一種超廣角半球透鏡增透膜的制作方法

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本實用新型涉及一種超廣角半球透鏡增透膜，尤其涉及一種曲率與口徑相當的透鏡增透膜。

背景技術：

光學薄膜是現代光學系統(tǒng)不可或缺的器件，在光學儀器中起到舉足輕重的作用。隨著光學產品的發(fā)展，光學透鏡的應用越來越廣。對于高清、廣角、星光級鏡頭來說，都朝著大數值孔徑、大通光量的方向發(fā)展，因此透鏡的鍍膜非常重要。在鍍膜過程中，由于點源產生的膜料蒸汽沉積角度的不同使得同一透鏡表面各點的膜厚存在一定的差異，對于曲率較小的透鏡影響不明顯，但對于曲率較大的透鏡時，邊緣和中心點膜厚差別很大，邊緣膜層的厚度會比中心薄很多，從而導致整個光譜向短波移動。當光線從邊緣和半腰入射時，鏡片表面的膜層不是起到增透作用，而是造成反射，導致成像體統(tǒng)中總體光通量嚴重降低，從而使成像質量不佳。嚴重時鏡片表面出現多次反射，形成“鬼影”，影響整個鏡頭的性能。

目前，在膜層沉積過程中主要采用修正擋板、公轉兼自轉的行星夾具來提高膜層厚度均勻性。增加修正擋板只能改善整個工件盤上的膜厚分布，而無法對工件盤上單個透鏡自身的不同位置的膜厚進行修正。帶有公轉加自轉的行星夾具，需要對設備進行改造，影響設備的密封性能。針對不同曲率和尺寸的透鏡需專門設計一套行星夾具和膜厚修正板，腔體的裝載量不足常規(guī)的一半，生產成本大大增加。另外，行星夾具因其擺幅受到腔體尺寸的限制，透鏡中心和邊緣的厚度均勻性有所改善，但無法達到一致。

技術實現要素：

本實用新型提供一種超廣角半球透鏡增透膜，本實用新型選擇SiO₂、TiO₂、和MgF₂作為鍍膜材料，在透鏡本體上鍍制增透膜，解決了由于透鏡中心和邊緣的厚度不均勻而造成的增透膜無法起到增透作用問題。它在原有設備的基礎上不改變膜層均勻性，而是通過選擇合適的鍍膜材料，從光譜膜系設計著手，將整個反射光譜帶加寬，保證邊緣膜厚偏薄的情況下仍能達到增透減反的效果。

本實用新型的技術方案一如下：

一種超廣角半球透鏡增透膜，所述的增透膜由鍍制在透鏡本體上的13層膜層組成，其中13層膜層依照距離透鏡本體從近至遠的順序依次為：第一SiO₂膜層、第一TiO₂膜層、第二SiO₂膜層、第二TiO₂膜層、第三SiO₂膜層、第三TiO₂膜層、第四SiO₂膜層、第四TiO₂膜層、第五SiO₂膜層、第五TiO₂膜層、第六SiO₂膜層、第六TiO₂膜層及MgF₂膜層。

本實用新型優(yōu)選以下技術方案：

所述的第一SiO₂膜層厚度為20.0-22.0nm；所述的第一TiO₂膜層厚度為11.1-13.1nm；所述的第二SiO₂膜層厚度為52.5-54.5nm；所述的第二TiO₂膜層厚度為7.0-8.0nm；所述的第三SiO₂膜層厚度為216.4-218.4nm；所述的第三TiO₂膜層厚度為12.1-14.1nm；所述的第四SiO₂膜層厚度為39.6-41.6nm；所述的第四TiO₂膜層厚度為35.0-37.0nm；所述的第五SiO₂膜層厚度為10.4-12.4nm；所述的第五TiO₂膜層厚度為77.6-79.6nm；所述的第六SiO₂膜層厚度為22.2-24.2nm；所述的第六TiO₂膜層厚度為22.9-24.9nm；所述的MgF₂膜層厚度為111.4-113.4nm。

采用光學膜料中折射率最低的MgF₂和折射率較高的TiO₂搭配設計時可以得到反射率較低的光譜曲線，但兩者膜料壓應力和張應力不匹配容易使透鏡表面的細傷拉大，甚至導致膜層龜裂發(fā)白，影響膜層性能。因此該方案前十二層選用TiO₂和SiO₂搭配降低應力，在最外層鍍MgF₂來降低反射率。不僅解決了膜層應力匹配問題，同時最大限度的降低反射率。

本實用新型優(yōu)選以下技術方案：

所述的透鏡本體的凸面曲率與口徑比為1:1.6-2.0。優(yōu)選曲率為14.75-16.75mm，口徑為27.8-29.8mm的透鏡本體，透鏡本體的基底材料為ZF13，但不限于ZF13材料。

本實用新型的技術方案二如下：

一種超廣角半球透鏡增透膜的鍍制方法，

具體包括如下步驟：

①.選擇TiO₂、SiO₂和MgF₂作為鍍膜材料；

②.鍍制增透膜前，使用霍爾離子源對透鏡本體刻蝕10-15分鐘；

③.采用離子源輔助沉積電子束蒸發(fā)法在經過步驟②處理的透鏡本體表面依次鍍制第一SiO₂膜層、第一TiO₂膜層、第二SiO₂膜層、第二TiO₂膜層、第三SiO₂膜層、第三TiO₂膜層、第四SiO₂膜層、第四TiO₂膜層、第五SiO₂膜層、第五TiO₂膜層和第六SiO₂膜層、第六TiO₂膜層；

在鍍制增透膜的各個膜層時，需先用霍爾離子源對前一基底膜層刻蝕10-15分鐘，且鍍前保持本底真空度低于2*10^-3Pa，沉積溫度為250-320℃，恒溫10-20分鐘；

鍍制各SiO₂膜層時，控制沉積速率為0.3-0.5nm/s，充氧量為0-5SCCM，離子源陽極電壓為220-250V，電流為4-6A；

鍍制各TiO₂膜層時，控制沉積速率為0.2-0.4nm/s，充氧量為15-25SCCM，離子源陽極電壓為230-280V，電流為5-7A；

鍍制MgF₂膜層時，關閉離子源，控制沉積速率為0.3-0.5nm/s。

進一步優(yōu)選以下技術方案：

鍍制增透膜前，預沉積常規(guī)增透膜層，用來確認透鏡中心與邊緣的膜厚比例，然后根據鍍膜指標、透鏡本體材料的折射率、膜料匹配及上述步驟確認的透鏡中心與邊緣的膜厚比例設計膜系的層數以及每一層膜的厚度。

該方案根據透鏡中心與邊緣的膜厚比例有針對性的展寬光譜帶寬，減少以經驗來調整膜層的次數。根據已計算的帶款設計最少的膜層數，減少鍍膜時間，降低因膜層數過多產生的累計誤差。

進一步優(yōu)選以下技術方案：使用霍爾離子源對透鏡本體刻蝕前，需對透鏡本體進行人工擦拭，去除面上和側面的拋光粉等雜質，提供較為新鮮的鍍膜面。擦拭所用的擦拭液為酒精：乙醚按照體積比為1:1-2:3混合而成的，其效果在于讓擦拭液盡快揮發(fā)，減少擦拭印記，提高透鏡光潔度。

進一步優(yōu)選以下技術方案：在使用霍爾離子源對透鏡本體刻蝕時，控制離子源陽極電壓為180-220V，電流為3-5A。

鑒于點源沉積在透鏡邊緣的發(fā)散角較大，離子源刻蝕和輔助沉積能有效的保證透鏡表面的新鮮度以及膜層的致密性，提高膜層附著力。

進一步優(yōu)選以下技術方案：在鍍制SiO₂膜層、TiO₂膜層、MgF₂膜層時，工件盤的公轉速度控制在10-15r/min。

膜料的沉積速率與工件盤公轉的速度需控制在0.8-3nm/r，避免公轉太慢導致整個工件盤不同位置沉積的膜厚不一致，公轉太快導致沿著蒸發(fā)源的方向膜料偏多，背著蒸發(fā)源的方向膜料偏少，出現行業(yè)所說的“陰陽臉”。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：

1、改變傳統(tǒng)的設計思維，從膜系設計的角度出發(fā)，將增透膜的光譜范圍展寬，使邊緣膜層薄的位置仍能達到增透效果。

2、無需對傳統(tǒng)設備做任何改造，只需控制膜料層沉積速率與工件盤公轉速度，即可保證透鏡同一圓周內的膜厚均勻。

3、采用離子源刻蝕和離子源輔助沉積的鍍膜工藝，提高膜層的附著力和致密性。

4、設計上靠近基底的膜層使用TiO₂和SiO₂，并且增加離子源輔助，有效的解決TiO₂與MgF₂膜層的應力問題，消除膜裂風險；最外層采用低折射率MgF₂，能夠最大限度的降低整個帶寬的反射率，在帶寬展寬的同時仍然能保證較低的反射率，并且能減少膜層應力，降低膜裂風險。

5、該技術同樣適用于半球透鏡鍍制單點增透膜、倍頻增透膜、高反膜。

6、該方法鍍制13層膜層，不僅能適應物理性能的要求，而且適于批量生產，對工業(yè)化應用具有巨大的意義。

附圖說明

圖1是本實用新型超廣角半球透鏡結構示意圖；

圖2是本實用新型的透鏡本體及增透膜的結構示意圖；

圖3是本實用新型實施例1的光譜設計圖(超廣角半球透鏡預沉積薄膜反射光譜設計圖)；

圖4是本實用新型實施例1的反射率光譜圖(超廣角半球透鏡預沉積薄膜在透鏡中心和邊緣90％位置的反射率光譜圖)；

圖5是本實用新型實施例2的光譜設計圖(超廣角半球透鏡展寬后反射光譜設計圖)；

圖6是本實用新型實施例2的反射率光譜圖(超廣角半球透鏡薄膜在透鏡中心和邊緣90％位置的反射率光譜圖)。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型內容進行詳細說明。

(一)具體實施例

一種超廣角半球透鏡增透膜，所述的增透膜2由鍍制在透鏡本體1上的13層膜層組成，其中13層膜層依照距離透鏡本體從近至遠的順序依次為：第一SiO₂膜層21、第一TiO₂膜層22、第二SiO₂膜層23、第二TiO₂膜層24、第三SiO₂膜層25、第三TiO₂膜層26、第四SiO₂膜層27、第四TiO₂膜層28、第五SiO₂膜層29、第五TiO₂膜層210、第六SiO₂膜層211、第六TiO₂膜層212及MgF₂膜層213。

本實用新型的13層膜層是要達到本實用新型效果的最少層數，但層數多了厚度不易控制，不便于批量生產。

所述的第一SiO₂膜層21厚度為20.0-22.0nm；所述的第一TiO₂膜層22厚度為11.1-13.1nm；所述的第二SiO₂膜層23厚度為52.5-54.5nm；所述的第二TiO₂膜層24厚度為7.0-8.0nm；所述的第三SiO₂膜層25厚度為216.4-218.4nm；所述的第三TiO₂膜層26厚度為12.1-14.1nm；所述的第四SiO₂膜層27厚度為39.6-41.6nm；所述的第四TiO₂膜層28厚度為35.0-37.0nm；所述的第五SiO₂膜層29厚度為10.4-12.4nm；所述的第五TiO₂膜層210厚度為77.6-79.6nm；所述的第六SiO₂膜層211厚度為22.2-24.2nm；所述的第六TiO₂膜層212厚度為22.9-24.9nm；所述的MgF₂膜層213厚度為111.4-113.4nm。

本實用新型所述的透鏡本體1的凸面曲率為14.75-16.75mm，口徑為27.8-29.8mm，透鏡本體1的基底材料優(yōu)選為ZF13，也可以使用其它的材料。

一種超廣角半球透鏡增透膜的鍍制方法，

具體包括如下步驟：

①.選擇TiO₂、SiO₂和MgF₂作為鍍膜材料；

②.鍍制增透膜2前，使用霍爾離子源對透鏡本體1刻蝕10-15分鐘；

③.采用離子源輔助沉積電子束蒸發(fā)法在經過步驟②處理的透鏡本體1表面依次鍍制第一SiO₂膜層、第一TiO₂膜層、第二SiO₂膜層、第二TiO₂膜層、第三SiO₂膜層、第三TiO₂膜層、第四SiO₂膜層、第四TiO₂膜層、第五SiO₂膜層、第五TiO₂膜層和第六SiO₂膜層、第六TiO₂膜層；

在鍍制增透膜2的各個膜層時，需先用霍爾離子源對前一基底膜層刻蝕10-15分鐘，且鍍前保持本底真空度低于2*10^-3Pa，沉積溫度為250-320℃，恒溫10-20分鐘；

鍍制各SiO₂膜層時，控制沉積速率為0.3-0.5nm/s，充氧量為0-5SCCM，離子源陽極電壓為220-250V，電流為4-6A；

鍍制各TiO₂膜層時，控制沉積速率為0.2-0.4nm/s，充氧量為15-25SCCM，離子源陽極電壓為230-280V，電流為5-7A；

鍍制MgF₂膜層時，關閉離子源，控制沉積速率為0.3-0.5nm/s。

鍍制增透膜2前，預沉積常規(guī)增透膜層，用來確認透鏡中心與邊緣的膜厚比例，然后根據鍍膜指標、透鏡本體1材料的折射率、膜料匹配及上述步驟確認的透鏡中心與邊緣的膜厚比例設計膜系的層數以及每一層膜的厚度。

使用霍爾離子源對透鏡本體1刻蝕前，需對透鏡本體1進行人工擦拭，去除面上和側面的拋光粉等雜質，提供較為新鮮的鍍膜面。擦拭所用的擦拭液為酒精：乙醚按照體積比為1:1混合而成的。

在使用霍爾離子源對透鏡本體1刻蝕時，控制離子源陽極電壓為180-220V，電流為3-5A。

在鍍制SiO₂膜層、TiO₂膜層、MgF₂膜層時，工件盤的公轉速度控制在10-15r/min。

(二)具體實施例

實施例1

如圖1，超廣角半球透鏡凸面曲率為15.75mm，口徑為28.8mm，光譜指標要求：Rabs<0.5％@420-700,透鏡基底材料為ZF13。

一種超廣角半球透鏡增透膜的制備方法，包括以下步驟：

(一)以常規(guī)透鏡為例，不考慮邊緣與中心的膜厚差異，預沉積常規(guī)可見光增透膜層，確認透鏡中心與邊緣的膜厚比例。選擇TiO₂和SiO₂作為鍍膜材料設計的反射光譜如圖3所示，420-700nm反射率小于0.5％。

各膜層依照距離玻璃基材從近至遠的順序依次為：第1層、厚度為17.1nm的TiO₂膜層；第2層、厚度為24.5nm的SiO₂膜層；第3層、厚度為50.5nm的TiO₂膜層；第4層、厚度為18.5nm的SiO₂膜層；第5層、厚度為33.3nm的TiO₂膜層；第6層、厚度為97.6nm的SiO₂膜層。

(二)如圖3、4所示，超廣角半球透鏡預沉積薄膜在透鏡中心和邊緣90％位置的反射率光譜圖。從圖3可以看出，球面中心測得的反射率光譜中心波長在565nm,而邊緣90％位置由于所沉積的膜層較薄，測得的反射率中心波長在410nm，在560-700nm的范圍內反射率已經大于0.5％，未能達到設計要求，特別是在700nm的位置反射率達到了5.6％。原本設計要求的增透效果反而變成了反射效果，更嚴重的是整個鏡頭邊緣紅綠黃等反射光太強導致鏡頭偏色，無法準確還原拍攝物的色彩。

(三)步驟二確定了中心膜厚與邊緣90％位置的膜厚比例為565/410＝1.38，為保證邊緣在波長700nm時反射率小于0.5％，膜系的帶寬需展寬到700*1.38＝966nm。

實施例2

選擇TiO₂，SiO₂，MgF₂作為鍍膜材料，根據步驟三確認的鍍膜指標為R<0.5％@420-966nm。使用膜系設計軟件設計的各膜層依照距離玻璃基材從近至遠的順序依次為：如圖2所示，第1層、厚度為21nm的第一SiO₂膜層；第2層、厚度為12.1nm的第一TiO₂膜層；第3層、厚度為第二53.5nm的SiO₂膜層；第4層、厚度為8.0nm的第二TiO₂膜層；第5層、厚度為217.4nm的第三SiO₂膜層；第6層、厚度為13.1nm的第三TiO₂膜層；第7層、厚度為40.6nm的第四SiO₂膜層；第8層、厚度為36nm的第四TiO₂膜層；第9層、厚度為11.4nm的第五SiO₂；第10層、厚度為78.6nm的第五TiO₂膜層；第11層、厚度為23.2nm的第六SiO₂膜層；第12層、厚度為23.9nm的第六SiO₂膜層；第13層、厚度為112.4nm的MgF2膜層。設計曲線如圖5。