CN110691995A - 光学元件以及光学薄膜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种同时具有亲水性和防反射功能的光学薄膜。在作为光学薄膜的多层膜(102)中，最上层的膜是作为多孔膜的亲水性膜(111)。最上层的下一层的膜是作为致密膜的底膜(122)。亲水性膜(111)的气孔率为2％以上20％以下，亲水性膜(111)的物理膜厚为0.5nm以上20nm以下。底膜(122)的气孔率不足2％。

Description

光学元件以及光学薄膜
技术领域
本发明大体上涉及一种光学薄膜。
背景技术
作为光学元件的一例，有搭载于诸如静态照相机或视频照相机之类的照相机上的光学透镜(例如玻璃透镜)。众所周知，当在透镜表面附着有水滴(例如，雾)的状态下进行拍摄时，拍摄图像的品质会劣化。
作为解决这种问题的对策，可考虑专利文献1中所公开的在照相机用的透镜上形成亲水性的膜这样的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-224113号公报
发明内容
(发明要解决的技术问题)
一般情况下，在照相机用的透镜上形成有防反射膜，以提高透过率从而提高拍摄图像的品质。因此，专利文献1中公开的在照相机用的透镜上形成亲水性膜的技术即为在光学透镜的防反射膜上形成这种亲水性膜。
但是，如果只是简单地在防反射膜上形成亲水性膜的话，则有可能不能得到足够的亲水性，或者防反射膜的折射率由于吸湿而发生变化从而损害防反射功能(例如反射率特性下降)。如果防反射功能受损的话，则拍摄图像的品质会劣化，具体而言，在拍摄图像上产生伪影以及色彩浓淡不均中的至少一种。拍摄图像的品质劣化会给图像处理带来不良影响。特别是对于车载相机和监控相机进行的遥感处理和识别处理(典型示例为识别人或者物体的处理)这样的高度的图像处理来说是非常严重的问题。
这种问题对于光学透镜以外的光学元件上的光学薄膜来说也是可能存在的。
另外，专利文献1中公开的光学薄膜为多层膜，最上层的膜为表面具有凹凸的亲水性的膜，最上层的下一层的膜为呈现光催化反应的膜。根据本申请发明人们的考察，这样的多层膜无法获得期望的亲水性。
本发明的一个实施方案的目的在于提供一种同时具有亲水性和防反射功能的光学薄膜。
(用于解决技术问题的手段)
本发明的一个实施方案所涉及的光学薄膜为多层膜。在多层膜中，最上层的膜是作为多孔膜的亲水性膜。最上层的下一层的膜是作为致密膜的底膜。
亲水性膜的气孔率为2％以上20％以下，亲水性膜的物理膜厚为0.5nm以上20nm以下。底膜的气孔率不足2％。
(发明的效果)
根据本发明的一个实施方案，能够提供同时具有亲水性和防反射功能的光学薄膜。
附图说明
图1示出本发明的实施方案所涉及的光学透镜的构成的概念。
图2为说明亲水性膜以及底膜的功能的示意图。
图3示出本发明的实施方案所涉及的多层膜的构成。
图4示出本发明的实施方案所涉及的光学薄膜形成系统。
图5示出底膜的气孔率的差异与附着在亲水性膜上的水滴的接触角的时间序列变化的差异的关系。
图6示出图5所示的实验的、比较例所涉及的多层膜的构成。
图7示出亲水性膜的物理膜厚与从水滴滴下开始一定时间后的水滴的接触角的关系。
图8示出实施方案所涉及的光学透镜的第一分光反射率特性以及第二分光反射率特性。
图9示出图8所示的实验的、比较例所涉及的多层膜的构成。
图10示出多层膜的构成的第一变形例。
图11示出多层膜的构成的第二变形例。
图12示出多层膜的构成的第三变形例。
具体实施方式
以下，对本发明的几个实施方案所涉及的光学透镜进行说明。此外，以下说明的实施方案并非对专利申请的范围所涉及的发明进行限定，并且，实施方案中所说明的诸多要素及其组合不一定全部是发明用于解决技术问题的手段所必须的。
图1示出本发明的实施方案所涉及的光学透镜的构成的概念。
光学透镜100具备光学透镜主体101和形成在光学透镜主体101的表面上的光学薄膜即多层膜102。多层膜102为互相重叠的(层叠的)多个膜。
多层膜102同时具有亲水性和防反射功能。在多层膜102中，第一层(最上面层)的膜是作为多孔膜的亲水性膜111。第二层(最上面层的下一层)的膜是作为致密膜的底膜122。第一层以及第二层以外的层的膜是由具有防反射功能的一个或者多个膜构成的防反射膜121。
底膜122位于亲水性膜111和防反射膜121之间。以从光学性上来说，附带多层膜102的光学透镜100的整体具有所期望的分光反射率的方式来决定各层的折射率以及物理膜厚。
图2为说明亲水性膜111以及底膜122的功能的示意图。此外，在以下的说明中，为了便于说明，无论光学透镜100的朝向如何，均将光学透镜主体101侧的层称为“下层”，将光学透镜100的表面侧(光学透镜主体101侧的相反侧)的层称为“上层”，将与上下方向(膜的重叠的方向)垂直的方向称为“水平方向”。
如上所述，亲水性膜111为多孔膜，能够利用毛细现象吸湿当时环境中的水滴。亲水性膜111的气孔率为2％以上20％以下。亲水性膜111的物理膜厚为0.5nm(纳米)以上20nm以下。
底膜122为气孔率不足2％的致密的膜，防止(遮断)水从亲水性膜111进入下层。由此，被亲水性膜111吸湿的水分难以从亲水性膜111进入底膜122内，因此，通过亲水性膜111保持水分，其结果是，亲水性膜111成为保水层。
以下，对亲水性膜111成为保水层之前的流程进行说明。
如图2的(A)所示，在亲水性膜111上没有足够的水分的状态下，如图2的(B)所示，当水滴281附着在亲水性膜111表面上时，如图2的(C)所示，利用毛细现象水滴281被亲水性膜111吸湿，如图2的(D)所示，水滴281在比较长的时间内(例如几十秒至几分钟)一边被亲水性膜111吸湿一边伸展。在本实施方案中，所谓的亲水性膜111中的水滴的伸展是指水滴向水平方向的扩散，具体而言，附着在亲水性膜111上的水滴的接触角从最大接触角(例如静态接触角)变成最小接触角。
当单位时间内附着在亲水性膜111表面的水滴的量少时(例如在低湿度环境下)，可考虑重复(A)至(D)的流程。这样做的理由是考虑到由于当时环境中蒸发的水的量多于亲水性膜111所保持的水的量等原因而导致亲水性膜111不会成为保水层。
但是，如图2的(E)所示(例如高湿度环境)，当单位时间内附着在亲水性膜111表面的水滴281的量多(被保持的水的量多于蒸发的水的量)时，如图2的(F)所示，亲水性膜111成为保水层W。其原因在于，亲水性膜111所吸湿的水向下层的进入被底膜122遮断，其结果是，水分被保持在亲水性膜111中。
如图2的(G)所示，附着在成为保水层W的亲水性膜111上的水滴281在短时间(例如五秒以下)内完成伸展。其原因在于，多孔膜内的孔已经被水填满，水滴281在该水中以与其一体化的方式扩散开来。
另外，根据本实施方案，亲水性膜111的物理膜厚小，具体而言，如上所述，为0.5nm(纳米)以上20nm以下。由此，即使吸湿，反射率特性的变化仍然小。亲水性膜111的物理膜厚可以比底膜122的物理膜厚薄。
另外，根据实施方案，如上所述，亲水性膜111下一层的膜为气孔率不足2％的致密的底膜122，遮断水向底膜122内的进入。因此，折射率变化小。其结果是，反射率特性的变化小。
此外，以从光学性上来说包括亲水性膜111和底膜122在内的整体获得期望的防反射特性的方式来选择多层膜102中的各膜的材料以及物理膜厚。
图3示出实施方案所涉及的多层膜102的构成。在以下的说明中，将层编号X(第X层)的膜表示为“膜X”。层编号X的值越小的膜越是下层的膜。X的最小值为1，膜1为最下层的膜。
多层膜102由八个膜构成。防反射膜121为膜1～膜6，底膜122为膜7，亲水性膜111为膜8。
在实施方案中，通过EB(电子束)气相沉积形成的SiO2膜为亲水性膜111(膜8)。通过IAD(离子辅助气相沉积)形成的SiO2膜为底膜122(膜7)。
图4示出实施方案所涉及的光学薄膜形成系统。
光学薄膜形成系统301具备通过IAD形成膜的IAD装置311和通过EB气相沉积形成膜的EB气相沉积装置312，实施光学薄膜形成方法。
IAD为利用从离子枪照射至基板的被离子化的气体分子将气相沉积材料分子按压于基板的成膜方法。因此，认为通过IAD能够形成不存在水分子进入的缝隙的致密性高的膜。因此，在本实施方案中，作为底膜122采用通过IAD形成的膜(例如SiO2膜)。
EB气相沉积为将电子集中在气相沉积材料的一部分上，加以轰击并加热蒸发而进行的成膜方法。因此，认为通过EB气相沉积能够形成作为多孔膜的亲水性膜111。因此，在本实施方案中，作为亲水性膜111采用通过EB气相沉积形成的膜(例如SiO2膜)。
此外，图4所示的系统实施的成膜方法为优选的成膜方法的一例。成膜方法并不限定于图4所示的例子。例如，底膜122可以通过IAD以外的方法成膜，亲水性膜111可以通过EB气相沉积以外的方法成膜。
另外，亲水性膜111以及底膜122均可以为由SiO2以外的材料构成的膜，但如本实施方案所示，由于使用SiO2这种作为光学薄膜普通的材料，因此，有利于形成有多层膜102的光学元件的量产。在本实施方案中，通过最上层的膜的物理膜厚以及气孔率的设定、和最上层的下一层的膜的气孔率的设定的组合，能够实现最上层的膜形成为保水层(亲水性)、以及抑制反射率特性的变化(防反射功能)这两个目标。
图5示出底膜(SiO2膜)的气孔率的差异与附着在亲水性膜111上的水滴的接触角的时间序列变化的差异的关系。本实施方案的底膜122的气孔率为1.5％，比较例的底膜的气孔率为2.8％。此外，在该实验中使用的本实施方案的多层膜的构成与图3相同。另外，比较例所涉及的多层膜的构成示于图6。
在此，对于气孔率的计算方法进行说明。首先，将亲水性膜所使用的材质的已知的折射率设为n，将本实验中成膜的亲水性膜的真空中的折射率设为n(V)。真空中的折射率通过在真空保持的成膜室内使用光学膜厚仪测定成膜中的反射率，并将其换算成折射率而求得。亲水性膜的填充率可以如下表示。
填充率(％)＝[真空中的折射率(％)/已知的折射率(％)]×100(％)
因此，可以求得气孔率为：
气孔率(％)＝100(％)－填充率(％)。
另外，物理膜厚使用截面TEM图片测定。另外，光学膜厚nd可以通过表中示出的折射率n×物理膜厚d求得。各层的折射率从膜的反射率换算而求得(相当于大气中的膜的折射率)。具体而言，使用奥林巴斯(株式会社)制的显微镜型分光测定机(USPM-RU3)测定取出到大气中的基板的反射率，并将其换算成折射率而求得。此外，折射率为在波长550nm下的折射率。光学膜厚系数k为基准波长λ0＝550nm下的系数，光学膜厚nd＝k×λ0/4。
根据图5可知，相较于以气孔率2.8％的SiO2膜为底膜，以气孔率1.5％的SiO2膜为底膜的水滴伸展速度更快(即，接触角在更短时间内变小)。
就水滴伸展速度而言，除了底膜122的气孔率以外，还依赖于亲水性膜111的物理膜厚。
图7示出亲水性膜111的物理膜厚与从水滴滴下开始一定时间后的水滴的接触角的关系。图7的实验以图3所示的膜构成为基础，使亲水性膜111的物理膜厚变化来进行。物理膜厚的测定如上所述使用截面TEM图片进行。
在实验中，向样品表面滴下0.8μl的纯水，求得五秒后的接触角θ。
根据图7，亲水性膜111的物理膜厚越小，水滴伸展速度越快(五秒后的接触角度小)。具体而言，亲水性膜111的物理膜厚越小，亲水性膜111成为保水层所需的水分量越小，从而，亲水性膜111越容易成为保水层。在亲水性膜111为保水层的状态下，亲水性膜111如水面一样光学性均匀，光的散射和折射少且透过率高。除此之外，当亲水性膜111的物理膜厚小时，光学透镜100的分光反射率特性中吸水时的设计中心反射率(规定波长下的反射率)的变化小，并且，规定反射率下的长波长侧的波长位移量小(这一点在后面说明)。
根据图7，亲水性膜111的物理膜厚优选为0.5nm以上20nm以下，考虑到膜强度，更优选为10nm以上15nm以下，最优选为15nm。
此外，根据图7，由于从滴下开始一定时间后的接触角不足10°，因此，可以说实施方案所涉及的亲水性膜111为超亲水性。另外，在实施方案中，采用SiO2膜作为亲水性膜111，但即使采用由其他种类的膜材形成的膜作为亲水性膜111，也被认为能够表现出参照图5以及
图7说明的倾向。
另外，在实施方案中，通过减小亲水性膜111的物理膜厚，减少亲水性膜111成为保水层前后的折射率变动，并且，通过在亲水性膜111的下方设置致密的底膜122，能够防止水分进入底膜122以及设置在其下方的防反射膜121，并且能够抑制防反射性能的降低。
图8示出光学透镜100的第一分光反射率特性(亲水性膜111的物理膜厚10nm)和光学透镜100的第二分光反射率特性(亲水性膜111的物理膜厚为50nm)。此外，在该实验中使用的本实施方案的多层膜的构成与图3相同。另外，比较例所涉及的多层膜的构成示于图9。
在图8的实验中测定的分光反射率使用奥林巴斯(株式会社)制的显微镜型分光测定机(USPM-RU3)测定。
曲线图(A)示出第一分光反射率特性即亲水性膜111的物理膜厚为10nm的光学透镜100的分光反射率特性，曲线图(B)示出第二分光反射率特性即亲水性膜111的物理膜厚为50nm的光学透镜100的分光反射率特性。根据曲线图(A)和曲线图(B)的对比，可知亲水性膜111的物理膜厚小的一方的设计中心反射率(波长λ＝550nm下的反射率)的变化ΔRc小，并且，反射率1％下的长波长侧的波长位移量Δλ小。所谓的“波长位移量”为加热前(例如常温时)的分光特性和加热后的分光特性的变化量。
以上，对本发明的一个实施方案进行了说明，其只是用于说明本发明的示例，并不表示本发明的范围仅限定于该实施方案。也就是说，本发明可以以其他各种方案实施。
例如，亲水性膜111以及底膜122的至少一方可以为SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2、Ti3O5、Ta2O5以及Nb2 O5中的单体或者包括这些在内的混合材料。
另外，例如，本发明能够应用于光学透镜以外的光学元件、例如反射镜(反射型光学元件)、滤光器、阵列状光学元件(透镜阵列、棱镜阵列)、探测元件、衍射型光学元件、菲涅耳透镜等。另外，如光学透镜的光学元件的表面(形成有光学薄膜的面)既可以为球面也可以为非球面。
另外，例如，底膜可以兼做防反射膜。也就是说，多层膜可以为亲水膜和兼做防反射膜的底膜两层。这种多层膜适用于比车载相机或监控相机性能还低的照相机用的透镜、或者如后视镜一样不要求高防反射性能的环境下的光学元件。
另外，多层膜的构成并不限于图3例示的构成，例如也可以为图10、图11以及图12例示的构成。
本申请基于2017年4月14日申请的特愿2017-080463。其内容全部包含于本文。

Claims (6)

1.一种光学元件，其包括：
光学元件主体；
形成在所述光学元件主体的表面上的多层膜即光学薄膜；
在所述光学薄膜中，
最上层的膜是作为多孔膜的亲水性膜，
所述最上层的下一层的膜是作为致密膜的底膜，
所述亲水性膜的气孔率为2％以上20％以下，
所述亲水性膜的物理膜厚为0.5nm以上20nm以下，
所述底膜的气孔率不足2％。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述亲水性膜以及所述底膜的至少一方为SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2、Ti3O5、Ta2O5以及Nb2O5中的单体或者包括这些在内的混合材料。
3.根据权利要求2所述的光学元件，其中，
所述亲水性膜为SiO2膜。
4.根据权利要求2或3所述的光学元件，其中，
所述底膜为SiO2膜。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学元件，其中，
所述亲水性膜为通过EB(电子束)气相沉积形成的膜，
所述底膜为通过IAD(离子辅助气相沉积)形成的膜。
6.一种光学薄膜，其为作为多层膜的光学薄膜，其中，
最上层的膜是作为多孔膜的亲水性膜，
所述最上层的下一层的膜是作为致密膜的底膜，
所述亲水性膜的气孔率为2％以上20％以下，
所述亲水性膜的物理膜厚为0.5nm以上20nm以下，
所述底膜的气孔率不足2％。
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