CN1885065A - 光学镜片的膜层结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光学镜片的膜层结构，该膜层是由高、低折射率材料交替堆叠而成，且形成的每一高折射率膜层的光学厚度都比较大，而形成的每一低折射率膜层的光学厚度则都比较小。该膜层可镀制在干涉型截止滤光片上，高折射率材料可采用二氧化钛，低折射率材料可采用二氧化硅。若入射光线的中心波长为744nm，则该膜层中的每一高折射率膜层的光学厚度均为0.35，而该膜层中的每一低折射率膜层的光学厚度均为0.138。当光线入射在该干涉型截止滤光片上时，因光线入射角度不同而引起的光谱飘移的变化量减少，这样可以提高该干涉型截止滤光片的光学性能。

Description

光学镜片的膜层结构
【技术领域】
本发明涉及一种膜层结构，尤指一种应用于滤光片、镜头等光学元件上的膜层结构。
【背景技术】
目前，光学镀膜已经被广泛应用于投影机、传统相机、数码相机、手机、天文望远镜用的镜头组、滤光片等，用来使得这些光学元件能够实现不同的光学功能，例如：吸收紫外线、减反射、彩色滤光、红外光截止等。现以滤光片为例，对光学镀膜的膜层结构及对应的光学性能作一详细介绍，所谓的滤光片是使用光的吸收或干涉原理从复色光中得到有限波长范围的光学元件，常用的滤光片有吸收滤光片和干涉滤光片两种。吸收滤光片是利用有色物质对某些波长的光吸收，而使得只有一定波长范围内的光通过的原理制成的。但是吸收滤光片的单色性能差、具有较强的光损失，尤其是将其吸收特性应用于截止滤光片上时，所形成的吸收型截止滤光片(又称非干涉型截止滤光片)还具有二项大缺点，一是截止波长λC不能调，另一是截止斜率S的陡度不够，因此该非干涉型截止滤光片在实际中不是很实用。
另一种干涉型滤光片则是利用其上的多层膜会使得光线在入射和反射之间产生相位差的原理而发生干涉现象，并且可以产生特定波长范围内的单色光，将该干涉滤光片的多层膜的干涉特性应用于截止滤光片上可形成干涉型截止滤光片，该干涉型截止滤光片可以克服前述非干涉型截止滤光片的两大缺点。但是干涉多层膜的共同缺点是截止波长λC对角度很敏感。当入射光为斜向入射时，具有干涉多层膜的滤光片(例如干涉型截止滤光片)的截止波长或中心波长的位置会往短波方向漂移，该滤光片的峰值透过率会随之发生变化，甚至其截止斜率也会产生变形。这是因为在光线斜向入射时的光行差比垂直入射短，也就是说等效膜层厚度变薄了，而光学厚度由Nd变成了Ndcosθ，由此时膜层的相厚度δ＝2πndcosθ/λ可知，其中心波位会往短波方向偏移。
请参图1所示，现有干涉型截止滤光片80的膜层结构81是采用了高、低折射率材料交替堆叠而成，且在玻璃基板82(BK7)上形成的高折射率膜层83(二氧化钛，TiO2)与低折射率膜层84(二氧化硅，SiO2)的光学厚度相同，当入射光线的中心波长为744nm时，两种不同折射率的每一膜层83或84的光学厚度均为0.25，所述光学厚度等于对应材料的折射率n乘以其物理厚度d。这种现有的膜层结构81的具体设计值如下表所示：
  基板   BK7   光学厚度
  第1层   TiO2   0.25
  第2层   SiO2   0.25
  第3层   TiO2   0.25
  第4层   SiO2   0.25
  -   -   -
  -   -   -
  第24层   SiO2   0.25
  空气   AIR
当入射光线的入射角为0度时，采用上述设计值的现有膜层81可以得到如图2中所示的光谱曲线a，图中光谱曲线a的穿透率为50％的波长位置是650.3nm；但若入射光线的入射角为25度时，由该现有膜层81得到的光谱曲线如图2中所示的光谱曲线b，此时穿透率为50％的波长位置是632.7nm。由此可知，由于角度变化而引起的光谱变化量为17.6nm。具有此光学薄膜的滤光片将会因该光谱变化而产生色彩变化，导致其光学性能变差，甚至有可能会对采用该滤光片的光学系统产生严重影响。
为使得具有多层膜的滤光片的光学性能稳定，通常要调节每一膜层的薄膜厚度，如中国大陆发明专利公告第CN 1146734C号所揭示的一种超窄带通光学薄膜滤光片及其膜层厚度产生方法，发明人主要是利用了无序性的膜层厚度及无序性的膜层厚度产生方法，也就是说所镀的膜层厚度允许有一个随机的涨落，这样可以大大降低由于膜层厚度的微小变化而导致的滤光片性能下降的幅度，并可进一步缓解制备超窄带通光学薄膜滤光片的制备难度。但是，因该专利所揭示的无序性膜系设计比较复杂，需要三种不同介质、总共要镀六十几层膜，而且与传统的滤光片一样，膜系的无序性依然会引起透射峰位的偏移，而且膜层厚度的随机涨落越大，透射峰偏离设计位置就越大。另一中国大陆发明专利公开第CN 1424593A号则揭示了一种双层无序型超窄带通光学薄膜滤光片，该滤光片包括有两片相同的基底，二片基底的其中一表面各镀有完全相同的无序型膜系，在两个无序型膜系四周边缘黏有特种微米小球胶，使其真空密封固定成一体，中间形成一真空层，真空层的厚度为微米小球胶的直径，通过对微米小球加压使得小球产生变形来调节该真空层的厚度，从而使得滤光片的穿透峰位调节到设计所需的位置。
在上述资料中所公开的调整滤光片的光学性能的方法均不能解决由现有膜层结构的光谱随着光线入射角度的变化而变化的问题，更不适合应用于干涉型截止滤光片的膜层结构设计中。因此，有必要对现有膜层结构及设计参数进行优化处理。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种光学镜片的膜层结构，其可以使光谱随着入射光线的入射角度的不同而变化较小，从而使得不同入射角的光源产生的色彩变化差异减小。
本发明的另一目的在于提供一种具有多层膜结构的光学元件，其膜层设计可以减少因入射角差异而造成的光谱飘移的变化量，从而保证该光学元件的光学性能稳定。
依据本发明的上述目的，本发明提供一种膜层结构，该膜层是由高、低折射率材料交替堆叠而成，且形成的每一高折射率膜层的光学厚度都比较大，而形成的每一低折射率膜层的光学厚度则都比较小，将该膜层镀制于光学元件上，可以使得入射于该光学元件上的不同入射角的光线产生的光谱飘移的变化量减少。
上述膜层可以镀制于干涉型截止滤光片上。
上述高折射率材料可采用二氧化钛，低折射率材料可采用二氧化硅，若入射光线的中心波长为744nm，则该膜层中的每一高折射率膜层的光学厚度均为0.35，而该膜层中的每一低折射率膜层的光学厚度均为0.138，且高低折射率膜层总数为24层。
相较于现有技术，本发明膜层结构是采用了厚薄方式进行设计，即每一高折射率膜层的光学厚度均比低折射率膜层的光学厚度大，通过对该膜层厚度的优化设计，本发明可以显著提高光谱对角度变化的稳定性及色彩分布的一致性，并通过这种方式提高采用该膜层结构的光学元件的光学性能。
【附图说明】
图1是具有现有膜层结构的干涉型截止滤光片及该现有膜层结构的示意图。
图2是现有膜层结构与本发明膜层结构在不同入射角下所生成的光谱曲线示意图。
图3是采用了本发明膜层结构的干涉型截止滤光片及本发明膜层结构的示意图。
【具体实施方式】
本实施例是以干涉型截止滤光片为例对本发明的膜层结构及其光学性能作详细介绍，当然该膜层结构也可以应用于其它光学元件上。
请参图3所示，本发明干涉型截止滤光片10的膜层结构11是采用了非等厚的设计方式，也就是说，将高、低折射率材料交替堆叠于玻璃基板12(BK7)上，所形成的高折射率膜层13(二氧化钛，TiO2)与低折射率膜层14(二氧化硅，SiO2)的光学厚度不同，其中每一高折射率膜层13的光学厚度均比低折射率膜层14的光学厚度要大。当入射光线的中心波长为744nm时，每一高折射率膜层13的光学厚度均为0.35，而每一低折射率膜层14的光学厚度均为0.138，所述光学厚度等于对应材料的折射率n乘以其物理厚度d，该膜层结构11的具体设计值如下表所示：
  基板   BK7   光学厚度
  第1层   TiO2   0.35
  第2层   SiO2   0.138
  第3层   TiO2   0.35
  第4层   SiO2   0.138
  -   -   -
  -   -   -
  第24层   SiO2   0.138
  空气   AIR
当入射光线的入射角为0度时，采用上述设计值的本发明膜层结构11可以得到如图2中所示的光谱曲线c，图中光谱曲线c的穿透率为50％的波长位置是649.5nm；但若入射光线的入射角为25度时，由该膜层结构11得到的光谱曲线如图2中所示的光谱曲线d，此时穿透率为50％的波长位置是635.6nm。由此可知，由于角度变化而引起的光谱变化量为13.9nm，该变化量明显低于现有膜层81的因角度变化而引起的光谱变化量，而且本发明高、低折射率膜层13、14的厚薄差异越大，光谱随入射角差异而引起的变化量将会越小。
由于本发明光学镜片的膜层结构的高、低折射率膜层13、14是采用了厚薄设计方式，可以减少因入射角差异造成的光谱飘移的变化量，这样可以使得色彩分布呈现较一致的状态。将这种设计方式应用在其它光学元件上，如投影机、传统相机、数码相机、手机用的镜头等，都可以让色彩变化的差异降到最低的状态。

Claims (9)

1.一种光学镜片的膜层结构，该膜层是由高、低折射率材料交替堆叠而成，其特征在于：该膜层中的每一高折射率膜层均具有第一光学厚度，而形成的每一低折射率膜层均具有第二光学厚度，而且所述的第一光学厚度是大于第二光学厚度，当将这些膜层镀制于光学元件上时，可以使得入射在该光学元件上的不同入射角的光线产生的光谱飘移的变化量减少。
2.如权利要求1所述的光学镜片的膜层结构，其特征在于：这些膜层可以镀制于干涉型截止滤光片上。
3.如权利要求2所述的光学镜片的膜层结构，其特征在于：高折射率材料可采用二氧化钛，低折射率材料可采用二氧化硅。
4.如权利要求3所述的光学镜片的膜层结构，其特征在于：若入射光线的中心波长为744nm，则该膜层中的每一高折射率膜层的光学厚度均为0.35，而该膜层中的每一低折射率膜层的光学厚度均为0.138，且高低折射率膜层总数为24层。
5.如权利要求1所述的光学镜片的膜层结构，其特征在于：该膜层可以镀制于其它光学元件上。
6.一种具有多层膜结构的光学元件，其具有一基板及设置于基板上的膜层，其中膜层是由高、低折射率材料交替堆叠而成，其特征在于：该膜层中的每一高折射率膜层的光学厚度均比低折射率膜层的光学厚度大。
7.如权利要求6所述的具有多层膜结构的光学元件，其特征在于：该光学元件可以是干涉型截止滤光片，其上形成有采用厚薄方式堆叠的高低折射率膜层结构。
8.如权利要求7所述的具有多层膜结构的光学元件，其特征在于：高折射率材料可采用二氧化钛，低折射率材料可采用二氧化硅。
9.如权利要求8所述的具有多层膜结构的光学元件，其特征在于：若入射光线的中心波长为744nm，则该膜层中的每一高折射率膜层的光学厚度均为0.35，而该膜层中的每一低折射率膜层的光学厚度均为0.138，且高低折射率膜层总数为24层。
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