CN109270616B - 一种多谷透射元件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多谷透射元件，包括基底，所述基底上沉积有具有若干个选择透射衰减带特性的介质层；所述的介质层由依次沉积在基底上的高折射率材料层和低折射率材料层两层薄膜组成；基底与低折射率材料之间的折射率差值小于或等于0.2。本发明的多谷透射元件的基底上仅具有两层介质层，即可具有多个选择透射衰减带，其结构简单，适于大面积批量化地生产，从而使得多谷透射元件成本大大降低，可应用于更多的民用场合。

Description

一种多谷透射元件及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学滤波元件，尤其涉及一种多谷透射元件及其制备方法。

背景技术

多谷透射元件具有多个选择透射衰减带特性。精密多谷透射薄膜元件通过数十层交替的高低折射率薄膜堆叠实现多谷透射光谱，其需要复杂的膜厚精确控制、长时间的镀膜周期、高昂的生产成本，并且不适于制成柔性元件。现有的精密多谷透射薄膜元件只适用于高精密的仪器设备中，并不适用于如眼镜、电子产品贴膜、汽车玻璃等民用消费品。

多谷透射元件的用途广泛，最常见应用于蓝光防护、激光防护、防眩光或探测/传感等技术领域中。

可见光一般指太阳辐射光谱中380nm～760nm波谱段的辐射。在可见光之中，蓝光的波长比较短，接近紫外线，所以其影响和紫外线相似，属于穿透效应。

有害蓝光(420nm～450nm)大量存在于电脑显示器、荧光灯、手机、数码产品、显示屏、LED等光线中，该波长内的蓝光会使眼睛内的黄斑区毒素量增高，造成黄斑病变，而黄斑病变会影响中央视觉，导致眼睛出现盲点，并且目前尚未有医疗方法能治愈这一疾病。近年来防蓝光镜片大量涌向市场。一般的防蓝光镜片，是通过在短波长的蓝光区域去除部分能量的高能蓝光，从而减少其对人眼的伤害。

眩光是引起视觉疲劳的重要原因之一。眩光是指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。眩光可能会引起厌恶、不舒服甚或丧失明视度等症状。防眩光对于室外作业，室外活动、驾驶等场合有着广泛应用前景。引起眩光的波段为575nm～595nm，防止眩光需要降低该波段的光辐射。

目前，一般通过普通滤光片实现防蓝光或防眩光。但是，自然界本身没有单独的白光，互补色按一定比例混合可得到白光。若通过滤光片滤除一部分可见光后，透过滤光片的所呈现的影像往往互补色偏多，这对于图像本身视觉效果有着巨大的影响，导致色彩失真。例如，白色图案透过防蓝光镜片则会变成淡黄色或者黄色；蓝绿色图案透过防蓝光镜片则会变成绿色等等。

为了解决滤光片色彩失真的问题，需要滤除目标波段光的同时也滤除其相应互补色波段的光，这就需要通过多谷透射元件来实现。

例如，公开号为CN106772744A的中国专利文献公开了一种色平衡的防蓝光镜片，镜片本体正面沉积有具有两个选择透射衰减带特性的全介质多层膜堆，在镜片背面沉积可见光波段的宽波段减反射多层膜堆，全介质多层膜堆由交替设置的高折射率材料膜层和低折射率材料膜层组成，全介质多层膜堆的总层数为5～30层。

目前，上述精密多谷透射薄膜元件结构和制备方法并不适用于大面积大批量生产以及柔性基板生产，因此急需一种结构简单、制备方法且生产成本低廉的多谷透射元件。

发明内容

本发明提供了一种多谷透射元件及其制备方法，该多谷透射元件具有多个选择透射衰减带。

具体技术方案如下：

一种多谷透射元件，包括基底，所述基底上沉积有具有若干个选择透射衰减带特性的介质层；

所述的介质层由依次沉积在基底上的高折射率材料层和低折射率材料层两层薄膜组成；

基底与低折射率材料之间的折射率差值小于或等于0.2。

本发明的多谷透射元件与传统的多层介质滤光片不同，本发明的多谷透射元件只需两层高、低折射率薄膜即可具有若干个选择透射衰减带(若干个是指大于或等于2个)，光波透过本发明的透过多谷透射元件后，在若干个特定光波带均有衰减。

在本发明的多谷透射元件中，两介质膜层(即高折射率材料层和低折射率材料层)相对独立。基底的折射率与低折射率材料的折射率相近，利用低折射率材料与基底材料之间较小的折射率偏差，基于单层薄膜的干涉效应，可得到多谷透射/多峰反射光谱，峰谷位置随低折射率材料厚度和折射率的变化而变化。另外，可通过调节高折射率材料层的折射率和厚度来调节透射谷值的大小，高折射率材料与低折射率材料之间的折射率差值越大，谷值透过率越小，反之谷值透过率越大；随着高折射率材料层厚度的增加，谷值透过率逐渐减小，这是由于较厚的低折射率材料膜层与基底形成的等效导纳与基底导纳基本不变，而高折射率材料膜层与基底形成的等效导纳将大大偏离基底等效导纳，在高折射率材料膜层厚度为四分之一入射波长时达到最大偏离。

因此在以基底/高折射率材料结构的基础上沉积的低折射率材料将以新的等效导纳为圆心，描绘导纳变化轨迹，使得最终导纳明显偏离空气导纳，使得谷值透过率变化范围显著增加。该过程可由基底/低折射率材料结构以及基底/高折射率材料/低折射率材料结构的导纳轨迹图得到验证。

本发明中的高折射率和低折射率均是相对而言的，高折射率材料的折射率大于低折射率材料的折射率。一般而言，高折射率材料的折射率在2以上，低折射率材料的折射率在2以下。

所述的基底为玻璃或塑料；优选的，所述的基底为K9玻璃或PET塑料。

所述的低折射率材料为二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁和氟化钇中的一种；优选的，所述的低折射率材料为二氧化硅或氟化镁。

所述的高折射率材料为二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌或硅中的一种；优选的，所述的高折射率材料为硅、硫化锌或二氧化钛。

可通过调节所述的低折射率材料的厚度来调节透射光谱的波谷的中心波长，在实际应用中，可根据目标光及其互补色光的中心波长来设计低折射率材料层的厚度。优选的，所述的低折射率材料层的厚度为50～1000nm；进一步优选的，所述的低折射率材料层的厚度为400～800nm。

可通过调节高折射率材料的厚度控制不同的谷值透过率，在实际应用中，可根据实际需要确定波谷的透过率，从而来设计优化高折射率层的厚度。随着高折射率材料膜层厚度的增加，谷值透过率逐渐减小，但是当厚度达到入射光波长的四分之一时，透过率随厚度的变化较小。优选的，所述的高折射率材料层的厚度为5～200nm；进一步优选的，所述的高折射率材料层的厚度为5～100nm。

本发明的多谷透射元件可在蓝光防护、激光防护、防眩光、探测/传感等领域进行广泛应用。

作为优选的组合：所述的基底为K9玻璃；所述的低折射率材料为二氧化硅或氟化镁，低折射率材料层的厚度为610～650nm；所述的高折射率材料为二氧化钛、硅或硫化锌，高折射率材料层的厚度为5～40nm。

进一步优选的组合为：所述的基底为K9玻璃；所述的低折射率材料为二氧化硅，低折射率材料层的厚度为615nm；所述的高折射率材料为二氧化钛，高折射率材料层的厚度为20nm。

另一进一步优选组合为：所述的基底为K9玻璃；所述的低折射率材料为二氧化硅，低折射率材料层的厚度为620nm；所述的高折射率材料为硅，高折射率材料层的厚度为6nm。

另一进一步优选组合为：所述的基底为K9玻璃；所述的低折射率材料为氟化镁，低折射率材料层的厚度为640nm；所述的高折射率材料为硫化锌，高折射率材料层的厚度为30nm。

上述优选组合的多谷透射元件分别在有害蓝光波段(420nm～450nm)及其互补色光波段(565nm～595nm)均具有衰减带，在该两波段处的透过率较低，可有效滤除有害蓝光及其互补色光，可实现有害蓝光的有效阻隔以及色彩的高保真。

另一种优选组合为：所述的基底为K9玻璃；所述的低折射率材料为二氧化硅，低折射率材料层的厚度为750～800nm；所述的高折射率材料为二氧化钛，高折射率材料层的厚度为65～75nm。

进一步优选的，所述的基底为K9玻璃；所述的低折射率材料为二氧化硅，低折射率材料层的厚度为790nm；所述的高折射率材料为二氧化钛，高折射率材料层的厚度为70nm。

上述优选组合的多谷透射元件分别在引起眩光的波段(575nm～595nm)及其互补色光波段(455nm～480nm)均具有衰减带，在该两波段处的透过率较低，可有效滤除眩光及其互补色光，可实现眩光的有效阻隔以及色彩的高保真。

本发明还提供了一种多谷透射元件的制备方法，包括以下步骤：

(1)设定目标滤除光波段的中心波长、透过率目标；

(2)选定基底材料、低折射率材料和高折射率材料；

根据所述的中心波长和透过率目标，通过上述原理以及软件仿真得到低折射率材料层及高折射率材料层的厚度；

(3)将基底清洗后置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在基底一侧表面依次沉积仿真所得的特定厚度的高折射率材料层和低折射率材料层，即得。

可采用成熟的物理气相沉积方式(如电子束蒸发、磁控溅射等)进行镀膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的多谷透射元件巧妙利用了低折射率材料与基底折射率之间的较小差值获得可调的中心波长位置，利用了高折射率材料对基底导纳的调制从而获得可调的等效导纳，仅需在基底的一侧表面沉积两层常用的高、低折射率材料，即可获得具有多个选择透射衰减带特性的透射元件，成功地避免了数十层复杂的多层介质精密薄膜沉积方式，适于大面积批量化地在连续生产线以及卷对卷生产线上生产，从而使得多谷透射元件成本大大降低，可应用于更多的民用场合。

附图说明

图1为本发明的多谷透射元件的结构示意图，其中：1为基底，2为高折射率材料层，3为低折射率材料层；

图2为本发明的多谷透射元件的作用原理图，其中(a)为空白基板的透射光谱图，(b)为基底/低折射率材料层结构的透射光谱图，(c)为基底/高折射率材料层/低折射率材料层结构(多谷透射元件)的透射光谱图；

图3为实施例1的多谷透射元件的透射光谱图；

图4为实施例2的多谷透射元件的透射光谱图；

图5为实施例3的多谷透射元件的透射光谱图；

图6为实施例4的多谷透射元件的透射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，本发明的多谷透射元件包括基底以及依次设置在基底上的高折射率材料层和低折射率材料层。其中，在工作波段内，低折射率材料层的折射率和基底的折射率之间的差值相差不大，需控制在0.2以内，通过调节低折射率材料层的厚度，可以得到对应中心波长的微扰透过谱线；通过调节高折射率材料层的厚度，可以得到对应谷值透过率的多谷透射谱线。

可通过基底、高折射率材料和低折射率材料的选择以及各层的厚度设计，获得多谷透射元件，该元件的透射波谱具有至少两个波谷。该透射元件仅有两层介质层，结构简单，生产成本低廉，该透射元件有望在蓝光防护、激光防护、防眩光、探测/传感等领域得到广泛应用。

多谷透射元件的作用原理如图2所示，空白基底K9玻璃的透射光谱如(a)所示，其透过线几乎是平坦的直线，没有规律的峰谷变化。在空白基板K9玻璃上沉积一层(厚度为400nm/600nm/800nm)低折射率材料二氧化硅后，基板/低折射率材料结构的透射光谱如(b)所示，可以看到，此时结构的透过率曲线在空白基板透过率曲线附近波动(波动小于4％)，呈规律的峰谷变化，多谷透射元件的多谷中心波长随着低折射率材料膜层厚度发生变化。如果在基板和低折射率材料膜层(600nm)之间插入一层薄薄的(10nm/30nm/50nm)高折射率材料二氧化钛，基板/高折射率材料/低折射率材料结构的透射光谱如(c)所示，此时结构的透过率曲线相较于(b)中基板/低折射率材料结构的透过率曲线有明显的幅值变化，透射谷值随着高折射率材料膜层厚度发生变化，从而得到透过率可调的多谷透射元件。

本发明的多谷透射元件的制备方法包括以下步骤：

(1)设定目标滤除波段的中心波长、透过率目标(可以根据需求者的定制参数确定，也可根据大量实验确定)，可根据目标滤除波段的中心波长，选定基底材料和低折射率材料，并设定低折射率材料层的厚度；根据透过率目标，选定高折射率材料并设定高折射率材料层的厚度；

通过软件仿真得到基底材料、高折射率材料、低折射率材料及其厚度等参数；

(2)将基底置于连续镀膜生产线上；分别通过真空沉积高折射率材料层、低折射率材料层，从而获得多谷透射元件。

实施例1

目标光谱为：420nm～450nm波段(有害蓝光波段)透过率≤80％；565nm～595nm波段(有害蓝光的互补色黄色波段)透过率≤85％；460nm～555nm波段(剩余蓝光和绿光波段)透过率≥90％；605nm～700nm波段(红光波段)透过率≥90％，整体透射光谱的色坐标位于(0.333±0.008，0.333±0.008)范围内。

基底为K9玻璃，高折射率材料为二氧化钛(厚度为20nm)，低折射率材料为二氧化硅(厚度为615nm)。

从图3可以看出，本实施例的多谷透射元件在可见光波段内具有双谷透射光谱，双谷分别在有害蓝光波段(420nm～450nm)以及其色彩补偿波段(565nm～595nm)，420nm～450nm波段的透过率为76％，565nm～595nm波段的透过率为83％，该透射元件可有效滤除有害蓝光，保留用于显示的其余蓝光，并保持色彩不失真，可在蓝光防护领域广泛应用。

实施例2

基底为K9玻璃，高折射率材料为二氧化钛(厚度为70nm)，低折射率材料为二氧化硅(厚度为790nm)。

从图4可以看出，本实施例的多谷透射元件在可见光波段内具有双谷透射光谱，双谷分别在引起眩光的波段(575nm～595nm)以及其色彩补偿波段(455nm～480nm)，575nm～595nm波段的透过率为70％，455nm～480nm波段的透过率为73％，从而实现了眩光的有效阻隔以及色彩的高保真。

实施例3

基底为K9玻璃，高折射率材料为硫化锌(厚度为30nm)，低折射率材料为氟化镁(厚度为640nm)。

从图5可以看出，本实施例的多谷透射元件在可见光波段内具有双谷透射光谱，双谷分别在有害蓝光波段(420nm～450nm)以及其色彩补偿波段(565nm～595nm)，420nm～450nm波段的透过率为66％，565nm～595nm波段的透过率为76％。

该透射元件可有效滤除有害蓝光，保留用于显示的其余蓝光，并保持色彩不失真，可在蓝光防护领域广泛应用。

实施例4

基底为K9玻璃，高折射率材料为硅(厚度为6nm)，低折射率材料为二氧化硅(厚度为620nm)。

从图6可以看出，本实施例的多谷透射元件在可见光波段内具有双谷透射光谱，双谷分别在有害蓝光波段(420nm～450nm)以及其色彩补偿波段(565nm～595nm)，420nm～450nm波段的透过率为55％，565nm～595nm波段的透过率为77％。

该透射元件可有效滤除有害蓝光，保留用于显示的其余蓝光，并保持色彩不失真，可在蓝光防护领域广泛应用。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多谷透射元件，其特征在于，包括基底，所述基底上沉积有具有若干个选择透射衰减带特性的介质层；

所述的介质层由依次沉积在基底上的高折射率材料层和低折射率材料层两层薄膜组成；所述的基底为玻璃或塑料；所述的低折射率材料为二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁和氟化钇中的一种；

基底与低折射率材料之间的折射率差值小于或等于0.2。

2.根据权利要求1所述的多谷透射元件，其特征在于，所述的低折射率材料层的厚度为50~1000nm。

3.根据权利要求1所述的多谷透射元件，其特征在于，所述的高折射率材料为二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌或硅中的一种。

4.根据权利要求3所述的多谷透射元件，其特征在于，所述的高折射率材料层的厚度为5~200nm。

5.根据权利要求1所述的多谷透射元件，其特征在于，所述的基底为K9玻璃；所述的低折射率材料为二氧化硅或氟化镁，低折射率材料层的厚度为610~650nm；所述的高折射率材料为二氧化钛、硅或硫化锌，高折射率材料层的厚度为5~40nm。

6.根据权利要求1所述的多谷透射元件，其特征在于，所述的基底为K9玻璃；所述的低折射率材料为二氧化硅，低折射率材料层的厚度为750~800nm；所述的高折射率材料为二氧化钛，高折射率材料层的厚度为65~75nm。

7.一种根据权利要求1~6任一项所述的多谷透射元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）设定目标滤除光波段的中心波长、透过率目标；

（2）选定基底材料、低折射率材料和高折射率材料；

根据所述的中心波长和透过率目标，通过软件仿真得到低折射率材料层及高折射率材料层的厚度；

（3）将基底清洗后置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在基底一侧表面依次沉积仿真所得的特定厚度的高折射率材料层和低折射率材料层，即得。

8.根据权利要求7所述的多谷透射元件的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，采用电子束蒸发或磁控溅射进行镀膜。

Images