CN113336450A - 增透膜及其制备方法和光学元件 - Google Patents

增透膜及其制备方法和光学元件 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种增透膜及其制备方法和光学元件。增透膜，包括基材以及依次层叠设置在所述基材表面的第一二氧化硅层、高/低折射率材料混合层、五氧化二铌层和第二二氧化硅层。增透膜的制备方法，包括：通过磁控溅射法依次在所述基材的表面镀覆所述第一二氧化硅层、所述高/低折射率材料混合层、所述五氧化二铌层和所述第二二氧化硅层。光学元件，包括所述的增透膜。本申请提供的增透膜，在400nm‑700nm透过率高，膜层数量少、膜厚度薄，加工效率高、成本低。

Description

增透膜及其制备方法和光学元件
技术领域
本申请涉及光学器件领域，尤其涉及一种增透膜及其制备方法和光学元件。
背景技术
随着科技发展的日新月异，光学薄膜在人们的日常生活中被大量应用，而在光学元件中由于元件表面具有反射作用，造成了部分光能损失，降低了光线的透射效果，进而影响了人类观看电子设备的成像视觉感，所以为了减少光学元件表面的反射损失，我们通常可以在光学元件表面镀上一层或多层透明介质薄膜来增强光线透射效果，也把这种膜叫做增透膜。
光学薄膜的反射率、透过率和带宽等性能与材料的性能特别是折射率密切相关，在优化光学薄膜设计时，为了达到最佳性能，往往需要某种特定的折射率材料。但现实生活中可以直接利用的材料是有限的，通常情况下找不到优化设计所需的最佳的折射率材料，也因为材料的其它性能(如消光系数、透明区等)不好而无法使用，因而在实际应用中，为了获得具有目标透过率的增透膜，往往需要增加膜层数，这就导致膜层厚度变大，而且随之带来加工时间延长、成品率下降、寿命下降以及成本上升等问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种增透膜及其制备方法和光学元件，以解决上述问题。
为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：
一种增透膜，包括基材以及依次层叠设置在所述基材表面的第一二氧化硅层、高/低折射率材料混合层、五氧化二铌层和第二二氧化硅层。
优选地，所述高/低折射率材料混合层包括高折射率材料和低折射率材料，所述高/低折射率材料混合层的折射率为1.55-1.80，所述高折射率材料的折射率为2.2-2.4，所述低折射率材料的折射率为1.45-1.60。
优选地，所述高折射率材料包括二氧化钛、三氧化二钛、五氧化三钛、二氧化锆和五氧化二铌中的一种或多种，所述低折射率材料包括硅的氧化物。
优选地，所述高折射率材料为五氧化二铌，所述低折射率材料为二氧化硅；
所述第一二氧化硅层的厚度为80nm-100nm，所述高/低折射率材料混合层的厚度为60nm-80nm，所述五氧化二铌层的厚度为90nm-110nm，所述第二二氧化硅层的厚度为79nm-99nm。
优选地，所述基材包括玻璃。
一种所述的增透膜的制备方法，包括：
通过磁控溅射法依次在所述基材的表面镀覆所述第一二氧化硅层、所述高/低折射率材料混合层、所述五氧化二铌层和所述第二二氧化硅层。
优选地，所述高/低折射率材料混合层为五氧化二铌和二氧化硅；镀覆所述高/低折射率材料混合层时，硅靶和铌靶的功率为(1.2-2)：1。
优选地，所述第一二氧化硅层的镀膜速率为0.15nm/s-0.5nm/s，射频功率为4W-5W，硅靶功率为12kW-15kW，硅靶位的氩气流量为200sccm-300sccm，氧气流量为400sccm-600sccm；
所述高/低折射率材料混合层的镀膜速率为0.3nm/s-0.5nm/s，射频功率为4W-5W，硅靶位的氩气流量为150sccm-200sccm，铌靶位的氩气流量为200sccm-300sccm，氧气流量为600sccm-800sccm；
所述五氧化二铌层的镀膜速率为0.1nm/s-0.3nm/s，射频功率为4W-5W，铌靶的功率为10kW-12kW，铌靶位的氩气流量为200sccm-300sccm，氧气流量为300sccm-500sccm；
所述第二二氧化硅层的镀膜速率为0.3nm/s-0.5nm/s，射频功率为4W-5W，硅靶功率为12kW-15kW，硅靶位的氩气流量为200sccm-300sccm，氧气流量为400sccm-600sccm。
优选地，所述镀覆之前还包括：对所述基材进行清洗、加热和等离子体清洁。
一种光学元件，包括所述的增透膜。
与现有技术相比，本申请的有益效果包括：
本申请提供的增透膜，通过在第一二氧化硅层、五氧化二铌层和第二二氧化硅层这种明确的高折射率材料层、低折射率材料层搭配的膜系结构中设置高/低折射率材料混合层，在保证所得到的增透膜的透过率的同时，大幅降低膜层层数和厚度，提升增透膜的质量和寿命，提高生产效率、降低生产成本；
本申请提供的增透膜的方法，通过磁控溅射方法制备各个膜层，对于制备高/低折射率材料混合层而言，磁控溅射法相比于现有的直接混合掺杂法，工艺简单，可通过控制靶材功率方便快捷的得到具有目标折射率的高/低折射率材料混合层，从而得到具有目标透过率和信耐性的增透膜；
本申请提供的增透膜可广泛用于各种光学元件中。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。
图1为实施例1提供的增透膜的结构示意图；
图2为实施例1提供的制备方法的工艺流程示意图；
图3为实施例1得到的增透膜在400-700nm的透过率曲线图；
图4为实施例1-6得到的增透膜在400-700nm的透过率曲线图；
图5为对比例1提供的膜系结构示意图。
附图标记：
1-玻璃基材；2-第一二氧化硅层；3-高/低折射率材料混合层；4-五氧化二铌层；5-第二二氧化硅层。
具体实施方式
如本文所用之术语：
“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。
“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK(K为任意数，表示倍数因子)。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。
“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。
一种增透膜，包括基材以及依次层叠设置在所述基材表面的第一二氧化硅层、高/低折射率材料混合层、五氧化二铌层和第二二氧化硅层。
在一个可选的实施方式中，所述高/低折射率材料混合层包括高折射率材料和低折射率材料，所述高/低折射率材料混合层的折射率为1.55-1.80，所述高折射率材料的折射率为2.2-2.4，所述低折射率材料的折射率为1.45-1.60。
可选的，所述高/低折射率材料混合层的折射率可以为1.55、1.60、1.65、1.70、1.75、1.80以及1.55-1.80之间的任一值，所述高折射率材料的折射率可以为2.2、2.3、2.4以及2.2-2.4之间的任一值，所述低折射率材料的折射率可以为1.45、1.50、1.55、1.60以及1.45-1.60之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述高折射率材料包括二氧化钛、三氧化二钛、五氧化三钛、二氧化锆和五氧化二铌中的一种或多种，所述低折射率材料包括硅的氧化物。
在一个可选的实施方式中，所述高折射率材料为五氧化二铌，所述低折射率材料为二氧化硅；
所述第一二氧化硅层的厚度为80nm-100nm，所述高/低折射率材料混合层的厚度为60nm-80nm，所述五氧化二铌层的厚度为90nm-110nm，所述第二二氧化硅层的厚度为79nm-99nm。
可选的，所述第一二氧化硅层的厚度可以为80nm、90nm、100nm以及80nm-100nm之间的任一值，所述高/低折射率材料混合层的厚度可以为60nm、70nm、80nm以及60nm-80nm之间的任一值，所述五氧化二铌层的厚度可以为90nm、100nm、110nm以及90nm-110nm之间的任一值，所述第二二氧化硅层的厚度可以为79nm、89nm、99nm以及79nm-99nm之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述基材包括玻璃。
一种增透膜的制备方法，包括：
通过磁控溅射法依次在所述基材的表面镀覆所述第一二氧化硅层、所述高/低折射率材料混合层、所述五氧化二铌层和所述第二二氧化硅层。
在一个可选的实施方式中，所述高/低折射率材料混合层为五氧化二铌和二氧化硅；镀覆所述高/低折射率材料混合层时，硅靶和铌靶的功率为(1.2-2)：1。
可选的，硅靶和铌靶的功率可以为1.2：1、1.3：1、1.4：1、1.5：1、1.6：1、1.7：1、1.8：1、1.9：1、2.0：1以及(1.2-2)：1之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述第一二氧化硅层的镀膜速率为0.15nm/s-0.5nm/s，射频功率为4W-5W，硅靶功率为12kW-15kW，硅靶位的氩气流量为200sccm-300sccm，氧气流量为400sccm-600sccm；
所述高/低折射率材料混合层的镀膜速率为0.3nm/s-0.5nm/s，射频功率为4W-5W，硅靶位的氩气流量为150sccm-200sccm，铌靶位的氩气流量为200sccm-300sccm，氧气流量为600sccm-800sccm；
所述五氧化二铌层的镀膜速率为0.1nm/s-0.3nm/s，射频功率为4W-5W，铌靶的功率为10kW-12kW，铌靶位的氩气流量为200sccm-300sccm，氧气流量为300sccm-500sccm；
所述第二二氧化硅层的镀膜速率为0.3nm/s-0.5nm/s，射频功率为4W-5W，硅靶功率为12kW-15kW，硅靶位的氩气流量为200sccm-300sccm，氧气流量为400sccm-600sccm。
可选的，所述第一二氧化硅层的镀膜速率可以为0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50以及0.15nm/s-0.5nm/s之间的任一值，射频功率可以为4W、4.5W、5W以及4W-5W之间的任一值，硅靶功率可以为12kW、13kW、14kW、15kW以及12kW-15kW之间的任一值，硅靶位的氩气流量可以为200sccm、250sccm、300sccm以及200sccm-300sccm之间的任一值，氧气流量可以为400sccm、500sccm、600sccm以及400sccm-600sccm之间的任一值；所述高/低折射率材料混合层的镀膜速率可以为0.3nm/s、0.4nm/s、0.5nm/s以及0.3nm/s-0.5nm/s之间的任一值，射频功率可以为4W、4.5W、5W以及4W-5W之间的任一值，硅靶位的氩气流量可以为150sccm、160sccm、170sccm、180sccm、190sccm、200sccm以及150sccm-200sccm之间的任一值，铌靶位的氩气流量可以为200sccm、250sccm、300sccm以及200sccm-300sccm之间的任一值，氧气流量可以为600sccm、700sccm、800sccm以及600sccm-800sccm之间的任一值；所述五氧化二铌层的镀膜速率可以为0.1nm/s、0.2nm/s、0.3nm/s以及0.1nm/s-0.3nm/s之间的任一值，射频功率可以为4W、4.5W、5W以及4W-5W之间的任一值，铌靶的功率可以为10kW、11kW、12kW以及10kW-12kW之间的任一值，铌靶位的氩气流量可以为200sccm、250sccm、300sccm以及200sccm-300sccm之间的任一值，氧气流量可以为300sccm、400sccm、500sccm以及300sccm-500sccm之间的任一值；所述第二二氧化硅层的镀膜速率可以为0.3nm/s、0.4nm/s、0.5nm/s以及0.3nm/s-0.5nm/s之间的任一值，射频功率可以为4W、4.5W、5W以及4W-5W之间的任一值，硅靶功率可以为12kW、13kW、14kW、15kW以及12kW-15kW之间的任一值，硅靶位的氩气流量可以为200sccm、250sccm、300sccm以及200sccm-300sccm之间的任一值，氧气流量可以为400sccm、500sccm、600sccm以及400sccm-600sccm之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述镀覆之前还包括：对所述基材进行清洗、加热和等离子体清洁。
一种光学元件，包括所述的增透膜。
下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种增透膜，包括玻璃基材1以及依次层叠设置在玻璃基材1的其中一个表面的第一二氧化硅层2、高/低折射率材料混合层3、五氧化二铌层4和第二二氧化硅层5。其中，高/低折射率材料混合层3的成分为五氧化二铌和硅的氧化物(主要是二氧化硅)。
如图2所示，本实施例还提供一种上述增透膜的制备方法，包括：
1.将基材使用平板清洗机清洗干净，出料覆双面保护膜；
2.将清洗干净的基材贴于挂板载具并传入真空磁控溅射镀膜机载入腔体，抽真空至6.0E-0Pa，使用腔体中的电阻丝加热烘烤20min，烘烤温度120℃；
3.将挂板载具传入镀膜腔，抽真空至8.0E-4Pa后开始执行镀膜；
4.使用真空磁控溅射镀膜机，采用铌靶、硅靶、氩气和氧气作为靶材和气体；具体的：
4.1镀第一二氧化硅层2
镀膜参数如下表1所示：
表1第一二氧化硅层镀膜参数
Figure BDA0003140017470000091
4.2镀高/低折射率材料混合层3
镀膜参数如下表2所示：
表2高/低折射率材料混合层镀膜参数
Figure BDA0003140017470000092
4.3镀五氧化二铌层4
镀膜参数如下表3所示：
表3五氧化二铌层镀膜参数
Figure BDA0003140017470000093
Figure BDA0003140017470000101
4.4第二二氧化硅层5
镀膜参数如下表4所示：
表4第二二氧化硅层镀膜参数
Figure BDA0003140017470000102
对所得的增透膜进行信耐性测试，结果如下表5所示：
表5信耐性测试
Figure BDA0003140017470000103
由上表5可知，所得增透膜的性耐性良好。
对所得增透膜进行透过率性能测试，结果如图3(横坐标为波长，单位为nm；纵坐标为透过率，单位为％)所示。由图3可知，本实施例得到的增透膜400-700nm平均透过率可达95.4051％。
实施例2-6
与实施例1不同的是，制备镀高/低折射率材料混合层3时，调整铌靶的功率为10kW、9kW、8kW、7.5kW、6kW。
测试实施例1-6得到的高/低折射率材料混合层3的折射率，结果如下表6所示：
表6高/低折射率材料混合层折射率
Figure BDA0003140017470000111
测试实施例1-6得到的增透膜在400-700nm的平均透过率，结果如下表7所示：
表7实施例1-6平均透过率
Figure BDA0003140017470000112
实施例1-6得到的增透膜在400-700nm的透过率曲线如图4(横坐标为波长，单位为nm；纵坐标为透过率，单位为％)所示。图4中，各条曲线以右侧端排序，由上至下依次对应实施例4、实施例1、实施例5、实施例6、实施例3、实施例2。
由表6、表7和图4可知，当高/低折射率材料混合层3的折射率达到1.7516时，所得增透膜的透过率最大(实施例1，95.4051％)。
实施例7
与实施例1不同的是，制备高/低折射率材料混合层3时，将铌靶调整为钛靶，得到的增透膜在400-700nm的平均透过率为95.5％。
实施例8
与实施例1不同的是，制备高/低折射率材料混合层3时，将铌靶调整为锆靶，得到的增透膜在400-700nm的平均透过率为95.0％。
对比例1
以实施例1得到的增透膜的透过率为目标，采用单独的二氧化硅层和五氧化二铌层进行增透膜设计，则需要12层，具体结构如图5所示。
该膜系结构组成包括依次叠置的玻璃基材和反复交替设置6次的二氧化硅层、五氧化二铌层。其膜层厚度依次为5、60、17.5、48、27、44、19.5、206.3、26.9、25.8、37.9、92.3，总厚度达到610.2nm。而实施例1的厚度仅为343nm。
对比例2
称量质量比为8：1的SiO2与Nb2O5的粉末，经干燥烘箱烘烤以充分去除水分，再放入研钵中进行研磨，以使粉末混合搅拌至均匀。将混合均匀的粉末放入高温硅钼炉中进行预烧，温度为830℃，时间为4.5小时。将烧好的粉末冷却至室温放入研体，并加入聚乙烯醇聚合剂10mL，以对粉末进行造粒；将上述造粒好的粉末用粉末压片机进行压片，压片机的压力为35MPa，压力增加速度为3MPa/min，压制成厚度为4mm、直径为40mm的圆形靶片；对上述压制好的靶片进行烧结，烧结温度为1360℃，升温速率为3℃/min，保温时间为4小时，然后随炉冷却至室温，完成SiO2与Nb2O5共掺的氧化物陶瓷靶的制备；再将制备的氧化物陶瓷靶为靶材，采用磁控溅射工艺制备SiO2/Nb2O5混合层。
传统的混合掺杂法需先选取材料进行配比来共掺制备氧化物陶瓷靶材，需要进行高温预烤、烧结等一系列过程且制备材料比例固定，一种比例对应一种靶材，然后再进行磁控溅射制备增透膜，本申请提供的增透膜的制备方法，将高折射率材料与低折射率在真空磁控溅射镀膜机内进行混合溅镀，此方法较传统的混合掺杂法具有以下优点：1)可通过溅射镀膜机控制界面修改两种材料靶材电源功率参数来获得所需折射率的材料，省去了传统掺杂混合法中研磨、称量、配比、预烤、造粒、烧结制靶再镀膜等一系列制备工艺；2)可通过两种高低折射率材料靶材制得折射率在一定范围内任意数值的指定折射率材料，较传统单一掺杂混合配比法节约了大量成本及时间；3)通过更改高低折射率材料靶材电源功率配比的制备方法较混合掺杂法的质量配比法更为精确，且操作方便、简单易得。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种增透膜，其特征在于，包括基材以及依次层叠设置在所述基材表面的第一二氧化硅层、高/低折射率材料混合层、五氧化二铌层和第二二氧化硅层。
2.根据权利要求1所述的增透膜，其特征在于，所述高/低折射率材料混合层包括高折射率材料和低折射率材料，所述高/低折射率材料混合层的折射率为1.55～1.80，所述高折射率材料的折射率为2.2-2.4，所述低折射率材料的折射率为1.45-1.60。
3.根据权利要求2所述的增透膜，其特征在于，所述高折射率材料包括二氧化钛、三氧化二钛、五氧化三钛、二氧化锆和五氧化二铌中的一种或多种，所述低折射率材料包括硅的氧化物。
4.根据权利要求3所述的增透膜，其特征在于，所述高折射率材料为五氧化二铌，所述低折射率材料为二氧化硅；
所述第一二氧化硅层的厚度为80nm-100nm，所述高/低折射率材料混合层的厚度为60nm-80nm，所述五氧化二铌层的厚度为90nm-110nm，所述第二二氧化硅层的厚度为79nm-99nm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的增透膜，其特征在于，所述基材包括玻璃。
6.一种权利要求1-5任一项所述的增透膜的制备方法，其特征在于，包括：
通过磁控溅射法依次在所述基材的表面镀覆所述第一二氧化硅层、所述高/低折射率材料混合层、所述五氧化二铌层和所述第二二氧化硅层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述高/低折射率材料混合层为五氧化二铌和二氧化硅；镀覆所述高/低折射率材料混合层时，硅靶和铌靶的功率为(1.2-2)：1。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述第一二氧化硅层的镀膜速率为0.15nm/s-0.5nm/s，射频功率为4W-5W，硅靶功率为12kW-15kW，硅靶位的氩气流量为200sccm-300sccm，氧气流量为400sccm-600sccm；
所述高/低折射率材料混合层的镀膜速率为0.3nm/s-0.5nm/s，射频功率为4W-5W，硅靶位的氩气流量为150sccm-200sccm，铌靶位的氩气流量为200sccm-300sccm，氧气流量为600sccm-800sccm；
所述五氧化二铌层的镀膜速率为0.1nm/s-0.3nm/s，射频功率为4W-5W，铌靶的功率为10kW-12kW，铌靶位的氩气流量为200sccm-300sccm，氧气流量为300sccm-500sccm；
所述第二二氧化硅层的镀膜速率为0.3nm/s-0.5nm/s，射频功率为4W-5W，硅靶功率为12kW-15kW，硅靶位的氩气流量为200sccm-300sccm，氧气流量为400sccm-600sccm。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述镀覆之前还包括：对所述基材进行清洗、加热和等离子体清洁。
10.一种光学元件，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的增透膜。
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