TWI836426B - 光學膜結構 - Google Patents

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Abstract

一種光學膜結構,包含沿一軸線堆疊的多個膜層組,各該膜層組包含相堆疊的一第一膜層和一第二膜層,各該膜層組的該第一膜層的折射率大於該第二膜層的折射率,各該膜層組的該第一膜層對該第二膜層的厚度比例是大於0且小於或等於0.28。藉此,此光學膜結構可應用於需要其濾波特性隨著光線的入射角不同而變化的各種裝置或元件。

Description

光學膜結構
本發明涉及一種光學膜,特別是指一種高角度高光譜偏移的光學膜結構。
現有採用介電質膜的光學濾光片中,大多存在因光線的入射角差異所導致光譜偏移的現象。因此,鍍膜的光學應用受到限制而無法被有效利用。
以應用於布拉格反射鏡且具有如圖1所示之膜層配置的光學膜結構1的例子來說,光學膜結構1具有多個相互交錯堆疊的高折射膜層11和低折射膜層12,並且高折射膜層11與低折射膜層12的厚度相同,且皆大約等於1/4λ(λ為入射光波長)。對光學膜結構1進行穿透率測試,測試條件是將光學膜結構1設置在如圖2所示的測驗環境(亦即光學膜結構成形在玻璃基板GLASS上,光學膜結構上方及玻璃基板GLASS下方皆為空氣AIR(即大氣環境))下,然後以參考波長為650nm、入射角θ分別為0度和30度的光線照射光學膜結構1。穿透率測試結果如圖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,光譜曲線B2的波長相對於光譜曲線B1的波長在穿透率50%處偏移了20nm。
以應用於光學濾光片且具有如圖4所示之膜層配置的光學膜結構2的例子來說,光學膜結構2具有多個相互交錯堆疊的高折射膜層21和低折射膜層22,其中4個高折射膜層21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22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。對光學膜結構2進行穿透率測試,測試條件是將光學膜結構2設置在如圖2所示的測驗環境下,然後以參考波長為573nm、入射角θ分別為0度和30度的光線照射光學膜結構2。穿透率測試結果如圖5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,光譜曲線B4的波長相對於光譜曲線B3的波長在穿透率50%處偏移了23nm。
因此,如何讓存在因光線的入射角差異造成之光譜偏移現象的光學膜仍能被有效利用是有待克服的議題。
為此,本發明的其中一目的在於提供一種光學膜結構,可增大因光線的入射角差異所造成之光譜偏移量。
本發明的另一目的在於提供一種光學膜結構,此光學膜結構即便存在因光線的入射角差異造成之光譜偏移現象,仍可被有效利用。
本發明的再一目的在於提供一種光學膜結構,可應用於需要其濾波特性隨著光線的入射角不同而變化的各種裝置或元件,例如但不限於為具備防窺功能、色彩隨光線的入射角不同而漸變的功能或波長篩選隨光線的入射角不同而改變的功能的裝置或元件。
為達上述和其他目的,本發明根據一實施例所提供的一種光學膜結構,包含沿一軸線堆疊的多個膜層組,各該膜層組包含相堆疊的一第一膜層和一第二膜層,各該膜層組的該第一膜層的折射率大於該第二膜層的折射率,各該膜層組的該第一膜層對該第二膜層的厚度比例是大於0且小於或等於0.28。
在一些實施例中,在其中一該膜層組中,該第一膜層對該第二膜層的該厚度比例是0.01~0.27。
在一些實施例中,在其中一該膜層組中,該第一膜層的厚度為入射光波長的四分之一的0.08~0.5倍,該第二膜層的厚度為該入射光波長的四分之一的1.82~6.20倍。
在一些實施例中,在其中一該膜層組中,該第一膜層的厚度小於或等於入射光波長的四分之一的0.5倍,該第二膜層的厚度大於或等於該入射光波長的四分之一的1.80倍。或者,各該膜層組中,該第一膜層的厚度小於或等於該入射光波長的四分之一的0.5倍,該第二膜層的厚度大於或等於該入射光波長的四分之一的1.80倍。
在一些實施例中,在其中一該膜層組中,該第一膜層的厚度為入射光波長的四分之一的0.2倍,該第二膜層的厚度為該入射光波長的四分之一的2倍。
在一些實施例中,其中一該膜層組的該第一膜層的材料為二氧化鈦(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(SnO 2)或硫化鋅(ZnS)。
在一些實施例中,其中一該膜層組的該第二膜層的材料為二氧化矽(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,各該膜層組的該第一膜層與相鄰的另一該膜層組的該第二膜層接觸,且各該膜層組的該第一膜層較該第二膜層靠近光線入射端。
在一些實施例中,各該膜層組的該第一膜層對該第二膜層的該厚度比例相同。或者,其中一該膜層組的該第一膜層對該第二膜層的該厚度比例不同於另一該膜層組的該第一膜層對該第二膜層的該厚度比例。
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6所示,本發明根據一實施例所提供的一光學膜結構3可例如但不限於是以物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)或化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)製程來製造,且包含N個膜層組30,即膜層組30_1~30_N,N為大於或等於2的正整數,較佳是大於或等於5的正整數。膜層組30_1~30_N沿一軸線K堆疊。各膜層組30皆包含沿軸線K相堆疊的一第一膜層31和一第二膜層32。各膜層組30的第一膜層31與相鄰的另一膜層組30的第二膜層32接觸。在本實施例中,膜層組30_1最靠近光線入射端,膜層組30_N最遠離光線入射端,各膜層組30的第一膜層31較第二膜層32靠近光線入射端,然而本發明並不限於此。其他實施例也可改成其他配置。例如,膜層組30_N最接近光線入射端,膜層組30_1最遠離光線入射端。或例如,各膜層組30的第一膜層31較第二膜層32遠離光線入射端。
第一膜層31是高折射的膜層,第二膜層32是低折射的膜層,因此第一膜層31的折射率大於第二膜層32的折射率。第一膜層31的材料例如但不限於包含二氧化鈦、五氧化二鉭、五氧化二鈮、氧化矽、氮化矽、二氧化錫、硫化鋅或其他現有的光學鍍膜材料。第二膜層32的材料例如但不限於包含二氧化矽、氟化鎂、氟化鋇、氟化鋁、氟化鍶或其他現有的光學鍍膜材料。
至少其中一個膜層組30的第一膜層31對第二膜層32的厚度比例大約是大於0且小於或等於0.28(也就是說,第一膜層31的厚度至少小於或等於第二膜層32的厚度的約0.28倍),較佳是0.01~0.27。舉例來說,第一膜層31對第二膜層32的厚度比例大約為0.02、0.03、0.06、0.08、0.09或0.10。具體來說,在至少其中一個膜層組30中,第一膜層31的厚度例如但不限於是大約等於或小於1/4λ的0.08~0.50倍,較佳是0.09~0.48倍,例如但不限於是0.10、0.11、0.18、0.19、0.20、0.23或0.24倍,且第二膜層32的厚度例如但不限於是大約等於或大於1/4λ的1.80~6.20倍,較佳是1.82~6.18倍,例如但不限於是1.85、2.0、2.17、2.18、2.2、3.8、3.81、3.82、3.90、3.94或6.18倍。λ為入射光波長。
在本發明中,透過在同一個膜層組30中配置更薄的第一膜層31及更厚的第二膜層32,使光學膜結構3在光的入射角0度至30度的光譜偏移量可大於或等於30nm,達到高角度(即入射角大於或等於30゚)高光譜偏移的目的。如此一來,光學膜結構3便可應用於需要其濾波特性隨著光線的入射角不同而變化的各種裝置或元件,例如但不限於為具備防窺功能、色彩隨光線的入射角不同而漸變的功能或波長篩選隨光線的入射角不同而改變的功能的裝置或元件。
以下試舉數個具有不同膜層配置的光學膜結構3的範例來進行穿透率測試,以說明本發明之光學膜結構3的光譜偏移狀況。為方便說明和試驗,這些範例的光學膜結構3都採用只含有四個膜層組30的膜層配置,即膜層組30_1至膜層組30_4,N=4。
<第一範例>
在第一範例的光學膜結構3的四個膜層組30中,這四個膜層組30的厚度都相同,且各膜層組30的第一膜層31對第二膜層32的厚度比例相同。每個膜層組30的第一膜層31的厚度都大約是1/4λ的0.2倍,第二膜層32的厚度都大約是1/4λ的2倍。
穿透率測試是將第一範例的光學膜結構3設置在如圖2所示的測驗環境下,然後以參考波長為530nm、入射角分別為0度和30度的光線照射光學膜結構3。測試結果如圖7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521nm,光譜曲線C2的波長相對於光譜曲線C1的波長在穿透率50%處偏移了31nm。
<第二範例>
在第二範例的光學膜結構3的四個膜層組30中,這四個膜層組30的厚度都相同,且各膜層組30的第一膜層31對第二膜層32的厚度比例相同。每個膜層組30的第一膜層31的厚度都大約是1/4λ的0.5倍,第二膜層32的厚度都大約是1/4λ的1.85倍。
穿透率測試是將第二範例的光學膜結構3設置在如圖2所示的測驗環境下,然後以參考波長為543nm、入射角分別為0度和30度的光線照射光學膜結構3。測試結果如圖8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552nm,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522nm,光譜曲線C4的波長相對於光譜曲線C3的波長在穿透率50%處偏移了30nm。
<第三範例>
在第三範例的光學膜結構3的四個膜層組30中,至少其中二個膜層組30的厚度可例如是不同的,且各膜層組30的第一膜層31對第二膜層32的厚度比例不同。膜層組30_1的第一膜層31的厚度大約是1/4λ的0.1089倍,第二膜層32的厚度大約是1/4λ的3.9434倍。膜層組30_2的第一膜層31的厚度大約是1/4λ的0.0895倍,第二膜層32的厚度大約是1/4λ的6.182倍。膜層組30_3的第一膜層31的厚度大約是1/4λ的0.1861倍,第二膜層32的厚度大約是1/4λ的2.1758倍。膜層組30_4的第一膜層31的厚度大約是1/4λ的0.2396倍,第二膜層32的厚度大約是1/4λ的3.8189倍。
穿透率測試是將第三範例的光學膜結構3設置在如圖2所示的測驗環境下,然後以參考波長為530nm、入射角分別為0度和30度的光線照射光學膜結構3。測試結果如圖9所示,在入射角0度對應的光譜曲線C5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C6中對應穿透率50%的波長為515nm,光譜曲線C6的波長相對於光譜曲線C5的波長在穿透率50%處偏移了37nm。
由上述的試驗可知,各膜層組30的第一膜層31和第二膜層32的厚度差異越大,會使光譜偏移情況更加明顯。各膜層組30的第一膜層31對第二膜層32的厚度比例越小,也會使光譜偏移情況更加明顯。設置第一膜層31和第二膜層32的厚度比例不同的至少二個各膜層組30,也會使光譜偏移情況更加明顯。
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。
1,2,3:光學膜結構 11,21:高折射膜層 12,22:低折射膜層 30,30_1,30_2,30_3,30_4,30_N:膜層組 31:第一膜層 32:第二膜層 AIR:空氣 B1,B2,B3,B4:光譜曲線 C1,C2,C3,C4,C5,C6:光譜曲線 GLASS:玻璃基板 K:軸線 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為現有光學膜結構的示意圖; 圖2為光學膜結構設置於玻璃基板上,以進行穿透率測試的示意圖; 圖3為圖1之光學膜結構在不同入射角的情況下進行穿透率測試的光譜圖; 圖4為另一種現有光學膜結構的示意圖; 圖5為圖4的光學膜結構在不同入射角的情況下進行穿透率測試的光譜圖; 圖6為根據本發明一實施例的光學膜結構的示意圖;以及 圖7至圖9為根據本發明不同範例之具有不同膜層配置的光學膜結構進行穿透率測試的光譜圖。
3:光學膜結構
30,30_1,30_2,30_3,30_4,30_N:膜層組
31:第一膜層
32:第二膜層
K:軸線

Claims (9)

  1. 一種光學膜結構,包含沿一軸線堆疊的多個膜層組,各該膜層組包含相堆疊的一第一膜層和一第二膜層,各該膜層組的該第一膜層的折射率大於該第二膜層的折射率,各該膜層組的該第一膜層對該第二膜層的厚度比例是大於0且小於或等於0.28,在其中一該膜層組中,該第一膜層對該第二膜層的該厚度比例是0.01~0.27。
  2. 根據請求項1所述的光學膜結構,其中,在其中一該膜層組中,該第一膜層的厚度為入射光波長的四分之一的0.08~0.50倍,該第二膜層的該厚度為該入射光波長的四分之一的1.80~6.20倍。
  3. 根據請求項1所述的光學膜結構,其中,在其中一該膜層組中,該第一膜層的厚度小於或等於入射光波長的四分之一的0.5倍,該第二膜層的厚度大於或等於該入射光波長的四分之一的1.80倍。
  4. 根據請求項1所述的光學膜結構,其中,各該膜層組中,該第一膜層的厚度小於或等於該入射光波長的四分之一的0.5倍,該第二膜層的厚度大於或等於該入射光波長的四分之一的1.80倍。
  5. 根據請求項1所述的光學膜結構,其中,在其中一該膜層組中,該第一膜層的厚度為入射光波長的四分之一的0.2倍,該第二膜層的厚度為該入射光波長的四分之一的2倍。
  6. 根據請求項1所述的光學膜結構,其中,在其中一該膜層組中,該第一膜層的材料為二氧化鈦、五氧化二鉭、五氧化二鈮、氧化矽、氮化矽、二氧化錫或硫化鋅,該第二膜層的材料為二氧化矽、氟化鎂、氟化鋇、氟化鋁或氟化鍶。
  7. 根據請求項1所述的光學膜結構,其中各該膜層組的該第一膜層與相鄰的另一該膜層組的該第二膜層接觸。
  8. 根據請求項1所述的光學膜結構,其中各該膜層組的該第一膜層對該第二膜層的該厚度比例相同。
  9. 根據請求項1所述的光學膜結構,其中,其中一該膜層組的該第一膜層對該第二膜層的該厚度比例不同於另一該膜層組的該第一膜層對該第二膜層的該厚度比例。
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