CN110068879B - 一种抗静电的宽带高透射减反射膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗静电的宽带高透射减反射膜,包括基底以及设置在所述基底上的多层膜;所述的多层膜包括一层透明导电膜以及高折射率电介质膜、中间折射率电介质膜、次低折射率电介质膜和低折射率电介质膜,或者,所述的多层膜包括一层透明导电膜以及高折射率电介质膜、中间折射率电介质膜和低折射率电介质膜;所述的透明导电膜为半导体薄膜,为氧化铟膜、氧化锡膜,氧化锌膜或铟锡氧化物膜等。这种可见区的减反射膜不仅具有很好的抗静电功能,而且具有很高的透射率,在投影显示等光学、光电仪器中具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及抗静电的宽带高透射减反射膜的技术领域,具体涉及一种抗静电的宽带高透射减反射膜。
背景技术
对基底折射率为1.4~1.9的光学玻璃或光学塑料来说,每个表面的反射损失约为3%~10%,这种表面反射损失造成两个严重的后果:一是光能损失,使像的亮度降低;二是表面反射光经光学系统多次反射成为杂散光,使像的对比度降低。正因为这样,在诸如投影显示之类的各种复杂光学系统中,几乎每个光学器件都离不开减反射膜,而且对其高透射性能的要求也近乎苛刻。
遗憾的是,各种光学系统中总是存在着静电积聚和静电放电现象,特别是光学玻璃或光学塑料基底,乃至各种电介质的薄膜材料都是静电易聚材料,这种日常无法觉察的静电积聚和静电放电也会造成两个严重的后果:一是静电不断吸引空气中的灰尘使其沉积在光学器件表面,导致透射率下降。在投影显示系统中,光源及光源驱动电路产生的大量热量会对偏振片和图像芯片等器件造成巨大的威胁,因此必须通过风道风冷或半导体致冷降温,这意味着投影系统光机内的空气热对流和热扰动是非常剧烈的,这大大增加了灰尘沉积的速率。二是轻微的静电放电可能造成图像芯片等之类的光电器件损伤,特别是随着芯片的集成度越来越高,体积越来越小,耐受静电放电的能力越来越差。这种静电放电虽然在极大多数情况下是不会完全损坏光电器件的,但却会使其性能加速退化。由此可见,对光学系统中广泛使用的减反射膜引入抗静电功能的薄膜已日显其必要性。
本发明试图将“抗静电”和“减反射”两种功能薄膜的设计有机地结合在一起,同时解决抗静电和宽带高透射两个核心问题。
发明内容
本发明的目的是提供了一种抗静电的宽带高透射减反射膜,通过在减反射膜中设置一层透明导电膜,在透明导电膜基本不影响减反射膜高透射性能的前提下,增加减反射膜的导电性,减少静电积聚,从而达到抗静电之目的。
本发明的构思如下:第一,本发明认定,无论是静电积聚还是静电放电,都是因为光学器件缺乏导电性所致。光学器件的基底通常为光学玻璃或光学塑料,器件表面的薄膜通常为电介质材料或有机材料,所有这些基底材料和薄膜材料都是很好的绝缘体,所以光学器件表面形成静电积聚是自然的、可以理解的。第二,本发明认为,使光学器件具有导电性是抗静电最有效的方法,欲使光学器件产生导电性,目前可以选用二类材料:第一类是金属膜,但金属膜吸收大,例如,铝膜在可见光区的平均吸收率为8.6%,而可见光区吸收最小的银膜,其平均吸收率也可接近3%,更为甚者,金属膜的反射率都很高,显然金属膜不能用于高透射的减反射膜之中;第二类是半导体膜,半导体膜的吸收虽然比电介质薄膜大,但比金属膜会小许多,所以半导体膜作为透明导电膜既是唯一的选择,也是合适的。第三,可供选择的半导体薄膜包括氧化铟(In2O3)膜、氧化锡(SnO2)膜,氧化锌(ZnO)膜或铟锡氧化物(In2O3·SnO2)膜等,对这些薄膜研究表明,从导电性、低吸收和高透射性、稳定性和易制造性等考虑,铟锡氧化物膜或许是最合适的。表1给出了本发明的铟锡氧化物膜的光学常数值,该铟锡氧化物膜的掺杂比(质量比)为氧化锡∶氧化铟=9∶91,这种薄膜有时称其为掺锡氧化铟膜,或简称ITO膜(Indium Tin Oxide的缩写)。第四,掺锡氧化铟膜之所以能提高导电性,是因为氧化铟(In2O3)的禁带宽度约为4eV,本征激发导电比较困难,若在In2O3中掺入少量氧化锡(SnO2)后,杂质Sn4+在In2O3禁带中形成新的杂质能带,此杂质能带就像一个激发粒子的梯子,可以使价带电子通过杂质能带而比较方便地跃迁到导带,从而增加了In2O3中的自由载流子浓度和电子迁移率,使导电性显著增加。第五,半导体薄膜不同于完全透明的、无吸收的电介质薄膜,半导体膜的导电性总是或多或少地伴随着材料的吸收(参见表1的消光系数),所以在获得导电性的同时,如何减少半导体膜的吸收而使减反射膜获得最高透射率是一个新的难题。本发明经过摸索,现在已经基本清楚,解决这个难题的办法主要包括控制半导体膜的厚度,优选半导体膜在减反射膜中的位置,优化膜系导纳与基底和空气匹配程度,以及基底温度、蒸发速率、氧含量及氧离化度等制备参数。本发明暂且不考虑制备参数的问题,而只考虑半导体膜的厚度、半导体膜在减反射膜中的位置、以及导纳匹配程度。第六,为尽可能地减少掺锡氧化铟膜的吸收,增加减反射膜的透射率,本发明限制掺锡氧化铟膜的膜厚为8~20nm,即不超过20nm。第七,为进一步减少掺锡氧化铟膜的吸收,并兼顾掺锡氧化铟膜制备的方便性,本发明尝试把掺锡氧化铟膜设置在不同的膜系位置上,以寻求低电场强度或低吸收率的位置,特别是对基底开始的第2层膜和靠空气侧的倒数第2层膜(若从基底开始排列的总层数k层膜,则倒数第2层即为第k-1层膜)的两个位置作了重点考虑。现在已经知道,靠空气侧的倒数第2层膜的位置上可以获得较薄的导电膜厚度及较低的吸收损耗。第八,为实现更完善的导纳匹配,减反射膜选择高折射率、中间折射率、次低折射率和低折射率等四种电介质薄膜材料,以增加设计参数,提高匹配的灵活性。
表1
序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
波长/nm | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | 1100 | 1200 | 1300 | 1400 | 1500 |
折射率n(λ) | 2.27 | 2.03 | 1.89 | 1.83 | 1.76 | 1.67 | 1.55 | 1.41 | 1.23 | 1.05 | 0.81 | 0.46 | 0.31 |
消光系数k(λ) | 0.12 | 0.004 | 0.002 | 0.002 | 0.004 | 0.007 | 0.01 | 0.03 | 0.05 | 0.08 | 0.11 | 0.15 | 0.27 |
具体地说,本发明所采取的技术方案是:
一种抗静电的宽带高透射减反射膜,包括基底以及设置在所述基底上的多层膜(所述的多层膜为必含一层透明导电膜的减反射膜);
所述的多层膜包括一层透明导电膜以及高折射率电介质膜、中间折射率电介质膜、次低折射率电介质膜和低折射率电介质膜,或者,所述的多层膜包括一层透明导电膜以及高折射率电介质膜、中间折射率电介质膜和低折射率电介质膜;
所述的透明导电膜为半导体薄膜,为氧化铟膜、氧化锡膜,氧化锌膜或铟锡氧化物膜等。
所述的高折射率电介质膜为五氧化二铌膜或二氧化钛膜。
所述的中间折射率电介质膜为三氧化二铝膜。
所述的次低折射率电介质膜为二氧化硅膜。
所述的低折射率电介质膜为氟化镁膜。
所述的基底为光学玻璃或光学塑料。进一步地,基底为折射率1.4至1.9的光学玻璃或光学塑料。
优选地,所述的高折射率电介质膜为二氧化钛膜。
优选地,所述的透明导电膜(即半导体薄膜)为铟锡氧化物膜。
优选地,所述的多层膜的膜层总数为12~20层。
优选地,所述的铟锡氧化物膜的掺杂质量比为氧化锡∶氧化铟=9∶91。
优选地,所述的铟锡氧化物膜的厚度为8~20nm,可以尽可能地减少掺锡氧化铟膜的吸收,并同时增加减反射膜的透射率,本发明限制掺锡氧化铟膜的膜厚为8~20nm。
优选地,所述的铟锡氧化物膜被设置在靠空气侧的第2层膜位置上,或者说,所述的多层膜为k层,所述的铟锡氧化物膜位于从所述基底开始排列的第k-1层位置上。k优选为12~20。所述的多层膜一侧与基底连接,另一侧与空气连接。
进一步优选地,所述的多层膜的膜层总数为17层,所述的多层膜的总膜厚为1046.2nm,从所述基底开始,第1层至第17层依次为:第1层为三氧化二铝膜,第2层为二氧化钛膜,第3层为三氧化二铝膜,第4层为二氧化钛膜,第5层为三氧化二铝膜,第6层为二氧化钛膜,第7层为三氧化二铝膜,第8层为二氧化钛膜,第9层为三氧化二铝膜,第10层为二氧化钛膜,第11层为二氧化硅膜,第12层为三氧化二铝膜,第13层为二氧化钛膜,第14层为三氧化二铝膜,第15层为二氧化钛膜,第16层为铟锡氧化物膜,第17层为氟化镁膜,铟锡氧化物膜的厚度为9nm。该减反射膜特性非常优越,在具备导电功能的同时,仍能在波长400~700nm范围内获得大于99.9%的高透射率。
所述的多层膜的高透射带为400~700nm,或410~690nm,或420~680nm。
更进一步地,所述的多层减反射膜不仅具有很好的抗静电功能(即很好的防尘功能以及防静电放电对电子芯片造成损伤),而且具有很高的宽带透射率,在诸如投影显示等光学、光电仪器中具有重要的应用价值,特别适合用于投影显示系统。一种宽带高透射减反射膜的抗静电技术,从而尽可能地防止投影显示光学系统中光学器件表面的灰尘沉积,防止静电放电对显示图像芯片造成的损伤。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
减反射膜虽是应用最广泛的光学薄膜系统,但现有技术从未发现抗静电的减反射膜系统。由于现有技术未能使用抗静电的减反射膜,因此光学器件极易吸附灰尘和污染,特别是象投影显示系统中空气流动和扰动非常剧烈的情况下更是如此,从而既降低光学图像的亮度,又影响光学图像的对比度和分辨率。此外,投影显示系统釆用的图像显示芯片是很娇嫩的,特别是近年来应用日益增多的4K像素芯片更是如此。静电放电多数情况下虽然并非使芯片产生突发性损伤而使器件完全丧失显示功能,但静电放电却会产生潜在的损伤,使显示信息逐渐变得不稳定,图像性能快速退化。既然如此,那末,现有技术为什么一直没有采用抗静电的减反射膜呢?主要原因或许正是因为“抗静电”和“减反射”两种功能是相互矛盾的缘故:“减反射”要求达到尽可能低的反射,因为减反射的电介质薄膜吸收可以忽略不计,因此尽可能低的反射意味着可获得尽可能高的透射;而“抗静电”必定伴随着吸收,降低透射率,那怕釆用吸收最小的半导体膜,要保证有效的导电性能,如方电阻小于100欧姆/平方厘米,吸收大致上都会大于5%,这在减反射膜中是绝对不允许的。本发明通过控制掺锡氧化铟半导体膜的厚度、优选半导体膜在减反射膜中的位置、以及优化导纳匹配等措施,既使减反射膜在400nm~700nm波长区内的反射损失达到0.03%以下,又使导电半导体膜的吸收减少到小于0.06%以下,于是终能确保减反射膜在400nm~700nm波长区内的透射率达到99.9%以上。这一突破性进展使得抗静电的宽带高透射减反射膜得以实现的可能。这种抗静电的宽带高透射减反射膜适用性强,既可满足各种折射率的光学玻璃基底和光学塑料基底抗静电、防灰尘的需求,又可用于诸如图像芯片之类的光电器件窗口,防止因静电放电引起的器件性能快速退化、甚至损伤。
附图说明
图1表示ITO半导体膜被设置在第k-1层位置上的减反射膜结构示意图;
图2表示ITO半导体膜被设置在第二层位置上的减反射膜结构示意图;
图3是本发明K9玻璃基底在波长400~700nm得到的17层减反射膜系的反射分光曲线和透射分光曲线,其中,(a)反射分光曲线,(b)透射分光曲线。
图4是图3所示的17层减反射膜每层膜的膜厚和折射率的对应关系图。
图5是本发明K9玻璃基底在波长410~690nm得到的16层减反射膜系的反射分光曲线和透射分光曲线,其中,(a)反射分光曲线,(b)透射分光曲线。
图6是图5所示的16层减反射膜每层膜的膜厚和折射率的对应关系图。
图7是本发明K9玻璃基底在波长420~680nm得到的14层减反射膜系的反射分光曲线和透射分光曲线,其中,(a)反射分光曲线,(b)透射分光曲线。
图8是图7所示的14层减反射膜每层膜的膜厚和折射率的对应关系图。
图9是本发明SF57玻璃基底在波长410~690nm得到的18层减反射膜系的反射分光曲线和透射分光曲线,其中,(a)反射分光曲线,(b)透射分光曲线。
图10是图9所示的18层减反射膜每层膜的膜厚和折射率的对应关系图。
图11是掺锡氧化铟(ITO)半导体膜的光学常数图。
具体实施方式
现有技术的多层减反射膜未曾见到采用半导体薄膜来防止静电积聚和静电放电的问题,这就是光学器件极易吸附灰尘的重要原因之一。光学器件使用时间越长,积聚的灰尘越多,从而既降低光学图像的亮度,又影响光学图像的对比度和分辨率。另一方面,静电积聚还会引起放电现象,导致光电器件产生潜在的损伤,使信息显示逐渐变得不稳定。由此可见,具有抗静电功能的减反射膜使用已日趋迫切,“抗静电”和“减反射”两种功能之间的矛盾急待解决。
现有技术的减反射膜全由消光系数小于10-5的电介质薄膜组成,因此吸收相对于反射损失可以忽略不计,只要达到尽可能低的反射,就可获得尽可能高的透射。遗憾的是,迄今还没有一种既能导电又没吸收的材料,要“抗静电”必定伴随着吸收,因此为获得尽可能高的透射,既要尽可能地降低反射,又要尽可能地降低吸收。不幸的是,那怕选用吸收最小的半导体膜,通常吸收损失也会远远大于反射损失。图11列出本发明的掺锡氧化铟(ITO)半导体膜的光学常数,其具体数据列于表1,从表1可见,在可见光区,掺锡氧化铟(ITO)半导体膜的消光系数k最低值为2×10-3。根据表1的光学常数值,计算各种抗静电减反射膜的带内平均透射、带内平均反射和带内平均吸收列于表2。从表2可以看出:1).对投影显示系统中通常要求的三种减反射带宽指标,带宽要求越宽,一般而言要求的减反射膜层数越多,带内平均反射率也越高;反之亦然。2).带内平均透射=1-(带内平均反射+带内平均吸收),所以只有当反射和吸收都取得最小值时,才能获得最高透射率。实际设计发现,当引入抗静电的半导体薄膜后,减反射膜的吸收总是远远大于残余反射,或者说,设计最小吸收远比设计最小反射困难得多。最小反射主要取决于导纳匹配程度,而最小吸收主要取决于ITO膜的位置或ITO膜厚。3).ITO膜厚对吸收是极其敏感的,而且ITO膜的最小吸收只有在其位置k-1时才能得到(如表2序1、2和3),因为只有在位置k-1时才能获得足够薄的ITO膜厚,其他位置上(如表2序4、5和6)的ITO膜厚无论怎样优化都会比k-1位置上的厚,所以ITO膜的吸收实际上取决于ITO膜厚,ITO膜厚越薄,吸收越小。但ITO膜厚也不能无限制地薄,因为ITO膜只有当厚度大于8nm时才会变成连续膜,只有连续膜,才会有较好的导电性,一般而言,厚度小于8nm的ITO膜还是一种非连续的島状结构,此时方电阻明显增大,故本发明把ITO膜的厚度限制在8~20nm之间。
表2
图1表示ITO半导体膜被设置在第k-1层位置上的减反射膜结构示意图,图2表示ITO半导体膜被设置在第二层位置上的减反射膜结构示意图。考虑到薄膜吸收与电场强度相关,而电场强度在不同的膜层上是不相等的,为进一步减少ITO膜的吸收,并兼顾ITO膜制备的方便性,本发明尝试把ITO膜设置在不同的膜系位置上,特别是对基底开始的第2层膜(如表2序4、5和6)和靠空气侧的倒数第2层膜(即基底开始的第k-1层位置上,如表2序1、2和3)的两个位置作了重点考虑。如图2所示,若从基底开始排列的总层数为k层的减反射膜,则倒数第2层实际上为第k-1层的位置。现在已经知道,第k-1层的位置上可以获得足够薄的导电膜厚度及足够低的吸收损耗,故在k-1层的位置上设置ITO膜可以作为最佳的选择。此外,图2中未示出SiO2膜的位置,因为SiO2膜基本上都位于减反射膜系的中央,而且都仅为一层膜,如下面的图4、图6和图8所示,一般而言,这一层SiO2膜不能省略或用其它材料替代,因为它同时具有色散补偿和导纳匹配两重作用,对减反射特性的影响较大。
实施例一
作为实施例一,图3给出本发明K9玻璃基底在波长400~700nm得到的17层减反射膜系的反射分光曲线和透射分光曲线,其中,(a)反射分光曲线,(b)透射分光曲线。从图3(a)的反射分光曲线可以得到:在波长400~700nm范围内,该17层减反射膜的平均反射率为0.0256%;而从图3(b)的透射分光曲线可以得到:在波长400~700nm范围内的平均透射率为99.9157%;因此,根据带内平均吸收=100%-(带内平均反射+带内平均透射)=0.0587%。该减反射膜特性非常优越,在具备导电功能的同时,仍能在波长400~700nm范围内获得大于99.9%的高透射率。图4是图3所示的17层减反射膜每层膜的膜厚和折射率的对应关系图,图4中的纵坐标表示基底和各膜层的折射率,横坐标表示膜厚,该减反射膜的总膜厚为1046.2nm,所以对应各膜层的折射率和厚度均可从图中获得。从图4可以看出:1).ITO导电膜位在第16层,即k-1的位置上,其厚度为9nm。2).在k=17的位置上是MgF2,因为MgF2的折射率最低,且为1.38,配置在空气侧最外层与空气的折射率1.0差值最小,因此可以获得最低反射。3).SiO2膜位在第11层,因为它同时具有色散补偿和导纳匹配双重作用,故一般不能省略或用其它材料替代。
实施例二
作为实施例二,图5给出本发明K9玻璃基底在波长410~690nm得到的16层减反射膜系的反射分光曲线和透射分光曲线,其中,(a)反射分光曲线,(b)透射分光曲线。从图5(a)的反射分光曲线可以得到:在波长410~690nm范围内,该16层减反射膜的平均反射率为0.0166%;而从图5(b)的透射分光曲线可以得到:在波长410~690nm范围内的平均透射率为99.861%;因此得到带内平均吸收为0.1224%。该减反射膜的特性总体不及实施例一,虽导电功能会稍优于实施例一,但在波长410~690nm范围内的透射率仅为99.86%,原因是因为ITO导电膜的膜厚从实施例一的9nm上升到本实施例二的19.8nm的缘故。图6是图5所示的16层减反射膜每层膜的膜厚和折射率的对应关系图,图6所示减反射膜的总膜厚为1223nm。从图6可以看出:1).ITO导电膜位在第15层,即k-1的位置上,其厚度为19.8nm。2).在k=16的位置上当然也是MgF2。3).SiO2膜位在第13层,它同样具有色散补偿和导纳匹配双重作用。
实施例三
作为实施例三,图7给出本发明K9玻璃基底在波长420~680nm得到的14层减反射膜系的反射分光曲线和透射分光曲线,其中,(a)反射分光曲线,(b)透射分光曲线。从图7(a)的反射分光曲线可以得到:在波长420~680nm范围内,该14层减反射膜的平均反射率为0.0107%;而从图7(b)的透射分光曲线可以得到:在波长420~680nm范围内的平均透射率为99.9073%;因此得到带内平均吸收为0.082%。该减反射膜的特性虽不及实施例一,但却优于实施例二,主要是因为该实施例三ITO导电膜的膜厚13.5nm比实施例一的9nm厚,而比实施例二的19.8nm薄。图8是图7所示的14层减反射膜每层膜的膜厚和折射率的对应关系图,图8所示减反射膜的总膜厚为985.4nm。从图8可以看出:1).ITO导电膜位在第13层,即k-1的位置上,其厚度为13.5nm。2).在k=14的位置上是MgF2。3).SiO2膜位在第11层,它同样具有色散补偿和导纳匹配双重作用。
实施例四
以上实施例一、二、三都是针对应用最广的K9玻璃基底的,K9玻璃的折射率在波长550nm约为1.52,是低折射率玻璃的典型代表。作为实施例四,下面再简单提及应用较广的高折射率玻璃SF57基底,SF57玻璃的折射率在波长550nm约为1.855,是高折射率玻璃的代表。图9给出本发明SF57玻璃基底在波长410~690nm得到的18层减反射膜系的反射分光曲线和透射分光曲线,其中,(a)反射分光曲线,(b)透射分光曲线。从图9(a)的反射分光曲线可以得到:在波长410~690nm范围内,该18层减反射膜的平均反射率为0.0162%;而从图9(b)的透射分光曲线可以得到:在波长410~690nm范围内的平均透射率为99.9273%;因此得到带内平均吸收为0.0565%。该减反射膜的特性甚至优于实施例一,该实施例四ITO导电膜的膜厚同实施例一相同,亦为9nm。图10是图9所示的18层减反射膜每层膜的膜厚和折射率的对应关系图,图10所示减反射膜的总膜厚为1264.6nm。从图10可以看出:1).ITO导电膜位在第17层,即k-1的位置上,其厚度为9nm。2).除在k=18的位置上必是MgF2外,膜系中还有5层亦是MgF2膜,但没有SiO2膜,这是高折射率基底的缘故。
本发明的减反射膜不仅具有很好的抗静电功能,而且具有很高的透射率,在投影显示等光学、光电仪器中具有重要的应用价值。
Claims (1)
1.一种抗静电的宽带高透射减反射膜,包括基底以及设置在所述基底上的多层膜;其特征在于,所述的多层膜包括一层透明导电膜以及高折射率电介质膜、中间折射率电介质膜、次低折射率电介质膜和低折射率电介质膜;
所述的透明导电膜为铟锡氧化物膜;
所述的基底为折射率1.4至1.9的光学玻璃或光学塑料;
所述的高折射率电介质膜为二氧化钛膜;
所述的中间折射率电介质膜为三氧化二铝膜;
所述的次低折射率电介质膜为二氧化硅膜;
所述的低折射率电介质膜为氟化镁膜;
所述的多层膜的膜层总数为17层,所述的多层膜的总膜厚为1046.2nm,从所述基底开始,第1层至第17层依次为:第1层为三氧化二铝膜,第2层为二氧化钛膜,第3层为三氧化二铝膜,第4层为二氧化钛膜,第5层为三氧化二铝膜,第6层为二氧化钛膜,第7层为三氧化二铝膜,第8层为二氧化钛膜,第9层为三氧化二铝膜,第10层为二氧化钛膜,第11层为二氧化硅膜,第12层为三氧化二铝膜,第13层为二氧化钛膜,第14层为三氧化二铝膜,第15层为二氧化钛膜,第16层为铟锡氧化物膜,第17层为氟化镁膜,铟锡氧化物膜的厚度为9nm;
所述的铟锡氧化物膜的掺杂质量比为氧化锡∶氧化铟=9∶91。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910412625.1A CN110068879B (zh) | 2019-05-17 | 2019-05-17 | 一种抗静电的宽带高透射减反射膜 |
Applications Claiming Priority (1)
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