CN102565890A - 具有防划抗反射层的光学透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学透镜(10),其具有透镜元件(12),所述透镜元件由塑料制成,更特别地由在可见光谱中透明的塑料制成,且具有包括多个层(15)的涂层(14),所述多个层(15)包括至少一个高折射率层(18),其特征在于硬涂层(20)被毗邻所述透镜元件(12)形成,超疏水层(16)为所述涂层(14)的顶层,该涂层(14)总体厚度大于约380nm,且在恰好一个高折射率层(18)的情形中,该恰好一个高折射率层(18)的厚度小于40nm,且在多于一个高折射率层(18)的情形中,所述高折射率层(18)的总厚度小于40nm。本发明的光学透镜既具有良好的抗反射性质、且不易受机械暴露损害。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学透镜,该光学透镜具有透镜元件,该透镜元件由塑料制成,更特别地由在可见光范围内透明的塑料制成,且具有包括多个层的涂层,所述多个层包括至少一个高折射率层。
背景技术
例如,这种光学透镜从文件EP0698798A2可获知。
在可见光范围内透明的塑料,取代硅酸盐玻璃,如今越来越经常地被用作光学透镜的材料,特别对于眼镜镜片。相对于硅酸盐玻璃而言,该塑料提供的优势有较低的重量、更大的断裂强度、可着色性,以及附连无框镜框的可能性。然而,塑料光学透镜的一个已知的弱点是其表面对机械暴露,特别是对由刻划造成的损害的大的多的易感性。
为了使得由该塑料制成的光学透镜对机械暴露的易感性最小化,涂层被施加于该塑料制品,且旨在保护光学透镜不受机械事件的影响。总体而言,该保护性功能由硬涂层承担。该硬涂层必须类似地在可见光范围内透明,且必须具有接近于该光学透镜的折射率,以确保高的光学透明度,且阻止不想要的颜色干涉。用于硬涂层的典型材料是硅氧烷,或是有机改性陶瓷,所述有机改性陶瓷具有聚硅氧烷基体,其中金属原子,例如钛原子,取代氧原子被植入聚硅氧烷基体中。
此外已知的是,出于防止破坏性反射的目的,所谓抗反射层设置于光学透镜上。通常,这可通过一系列层获得,其中具有第一折射率的层和具有较第一折射率要高的第二折射率的层以交替的方式施加。在前述的文件EP0698798A2中,已经提出将这些抗反射层结合入涂层的设计中,以防护机械暴露,所述抗反射层示例性地由无机、氧化物且光学透明的材料构成。
文件EP0698798A2提出了一种包括硅酸硼玻璃的涂层,其被通过PVD(物理气相沉积)方法施加于透镜。该涂层据称具有高达3μm的厚度,作为防划保护手段。尽管所述层确实保护塑料透镜免受诸如刻划的机械影响,但是其并未阻止位于该层以下或该层上的层(其旨在提供防划保护,换言之,抗反射出自身)被刻划,并由此导致了对光散射的模糊层。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种光学透镜,更特别地提供一种眼镜镜片,其具有既具有良好的抗反射性质、且不易受机械暴露损害的涂层。
因此,如本发明所述,提出在引言中所述的光学透镜被进一步发展,以使得超疏水层为涂层的顶层,其特别地和透镜元件相对;所述至少一个高折射率层(特别地是总体)的厚度小于40nm,更特别地小于36nm;且涂层的总体厚度大于约380nm。
因此,设定高折射率层的总体层厚度小于40nm,特别是小于36nm。在恰好一个高折射率层的情形中,该恰好一个高折射率层的厚度小于40nm;而在多于一个高折射率层的情形中(或至少两个高折射率层的情形中),所述多个高折射率层一起(或总体地,或综合地)具有小于40nm的厚度。
因此,一方面,设置有具有透镜元件的光学透镜,其由塑料制成,更特别地由在可见光范围内透明的塑料制成,且具有具有多个层的涂层,所述多个层包括一个高折射率层,其中硬涂层毗邻透镜元件形成,其中超疏水层为涂层的顶层,其中所述一个高折射率层的厚度小于40nm,且其中涂层的总体厚度小于约380nm。
此外,在另一方面,设置有具有透镜元件的光学透镜,其由塑料制成,更特别地由在可见光范围内透明的塑料制成,且具有包括多个层的涂层,所述多个层包括至少两个高折射率层,其中硬涂层毗邻透镜元件形成,其中超疏水层为涂层的顶层,其中所述至少两个高折射率层的总体厚度小于40nm,且其中涂层的总体厚度大于约380nm。
光学表面相对于刻划的易感性在眼镜镜片制造中使用来自Colts实验室的称作Bayer测试的测试测量,其中指定数量的具有尖锐边缘的颗粒被传递经过眼镜镜片的表面,随后眼镜镜片被进行光学评价。在Colts实验室的该Bayer测试中,通过小的支架的横向移动将摩擦材料引导经过测试透镜以及参照透镜,所述参照透镜为未涂布的CR39标准眼镜镜片,其光学强度为0屈光度,所述透镜被固定于支架的基座上。随后,测试透镜被评价,即,测量由刻痕造成的散射光的数量。测试的结果为示出了测试透镜与未涂布的CR39参照透镜比较的抗划数值。CR39的材料是碳酸烯丙基二甘醇酯(ADC)(或聚碳酸烯丙基二甘醇酯)。
此处公开的本发明使用特定的、光学宽带抗反射层解决了塑料光学透镜的机械耐久性问题,以使得当Bayer测试被使用时,仅造成了最低程度的散射光增加水平,其被表示为>17的Bayer值。
所关注的具有涂层的光学透镜可由传统的PVD工艺制成。可替换地,其他用于获得如此薄层的系统的工艺也是可设想的,例如CVD(化学气相沉积)工艺,以及前述工艺的离子辅助或等离子束辅助版本。
所述“高折射率”当前被理解为特别地在波长为550nm时折射率n>1.65的材料,其特别地为一层材料。在低于该折射率时,另外考虑到所用的透镜元件衬底的折射率为1.6或1.67,所述层作为光的散射介质具有很少的作用,或完全不起作用。特别地,下列材料的层为高折射率层,且可形成高折射率层:CeO2,Cr2O3,HfO2,ITO,La2O3-Nb2O5混合物,La2O3-TiO2混合物,Nb2O5,Al2O3-Pr6O11混合物,Al2O3-Pr6O11混合物,Sc2O3,SiO,Ta2O5,TiO2,TiO2-Al2O3混合物,Ti-Pr-氧化物,Y2O3,ZrO,ZrO2,ZrO2-TaO2混合物,ZrO2-TiO2混合物,ZnS,ZrO2-Y2O3混合物,SiOxNy,SiNx,Si3N4,,以及所述材料和/或所述材料的过化学计量或亚化学计量变体的混合物的层。
如果提供多于一个高折射率层,所有的高折射率层可由相同的材料形成。但是,也可设定所述高折射率层由前述材料中的不同材料形成。
所述“中折射率”当前被理解为在波长550nm处具有1.5<n<=1.65的折射率的材料的层。特别地,下列材料的层为高折射率层,且可形成中折射率层:Al2O3,MgO,Al2O3-Pr6O11混合物,WO3,以及所述材料和/或所述材料的过化学计量或亚化学计量变体的混合物的层。
所述“低折射率”当前被理解为在波长550nm处折射率n<=1.5的材料的层。特别地,下列材料的层为低折射率层,且可形成低折射率层:SiO2,SiO2-Al2O3混合物,BaF2,CaF2,Na3AlF6,MgF2,YbF3,YbF3-CaF2混合物,YF3,YF3-BaF2混合物以及所述材料和/或所述材料的过化学计量或亚化学计量变体的混合物的层。
以上列出的目的因此被完全地实现。
因此,为了呈现出高的抗划性(即,Bayer值>17),以及良好的抗反射性质(即,在可见光波长范围内(特别是在450nm至650nm范围内)反射率基本低于2.5%),光学透镜必须首先被合适的硬涂层涂布。该硬涂层继而可被施加有由抗反射层的多层构造,所述多层构造的总体厚度大于约380nm,更特别地大于约400nm。在所述抗反射层中,高折射率层必须总体保持尽可能薄。特别地,所述至少一个高折射率层旨在总体厚度不大于40nm,更特别地不大于35nm。
和由塑料制成的透镜元件相对,该涂层此时应该以超疏水层为顶层。
在一个优选实施例中,该超疏水层由水所具有的接触角度大于90°的材料制成,且更特别地该超疏水层由水所具有的接触角度大于95°、更特别地大于100°的材料制成。
通过所述类型的超疏水层,层界面和存在于层界面上的颗粒之间的滑动摩擦力被最小化,这在一方面造成了光学透镜的改善了的水的成珠性(beading),而在另一方面,使得层界面和Bayer测试中使用的颗粒之间的滑动摩擦力最小化,从而导致更好的测试结果。
在一个优选实施例中,涂层可能具有恰好一个高折射率层。在此情形中,更具体地,该恰好一个高折射率层的厚度可以小于20nm、更特别地小于15nm。这导致了显著改进了的关于机械暴露的性质。
在另一个优选实施例中,涂层可以包括两个高折射率层。更特别地,该两个高折射率层中的一个可具有约10nm的厚度。此外,该两个高折射率层的总体或综合厚度不大于40nm,特别地不大于35nm。
在优选实施例中,所述至少一个高折射率层可由ZrO2,TiO2或Ta2O5制成。
此外,在优选实施例中,该涂层包括至少一个低折射率层和/或至少一个中折射率层。所述至少一个低折射率层可特别地由SiO2或MgF2制成。使用这样的方式,可获得特别好的抗反射效应,以及机械稳定的结构。
在本发明的一个特别有优势的实施例中,所述至少一个高折射率层被布置或嵌入在两个低折射率层之间,或两个中折射率层之间,或一个低折射率层和一个中折射率层之间。
在本发明的一个优选实施例中,该多个层的硬度从硬涂层沿超疏水层的方向增加。换句话说,涂层的硬度梯度应从硬涂层沿超疏水层的方向升高。已发现在此情形中可获得显著改善的Bayer值。
在本发明的一个实施例中,设定所述至少两个低折射率层和所述至少两个中折射率层被布置在位于最底层的高折射率层和硬涂层之间的交替布置中。此处,特别地,设定三个中折射率层和两个低折射率层被布置在所述至少一个高折射率层的最底层和硬涂层之间。可替换地,可设定至少两个中折射率层和三个低折射率层被布置在所述至少一个高折射率层的最底层和硬涂层之间。
此外,在一个实施例中,可设定从超疏水层到最底层高折射率层且包括该最底层高折射率层在内的多个层包括至少一个低折射率层、至少一个中折射率层以及至少一个高折射率层。
在本发明的一个优选实施例中,存在有至少两个由SiO2形成的层以及至少三个由Al2O3形成的层,其被交替地布置在超疏水层和硬涂层之间,且所述三个由Al2O3形成的层中的一个和硬涂层邻接。通过这样的构造,且遵守根据本发明设定的不同层以及涂层的厚度的设定,可能在具有良好的抗反射性质的情形下(即在可见光范围内基本小于2.5%的反射率),在Bayer测试中获得良好的测试结果。
在本发明的进一步设定中,可设定所述至少一个高折射率层的折射率n>1.65。此外,可设定所述至少一个中折射率层具有1.5<n<=1.65的折射率,且所述至少一个低折射率层的折射率n<=1.5。
在本发明的进一步设定中,可设定涂层除硬涂层之外的总体厚度大于约380nm。在此情形中,在排除硬涂层的情形下适用该涂层的最小厚度的条件。继而,已有的超疏水层以及抗反射层(即,低折射率层、中折射率层和高折射率层)总体必须具有大于380nm的厚度。
将被理解的是以上说明以及在下文中将被阐述的特征不仅可被以示出的特定组合使用,也可被被以其他组合或各自独自地使用,而不背离本发明的范围。
附图说明
本发明的实施例被示出在附图中,且在下文中被更详尽地阐明。在附图中,
图1示出了在具有折射率n=1.6以及没有宽带抗折射层时,由塑料制成的现有技术眼镜镜片的反射率曲线,
图2是示出了如本发明所述的光学透镜的示意图,
图3示出了如本发明所述的光学透镜的另一个实施例的示意图,
图4示出了图3中的光学透镜的反射率曲线,
图5示出了如本发明所述的光学透镜的又一实施例的示意图,和
图6示出了图5中的光学透镜的反射率曲线。
具体实施例
图1示出了具有折射率n=1.6的宽带抗反射涂层的现有技术塑料眼镜镜片的反射率曲线,和未涂布塑料眼镜镜片进行比较。
在所述类型的已知光学透镜上的涂层通常包括多个具有低以及高的折射率的连续的层,且每一个都具有精确限定的厚度。特别地在高折射率眼镜镜片的情形中,这样的宽带抗反射涂层对于降低破坏性反射而言,且附加地,对于允许非常好的透射率而言是重要的。通常在这样的情形中,提供有多个具有较高折射率的层,其和具有较低折射率的多个层一起产生需要的抗反射效应。在此布置中具有较高折射率的层的总体层厚度为约50至约150nm。相应地,本发明的目的是提供一种具有类似的良好反射率数值的光学透镜,其附加地具有尽可能高的Bayer值。
相应地,图2示出了根据本发明的教导来设计的光学透镜10。该光学透镜10包括一种透镜元件12,其在可见光范围内透明,且由塑料制成。该透镜元件12提供有涂层14,该涂层14包括多个层15。该涂层14位于透镜元件12上。和透镜元件12相反,涂层14完结于超疏水层16。相应地,当透镜元件12被认为位于“底部”时,超疏水层16构成了涂层14的最顶层。该超疏水层由水所具有的接触角度大于95°、更特别地大于100°的材料制成。
此外,该多个层15包括至少一个高折射率层18。所谓高折射率层在本文中指的是折射率n>1.65的材料。
硬涂层毗邻于透镜元件12形成。该硬涂层20的典型材料是本领域技术人员已知的,且已在现有技术中被使用。
最后,所述多个层15包括附加的抗反射层22,其可包括低折射率层和中折射率层两者,还可包括高折射率层。但是,在示出的实施例中,所述附加的抗反射层22的精确构造并不特别重要,且该构造也可被任意地选定。
涂层14内的硬涂层20的功能之一是硬涂层20作为无机抗反射层18、22之间的应力补偿。该抗反射层18、22具有较低的热膨胀系数,而由有机塑料制成的透镜元件12具有高热膨胀系数。此外,硬涂层20背离透镜元件12的侧面形成了抗反射层22具有良好粘合强度的表面。
为了使得Bayer值最大化,发现该多个层应被施加,使得从透镜元件12向超疏水层16的硬度梯度增加。在试验中,发现如果越靠近底部的层(即在朝向透镜元件12的方向越近)的层,其硬度比更靠近顶部(即距离超疏水层16越近)的层更硬,则Bayer值原则上越低。特别地,在距离超疏水层16较近的层包括至少一个高折射率层时(如涂层14的情形),这种情况出现。相应地,应将该多个层15的硬度设置为从硬涂层20沿超疏水层16的方向增加。
相应地,就硬度而言,硬涂层20处于了在较软的塑料表面和硬抗反射层之间的中间。此外,硬涂层20支撑抗反射层18、22。
涂层14的总厚度应大于约380nm,特别地大于约400nm。特别地,涂层14除硬涂层之外的厚度,即仅层16、18、22的厚度已经大于约380nm,特别地大于约400nm。这阻止了涂层在机械加载下的断裂,继而丧失其防护功能和/或抗反射性能,所述机械加载诸如在Bayter测试过程中由研磨测试元件造成的机械加载事件,但是,该至少一个高折射率层18的总体厚度必须尽可能薄。该至少一个高折射率层18的存在对于令人满意的抗反射效应而言是必须的。但是,为了获得>17的Bayer值,该至少一个高折射率层18的总体厚度必须不大于40nm,特别地不大于35nm。已发现,诸如由于Bayer测试中的研磨颗粒对该至少一个高折射率层18和其附近剩余的抗反射层一起的损害造成了具有增加了的光散射能力的区域,其和所述损害的质量以及数量相符。取决于该损害以及该至少一个高折射率层18的厚度,该散射效应导致了更大或更小模糊度的表面,并由此降低了涂层14作为一个整体可获得的Bayer值。由于对该至少一个高折射率层18的最大厚度的强制限制,该效应可被最小化,且可通过给定的涂层14获得优化的Bayer值。
图3示出了如本发明所述的光学透镜10的第一实施例。
在此实施例中,恰好一个高折射率层18形成于涂层14内,其通过氧化钛(TiO2)的气相沉积制成。此外,还在涂层14中设置有由石英(SiO2)制成的低折射率层24以及由氧化铝(Al2O3)制成的中折射率层26。
首先,在透镜元件12上形成厚度为1至10μm的硬涂层20。首先沉积在硬涂层上的是厚度为25nm的氧化铝层26′。随后,布置在该层上的是厚度类似地为25nm的石英层24′。布置在该层上的是厚度为50nm的第二氧化铝层26″,随后,在其上布置有厚度为60nm的第二石英层24″。该层之后是厚度为115nm的第三氧化铝层26″′。设置在该第三氧化铝层26″′上的是厚度为13nm的二氧化钛高折射率层18。总体涂层14包括恰好一个高折射率层18。随后被施加于该层之上的是厚度为10nm的另一个氧化铝层26″″。其后是硬度为101nm的附加的第四石英层24″″,最终,在该层上布置有厚度为5nm的超疏水层16,其在顶部完结涂层14。
通过石英层24和氧化铝层26的交替布置,可以获得不导致层15的分层的内部总体应力。这可通过其中拉伸应力占主导的氧化铝层26和其中压缩应力占主导的石英层24的交替布置获得。因此,多个层24和26的多层构造对于产生的总应力而言是具有机械效益的,且也对涂层14的抗反射效应作出了贡献。原则上,层24和26的多层构造可包括任意大的数量的层和不同的厚度的组合,且其不被限制于所示出的示例。其仅为提供了特别有利的抗反射效应和Bayer值的组合的优选实施例。
图4示出了图3中示意性地示出的光学透镜10的反射率曲线。通过图3中示出的涂层,根据该第一实施例的本发明中的光学透镜10能够获得大于20的Bayer值。此外,由反射率曲线可见,光学透镜10具有非常优良的抗反射性质。在可见光范围内,透光率大于98%。相应地,根据该第一实施例的光学透镜10不仅满足了抗反射效应的需求,也满足了高Bayer值的需求。
图5示出了本发明的第二实施例中的光学透镜10。该图5中示出的实施例不同于图3中示出的实施例之处特别地在于,图5中示出的第二实施例具有两个高折射率层18、18’。所述两个高折射率层中的一个18’的厚度为约10nm,其在当前示出的实施例中更精确地为8.5nm。相应地,另一个高折射率层18的厚度被设定为使得高折射率层18,18’的总体厚度小于40nm,其特别地小于36nm。因此,在图5中示出的实施例中,该高折射率层18形成的厚度为22nm。
在示出的光学透镜10的第二实施例中,厚度为1to 10μm的硬涂层20首先被施加至透镜元件12。位于该层20上的是厚度为57nm的氧化铝层26’,随后被施加于该层上的是厚度为25nm的石英层24’。位于其上的是厚度为44nm的第二氧化铝层26”,其随后被施加有厚度为61nm的第二石英层24”,位于该层之上的是厚度为60nm的第三氧化铝层26”’。随后被施加至该层的是厚度为8.5nm的第一氧化钛高折射率18’。随后位于该层上的是厚度为45nm的氧化铝层26””。随后施加于其上的是厚度为22nm的第二高折射率氧化钛层18”。施加至该层的是厚度为106nm的第三石英层24”’及厚度为5nm的超疏水层,其为涂层14的顶层,和透镜元件12相对。通过所述类型的涂层14的构造,也可获得良好的Bayer值。图5中示出的涂层14允许获得大于17的Bayer值。
图6示出了图5中示出的光学透镜10的反射率曲线。此处同样地,在可见光范围内,光学透镜具有良好的抗反射性质;透光率大于98%。
最后,参见图3和图5,可发现在两个情形中,涂层14的总体厚度(特别地也不包括硬涂层20)大于400nm。此外,将高折射率层18,18′,18″设置为总是嵌入在两个低折射率层24之间,或是两个中折射率层26之间,或是一个低折射率层24和一个中折射率层26之间。在图3和图5的示例中,该高折射率层由氧化钛制成。但是,原则上,其可由氧化锆(ZrO2)或氧化坦(Ta2O5)或是最初提及的材料中的任意一种制成。示出的实施例中的低折射率层由石英(SiO2)制备,而中折射率层由氧化铝(Al2O3)层制备。更特别地,所述两种材料被交替地使用,以补偿涂层14内的机械应力。但是,可替换地,诸如氟化镁(MgF2)也可被设置为一种材料。
Claims (15)
1.一种光学透镜(10),其具有透镜元件(12),所述透镜元件由塑料制成,更特别地由在可见光谱中透明的塑料制成,且具有包括多个层(15)的涂层(14),所述多个层(15)包括至少一个高折射率层(18),其特征在于硬涂层(20)被毗邻所述透镜元件(12)形成,超疏水层(16)为所述涂层(14)的顶层,该涂层(14)总体厚度大于约380nm,且在恰好一个高折射率层(18)的情形中,该恰好一个高折射率层(18)的厚度小于40nm,且在多于一个高折射率层(18)的情形中,所述高折射率层(18)的总厚度小于40nm。
2.如权利要求1所述的光学透镜(10),其特征在于所述超疏水层(16)由水所具有的接触角度大于90°的材料制成。
3.如权利要求1或2所述的光学透镜(10),其特征在于所述涂层具有恰好一个高折射率层(18)。
4.如权利要求3所述的光学透镜(10),其特征在于所述高折射率层(18)的厚度小于15nm。
5.如权利要求1或2所述的光学透镜(10),其特征在于所述涂层(14)具有两个高折射率层(18)。
6.如权利要求5所述的光学透镜(10),其特征在于所述两个高折射率层(18)的一个的厚度小于或等于约10nm。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的光学透镜(10),其特征在于所述至少一个高折射率层(18)由ZrO2,TiO2或Ta2O5形成。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的光学透镜(10),其特征在于所述涂层(14)具有至少一个低折射率层(24)和/或至少一个中折射率层(26)。
9.如权利要求8所述的光学透镜(10),其特征在于所述至少一个低折射率层(24,26)由SiO2,Al2O3或MgF2制成。
10.如权利要求8或9所述的光学透镜(10),其特征在于所述至少一个高折射率层(18)被嵌入在两个低折射率层(24)之间、或是两个中折射率层(26)之间、或是一个低折射率层(24)和一个中折射率层(26)之间。
11.如权利要求1至10中任意一项所述的光学透镜(10),其特征在于所述多个层(15)的硬度由硬涂层(20)沿超疏水层(16)方向增加。
12.如权利要求1至11中任意一项所述的光学透镜(10),其特征在于至少两个低折射率层和至少两个中折射率层在位于最下层的高折射率层(18)和硬模层(20)之间的交替布置。
13.如权利要求1至12中任意一项所述的光学透镜(10),其特征在于所述至少一个高折射率层(18)的折射率n>1.65。
14.如权利要求8至13中任意一项所述的光学透镜(10),其特征在于所述至少一个中折射率层(26)具有1.5<n<=1.65的折射率,且所述至少一个低折射率层(24)具有n<=1.5的折射率。
15.如权利要求1至14中任意一项所述的光学透镜(10),其特征在于所述涂层(14)除硬涂层(20)之外的总厚度大于约380nm。
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