CN106054288B - 一种超广角半球透镜增透膜及其镀制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超广角半球透镜增透膜及其镀制方法。改变传统的设计思维，从膜系设计的角度出发，将增透膜的光谱范围展宽，使边缘膜层薄的位置仍能达到增透效果。无需对传统设备做任何改造，只需控制膜料层沉积速率与工件盘公转速度，即可保证透镜同一圆周内的膜厚均匀。采用离子源刻蚀和离子源辅助沉积的镀膜工艺，提高膜层的附着力和致密性。设计上靠近基底的膜层使用TiO2和SiO2，并且增加离子源辅助，有效的解决TiO2与MgF2膜层的应力问题，消除膜裂风险；最外层采用低折射率MgF2，能够最大限度的降低整个带宽的反射率，在带宽展宽的同时仍然能保证较低的反射率，并且能减少膜层应力，降低膜裂风险。

Description

一种超广角半球透镜增透膜及其镀制方法
技术领域
本发明涉及一种超广角半球透镜增透膜及其镀制方法，尤其涉及一种曲率与口径相当的透镜增透膜及其镀制方法。
背景技术
光学薄膜是现代光学系统不可或缺的器件，在光学仪器中起到举足轻重的作用。随着光学产品的发展，光学透镜的应用越来越广。对于高清、广角、星光级镜头来说，都朝着大数值孔径、大通光量的方向发展，因此透镜的镀膜非常重要。在镀膜过程中，由于点源产生的膜料蒸汽沉积角度的不同使得同一透镜表面各点的膜厚存在一定的差异，对于曲率较小的透镜影响不明显，但对于曲率较大的透镜时，边缘和中心点膜厚差别很大，边缘膜层的厚度会比中心薄很多，从而导致整个光谱向短波移动。当光线从边缘和半腰入射时，镜片表面的膜层不是起到增透作用，而是造成反射，导致成像体统中总体光通量严重降低，从而使成像质量不佳。严重时镜片表面出现多次反射，形成“鬼影”，影响整个镜头的性能。
目前，在膜层沉积过程中主要采用修正挡板、公转兼自转的行星夹具来提高膜层厚度均匀性。增加修正挡板只能改善整个工件盘上的膜厚分布，而无法对工件盘上单个透镜自身的不同位置的膜厚进行修正。带有公转加自转的行星夹具，需要对设备进行改造，影响设备的密封性能。针对不同曲率和尺寸的透镜需专门设计一套行星夹具和膜厚修正板，腔体的装载量不足常规的一半，生产成本大大增加。另外，行星夹具因其摆幅受到腔体尺寸的限制，透镜中心和边缘的厚度均匀性有所改善，但无法达到一致。
发明内容
本发明提供一种超广角半球透镜增透膜及其镀制方法，本发明选择SiO2、TiO2、和MgF2作为镀膜材料，在透镜本体上镀制增透膜，解决了由于透镜中心和边缘的厚度不均匀而造成的增透膜无法起到增透作用问题。它在原有设备的基础上不改变膜层均匀性，而是通过选择合适的镀膜材料，从光谱膜系设计着手，将整个反射光谱带加宽，保证边缘膜厚偏薄的情况下仍能达到增透减反的效果。
本发明的技术方案一如下：
一种超广角半球透镜增透膜，所述的增透膜由镀制在透镜本体上的13层膜层组成，其中13层膜层依照距离透镜本体从近至远的顺序依次为：第一SiO2膜层、第一TiO2膜层、第二SiO2膜层、第二TiO2膜层、第三SiO2膜层、第三TiO2膜层、第四SiO2膜层、第四TiO2膜层、第五SiO2膜层、第五TiO2膜层、第六SiO2膜层、第六TiO2膜层及MgF2膜层。
本发明优选以下技术方案：
所述的第一SiO2膜层厚度为20.0-22.0nm；所述的第一TiO2膜层厚度为11.1-13.1nm；所述的第二SiO2膜层厚度为52.5-54.5nm；所述的第二TiO2膜层厚度为7.0-8.0nm；所述的第三SiO2膜层厚度为216.4-218.4nm；所述的第三TiO2膜层厚度为12.1-14.1nm；所述的第四SiO2膜层厚度为39.6-41.6nm；所述的第四TiO2膜层厚度为35.0-37.0nm；所述的第五SiO2膜层厚度为10.4-12.4nm；所述的第五TiO2膜层厚度为77.6-79.6nm；所述的第六SiO2膜层厚度为22.2-24.2nm；所述的第六TiO2膜层厚度为22.9-24.9nm；所述的MgF2膜层厚度为111.4-113.4nm。
采用光学膜料中折射率最低的MgF2和折射率较高的TiO2搭配设计时可以得到反射率较低的光谱曲线，但两者膜料压应力和张应力不匹配容易使透镜表面的细伤拉大，甚至导致膜层龟裂发白，影响膜层性能。因此该方案前十二层选用TiO2和SiO2搭配降低应力，在最外层镀MgF2来降低反射率。不仅解决了膜层应力匹配问题，同时最大限度的降低反射率。
本发明优选以下技术方案：
所述的透镜本体的凸面曲率与口径比为1:1.6-2.0。优选曲率为14.75-16.75mm，口径为27.8-29.8mm的透镜本体，透镜本体的基底材料为ZF13，但不限于ZF13材料。
本发明的技术方案二如下：
一种超广角半球透镜增透膜的镀制方法，
具体包括如下步骤：
①.选择TiO2、SiO2和MgF2作为镀膜材料；
②.镀制增透膜前，使用霍尔离子源对透镜本体刻蚀10-15分钟；
③.采用离子源辅助沉积电子束蒸发法在经过步骤②处理的透镜本体表面依次镀制第一SiO2膜层、第一TiO2膜层、第二SiO2膜层、第二TiO2膜层、第三SiO2膜层、第三TiO2膜层、第四SiO2膜层、第四TiO2膜层、第五SiO2膜层、第五TiO2膜层和第六SiO2膜层、第六TiO2膜层；
在镀制增透膜的各个膜层时，需先用霍尔离子源对前一基底膜层刻蚀10-15分钟，且镀前保持本底真空度低于2*10-3Pa，沉积温度为250-320℃，恒温10-20分钟；
镀制各SiO2膜层时，控制沉积速率为0.3-0.5nm/s，充氧量为0-5SCCM，离子源阳极电压为220-250V，电流为4-6A；
镀制各TiO2膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，充氧量为15-25SCCM，离子源阳极电压为230-280V，电流为5-7A；
镀制MgF2膜层时，关闭离子源，控制沉积速率为0.3-0.5nm/s。
进一步优选以下技术方案：
镀制增透膜前，预沉积常规增透膜层，用来确认透镜中心与边缘的膜厚比例，然后根据镀膜指标、透镜本体材料的折射率、膜料匹配及上述步骤确认的透镜中心与边缘的膜厚比例设计膜系的层数以及每一层膜的厚度。
该方案根据透镜中心与边缘的膜厚比例有针对性的展宽光谱带宽，减少以经验来调整膜层的次数。根据已计算的带款设计最少的膜层数，减少镀膜时间，降低因膜层数过多产生的累计误差。
进一步优选以下技术方案：使用霍尔离子源对透镜本体刻蚀前，需对透镜本体进行人工擦拭，去除面上和侧面的抛光粉等杂质，提供较为新鲜的镀膜面。擦拭所用的擦拭液为酒精：乙醚按照体积比为1:1-2:3混合而成的，其效果在于让擦拭液尽快挥发，减少擦拭印记，提高透镜光洁度。
进一步优选以下技术方案：在使用霍尔离子源对透镜本体刻蚀时，控制离子源阳极电压为180-220V，电流为3-5A。
鉴于点源沉积在透镜边缘的发散角较大，离子源刻蚀和辅助沉积能有效的保证透镜表面的新鲜度以及膜层的致密性，提高膜层附着力。
进一步优选以下技术方案：在镀制SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层时，工件盘的公转速度控制在10-15r/min。
膜料的沉积速率与工件盘公转的速度需控制在0.8-3nm/r，避免公转太慢导致整个工件盘不同位置沉积的膜厚不一致，公转太快导致沿着蒸发源的方向膜料偏多，背着蒸发源的方向膜料偏少，出现行业所说的“阴阳脸”。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、改变传统的设计思维，从膜系设计的角度出发，将增透膜的光谱范围展宽，使边缘膜层薄的位置仍能达到增透效果。
2、无需对传统设备做任何改造，只需控制膜料层沉积速率与工件盘公转速度，即可保证透镜同一圆周内的膜厚均匀。
3、采用离子源刻蚀和离子源辅助沉积的镀膜工艺，提高膜层的附着力和致密性。
4、设计上靠近基底的膜层使用TiO2和SiO2，并且增加离子源辅助，有效的解决TiO2与MgF2膜层的应力问题，消除膜裂风险；最外层采用低折射率MgF2，能够最大限度的降低整个带宽的反射率，在带宽展宽的同时仍然能保证较低的反射率，并且能减少膜层应力，降低膜裂风险。
5、该技术同样适用于半球透镜镀制单点增透膜、倍频增透膜、高反膜。
6、该方法镀制13层膜层，不仅能适应物理性能的要求，而且适于批量生产，对工业化应用具有巨大的意义。
附图说明
图1是本发明超广角半球透镜结构示意图；
图2是本发明的透镜本体及增透膜的结构示意图；
图3是本发明实施例1的光谱设计图(超广角半球透镜预沉积薄膜反射光谱设计图)；
图4是本发明实施例1的反射率光谱图(超广角半球透镜预沉积薄膜在透镜中心和边缘90％位置的反射率光谱图)；
图5是本发明实施例2的光谱设计图(超广角半球透镜展宽后反射光谱设计图)；
图6是本发明实施例2的反射率光谱图(超广角半球透镜薄膜在透镜中心和边缘90％位置的反射率光谱图)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明内容进行详细说明。
(一)具体实施例
一种超广角半球透镜增透膜，所述的增透膜2由镀制在透镜本体1上的13层膜层组成，其中13层膜层依照距离透镜本体从近至远的顺序依次为：第一SiO2膜层21、第一TiO2膜层22、第二SiO2膜层23、第二TiO2膜层24、第三SiO2膜层25、第三TiO2膜层26、第四SiO2膜层27、第四TiO2膜层28、第五SiO2膜层29、第五TiO2膜层210、第六SiO2膜层211、第六TiO2膜层212及MgF2膜层213。
本发明的13层膜层是要达到本发明效果的最少层数，但层数多了厚度不易控制，不便于批量生产。
所述的第一SiO2膜层21厚度为20.0-22.0nm；所述的第一TiO2膜层22厚度为11.1-13.1nm；所述的第二SiO2膜层23厚度为52.5-54.5nm；所述的第二TiO2膜层24厚度为7.0-8.0nm；所述的第三SiO2膜层25厚度为216.4-218.4nm；所述的第三TiO2膜层26厚度为12.1-14.1nm；所述的第四SiO2膜层27厚度为39.6-41.6nm；所述的第四TiO2膜层28厚度为35.0-37.0nm；所述的第五SiO2膜层29厚度为10.4-12.4nm；所述的第五TiO2膜层210厚度为77.6-79.6nm；所述的第六SiO2膜层211厚度为22.2-24.2nm；所述的第六TiO2膜层212厚度为22.9-24.9nm；所述的MgF2膜层213厚度为111.4-113.4nm。
本发明所述的透镜本体1的凸面曲率为14.75-16.75mm，口径为27.8-29.8mm，透镜本体1的基底材料优选为ZF13，也可以使用其它的材料。
一种超广角半球透镜增透膜的镀制方法，
具体包括如下步骤：
①.选择TiO2、SiO2和MgF2作为镀膜材料；
②.镀制增透膜2前，使用霍尔离子源对透镜本体1刻蚀10-15分钟；
③.采用离子源辅助沉积电子束蒸发法在经过步骤②处理的透镜本体1表面依次镀制第一SiO2膜层、第一TiO2膜层、第二SiO2膜层、第二TiO2膜层、第三SiO2膜层、第三TiO2膜层、第四SiO2膜层、第四TiO2膜层、第五SiO2膜层、第五TiO2膜层和第六SiO2膜层、第六TiO2膜层；
在镀制增透膜2的各个膜层时，需先用霍尔离子源对前一基底膜层刻蚀10-15分钟，且镀前保持本底真空度低于2*10-3Pa，沉积温度为250-320℃，恒温10-20分钟；
镀制各SiO2膜层时，控制沉积速率为0.3-0.5nm/s，充氧量为0-5SCCM，离子源阳极电压为220-250V，电流为4-6A；
镀制各TiO2膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，充氧量为15-25SCCM，离子源阳极电压为230-280V，电流为5-7A；
镀制MgF2膜层时，关闭离子源，控制沉积速率为0.3-0.5nm/s。
镀制增透膜2前，预沉积常规增透膜层，用来确认透镜中心与边缘的膜厚比例，然后根据镀膜指标、透镜本体1材料的折射率、膜料匹配及上述步骤确认的透镜中心与边缘的膜厚比例设计膜系的层数以及每一层膜的厚度。
使用霍尔离子源对透镜本体1刻蚀前，需对透镜本体1进行人工擦拭，去除面上和侧面的抛光粉等杂质，提供较为新鲜的镀膜面。擦拭所用的擦拭液为酒精：乙醚按照体积比为1:1混合而成的。
在使用霍尔离子源对透镜本体1刻蚀时，控制离子源阳极电压为180-220V，电流为3-5A。
在镀制SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层时，工件盘的公转速度控制在10-15r/min。
(二)具体实施例
实施例1
如图1，超广角半球透镜凸面曲率为15.75mm，口径为28.8mm，光谱指标要求：Rabs<0.5％@420-700,透镜基底材料为ZF13。
一种超广角半球透镜增透膜的制备方法，包括以下步骤：
(一)以常规透镜为例，不考虑边缘与中心的膜厚差异，预沉积常规可见光增透膜层，确认透镜中心与边缘的膜厚比例。选择TiO2和SiO2作为镀膜材料设计的反射光谱如图3所示，420-700nm反射率小于0.5％。
各膜层依照距离玻璃基材从近至远的顺序依次为：第1层、厚度为17.1nm的TiO2膜层；第2层、厚度为24.5nm的SiO2膜层；第3层、厚度为50.5nm的TiO2膜层；第4层、厚度为18.5nm的SiO2膜层；第5层、厚度为33.3nm的TiO2膜层；第6层、厚度为97.6nm的SiO2膜层。
(二)如图3、4所示，超广角半球透镜预沉积薄膜在透镜中心和边缘90％位置的反射率光谱图。从图3可以看出，球面中心测得的反射率光谱中心波长在565nm,而边缘90％位置由于所沉积的膜层较薄，测得的反射率中心波长在410nm，在560-700nm的范围内反射率已经大于0.5％，未能达到设计要求，特别是在700nm的位置反射率达到了5.6％。原本设计要求的增透效果反而变成了反射效果，更严重的是整个镜头边缘红绿黄等反射光太强导致镜头偏色，无法准确还原拍摄物的色彩。
(三)步骤二确定了中心膜厚与边缘90％位置的膜厚比例为565/410＝1.38，为保证边缘在波长700nm时反射率小于0.5％，膜系的带宽需展宽到700*1.38＝966nm。
实施例2
选择TiO2，SiO2，MgF2作为镀膜材料，根据步骤三确认的镀膜指标为R<0.5％@420-966nm。使用膜系设计软件设计的各膜层依照距离玻璃基材从近至远的顺序依次为：如图2所示，第1层、厚度为21nm的第一SiO2膜层；第2层、厚度为12.1nm的第一TiO2膜层；第3层、厚度为第二53.5nm的SiO2膜层；第4层、厚度为8.0nm的第二TiO2膜层；第5层、厚度为217.4nm的第三SiO2膜层；第6层、厚度为13.1nm的第三TiO2膜层；第7层、厚度为40.6nm的第四SiO2膜层；第8层、厚度为36nm的第四TiO2膜层；第9层、厚度为11.4nm的第五SiO2；第10层、厚度为78.6nm的第五TiO2膜层；第11层、厚度为23.2nm的第六SiO2膜层；第12层、厚度为23.9nm的第六SiO2膜层；第13层、厚度为112.4nm的MgF2膜层。设计曲线如图5。
膜层的沉积
清洗玻璃基材：对玻璃基材进行人工擦拭，擦拭液为酒精：乙醚为1:1；去除面上和侧面的抛光粉等杂质，提供较为新鲜的镀膜面；
使用霍尔离子源对清洗后的玻璃基材刻蚀10-15分钟；
采用离子源辅助沉积电子束蒸发法在经过步骤2处理的玻璃基材表面依次镀制第一SiO2膜层、第一TiO2膜层、第二SiO2膜层、第二TiO2膜层、第三SiO2膜层、第三TiO2膜层、第四SiO2膜层、第四TiO2膜层、第五SiO2膜层、第五TiO2膜层和第六SiO2膜层、第六TiO2膜层；
在步骤2镀制复合膜层的各个膜层时，需先用霍尔离子源对前一基底膜层刻蚀10-15分钟，且镀前保持本底真空度低于2*10-3Pa，沉积温度为250-320℃，恒温10-20分钟；
镀制各SiO2膜层时，控制沉积速率为0.3-0.5nm/s，充氧量为0-5S CCM，离子源阳极电压为220-250V，电流为4-6A。
镀制各TiO2膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，充氧量为15-25SCCM，离子源阳极电压为230-280V，电流为5-7A。
镀制MgF2膜层时，关闭离子源，控制沉积速率为0.3-0.5nm/s。
在步骤2使用霍尔离子源对玻璃基材刻蚀时，离子源阳极电压为180-220V，电流为3-5A。
在步骤3镀制SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层时，工件盘的公转速度控制在10-15r/min。其反射率光谱图如图6所示。
上述具体实施方式只是以ZF13材料作为技术方案进行详细解释，本发明不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超广角半球透镜增透膜，其特征在于：所述的增透膜(2)由镀制在透镜本体(1)上的13层膜层组成，其中13层膜层依照距离透镜本体从近至远的顺序依次为：第一SiO2膜层(21)、第一TiO2膜层(22)、第二SiO2膜层(23)、第二TiO2膜层(24)、第三SiO2膜层(25)、第三TiO2膜层(26)、第四SiO2膜层(27)、第四TiO2膜层(28)、第五SiO2膜层(29)、第五TiO2膜层(210)、第六SiO2膜层(211)、第六TiO2膜层(212)及MgF2膜层(213)；
所述的第一SiO2膜层(21)厚度为20.0-22.0nm；所述的第一TiO2膜层(22)厚度为11.1-13.1nm；所述的第二SiO2膜层(23)厚度为52.5-54.5nm；所述的第二TiO2膜层(24)厚度为7.0-8.0nm；所述的第三SiO2膜层(25)厚度为216.4-218.4nm；所述的第三TiO2膜层(26)厚度为12.1-14.1nm；所述的第四SiO2膜层(27)厚度为39.6-41.6nm；所述的第四TiO2膜层(28)厚度为35.0-37.0nm；所述的第五SiO2膜层(29)厚度为10.4-12.4nm；所述的第五TiO2膜层(210)厚度为77.6-79.6nm；所述的第六SiO2膜层(211)厚度为22.2-24.2nm；所述的第六TiO2膜层(212)厚度为22.9-24.9nm；所述的MgF2膜层(213)厚度为111.4-113.4nm；
所述的透镜本体(1)的凸面曲率半径与口径比为1:1.6-2.0。
2.一种用于制备权利要求1所述的超广角半球透镜增透膜的镀制方法，其特征在于：
具体包括如下步骤：
①.选择TiO2、SiO2和MgF2作为镀膜材料；
②.镀制增透膜(2)前，使用霍尔离子源对透镜本体(1)刻蚀10-15分钟；
③.采用离子源辅助沉积电子束蒸发法在经过步骤②处理的透镜本体(1)表面依次镀制第一SiO2膜层(21)、第一TiO2膜层(22)、第二SiO2膜层(23)、第二TiO2膜层(24)、第三SiO2膜层(25)、第三TiO2膜层(26)、第四SiO2膜层(27)、第四TiO2膜层(28)、第五SiO2膜层(29)、第五TiO2膜层(210)和第六SiO2膜层(211)、第六TiO2膜层(212)；
在镀制增透膜(2)的各个膜层时，需先用霍尔离子源对前一基底膜层刻蚀10-15分钟，且镀前保持本底真空度低于2*10-3Pa，沉积温度为250-320℃，恒温10-20分钟；
镀制各SiO2膜层时，控制沉积速率为0.3-0.5nm/s，充氧量为0-5SCCM，离子源阳极电压为220-250V，电流为4-6A；
镀制各TiO2膜层时，控制沉积速率为0.2-0.4nm/s，充氧量为15-25SCCM，离子源阳极电压为230-280V，电流为5-7A；
④.镀制MgF2膜层，关闭离子源，控制沉积速率为0.3-0.5nm/s。
3.根据权利要求2所述的超广角半球透镜增透膜的镀制方法，其特征在于：镀制增透膜(2)前，预沉积常规增透膜层，用来确认透镜中心与边缘的膜厚比例，然后根据镀膜指标、透镜本体(1)材料的折射率、膜料匹配及上述步骤确认的透镜中心与边缘的膜厚比例设计膜系的层数以及每一层膜的厚度。
4.根据权利要求2所述的超广角半球透镜增透膜的镀制方法，其特征在于：步骤②使用霍尔离子源对透镜本体(1)刻蚀前，需对透镜本体(1)进行擦拭。
5.根据权利要求2所述的超广角半球透镜增透膜的镀制方法，其特征在于：步骤②在使用霍尔离子源对透镜本体(1)刻蚀时，控制离子源阳极电压为180-220V，电流为3-5A。
6.根据权利要求2所述的超广角半球透镜增透膜的镀制方法，其特征在于：在镀制SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层时，工件盘的公转速度控制在10-15r/min。
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