CN117008349A - 一种大角度入射分光胶合棱镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大角度入射分光胶合棱镜，包括两个基片和一个纳米介质叠层，其中：纳米介质叠层，贴附于两个基片之间，包括若干个第一膜层和若干个第二膜层，且第一膜层和第二膜层依次层叠，纳米介质叠层的最外层均为第二膜层，第一膜层为高折射率材料，第二膜层为PM薄膜光学材料，由至少一种高折射率材料和至少一种低折射率材料进行成分配比组成，且任意一种成分的配比为5％～95％，纳米介质叠层的厚度为5μm～8μm。该发明具有可见光至近红外波段折射率可调且无吸收、耐冲击能力强、耐候性能优异的优点，能够有效减少膜层与厚度以达到光学特性，降低制造成本和时长。
Description
技术领域
本发明属于光学元件技术领域，具体涉及一种大角度入射分光胶合棱镜。
背景技术
目前，光学薄膜在安防监控、手机、汽车、医疗等领域应用越来越广泛，光学薄膜器件主要包括减反射膜、高反膜、偏振膜、滤光片与分光膜。随着光学薄膜器件应用场景逐渐广泛，为改善光学系统像质，减少光学损失，提高成像质量与清晰度与保护刻度面，常对光学表面进胶合化。此外可视化角度越来越大，但随着入射角度增加，分光曲线逐渐出现蓝移，透过带出现偏移，干涉膜层用于大角度入射时，会产生强烈的偏振效应，封闭的胶合棱镜内的干涉膜层更是如此，而在医疗影像等领域，要求大角度入射下分光光学特性保持不变。
在大角度入射分光胶合棱镜的光学薄膜设计中，单纯的高折射率材料与低折射率材料的堆叠搭配往往无法满足设计要求，胶合棱镜的设计原理是寻找一个入射角，当一束平行光线以这个角度入射时，通常产生强烈的偏振效应，该效应要求电场和磁场在膜层的每一界面上的切向分量均连续。对于给定的高折射率材料和低折射率材料，可选择基片折射率以达到相应的入射角，而在实际光学薄膜设计中，往往在给定的基片折射率和入射角下，高折射率材料和低折射率材料无法满足设计要求，会限制光学薄膜的设计，如存在膜层层数多且厚、实际制备过程耗时长等缺点，膜层厚度往往大于14μm，实际制备过程大于12小时等，造成加工效率低和制造成本高的缺陷。因此，提出一种新的大角度入射分光胶合棱镜是必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种大角度入射分光胶合棱镜，具有可见光至近红外波段折射率可调且无吸收、耐冲击能力强、耐候性能优异的优点，能够有效减少膜层与厚度以达到光学特性，降低制造成本和时长。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种大角度入射分光胶合棱镜，包括两个基片和一个纳米介质叠层，其中：
纳米介质叠层，贴附于两个基片之间，包括若干个第一膜层和若干个第二膜层，且第一膜层和第二膜层依次层叠，纳米介质叠层的最外层均为第二膜层，第一膜层为高折射率材料，第二膜层为PM薄膜光学材料，PM薄膜光学材料由至少一种高折射率材料和至少一种低折射率材料进行成分配比组成，且任意一种成分的配比为5％～95％(蒸发速率)，高折射率材料的折射率大于等于2.0，低折射率材料的折射率小于2.0，纳米介质叠层的厚度为5μm～8μm。
优选地，第一膜层和第二膜层依次层叠的总层数为21层～101层。
优选地，纳米介质叠层的最外层均为厚度50nm～100nm的第二膜层。
优选地，低折射率材料为氟化镁、二氧化硅、氧化铝和氟化镱其中一种，高折射率材料为、五氧化二钽、二氧化锆、二氧化铪、五氧化三钛、五氧化二铌、硫化锌、锗和硅其中一种。
优选地，基片为玻璃基片或塑料基片。
优选地，玻璃基片为K9光学玻璃基片或BK7光学玻璃基片，塑料基片为PMMA基片或PC基片。
优选地，基片为直角三棱镜，且纳米介质叠层贴附于两个基片的斜面上。
优选地，纳米介质叠层采用真空镀膜方式制备。
优选地，真空镀膜方式为离子束溅射真空镀膜、磁控溅射真空镀膜和离子辅助沉积电子束蒸发真空镀膜其中一种。
优选地，纳米介质叠层在低温100℃～170℃下制备。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种大角度入射分光胶合棱镜，包括两个基片和一个纳米介质叠层，在入射角度为45°±15°，玻璃介质入射玻璃介质出射时平均透过率可达95％以上，其中，纳米介质叠层包括依次层叠的若干个第一膜层和第二膜层，折射率可根据配比不同或不同材料组成，不限制原薄膜光学材料的熔点和折射率，该PM(Phenix Materials)薄膜光学材料(第二膜层)耐候性能优异，能够承受高低温冲击、阳光紫外照射、高温高湿等恶劣气候条件变化，在100℃水煮2小时后测试其分光光学特性无明显变化，可采用物理气相沉积原理制备，具有可见光至近红外波段400-1000nm折射率可调且无吸收、耐冲击能力强的优点，能够有效减少膜层与厚度以达到光学特性，降低制造成本和时长，可广泛用于胶合棱镜实现可见光高透、近红外高反射薄膜的大规模量产应用，能够广泛应用于大角度入射分光胶合镜面领域，如应用于医疗影像领域。
附图说明
图1为本发明大角度入射分光胶合棱镜的结构示意图；
图2为本发明实施例1在波长400m-1000nm之间透过率(入射角45度下)的分光曲线图；
图3为本发明实施例1在波长400nm-1000nm之间反射率(入射角45度下)的分光曲线图；
图4为本发明实施例1在波长400nm-1100nm之间透过率(入射角39度、45度、51度下)的光谱曲线图。
图5为本发明实施例2在波长400nm-1000nm之间透过率(入射角45度下)的分光曲线图；
图6为本发明实施例2在波长400nm-1000nm之间反射率(入射角45度下)的分光曲线图；
附图标记说明：1、基片；2、纳米介质叠层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语均属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
本发明采用物理气相沉积，光学反射、吸收和折射的原理制备，大入射角度45°±15°情况下透过率高，耐候性能优异，能够承受高低温冲击，阳光紫外照射，高温高湿等恶劣气候条件变化，使用寿命长，并能够有效减少膜层与厚度以达到光学特性，降低制造成本和时长，尤其适用于医疗仪器的应用。
如图1所示，一种大角度入射分光胶合棱镜，包括两个基片1和一个纳米介质叠层2，其中：
纳米介质叠层2，贴附于两个基片1之间，包括若干个第一膜层和若干个第二膜层，且第一膜层和第二膜层依次层叠，纳米介质叠层2的最外层均为第二膜层，第一膜层为高折射率材料，第二膜层为PM薄膜光学材料，PM薄膜光学材料由至少一种高折射率材料和至少一种低折射率材料进行成分配比组成，且任意一种成分的配比为5％～95％(蒸发速率)，高折射率材料的折射率大于等于2.0，低折射率材料的折射率小于2.0，纳米介质叠层2的厚度为5μm～8μm。
其中，纳米介质叠层2通过胶水粘合于两个基片1的薄膜沉积面上,纳米介质叠层2根据光学反射率和透过率光谱要求可选择不同的膜层数量，从而达到不同反射率和透过率的要求，数量越多，透过率越高，光谱范围越宽。各第一膜层和第二膜层的厚度可任意调整，可为相同厚度或不同厚度。纳米介质叠层2的最外层均为第二膜层，可避免出现色斑等外观不良现象。PM(Phenix Materials)薄膜光学材料为高折射率材料与低折射率材料配比组成，即至少包括一种高折射率材料与一种低折射率材料，如可为一种高折射率材料加上一种低折射率材料、两种高折射率材料加上一种低折射率材料等等，每种材料的成分配比为5％～95％(蒸发速率)，共蒸在同一真空镀膜腔室，同一时间进行成分配比，同时沉积在基片1上。高折射率材料的折射率大于等于2.0，低折射率材料的折射率小于2.0。
在入射角度(AOI)为45°±15°，玻璃介质入射玻璃介质出射时平均透过率可达95％以上，其中，纳米介质叠层包括依次层叠的若干个第一膜层和第二膜层，折射率可根据配比不同或不同材料组成，不限制原薄膜光学材料的熔点和折射率，该PM(PhenixMaterials)薄膜光学材料(第二膜层)耐候性能优异，能够承受高低温冲击、阳光紫外照射、高温高湿等恶劣气候条件变化，在100℃水煮2小时后测试其分光光学特性无明显变化，可采用物理气相沉积原理制备，具有可见光至近红外波段400nm-900nm折射率可调且无吸收、耐冲击能力强的优点，能够有效减少膜层与厚度以达到光学特性，降低制造成本和时长，可广泛用于胶合棱镜实现可见光高透、近红外高反射薄膜的大规模量产应用，能够广泛应用于大角度入射分光胶合镜面领域，如应用于医疗影像领域。
在一实施例中，第一膜层和第二膜层依次层叠的总层数为21层～101层。如记相邻的一个第一膜层和一个第二膜层为一组，则纳米介质叠层2包括10组～50组第一膜层和第二膜层、以及单独的一个第二膜层。优选为49层～57层。
在一实施例中，纳米介质叠层2的最外层均为厚度50nm～100nm的第二膜层。有利于保护膜层，避免出现外观不良。
在一实施例中，低折射率材料为氟化镁、二氧化硅、氧化铝和氟化镱其中一种，高折射率材料为、五氧化二钽、二氧化锆、二氧化铪、五氧化三钛、五氧化二铌、硫化锌、锗和硅其中一种。
在一实施例中，基片1为玻璃基片或塑料基片。
在一实施例中，玻璃基片为K9光学玻璃基片或BK7光学玻璃基片，塑料基片为PMMA基片(亚克力基片)或PC基片。容易理解的是，玻璃基片和塑料基片的具体材质还可根据实际需求调整，如为本领域技术人员常用的其他材质。
在一实施例中，基片1为直角三棱镜，且纳米介质叠层2贴附于两个基片1的斜面上。基片1的斜面即为薄膜沉积面。
在一实施例中，纳米介质叠层2采用真空镀膜方式制备。
在一实施例中，真空镀膜方式为离子束溅射真空镀膜、磁控溅射真空镀膜和离子辅助沉积电子束蒸发真空镀膜其中一种。
在一实施例中，纳米介质叠层2在低温100℃～170℃下制备。实施过程中成膜温度推荐采用低温方式制备，低温100℃～170℃为优选，制备时长8h～10h，以降低膜层应力。如果采用离子辅助沉积推荐采用离子能量高(电压大于600V，电流大于600mA)的射频离子源。
以下通过具体实施例进行详细说明。
实施例1：
本实施例中，第一膜层采用五氧化二铌，PM薄膜光学材料(第二膜层)包括一种高折射率材料和一种低折射率材料，分别为五氧化二铌和二氧化硅，其中五氧化二铌成分配比为50％，二氧化硅成分配比为50％，基片1为直角三棱镜，且纳米介质叠层2贴附于两个基片1的斜面上，纳米介质叠层2的叠层数量为28组(第一膜层+第二膜层)以及单独一层第二膜层，即共57层，使得纳米介质叠层2的最外层均为第二膜层，表1是57层的纳米介质叠层2的具体膜层结构，每层厚度单位为nm，其中，S为BK7基底材料(基片)，参考波长为930nm，折射率为1.52，H表示高折射率材料(第一膜层)，折射率为2.25，PM表示PM薄膜光学材料(第二膜层)，折射率为1.688，无超厚层(≥300nm)和超薄层(≤12nm)，适合光学膜厚控制仪进行膜厚控制。
表1
图2展示了本实施例的分光胶合棱镜在波长400nm-1000nm范围之间的透过率分光曲线(入射角45度下)，分光要求：400nm-640nm，Tave(平均透过率)≥96％；810nm-1000nm，Tave≤10％。
图3展示了本实施例的分光胶合棱镜在波长400nm-1000nm范围之间的反射率分光曲线(入射角45度)，分光要求：400nm-640nm，Rave(平均反射率)≤5％；810nm-1000nm，Rmin(最小反射率)≥85％；Rave≥90％。
图4为本实施例的分光胶合棱镜光谱曲线，波长400nm-1000nm范围之间的透过率分光曲线(入射角39度、45度、51度下)，如波长1000nm位置由上至下依次为入射角51度、45度、39度对应的透过率光谱曲线，测试仪器为美国PE公司的PE950型分光光谱仪。
实施例2：
本实施例中，第一膜层采用五氧化二铌，PM薄膜光学材料(第二膜层)包括一种高折射率材料和一种低折射率材料，分别为五氧化二铌和二氧化硅，其中五氧化二铌成分配比为44％，二氧化硅成分配比为56％，基片1为直角三棱镜，且纳米介质叠层2贴附于两个基片1的斜面上，纳米介质叠层2的叠层数量为24组(第一膜层+第二膜层)以及单独一层第二膜层，即共49层，使得纳米介质叠层2的最外层均为第二膜层，表2是49层的纳米介质叠层2的具体膜层结构，每层厚度单位为nm，其中，S为BK7基底材料(基片)，参考波长为930nm，折射率为1.52，H表示高折射率材料(第一膜层)，折射率为2.25，PM表示PM薄膜光学材料(第二膜层)，折射率为1.651，无超厚层(≥300nm)和超薄层(≤12nm)，适合光学膜厚控制仪进行膜厚控制。
表2
图5展示了本实施例的分光胶合棱镜在波长400nm-1000nm范围之间的透过率分光曲线(入射角45度下)，分光要求：400nm-650nm，Tave(平均透过率)≥96％，795nm-880nm，Tave≤10％。
图6展示了本实施例的分光胶合棱镜在波长400nm-1000nm范围之间的反射率分光曲线(入射角45度下)，分光要求：400nm-650nm，Rave(平均反射率)≤5％；795nm-880nm，Rave≥90％。
采用本发明制备出的分光胶合棱镜在大角度入射下，可以控制波长400nm-650nm范围之间平均透过率大于95％，100℃水浴2小时的快速耐候老化试验，水浴后镜片外观无变化，无色斑，分光曲线基本不变。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种大角度入射分光胶合棱镜，其特征在于：所述大角度入射分光胶合棱镜包括两个基片(1)和一个纳米介质叠层(2)，其中：
所述纳米介质叠层(2)，贴附于两个所述基片(1)之间，包括若干个第一膜层和若干个第二膜层，且所述第一膜层和第二膜层依次层叠，所述纳米介质叠层(2)的最外层均为第二膜层，所述第一膜层为高折射率材料，所述第二膜层为PM薄膜光学材料，所述PM薄膜光学材料由至少一种高折射率材料和至少一种低折射率材料进行成分配比组成，且任意一种成分的配比为5％～95％(蒸发速率)，所述高折射率材料的折射率大于等于2.0，所述低折射率材料的折射率小于2.0，所述纳米介质叠层(2)的厚度为5μm～8μm。
2.如权利要求1所述的大角度入射分光胶合棱镜，其特征在于：所述第一膜层和第二膜层依次层叠的总层数为21层～101层。
3.如权利要求1所述的大角度入射分光胶合棱镜，其特征在于：所述纳米介质叠层(2)的最外层均为厚度50nm～100nm的第二膜层。
4.如权利要求1所述的大角度入射分光胶合棱镜，其特征在于：所述低折射率材料为氟化镁、二氧化硅、氧化铝和氟化镱其中一种，所述高折射率材料为五氧化二钽、二氧化锆、二氧化铪、五氧化三钛、五氧化二铌、硫化锌、锗和硅其中一种。
5.如权利要求1所述的大角度入射分光胶合棱镜，其特征在于：所述基片(1)为玻璃基片或塑料基片。
6.如权利要求5所述的大角度入射分光胶合棱镜，其特征在于：所述玻璃基片为K9光学玻璃基片或BK7光学玻璃基片，所述塑料基片为PMMA基片或PC基片。
7.如权利要求1所述的大角度入射分光胶合棱镜，其特征在于：所述基片(1)为直角三棱镜，且所述纳米介质叠层(2)贴附于两个所述基片(1)的斜面上。
8.如权利要求1所述的大角度入射分光胶合棱镜，其特征在于：所述纳米介质叠层(2)采用真空镀膜方式制备。
9.如权利要求8所述的大角度入射分光胶合棱镜，其特征在于：所述真空镀膜方式为离子束溅射真空镀膜、磁控溅射真空镀膜和离子辅助沉积电子束蒸发真空镀膜其中一种。
10.如权利要求8或9所述的大角度入射分光胶合棱镜，其特征在于：所述纳米介质叠层(2)在低温100℃～170℃下制备。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310741405.XA CN117008349A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种大角度入射分光胶合棱镜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310741405.XA CN117008349A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种大角度入射分光胶合棱镜 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117008349A true CN117008349A (zh) | 2023-11-07 |
Family
ID=88570006
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310741405.XA Pending CN117008349A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种大角度入射分光胶合棱镜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117008349A (zh) |
-
2023
- 2023-06-21 CN CN202310741405.XA patent/CN117008349A/zh active Pending
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