TWI780829B - 光學膜結構 - Google Patents

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張煌明
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一光學膜結構包含至少一個模層組，各該模層組包含相堆疊的一第一模層和一第二模層，該第一模層的折射率大於該第二模層的折射率，該第一模層的厚度為該第二模層的厚度的至少2倍。藉此，可改善因光入射角不同而造成光譜偏移的情況。

Description

光學膜結構
本發明涉及一種光學膜，特別是指一種低光譜偏移的光學膜結構。
在精密光學中常利用光學鍍膜的方式來製作光學元件，例如抗反射膜、反射鏡、分光鏡和光學濾光片等。這些光學元件常因光線入射光學膜的角度不同，而有光譜偏移過大的情況發生，使得光學元件的光學應用受到限制。
如圖1所示，現有的光學膜1一般具有多個相互交錯堆疊的高折射膜層11和低折射膜層12。以具有8個如圖1配置之膜層的布拉格反射鏡為例來進行穿透率測試，其中高折射膜層11的厚度等於低折射膜層12，且皆大約為1/4λ(λ為入射光波長)的1倍。測試時，以圖2的配置，將光學膜1設置在玻璃基板2上，且在上下皆為空氣AIR(即大氣環境)及參考波長為650nm的條件下，分別以入射角θ為0度和30度的光線入射光學膜結構1，同時以光譜儀量測穿透率。此布拉格反射鏡的穿透率量測結果如圖3所示，在入射角0度對應的光譜曲線B1中對應穿透率50%的波長為552nm，在入射角30度對應的光譜曲線B2中對應穿透率50%的波長為532nm，入射角30度對應的光譜曲線B2向右(即波長較短的方向)偏移了20nm。
以具有8個如圖1配置之膜層的光學濾光片為例來進行穿透率測試，其中4個高折射膜層11的厚度從上至下分別大約為1/4λ的1.3027倍、1.1523倍、1.1479倍和1.1479倍，4個低折射膜層12的厚度從上至下分別大約為1/4λ的1.1950倍、1.1108倍、1.0802倍和1.1082倍。測試時，以與上述相同的方式但在參考波長為573nm的條件下進行。此光學濾光片的穿透率量測結果如圖4所示，在入射角0度對應的光譜曲線B3中對應穿透率50%的波長為552nm，在入射角30度對應的光譜曲線B4中對應穿透率50%的波長為529nm，入射角30度對應的光譜曲線B4向右(即波長較短的方向)偏移了23nm。
因此，如何降低因光入射角度差異所造成之光譜偏移量是有待克服的議題。
為此，本發明的主要目的是提供一種可降低因光入射角差異所造成之光譜偏移的光學膜結構。
本發明根據一實施例所提供的一種光學膜結構，包含至少一個模層組，各該模層組包含相堆疊的一第一模層和一第二模層，該第一模層的折射率大於該第二模層的折射率，該第一模層的厚度為該第二模層的厚度的至少2倍。
在一些實施例中，該模層組中，該第一模層的該厚度為入射光波長的四分之一的2倍，該第二模層的該厚度為該入射光波長的四分之一的0.2倍。
在一些實施例中，該第一模層的該厚度為入射光波長的四分之一的1.8407~1.5351倍，該第二模層的該厚度為該入射光波長的四分之一的0.5422~0.2012倍。
在一些實施例中，在該模層組中，該第一模層的該厚度為入射光波長的四分之一的1.5~2倍，該第二模層的該厚度為該入射光波長的四分之一的0.6~0.2倍。
在一些實施例中，該第一模層的該厚度為該第二模層的該厚度的2.5~10倍。
在一些實施例中，該第一模層的該厚度為該第二模層的該厚度的3.23~10倍。
在一些實施例中，該第一模層的材料包含二氧化鈦(TiO 2)、五氧化二鉭(Ta 2O 5)、五氧化二鈮(Nb 2O 5)、氧化矽(SiO)、氮化矽(Si 3N 4)、二氧化錫(SnO2)或硫化鋅(ZnS)，該第二模層的材料包含二氧化矽(SiO 2)、氟化鎂(MgF 2)、氟化鋇(BaF 2)、氟化鋁(AlF 3)或氟化鍶(SrF 2)。
在一些實施例中，該至少一個模層組的數量為至少五個，且相互堆疊，各該模層組的該第一模層與相鄰的另一該模層組的該第二模層接觸。
在一些實施例中，每一該膜層組的厚度相同。或者，至少其中二該膜層組的厚度不同。
本發明的光學膜結構透過增加高折射率膜層和低折射率膜層的厚度差異來達到降低光譜偏移量的目的。
在下面的詳細描述中，闡述了許多具體細節以便提供對本發明的透徹理解。 但是，本領域普通技術人員將理解，可以在沒有這些具體細節的情況下實踐本發明。在其他情況下，沒有詳細描述眾所周知的方法，過程和/或元件，以免使本發明不清楚。
請參考圖5所示，本發明根據一實施例所提供的一光學膜結構3包含N個模層組30_1~30_N(統稱模層組30)，N為大於等於1的整數。各模層組30皆包含相堆疊的一第一模層31和一第二模層32。當N大於1時，這N個模層組30將相互堆疊，且各模層組30的第一模層31與相鄰的另一模層組30的第二模層32接觸。
第一模層31是高折射的膜層，第二模層32是低折射的膜層，因此第一模層31的折射率大於第二模層32的折射率。第一模層31的材料例如但不限於包含二氧化鈦(TiO2)、五氧化二鉭(Ta2O5)、五氧化二鈮(Nb2O5)、氧化矽(SiO)、氮化矽(Si3N4)、二氧化錫(SnO2)、硫化鋅(ZnS)或其他現有的光學鍍膜材料。第二模層32的材料例如但不限於包含二氧化矽(SiO2)、氟化鎂(MgF2)、氟化鋇(BaF2)、氟化鋁(AlF3)、氟化鍶(SrF2)或其他現有的光學鍍膜材料。
在同一個模層組30中，第一模層31的厚度為第二模層32的厚度的至少2倍。舉例來說，第一模層31的厚度大約為第二模層32的厚度的2.5~10倍；較佳的是，第一模層31的厚度大約為第二模層32的厚度的3.23~10倍。具體來說，在同一個模層組30中，第一模層31的厚度例如但不限於大約為1/4λ的1.5~2倍，第二模層32的厚度例如但不限於大約為1/4λ的0.6~0.2倍，λ為入射光波長。
以光學膜結構3包含單一個模層組30的實施例來說，在一例子中，第一模層31的厚度大約為1/4λ的2倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.2倍。或者例如，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.5351倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.3491倍。或者例如，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.8330倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.4726倍。或者例如，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.7500倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.5422倍。或者例如，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.7168倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.5087倍。或者例如，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.5倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.6倍。或者例如，第一模層31的厚度大約為1/4λ的2倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.2倍。
以光學膜結構3包含4個模層組30的實施例來說，相鄰的其中二膜層組30的厚度可例如是相同的。舉例來說，在每一個模層組30中，第一模層31的厚度大約為1/4λ的2倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.2倍。然而，本發明並不限於上述範例。
或者，在光學膜結構3包含4個模層組30的實施例中，相鄰的其中二膜層組30的厚度可例如是不同的。舉例來說，在模層組30_1中，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.5351倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.3491倍；在模層組30_2中，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.8330倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.4726倍；在模層組30_3中，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.7500倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.5422倍；以及在模層組30_4中，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.7168倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.5087倍。然而，本發明並不限於上述範例。
透過上述將各膜層模組化，使每個膜層組30中都有折射率較高且厚度較大的一第一膜層31搭配折射率較低且厚度較薄的一第二膜層32，並且讓同一膜層組30的第一膜層31和第二膜層32的厚度差異增大，藉此可縮減光譜偏移量。
以具有4個模層組30的光學膜結構3來進行穿透率試驗，其中光學膜結構3的每個模層組30由厚度大約為1/4λ的2倍的第一模層31以及厚度大約為1/4λ的0.2倍的第二模層32堆疊構成。在試驗中，可透過以圖2所示的方式，將光學膜結構3設置在玻璃基板上，且在大氣環境及參考波長為520nm的條件下，分別以入射角0度和30度的光線入射光學膜結構3，同時以光譜儀量測穿透率。測試結果如圖6所示，在入射角0度對應的光譜曲線C1中對應穿透率50%的波長為552nm，在入射角30度對應的光譜曲線C2中對應穿透率50%的波長為542nm，入射角30度對應的光譜曲線C2向右(即波長較短的方向)偏移了10nm。
同樣地，以具有4個模層組30的光學膜結構3來進行穿透率試驗，其中在模層組30_1中，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.5351倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.3491倍；在模層組30_2中，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.8330倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.4726倍；在模層組30_3中，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.7500倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.5422倍；以及在模層組30_4中，第一模層31的厚度大約為1/4λ的1.7168倍，第二模層32的厚度大約為1/4λ的0.5087倍。在試驗中，可透過以圖2所示的方式，將光學膜結構3設置在玻璃基板上，且在大氣環境及參考波長為605nm的條件下，分別以入射角0度和30度的光線入射光學膜結構3，同時以光譜儀量測穿透率。測試結果如圖7所示，在入射角0度對應的光譜曲線C3中對應穿透率50%的波長為605nm，在入射角30度對應的光譜曲線C4中對應穿透率50%的波長為590nm，入射角30度對應的光譜曲線C4向右(即波長較短的方向)偏移了15nm。
由上述的試驗可知，透過各模層組30的第一模層31和第二模層32的厚度差異越大，光譜偏移獲得改善的情況更明顯。
雖然上述的光學膜結構3是以單一模層組30或4個模層組30來舉例說明，但本發明並不限於此。在其他實施例中，光學膜結構3可包含5個以上的模層組30。具有5個以上模層組30的光學膜結構3的光譜偏移量可更被大幅縮減。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然而這些實施例並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動、潤飾與各實施態樣的組合，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1:光學膜 11:高折射膜層 12:低折射膜層 2:玻璃基板 3:光學膜結構 30_1,30_2,30_3,30_4,30_N:模層組 31:第一模層 32:第二模層 AIR:空氣 B1,B2,B3,B4:光譜曲線 C1,C2,C3,C4:光譜曲線 θ:入射角
在結合以下附圖研究了詳細描述之後，將發現本發明的其他方面及其優點： 圖1為現有光學膜的結構示意圖； 圖2為現有光學膜設置於玻璃基板上，以進行穿透率量測的示意圖； 圖3為一種現有光學膜在不同入射角的情況下進行穿透率量測的光譜圖； 圖4為另一種現有光學膜在不同入射角的情況下進行穿透率量測的光譜圖； 圖5為根據本發明一實施例的光學膜結構的結構示意圖； 圖6為根據本發明一實施例的光學膜結構在不同入射角的情況下進行穿透率量測的光譜圖；以及 圖7為根據本發明另一實施例的光學膜結構在不同入射角的情況下進行穿透率量測的光譜圖。
3:光學膜結構
30_1,30_2,30_3,30_4,30_N:模層組
31:第一模層
32:第二模層

Claims (9)

  1. 一種光學膜結構，包含至少一個模層組，各該模層組包含相堆疊的一第一模層和一第二模層，該第一模層的折射率大於該第二模層的折射率，該第一模層的厚度為該第二模層的厚度的至少2倍，在該模層組中，該第一模層的該厚度為入射光波長的四分之一的2倍，該第二模層的該厚度為該入射光波長的四分之一的0.2倍。
  2. 一種光學膜結構，包含至少一個模層組，各該模層組包含相堆疊的一第一模層和一第二模層，該第一模層的折射率大於該第二模層的折射率，該第一模層的厚度為該第二模層的厚度的至少2倍，該第一模層的該厚度為入射光波長的四分之一的1.8407~1.5351倍，該第二模層的該厚度為該入射光波長的四分之一的0.5422~0.2012倍。
  3. 一種光學膜結構，包含至少一個模層組，各該模層組包含相堆疊的一第一模層和一第二模層，該第一模層的折射率大於該第二模層的折射率，該第一模層的厚度為該第二模層的厚度的至少2倍，在該模層組中，該第一模層的該厚度為入射光波長的四分之一的1.5~2倍，該第二模層的該厚度為該入射光波長的四分之一的0.6~0.2倍。
  4. 根據請求項1所述的光學膜結構，其中該第一模層的該厚度為該第二模層的該厚度的2.5~10倍。
  5. 根據請求項1所述的光學膜結構，其中該第一模層的該厚度為該第二模層的該厚度的3.23~10倍。
  6. 一種光學膜結構，包含至少一個模層組，各該模層組包含相堆疊的一第一模層和一第二模層，該第一模層的折射率大於該第二模層的折射率，該第一模層的厚度為該第二模層的厚度的至少2倍，該第一模層的材料包含二氧化鈦(TiO2)、五氧化二鉭(Ta2O5)、五氧化二鈮(Nb2O5)、氧化矽(SiO)、氮化矽(Si3N4)、二氧化錫(SnO2)或硫化鋅(ZnS)，該第二模層的材料包含二氧化矽(SiO2)、氟化鎂(MgF2)、氟化鋇(BaF2)、氟化鋁(AlF3)或氟化鍶(SrF2)。
  7. 一種光學膜結構，包含至少一個模層組，各該模層組包含相堆疊的一第一模層和一第二模層，該第一模層的折射率大於該第二模層的折射率，該第一模層的厚度為該第二模層的厚度的至少2倍，該至少一個模層組的數量為至少五個，且相互堆疊，各該模層組的該第一模層與相鄰的另一該模層組的該第二模層接觸。
  8. 根據請求項7所述的光學膜結構，其中每一該膜層組的厚度相同。
  9. 根據請求項7所述的光學膜結構，其中至少其中二該膜層組的厚度不同。
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