CN101173994B - 正和/或负c片的薄膜设计 - Google Patents

Abstract

薄膜涂层，例如其包括高、低折射率材料组成的交替层，根据入射光条件可作为正、负C片。特别地，延迟与入射角关系曲线的形状被发现可以由薄膜涂层的相位厚度(即以入射光波长表示的光学厚度，可通过角度、弧度或1/4波长数等形式表示)决定或至少部分决定。这些薄膜涂层可以被选择集成到防反射涂层、薄膜干涉滤光片和/或其他元件中，以改善性能和/或功能。

Description

正和/或负C片的薄膜设计

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2006年6月2日提交的60/803,735号美国临时申请和2006年8月23日提交的60/823,326号美国临时申请的优先权，在此通过参考将这两个申请合并入本申请中。

技术领域

本申请通常涉及薄膜，尤其涉及用于提供正和/或负C片元件而设计的薄膜涂层。

背景技术

薄膜在防反射涂层和干涉滤光片中的应用是众所周知的。关于前者，对一个或多个薄膜层的厚度和折射率进行选择，以减少被基体所反射的光。关于后者，对薄膜层的厚度、折射率和/或层数进行选择，以提供所需的滤光特性。

近期，业界对在光学元件中采用薄膜来实现双折射的兴趣越来越高。双折射的特征是有多种不同的折射率，它会使具有正交线性偏振的光(如s和p偏振光)以不同的速度穿过介质。不同的速度会导致两个正交偏振之间出现相位差。该相差通常称为“延迟”，可以用占波长的比率来表示，单位为度或纳米。通常，延迟的幅度将决定双折射元件的应用情况。例如，提供约1/2波长延迟的光学元件(即半波片)通常被用来改变线性偏振光的偏振状态。提供约1/4波长延迟的光学元件(即四分之一波片)通常被用来将线性偏振光转换为圆偏振光，或用在改变线性偏振光偏振状态的反射中，和/或其他各种应用，如光盘信息读取。提供更小幅度延迟(如低于1/10波长)的光学元件通常用于补偿偏振敏感的光学系统(如LCD投射系统中)的缺陷。

一般而言，双折射光学元件被视为具有A片、C片或O片对称性。A片是非常轴取向与片平面平行的单轴双折射光学元件。C片是非常轴取向与片平面垂直(即平行于法向入射光的方向)的单轴双折射光学元件。O片则是非常轴(即其光轴或c轴)取向与片平面成斜角的单轴双折射光学元件。需要指出的是，C片对法向入射的光线不能实现任何净延迟(即法向入射光不受双折射影响)。与之相对，离轴入射(即与非常轴成某一角度)的光将出现与入射角成比例的净延迟。若延迟随入射角增大而增大，则C片被视为正片，若延迟随入射角增大而减小，则C片被视为负片。在本文中所提之处，迟滞(retardance)与延迟(retardation)可互换使用，其中涵盖两个正交线性偏振元件之间的有符号相位差。正C片需要正的双折射，类似地，负C片需要负的双折射。

作为A片的双折射光学元件经常被用来提供或补偿面内延迟，而作为C片的元件则经常被用来提供或补偿面外延迟。面内延迟表示为光程差而非相位差，指的是两个正交面内折射率之差与光学元件物理厚度的乘积。面外延迟也以光程差表达，指的是沿光学元件厚度方向(z向)的折射率与一个面内折射率(或面内折射率的平均值)之差与光学元件物理厚度的乘积。

光学元件中的双折射传统上由分子双折射晶体实现，是通过拉伸或弯曲各向同性材料，直至其各向同性消失，以及/或者施加电场以产生各向异性。如上所述，业界对在光学元件中采用薄膜实现双折射的兴趣也越来越高。采用薄膜的优越性在于它提供了经济的替代方案，规避了与有机和/或聚合材料相关的可靠性问题，并增加针对特定应用进行定制的设计灵活性。例如，尽管与有机和/或聚合材料等效产品相比，双折射晶体具有高度的耐用性和/或稳定性，但生成和打磨大型晶体薄片的成本却可能很高。此外，由于加工物理厚度小于约100μm的双折射晶体较为困难，所以这些自然双折射元件通常不适于补偿应用。例如，具有厚度至少100μm、双折射率为0.009的单石英片的C片的延迟值在可视区内被限制为900nm的最小值。

使用薄膜实现双折射的成功尝试已经在7,170,574号美国专利和20070070276号美国专利申请中进行过报道，在此通过参考将两者合并入本申请中。在这些参考文献中，薄膜涂层被用来加工旨在补偿LCD面板固有双折射的调整延迟器。更具体地讲，薄膜涂层用于生成形式双折射(form-birefringent)薄膜叠层，其中单个层的光学厚度远小于入射光的波长。耐用性很高、充当-C片的形式双折射(FB)叠层可以被方便地集成到AR涂层设计(FBAR)中，以实现全功能的A/-C片调整延迟器。然而由于层厚限制，FBAR只能用作负C片。

发明内容

本发明涉及薄膜设计，其层厚度不限于远小于入射光波长的范围，该薄膜是耐用的且可充当正和/或负C片的薄膜。

根据本发明的一方面，提供一种薄膜涂层，它包括：一个具有基本周期的多层叠层，该基本周期包括至少由两种具有反差折射率的各向同性材料构成的交替层，且在λ₀下的等效相位厚度为π，对基本周期中每一层的物理厚度和折射率进行选择以使多层叠层在预定波长下起C片的作用，并使基本周期在预定波长下的等效相位厚度大于π。

根据本发明的另一方面，提供一种方法，其包括步骤：在基片上沉积薄膜涂层，该薄膜涂层包括：具有基本周期的多层叠层，该基本周期包含至少两种具有对比折射率的各向同性材料的交替层，该基本周期在λ₀下有π的等效相位厚度，对该基本周期中每一层的物理厚度和折射率进行选择以使该多层叠层在预定波长下起C片的作用，并使该基本周期在预定波长下的等效相位厚度大于π。

根据本发明的另一方面，提供了一种薄膜涂层，它包括：具有正C片功能的多层介电薄膜叠层，该多层介电薄膜叠层包括多个折射率不同的交替薄膜层，对多层薄膜叠层中每个薄膜层的物理厚度和折射率进行选择以使其在预定波长、预定非法向入射角下形成预定的延迟。

根据本发明的另一方面，提供一种光学延迟器，它包括：具有面内延迟的双折射元件，该双折射元件用透明基片支撑，并被耦合至一个或多个薄膜涂层，其中所述一个或多个薄膜涂层包括一个具有基本周期的多层叠层，该基本周期包括至少由两种具有对比折射率的各向同性材料构成的交替层，该基本周期在λ₀下的等效相位厚度为π，对该基本周期中每一层的物理厚度和折射率进行选择以使该多层叠层在预定波长下起C片的作用，并使该基本周期在预定波长下的等效相位厚度大于π。

附图说明

下面结合附图详细说明本发明，其更多特征和优势将变得明显，其中：

图1所示为采用现有技术提供相消干涉的1/4波长层；

图2所示为(aba)^Q形式的对称叠层，其中Q等于1；

图3示出了对称叠层(0.5L H 0.5L)和(0.5L H 0.5L)⁵在15°处的s平面与p平面之间的等效相位厚度差，两者均在折射率为1.52的基片上以空气中的1000nm为中心(各层以法向入射匹配)；

图4示出了相对于与图3所示的等效相位厚度差，1000(0.5L H 0.5L)⁵叠层在15°处的透射延迟；

图5示出了1000(0.5L H 0.5L)⁵叠层15°处的透射延迟，对照图线为非对称叠层1000(1.16H 0.8L)15°处的透射延迟以及三种材料对称叠层1000(0.4L 0.4M 0.4H 0.4M0.4L)⁵的15°处的透射延迟；

图6A所示为对称叠层1000(0.5L H 0.5L)⁵在1500nm波长下透射延迟与入射角的关系，并显示薄膜叠层在此波长下充当-1680nm的负C片；

图6B所示为对称叠层1000(0.5L H 0.5L)⁵在650nm波长下透射延迟与入射角的关系，并显示薄膜叠层在此波长下充当+396nm的正C片；

图6C所示为对称叠层1000(0.5L H 0.5L)⁵在450nm波长下透射延迟与入射角的关系，并显示薄膜叠层在此波长下充当-82nm的负C片；

图6D所示为对称叠层1000(0.5L H 0.5L)⁵在310nm波长下透射延迟与入射角的关系，并显示薄膜叠层在此波长下充当1121nm的正C片；

图7所示为相对于单层C片延迟器的薄膜叠层等效件；

图8所示为依据本发明一种实施方式给出的薄膜涂层配以另一种延迟元件，实现离轴延迟曲线形状；

图9所示为70nm A片延迟器在785nm波长下透射延迟与入射角的关系，其中慢轴以零度方位角取向；

图10所示为依据本发明的一种实施方式给出的正C片薄膜涂层的层结构，其中在薄膜叠层与基片之间包含两个防反射层；

图11给出图10中所示正C片AR涂层的延迟与参照图9所讨论的70nm A片延迟器的延迟之间的比较；

图12所示为外部熔融石英玻璃表面上覆有正C片AR涂层的波片的70nm A片慢轴在不同方位指向下的理论延迟与入射角的关系，并示出了在入射f/1.43光束由3.5nm左右减至1nm以下的总延迟变化；

图13所示为外部熔融石英玻璃表面上覆有正C片AR涂层的波片的70nm A片慢轴在不同方位指向下的实测延迟与入射角的关系，以及无涂层叠层波片的理论延迟；

图14所示为一种设计方案在45°下的理论透射率和透射延迟，该设计方案在480nm、660nm下有较高的透射率，且在这些波长下具有+90或-90°的透射延迟；

图15所示为一种薄膜涂层设计在45°下的理论反射率和反射延迟，该设计方案在500-600nm的波长带中是一个反射型1/4波片(90°延迟)；

图16所示为一种设计方案在45°下的理论反射率和反射延迟，该设计方案在406nm、660nm和790nm这三个波长(以垂直线示出)下具有90°延迟(1/4波片)。

需要指出的是，在所有附图中，同一数字表示相同的部件。

具体实施方式

如上所述，在防反射涂层和/或干涉滤光片中经常采用薄膜(如薄膜干涉滤光片)。在各种情形下，薄膜涂层通常都包含至少这样一层：其所选定的折射率n和物理厚度d使该层的光学厚度(n倍的d)等于入射光波长的1/4。这些1/4波长(QW)层利用干涉原理实现所需的光学效应。

例如，参见图1中的现有技术，折射率为n₁的薄膜层10涂覆在折射率为n₂的基片20上。在n₁小于n₂，且n₁和薄膜层厚度d₁的选取使其光学厚度等于入射光波长λ的1/4的条件下，在空气/薄膜和薄膜/基片界面所反射的光将正好为180°反相。此180°的相位差将导致相消干涉，大大减小波长为λ的光的反射量。

相应地，最简单的防反射涂层由直接沉积在基片上的单个1/4波长透明介电材料层组成。更具体而言，此透明介电材料层的折射率要小于基片的折射率，这样其物理厚度可使光学厚度约等于光谱区中心波长的一个1/4，从而减少所述光谱区的反射率。

更为复杂的防反射涂层是在基片上沉积两层或更多层透明电介材料。例如，根据一类防反射涂层的构造，在基片上沉积折射率大于基片折射率的第一层，使其光学厚度约为中心波长的1/4，而在第一层上沉积折射率小于基片折射率的第二层，使其光学厚度也约为中心波长的1/4。此类防反射涂层经常被称为V涂层设计，因为它通常可在中心波长处实现零反射，而在中心波长的两侧反射会急剧增大。

更适宜宽带应用的多层防反射涂层通常至少有三个电介层，其中高、低折射率材料交替堆叠在一起的。例如，一种特别常用的宽带防反射涂层共有四层：沉积在基片上的第一层由高折射率材料制成，其光学厚度约为中心波长的1/8；沉积在第一层上的第二层由低折射率材料制成，其光学厚度约为中心波长的1/8；沉积在第二层上的第三层由高折射率材料制成，其光学厚度为中心波长的1/2；沉积在第三层上的第四层由低折射率材料制成，其光学厚度为中心波长的1/4。对第一和第二层的光学厚度进行选择以使二者的组合光学厚度约光谱区中心波长的1/4，从而减少所述光谱区的反射率。

干涉滤光片通常分类为带通滤光片、短波通(SWP)滤光片、长波通(LWP)滤光片或陷波滤光片。最简单的带通滤光片(设计用以允许给定波长带的光通过，而反射掉其他所有波长)仅有两个部分反射片或半反射镜，其间由垫片隔开(即类似于标准具)。在全电介滤光片中，部分反射片由一个或多个1/4波长厚的电介材料层制成，垫片是由透明电介材料制成的半波长层或多个半波长层。例如，根据一种实施方式，每个部分反射片均采用高、低折射率材料层交替形成，每一层的光学厚度等于1/4波长。方便的是，这些简单的全电介结构可以被级联起来形成具有急剧通带转变特性的多腔干涉滤光片。每个干涉滤光片的带宽都是该结构中1/4波叠层的反射率的函数，而半波长垫片则决定了通带的中心波长。

本发明认可，由高、低折射率材料交替层叠等方式形成的薄膜涂层也可以同时呈现正和负的面外双折射，这种双折射是有用的，且该薄膜可以被集成到防反射涂层、薄膜干涉边缘滤光片和/或其他元件中，以提高效率和/或改善功能。此外，本发明还认可，面外双折射的符号和幅度是由薄膜涂层的相位厚度决定(即该光学厚度用入射光的波长表示，例如可以角度、弧度或1/4波长倍数表示)。

为示例起见，考虑图2所示的对称薄膜叠层。该对称叠层为(aba)^Q型，其中(aba)为基本周期，材料a的折射率为n_a，材料b的折射率为n_b，Q是叠层中的周期数(图中示为1)。通常，折射率n_a将被视为高于或低于折射率n_b(即折射率之间存在差异)。该对称叠层以波长λ₀为中心(即对于以法向入射的1/4波长叠层，需对物理厚度d_a和d_b进行选择以使其在λ₀处的光学厚度nd被限定如nd＝λ₀/4))。

从数学角度，上述对称叠层可以由一个单一的等效层表示(如对称叠层可以被视为Herpin等效叠层)。这个单一层的等效折射率N和等效相位厚度γ由以下公式计算

其中以法向入射的各层的相位厚度为

和

d_a和d_b为基本周期中层a和层b的物理厚度，而λ是计算等效折射率和等效相位厚度时的波长。请注意此等效折射率N与周期数无关，而等效相位厚度γ则是基本周期的相位厚度乘以周期数Q之积。

上述公式针对的是法向入射光。对于非法向入射，薄膜具有双折射性。P偏振将成为非常波，而S偏振则保持为寻常波。此外，对于离轴入射的光，折射率n_a和n_b被相应的p平面有效折射率(如n_effpa＝n_a/cosθ_a)和s平面有效折射率(如n_effsa＝n_acosθ_a)分别替换。类似地，每一层的相位厚度

和

采用相应的非法向入射相位厚度公式替代(如

和其中θ_a和θ_b由斯涅尔定律(即sinθ₀＝n_asinθ_a)计算，θ₀为空气中的入射角)。同样，半波长光学厚度以角度确定：ndcosθ＝λ₀/4。相应地，公式(1)变为：

而公式(2)变为：

涂层p平面的透射相位δ_tp是： $\tan {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{tp}}=\frac{(1-r_{p12}{r}_{p23})\tan {\mathrm{\γ}}_p}{(1+r_{p12}{r}_{p23})},---\left(5\right)$ 其中r_p12由式(6)给出： $\frac{n_0/\cos {\mathrm{\θ}}_0-N_p}{n_0/\cos {\mathrm{\θ}}_0+N_p},---\left(6\right)$ r_p23则由式(7)给出 $\frac{N_p-n_s/\cos \mathrm{\θs}}{N_p+n_s/\cos \mathrm{\θs}},---\left(7\right)$ 其中n_s是基片的折射率，而θ_s是在基片上的光线角度。

s平面的透射相位δ_ts与公式(5)的表达类似，但在此r_s12为 $\frac{n_0\cos {\mathrm{\θ}}_0-N_s}{n_0\cos {\mathrm{\θ}}_0+N_s},---\left(8\right)$ 而r_s23为 $\frac{N_s-n_s\cos \mathrm{\θs}}{N_s+n_s\cos \mathrm{\θs}}.---\left(9\right)$

角度的透射净延迟Γ_t(单位为纳米)定义为非常波与寻常波之间的相位差，即表示为 ${\mathrm{\Γ}}_t=\frac{({\mathrm{\δ}}_{\mathrm{tp}}-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ts}})\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}---\left(10\right)$

图3给出了与图2中所示类似的对称叠层的s平面和p平面的等效相位厚度的理论差值(如γ_p-γ_s)图。此对称叠层在此称为1000(0.5L H 0.5L)^Q，材料a为低折射率材料L，其光学厚度等于1000nm波长的光以法向入射时1/4波长的0.5倍(即波长的1/8；nd＝1000/8)，材料b为高折射率材料H，其光学厚度对应于1000nm波长的光以法向入射时的1/4波长。由于层厚度确定为1000nm，叠层即被视为以1000nm为中心。该对称叠层被认为在空气中入射，且安装在折射率为1.52的基片上(各层以法向入射匹配)。L和H材料被视为非色散性的，且折射率分别为1.46和2.2。等效相位厚度差针对15°的入射角计算。实线对应于叠层的1个周期，虚线对应于5个周期。此对称叠层的阻带是基本周期的等效相位厚度为180°和540°(或π和3π)的区域。很明显，在某个角度下，各个薄膜涂层预期都会起到正C片和/或负C片的作用，这要取决于入射光的波长。等效相位厚度差为正值的区域被标为正C片区，而等效相位厚度差为负值的区域则被标为负C片区。这些区域的位置不会随着叠层周期数而改变，但延迟的幅度会有相应的变化。幅值会随周期数线性缩放。

在图4中绘出了在15°角下，1000(0.5L H 0.5L)⁵叠层的理论透射延迟(采用基于矩阵的薄膜计算算法计算)与图3中所示等效相位厚度差的关系。正、负延迟区与等效叠层的相位厚度差所确定的正和负C片区相符。特别的是，对于以15°角入射的情况，透射延迟预期会从850nm处的约10nm变化到1225nm处的约-20nm。

有利的是，正C片功能仅由薄膜结构实现，该结构在本实施方式中包括具有高、低折射率材料交替而形成的薄膜叠层。相应地，本发明的薄膜涂层可以按照常规采用将各向同性材料(如无机介质)沉积在高密度微层中的方法制成，高密度微层不应有孔隙，也不应有与孔隙相关的问题(如脱层、支柱破损和/或孔隙中充水)。例如，当各向同性材料本身为无机性质时，所形成的薄膜将有正C片元件，并将高度耐用(如可以在更长时间内耐受高光通量和高温，并可承受机械处理)。

在图5中，将1000(0.5L H 0.5L)⁵叠层在15°角入射条件下的理论透射延迟与非对称叠层1000(1.16H 0.8L)⁵以及三种材料的叠层1000(0.4L 0.4M 0.4H 0.4M 0.4L)⁵(其介质指标材料(media index material)的非色散指标M为1.8)的理论透射延迟进行了比较。对于这三种叠层，法向入射时基本周期的相位厚度在近似相等的三个波长(979nm、968nm和983nm)下均等于π。

有利方面是，如图5所示，当基本周期(即反复出现的单元)仅包括两层，基本周期为非对称性，和/或基本周期包含材料多于两种(即对于各种周期性分层的介质)时可以实现正C片设计。需要注意的是，对于图5所示的每种设计，正、负延迟区域均类似。

另外的有利方面是，如图5所示，本发明的薄膜涂层仅需以相对较少数量的折射率反差大的材料交替涂覆在一起形成薄膜层(如15-25层)，即可呈现显著的面外双折射。这是与采用现有技术的FBAR涂层形成鲜明对比的，后者需要有大量交替分布的高/低折射率薄膜层(如在50层以上，最高约达2000层)，各层厚度为工作波长的某一比例。需要注意的是，层数较少、层较厚的薄膜涂层比层数较多、层较薄的薄膜涂层生产起来要更容易。

再参见图3，并且注意到基本周期等效相位厚度的设计已经使之在接近1000nm的波长上等于π，因此也可以就等效相位厚度来讨论透射延迟。例如，在区域1中，基本周期的等效相位厚度小于π，在区域2中，基本周期的等效相位厚度大于π但小于2π，而在区域3中，基本周期的等效相位厚度则是大于2π但小于3π，对其他未示出的区域类似(更短波长的方向)。

图6A、6B、6C和6D给出了上述1000(0.5L H 0.5L)⁵设计在各种入射波长(如1500nm、650nm、450nm和310nm)下理论延迟与入射角的关系。需要注意的是，这些波长中的每一个都对应于一个不同的相位厚度和图3中一个不同的区域。例如，1500nm在区域1(对应于-C片和小于π的等效相位厚度)中，650nm在区域2(对应于+C片和大于π但小于2π的等效相位厚度)中，450nm在区域3(对应于-C片和大于2π但小于3π的等效相位厚度)中，而处于未标示区域的310nm则呈现对应于+C片且等效相位厚度大于3π但小于4π的情况。

参见图6A，可以确认延迟会随入射角偏离法向入射方向而减小，且薄膜叠层在此区域(即区域1，在此基本周期的等效相位厚度＜π)充当负C片。实际上，在此区域内，设计实例的物理层厚度(如d_a＝86nm和d_b＝114nm)要小于入射光的波长。对于厚度远小于光波长的各层，该叠层是一个可以用零阶有效介质理论(EMT)描述的形式双折射叠层。采用此类结构的负C片涂层设计在7,170,574号美国专利和K.D.Hendrix，K.L.Tan，M.Duelli，D.M.Shemo及M.Tilsch的“Birefringent films for contrastenhancement of LCoS projection systems”(用于LCoS透射系统对比度增强的双折射薄膜)J.Vac.Sci.Technol.A 24(4)，pp.1546-1551，2006，在此通过参考将两者均合并入本申请中。

参见图6B，很明显延迟会随入射角对法向入射的偏离而增大，且叠层在此区域(即区域2，其中基本周期的等效相位厚度小于2π但大于π)内充当正C片。

参见图6C，很明显延迟会随入射角对法向入射的偏离而减小，且叠层在此区域(即区域3，其中基本周期的等效相位厚度小于3π但大于2π)内充当负C片。

参见图6D，很明显延迟会随入射角对法向入射的偏离而增大，且叠层在此区域(即基本周期的等效相位厚度小于4π但大于3π的区域)内充当正C片。

概言之，基本周期的相位厚度γ_p，s根据下式决定薄膜叠层是作为正C片还是负C片(m-1)π＜γ_p，s＜mπ                                                  (11)特别地，在m为偶数的区域，薄膜叠层将为正C片，在m为奇数的区域，则为负C片。

在上述整个Herpin等效相位分析中，已参考从2个正交偏振方向(如非常波和寻常波，也是P偏振和S偏振)的透射和反射相差计算出的净延迟(在某个倾斜入射角下)。为在薄膜设计和材料系统选择上实现一定的灵活性，将多层薄膜叠层的离轴延迟效应与相应的单层双折射介质的离轴延迟效应进行比较。等效的单一双折射层与实际的薄膜设计具有相同的离轴延迟曲线。在等效模型中采用的单轴材料的折射率(n_o和n_e)可能是实际材料的折射率(如液晶混合物的折射率)，也可能是假想材料的折射率。等效材料系统的平均折射率值与多层薄膜叠层的有效折射率n_o和n_e可能相同也可能不同。等效层的物理厚度D₂也可能与多层叠层的实际总体薄膜厚度D₁不同。图7示意性地给出了这种等效模型的一项特别重要的成果，即实际的薄膜设计可能加入了一种或多种不同的薄膜子叠层，如将(aba)^Q叠层浸入折射率匹配层中(防反射功能)。整个叠层的离轴性质均与构成反复式叠层的单层相符，其延迟效应可以通过分析得出，而其AR叠层需要通过基于矩阵的计算来分析延迟效应。

单层C片延迟器中光传播的固有折射率由下式给出 ${\mathrm{\σ}}_e(\mathrm{\θ};\mathrm{\λ})=n_o\left(\mathrm{\λ}\right)\sqrt{1-\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}{n_e{\left(\mathrm{\λ}\right)}^2}}---\left(12\right)$ ${\mathrm{\σ}}_o(\mathrm{\θ};\mathrm{\λ})=n_o\left(\mathrm{\λ}\right)\sqrt{1-\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}{n_o{\left(\mathrm{\λ}\right)}^2}}---\left(13\right)$ 其中σ_o和σ_e是单层C片在离轴入射下的固有折射率，n_o和n_e分别是固有的寻常和非常折射率，θ则是波长为λ的光在空气中的入射角。C片延迟器的净延迟值由长度单位表示，由折射率差和物理厚度D₂按照下式计算得出：Γ(θ；λ)＝[σ_e(θ；λ)-σ_o(θ；λ)]×D₂                          (14)C片的延迟值用长度单位表示，是折射率差与物理层厚度之积，由下式给出Γ_c(λ)＝[n_e(λ)-n_o(λ)]×D₂                                       (15)如上所述，以光程长度差表示的面外延迟。因此，在预定入射角下给定净延迟时，名义C片延迟量(以长度单位表示)的表达式为 ${\mathrm{\Γ}}_c\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{\mathrm{\Γ}(\mathrm{\θ};\mathrm{\λ})\×{\left(n_{\mathrm{eq}}\right)}^2}{{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left(16\right)$ 其中n_eq是实际薄膜的延迟曲线与单层C片延迟器匹配所需的等效折射率，n_eq位于单层C片延迟器的n_o与n_e之间，并且n_eq则近似为n_e。例如，在 $\underset{\·}{\mathrm{\λ}}=550\mathrm{nm}$ 下{n_o，n_e}为{1.50，1.65}的正C片延迟器的延迟曲线可以采用n_eq＝1.60进行精确建模，而在 $\underset{\·}{\mathrm{\λ}}=550\mathrm{nm}$ 下{n_o，n_e}为{1.65，1.50}的负C片延迟片的延迟曲线可以采用n_eq＝1.53进行精确建模。n_eq的全色散由全色散数据{n_e，n_o}得出。

对相应的延迟曲线(正或负)应用上述单层C片模型和n_e，已按照图6中的延迟曲线对Γ_c进行建模。对于图6A中所示的1500nm下的延迟曲线，等效单层C片为-1680nm。类似地，图6B、6C和6D对应的等效单层C片分别为+396nm、-82nm和+1121nm。

有利的是，本发明的薄膜涂层被用于将正和/或负C片元件引入采用透射式或反射式配置的偏振器件中。C片薄膜涂层可被选择以法向入射或一定角度集成到另一类涂层中，如防反射涂层、短波长通过(SWP)涂层以及长波长通过(LWP)涂层，以增强其功能。

有利方面还包括，由于正C片和负C片功能是通过高、中和/或低折射率材料层交替的方式引入，本发明的薄膜涂层可以采用将常规各向同性材料沉积在高密度微层中的方法制成，高密度微层不应有孔隙，也不应有与孔隙相关的问题(如支柱破损和/或孔隙中充水)。例如，当各向同性材料本质上都绝缘时，C片涂层将高度耐用和可靠，并可以在更长时间(如超过10,000小时)内耐受高光通量密度(如高于40Mlux)和高温(如高于120℃)。

有利方面还包括，由于基本周期的光学厚度的值不仅仅限于远低于光波长的值(而这是FBAR等形式双折射负C片元件所要求的)，所以有更大的设计灵活性。实际上，本发明的薄膜涂层可以很方便的被定制从而改变透射和/或反射延迟的水平，以达到所需的目的。例如，为增大延迟的幅度，可以增加重复光学单元的数量。要改变延迟是随入射角增大还是减小，可改变所感兴趣波长处的等效相位厚度(即中心波长λ₀要根据预定波长进行选择，在该预定波长下薄膜叠层充当正和/或负C片)。例如，对于电磁波谱的可见光和近红外区内的定制离轴补偿要求，本发明的薄膜涂层预期可实现50至5000nm的正和/或负C片延迟。当然，本发明的薄膜涂层也会对此范围以外的波长提供正和/或负C片延迟。

方便的是，本发明的薄膜设计可以很容易地与另一个有面内延迟双折射元件耦合，该双折射元件可以是形式双折射结构或分子双折射元件。配置为A片或O片的适当的面内延迟器的例子包括：拉伸聚合物膜、液晶聚合物、双折射晶体、有柱状结构的倾斜蒸发式形式双折射薄膜、纳米和微米结构的形序双折射光栅，以及单轴和/或双轴双折射介质。形成的复合延迟器在图8中示例给出。复合光学延迟器100包括一个安装在透明基片109的面内延迟器101。该面内延迟器101通常被配置为A片或O片，可以通过在基片一侧或两侧沉积多个同质延迟器层生成。延迟器的双折射分类是单轴或双轴，其双折射是正或负。通常，面内延迟器101被整体涂覆在透明基片109上，或者通过一个光学粘合层压到基片109上。面内延迟器也可以包含一个盖片(cover plate)。

由于面内延迟器101的离轴延迟特性，经常需要加强角度响应。例如，如果面内延迟器101是一个真正的正A片单轴层，则沿慢轴的净线性延迟将随入射角增大而减小。类似地，面内延迟器101沿其快轴的净线性延迟将随入射角增大而增大。对于其他任何入射方位面，面内延迟器101的线性延迟曲线均处于慢轴和快轴入射面的极端曲线之间。绘制离轴曲线的一种较好的解决方案是将面内延迟器101与本发明的薄膜涂层设计相结合。相应地，多层薄膜叠层102A和102B安装在面内延迟器101/基片109组件的两个外表面上。可选的，还可以仅在该组件的一侧安装一个多层薄膜叠层(未示出)。需要注意的是，使用2个多层叠层可以实现涂层应力匹配，而以反射模式工作则仅需要一个多层叠层。如前所述，本发明的多层薄膜涂层还可以选择加入其他滤光功能，如防反射、边缘过滤、短波带和长波带通过等。

有利的是，角度延迟曲线通过添加薄膜涂层得以强化，形成定制的响应(包括平响应曲线与入射角的关系)。当光线以方向110入射、与器件法线115成角111时，这一离轴光线的延迟可以准确地与要求相符，该要求是当面内延迟器光轴安装在所需的任何方位面上时，延迟能够等于、大于或小于在轴(on-axis)光源的延迟。根据一种实现方式，由此形成的加强光学延迟器被用作全功能A/C光学延迟片。

本发明所述的薄膜涂层的另一种应用是增大各种偏振元件的视场(field of view)，所述偏振元件会随入射角变化而产生延迟变化。

例如，在眼科仪器中针对785nm波长使用的70nm波片，它采用的液晶聚合物(LCP)材料在785nm波长时的双折射An约为0.097，该材料夹在采用A片配置的2个玻璃片之间(LCP的寻常轴和非常轴与光轴正交)。该波片在法向入射的f/1.6光束下使用。在空气中入射光束与法向入射成±18°的范围内变动。为了在此角度范围内以可接受方式工作，面内(A片)延迟的理想的70nm值随角度变化量不应超过1nm。

参见图9，对于上述0°A片的慢轴方向(同样平行于入射面)，延迟与入射角的关系实际上是入射角增大时，延迟会减小1nm以上。特别地，当慢轴与入射面平行时，在18°下入射的延迟约比法向入射时小约1.6nm。在±20°时，延迟几乎比法向入射时小2nm。

为改善此波片的视场，采用了一种具有正C片元件的薄膜涂层，它在18°下的净延迟至少为0.6nm，但不超过2.6nm，以此将延迟随波片角度的变化量减小至1nm以下。需要注意的是，如果同样的正C片设计被涂覆在玻璃片的每个外表面上，则每个表面在18°时的延迟只需要是目标值的一半，因为两个表面引发的延迟量将可叠加。由于每个玻璃片通常需要针对785nm波长的防反射涂层，可以选择将正C片(PC)涂层集成到防反射(AR)涂层中(即形成PCAR)。或者可将正C片涂层集成到其他涂层中，如LWP或SWP涂层。

为示例起见，考虑薄膜叠层1320(0.6L 0.7H 0.6L)²。此正C片涂层所针对的中心波长为1320nm，在18°时可提供约0.4nm的延迟。在延迟计算中，假设叠层位于折射率为1.52的基片上的空气中，低折射率材料L的折射率设为1.46，高折射率材料H的折射率设为2.2，且L和H材料均为非色散性。

当此正C片涂层叠层被集成到针对785nm进行反射优化的两层防反射涂层时(如图10所示)，结果是在0°至18°间该涂层设计在785nm下自玻璃表面的反射率小于0.04％，而18°下的透射延迟为0.62nm。当玻璃的两个外表面均覆有如上所述的涂层时，在18°下的总透射延迟为1.24nm。这种在2个玻璃表面上均涂覆的设计的总透射延迟与角度的关系在图11中示出(右侧轴，虚线)，与之相对照的是70nm波片的延迟(左侧轴，实线)。

对于外表面上有PCAR的层叠式LCP结构，在A片慢轴方向变化条件下，总理论延迟与入射角的函数关系在图12中绘出。显然，在某一个入射圆锥照度内，延迟可以被保持基本恒定，使偏振元件的视场得以增大。特别地，延迟随入射f/1.6光束的变化已由约3nm减至1nm以下，而有效视场也已由约±10°增至±20°左右。

图13中给出了对采用这些设计的70nm延迟片的实验结果。在所测量的±18°入射角范围内，延迟的实际变化量为1.2nm，大于该设计的预期。测得的延迟数据不像图12中的理论数据一样关于法向入射对称。这可能是由于A片LCP有轻微的面外倾斜，导致所测得延迟的变化量大于理论值。尽管如此，正C片AR涂层仍然可以显著减小延迟随波片入射光束角度的变化量。

本发明所述的薄膜涂层的另一种应用是制造消色差波片。更具体而言，薄膜涂层的正和/或负C片区用于制造在两个或更多波长下有相同延迟幅度的器件。

例如包含薄膜叠层556(2H L 2H L 2H)⁹的波片，该叠层对45°匹配，在480和660nm波长下防反射以实现高透射率。参见图14，薄膜叠层556(2H L 2H L 2H)⁹的设计使基本周期等效相位厚度小于4π但大于3π的区域位于660nm处，使基本周期等效相位厚度小于5π但大于4π的区域位于480nm处。此外，薄膜叠层的设计使660nm处的透射延迟约为+90°，在480nm处约为-90°，各值均在45°入射角下测量。换言之，这两个波长的透射延迟的幅值相同(但符号相反)。相应地，薄膜涂层提供了透射性消色差1/4波片(对480和660)。

在使用中，如果薄膜涂层的平面与透射轴成45°角，以及快/慢轴指向与入射线偏振光成45°角的方位，薄膜涂层会将入射偏振光转为圆偏振光。需要注意的是，两个波长的光将有相反的圆取向(顺时针和逆时针)。

采用本发明的薄膜涂层制造的另一类消色差波片是反射波片。例如，有正和/或负C片设计的薄膜涂层可以被选择集成到反射滤光片中，如高反射镜。该反射波片通过重定向光来影响偏振，工作在涂层叠层的阻带内。周期数增加，直至反射率接近100％。在反射镜顶面上添加涂层，以控制相位。这些附加层经过优化，以便将反射相差调整至跨阻带的所需曲线上。

反射式消色差1/4波片的一种实现方式示于图15中。在这种实现方式中，薄膜涂层包括535(0.5H L 0.5H)¹²形式的反射式多层叠层，以及多个附加的高低折射率交替层，后者经过优化，以提供跨阻带的相对较平的反射相差曲线。光以45°角入射在波片上。在约500-600nm范围内平均反射率较高。在同一波长区域内，反射相差已被优化至-90°；它是一个1/4波片。以45°入射、与波片的快/慢轴成45°方位角的的线偏振光将在被滤光片反射后转为圆偏振光。

反射式消色差1/4波片的另一种实现方式示于图16中。波长为406nm、660nm和790nm的3条线偏振激光线以45°角入射在波片上。在此入射角下，这3条激光线的反射相差为-90或+90°。当在45°入射下，线偏振光取向为与波片快/慢轴成45°方位角时，该器件对这3个波长均充当反射式消色差1/4波片。

本发明所述的薄膜涂层的另一种应用是对一个光学元件或多个光学元件的组合的残余负C片延迟进行补偿。

例如一组交叉的A片(比如其光轴相互偏离90°)。众所周知，如果两片的面内延迟大致匹配，则该组的公共延迟幅度将呈现负C片效应。对于这种可能不合要求的残余负C片延迟元件，可通过向一个或两个A片施加有正C片元件的薄膜涂层进行补偿。可以选择将被施加到一个或两个A片的正C片(PC)薄膜涂层集成到AR涂层、LWP涂层或SWP涂层中。

另外，本发明所述的薄膜涂层的另一种应用是在偏振光显微术中使用的Berek补偿器。Berek补偿器是一个正C片，用于测量光学显微镜中样本的双折射。特别地，该C片元件的取向是：其非常波光轴垂直于正C片元件平面，而平行于显微镜光轴。以法向入射(0°)穿过正C片的偏振光在穿过正C片时的速度与偏振方向无关。当正C片元件围绕入射偏振光方向发生旋转，偏振光的速度将与偏振有关，会发生变化。所形成的相差取决于正C片的厚度、入射光波长、双折射以及倾角，该相差用于校准显微镜和测量样本的双折射。在这种应用中，正C片薄膜涂层可以被直接施加到基片上，或者可以集成到沉积在基片上的AR涂层、LWP涂层或SWP涂层中。

在上述每个例子中，本发明的薄膜涂层可以被选择集成到AR涂层中。根据一个实施例，实现方式为：在基片上沉积第一AR叠层，在第一AR叠层上沉积正C片薄膜叠层，再在正C片薄膜叠层上沉积第二AR叠层(即正C片(PC)夹在2个AR叠层之间，以形成PCAR叠层)。需要注意的是，当正C片薄膜叠层为(0.5L H 0.5L)^Q形式时，PCAR叠层实质是一个短波滤光片。方便的是，PCAR叠层的延迟与入射角(AOI)的关系这一性能很容易被定制以增强功能，同时仍保持防反射涂层功能。

在上述各例中，本发明的薄膜涂层采用真空沉积技术制成，其中包括但不限于化学汽相沉积(CVD)、等离子强化CVD、电子束蒸发、热蒸发、喷镀和/或原子层沉积。可以选择将薄膜沉积在感兴趣的波长区域的透明基片上，该基片可以由很多种材料制成，包括但不限于玻璃、石英、透明塑料、硅和锗。此外还可以选择将基片集成到另一个光学元件中。通常，薄膜所用的材料是550nm波长下折射率在1.3至4.0以上范围内的无机或有机电介质材料。例如，适合的材料包括二氧化硅(SiO₂，n＝1.46)、氧化钽(Ta₂O₅，n＝2.20)、氧化铝(Al₂O₃，n＝1.63)、氧化铪(HfO₂，n＝1.85)、二氧化钛(TiO₂，n＝2.37)、氧化铌(Nb₂O₅，n＝2.19)和氟化镁(MgF₂，n＝1.38)等。当然，其他电介质材料和/或聚合物也可胜任。此外，可以选用商业销售的计算机程序(如Software Spectra Inc.的TFCalc^TM)作为辅助设计滤光片。

当然，上述实施例仅作为示例。业内具有一般技能的人员将认识到，可以在不背离本发明的实质及适用范围的条件下实现多种改动、替代配置和/或等效方案。例如，也可以想到与上述透射实施例类似的反射实施例。事实上，在反射中采用的薄膜涂层(如上述反射式1/4波长片)可望在许多商用领域得到应用。相应地，本发明的适用范围仅限于所附权利要求中规定的范围。

Claims (19)

1.一种薄膜涂层，包括：

一个具有基本周期的多层叠层，其中所述基本周期包括由至少两种折射率有反差的各向同性材料构成的交替层，且所述基本周期在第一波长λ₀下的等效相位厚度为π；

所述基本周期内每一层的物理厚度和折射率被选择，以在预定第二波长下为所述多层叠层提供C片的功能，使得所述多层叠层在所述预定第二波长及预定非法向入射角条件下提供预定延迟，并且使所述基本周期在所述预定第二波长下的等效相位厚度大于π，和

其中在所述第一波长和所述预定第二波长中的每一个下的所述等效相位厚度对应法向入射光。

2.如权利要求1所述的薄膜涂层，其中所述基本周期内每一层的物理厚度和折射率被选择以使所述多层叠层在所述预定第二波长下充当正C片，且使所述基本周期在所述预定第二波长下的等效相位厚度大于π而小于2π，或大于3π而小于4π。

3.如权利要求1所述的薄膜涂层，其中所述基本周期内每一层的物理厚度和折射率被选择以使所述多层叠层在所述预定第二波长下充当负C片，且使所述基本周期在所述预定波长下的等效相位厚度大于2π而小于3π。

4.如权利要求1所述的薄膜涂层，其中所述多层叠层包括由高折射率和低折射率电介材料构成的交替层。

5.如权利要求1所述的薄膜涂层，其中所述基本周期重复Q次，且其中λ₀和Q两参数中至少有一个被选择以提供所述预定第二波长下及所述预定非法向入射角条件下的所述预定延迟。

6.如权利要求1所述的薄膜涂层，其中所述基本周期重复Q次，且其中λ₀和Q两参数中至少有一个被选择以提供所述预定第二波长下预定的延迟与入射角关系曲线。

7.如权利要求6所述的薄膜涂层，其中所述预定的延迟与入射角关系曲线被选择用来补偿预定第二波长条件下波片延迟随入射角的变化。

8.如权利要求6所述的薄膜涂层，其中所述预定的延迟与入射角关系曲线被选择用来补偿物理厚度不同的第一和第二交叉A片的残余负C片延迟。

9.如权利要求6所述的薄膜涂层，其中所述预定的延迟与入射角关系曲线被选择用来为Berek补偿器提供C片延迟。

10.如权利要求1所述的薄膜涂层，其中所述多层叠层在所述预定第二波长及另一预定第三波长下对相同的入射角提供相同的延迟幅度。

11.如权利要求10所述的薄膜涂层，其中所述多层叠层被集成在一个反射滤光片中。

12.如权利要求1至10中任一权利要求所述的薄膜涂层，其中所述多层叠层被集在防反射涂层、长波通过涂层和短波通过涂层三者中至少一个之中。

13.如权利要求1至10中任一权利要求所述的薄膜涂层，其中所述多层叠层被集成在防反射涂层中。

14.如权利要求1至10中任一权利要求所述的薄膜涂层，其中所述多层叠层是一个以所述第一波长λ₀为中心的多层干涉结构，且其中所述预定第二波长小于λ₀。

15.如权利要求1至5中任一权利要求所述的薄膜涂层，其中所述多层叠层被沉积在一个基片上，以提供在非法向入射角条件下使用的消色差1/4波片。

16.如权利要求15所述的薄膜涂层，其中所述多层叠层被集成在反射滤光片中，且其中所述消色差1/4波片是反射式消色差1/4波片。

17.如权利要求1至4中任一权利要求所述的薄膜涂层，其中所述多层叠层被沉积在具有面内延迟的双折射元件上，且其中所述基本周期内每一层的物理厚度和折射率被选择用以定制所述双折射元件的角度延迟曲线。

18.如权利要求17所述的薄膜涂层，其中所述双折射元件是延展箔片、形式双折射光栅、结晶石英以及液晶聚合物延迟元件中的一种。

19.一种形成薄膜涂层的方法，包括下述步骤：

将薄膜涂层沉积在基片上，所述薄膜涂层包括具有基本周期的多层叠层，其中所述基本周期包括由至少两种折射率有反差的各向同性材料构成的交替层，且所述基本周期在第一波长λ₀下的等效相位厚度为π；以及

对在基本周期内的每一层的物理厚度和折射率进行选择，以在预定第二波长为所述多层叠层提供C片的功能，使得所述多层叠层在所述预定第二波长及预定非法向入射角下提供预定的延迟，并使得所述基本周期在所述预定第二波长下的等效相位厚度大于π，

其中在所述第一波长和所述预定第二波长中的每一个下的所述等效相位厚度对应法向入射光。

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