過における吸収制限透過スペクトルの透過率と波長を示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図面において、同様の数字は全体を通して同様の要素を指す。本明細書において、特定の用語は便宜上使用されているに過ぎず、本発明を限定するものとみなされるべきでない。用語には、具体的に言及された語、その派生語、および類似の意味を有する語が含まれる。本出願において、近赤外（「ＮＩＲ」）は波長７００～１６００ｎｍと定義される。また、式Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀における「５０」は、そのポリマー鎖中の硫黄およびＮＢＤ２の重量％である。同様に、Ｓ₇₀－ＮＢＤ２₃₀における「７０」および「３０」は、それぞれ、そのポリマー鎖中の硫黄およびＮＢＤ２の重量％である。ポリマー鎖Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀において、ＮＢＤ２はノルボルナジエンの二量体である。硫黄原子は、図１に示す鎖と同様の鎖でＮＢＤ２ポリマーに連結されている。

【0015】

以下に例示する実施形態は、網羅的であること、または開示された正確な形態に本発明を限定することを意図するものではない。これらの実施形態は、本発明の原理およびその適用と実用性を最もよく説明するために、また当業者が本発明を最もよく利用できるように選択され、記述されている。

【0016】

本明細書における「一実施形態」または「ある実施形態」への言及は、当該実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれ得ることを意味する。本明細書のさまざまな箇所で「一実施形態において」という句が現れるが、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すわけではなく、他の実施形態と必ずしも相互に排他的な別の、または代替的な実施形態であるわけでもない。「実施」という用語についても同様である。

【0017】

本願で使用する「例示的な」という語は、本明細書において、例、実例、または説明として用いていることを意味する。本明細書において「例示的」として記載される任意の態様または構想は、必ずしも、他の態様または構想よりも好ましい、または有利であると解釈されるべきではない。むしろ、例示的という語の使用は、具体的な方法で概念を提示することを意図している。

【0018】

「約」という語は、本明細書での使用において、「約」という語が付された数値の±１０％の値を含み、「一般に」という語は、本明細書での使用において、「詳細または例外にかかわらず」ことを意味する。

【0019】

「または」という用語は、排他的な「または」ではなく、包括的な「または」を意味する。すなわち、別段の定めがない限り、または文脈から明らかでない限り、「ＸはＡまたはＢを採用する」は、自然な包括的順列のいずれかを意味することを意図している。つまり、ＸはＡを採用する、ＸはＢを採用する、またはＸはＡとＢの両方を採用する、のいずれの例においても、「ＸはＡまたはＢを採用する」が満たされる。加えて、本願および添付の特許請求の範囲で使用される冠詞「ａ」および「ａｎ」は、別段の定めがない限り、または文脈から単数形を指すことが明らかでない限り、一般に「１つまたは複数」を意味すると解釈されるべきである。

【0020】

明示的に別段の記載がない限り、各数値および範囲は、「約」または「おおよそ」という語がその数値または範囲の前にあるかのように、近似値であると解釈されるべきである。

【0021】

特許請求の範囲における図の番号および／または図の参照表示の使用は、特許請求の範囲の解釈を容易にするために、特許請求される主題の1つまたは複数の可能な実施形態を特定することを意図している。そのような使用は、それらの特許請求の範囲を、対応する図に示される実施形態に必ずしも限定するものとして解釈されるべきではない。

【0022】

本明細書に記載する例示的な方法のステップは、必ずしも記載された順序で実行する必要はなく、そのような方法のステップの順序は、単に例示的なものであると理解されるべきである。同様に、本発明のさまざまな実施形態と一致する方法において、そのような方法にステップを追加することができ、また特定のステップを省略または組み合わせることができる。

【0023】

以下の方法クレームにおける要素は、もしあれば、対応する表示とともに特定の順序で記載されるが、クレームの記述が、特にそれらの要素の一部または全部を実施する特定の順序を含意するものでない限り、それらの要素は、必ずしもその特定の順序での実施に限定されることを意図するものではない。

【0024】

適切なＩＲイメージングシステムで使用する上で望ましいＩＲ透過特性も熱機械特性も備えていない第１世代のＣＨＩＰ材料の欠点を補うために、新配合のＣＨＩＰが開発された。

【0025】

主に波長域７００～１６００ｎｍで有用な種類の有機カルコゲニドポリマーを使用する方法を提供する。熱硬化性ポリマーの特性を有するＳ－ＮＢＤ２について、この波長域で使用するための光学特性、材料特性、および化学特性の評価を行った。Ｓ－ＮＢＤ２は光学的に安定であり、Ｔ_gは少なくとも８５℃である。

【実施例】

【0026】

Ｓ₇₀－ＮＢＤ２₃₀とＳ₅₀－ＮＢＤ２₅₀の両方の測定により、波長８００～１６００ｎｍ、特に臨界波長である９４０ｎｍおよび１５５０ｎｍにおいて、厚さ１ｍｍの内部透過率が８５％以下であることが示された。この同じ材料について、１／λ²のミー散乱法に従った、波長１２００ｎｍから始まり波長４５０ｎｍまで低下する吸収の増加が観察されている。しかし、広く商用利用するには、この波長帯で内部吸収が０．０５ｃｍ^-1以下でなければならない。同様に重要なこととして、ミー散乱は、撮像される物体からの放射が焦点面で過度に歪むため許容されない。代わりに、減衰は１／λ⁴のレイリー散乱挙動に従ったものであると理想的だが、１／λ³と比べると確実に悪くない。これらの値は、光学材料がＳ－ＮＢＤ２が使用可能なアクティブイメージング用途に使用される場合に特に重要である。これにより、ターゲットが通常８５０、９０５、９４０、１０６０、１０６４、１３１０、１４００、１５３５、または１５５０ｎｍの波長のレーザーで照射され、反射された放射が、同じくＳ－ＮＢＤ２が使用可能な単一画素または複数画素の焦点面アレイ光検出器に結像される。光学材料による光吸収が増加すると、検出および撮像範囲が低下し、散乱により位置決め誤差が増大し、画質が劣化する。

【0027】

Ｓ－ＮＤＢ２は、ＩＲイメージングシステムに組み込む上で望ましいＩＲ透過特性または熱機械特性を備えていない他のＣＨＩＰ
の欠点を軽減するために使用される。近赤外波長域におけるＳ－ＮＤＢ２の使用にとって重要であるＳ－ＮＤＢ２の以下の特性を測定した。

【0028】

熱膨張係数
光学設計に必要とされる重要な機械特性は熱膨張係数（「ＣＴＥ」）である。Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀のＣＴＥは、社内での干渉計測法と、第三者による推奨ＡＳＴＭ Ｅ８３１－１９法の両方で測定した。２つの方法は５％以内で一致し、ＡＳＴＭ Ｅ８３１－１９法では、図２に示すように、典型的な光学ポリマーの値よりも大幅に低い３９×１０^-6／℃の値が得られた。Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀のＣＴＥは約３０×１０^-6／℃と約５０×１０^-6／℃の範囲にあり、これは、近赤外用途にＳ₅₀－ＮＢＤ２₅₀を使用する明確な利点である。熱機械特性の点では、ポリマーの熱硬化性および広範なサイクル測定（－４５～８５℃で１００サイクル）に基づいて、ガラス転移温度が約１０５℃であり、おおよそ８５℃の使用温度で実用可能で、透過率に変化が認められないことがさらに確認された。

【0029】

Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀のＣＴＥが３９×１０^-6／℃（または少なくとも５０×１０^-6／℃）であることは、２つの点で重要である。第一に、多くの場合、レンズは金属ハウジングに機械的に固定される。光学アセンブリを使用できる温度範囲は、光学材料と金属のＣＴＥの近さにいくらか依存する。これが離れすぎていると、温度範囲にわたってサイクルの回数をある程度重ねたときに、金属とレンズの接合が弱くなる。そうするとレンズが適切に固定されず、そのため焦点調節がうまくいかず画質が低下する。一例として、一般的なアセンブリ材料であるアルミニウムのＣＴＥは２３ｐｐｍ／℃、最も一般的な光学グレードであるＮ－ＢＫ７ガラスのＣＴＥは７ｐｐｍ／℃、最も一般的なステンレス鋼である３０４のＣＴＥは１７ｐｐｍ／℃である。アルミニウムが望ましい用途では、アルミニウムとガラスの差は、絶対値でアルミニウムとＳ₅₀－ＮＢＤ２₅₀の差と同じであり、同様に、アルミニウムとＳ₅₀－ＮＢＤ２₅₀の比が＋７０％であるのに対し、アルミニウムとガラスの比は－７０％である。値と比率が同様であることから、Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀レンズの使用は、図２に示すように、従来の光学ポリマーとは異なり、実用可能な選択肢となる。

【0030】

第二に、ＣＴＥは、所定の温度範囲内にわたる光学設計において、レンズの焦点位置のシフトの尺度となる。図２からわかるように、Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀のＣＴＥは、他の光学ポリマーのＣＴＥ値よりも少なくとも４０％低い。ＣＴＥがこのように低いと、焦点のシフトが比例して小さくなる、または、許容される同じシフトに対して、１／（１－０．４０）、すなわち６７％大きな温度変化が可能になるという効果がある。例えば、ＣＴＥが約６８×１０^-6／℃のレンズを使用した光学系を、ＣＴＥが３９×１０^-6／℃のレンズに置き換えると、±２０℃の温度範囲を±３５℃に拡大することができる。この温度範囲の拡大は、可視スペクトル２Ｄ画像のオートフォーカス機構の一部としてＮＩＲ ３Ｄセンシングを使用するスマートフォンにおいて特に価値がある。ＣＴＥが小さいＳ－ＮＢＤ２レンズを使用した３Ｄ奥行き知覚の性能により、奥行き判定の正確性が向上し、ＣＴＥ値が大きい光学ポリマー製のレンズで可能であったよりも広い温度範囲にわたってより鮮明な可視２Ｄ画像が得られる。温度範囲の拡大は、測距装置においても価値があり、レーザービームが平行であればあるほど、検出装置の距離範囲が拡大する。この距離範囲の拡大は、レンズの焦点距離のシフトによりレーザービームが距離に従って拡散する可能性があるという観察から理解できる。ビームが拡散しすぎると、ターゲットに到達する光子が少なすぎるため、測距装置の光検出器が集めて測定できるほどの光が戻ってこない。ＣＴＥが小さいと、広い温度範囲にわたってビームが平行に保たれるため、所定の温度範囲でより長い距離に対して測距装置が使用可能となる。

【0031】

これらが、ＣＴＥが小さい光学ポリマー製レンズの新たな用途である。Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀のＣＴＥを測定するまで、ガラスと従来のポリマーの間に位置する光学材料のＣＴＥがアルミニウム（Ａｌ）と熱的に非常によく一致する可能性に関して、当業者は予想していなかった。また、広い温度範囲で奥行きを正確に測定するポリマーレンズも予想されていなかった。

【0032】

Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀のＣＴＥは、高屈折率ガラスの＜１０ｐｐｍ／℃ほど小さくはないが、Ａｌ製ハウジングを使用する用途では、Ｓ－ＮＢＤ２とＡｌのＣＴＥ（ＣＴＥ＝２３ｐｐｍ／℃）の一致は、ガラスとＡｌのＣＴＥよりも一致性が高いとは言わないまでも、光学エンジニアには同等とみなされていることに注意が必要である。さらに、Ａｌは軽量化のために鋼の代わりに使用されることが多いため、Ｓ－ＮＢＤ２の密度がガラスに比べて低いことも有利である。

【0033】

屈折率
近赤外スペクトルにおいてＳ₅₀－ＮＢＤ２₅₀を特に有用なものとしているＳ₅₀－ＮＢＤ２₅₀のもう一つの重要な特性は、その屈折率である。近赤外スペクトルにわたるＳ₅₀－ＮＢＤ２₅₀の屈折率を図３に、Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀とＳ₇₀－ＮＢＤ２₃₀の屈折率の比較を図４に示す。厚さＬ、屈折率ｎの光学材料サンプルに光が入射すると、通常、光はサンプルを通り抜ける際にさまざまな物理現象、すなわち反射、散乱、および吸収を生じる。光学部品が最先端の方法で製造されていれば、表面光散乱とバルク光散乱は共に無視できるものとみなせる。

【0034】

光学ポリマーの散乱要件を満たすＳ－ＮＢＤ２レンズは、本発明の方法で使用することができる。さらに、Ｓ－ＮＢＤ２は現在使用されている高屈折率ガラスレンズに代わる光学ポリマーを提供する。Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀の屈折率は、図３に示すように、波長８５０ｎｍで１．７３、波長１２５０ｎｍで１．７２であり、近赤外スペクトル全体にわたって１．７超かつ１．９未満である。硫黄が７０重量％のＳ₇₀－ＮＢＤ２₃₀の屈折率は、波長９４０ｎｍで１．７７、波長１５５０ｎｍで１．７６である。

【0035】

吸収
波長λを有し、サンプルに正常に入射する近赤外光では、材料の光学特性は、波長依存屈折率ｎ（λ）および吸収係数α（λ）によって特徴付けることができる。フレネル反射が入射界面で起こり、界面で反射された入射パワーの割合は反射率Ｒで表される。
Ｒ＝（（ｎ（λ）－１）／（ｎ（λ）＋１））＾２ 式１
上式で、吸収係数は、反射への寄与が無視できるほど非常に小さいものとみなされる。フレネル反射は入射界面と出射界面の両方で起こり、透過率（Ｔ）に（１－Ｒ）²の係数が与えられ、その最大値は１となる。例えば、屈折率が１．５の一般的な光学ガラスでは、Ｒ＝０．０４であるため、吸収が無視できるガラス片の透過率は、Ｔ_F＝（０．９６）²×１＝０．９２で得られる。下付き文字のＦは、これが両方の界面での正常入射光のフレネル反射で予想される透過率であることを示す。

【0036】

吸収が無視できない場合、透過率はｅ＾（－α（λ）Ｌ）で得られる係数によってさらに減少する。これはベールの法則として知られている。全透過率（Ｔ_t）は次のように求められる。
Ｔ_t＝[（１－Ｒ）]＾２ ｅ＾（－α（λ）Ｌ） 式２

【0037】

この全透過率は、すべての散乱寄与がゼロであるとみなされているため、吸収制限透過率と呼ぶことができる。これは、長さＬのサンプルに対して吸収係数α（λ）を有する材料で実現できる最高の透過率である。

【0038】

従来の光学ポリマーでは、８００～２０００ｎｍの近赤外領域における吸収制限透過率は、炭素－水素、酸素－水素、および炭素－炭素の分子振動倍音からの吸収寄与によって決定される。特に、一般的な適用波長である１５５０ｎｍでは、ＰＭＭＡやポリカーボネートなどの光学ポリマーの吸収係数は約０．１～０．２ｃｍ^-1である。分子振動倍音のスペクトル位置は、振動に関与する原子の質量に関連している。原子２個が関与する分子振動の単純な質量－ばねモデルでは、分子振動の周波数がこの原子２個の換算質量の平方根に反比例すると予測される。したがって、水素のような軽い原子が関与する振動は周波数が高く（波長が短く）、上で引用したような吸収係数をもたらす。カルコゲニドハイブリッド無機／有機ポリマーの重要な利点は、高屈折率および低熱膨張係数に加えて、硫黄結合の割合が大きいことである。硫黄原子（原子量３２）は炭素（１２）および特に水素（１）と比べて重いため、硫黄－硫黄結合の振動周波数が非常に小さく、１０ミクロン超の波長に対応し、近赤外での吸収はごくわずかとなる。すなわち、５０重量％の硫黄を含む一般的なカルコゲナイドポリマーでは、１５５０ｎｍにおける吸収係数は、一般的な光学ポリマーよりも２分の１以下の０．０５ｃｍ^-1のオーダーとなり、光学設計および製造の柔軟性が向上する。

【0039】

図５は、Ｓ₅₀－ＮＢＤ２₅₀の吸収制限透過スペクトルを示すグラフである。厚さ１．４ｍｍ（対象となる近赤外用途に必要な一般的な厚さ）の平面窓形状について、理論透過率を波長に対してプロットした。一例として、１５５０ｎｍにおける最大透過率は約８６％であり、透過率の低下は実質的にすべて（１００％未満）、吸収ではなく界面でのフレネル反射によって起こる。図５は、１５５０ｎｍの理想的な反射防止コーティングを両面に施した同じ窓の理論透過率も示している。この場合、透過率は９９％近くに上昇している。

【0040】

近赤外スペクトル用途におけるＳ－ＮＢＤ２の使用の利点に以下がある。
高屈折率ガラスレンズに代わる光学ポリマーとしての使用。
計測装置における光学ポリマーとしての使用。
分光装置における光学ポリマーとしての使用。
球面レンズもしくは非球面レンズ、自由形状の光学レンズもしくは一体型レンズアセンブリ、ライトパイプ、複合放物面集光器、または当業者に明らかなその他の光学設計などの個別素子としての使用。
焦点距離の短縮、レンズハウジングのサイズおよび重量の削減、高屈折率による利点としての材料消費の削減、シャッター速度の低下、視野の拡大、検出範囲の拡大、および当業者には明らかなその他の利点など、高屈折率ガラス光学部品で実現されるのと同様の利点を達成するための、個別型または一体型のＳ－ＮＢＤ２光学部品の製造における使用。
高価な単一素子の非球面ガラスから、総費用がより低いペアの球面ポリマーレンズへの置き換え。
元のレンズのサイズ、重量、またはコストの削減となる、複数の個別ガラスレンズの、単一の一体型レンズアセンブリへの統合。
質量およびサイズにより慣性モーメントが減少することで、人間工学が向上し、様式の選択肢が増え、回転速度が上がり、さらに当業者に明らかなその他の利点が得られるような、ガラスレンズアセンブリからポリマー一体型レンズアセンブリへの置き換えによる質量およびサイズの削減。
無人航空機（別名ドローン）のバッテリー消費が抑えられることで、より長時間の飛行および操作を可能にする、軽量の光学レンズアセンブリ。

【0041】

以下の特許請求の範囲に記載する本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の性質を説明するために記載および図示した部品の細部、材料、および配置におけるさまざまな変更が当業者によって行われ得ることがさらに理解されよう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】