CN102029739A - 一种高导热性和低应变的光学多层膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高导热性和低应变的光学多层膜，它由混合薄膜和二氧化钛薄膜交替叠加组成，其中，混合薄膜为三氧化二铝和二氧化硅的混合物；三氧化二铝在混合薄膜中的重量百分含量为50～70％，优选重量百分含量为60％；混合薄膜中三氧化二铝和二氧化硅的纯度为99.9％以上。本发明光学多层膜以三氧化二铝和二氧化硅混合薄膜作为光学多层膜的低折射率材料，不仅可以显著降低光学多层膜使用时的温度，而且可以显著减小光学多层膜结累应力造成的应变，这种光学多层膜在高光能应用中具有重要的意义。

Description

一种高导热性和低应变的光学多层膜

技术领域

本发明涉及一种用于超高亮度投影机的高导热性和低应变的光学多层膜。

背景技术

一种超高亮度的数字投影机采用7kW的氙灯作为光源，亮度能达到25000流明以上，目前最高亮度已达到31000流明，这是迄今全球最高亮度的数字投影机，主要用于大型电影院、大型智能化指挥所、大型会场等各种场合，这种大型数字投影机目前最突出的技术问题就是投影机中光学多层膜器件因吸收大量光能量而导致器件温度过高，进而器件表面因光学多层膜的应力(主要为热应力和内应力)而导致应变，甚至导致器件破裂的问题，毫无疑义，过热问题已成为制约极高亮度投影机像质和寿命的最大瓶颈，因为器件表面应变将会产生像差而使投影图像质量显著降低，器件热致破裂将使投影机完全不能工作。

在投影机诸多器件中，光学多层膜器件是过热、应变和破裂最为突出的器件之一，尤其是靠近光源的光学多层膜器件是热量最高因而也是最容易损坏的器件，这是因为薄膜经过大块材料蒸发变成薄膜后，吸收系数会增加5～6个数量级，对一些常用的薄膜材料，典型的吸收(消光)系数会从大块材料的10^-10～10^-11上升至薄膜的10^-4～10^-6，因此，在高光能场合应用的光学多层膜，吸收引起的器件温度升高和器件表面应变甚至器件破裂是一个急待解决的难题。

氧化物薄膜是迄今应用最广、性能最好的光学薄膜，其中二氧化钛(TiO₂)薄膜由于其折射率在可见光区最高(达2.35)，而二氧化硅(SiO₂)薄膜的折射率最低(为1.45)，因而常用TiO₂薄膜和SiO₂薄膜构成光学多层膜以产生强烈的干涉效应，遗憾的是这两种薄膜的导热性都不好，因而当用这两种薄膜构成光学多层膜并用于高光能场合时，由于光学多层膜导热性不好而造成器件急剧升温、表面应变和破裂。

发明内容

本发明的目的是提供一种高导热性和低应变的光学多层膜。

本发明的构思是：利用三氧化二铝(Al₂O₃)薄膜来改善光学多层膜器件的导热性，降低光学多层膜使用时的温度。然而，Al₂O₃薄膜和TiO₂薄膜都是属于张应力，因而用Al₂O₃薄膜和TiO₂薄膜构成的光学多层膜具有很高的结累张应力，最终导致光学多层膜表面很大的应变(应变正比于应力)；其次，Al₂O₃薄膜的折射率为1.58，在氧化物薄膜中，虽然Al₂O₃薄膜的折射率较低，仅次于SiO₂薄膜，但用Al₂O₃薄膜和TiO₂薄膜构成的光学多层膜干涉效应已大为降低，因而或者造成光学多层膜层数和厚度大大增加，或者造成光学多层膜的设计性能显著变差。但是，由于Al₂O₃薄膜和SiO₂薄膜的熔点、蒸发温度、蒸发状态和密度都比较接近(见表1)，特别是蒸发温度，若两种混合材料相差很大，就会在蒸发时因分馏蒸发而产生折射率变化，所以这些性能为Al₂O₃薄膜和SiO₂薄膜构成本发明的混合薄膜创造了基本条件。

表1

薄膜	折射率	熔点(℃)	蒸发温度(℃)	蒸发状态	密度(g/cm3)
						SiO2	1.45	1800	2000	半熔融	2.5
Al2O3	1.58	2020	2100	半熔融	2.8

为此，本发明提出一种由混合薄膜和二氧化钛薄膜交替组成新的光学多层膜，其中，混合薄膜为Al₂O₃和SiO₂的混合物，混合薄膜可简单地表示为Al_xSi_yO_z，由该混合薄膜作为光学多层膜的低折射率膜，二氧化钛薄膜作为光学多层膜的高折射率膜。

为了计算混合薄膜的折射率，推导出混合薄膜折射率的表达式，只要已知Al₂O₃薄膜材料的混合重量百分含量，即可求得混合薄膜的折射率。

对于目前的超高亮度投影机而言，分色合色光学多层膜使用时的温度要求不高于70度，并且应力引起的光学多层膜表面应变要尽可能小，为使本发明光学多层膜可应用于超高亮度投影机，本发明进一步限定三氧化二铝相对于所述混合薄膜的重量百分含量为50～70％，使混合薄膜的折射率在1.513～1.539之间变化；当三氧化二铝相对于所述混合薄膜的重量百分比优选为60％时，混合薄膜可表示为Al_1.2Si_0.4O_2.6，此时混合薄膜的折射率为1.526。这时对总面积为90mm×70mm(宽×高)和通光工作面积为53mm×40mm(宽×高)的本发明的光学多层膜而言，当使用本发明的TiO₂和Al_1.2Si_0.4O_2.6组成的光学多层膜时，可使光学多层膜通光工作区域的温度下降到66度，而现有技术使用TiO₂和SiO₂组成的光学多层膜时为81度，可见本发明光学多层膜能够满足通光工作区域的温度不高于70度的使用要求。与此同时，光学多层膜结累应力引起的应变也显著减小。为了尽可能减小Al_xSi_yO_z混合薄膜的杂质吸收，本发明提出采用纯度为99.9％以上的Al₂O₃和SiO₂作为初始材料进行混合，经均匀搅拌后在10^-3Pa的高真空条件下烧结，烧结温度为1600℃，以避免混合薄膜材料在电子束高温蒸发时喷溅和稳定混合薄膜的光、机性能。

为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案是：该高导热性和低应变的光学多层膜由混合薄膜和二氧化钛薄膜交替叠加组成，所述混合薄膜为三氧化二铝和二氧化硅的混合物。

进一步地，本发明所述三氧化二铝相对于所述混合薄膜的重量百分比为50～70％。

进一步地，本发明所述三氧化二铝相对于所述混合薄膜的重量百分比为60％。

进一步地，本发明所述三氧化二铝和二氧化硅的纯度为99.9％以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有技术从未认识到用Al₂O₃薄膜可以显著提高光学多层膜的导热性，降低光学多层膜使用时的温度；现有技术也从未认识到Al_xSi_yO_z薄膜能产生压应力，而且Al_1.2Si_0.4O_2.6薄膜的压应力几乎可与TiO₂薄膜的张应力互相抵消。本发明的光学多层膜具有高导热性和低应变，不仅可以用于超高亮度的大型投影机中，而且可用于其他诸如高能激光等需要快速散热的光学多层膜器件。

附图说明

图1是本发明混合薄膜中Al₂O₃的重量百分含量与混合薄膜折射率的关系图；

图2是本发明的高导热性和低应变的光学多层膜用于投影机第一个分色合色棱镜的工作原理示意图；

图3是现有技术中由TiO₂和SiO₂构成的光学多层膜与本发明的光学多层膜的升温、降温曲线比较；

图4是现有技术中由TiO₂和SiO₂构成的光学多层膜、TiO₂和Al₂O₃构成的光学多层膜和本发明的光学多层膜结累应力比较的示意图；

图5是单纯Al₂O₃薄膜与本发明的Al_xSi_yO_z混合薄膜膜层密度的计算机模拟比较的示意图，其中，(a)为单纯Al₂O₃薄膜膜层密度的计算机模拟；(b)为本发明的Al_xSi_yO_z混合薄膜膜层密度的计算机模拟。

具体实施方式

本发明的高导热性和低应变的光学多层膜是由混合薄膜和二氧化钛薄膜交替镀制而成，其中，混合薄膜为三氧化二铝和二氧化硅的混合物。

图1是本发明混合薄膜中Al₂O₃的重量百分含量与混合薄膜折射率的关系图。薄膜导热性、应力和折射率都是光学多层膜在高光能应用中的重要因子，通常的折衷做法是，在满足光学多层膜温度要求和应力的前提下，选用尽可能低的折射率薄膜作为光学多层膜的低折射率材料，以确保光学多层膜的光、机性能和减少膜层数和总厚度。为了计算混合薄膜的折射率N，推导出如下公式：

$N^2=\frac{n_A^2{C}_A/{\mathrm{\ρ}}_A+n_S^2{C}_S/{\mathrm{\ρ}}_S}{C_A/{\mathrm{\ρ}}_A+C_S/{\mathrm{\ρ}}_S}---\left(1\right)$

式(1)中，n_A，n_S分别为Al₂O₃和SiO₂薄膜材料的折射率，并分别为1.58和1.45；ρ_A，ρ_S分别为Al₂O₃和SiO₂薄膜材料的密度，并分别为2.8g/cm³和2.5g/cm³；C_A，C_S分别为Al₂O₃和SiO₂在混合薄膜中的重量百分含量。根据公式(1)，只要已知Al₂O₃和SiO₂薄膜材料的重量百分含量C_A，C_S，即可求得混合薄膜的折射率N。由图1可以看出，当Al₂O₃相对于所述混合薄膜的重量百分比在50～70％之间调节时，混合薄膜的折射率在1.513～1.539之间变化，Al₂O₃的重量百分含量与混合薄膜折射率呈线性变化关系；在本发明中，Al₂O₃相对于所述混合薄膜的重量百分比优选为60％，此时混合薄膜Al_1.2Si_0.4O_2.6的折射率为1.526。

将本发明光学多层膜用于超高亮度投影机时，如图2所示，氙灯发出的光经过会聚、准直和偏振后入射到投影机第一个分色合色棱镜(分色合色系统常有三个棱镜组成，这里作为例子仅示出第一个棱镜)的第一棱镜面1上后再入射到第二棱镜面2，在分色合色棱镜的第二棱镜面2上镀有本发明的高导热性和低应变的由TiO₂和Al_xSi_yO_z构成的分色合色光学多层膜。由于本发明分色合色光学多层膜复盖整个分色合色棱镜的第二个棱镜面2，故第二个棱镜面2即为分色合色光学多层膜的总面积，在本发明的应用例子中，总面积为90mm×70mm(宽×高)，分色合色棱镜工作时分色合色光学多层膜上的通光工作区域3的面积为53mm×40mm(宽×高)，当高能光束入射到分色合色光学多层膜的通光工作区域3时，由于薄膜的吸收，部分光能便转变成热能，使分色合色光学多层膜迅速升温。当分色合色光学多层膜具有优良的导热性时，则积聚在通光工作区域3的热量就会迅速向四周扩散，从而降低通光工作区域3的温度。为进一步确保极端情况下器件温度不高于70度，还可在分色合色光学多层膜的棱镜侧面上增加散热器4。

图3是现有技术中TiO₂和SiO₂构成的光学多层膜与本发明的TiO₂和Al_xSi_yO_z构成的光学多层膜的升温、降温曲线比较。由于对于目前的超高亮度投影机而言，分色合色光学多层膜使用时的温度要求不高于70度，分色合色光学多层膜的总面积为90mm×70mm(宽×高)，光学多层膜的通光工作区域面积为53mm×40mm(宽×高)。进行比较实验时，将现有技术的TiO₂和SiO₂构成的分色合色光学多层膜与本发明的TiO₂和Al_xSi_yO_z构成的分色合色光学多层膜均镀在同样大小的棱镜上，且以通光工作区域的温度不高于70度作为判据；实验以氙灯光源开启时计时，每隔5分钟读取通光工作区域3的温度，30分钟时关闭氙灯光源冷却，直至60分时结束实验过程。

在图3中，现有技术中的TiO₂与SiO₂构成的分色合色光学多层膜的升温曲线5显示，现有技术中的TiO₂与SiO₂构成的分色合色光学多层膜的温度上升比本发明的分色合色光学多层膜要快，经30分钟强光照射后最高温度达到81度；现有技术中的TiO₂与SiO₂构成的分色合色光学多层膜的降温曲线5’显示，现有技术中的TiO₂与SiO₂构成的分色合色光学多层膜的降温比本发明的分色合色光学多层膜要慢，经30分钟冷却后残余温度为41度。6和6’分别为本发明的Al_xSi_yO_z混合薄膜(其中Al₂O₃的重量百分含量为50％)与TiO₂构成的分色合色光学多层膜的升温、降温曲线，升温曲线6表明，本发明当其混合薄膜中Al₂O₃的重量百分含量为50％时，其温度上升比现有技术中的分色合色光学多层膜要慢，经30分钟强光照射后最高温度刚好达到临界要求70度；降温曲线6’表明，本发明当其混合薄膜中Al₂O₃的重量百分含量为50％时，其降温比现有技术的分色合色光学多层膜要快很多，经30分钟冷却后残余温度为33度。7和7’分别为本发明的Al_xSi_yO_z混合薄膜(其中Al₂O₃的重量百分含量为60％)与TiO₂构成的分色合色光学多层膜的升温、降温曲线，升温曲线7表明，本发明当其混合薄膜中Al₂O₃的重量百分含量为60％时，其温度上升比升温曲线6更慢，经30分钟强光照射后最高温度为66度；降温曲线7’表明，本发明当其混合薄膜中Al₂O₃的重量百分含量为60％时，其降温比降温曲线6’更快，经30分钟冷却后残余温度为30度。8和8’分别为本发明的TiO₂与Al_xSi_yO_z混合薄膜(其中Al₂O₃的重量百分含量为70％)构成的分色合色光学多层膜的升温、降温曲线。升温曲线8表明，本发明当其混合薄膜中Al₂O₃的重量百分含量为70％时，其温度上升比升温曲线7更慢些，经30分钟强光照射后最高温度为64度；降温曲线8’表明，本发明当其混合薄膜中Al₂O₃的重量百分含量为70％时，其降温比降温曲线7’更快些，经30分钟冷却后残余温度为29度，但变化趋势已变小。

从图3的升温、降温实验曲线可以看出，现有技术中的TiO₂与SiO₂构成的分色合色光学多层膜的平衡温度达到81度，已远远高于使用要求；而采用本发明的TiO₂和Al_xSi_yO_z混合薄膜构成的分色合色光学多层膜，当Al₂O₃的重量百分含量在50～70％之间时，分色合色光学多层膜的平衡温度均在70度以下，此时混合薄膜Al_xSi_yO_z的折射率在1.513～1.539之间变化。考虑到在满足使用温度不高于70度的前提下，尽可能选用低折射率的混合薄膜，故本发明采用TiO₂和Al_1.2Si_0.4O_2.6混合薄膜构成的分色合色光学多层膜作为优选方案，此时混合薄膜的折射率在1.526。用本发明提出的TiO₂和Al_1.2Si_0.4O_2.6混合薄膜构成的分色合色光学多层膜可有效地抑制棱镜表面2上通光工作区域3的温度上升。

图4是现有技术的TiO₂和SiO₂构成的光学多层膜、TiO₂和Al₂O₃构成的光学多层膜和本发明的TiO₂和Al_xSi_yO_z构成的光学多层膜结累应力比较的示意图。图4中给出光学多层膜前面8层膜的应力随膜层几何厚度增加的变化情况，H表示高折射率的TiO₂薄膜，L表示低折射率的SiO₂薄膜、Al₂O₃薄膜或Al_1.2Si_0.4O_2.6薄膜。用电子束蒸发的SiO₂薄膜具有压应力约-350MPa/cm²(压应力常用负号“-”表示)，用电子束蒸发的Al₂O₃薄膜具有张应力约100MPa/cm²，而用电子束蒸发的TiO₂高折射率薄膜具有张应力约230MPa/cm²，这意味着，现有技术中的TiO₂和SiO₂构成的光学多层膜的结累应力为压应力，如图4的应力变化曲线9所示，因为SiO₂薄膜的压应力一部分被TiO₂薄膜的张应力抵消了，所以虽残余应力不大，但仍然有结累的压应力，由于分色合色光学多层膜的层数可多达30层左右，所以用TiO₂和SiO₂构成的分色合色光学多层膜的结累压应力仍会对分色合色器件的性能产生一定影响；用TiO₂和Al₂O₃构成的光学多层膜的结累应力为张应力，如图4应力变化曲线10所示，因为TiO₂薄膜和Al₂O₃薄膜都是张应力，随着膜层数增加，张应力不断叠加，最终导致很大的结累张应力，甚至使多层膜破裂；用本发明提出的TiO₂和Al_xSi_yO_z构成的光学多层膜的结累应力如图4应力变化曲线11所示，Al₂O₃和SiO₂混合薄膜的应力能互相抵消，若Al₂O₃的重量百分含量为50％，则混合薄膜大约具有-250MPa/cm²的压应力，这与高折射率的TiO₂薄膜所具有的230MPa/cm²的张应力大致相当，故本发明光学多层膜的结累压应力非常小，因此用本发明的TiO₂和Al_xSi_yO_z构成的分色合色光学多层膜有效地抑制了棱镜表面2的应变(应变＝应力/杨氏模量)。

本发明之所以选择三氧化二铝在混合薄膜中的重量百分含量为50～70％，是因为：从图1、图3和图4可知，若进一步增加Al₂O₃的重量百分含量至高于70％，虽然对分色合色光学多层膜的散热降温有利，但贡献已不明显，而带来的问题是混合薄膜折射率的升高和应变的增加；若降低Al₂O₃的重量百分含量至低于50％，则会对分色合色光学多层膜的散热不利。

图5是单纯Al₂O₃薄膜与本发明的Al_xSi_yO_z混合薄膜膜层密度的计算机模拟比较的示意图，其中图5(a)为单纯Al₂O₃薄膜膜层密度的计算机模拟，图5(b)为本发明的Al_xSi_yO_z混合薄膜膜层密度的计算机模拟。从图5的计算机薄膜生长模拟可以看出，单纯Al₂O₃薄膜的膜层密度要比本发明的Al_xSi_yO_z混合薄膜的膜层密度低，而提高膜层密度对改善薄膜牢固度和稳定性乃至导热性非常重要，所以从提高膜层密度来讲，采用Al₂O₃和SiO₂混合薄膜是有利的，这一模拟结果与实际结果一致。为了进一步研究混合薄膜为什么会增加膜层密度这一问题，发现Al₂O₃和SiO₂的分子量分别为102和60，也就是说Al₂O₃分子12要比SiO₂分子13大，因而薄膜生长时具有小分子13填充大分子12空隙的薄膜生长机理，这便使Al₂O₃和SiO₂混合薄膜的膜层密度高于单纯Al₂O₃或单纯SiO₂薄膜的膜层密度，计算机薄膜生长模拟证实了这一点。

Claims (4)

1.一种高导热性和低应变的光学多层膜，其特征在于：它由混合薄膜和二氧化钛薄膜交替叠加组成，所述混合薄膜为三氧化二铝和二氧化硅的混合物。

2.根据权利要求1所述的高导热性和低应变的光学多层膜，其特征在于：所述三氧化二铝相对于所述混合薄膜的重量百分比为50～70％。

3.根据权利要求2所述的高导热性和低应变的光学多层膜，其特征在于：所述三氧化二铝相对于所述混合薄膜的重量百分比为60％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的高导热性和低应变的光学多层膜，其特征在于：所述三氧化二铝和二氧化硅的纯度为99.9％以上。

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