CN1985190A - 防反射膜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种防反射膜，其可以用作用于将光学部件小型化的具有高折射率的光学材料。由于层数少且层厚大，可以容易地控制该防反射膜的膜厚。该防反射膜可以以低的成本通过简单的制造成本制造。该防反射膜具有在可见区或其附近的波长范围内在任意设计的参考波长λ下折射率为1.90≤ns≤2.10的基材上的以下三层：具有折射率为1.54≤n1≤2.00且光学膜厚为0.465λ≤n1d1≤0.575λ的第一层；具有折射率为1.95≤n2≤2.63且光学膜厚为0.490λ≤n2d2≤0.508λ的第二层；具有折射率为1.35≤n3≤1.55且光学膜厚为0.245λ≤n3d3≤0.255λ的第三层。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有折射率范围为1.9至2.1的基材并且被施加在光学部件上的防反射膜。
在市场上不断地强烈需要小型化的装置和设备，因此在光学工程设计中构造在装置和设备中的小型化光学部件是一个重要的目标。为了制造小型的光学部件，需要使用较高折射率的光学材料，并且另外需要的是用于这类提高折射率的光学材料的改进的抗反射性能的成本降低的防反射膜。
背景技术
在现有技术中提出的一种防反射膜是一种多层结构，其中七个组成层一个又一个地沉积于在可见波段附近的波长范围内在任意设计的基准波长下折射率为1.4至1.9的基材上(参见下面列出的专利文献1)。
由于其不包含薄的膜，因此这种膜结构几乎不会造成光学不均匀和制造的膜厚度的容许误差，因此贯穿可见光波段而产生了增强的抗反射效果。
现有技术中的一些其他防反射膜具有多层结构，其中等于或大于2.0的高折射率的基材在高折射率层和另一低折射率层交替而一层沉积在另一层上的六个组成层的下面。尽管折射率比下面的基材低，但离下面的基材最近的、第三和第五近的组成层是“高折射率”的膜，离下面的基材第二和第四近的组成层是“中等或低折射率”的膜，并且第六近的或者最上面的组成层是“低折射率”的膜(例如参见下面列出的专利文献2)。在范围从400nm至700nm的波长下即贯穿整个可见波段，该防反射膜可以成功地将反射率降至0.5％或者甚至更低。
另一个现有技术的防反射膜是三层叠层介电膜结构，其中由序数表示的从主要是空气的光进入介质到光学部件本体表面而向下排列的第一、第二和第三组成膜具有它们各自的可以下式表示的相关的折射率n1、n2和n3：
n1＜n2＜n3
并且具有它们各自的与设计的基准波长相关的膜厚度(光谱测定的波长)n1d1、n2d2和n3d3(例如参见下面列出的专利文献3)。仅仅借助于层叠在光学部件本体上的此三层叠层薄膜结构，该防反射膜可以在宽的可见光波段中降低表面反射率，并且由于其加工方法并不复杂，还可以降低制造成本。
具有任何一种现有技术的防反射膜的光学装置包括公开的具有这样的防反射膜的一种：该防反射膜由中间折射率膜层、覆盖该中间折射率膜层的高折射率膜层，和进一步覆盖该高折射率层的低折射率膜层组成，其中该中间折射率膜层由高和低折射率膜层的物质的混合物制成(例如在下面列出的专利文献4中)。这是明显的，因为可见光波段内的反射率和在设计中心波长下的反射率峰值保持小的，而这与基材的折射率无关。
<专利文献1>
日本专利公开特开平10-20102中的权利要求和详细描述
<专利文献2>
日本专利公开特开2000-347002中的权利要求和详细描述
<专利文献3>
日本专利公开特开平4-260001中的权利要求和详细描述
<专利文献4>
日本专利公开特开2003-202405中的权利要求和详细描述
公开于专利文献1中的防反射膜是由在近可见波段的波长范围内在任意设计的基准波长下折射率为1.4至1.9的基材上的七层组成的多层结构，并且如果基材的折射率为2.0或更高，则反射率易于升至15至20％。
公开于专利文献2中的防反射膜沉积在2.0或者甚至更大的高折射率基材上，并且该膜是由数目为6的层组成的多层结构，这导致了增加的制造成本。
仅仅借助于沉积在光学部件本体上的三个薄的膜，公开于专利文献3中的三层介电膜的防反射膜能够降低在宽的可见光波段内的表面反射率，并且由于其的加工方法并不复杂，因此还可以降低制造成本。然而，在折射率和膜厚度的这样的要求下，该防反射膜当沉积在折射率为1.90以上的基材上时不能在从400nm至700nm的可见波段内保持其反射率为1％以下，这在可见波段内获得了不充分的抗反射效果。
公开于专利文献4中的用于光学装置的防反射膜是一种由以下层组成的三层结构：中间折射率层、覆盖该中间折射率层的高折射率层，和进一步覆盖该高折射率层的低折射率层。然而，在用于基材-0.25λ薄膜-0.5λ薄膜-0.25λ薄膜-空气的排列的组成膜厚度(即光谱测定的波长)的要求下，施加在折射率为1.90以上的基材上的防反射膜不能在从400nm至700nm的可见波段内将反射率保持为1％以下，这在可见波段内获得了不充分的抗反射效果。
为了克服现有技术的防反射膜的上述缺点而做出了本发明，因此，本发明的一个目的是提供一种出于将光学部件小型化的目的而可以施加在高折射率的光学材料上的增强的抗反射性能的防反射膜。
本发明的另一个目的是提供这样一种成本降低的多层结构的防反射膜：出于有助于膜厚度的总控制的目的而使得该防反射膜的层数目减少并且层的厚度增加，并且其可以简化的方法制造以降低制造成本。
发明内容
本发明提供了一种防反射膜，该防反射膜具有覆盖在基材上并且以由序数第一至第三表示的顺序而一层沉积在另一层上的三层组成层，其中在可见波段中和附近的波长范围内在任意设计的基准波长λ下，基材和沉积在其上的组成层的每一层的折射率‘n’和光学膜厚度(光谱测定的波长)‘nd’如下给出：
折射率‘n’ 光学膜厚度‘nd’
基材 1.90≤ns≤2.10
第一层 1.54≤n1≤2.00 0.465λ≤n1d1≤0.575λ
第二层 1.95≤n2≤2.63 0.490λ≤n2d2≤0.508λ
第三层 1.35≤n3≤1.55 0.245λ≤n3d3≤0.255λ
本发明的第一方面的特征在于：
-满足n3＜n1＜n2或者n1＜ns＜n2，
-第一层由Y2O3或Al2O3制成，
-第二层由ZrO2和TiO2的混合物、TiO2、Ta2O5、Nb2O5等的任一种制成，
-第三层由SiO2或MgF2制成，和/或
-通过溅射、离子辅助沉积和离子电镀的任何方式生产第一至第三层。
根据本发明的第二方面，防反射膜沉积在折射率为1.90以上并且由光学材料制成的基材上，并且该防反射膜具有第一至第三层。该防反射膜的特征在于：
-第一层由选自Y2O3(氧化钇)和Al2O3(三氧化铝)的材料制成，其以比第三层更大的光学膜厚(光谱测定的波长)覆盖基材，
-第二层由选自ZrO2(二氧化锆)、TiO2(二氧化钛)、它们的混合物、Ta2O5(五氧化钽)和Nb2O5(五氧化铌)的材料制成，其以比第三层更大的光学膜厚覆盖基材，和/或
-第三层由选自SiO2(二氧化硅)、MgF2(氟化镁)和CaF2(氟化钙)的材料制成。
本发明的第二方面进一步特征在于：通过溅射、离子辅助沉积和离子电镀的任何方式生产第一至第三层。
根据本发明的第三方面，一种防反射膜具有折射率ns为2.10以下的基材、折射率n1小于ns的第一层、折射率n2大于ns的第二层，和折射率n3小于ns的第三层，并且该防反射膜的特征在于：
-可见波段中反射率的最大值为0.5％以下。
本发明的第三方面的防反射膜的特征在于：
-贯穿可见光波段在较短和较长波长范围的极端区域中反射率急剧下降或升高，
-第一层的光学膜厚(光谱测定的波长)n1d1为第三层的n3d3的两倍大，而第二层的光学膜厚n2d2为n3d3的两倍大，
-第三层的折射率n3小于基材、第一层和第二层的折射率ns、n1和n2的任何一个，和/或
-第一层的折射率n1小于基材、第二层和第三层的折射率ns、n2和n3的任何一个。
当第一层的折射率超过下限时，在整个可见波段中反射率不利地升高，并且当其超过上限时，在可见波段内反射区的宽度变窄。当第一层的光学膜厚超过下限时，在范围为520至650nm的可见波段中峰值反射率不利地达到大于0.5％，并且当其超过上限时，在范围为450至500nm的可见波段中峰值反射率达到大于0.5％。
当第二层的折射率超过下限时，在范围为420至460nm和570至650nm的可见波段中峰值反射率容易达到大于0.5％，并且当其超过上限时，在可见波段内反射区的宽度变窄。当第二层的光学膜厚度超过下限时，在范围为420至470nm的可见波段中峰值反射率不利地达到大于0.5％，并且当其超过上限时，在范围为550至620nm的范围内峰值反射率容易达到大于0.5％。
当本发明的第三层的折射率超过下限时，在可见波段内反射区的宽度不利地变窄，并且当其超过上限时，在整个可见波段中反射率升高。当第三层的光学膜厚度超过下限时，在范围为550至620nm的可见波段中峰值反射率容易升高，并且当其超过上限时，在范围为420至470nm的范围内峰值反射率升高。
本发明的要求n3＜n2＜n1是以更少数目的组成层贯穿可见波段获得抗反射效果的那些，并且如果没有满足该要求，则反射区的宽度变窄同时反射率仅仅局部升高，这最终带来色彩不均衡的差的反射性能。
本发明的要求n1＜n2＜n3是确定具有反射率的反射区的良好平衡的宽度的那些，并且如果没有满足该要求，则造成了低的反射率/窄的反射带宽或者升高的反射率/宽的反射带宽的不平衡。因此，根据本发明，将每一组成层的折射率、光学膜厚(光谱测定的波长)和材料在组合上最优化，所得的防反射膜可以使可见光波段变宽并且将其中的反射率降至峰值小于约0.5％和平均值小于约0.2％。
因此，本发明提供了一种可以被施加在高折射率的光学部件上的增强的抗反射性能的防反射膜，以使光学产品小型化。
此外，本发明提供了这样一种成本降低的多层层叠结构的防反射膜：出于有助于膜厚度的总控制而使得该防反射膜的层数目减少并且层的厚度增加，并且其可以简化的方法制造以降低制造成本。
附图说明
图1阐述了根据本发明的防反射膜的结构；
图2是示出防反射膜的第一优选实施方案以及比较例1和2的防反射膜的反射率的图；
图3是示出防反射膜的第二优选实施方案的反射率的图；
图4是示出防反射膜的第三优选实施方案的反射率的图；
图5是示出防反射膜的第四优选实施方案的反射率的图；
图6是示出防反射膜的第五优选实施方案的反射率的图；和
图7是示出防反射膜的第六优选实施方案的反射率的图。
具体实施方式
现在将结合附图来描述实施本发明的最佳方式。假定在可见波段内和附近的波长范围内任意设计基准波长λ，如图1中所示，三层一层接一层地沉积在基材1上；具体而言，中间折射率的第一层2覆盖基材1，高折射率的第二层3覆盖第一层2，并且低折射率的第三层4覆盖第二层3。
<实施方案1>
如下表中详述的那样，根据本发明的一个例举的防反射膜的基材折射率为1.90，并且光谱测定的波长λ为510nm：
表1
| 层# | 折射率 | 光谱测定的波长 | 材料 |
| 基材 | 1.90 | ||
| 第一层 | 1.76 | 0.50λ | Y2O3、La2O3和Al2O3的混合物，或者ZrO2和SiO2的混合物 |
| 第二层 | 2.30 | 0.50λ | Nb2O5或TiO2 |
| 第三层 | 1.46 | 0.25λ | SiO2 |
| 空气 | 1.00 |
图2示出了在光束入射角范围为0至10度的情况下防反射膜的第一个实施方案的反射率。正如将从图2中实线的反射率特性曲线中看出的那样，与贯穿可见光波段的峰值相比，该防反射膜有效地降低了在较短和较长的波长区域中的反射率，并且其使得在更短和更长波长的极端区域中特性曲线急剧陡峭地倾斜。以这种方式，可以贯穿可见光波段将反射率保持至约0.5％或者甚至以下，并且平均值低至约0.2％。
<比较例1>
在图2中，对于其中第二层的折射率为2.50、其余的构成类似于实施方案1中的那些构造的防反射膜而言，给出了虚线的图A。该比较例1导致可见光透过波段变窄而使峰值反射率升至高达0.7％。
<比较例2>
在图2中，对于其中基材的折射率为1.80、其余的构成类似于实施方案1中的那些构造的防反射膜而言，给出了虚线的图B。与比较例1相比，该比较例2提供了稍有提高的可见光透过波段的宽度，但仍然导致峰值反射率超过0.5％。
从比较例1和2中可以知道，防反射膜的第一个实施方案是有利的，因为其提供了宽的可见光透过波段并且给出了没有反射率峰值以及反射率低于0.5％的平坦的特性曲线。
<实施方案2>
如下表中详述的那样，本发明的另一个或第二个实施方案的基材折射率为2.00并且光谱测定的波长λ为510nm：
表2
| 层# | 折射率 | 光谱测定的波长 | 材料 |
| 基材 | 2.00 | S-LAH79(可从Ohara，Inc.获得) | |
| 第一层 | 1.76 | 0.50λ | Y2O3、La2O3和Al2O3的混合物，或者ZrO2和SiO2的混合物 |
| 第二层 | 2.35 | 0.50λ | Nb2O5或TiO2 |
| 第三层 | 1.46 | 0.25λ | SiO2 |
| 空气 | 1.00 |
图3示出了在光束入射角范围为0至10度的情况下防反射膜的第二个实施方案的反射率。该防反射膜的实施方案具有其分别升至2.00和2.35的基材折射率和第二层折射率。正如可从图3的实线的反射率特性曲线中看出的那样，贯穿可见光透过波段的整个宽度有指向相对中间的两个峰，其中这两个峰的反射率水平为0.3％或者甚至更低。另外，该防反射膜显著地降低了在峰周围的三个谷底中的反射率。此外，该防反射膜使得在可见光波段的相反侧更短和更长波长区域中特性曲线急剧陡峭地倾斜，并且其还使得反射率有效地降低。在该情况下，可以将反射率保持在低至约0.2％或者甚至更低。尤其是在可见光波段内，在峰顶的反射率仍然被保持在约0.3％或者甚至更低。
<实施方案3>
如下表中详述的那样，根据本发明的防反射膜的另一个或第三个实施方案的基材折射率为2.10并且光谱测定的波长λ为510nm：
表3
| 层# | 折射率 | 光谱测定的波长 | 材料 |
| 基材 | 2.10 | ||
| 第一层 | 1.76 | 0.50λ | Y2O3、La2O3和Al2O3的混合物，或者ZrO2和SiO2的混合物 |
| 第二层 | 2.40 | 0.50λ | TiO2 |
| 第三层 | 1.46 | 0.25λ | SiO2 |
| 空气 | 1.00 |
图4示出了在光束入射角范围为0至10度的情况下防反射膜的第三个实施方案的反射率。该防反射膜的实施方案的基材折射率为2.10，第二层折射率为2.40，并且第二层的材料被限于TiO2。与第二个实施方案相比，防反射膜的第三个实施方案展现出由其中贯穿可见光波段有两个峰的非常相似的特性曲线表现出的性能；更具体而言，该特性曲线示出了从峰到谷底的向上和向下的强烈对比，反之亦然，并且谷底的反射率的降低更加显著。与峰相比，该特性曲线在较短和较长波长区域中的倾斜更加陡峭，并且进一步全面的回顾得出了这样的结论：即使在可见光波段中的峰下，反射率也达到低至约0.4％或者更低，并且平均值可被降至约0.2％。
<实施方案4>
如下表中详述的那样，根据本发明的防反射膜的又一个或第四个实施方案的基材折射率为2.00并且光谱测定的波长λ为510nm：
表4
| 层# | 折射率 | 光谱测定的波长 | 材料 |
| 基材 | 2.00 | ||
| 第一层 | 1.63 | 0.50λ | Al2O3的混合物 |
| 第二层 | 2.23 | 0.50λ | Ta2O5 |
| 第三层 | 1.39 | 0.25λ | MgF2 |
| 空气 | 1.00 |
图5示出了在光束入射角范围为0至10度的情况下防反射膜的第四个实施方案的反射率。该防反射膜的实施方案的基材折射率为2.00，第一层折射率为1.63，第二层折射率为2.23，第三层折射率为1.39，并且第一、第二和第三层的材料分别为Al2O3、Ta2O5和MgF2。图5中与防反射膜的第四个实施方案相关的特性曲线是图3和4中与防反射膜的第二和第三个实施方案相关的特性曲线的中值曲线。即使在可见光透过波段的峰顶，防反射膜的第四个实施方案的反射率也达到低至约0.4％或者更低，并且平均值可被降至约0.2％。由于其他显著点与前述实施方案的那些类似，因此省略了关于它们的细节。
<实施方案5>
如下表中详述的那样，根据本发明的防反射膜的再一个或第五个实施方案的基材折射率为2.00并且光谱测定的波长λ为510nm：
表5
| 层# | 折射率 | 光谱测定的波长 | 材料 |
| 基材 | 2.00 | ||
| 第一层 | 1.78 | 0.50λ | Y2O3，或者La2O3和Al2O3的混合物 |
| 第二层 | 2.10 | 0.50λ | ZrO2和TiO2的混合物，或者CeO2 |
| 第三层 | 1.38 | 0.25λ | MgF2 |
| 空气 | 1.00 |
图6示出了在光束入射角范围为0至10度的情况下防反射膜的第五个实施方案的反射率。该防反射膜的实施方案的基材折射率为2.00，第二层折射率为2.10，并且第二层的材料是ZrO2和TiO3的混合物，或者CeO2。贯穿从范围为400nm至700nm的整个可见光透过波段，防反射膜的第五个实施方案展现出平均值低至0.3％的反射率。
<实施方案6>
如下表中详述的那样，根据本发明的防反射膜的再一个或第六个实施方案的基材折射率为2.10并且光谱测定的波长λ为510nm：
表6
| 层# | 折射率 | 光谱测定的波长 | 材料 |
| 基材 | 2.10 | ||
| 第一层 | 1.80 | 0.50λ | Y2O3，或者La2O3和Al2O3的混合物 |
| 第二层 | 2.23 | 0.50λ | Ta2O5 |
| 第三层 | 1.38 | 0.25λ | MgF2 |
| 空气 | 1.00 |
图7示出了在光束入射角范围为0至10度的情况下防反射膜的第六个实施方案的反射率。该防反射膜的实施方案的基材折射率为2.10，第二层折射率为2.23，并且第二层的材料被限于Ta2O5。贯穿范围从400nm至700nm的整个可见光透过波段，防反射膜的第六个实施方案展现出平均值低至0.5％的反射率。
本发明并不限于上述的实施方案，而可以将任何材料施加在基材上，只要其具有落在所附的权利要求1所限定的范围内的折射率即可。对于每一组成层而言，可以使用除了在优选实施方案的上下文中描述的那些之外的任何材料，只要其获得了类似的效果。可以改变每一组成层的折射率和膜厚的最佳值，以适用于在不同情形的基础上选择的材料。
Claims (13)
1.一种防反射膜，其具有覆盖在基材上并且以由序数第一至第三表示的顺序而一层沉积在另一层上的三层组成层，其中在可见波段内和附近的波长范围内在任意设计的基准波长λ下，该基材和沉积在其上的组成层的每一层的折射率‘n’和光学膜厚(光谱测定的波长)‘nd’如下给出：
折射率‘n’ 光学膜厚度‘nd’
基材 1.90≤ns≤2.10
第一层 1.54≤n1≤2.00 0.465λ≤n1d1≤0.575λ
第二层 1.95≤n2≤2.63 0.490λ≤n2d2≤0.508λ
第三层 1.35≤n3≤1.55 0.245λ≤n3d3≤0.255λ。
2.根据权利要求1所述的防反射膜，其中满足n3＜n1＜n2或者n1＜ns＜n2。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的防反射膜，其中通过溅射、离子辅助沉积和离子电镀的任何方式生产第一至第三层。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的防反射膜，其中第一层由Y2O3或Al2O3制成。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的防反射膜，其中第二层由ZrO2和TiO2的混合物、TiO2、Ta2O5、Nb2O5等的任一种制成。
6.根据权利要求1所述的防反射膜，其中第三层由SiO2或MgF2制成。
7.一种防反射膜，其沉积在折射率为1.90以上并且为光学材料的基材上，并且具有第一至第三层；
该第一层由选自Y2O3和Al2O3的材料制成，其以比第三层更大的光学膜厚(光谱测定的波长)覆盖基材，
该第二层由选自ZrO2、TiO2、它们的混合物、Ta2O5和Nb2O5的材料制成，其以比第三层更大的光学膜厚覆盖基材，
该第三层由选自SiO2、MgF2和CaF2的材料制成。
8.根据权利要求7所述的防反射膜，其中通过溅射、离子辅助沉积和离子电镀的任何方式生产第一至第三层。
9.一种防反射膜，其具有折射率ns为2.10以下的基材、折射率n1小于ns的第一层、折射率n2大于ns的第二层，和折射率n3小于ns的第三层，
可见波段内反射率的最大值为0.5％以下。
10.根据权利要求9所述的防反射膜，其中贯穿可见光波段在较短和较长波长范围的极端区域反射率急剧下降或升高。
11.根据权利要求1、权利要求2、权利要求6、权利要求8、权利要求9和权利要求10的任一项所述的防反射膜，其中第一层的光学膜厚(光谱测定的波长)n1d1为第三层的n3d3的两倍，而第二层的光学膜厚度n2d2为n3d3的两倍。
12.根据权利要求7至权利要求10的任一项所述的防反射膜，其中第三层的折射率n3小于基材、第一层和第二层的折射率ns、n1和n2的任何一个。
13.根据权利要求7至权利要求10的任一项所述的防反射膜，其中第一层具有的折射率n1小于基材、第二层和第三层的折射率ns、n2和n3的任何一个。
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