CN103149617A - 光学薄膜的成膜方法、光学基板以及光学薄膜的成膜装置 - Google Patents

光学薄膜的成膜方法、光学基板以及光学薄膜的成膜装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学薄膜的成膜方法，在光学基板(OE)上不仅使物理膜厚(d)均匀，也使折射率(n)也均匀，由此能够使光学膜厚(nd)在整体上均匀。根据本发明所述光学薄膜的成膜方法是在设置于真空室(12)内的基板上成膜光学薄膜的方法，包括在具有基板保持部的多个保持框上保持基板的保持工序(S11)、加热基板的加热工序(S12)、从蒸镀源放出蒸镀材料的放出工序(S15)，保持框使基板整体成为被均匀加热的状态。

Description

光学薄膜的成膜方法、光学基板以及光学薄膜的成膜装置
技术领域
本发明涉及在光学元件上成膜多层光学薄膜的光学薄膜的成膜方法以及光学薄膜的成膜装置。
背景技术
为了制造具有薄膜的镜头、滤光片或者棱镜等的光学元件而使用光学薄膜的成膜装置。光学薄膜的成膜装置具有球面形状或者平面形状的蒸镀罩，由该蒸镀罩保持多个光学元件。光学薄膜的成膜装置加热真空室的内部且加热蒸镀罩，使蒸镀物质蒸镀在光学元件上。由于从蒸镀物质到蒸镀罩面的各光学元件的距离不同等原因，蒸镀物质在各光学元件中的分布不均匀。因此，随着光学元件的配置位置不同，形成在光学元件上的蒸镀物质的物理膜厚d也不同，物理膜厚d的偏差会导致光学元件的反射率和透过率的变化。为了减少该物理膜厚d的偏差，在专利文献1中，使蒸镀罩旋转来降低形成于光学元件上的物理膜厚的偏差。
专利文献1：特开平10-280130
光学薄膜的成膜装置通过旋转蒸镀罩，能够降低成膜于光学元件上的蒸镀物质的物理膜厚的偏差，但是在各个光学元件内依然产生光学膜厚nd的偏差。在此，决定光学元件性能的光学膜厚nd由折射率n×物理膜厚d表示。即，即使专利文献1所示的光学薄膜的成膜装置能够使形成在光学元件上的物理膜厚d均匀，也无法使折射率n也均匀，所以光学膜厚nd无法变得均匀。
例如，图6是显示了在石英基板上形成了薄膜的滤光片的波长的半值从目标值变化到什么程度的图表。在图6中显示了两种石英基板，即58mm×60mm大小的石英基板和40.5mm×48mm大小的石英基板。图6中，纵轴表示以目标波长的半值为0时半值的波长(nm)的蠕变，横轴表示从滤光片的中央部到周边的位置(mm)。
在滤光片中央部附近，能够得到半值取目标值的波长，但是在滤光片周边部，成为比所定波长低的波长，无法得到目标值。这是因为即使物理膜厚d相同，周边部的折射率n降低，所以波长也变低。即，以往的光学薄膜的成膜装置就算能够使多个光学元件的物理膜厚d均匀，也无法使每个光学元件的光学膜厚nd都均匀。换句话说以往的光学薄膜的成膜装置无法降低折射率n的偏差。
近几年，随着光学机器的技术革新，强烈要求提高具有光学薄膜的光学元件的性能。为了满足这些要求，例如在要求40.5mm×48mm大小的滤光片的情况，使用以往的光学薄膜的成膜装置，对58mm×60mm的石英基板形成均匀的物理薄膜d。然后，通过切除58mm×60mm的石英基板的周边部，即切除折射率n不同的部分，由此制造光学膜厚nd均匀的40.5mm×48mm的滤光片。
在这样的制造方法中，需要将比所要求的光学元件更大的光学元件安装于蒸镀罩中，所以具有能够安装于蒸镀罩中的光学元件的数量相对变少的问题。另外，还有浪费了光学元件的周边部的同时，增加了切除光学元件周边部的操作的问题。
发明内容
于是，本发明目的在于提供无需切除周边部，就能够形成光学元件的周边部和中央部的光学膜厚nd均匀的高性能光学元件的光学薄膜的成膜方法以及光学薄膜的成膜装置。
根据第一观点的光学薄膜的成膜方法是在设置于真空室内的基板上成膜光学薄膜的方法。而且，具有将基板保持于具有基板保持部的多个保持框中的保持工序、加热基板的加热工序、从蒸镀源放出蒸镀材料的放出工序，保持框使基板整体成为被均匀加热的状态。
到目前为止仅使物理膜厚d均匀了，但是通过这样的构成，能够使基板的温度均匀，使折射率n也均匀。因此，能够使光学膜厚nd从基板的中央部到周边部都均匀。
根据第二观点的光学薄膜的成膜方法，其中的保持工序是在由与基板相同的材料形成的保持框上保持基板。
这样的构成，通过由与基板相同的材料形成保持框，热不会从基板的周边部向保持框流失。换句话说，成为了在基板周围安装了新的仅有周边部的基板的结构。因此，这样的结构能够成为基板整体被均匀加热的状态，能够使光学膜厚nd从基板的中央部到周边部都均匀。
根据第三观点的光学薄膜的成膜方法，其中的保持工序是在由热传导率比基板保持部低的材料形成的保持框上保持基板。
这样的构成是由热传导率更低的材料形成保持框。基板周边部的热降低、周边部的折射率n降低的原因是通过保持框，热向基板保持部流失。通过用热传导率低的材料形成保持框，能够使基板成为整体被均匀加热的状态，能够使光学膜厚nd从基板的中央部到周边部都均匀。
根据第四观点的光学薄膜的成膜方法，其中的保持工序是在具有个别加热器的保持框上保持基板。
该光学薄膜的成膜方法，由于保持框具有个别加热器，所以可以通过保持框加热基板。保持框保持基板的周边，所以可以加热基板的周边部。因此能够成为基板整体被均匀加热的状态，能够使光学膜厚nd从基板中央部到周边部都均匀。另外，基板的周边部加热成高于中央部，能够制造周边部的折射率n高的基板。
根据第五观点的光学薄膜的成膜方法，其中的保持工序是用在蒸镀源的反对侧具有基板套的保持框保持基板，该基板套覆盖基板的周边。
该光学膜厚的成膜方法通过由基板套保持基板周边的热，能够使基板中央部和周边部成为均匀的温度。另外，通过加热基板的周边部使周边部的温度高于中央部，能够制造周边部高折射率n的基板。
根据其他观点，由上述方法成膜的光学基板，中央部和周边部均具有相同的光学膜厚nd。另外，还能够提供成膜了光学薄膜的光学基板，而该光学薄膜的蒸镀材料的折射率从光学基板的中央附近到外周部变高。若周边部的折射率比中央部高，则不论是倾斜入射于镜头的光束，还是垂直入射于中央部的光束，均能够以相同的波长进行滤光处理。
根据本发明，能够形成光学元件的周边部和中央部的光学膜厚nd均匀的高性能光学元件。
附图说明
图1是显示光学薄膜的成膜装置10的概略剖面图。
图2是在光学薄膜的成膜装置10内从下往上观察蒸镀罩19的主视图。
图3a是在一个保持框上安装两个光学元件OE的第一保持框33A的主视图。
图3b是在一个保持框上安装四个光学元件OE的第二保持框33B的主视图。
图4是滤光片成膜方法的流程图。
图5是显示在做实验的1mm厚的石英基板上形成40层光学薄膜的红外线消除滤镜的光谱特征的图。
图6是显示滤光片的波长的半值从目标值变化到多少的图。
图7是调查了在石英基板上分散的TiO2的加热温度依赖性的图。
图8a是设置了电加热器37的保持框33A的主视图。
图8b是图8a的B-B剖面图。
图9a是设置了热保持外套39的保持框的主视图。
图9b是图9a的B-B剖面图。
图10a、图10b是显示在40.5mm×48mm大小的石英基板中的半值变化的图。
图11是从凸透镜41隔着滤光片43向使用了CCD或者CMOS的光电转换部45入射光束的概念图。
附图标记说明
10：光学薄膜的成膜装置              12：蒸镀室
17：第一蒸镀源                      18：第二蒸镀源
19：蒸镀罩                          21：第一快门
22：第二快门                        24：加热器
26：驱动马达                        27：第一扩散板
28：第二扩散板                      31：矩形开口部
33A：第一保持框                     33B：第二保持框
35：第一孔                          36：第二孔
37：电加热器                        37A：软线
39：热保持外套                      39A：孔部
41：凸透镜                          45：光电转换部
43：滤光片                          OE：光学元件
nd：光学膜厚                        n：折射率
d：物理膜厚
具体实施方式
<光学薄膜的成膜装置的概要>
图1是显示光学薄膜的成膜装置10的概略剖面图。
如图1所示，本实施例所述光学薄膜的成膜装置10具有两个第一蒸镀源17以及第二蒸镀源18和蒸镀罩19，其中所述第一蒸镀源17以及第二蒸镀源18设置在蒸镀室12内的从中心位置偏离的底部侧，所述蒸镀罩19为基板保持部，用于保持玻璃或者石英等光学元件OE。蒸镀室12可以真空至10-4Pa左右。例如第一蒸镀源17含有TiO2，通过照射电子束蒸发TiO2。另外，例如第二蒸镀源18含有SiO2，通过照射电子束，蒸发SiO2。
在第一蒸镀源17和蒸镀罩19之间设置有可遮蔽的第一快门21，在第二蒸镀源18和蒸镀罩19之间设置有可遮蔽的第二快门22。光学薄膜的成膜装置10具有未图示的控制装置，该控制装置根据光学薄膜的设计膜厚，交替进行第一快门21以及第二快门22的移动动作，控制装置适当交替开关第一快门21以及第二快门22。第一快门21以及第二快门22分别在第一蒸发源17和第二蒸镀源18的正上方以及由此偏离的位置之间，进行旋转移动，由此控制各薄膜层的成膜的开始和结束，来调整物理膜厚d。
另外，在接近蒸镀罩19边缘部的位置，分别在第一快门21以及第二快门22的上方，设置使光学元件OE的物理膜厚d均匀的第一扩散板27以及第二扩散板28。
蒸镀罩19通过配置在蒸镀室12上部的驱动马达26，在蒸镀室12的大致中央位置可旋转地被支撑。另外，蒸镀罩19的上部设置有加热器24。加热器24通过放射热将蒸镀罩19以及光学元件OE加热至例如200℃到270℃的所定温度。电子束照射第一蒸镀源17以及第二蒸镀源18，由此蒸镀室12的内部温度达到280℃以上。另外，蒸镀罩19不仅局限于球面形状，也可以是平面罩或者肩状罩等。
图2是在光学薄膜的成膜装置10内从下向上看蒸镀罩19的主视图。如图2所示，蒸镀罩19具有同心圆状排列的相互联通的多个矩形开口部31。该矩形开口部31例如是单个为100mm的正方形的开口。在矩形开口部31上安装有用于保持光学元件OE的保持框。蒸镀罩19由不锈钢或者铁等的金属材料形成。
图3a、图3b分别表示第一保持框的33A和第二保持框33B的主视图。图3a是在一个保持框上安装了两个光学元件OE的第一保持框33A，第一保持框33A具有两个用于在玻璃或者石英等光学元件上蒸镀第一蒸镀源17或者第二蒸镀源18的第一孔35。图3b是在一个保持框上安装了四个光学元件OE的第二保持框33B，第二保持框33B具有四个用于在光学元件上蒸镀第一蒸镀源17或者第二蒸镀源18的第二孔36。尽管没有图示，但保持框也可以设计成在一个保持框上设置一个光学元件OE。
另外，不仅是矩形的光学元件OE，还可以设计成保持圆形光学元件的保持框。在本实施例中，分别独立地分离设置了蒸镀罩19和保持框，但是也可以由蒸镀罩19的矩形开口部31构成保持各自的光学元件OE的保持框。
<光学薄膜的成膜装置的操作>
接着说明通过本实施例所述光学薄膜的成膜装置10成膜具有40层光学薄膜的滤光片的成膜方法。图4是成膜滤光片的流程图。
光学薄膜的成膜方法如图4所示，在步骤S11中，将光学元件OE安装在保持框上，进一步将保持了该光学元件OE的保持框安装在蒸镀罩19上。
在步骤S12中，使蒸镀室12真空的同时，通过加热器24加热蒸镀室12的内部，尤其将蒸镀罩19以及光学元件OE加热到所定温度。
在步骤S13中，通过驱动马达26以所定的速度旋转蒸镀罩19。
在步骤S14中，使第一快门21以及第二快门22处于关闭的状态，在步骤S15中，用电子束加热第一蒸镀源17以及第二蒸镀源18。
在步骤S16中，在光学元件OE上蒸镀第一层第一蒸镀源17之际，将第一快门21从关闭状态转换为开启状态，经所定时间以后，再度将其关闭。由此，形成了第一层蒸镀层。然后进入步骤S17。
在步骤S17中，判断是否形成了所定数量的蒸镀层。因为才形成了第一层，所以返回步骤S15，进入步骤S18。
在步骤S18中，在光学元件OE的第二层上蒸镀第二蒸镀源18，所以将第二快门22从关闭状态转换为开启装置，经所定时间以后，再度将其关闭。由此，形成了第二层的蒸镀层。然后进入步骤S17。通过相互重复步骤S16和步骤S18，形成了具有40层光学薄膜的滤光片。
<光学膜厚nd的均匀化>
决定光学元件OE的性能的光学膜厚nd由折射率n×物理膜厚d来表示。就算物理膜厚d保持一定不变，一旦折射率n下降，光学膜厚nd也会下降。例如，若红外线消除滤镜的光学膜厚nd下降，则消除红外线的波长区域就会下降。
图5是表示在做实验的1mm厚的石英基板上形成了40层光学薄膜的红外线消除滤镜的光谱特征的图，纵轴表示透过率，横轴表示波长(350nm～1200nm)。该红外线消除滤镜是按照图4所示流程图制造的。图5中的实线表示红外线消除滤镜的中央部的透过率，图5中的虚线表示红外线消除滤镜的周边部的透过率。红外线消除滤镜的周边部的透过率相比于中央部，向波长减少的方向移动。
图6是表示在大小不同的两种石英基板上形成了薄膜的滤光片的波长半值从目标值变化到多少的图。图6中，纵轴表示以目标波长的半值为0时的半值(在图5中透过率为50％的波长值)波长的蠕变，横轴表示从滤光片的中央部到周边部的位置(mm)。不论是58mm×60mm大小的石英基板，还是40.5mm×48mm大小的石英基板，周边部的半值下降，周边成为在横线表示-2nm的线以下的状态。
图7是调查了在石英基板上分散的TiO2的加热温度依赖性的图，纵轴表示折射率，横轴表示波长。
由图中可知，若温度上升，则在相同波长下TiO2的折射率n变高。由此，本发明人发现了若使光学元件OE的周边部的温度相同于中央部温度，则光学膜厚nd就会成为一致。如果仅在光学薄膜的成膜装置10内提高加热器24的温度，则光学元件OE的中央部的温度也会变高，所以在以下所示实施例中，使光学元件OE周边部的温度与中央部的温度相同，或者使周边部的温度高于中央部的温度。
实施例1
在实施例1中，用与光学元件OE相同的材料形成了图3a、图3b所示的保持框。至今为止，保持框为与蒸镀罩19相同的不锈钢或者铁等金属，但是采用与光学元件OE相同热传导率的材料的同时，也可以采用比不锈钢或者铁等的金属热传导率更低的材料，使得光学元件OE周边部的热不会通过保持框向蒸镀罩19流失。例如，热传导率低的不锈钢的热传导率是15W/mK，相对于此，玻璃的热传导率是1W/mK，石英的热传导率是8W/mK。
使用与光学元件OE相同材料的保持框，按照图4所示流程图制造红外线消除滤镜。图10a是显示了在40.5mm×48mm大小的石英基板上的半值变化的图。与图6所示40.5mm×48mm大小的石英基板不同，在中央部以及周边部大致一致，在最周边部下降了约-1nm。
实施例2
在实施例2中，由氧化锆陶瓷材料形成图3a、图3b所示保持框。由该氧化锆陶瓷材料形成的保持框具有细微的微孔结构，绝热性优良。因此，光学元件OE周边部的热不会通过保持框向蒸镀罩19流失。具有细微的微孔结构的氧化锆陶瓷材料的热传导率为0.2W/mK。这样用比不锈钢等的金属构成的蒸镀罩19的热传导率更低的材料形成保持框。优选热传导率为10W/mK以下。
使用氧化锆陶瓷材料的保持框，按照图4所示流程图制造红外线消除滤镜。该红外线消除滤镜显示与上述图10a相同的半值变化。即，在周边部，红外线消除滤镜的波长降低。保持框除了氧化锆陶瓷材料以外，还可以使用钠钙玻璃、石灰玻璃等。
实施例3
在实施例3中，如图8a、图8b所示，在保持框33A的第一孔35周围设置了电加热器37。图8a是设置了电加热器37的保持框33A的主视图，图8b是图8a的B-B剖面图。实施例3的保持框由不锈钢或者铁等的金属形成，由电加热器37加热保持框。通过加热器24，蒸镀罩19从200℃加热至270℃，另外，通过由电子束加热第一蒸镀源17以及第二蒸镀源18的热，蒸镀室12的内部温度变得比加热器24的设定温度高。于是，电加热器37将保持框从270℃加热到310℃左右。通过这样加热保持框，提高了光学元件OE的周边部的温度。另外，加热器37的软线37A与相邻的加热器(未图示)相连接，最终与电源相连接。
使用带有电加热器37的保持框33A，按照图4所示流程图制造红外线消除滤镜。该红外线消除滤镜通过调整电加热器37的温度，显示与上述图10a相同的半值变化。另外，调整电加热器37的温度，在光学元件OE的周边部温度高于中央部温度的状态下，制造红外线消除滤镜，则显示图10b所示的半值变化。
即，如图10b所示，能够制造红外线消除滤镜的周边部比中央部的红外线消除滤镜的波长高的滤镜。由于物理膜厚d被均匀蒸镀，所以意味着蒸镀材料的折射率n从光学基板OE的中央附近到外周部，折射率n变大。
实施例4
在实施例4中，如图9a、图9b所示，在保持框33A的第一孔35周围设置了热保持外套39。图9a是设置了热保持外套39的保持框的主视图，图9b是图9a的B-B剖面图。实施例4的保持框33A也由不锈钢或者铁等的金属形成，热保持外套39也由不锈钢或者铁等的金属形成。热保持外套39设置在第一蒸镀源17或者第二蒸镀源18的反对侧，即设置在加热器24侧。在热保持外套39上形成有孔部39A，孔部39A区域的光学元件OE不进行热保持。即，在光学元件OE的中央区域不进行热保持。若有热保持外套39，则光学元件OE的热难以流失，由此光学元件OE周边部的温度变得均匀。
使用带有热保持外套39的保持框33A，按照图4所示流程图制造红外线消除滤镜。该红外线消除滤镜通过调整孔部39A的大小以及热保持外套39的厚度，显示与上述图10a相同的半值变化。另外，在安装了孔部39A的大小变小且热保持外套39变厚的热保持外套39的状态下，制造红外线消除滤镜，则能够制造如图10b所示的红外线消除滤镜的波长在红外线消除滤镜的周边部比中央部高的滤镜。
<周边部的光学膜厚nd厚的滤光片>
根据实施例3以及实施例4，能够制造红外线消除滤镜的波长在红外线消除滤镜的周边部比中央部更高的滤镜。这样的红外线消除滤镜在受光通过镜头等入射的光束之际，可以作为有效的红外线消除滤镜使用。
图11是从凸透镜41隔着滤光片43向使用了CCD或者CMOS的光电转换部45入射光束的概念图。
通过了凸透镜41的光束在周边部折射得很大，而在中央部折射得很小。滤光片43在所入射的光束不是垂直入射的情况，与光束的入射角成比例地向短波长侧移动。由此，如图11右侧所示，若滤光片43形成为周边部的波长比中央部高的滤镜，则入射到光电转换部45的光束成为从中央部到周边部为相同的波长。即，在光电转换部45的中央部和周边部能够实现相同的彩色再现性。
产业上的可利用性
另外，本发明技术范围并不限定于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的范围内，可以进行各种变更。例如，在上述实施例中，通过真空蒸镀法进行了成膜，但并不限定于此，也可以通过高频离子源法，复合无机材料和有机材料。所谓高频离子源法是指通过真空加热蒸发无机材料，进一步通过放电的等离子能产生有机材料和无机材料的化学活性离子或分子，将两种材料复合的技术。有机材料从蒸镀室的外部与单体气体或者氩气或者氦气等的载气一同导入，通过等离子能生成无机/有机复合膜。
另外，在实施例中，主要说明了红外线消除滤镜，但也可以是其他滤光片，本发明也能够适用于玻璃或者石英基板上成膜光学薄膜的镜头以及棱镜等中。

Claims (2)

1.一种光学元件，包括：
基板，具有包含中央部和周边部的表面；以及
该表面上的光学薄膜，该光学薄膜在该周边部具有的折射率(n)大于该光学薄膜在该中央部的折射率。
2.如权利要求1所述的光学元件，其中：
该光学薄膜的物理膜厚(d)在该中央部和该周边部是均匀的。
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