CN1549936A - 抗反射涂层及其方法 - Google Patents

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Abstract

本案是提供一光学涂层及涂覆一基板的方法。一第一层是邻接于一基板而沉积，该第一层具有介于约0.27λ0至约0.31λ0之间的光学厚度，其中λ0是为一对应一光谱区域或在一可视光谱中的参考波长，一具有光学厚度约介于0.1λ0至0.125λ0之间以及折射率约介于2.2至2.6间的第二层是加以沉积，一折射率约介于1.46至1.52间的第三层是加以沉积。该光学涂层是提供宽频带的抗反射性能，并且该第二层有助于该光学涂层的高生产率。

Description

抗反射涂层及其方法
技术领域
本案是提供一光学涂层及涂覆一基板的方法。
背景技术
简单的宽频带抗反射(AR)层是由三层组成。抗反射层能于一光谱区域波长的内降低光反射系数。沉积在玻璃基板上的三层抗反射层的第一层通常具有一中等折射率，特别地是该中等折射率是高于基板的折射率，该第一层并具有一大约为光谱参考波长的四分之一的光学厚度。对可见光而言，该参考波长典型是介于大约500nm至550nm之间，而通常是大约为550nm。第二层具有一高折射率，特别地是该高折射率是高于该第一层的折射率，该第二层并具有一大约为参考波长的二分之一的光学厚度。第三层具有一低射率，特别地是该低折射率是低于该第一层的折射率，且通常低于该玻璃基板的折射率，该第三层并具有一为参考波长的四分之一的光学厚度。该三层设计是记载于Gaiser的美国专利第2,478,385号、Thelen的美国专利第3,185,020号、及Lockhart等人的”三层式降反射层”J.Opt.Soc.Am.37，PP.689-694(1947)中。该三层抗反射层通常被称为四分之一-二分之一-四分之一(QHQ)设计。
该三层设计的缺点之一是为为了达成最佳效率，该三层的折射率必须具有特定值。该第一层的折射率的选择与控制非常重要。特定折射率数值的误差无法通过变更三层的实体厚度来进行补偿。
早期抗反射层的主要改良是由Rock的美国专利第3,432,225提出。Rock的抗反射层是由两种涂层材质制成，第一种材质具有一高折射率，该高折射率通常大于第二种材质的折射率。而第二种材质具有一低折射率，该低折射率通常低于基板的折射率。Rock的抗反射层是由四层所组成。邻近基板的第一层是为高折射率材质，而第二层是为低折射率材质。该第一层及该第二层具有一大约为参考波长的四分之一的有效光学厚度。第三层是为高折射率材质并具有一大约为参考波长的二分之一的光学厚度。第四层是为低折射率材质并具有一大约为参考波长的四分之一的光学厚度。Rock的抗反射层的优点在于，不需要使用具有特定折射率数值的材料。各层的实体厚度能加以调整以给予一广泛可见光谱的低折射率来符合大范围的可能材质折射率。
然而，要经济地以溅镀法来生产抗反射层是因难的。首先，该高折射率的第三层的较佳材质，氧化钛，具有一慢沉积率。该慢沉积率只能通过使用溅镀装置于相当高的功率下进行二氧化钛沉积来得到部份补偿。因此，大量的时间及一些溅镀阴极必须被使用来溅镀该厚的第三层。第二，温度敏感性材料，例如无法承受温度超过大约60℃的塑料膜、或无法曝露于温度超过大约150℃的阴极射线管(CRTs)，皆会因二氧化钛溅镀源的高功率而容易过热。为了避免过热，二氧化钛溅镀钯能于低功率下进行操作，但是只能用于需要花费较慢涂覆的制程中，或需要较多二氧化钛溅镀钯的制程中。
发明内容
本案是提供一光学抗反射层及于一基板上涂覆光学抗反射层的方法。邻近该第一层的一第一层是沉积于一基板上。该第一层具有一大约为0.27λ0至大约为0.31λ0的光学厚度。λ0是为对应于一光谱区域或在可见光谱中的参考波长。一第二层，其具有一大约为0.1λ0至大约为0.125λ0的光学厚度，并具有一于λ0沉积后进行量测的大约为2.2至大约为2.6的折射率。一第三层，其邻近该第二层，并具有一于λ0沉积后进行量测的大约为1.46至大约为1.52的折射率。
本案的光学抗反射层的优点在于，对于宽范围的波长具有低反射。本案的光学抗反射层于宽频带波长下，具有相似于四分之一-二分之一-四分之一(QHQ)设计的效能。本案的光学镀层的另一优点在于具有薄且高折射率的第二层。高折射率材料典型地具有低溅镀率。本案的高折射率的第二层比QHQ设计的高折射率的第二层及Rock的抗反射层的高折射率的第三层薄上四至五倍。例如，对550nm的参考波长而言，第二层的实体厚度是为大约20nm至大约35nm。本案的薄的第二层促进光学涂层的高生产量，因此，光学涂层能以溅镀法经济地进行生产。
附图说明
本案的上述与其它特征及观点将于阅应下列关于附图的详细说明后获得更清楚的理解。
图1：其是本案一较佳实施例的下基板的抗反射层的垂直剖面图。
图2：其是本案一较佳实施例的抗反射层的应用示意图。
图3、图4：其是习用抗反射层的导纳(admittance)示意图。
图5、图6：其是本案一较佳实施例的抗反射层的导纳(admittance)示意图。
图7：其是本案较佳实施例的抗反射层的反射系数与波长的对应关是示意图。
图8：其是本案较佳实施例的抗反射层的反射系数与波长的对应关是示意图。
图9：其是本案一较佳实施例的未涂覆玻璃与抗反射层的反射系数与波长的对应关是示意图。
图10：其是本案一较佳实施例的抗反射层的反射系数与波长的对应关是示意图。
图11：其是本案一较佳实施例的四分之一-二分之一-四分之一(QHQ)设计与抗反射层的反射系数与波长的对应关是示意图。
在图标中，相同的参考符号是使用于相同或相似的组件中。
具体实施方式
图1是为本案一较佳实施例的下基板的抗反射层的垂直剖面图。一光学层41是沉积于一基板43上，请光学层可为透明或可吸光，而该基板43可为玻璃或塑料。该光学层41包含一第一层45、一第二层47、及一第三层49。该第一层45是沉积于该基板43上、该第二层47是沉积于该第一层45，而该第三层是沉积于该第二层47上。沉积可以溅镀、热发散、或其它习知方式来进行。
该第一层45具有一光学厚度，该光学厚度是轻微大于λ0/4，例如大约0.27λ0至大约0.31λ0。λ0是为一对应于位于可见光谱内或其所连接的光谱区域的参考波长。可见光频是为大约380nm至大约780nm。λ0是为大约500nm至大约550nm，典型约为550nm。该第一层45具有一中等的折射率，例如大约1.7至大约2.1的折射率。该第二层47具有一光学厚度，该光学厚度是为大约0.1λ0至大约0.125λ0，并具有一高折射率，例如大约2.2至大约2.6的折射率。该第三层49具有一低折射率，例如大约1.46至大约1.52的折射率，并具有一光学厚度，该光学厚度是为大约0.2λ0至大约0.25λ0。
介电层的实体厚度d与光学厚度的对应关是如下列等式(1)所示：
                     d＝OT/n  (1)
其中，OT是为光学厚度，而n是为折射率。光学厚度与折射率是取决于波长。层的实体厚度能被选择而于参考波长下具有适当的光学厚度。例如，对于550nm的波长而言，该第一层45、该第二层47、及该第三层49的实体厚度是分别为大约70nm至大约100nm、大约20nm至大约35nm、及大约70nm至大约95nm。
高折射率的第二层47是比于QHQ设计的高折射率第二层及于Rock AR涂层中的高折射率第三层还薄4至5倍，减少于QHQ设计或是Rock AR涂层中的高折射率层的光学厚度通常会恶化该涂层的表现，但尽管提供一薄的高折射率层，本发明的光学涂层还是能达到类似QHQ设计及Rock AR涂层的表现。该薄的第二层47尤其具有优势，因为具有折射率约大于2.3的高折射率材质，其溅镀会比其它具有低折射率的材质还要慢上很多，该薄的第二层47可促进通过溅镀的省成本、高生产力的AR涂层41应用在例如建筑玻璃及CRT显示器上。
该第一层45可为一介电质，例如氮化硅、氧化锌、氧化铟锡(ITO)、氧化铋、氧化锡、氧化锆、氧化铪、氧化锑或是氧化钆。该第一层45可使用许多材质，包含小于四分之一波长的ITO，使得该涂层41可以应用于抗静电抗反射(ASAR)市场。该第二层47可为氧化钛、氧化铌或是氧化钽，氧化钛具有约为2.4的折射率，一个包含氧化钛的第二层47是被认为具有一约为λ0/10的光学厚度，其是使用一导纳(admittance)图，氧化铌具有约为2.28的折射率，而氧化钽具有约为2.2的折射率，一个包含氧化铌或是氧化钽的第二层47被认为具有一约为λ0/8的光学厚度，其是使用一导纳(admittance)图。该第三层49可为二氧化硅或是氟化镁。
图2所示为一种抗反射涂层的应用，其是根据本发明的一实施例。该涂层41可应用于一基板43，例如阴极射线管，一平板显示器51、一网状物或是一卷状物。当一微量光53照射于该基板的表面上时，该射线53的小折射是被反射回成为一射线55，因此该涂层41减低于一光谱范围内光的反射。
一个理想的抗反射涂层在参考波长下应具有零反射，一宽频带抗反射涂层提供在一光谱区域内一范围波长的零反射，例如可见光谱。一个零反射等于一个零导纳(admittance)，一涂层表面的导纳(admittance)Y表示该涂层表面的有效折射率，且其是为波长的函数，因为于一涂层的该层折射率是与波长相关。如同图3所示，一个导纳(admittance)图能用以显示一涂层的层函数，该水平及垂直轴表示该导纳(admittance)的实部(标示为ReY)及虚部(标示为ImY)，该导纳(admittance)图是应用于单一波长光，其是假设为该参考波长，该图显示出当涂层施用于该基板时，该导纳(admittance)如何改变，初始导纳(admittance)始于一基板的折射率11，举例来说，玻璃就是1.5，且该最终涂层表面的最终导纳(admittance)是为该终点的值(亦即点23)，随着该一层的光学厚度的增加，该导纳(admittance)描绘出顺时钟方向的一圆形，一四分之一波长的光学厚度是由一半圆形表示(例如弧形13和21)，同时一半波长的光学厚度是由一全圆形表示(例如弧形17)。
两层之间的接口可形成一尖端，如同点15和点19所示。于不同的波长下，该导纳(admittance)图就具有不同的终点，且因此该导纳(admittance)具有不同的值。然而，当一个尖端出现时，于不同波长该涂层表面的该导纳(admittance)图的终点会靠近同一个终点(例如同一个导纳(admittance)值)，因此一尖端的优势在于其固定住一涂层表面的终点，且维持了波长的反射，一宽频带抗反射涂层具有许多尖端以致于该反射能在越多波长时越能稳定越好，举例来说，一个具有一半波长的光学厚度的一层提供了两个尖端(例如点15和19)，且因此提供了宽频带表现。
图3是为三层QHQ设计的一导纳(admittance)图，水平轴表示了该导纳(admittance)的实部(标示为ReY)，而垂直轴表示了该导纳(admittance)的虚部(标示为ImY)。如同弧形13所示，该中折射率第一层提供了一有效折射率的基板，且该第一层是比仅有该基板的折射率还高，该高折射率第二层是为于参考波长时的一插入层(亦即其并未改变该涂层表面的折射率)，且提供了一宽频带表现，如同弧形17表示，该低折射率第三层提供了一抗反射特性(亦即于该终点的导纳(admittance)是等于零反射率)，如同弧形21所示，该两尖端15和19的出现说明了该涂层表面的导纳(admittance)在一宽范围波长内会接近1，以致于一宽范围波长的反射会大约是零。
图4所示为Rock AR涂层的导纳(admittance)图，该水平轴表示该导纳(admittance)的实部(标示为ReY)，而该垂直轴表示该导纳(admittance)的虚部(标示为ImY)，前两层提供一有效折射率的基板，且该前两层是比仅有该基板的折射率还高。分别如弧形25和19所示，该第一和该第二层形成了一有效的四分之一波长层，且介于两层之间的接口形成一钝角尖端27，Rock AR涂层在导纳(admittance)图的一重要特征是为该第三层引起了一个全圆形，其是完全处于该最终层的圆形片段的右边，如同弧形33所示，且因此该半波长厚的第三层提供了该宽频带表现，该第四层使得该导纳(admittance)为1，如同点39所示，且因此提供了该抗反射特性，本叙述很像三层AR，除了该RockAR涂层的前两层表现了该三层AR的该中折射率第一层的功能，于该QHQ设计及该Rock AR涂层中的该高折射率宽频带表现将恶化，如果该高折射率层的光学厚度减低的话。
图5是为抗反射涂层的导纳(admittance)图，其是根据本发明的一实施例。该水平轴表示该导纳(admittance)的实部(标示为ReY)，而该垂直轴表示该导纳(admittance)的虚部(标示为ImY)，该第一层45同时提升了裸基板的有效折射率，以及宽频带效应的缓冲，如同弧形63所示，该第一层是稍大于λ0/4(亦即稍大于半圆形)，以便提供一锐角尖端65，本发明的该第二层47与该QHQ设计的第二层不同的处在于本发明的第二层47绝非惰性，该第二层47开始降低该导纳(admittance)的强度(从该第一层45开始)，如同弧形67所示，且因此如同一抗反射层运作，为了该第二层47能执行该抗反射功能，该第一层45是略大于λ0/4，该第二层47亦如同一指导层的功能，以致于该第三层49具有一终点73，其是该导纳(admittance)值为1，该第三层49完全抗反射，如同弧形71所示，其终点73于该导纳(admittance)值为1，两个尖端65和69的出现说明了本发明的光学涂层达到了相似于QHQ设计和Rock AR涂层的宽频带抗反射表现，本发明的光学涂层优势在于具有高生产力产品的一薄的高折射率第二层47。
图6是为一抗反射涂层的导纳(admittance)图，其是根据本发明的另一实施例，显示了具有如下表一所示该光学涂层的一实施例的波长的不同导纳(admittance)。
                            表一
    材质     层 于λ0＝550纳米的光学厚度(λ0)   实体厚度(nm) 于λ0＝550纳米的四分之一波长数量
  二氧化硅   第三层   0.243   91.7     0.972
  二氧化钛   第二层   0.095   21.5     0.38
  氮化硅   第一层   0.308   83.9     1.26
  玻璃   --   --   --     --
该水平轴表示该导纳(admittance)的实部(标示为ReY)，而该垂直轴表示该导纳(admittance)的虚部(ImY)，在不同的波长下(亦即450纳米、500纳米、550纳米、600纳米及650纳米)，该涂层的导纳(admittance)是接近1，两尖端65和69的出现说明了波长变化时该终点保持在接近1，且该反射保持在接近0，因此，宽频带反射表现是通过本发明的光学涂层以达成。
图7是为一图式显示了抗反射涂层反射和波长之间的关是，其是根据本发明于表一所示的实施例。该图显示了反射百分率作为抗反射涂层的纳米波长的一函数，其是使用不同材质(亦即氮化细、氧化锌、ITO、氧化铋、氧化锡、氧化锆、HfO2、氧化锑及氧化钆)的该第一层45，该反射于波长550纳米时是低于0.5％。宽频带表现是由波长介于425纳米和625纳米之间低于1％的低反射表现，不同材质是用于该第一层45，但是该第一层45的实体厚度是于图7所示的所有实施例相同，此事实证明了该第一层45的材质取代的系统多用性。
图8是为表二所示的本案实施例的抗反射涂层的反射率与波长关是图。
                         表二
材料 层次 在λ0＝550nm时的光学厚度(λ) 实体厚度(nm) 在λ0＝550nm时的四分之一波数
    SiO2     第三层     0.23     87.4     0.92
    Nb2O5     第二层     0.13     33.2     0.52
    Si3N4     第一层     0.27     75.3     1.08
    Glass     ---
此实施例是与表一所示的实施例不同，在此实施例中是以一折射率较低的物质来取代表一的实施例中的高折射率第二层47。为了调整因折射率改变所造成的影响，光学厚度必需增加。此图是利用以纳米(nanometer)为单位的波长函数来表现利用不同物质(例如Si3N4、ZnO、ITO、Bi2O3、SnO2、ZrO2、HfO2、Sb2O3与Gb2O3)作为第一层45的抗反射涂层的反射百分比。在参考波长550nm时，该涂层具有一个约比0.5％为低的反射率。而在波长425nm至600nm之间，该涂层所表现出来的多频率抗反射率则比1％为低。在图8内的所有实施例中的第一层45的实体厚度都相同，即使各第一层45是由不同物质所组成。因此，此光学涂层在第一层45的物质上乃有相似的多频率抗反射表现。
图9是为本发明实施例的未涂覆玻璃与抗反射涂层的反射率与波长关是图。水平轴代表的是以纳米为单位的光波长，而垂直轴代表的则是反射率。一个未涂覆玻璃的每一侧都在450nm至750nm之间具有约4％的反射率，以致于一个未涂覆玻璃的两侧加起来便有进8％的光被反射，是以线81表示。于此所使用的总反射率是为在CIE(Center for Illuminating Engineering)标准下具有10级观察角度的D65发光体(Illuminant)下的Y三色刺激值(tristimulusvalue)。
一个总厚度约为2.9mm的平版玻璃的单一侧是以表一所示的涂层涂覆。线83与线85乃分别代被涂覆玻璃的理论反射率与实际试验反射率。在波长450nm至650nm之间，此玻璃的两侧总反射率乃低于4.5％，是如线83与线85所示，其明显的比未涂覆玻璃的反射率8％为低。因此，涂层乃降低了玻璃对一定波长范围的反射率，例如由波长450nm至650nm。在CIE标准下，被涂覆的玻璃乃具有中间地带的反射色|a*|＜3，|b*|＜6。这些对于CRT显示器市场或是建筑物的玻璃应用上都是还属合理的数值，其中在所述的建筑物上应用的玻璃指的是基于安全理由，该玻璃的反射率应足以让人们知道知道何处有一个玻璃门或是玻璃窗(橱窗)。
图10是为本发明实施例的一抗反射涂层的波长与反射率关是图。水平轴代表的是以纳米为单位的光波长，而垂直轴代表的则是反射率。一个厚度为5.8mm的接合平板玻璃的两侧是被表一的涂层所涂覆。线87与线89分别代表乃分别代此被涂覆玻璃的理论反射率与实际试验反射率。在CIE标准下，此玻璃两侧的总理论反射率乃低于1％，是如线87所示，而总实际试验反射率则是在2％以下，是如线89所示。此实际试验反射率是比未涂覆玻璃的反射率8％为低。因此，涂层乃降低了玻璃对一定波长范围的反射率。在CIE标准下，此被涂覆的接合平版玻璃乃具有一个可量测得的反射色(a*，b*)＝(14，-22)，其对于肉眼而言，是为紫色的。低的总反射光强度将降低该此色的呈现度。
图11是为与QHQ涂层相比较的本发明实施例的一抗反射涂层的反射率与波长关是图。水平轴代表的是以纳米为单位的光波长，而垂直轴代表的则是反射率。线91代表的是一个具有高反射率的0.8半波第二层的典型QHQ涂层，而线93所代表的则是表一所示的光学涂层。以线91所表示的QHQ涂层在波长460nm至600nm所具有的反射率乃略低于本发明的光学涂层的反射率，是以线93所示者。虽然本发明的抗反射涂层所表现出来的抗反射效果略不如QHQ，但是本发明的抗反射涂层却利于应用薄的第二层47来进行生产。
值得注意的是纵使本发明是已通过上述的实施例而得以被详尽说明，但本发明的范围并不受限于上述内容与所举的范例。

Claims (26)

1.一沉积于一基板上的光学抗反射涂层，其包括：
一邻接于该基板的第一层，该第一层是具有约0.27λ0至0.31λ0的一光学厚度；
一邻接于该第一层的第二层，其具有约0.1λ0至0.125λ0的一光学厚度，及一在λ0所量测介于2.2至2.6之间的折射率；以及
一邻接至该第二层的第三层，其具有在λ0所量测的介于1.46至1.52之间的折射率；
其中，λ0是为一对应于一光谱区域或在一可视光谱中的参考波长。
2.如权利要求1所述的涂层，其特征在于该第一层其于λ0测量的折射率是介于1.7至2.1之间。
3.如权利要求1所述的涂层，其特征在于该第一层包括介电质。
4.如权利要求1项所述的涂层，其特征在于该第一层包括选自氮化硅、氧化锌、氧化铟锡(indium-tin oxide)、氧化铋、二氧化锡(stannic oxide)、氧化锆、氧化铪、氧化鍗以及氧化钆其中之一的材料。
5.如权利要求1所述的涂层，其特征在于该第一层是具有介于70nm至100nm之间的物理厚度。
6.如权利要求1所述的涂层，其特征在于第二层包括选自氧化钛、氧化铌以及氧化钽其中之一的材料。
7.如权利要求1所述的涂层，其特征在于该第二层具有约介于20nm至35nm之间的物理厚度。
8.如权利要求1所述的涂层，其特征在于该第三层具有介于约0.2λ0至0.25λ0之间的光学厚度。
9.如权利要求1所述的涂层，其特征在于该第三层包括选自二氧化硅、以及氟化镁(magnesium fluoride)其中之一的材料。
10.如权利要求1所述的涂层，其特征在于该第三层具有约介于70nm至95nm之间的物理厚度。
11.如权利要求1所述的涂层，其特征在于该涂层是施加于一基板上。
12.如权利要求1所述的涂层，其特征在于该涂层是少于五层。
13.一种以一光学抗反射涂层涂覆一基板的方法，其包括下列步骤：
沉积邻接于一基板的一第一层，该第一层具有介于约0.27λ0至0.31λ0之间的一光学厚度；
沉积邻接于该第一层的一第二层，其具有介于约0.1λ0至0.125λ0之间的一光学厚度以及介于约2.2至2.6之间的折射率；以及
沉积邻接于该第二层的一第三层，其于λ0所量测的折射率约介于1.46至1.52之间；
其中λ0是为一对应一光谱区域或在一可视光谱中的参考波长。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于该沉积各层的步骤包括溅镀。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于该第一层其具有约介于1.7至2.1之间的折射率。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于该第一层包括介电质。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于该第一层包括选自氮化硅、氧化锌、氧化铟锡(indium-tin oxide)、氧化铋、二氧化锡(stannic oxide)、氧化锆、氧化铪、氧化鍗以及氧化钆其中之一的材料。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于该第一层具有约介于70nm至100nm之间的物理厚度。
19.如权利要求13所述的方法，其特征在于第二层包括选自氧化钛、氧化铌以及氧化钽其中之一的材料。
20.如权利要求13所述的方法，其特征在于该第二层具有约介于20nm至35nm之间物理厚度。
21.如权利要求13所述的方法，其特征在于该第三层具有约介于0.2λ0至0.25λ0之间的光学厚度。
22.如权利要求13所述的方法，其特征在于该第三层包括选自二氧化硅、以及氟化镁(magnesium fluoride)其中之一的材料。
23.如权利要求13所述的方法，其特征在于该第三层具有约介于70nm至95nm之间的物理厚度。
24.如权利要求13所述的方法，其特征在于该基板是包括玻璃、阴极射线管、平板显示器、网状物或一卷状物(roll)。
25.一种沉积于一基板上的光学抗反射涂层，其包括：
一邻接于该基板的第一层，该第一层是具有约0.27λ0至0.31λ0的一光学厚度；
一邻接于该第一层的第二层，其具有约0.1λ0至0.125λ0的一光学厚度；以及
一邻接至该第二层的第三层，其具有约0.2λ0至0.25λ0的一光学厚度；
其中，λ0是为一对应于一光谱区域或在一可视光谱中的参考波长，以及其中该第一层的折射率是低于该第二层的一适当折射率，而高于该第三层的折射率。
26.一种以一光学抗反射涂层涂覆一基板的方法，其包括下列步骤：
沉积邻接于该基板的一第一层，该第一层具有约介于0.27λ0至0.31λ0间的一光学厚度；
沉积一第二层，其具有约介于0.1λ0至0.125λ0间的一光学厚度；以及
沉积一第三层，其具有约介于0.2λ0至0.25λ0间的一光学厚度；
其中λ0是为一对应一光谱区域，其是在一可视光谱中的一参考波长，以及其中该第一层的折射率是低于该第二层的一适当折射率，而高于该第三层的折射率。
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