CN111722308A - 一种光学元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种光学元件及其制备方法。通过在光学微结构上设置无机材料层，以及在无机材料层上设置折射率小于所述光学微结构的折射率的含氟碳键有机层，通过调整无机材料层和含氟碳键有机层的厚度在光学微结构上形成较薄的抗反射层，降低了光学元件对于入射光的光反射率，提高了进光量。

Description

一种光学元件及其制备方法
技术领域
本申请涉及光学技术领域，并且更具体地，涉及一种光学元件及其制备方法。
背景技术
当前的光学微结构通常通过在表面设置低折射率无机材料，来降低反射率，从而提高进光量。但是大部分无机材料的折射率并不是很低，这些无机材料对于降低光学微结构表面反射率的作用有限，抗反射性能往往不佳。
发明内容
本申请实施例提供了一种光学元件及其制备方法，能够显著的降低光学元件对于入射光的反射率。
第一方面，提供了一种光学元件，包括：
光学微结构；
位于所述光学微结构表面上的无机材料层；
位于所述无机材料层表面上的含氟碳键有机层；
其中，所述含氟碳键有机层的折射率小于所述光学微结构的折射率。
第二方面，提供了一种光学元件的制备方法，包括：
将无机材料沉积至光学微结构表面，生成位于所述光学微结构表面上的无机材料层；
将含氟碳键有机材料沉积至所述无机材料层表面，生成位于所述无机材料层表面上的含氟碳键有机层；
其中，所述含氟碳键有机层的折射率小于所述光学微结构的折射率。
第三方面，提供一种图像传感器，所述图像传感器中，包括前述的光学元件。
第四方面，提供一种光学扩散片，所述光学扩散片中，包括前述的光学元件。
本申请实施例的技术方案，通过在光学微结构表面设置无机材料层，以及在无机材料层表面设置折射率小于所述光学微结构的折射率的含氟碳键有机层，在光学微结构表面上形成有效的抗反射结构，降低了光学元件整体对于入射光的光反射率，提高了进光量。
附图说明
图1a为本申请实施例所提供的一种光学元件的局部横截面的示意性结构图；
图1b为本申请实施例所提供的另一种光学元件的局部横截面的示意性结构图；
图2为本申请实施例所提供的一种光学元件的反射率与无机材料层和含氟碳键有机层的厚度的关系示意图；
图3 为申请本实施例所提供的多种不同的光学元件的反射率的对比示意图；
图4为本申请实施例所提供的一种光学元件的制备方法的流程示意图；
附图标记：1—光学微结构；2—无机材料层；3—含氟碳键有机层；4—基底。
具体实施方式
在光学元件中，为了提高其进光量，通常是在光学微结构表面设置抗反射层，以降低光学元件表面的反射率，例如，一般是在光学微结构表面蒸镀一层低折射率无机材料，例如SiO2、MgF2等。但是大部分无机材料的折射率并不是很低，这些折射率并不太低的抗反射层虽然能能一定程度的降低光学元件表面反射率，但降低程度有限。而在某些场景下，光学元件的反射率对于整体的性能有着明显直接的影响。例如，反射率过高会直接降低图像传感器的暗光性能，以及，光学元件反射率过高会影响到成像时的质量，在成像时造成“眩光”或者“鬼影”的现象。
基于此，需要一种可以有效降低光学元件对于入射光的反射率，提高进光量的方案。
下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。需要说明的是，为便于说明，在本申请的实施例中，相同的附图标记表示相同的部件，并且为了简洁，在不同实施例中，省略对相同部件的详细说明。
如图1a所示，图1a是本申请实施例的一种光学元件的局部横截面的示意性结构图，所述光学元件中包括：
光学微结构1，光学微结构1可以是由微米级或亚微米级的透镜、棱镜或者锥形镜等组成的阵列，所述阵列中相邻的两个透镜、棱镜或者锥形镜之间存在空隙。例如，多个微透镜在水平面上呈阵列排列，各微透镜的大小形状可以相同，也可以不同；其可以通过诸如采用热回流、灰度光刻、纳米压印、激光刻蚀等各种工艺制造得到；
无机材料层2，位于所述光学微结构1的表面上；
含氟碳键有机层3，位于所述无机材料层的表面上；
其中，所述含氟碳键有机层3的折射率小于所述光学微结构1的折射率。
这里的折射率指的是含氟碳键有机层3和光学微结构1对于同一频率上的光的折射率。例如，对于波长为550nm的可见光，光学微结构1的折射率可以是1.5至2.5，而含氟碳键有机层3的折射率则可以为1.2至1.4。对于其它频段的入射光而言，同样只需满足对于该频段的光，含氟碳键有机层3的折射率小于所述光学微结构1的折射率即可。
应理解，无机材料层2和含氟碳键有机层3是透光的，以及，无机材料层2和含氟碳键有机层3可以是厚度均匀的。
可选地，光学微结构1的底部可以设置一个基底4，用于支撑所述光学微结构1，基底4的厚度不做限定，基底可以是包含滤光片和防串扰网格的光学层。在实际应用中，光学微结构1也可以直接设置于相应的电子元件上，即以电子元件中的一部分作为基底4。如图1b所示，图1b为本申请实施例中所提供的另一种光学元件的局部横截面的示意性结构图。
可选地，还可以通过选取适当的无机材料和设定无机材料层的厚度，使得所述无机材料层2的折射率大于所述含氟碳键有机层3的折射率，且，小于所述光学微结构1的折射率。通过无材料层2与含氟碳键有机层3共同构成双叠层抗反射层结构，实现较佳的降低反射率的效果。
由于通过厚度来调整无机材料层2和含氟碳键有机层3的折射率，实际上也只能在一定范围内进行调整。而在本申请实施例从下往上的三个组件中，光学微结构1、无机材料层2和含氟碳键有机层3的折射率依次增大，因此本申请中对于光学微结构1的折射率也是有一定的要求（即小于无机材料层2的折射率），而不是任意材料或者任意元件都可以。可选地，所述光学微结构1，从靠近所述基底4一侧到远离所述基底4一侧，其截面面积逐渐减小。
具体而言，所述光学微结构1中的微透镜为汇聚光束的凸形微透镜，如图1a或者图1b中所示，此处即为一种半圆形的凸形微透镜的示例，从而可以将光线进行汇聚至指定的感光点；或者，所述光学微结构1中的微透镜为折射光束的锥形镜或者棱镜，此处的锥形可以是圆锥形或者方锥形，从而可以使得入射光中的光路朝指定方向上进行偏转，具体的偏转程度可以通过对于锥形的顶角大小来进行调整。相应的，所述凸形微透镜、锥型镜或者棱镜从靠所述近基底4一侧到远离所述基底4一侧，其截面面积逐渐减小。
在光学元件中，无机材料层2和含氟碳键有机层3能够通过各自的厚度和折射率对于对方的反射率造成影响，进而影响光学元件整体的反射率。换言之，光学元件整体对于表面入射光的反射率与所述无机材料层2和含氟碳键有机层3的厚度同时存在关联，而且这种关联关系是非线性的，因此，在实际应用中，可以通过计算来确定在不同的厚度条件下，光学元件对于入射光的反射率。如图2所示，图2为本申请实施例中所提供的一种光学元件的反射率与无机材料层2和含氟碳键有机层3的厚度的关系示意图。图2中的横坐标X即为含氟碳键有机层3的厚度，纵坐标Y即为无机材料层2的厚度，图2中通过颜色深浅来表征光学元件的反射率的大小，颜色越深，表示反射率越小，在图2中的“大”和“小”即指的光学元件的反射率的大和小。
从该示意图中可以看出，并不是无机材料层2和含氟碳键有机层3的厚度越薄越好，也不是越厚越好。而是在二者共同所确定的一个区域内，光学元件的反射率达到较小的数值。
从而，即可以通过选取图2中颜色较深（即反射率较小）的地方所对应的点，来分别确定无机材料层2和含氟碳键有机层3的厚度。容易理解，对于不同波长的入射光，以及所选取的有机或者无机材料的不同，这个具体的数值范围会存在一定的变化。例如，对于550nm波长的可见光而言，可以选取无机材料层2的厚度为5nm至300nm，相应的，所述含氟碳键有机层的厚度3为40nm至1000nm，从而使得光学元件对于入射光的反射率达到一个较小的数值。
此外，在本申请的实施例中，由无机材料层2和含氟碳键有机层3组成的抗反射层是设置于光学微结构1之上，而光学微结构1中任意相邻的两个透镜、棱镜或者锥形镜之间存在空隙，因此，如果抗反射层的厚度太大，将会影响空隙之间的透光性，从而影响光学元件整体的透光性。因此，要求抗反射层不能太厚，即在本申请中无需设置多个涂层，而仅需要两个涂层来形成抗反射层即可，并且无机材料层2和含氟碳键有机层3都是厚度在纳米级别的涂层，从而整体的厚度较低。
此外，与设置多个高折射率和多个低折射率的涂层进行交替镀膜来形成抗反射层的情形相比较，本申请中只需设置两个涂层，其厚度更薄，因此也就降低了不同角度的入射光的光程差，从而增强了成像效果。
可选地，所述无机材料层为SiO2、TiO2、Si3N4或者Al2O3材料层，具体选择可以根据实际需要，例如，采用SiO2作为无机层材料其成本更为低廉。
可选地，所述含氟碳键有机层所采用的材料可以是诸如聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene ，PTFE）、氟化乙烯丙烯共聚物（Fluorinated ethylenepropylene ，FEP）或者以聚四氟乙烯分子长链为骨架的聚合物，采用这类材料，成本更为低廉。
图3 为申请本实施例所提供的多种不同的光学元件的反射率的对比示意图。具体包括不设置任何抗反射层的光学微结构、只设置100nm的SiO2无机材料层的光学元件、只设置含氟碳键有机层PTFE的光学元件以及同时包含有20nm的SiO2无机材料层和100nm的含氟碳键有机层PTFE的光学元件的反射率对比。
可以看到，在不设置任何抗反射层时，微透镜表面反射率最高，达到4.5%；只设置100nm左右的SiO2层时，反射率降低到2%左右；设置105nm左右PTFE时，反射率低至0.14%。在光学微结构1与PTFE层中间添加一层20nm左右的SiO2，作为微透镜的无机保护层时，防止光学微结构1在制备过程中受到等离子体的轰击损伤。可以看到设置20/100nm的SiO2/PTFE叠层结构，微透镜表面的反射率为0.17%，在保护光学微结构1不会受到损伤的同时，也降低了光学元件的反射率。
本申请实施例的技术方案，通过在光学微结构表面上设置无机材料层，以及在无机材料层表面上设置折射率小于所述光学微结构的折射率的含氟碳键有机层，在光学微结构表面上形成有效的抗反射结构，降低了光学元件对于入射光的光反射率，提高了进光量。
第二方面，本申请实施例还提供一种光学元件的制备方法，如图4所示，图4为本申请实施例所提供的一种光学元件的制备方法的流程示意图，包括：
S401，将无机材料沉积至光学微结构表面，生成位于所述光学微结构的表面上的无机材料层。
光学微结构可以是由微米级或亚微米级的透镜、棱镜或者锥形镜等组成的阵列，所述阵列中相邻的两个透镜、棱镜或者锥形镜之间存在空隙。
具体的沉积方法可以包括诸如化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、磁控溅射等。
S402，将含氟碳键有机材料沉积至所述无机材料层表面，生成位于所述无机材料层表面上的含氟碳键有机层。其中，所述含氟碳键有机层的折射率小于所述光学微结构的折射率。
从而得到包含所述光学微结构、无机材料层和含氟碳键有机层的光学元件。沉积得到的无机材料层和含氟碳键有机层应当是透光的；以及，沉积得到的无机材料层和含氟碳键有机层可以是厚度均匀的。
所述氟碳键有机材料可以是诸如聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene ，PTFE）、氟化乙烯丙烯共聚物（Fluorinated ethylene propylene ，FEP）或者以聚四氟乙烯分子长链为骨架的聚合物。
由于氟碳键是已知键能较强（485kJ/mol）且键长较短(135pm)的单键之一，强键能与短键长使得含氟碳键的材料很难与其他材料键合，因此需要高能量等离子体轰击氟碳键使一部分氟碳键解键离子化，进而将含氟碳键有机材料沉积至所述无机材料层表面。
因此，可以采用等离子体辅助气相沉积法，例如等离子体增强化学汽相沉积法，将所述含氟碳键有机材料沉积至所述无机材料层2表面，从而当部分氟碳键解键后的含氟碳键有机材料沉积到无机材料层2的表面时，易于与所述无机材料形成共价键结合，从而增强二者之间的结合力，不易受损和脱落。
可以看到，由于在沉积含氟碳键有机材料时需要将部分材料等离子体化，高能的等离子体如果直接光学微结构1接触，就会造成光学微结构1的镜面损伤，影响光学元件的性能。通过首先沉积无机材料层2，就可以避免后续在沉积含氟碳键有机材料时对光学微结构1造成损伤。
可选地，所述无机材料层2的折射率大于所述含氟碳键有机层的折射率，且，小于所述光学微结构的折射率。从而无机材料层2不仅可以起到在制备时保护光学微结构1的功能，还可以结合含氟碳键有机层3共同构成无机有机双叠层抗反射层结构，实现较佳的降低反射率的效果。
由于通过厚度来调整无机材料层2和含氟碳键有机层3的折射率，实际上也只能在一定范围内进行调整。而在本申请实施例从下往上的三个组件中，光学微结构1、无机材料层2和含氟碳键有机层3的折射率依次增大，因此本申请中对于光学微结构1的折射率也是有一定的要求，而不是任意材料或者任意元件都可以。
可选地，所述无机材料为SiO2、 TiO2、Si3N4或者Al2O3。
可选地，所述无机材料层的厚度为5nm至300nm，相应的，所述含氟碳键有机层的厚度为40nm至1000nm。具体的示例在前文对于图3的解释中已经给出了说明，此处不再赘述。为在不影响反射率的同时，在制备中实现更好的对于光学微结构的防护效果，所述无机材料层的厚度可选择为较厚尺寸。
在本申请的实施例中，由无机材料层2和含氟碳键有机层3组成的抗反射层是设置于光学微结构1之上，而光学微结构1中任意相邻的两个透镜、棱镜或者锥形镜之间存在空隙，因此，如果抗反射层的厚度太大，将会影响空隙之间的透光性，从而影响光学元件整体的透光性。因此，要求抗反射层不能太厚，即在本申请中无需设置多个涂层，而仅需要两个涂层来形成抗反射层即可，并且无机材料层2和含氟碳键有机层3都是厚度在纳米级别的涂层，从而整体的厚度较低。此外，与设置多个高折射率和多个低折射率的涂层进行交替镀膜来形成抗反射层的情形相比较，本申请中只需设置两个涂层，其厚度更薄，因此也就降低了不同角度的入射光的光程差，从而增强了成像效果。
本申请实施例的技术方案，通过在光学微结构上沉积无机材料层，以及在无机材料层上沉积折射率小于所述光学微结构的折射率的含氟碳键有机层，从而制备得到较低反射率的光学元件。
第三方面，本说明书实施例还提供一种图像传感器，在所述图像传感器中包含任一前述的光学元件。所述图像传感器包括互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，CMOS）传感器，或者电耦合器件（Charge CoupledDevice，CCD）传感器。
通过在图像传感器中采用前述的光学元件，一方面提升了图像传感器的进光量，有效改善图像传感器暗光性能；另一方面减少光学元件的表面反射，能有效减少在成像时由反射光造成的“眩光”或者“鬼影”等现象。
第四方面，本说明书实施例还提供一种光学扩散片，在所述光学扩散片中，包含任一前述的光学元件。
应理解，本申请实施例中的具体的例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施例，而非限制本申请实施例的范围。
应理解，在本申请实施例和所附权利要求书中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。例如，在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“上述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本申请实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（read-only memory，ROM）、随机存取存储器（random access memory，RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种光学元件，其特征在于，包括：
光学微结构，所述光学微结构是由透镜、棱镜或者锥形镜组成的阵列，所述阵列中相邻的两个透镜、棱镜或者锥形镜之间存在空隙；
位于所述光学微结构表面上的无机材料层；
位于所述无机材料层表面上的含氟碳键有机层；
其中，所述含氟碳键有机层的折射率小于所述光学微结构的折射率。
2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，还包括：
设置于所述光学微结构之下的基底，用于支撑所述光学微结构。
3.如权利要求1或者2所述的光学元件，其特征在于，所述无机材料层的折射率大于所述含氟碳键有机层的折射率，且，小于所述光学微结构的折射率。
4.如权利要求2所述的光学元件，其特征在于，所述光学微结构，从靠近所述基底一侧到远离所述基底一侧，其截面面积逐渐减小。
5.如权利要求4所述的光学元件，其特征在于，所述光学微结构，从靠近所述基底一侧到远离所述基底一侧，其截面面积逐渐减小，包括：
所述光学微结构中的微透镜为汇聚光束的凸形微透镜，或者，所述光学微结构中的微透镜为折射光束的锥形镜或者棱镜；
所述凸形微透镜、锥形镜或者棱镜从靠近所述基底一侧到远离所述基底一侧，其截面面积逐渐减小。
6.如权利要求1或者2所述的光学元件，其特征在于，所述无机材料层的厚度为5nm至300m，相应的，所述含氟碳键有机层的厚度为40nm至1000m。
7.如权利要求1或者2所述的光学元件，其特征在于，所述无机材料层为SiO2、TiO2、Si3N4或者Al2O3材料层。
8.如权利要求1或者2所述的光学元件，其特征在于，所述含氟碳键有机层所采用的材料为聚四氟乙烯PTFE、氟化乙烯丙烯共聚物FEP或者以聚四氟乙烯分子长链为骨架的聚合物。
9.一种光学元件的制备方法，其特征在于，包括：
将无机材料沉积至光学微结构表面，生成位于所述光学微结构的表面上的无机材料层，其中，所述光学微结构是由透镜、棱镜或者锥形镜组成的阵列，所述阵列中相邻的两个透镜、棱镜或者锥形镜之间存在空隙；
将含氟碳键有机材料沉积至所述无机材料层表面，生成位于所述无机材料层表面上的含氟碳键有机层；
其中，所述含氟碳键有机层的折射率小于所述光学微结构的折射率。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，将含氟碳键有机材料沉积至所述无机材料层表面，包括：
采用等离子体增强化学汽相沉积法，将所述含氟碳键有机材料沉积至所述无机材料层表面。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述无机材料层的折射率大于所述含氟碳键有机层的折射率，且，小于所述光学微结构的折射率。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述无机材料层的厚度为5nm至300nm，相应的，所述含氟碳键有机层的厚度为40nm至1000nm。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述无机材料为SiO2、TiO2、Si3N4或者Al2O3。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述含氟碳键有机材料为聚四氟乙烯PTFE、氟化乙烯丙烯共聚物FEP或者以聚四氟乙烯分子长链为骨架的聚合物。
15.一种图像传感器，其特征在于，包括根据权利要求1至8中任一项所述的光学元件。
16.一种光学扩散片，其特征在于，包括根据权利要求1至8中任一项所述的光学元件。
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