CN116819661A - 一种光谱特性可变的光学薄膜及其光谱特性的调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光谱特性可变的光学薄膜及其光谱特性的调节方法，属于光学薄膜技术领域。所述光学薄膜包括至少一层第一折射率层和至少一层第二折射率层，所述第一折射率层和所述第二折射率层交替层叠；所述第一折射率层的材料为亚稳态材料，所述第二折射率层的材料为稳态材料；所述第一折射率层与所述第二折射率层的折射率不相等。本发明提供的光学薄膜的光谱特性可以通过简单的加热氧化进行改变，从而满足多种光谱特性要求，节省光学薄膜的生产成本。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种光谱特性可变的光学薄膜及其光谱特性的调节方法。
背景技术
光学薄膜是由薄的分层介质构成的，通过界面传播光束的一类光学介质材料。其在眼镜、电脑、电视、相机、光学仪器等领域具有广泛应用。
光学薄膜按其功能分类，包括高反射膜、减反射膜、滤光膜、偏光膜、分光膜等。光学薄膜的精度要求较高，通常采用真空蒸镀、磁控溅射、离子镀等方法逐层镀膜制备，一旦制备完成后，其光谱特性基本是固定的。光谱特性是光学薄膜的核心规格，一般一款光学薄膜元件是按照目标光谱特性规格进行生产加工的，如果需要不同光谱特性规格的光学薄膜，就需要重新镀膜加工。而受光学薄膜镀膜设备成本的影响，光学薄膜镀膜成本较高。因此，目前的光学薄膜难以满足实际应用的需求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种光谱特性可变的光学薄膜及其光谱特性的调节方法。该光学薄膜的光谱特性可以通过简单的处理（相对于镀膜加工而言）进行改变，从而满足多种光谱特性要求，节省光学薄膜的生产成本。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种光谱特性可变的光学薄膜，包括至少一层第一折射率层和至少一层第二折射率层，所述第一折射率层和所述第二折射率层交替层叠；
所述第一折射率层的材料为亚稳态材料，所述第二折射率层的材料为稳态材料；
所述第一折射率层与所述第二折射率层的折射率不相等。
本发明中，所述光学薄膜可以是减反射膜、高反射膜、波长分光膜、光强分光膜、偏振分光膜、红外截止膜、波长带通膜或消光膜等。
在本发明一些实施方式中，所述第一折射率层的材料为SiOx，0＜x＜2。
在本发明一些实施方式中，所述第一折射率层的材料为SiO。
在本发明一些实施方式中，所述第二折射率层的材料选自SiO2、TiO2、Al2O3、MgF2、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、HfO2、Y2O3、ZnO、CeO2、Sb2O3、V2O3、ZnS、CdS、CaF2、NaF、KF、AlF3、SrF3、BaF2和YbF3中的一种或多种。
在本发明一些实施方式中，所述光学薄膜还包括基底，所述光学薄膜的最外两层分别为所述基底和所述第二折射率层。
在本发明一些实施方式中，所述光学薄膜还包括围设在所述光学薄膜侧面四周的密封圈。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的光学薄膜的光谱特性的调节方法，所述调节方法包括如下步骤：
当所述光学薄膜不含密封圈时，将所述光学薄膜在有氧气氛中进行烘烤；当所述光学薄膜含有密封圈时，将所述光学薄膜去除密封圈后在有氧气氛中进行烘烤，使所述第一折射率层的材料发生氧化反应，从而改变所述光学薄膜的光谱特性。
在本发明一些实施方式中，所述烘烤的温度为200-400℃。
在本发明一些实施方式中，所述有氧气氛为空气气氛或纯氧气氛。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的光学薄膜中，第一折射率层的材料为亚稳态材料，其光学性质可以通过简单的处理（相对于镀膜加工而言）发生改变，从而使得光学薄膜的光谱特性可变，能够通过低成本处理应对多种光谱特性要求，满足一次镀膜的多种光谱特性定制需求，节省光学薄膜的生产成本。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的光强分光膜的剖面结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的光强分光膜的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的光强分光膜烘烤不同时间的光谱曲线图；
图4为本发明实施例2提供的光强分光膜烘烤不同时间的光谱曲线图；
图5为本发明实施例3提供的光强分光膜烘烤不同时间的光谱曲线图；
其中，1为第一折射率层，2为第二折射率层，3为基底。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
在本发明实施例中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
第一方面，本发明实施例提供一种光谱特性可变的光学薄膜。图1示出了该光学薄膜的一种剖面结构示意图，包括至少一层第一折射率层1和至少一层第二折射率层2，所述第一折射率层1和所述第二折射率层2交替层叠；
所述第一折射率层1的材料为亚稳态材料，所述第二折射率层2的材料为稳态材料；
所述第一折射率层1与所述第二折射率层2的折射率不相等。
需要说明的是，本发明中所述亚稳态材料是指其组成原子处于非最稳化学价态，能够在一定条件（例如高温）下向最稳化学价态转变，改变光学性质的材料。所述稳态材料是指其组成原子具有最稳化学价态，光学性质不易改变的材料。本领域技术人员容易理解，由于光学薄膜需要具有一定的膜层结构才能发挥其功能，因此所述亚稳态材料需要具有一定的稳定性以便能够形成所述第一折射率层，且在向最稳化学价态转变过程中不能破坏光学薄膜的结构。
本发明实施例提供的光学薄膜，由于含有亚稳态材料，因此只要通过简单的处理（相对于镀膜加工而言），使其向稳态转变，改变光学性质，就能使光学薄膜的光谱特性发生改变，从而满足多种光谱特性要求，节省光学薄膜的生产成本。
本发明中，所述第一折射率层1的折射率可以高于第二折射率层2的折射率，也可以低于第二折射率层2的折射率。
本发明中，所述光学薄膜可以是减反射膜、高反射膜、波长分光膜、光强分光膜、偏振分光膜、红外截止膜、波长带通膜或消光膜等。
这些光学薄膜均具有上述第一折射率层和第二折射率层交替层叠的结构，但其光谱特性不同。光学薄膜的光谱特性与光的入射角度、波长范围、第一折射率层和第二折射率层的折射率、层数、厚度等因素有关。本发明对于这些因素不做特殊限制，本领域技术人员可以根据本领域的常规技术知识和要获得的光谱特性，选择合适的折射率、层数、厚度等参数。
在本发明一些实施方式中，所述第一折射率层1的材料为SiOx，0＜x＜2。
其中，x可以是0到2之间的任意数值，例如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9等。
本发明中采用的化合物SiOx为亚稳态材料，其能够在有氧环境中通过简单的高温烘烤，与氧气进一步发生氧化反应，使得折射率发生改变，从而改变光学薄膜的光谱特性。
在本发明一些实施方式中，所述第一折射率层1的材料为SiO。
在本发明一些实施方式中，所述第二折射率层2的材料选自SiO2、TiO2、Al2O3、MgF2、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、HfO2、Y2O3、ZnO、CeO2、Sb2O3、V2O3、ZnS、CdS、CaF2、NaF、KF、AlF3、SrF3、BaF2和YbF3中的一种或多种。
本发明中，所述光学薄膜还可以包括基底3。
当所述光学薄膜不包括基底3时，作为一种优选的实施方式，所述光学薄膜的最外两层（即两端的最外层）均为所述第二折射率层2。这两层第二折射率层2可以相同，也可以不同。
当所述光学薄膜还包括基底3时，作为一种优选的实施方式，所述光学薄膜的最外两层（即两端的最外层）分别为所述基底3和所述第二折射率层2。图2示出了该光学薄膜的一种剖面结构示意图。
本发明中，所述基底3用于承载所述第一折射率层1和第二折射率层2的叠层结构，同时其也会影响所述光学薄膜的光谱特性。所述第二折射率层2和基底3的材料为稳态材料。本发明将基底3和第二折射率层2分别设置在光学薄膜的两端，作为最外两层，能够对第一折射率层1起到保护作用，减少第一折射率层材料与外界环境的接触面积，减少第一折射率层材料的反应，使光学薄膜光谱特性保持稳定。
在本发明一些实施方式中，所述光学薄膜还包括围设在所述光学薄膜侧面四周的密封圈。
第一折射率层的材料为亚稳态材料，在常温空气环境中仍会缓慢地发生氧化反应。从本发明膜层结构来看，当光学薄膜最外层为第二折射率层时，第一折射率层只有侧面暴露在外界。为了避免氧气从光学薄膜边缘渗透到膜层内与第一折射率层的材料发生氧化反应，可对光学薄膜边缘进行密封处理，密封手段包括但不限于涂胶、涂墨、涂硅油等。
本发明中，对所述光学薄膜的制备方法不做特殊限制，本领域技术人员可以采用本领域的常规方法进行制备，例如真空蒸镀、磁控溅射、离子镀等。
第二方面，本发明实施例提供一种如第一方面所述的光学薄膜的光谱特性的调节方法，所述调节方法包括如下步骤：
当所述光学薄膜不含密封圈时，将所述光学薄膜在有氧气氛中进行烘烤；当所述光学薄膜含有密封圈时，将所述光学薄膜去除密封圈后在有氧气氛中进行烘烤，使所述第一折射率层的材料发生氧化反应，从而改变所述光学薄膜的光谱特性。
作为一种优选的实施方式，当光学薄膜达到所需的光谱特性后，需再次对光学薄膜进行密封，以减少第一折射率层材料与外界环境的接触面积，使光学薄膜的光谱特性保持稳定。
在本发明一些实施方式中，所述烘烤的温度为200-400℃；例如可以是200℃、220℃、230℃、250℃、260℃、280℃、300℃、320℃、330℃、350℃、360℃、380℃或400℃等。
在本发明一些实施方式中，所述有氧气氛为空气气氛或纯氧气氛。
通过提高烘烤温度，和/或提高环境中氧气的含量，能够加快第一折射率层材料的氧化速率，加快光学薄膜的光谱特性的变化速率。本领域技术人员可以根据需要选择合适的烘烤温度和环境气氛。
以下以光强分光膜为例，对本发明所述的光谱特性可变的光学薄膜的结构和光谱特性调节方法进行说明。其他类型的光谱特性可变的光学薄膜可以参照下述实施例提供的光强分光膜，结合本领域的常规技术知识实现。
实施例1
本实施例提供一种光谱特性可变的光强分光膜，其结构如图2所示，包括基底3，和设置在所述基底3上的交替层叠的第一折射率层1和第二折射率层2，基底3靠近第1层，其中各层材料和厚度如表1所示。
表1
其中，SiO2的折射率为1.46，SiO的折射率为1.9，基底材料（玻璃）的折射率为1.52，所述所有膜材料和基底折射率值对应的光波长都为550nm。
光谱特性的调节：
将本实施例提供的光强分光膜在烤箱（内部为空气环境）中，300℃条件下分别烘烤0.5 h、1 h、2.2 h、5.6 h、9.5 h，烘烤结束后取出，冷却至常温。采用分光光度计对初始和烘烤后的光强分光膜的光谱特性进行测试，波长范围为420-660 nm，入射角为45°±0.5°。
测试结果如图2所示。从图2中可以看出，本实施例提供的光强分光膜对于波长范围为420-660 nm，入射角为45°±0.5°的入射光的初始反射率为(50±5)%。随着烘烤时间的延长，SiO层的氧化程度逐渐升高，折射率逐渐降低，SiO层与SiO2层的折射率差值逐渐减小，光强分光膜的反射率逐渐下降。
实施例2
本实施例提供一种光谱特性可变的光强分光膜，其结构如图2所示，包括基底3，和设置在所述基底3上的交替层叠的第一折射率层1和第二折射率层2，基底3靠近第1层，其中各层材料和厚度如表2所示。
表2
其中，CaF2的折射率为1.43，SiO的折射率为1.9，基底材料（玻璃）的折射率1.52，所述所有膜材料和基底折射率值对应的光波长都为550nm。
光谱特性的调节：
将本实施例提供的光强分光膜在烤箱（内部为空气环境）中，300℃条件下分别烘烤0.45 h、0.95 h、2.5 h、5.8 h、9.5 h，烘烤结束后取出，冷却至常温。采用分光光度计对初始和烘烤后的光强分光膜的光谱特性进行测试，波长范围为420-660 nm，入射角为45°±0.5°。
测试结果如图3所示。从图3中可以看出，本实施例提供的光强分光膜对于波长范围为420-660 nm，入射角为45°±0.5°的入射光的初始反射率为(50±5)%。随着烘烤时间的延长，SiO层的氧化程度逐渐升高，折射率逐渐降低，SiO层与CaF2层的折射率差值逐渐减小，光强分光膜的反射率逐渐下降。
实施例3
本实施例提供一种光谱特性可变的光强分光膜，其结构如图2所示，包括基底3，和设置在所述基底3上的交替层叠的第一折射率层1和第二折射率层2，基底3靠近第1层，其中各层材料和厚度如表3所示。
表3
其中，MgF2的折射率为1.38，SiO折射率为1.9，基底材料（玻璃）的折射率1.52，所述所有膜材料和基底折射率值对应的光波长都为550nm。
光谱特性的调节：
将本实施例提供的光强分光膜在烤箱（内部空气环境）中，300℃条件下分别烘烤0.6 h、1.1 h、2.1 h、5.1 h、8.9 h，烘烤结束后取出，冷却至常温。采用分光光度计对初始和烘烤后的光强分光膜的光谱特性进行测试，波长范围为420-660 nm，入射角为45°±0.5°。
测试结果如图4所示。从图4中可以看出，本实施例提供的光强分光膜对于波长范围为420-660 nm，入射角为45°±0.5°的入射光的初始反射率为(50±5)%。随着烘烤时间的延长，SiO层的氧化程度逐渐升高，折射率逐渐降低，SiO层与MgF2层的折射率差值逐渐减小，光强分光膜的反射率逐渐下降。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种光谱特性可变的光学薄膜，其特征在于，所述光学薄膜包括至少一层第一折射率层和至少一层第二折射率层，所述第一折射率层和所述第二折射率层交替层叠；
所述第一折射率层的材料为亚稳态材料，所述第二折射率层的材料为稳态材料；
所述第一折射率层与所述第二折射率层的折射率不相等。
2.根据权利要求1所述的光学薄膜，其特征在于，所述第一折射率层的材料为SiOx，0＜x＜2。
3.根据权利要求2所述的光学薄膜，其特征在于，所述第一折射率层的材料为SiO。
4.根据权利要求1或2所述的光学薄膜，其特征在于，所述第二折射率层的材料选自SiO2、TiO2、Al2O3、MgF2、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、HfO2、Y2O3、ZnO、CeO2、Sb2O3、V2O3、ZnS、CdS、CaF2、NaF、KF、AlF3、SrF3、BaF2和YbF3中的一种或多种。
5.根据权利要求1或2所述的光学薄膜，其特征在于，所述光学薄膜还包括基底，所述光学薄膜的最外两层分别为所述基底和所述第二折射率层。
6.根据权利要求1或2所述的光学薄膜，其特征在于，所述光学薄膜还包括围设在所述光学薄膜侧面四周的密封圈。
7.根据权利要求1或2所述的光学薄膜，其特征在于，所述光学薄膜为减反射膜、高反射膜、波长分光膜、光强分光膜、偏振分光膜、红外截止膜、波长带通膜或消光膜。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的光学薄膜的光谱特性的调节方法，其特征在于，所述调节方法包括如下步骤：
当所述光学薄膜不含密封圈时，将所述光学薄膜在有氧气氛中进行烘烤；当所述光学薄膜含有密封圈时，将所述光学薄膜去除密封圈后在有氧气氛中进行烘烤，使所述第一折射率层的材料发生氧化反应，从而改变所述光学薄膜的光谱特性。
9.根据权利要求8所述的调节方法，其特征在于，所述烘烤的温度为200-400℃。
10.根据权利要求8所述的调节方法，其特征在于，所述有氧气氛为空气气氛或纯氧气氛。
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| CN117908175A (zh) * | 2024-03-20 | 2024-04-19 | 四川虹基光玻新材料科技有限公司 | 一种半反射膜及其制备方法和应用 |
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