CN113151789A - 一种光学塑料镜片离子源镀膜工艺 - Google Patents

一种光学塑料镜片离子源镀膜工艺 Download PDF

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钟永文
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Abstract

本发明提供一种光学塑料镜片离子源镀膜工艺，光学塑料镜片使用RF射频离子源大功率大角度辅助镀膜，EB+IB＝IAD镀膜工艺，结合光学膜厚直接监控方法，离子辅助镀膜IAD通过离子轰击的方法改善薄膜的品质，控制光学塑料镜片蒸镀条件中的参数，在光学塑料镜片上镀制性能稳定的金属反射膜，提高光学塑料镜片的透射率，减少光学塑料镜片内的反射光线和杂散光，光学塑料镜片采用镜片AR增透膜镀膜方法。

Description

一种光学塑料镜片离子源镀膜工艺
技术领域
本发明涉及一种光学塑料镜片离子源镀膜领域，尤其涉及一种光学塑料镜片离子源镀膜工艺。
背景技术
现阶段运用到手机用光学镜头镀膜上的离子源技术主要是真空射频离子源辅助镀膜技术。
射频离子源是现在市场上最昂贵的离子源类型之一。射频离子源工作稳定，无耗材，工作时间长。光通信镀膜、激光陀螺仪、高能激光、高端光栅刻蚀和芯片制备等高端应用都应用了射频离子源技术。真空辅助镀膜领域，射频离子源也已经慢慢成为各高端客户的首选。在可预见的将来，射频技术将会越来越普及，射频技术驱动的离子源将成为市场的主流。
射频离子源中，气体通过一个气体绝缘子进入石英放电室，石英室的外部周围有数圈射频线圈。工作的时候13.56MHz的射频功率通过LC回路构成一个电感负载。电磁感应的电磁波进入放电室，产生的电磁旋涡作用到气体分子上。通过控制不同的射频输入功率，控制工艺气体的电离效果。电离的气体在栅网的加速下形成有一定方向的高能离子束流。
射频离子源有以下一些优点：
①能量大而且能量精确可控。栅网结构能通过电场的分布控制束流的能量大小。同时通过不同栅网的形状设计，可以实现发散，聚焦，准直或者特殊分布的控制。
②工作气体不受限制。射频离子内部没有热源，气体可以是各种各样的气体。只要保证安全情况下，理论上任何气体都可以使用。
③工作时间长。射频离子源通过射频电源驱动，无耗材。除了日常的清洗，连续工作时间可以达到数千小时以上。
④发热量低。正常工作射频离子源辐射温度一般在100℃以下。适合大多数固体材料的镀膜应用。
⑤污染少，工艺干净。由于没有发热部分，用于离子源上面的材料不会沉积到薄膜中。做出了的膜层纯度更高。
但是现有的离子源技术的局限性已经成为无法大规模提高产能的瓶颈并限制了蒸发速率的提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种光学塑料镜片离子源镀膜工艺，至少解决了现有技术中的部分问题，提高了成像质量和产能。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种光学塑料镜片离子源镀膜工艺，光学塑料镜片使用RF射频离子源大功率大角度辅助镀膜，EB+IB＝IAD镀膜工艺，结合光学膜厚直接监控方法，离子辅助镀膜IAD通过离子轰击的方法改善薄膜的品质，控制光学塑料镜片蒸镀条件中的参数，在光学塑料镜片上镀制金属反射膜，提高光学塑料镜片的透射率，减少光学塑料镜片内的反射光线和杂散光，光学塑料镜片采用镜片AR增透膜镀膜方法。
作为优选，镀膜材料采用五氧化三钛ti3o5和二氧化硅sio2。
作为优选，镜片AR增透膜镀膜方法包括如下步骤：S1、镜片仓出库；S2、镀膜仓入库；S3、镀前抽检外观；S4、上伞镀膜；S5、分材料选择机台膜系；S6、全自动双面镀膜90分钟；S7、镀膜下伞；S8、分穴号15盘相同打包；S9、判定膜色测反射曲线及膜裂；S10、镀后抽检外观；S11、镀膜仓出库；S12、镜片仓静置3H产品发组立。
作为优选，IB离子源功率设定中，二氧化硅sio2采用400V/600mA，五氧化三钛ti3o5采用600V/900mA。
作为优选，EB电子枪功率参数设定中，五氧化三钛ti3o5采用480mA、速率二氧化硅sio2，二氧化硅sio2采用150mA、速率
Figure BDA0003029666790000031
/sec，镀膜过程速率的变化电流会自动变化，整体变化小于50mA。
作为优选，镀膜设备采用SDAR-1800DCI光驰镀膜机。
作为优选，金属反射膜的反射膜系为介质加金属三层反射膜系。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种光学塑料镜片离子源镀膜工艺，在本发明中，使用RF射频离子源大功率大角度辅助镀膜，EB+IB＝IAD镀膜工艺，结合光学膜厚直接监控技术实现高品质光学薄膜的批量化生产。
2、离子辅助镀膜IAD通过离子轰击的方法显著地改善薄膜的品质，从而得到致密性，无漂移，高折射率，强附着力，低损耗的薄膜。由于传统镀膜设备无法满足摄像头镜片品质薄膜镀膜要求，使用RF射频离子源可以长时间的稳定输出，以及材料蒸发的稳定性。
3、本发明通过对镀膜材料和光学塑料基体的特性分析，提供了一种实用的介质加金属三层反射膜系。基于这种膜系，研究等离子辅助镀膜技术和石英晶片膜厚监控技术，针对塑料镜片蒸镀的特殊性，严格控制蒸镀条件中的有关参数，形成一套稳定的蒸镀工艺，在光学塑料镜片镀制性能稳定的金属反射膜，满足光学产品的技术要求，实现批量生产。
4、本发明提供了光学塑料镜片IAD(离子束辅助沉积)镀膜关键技术。本发明使用RF射频离子源大功率大角度辅助镀膜，结合光学膜厚直接监控技术实现高品质光学薄膜的批量化生产，与传统EB(电子束物理气相沉积)镀膜技术相比较，本发明使用的RF离子源可以长时间的稳定输出，材料蒸发稳定、沉积致密，薄膜无漂移，折射率高，附着力强，损耗低。本发明将有效实现单个光学镜片的透射率，减少整个镜头内部的反射光线和杂散光，提高成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的镜片AR(增透膜)镀膜工艺流程图；
图2为本发明实施例提供的EB镀膜工艺和IAD镀膜工艺的对比图；
图3为本发明实施例提供的IAD镀膜工艺的参数表；
图4为本发明实施例提供的光的折射图；
图5为本发明实施例提供的电磁波谱图；
图6为本发明实施例提供的光的干涉图；
图7为本发明实施例提供的镀膜材料参数设定表；
图8为本发明实施例提供的可见光波段反射图；
图9为本发明实施例提供的镀膜膜厚参数表；
图10为本发明实施例提供的IB离子源参数表；
图11为本发明实施例提供的EB电子枪参数表；
图12为本发明实施例提供的膜厚控制装置的示意图；
图13为本发明实施例提供的镀膜过程图；
图14为本发明实施例提供的镀膜实测速率图；
图15为本发明实施例提供的镀膜实测电流图；
图16为本发明实施例提供的镀膜反射曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图16，本发明实施例提供一种光学塑料镜片离子源镀膜工艺，光学塑料镜片使用RF射频离子源大功率大角度辅助镀膜，EB+IB＝IAD镀膜工艺，结合光学膜厚直接监控方法，离子辅助镀膜IAD通过离子轰击的方法改善薄膜的品质，控制塑料镜片蒸镀条件中的参数，在光学塑料镜片上镀制性能稳定的金属反射膜，提高光学塑料镜片的透射率，减少光学塑料镜片内的反射光线和杂散光，光学塑料镜片采用镜片AR增透膜镀膜方法。镀膜材料采用五氧化三钛ti3o5和二氧化硅sio2。金属反射膜的反射膜系为介质加金属三层反射膜系。镀膜方式：电子枪蒸镀，通过电子枪电流蒸发膜料到镜片表面。EB电子枪工作原理：电子枪释放电流产生电子束利用磁场通过永久磁铁转向到蒸发膜料表面，蒸发膜料由固态变液态，液态变成气态，气态后蒸发到镜片表面。IB离子源工作原理：通过向石英真空室内导入离子化气体(O2,Ar)，导入的气体通过石英真空室横侧的RF线圈发出的13.56HZ震荡波，从而使电子与正离子混合形成等离子体的状态，通过给予栅网以正电位、使石英真空室内的等离子体关闭。同时、通过给予加速栅网以负电位而抽出正离子并将正离子面轰击到镜片表面增加镜片附着力。
镜片AR增透膜镀膜方法包括如下步骤：S1、镜片仓出库；S2、镀膜仓入库；S3、镀前抽检外观10％；S4、上伞镀膜；S5、分材料选择机台膜系；S6、全自动双面镀膜90分钟；S7、镀膜下伞；S8、分穴号15盘相同打包；S9、判定膜色测反射曲线及膜裂；S10、镀后抽检外观10％；S11、镀膜仓出库；S12、镜片仓静置3H产品发组立。
本发明提供了一种光学塑料镜片离子源镀膜工艺，在本发明中，使用RF射频离子源大功率大角度辅助镀膜，EB+IB＝IAD镀膜工艺，结合光学膜厚直接监控技术实现高品质光学薄膜的批量化生产。IAD为离子束辅助沉积，EB为电子束物理气相沉积，IB为离子源。
离子辅助镀膜IAD通过离子轰击的方法显著地改善薄膜的品质，从而得到致密性，无漂移，高折射率，强附着力，低损耗的薄膜。由于传统镀膜设备无法满足摄像头镜片品质薄膜镀膜要求，使用RF射频离子源可以长时间的稳定输出，以及材料蒸发的稳定性。
本发明的有效实施，将提升在光学镜头生产全环节核心技术的全面掌控能力，本发明提供的离子源真空镀膜技术对光学镜头行业的技术进步将带来积极的推动作用。
本发明通过对镀膜材料和光学塑料基体的特性分析，提供了一种实用的介质加金属三层反射膜系。基于这种膜系，研究等离子辅助镀膜技术和石英晶片膜厚监控技术，针对塑料镜片蒸镀的特殊性，严格控制蒸镀条件中的有关参数，形成一套稳定的蒸镀工艺，在光学塑料镜片镀制性能稳定的金属反射膜，满足光学产品的技术要求，实现批量生产。
在本实施例中：可见光范围内400nm-700nm镀制W形AR膜；AR增透膜Ti3o5+SIO2膜层6层；6层膜层；分光规格420nm-680nmR<1％；中心波长530nm；颜色：绿色、紫色、黑色；基底：APEL，E48R，K26R；基底折射率：1.53-1.54。
样品研制阶段包括膜质选定和相关关键参数确定，相关关键参数包括：膜质蒸发速率、膜厚参数、温度参数、镀膜速率、镀膜时间等。
样品测试，改善，送样确认定型；验证后批量试产，性能良率不断优化后进入大批量生产。
本发明提供了光学塑料镜片IAD(离子束辅助沉积)镀膜关键技术。本发明使用RF射频离子源大功率大角度辅助镀膜，结合光学膜厚直接监控技术实现高品质光学薄膜的批量化生产，与传统EB(电子束物理气相沉积)镀膜技术相比较，本发明使用的RF离子源可以长时间的稳定输出，材料蒸发稳定、沉积致密，薄膜无漂移，折射率高，附着力强，损耗低。本发明将有效实现单个光学镜片的透射率，减少整个镜头内部的反射光线和杂散光，提高成像质量。
本发明采用的镜片AR(增透膜)镀膜工艺流程如图1。
本发明的镀膜设备采用SDAR-1800DCI光驰镀膜机。
在本实施例中，研究EB(电子束物理气相沉积)法镀膜工艺、IAD(离子束辅助沉积)法镀膜工艺后，本发明的镀膜工艺优选IAD法，如图2所示。以IAD法成膜，各蒸着物的密度非常高，环测性能优良，如图3。
在IAD(离子束辅助沉积)镀膜工艺中：
(1)膜系设计方面：光学薄膜：是指在元件上镀上一层或多层薄膜来改变光的传播特性，其基本上是利用光的干涉效果来实现的。光学薄膜包含的种类比较多，增透膜(AR)，滤光片(IR－cut，UVIR－cut)，冷光镜(Coldmirror)，分光膜，偏光膜等等。本发明所镀的属于增透膜，又称AR膜。简单来分，AR膜可以分为单层AR和多层AR膜。
1、光的折射及折射率
如图4，光从一种介质传播到另一种介质时，光线通过两介质的界面折射时，确定入射光线与折射光线传播方向间关系的定律，几何光学基本定律之一。假设介质的折射率为n。
2、电磁波谱
电磁波从高频到低频的依次分布如图5所示，根据波长，频率及光速的关系c＝f*λ，所以引入一个新的概念波数，波数就等于频率的倒数。
光属于电磁波，在整个电磁波谱中，只有很小的一段是我们可以看见的，其他的都是无法用肉眼看到的。
3、薄膜物理厚度和光学厚度
物理厚度：就是薄膜的实际厚度，d表示。
光学厚度：是无量纲单位，是物理厚度d与折射率n的乘积。
4、光的干涉
如图6，一束光从一种介质入射到另外一种介质时，将会发生反射和折射的现象，从上表面反射的光和从下表面反射出来的光满足了干涉的条件：频率相同，振幅相同，位相差恒定。这样这两束光就有一个固定的光程差。
对折射率为1.52的玻璃来讲，光入射到玻璃表面，会产生多光束干涉，上表面和下表面会发生多次的反射、折射，上表面的反射率大约是4％，同时下表面的反射率一是4％。按照能量守恒定律，反射，透过，吸收的总合要遵守能量守恒定律。在忽略吸收的情况下，目前透过玻璃基板的透过率只有大约92％左右，透过玻璃基板的透过率越高越好，本发明利用光的干涉的原理，让反射的干涉光抵消，透过就可以增强。这既是减反膜，又称增透膜。所以，增透膜(AR)的主要作用为：1、减少界面反射，增加透过率；2、减少杂散光；3、提高像质。
增透膜管控的几个重要指标：1、使用波段范围；2、使用角度或角度范围；3、对反射率的要求；4、环境要求。
多层增透膜的设计：
1、输入一个初始的膜堆结构，以6层为例，公式如下：
G HLHLHL A
H代表Ti3o5(五氧化三钛)L代表Sio2(二氧化硅)
公式表示Ti3o5+Sio2+Ti3o5+Sio2+Ti3o5+Sio2合计：6层膜
G：glass(基板)A：Air H：高折射率材料L：低折射率材料
2、依照光谱要求，在设计软件里设定一个合适的目标范围
3、通常情况下，固定了材料的折射率，以厚度为变量，选择合适的优化方法优化初始膜堆结构。
4、在满足了光谱要求，膜色之后，依据光谱要求适当调整膜系至合适的域度。
在本实施例中，参数材料设定如图7，可见光波段反射图8，反射膜色为绿色。
镀膜材料选用：根据产品性能要求，选取合适的材料：五氧化三钛(ti3o5)，二氧化硅(sio2)。
(2)镀膜工艺方面：
1、镀膜膜厚参数管控(如图9)：
镀膜膜厚参数：A面6层/B面6层高低折射率(HL)TI3O5/SIO2；
A面：0.075/0.320/0.309/0.279/0.259/0.876单位KA；
B面：0.077/0.319/0.310/0.279/0.259/0.899单位KA；
镀膜起始真空度6.0E-03pa；镀膜温度设定60℃。
2、IB离子源参数(如图10)：
离子源功率设定 离子源充气
清洗：400V/600mA 清洗O2-75-Ar-10-Ar-8
SIO2:400V/600mA SIO2:O2-50-Ar-0-Ar-8
Ti3O5:600V/900mA Ti3O5:O2-90-Ar-5-Ar-8
3、EB电子枪参数(如图11)：
电子枪功率设定：
Ti3O5:480mA速率
Figure BDA0003029666790000101
/sec；
SIO2:150mA速率
Figure BDA0003029666790000102
/sec；
镀膜过程速率的变化电流会自动变化，整体变化不超50mA。
所述光学膜厚直接监控方法包括膜厚控制装置及其镀膜方法。
如图12-图16，本发明提供了一种膜厚控制装置，所述膜厚控制装置包括膜厚控制仪、振荡器、真空罩，所述真空罩内设有探头和挡板，膜厚控制仪通过振荡器与真空罩内的探头相连，探头包括石英晶振片和待镀膜基片，用于基于石英晶振片的振动对待镀膜基片进行镀膜，并将振动频率反馈给膜厚控制仪，膜厚控制仪驱动探头发生振动，并控制挡板闭合，通过真空罩底部的蒸发源将镀膜材料蒸发到探头的待镀膜基片上，在镀膜过程中，通过实时测量探头的振动频率，来控制探头中待镀膜基片的镀膜厚度，在镀膜过程中，光学塑料镜片采用RF射频离子源大功率大角度辅助镀膜，EB+IB＝IAD镀膜工艺，离子辅助镀膜IAD通过离子轰击的方法改善薄膜的品质，控制塑料镜片蒸镀条件中的参数，在光学塑料镜片上镀制性能稳定的金属反射膜，提高光学塑料镜片的透射率，减少光学塑料镜片内的反射光线和杂散光，光学塑料镜片采用镜片AR增透膜镀膜方法，待镀膜基片的镀膜厚度达到预设厚度时，控制挡板打开，遮挡蒸发源所蒸发的镀膜材料，镀膜结束。
膜厚控制仪是利用石英晶体的压电效应，通过测量石英晶体的震荡频率的变化转换出成膜的厚度，压电效应：电场加到石英晶体上可使晶体产生振荡波最低的振荡频率叫做基准频率，晶片的基准频率是6MHz。
如图13，本发明还提供了一种膜厚控制装置的镀膜方法，包括以下三个阶段：S1、镀膜前对镀膜材料进行预熔，镀膜前包括第一预熔阶段和第二预熔阶段，第二预熔阶段的电源功率高于第一预熔阶段，镀膜前先通过第一功率提升阶段到达第一预熔阶段，然后通过第二功率提升阶段到达第二预熔阶段，第二预熔阶段结束时挡板打开；S2、从镀膜前进入镀膜中时挡板打开，镀膜中包括第一镀膜阶段、速率提升阶段和第二镀膜阶段，第一镀膜阶段通过与第二预熔阶段的电源功率相同，第二镀膜阶段的电源功率大于第一镀膜阶段的镀膜功率，第一镀膜阶段通过速率提升阶段到达第二镀膜阶段，第二镀膜阶段结束时将挡板关闭；S3、镀膜后包括功率降低第一阶段、功率保持阶段和功率降低第二阶段，通过功率降低第一阶段将第二镀膜阶段的电源功率逐步降低，然后进入功率保持阶段，一段时间后进入功率降低第二阶段，直至电源功率将至零，结束镀膜。
在S2阶段中，进行镀膜实测监控，镀膜实测监控包括镀膜速率实测和镀膜电流实测。
镀膜速率实测中，当速率信号不稳定时：若晶片失效则更换晶片；若信号电路损坏，(识别活性>400)，检查晶片与支持架的接触表面是否干净；若镀膜造成的表面应力则更换晶片。
镀膜速率实测中，当速率控制不良时：通过稳定速率信号、优化控制回路参数以及电子枪10HZ测量速率扫描，改变扫描速率三个方面进行优化。
在本实施例中，镀膜速率实测如图14，镀膜电流实测如图15。
在S2阶段中，根据反射光谱曲线与作为参考值的参数比较，对待镀膜基片的镀膜厚度进行修正微调，微调厚度在1mm～2mm间。如图16为本实施例中的镀膜反射曲线示意图，图中一条是参考曲线一条为反射光谱曲线。
镀膜温度实际不得超过85℃。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光学塑料镜片离子源镀膜工艺，其特征在于：光学塑料镜片使用RF射频离子源大功率大角度辅助镀膜，EB+IB＝IAD镀膜工艺，结合光学膜厚直接监控方法，离子辅助镀膜IAD通过离子轰击的方法改善薄膜的品质，控制光学塑料镜片蒸镀条件中的参数，在光学塑料镜片上镀制金属反射膜，提高光学塑料镜片的透射率，减少光学塑料镜片内的反射光线和杂散光，光学塑料镜片采用镜片AR增透膜镀膜方法。
2.如权利要求1所述的光学塑料镜片离子源镀膜工艺，其特征在于：镀膜材料采用五氧化三钛ti3o5和二氧化硅sio2。
3.如权利要求1所述的光学塑料镜片离子源镀膜工艺，其特征在于：镜片AR增透膜镀膜方法包括如下步骤：S1、镜片仓出库；S2、镀膜仓入库；S3、镀前抽检外观；S4、上伞镀膜；S5、分材料选择机台膜系；S6、全自动双面镀膜90分钟；S7、镀膜下伞；S8、分穴号15盘相同打包；S9、判定膜色测反射曲线及膜裂；S10、镀后抽检外观；S11、镀膜仓出库；S12、镜片仓静置3H产品发组立。
4.如权利要求1所述的光学塑料镜片离子源镀膜工艺，其特征在于：IB离子源功率设定中，二氧化硅sio2采用400V/600mA，五氧化三钛ti3o5采用600V/900mA。
5.如权利要求1所述的光学塑料镜片离子源镀膜工艺，其特征在于：EB电子枪功率参数设定中，五氧化三钛ti3o5采用480mA、速率二氧化硅sio2，二氧化硅sio2采用150mA、速率
Figure FDA0003029666780000011
镀膜过程速率的变化电流会自动变化，整体变化小于50mA。
6.如权利要求1所述的光学塑料镜片离子源镀膜工艺，其特征在于：镀膜设备采用SDAR-1800DCI光驰镀膜机。
7.如权利要求1所述的光学塑料镜片离子源镀膜工艺，其特征在于：金属反射膜的反射膜系为介质加金属三层反射膜系。
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