專利名稱：超低殘留反射的低應(yīng)力透鏡涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于透鏡的低應(yīng)力低殘留反射的多層防反射涂層，更具體說(shuō)，是涉及一種形成高折射率防反射涂層的成分和一種形成低折射率防反射涂層的成分、最好使用該成分制作光學(xué)透鏡的方法，其中包括使用裝配有光學(xué)監(jiān)控器的真空淀積室，該光學(xué)監(jiān)控器用于控制防反射涂層的光學(xué)性質(zhì)。
背景技術(shù)：
光學(xué)領(lǐng)域中眾所周知，光從玻璃和其他表面的反射是不希望的，或產(chǎn)生視覺(jué)上的不舒服。除了這種不希望的作用外，反射光還令用戶覺(jué)得暈眩，或產(chǎn)生模糊的像。對(duì)受特別關(guān)注的光學(xué)透鏡，已經(jīng)為降低從光學(xué)透鏡表面的反射而研制成分及方法。
為確保殘留反射在整個(gè)可見(jiàn)光譜范圍保持在相對(duì)小的值，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)提出了相當(dāng)大量的防反射(AR)涂層。單層或雙層的涂層，已經(jīng)給出顯著的改進(jìn)，但殘留反射仍然比希望的大，為改進(jìn)AR的性質(zhì)，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)求助于有三層或更多層的AR涂層。
通常是控制每一淀積的AR層的光學(xué)厚度，使AR作用優(yōu)化或最大化，而且眾所周知，光學(xué)厚度是真正(幾何)厚度和相應(yīng)層的折射率的乘積。光學(xué)厚度一般以使用該涂層的指定參考光線波長(zhǎng)的分?jǐn)?shù)描述。設(shè)計(jì)波長(zhǎng)常常在約510納米(nm)到550nm。相應(yīng)AR層的光學(xué)厚度，可用如下的一般公式定義，其中的N是折射率，d是層的幾何厚度，而λ是參考波長(zhǎng)Nada＝xλ這里x是一數(shù)，通常是分?jǐn)?shù)，指示波長(zhǎng)的百分比，而a是代表層的整數(shù)，這些層以更接近眼鏡透鏡的最低數(shù)涂覆。通常x取0.25，代表四分一波長(zhǎng)的光學(xué)厚度。
今天，本領(lǐng)域已眾所周知，調(diào)整個(gè)別層的光學(xué)厚度，可以在不同折射率的基片上獲得相同結(jié)果。
在每一AR層的形成中，已淀積層對(duì)每一厚度測(cè)量的四分一光波長(zhǎng)，即λ/4，呈現(xiàn)干涉極大值。因此，在光學(xué)AR層的形成中，利用光學(xué)厚度是0.25倍數(shù)這一干涉極大現(xiàn)象，可以方便地控制AR層的厚度。
雖然下面的說(shuō)明為方便起見(jiàn)，針對(duì)的是聚碳酸酯透鏡，但本領(lǐng)域熟練人員應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明可用于其他透鏡材料，如聚氨基甲酸乙酯、丙烯酸玻璃、CR-39、等等。聚碳酸酯透鏡中的應(yīng)力，導(dǎo)致雙折射和光學(xué)畸變。雖然在普通環(huán)境下看不到，但當(dāng)把聚碳酸酯放在兩個(gè)起偏絲之間時(shí)，雙折射和光學(xué)畸變是明顯的，正是這個(gè)原因使聚碳酸酯透鏡在光學(xué)上比不上例如玻璃、CR-39、及其他類似材料的透鏡。由Optima研制，商標(biāo)名是Resolution的新聚碳酸酯透鏡，沒(méi)有這種應(yīng)力和雙折射，因此，提供AR涂層的當(dāng)前處理工藝和AR涂層的固有應(yīng)力，現(xiàn)在成為這種透鏡制造商更值得關(guān)注的問(wèn)題。
此外，AR涂層的目前狀態(tài)，有殘留的綠色反射，在0.75％到1.5％的殘留反射之間變化。這種綠色在外觀上是令人不愉快的，并起綠色濾波器的作用，降低人眼感覺(jué)到的綠光的量。在涂層性能和它的外觀表現(xiàn)兩方面，都希望有不帶濾波效應(yīng)的更低的殘留反射。最好只有白光被反射。
在當(dāng)前的工業(yè)中，已經(jīng)充分掌握AR涂層目前的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，且通常為了使制作簡(jiǎn)單得多和便宜得多，在設(shè)計(jì)中留下殘留顏色。目前的技術(shù)使用Quartz Crystal Monitor(石英晶體監(jiān)控器)，控制生產(chǎn)AR涂層要求的個(gè)別層的物理厚度。目前的涂層標(biāo)準(zhǔn)，需要4層HLHL涂層，這里H代表因其特有的折射率而被選擇的高折射率電介質(zhì)材料，而L代表同樣因其折射率而被選擇的低折射率電介質(zhì)材料。每一層通常由所選高或低折射率材料的光學(xué)四分一波長(zhǎng)構(gòu)成。低折射率材料包括SiO2和MgF2。高折射率材料包括如下材料的氧化物亞類Zr、Hf、Ta、Ti、Sb、Y、Ce、和Yb。雖然沒(méi)有包括全部，但這些材料是當(dāng)前最廣泛使用的。
當(dāng)前生產(chǎn)的許多AR涂層，還包括粘附層、緩沖層、耐磨層、和疏水性外層。從消費(fèi)者的觀點(diǎn)看，這些層用于增強(qiáng)涂層的性能，但對(duì)AR涂層的光學(xué)質(zhì)量，只有很小影響。
在制作AR涂層中另一個(gè)關(guān)注的問(wèn)題是，高折射率材料和低折射率材料在AR涂層膜中引起壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。但是，防反射(AR)涂層的目前技術(shù)，沒(méi)有考慮涂層自身固有應(yīng)力的量。這是因?yàn)槟壳爱?dāng)前市場(chǎng)上生產(chǎn)的透鏡，例如聚碳酸酯透鏡，已經(jīng)有太多的應(yīng)力，以致AR涂層引起應(yīng)力的附加量，被認(rèn)為是不重要的。這是為什么目前的生產(chǎn)技術(shù)試圖限制使用的層數(shù)的一個(gè)原因。一般地說(shuō)，低折射率材料，如二氧化硅產(chǎn)生的拉應(yīng)力，約為高折射率材料產(chǎn)生的壓應(yīng)力的5倍。如果涂層因附加層而變得太厚，低折射率材料和高折射率材料引起應(yīng)力中的差，能夠?qū)е翧R膜分開(kāi)并從透鏡脫落，也導(dǎo)致有害的光學(xué)效應(yīng)。
目前生產(chǎn)技術(shù)限制層數(shù)的另一個(gè)原因是，石英晶體監(jiān)控器只能測(cè)量涂布材料的物理厚度。但是，AR涂層是圍繞光學(xué)質(zhì)量設(shè)計(jì)的，光學(xué)質(zhì)量與使用的材料的折射率非常有關(guān)系。這些折射率將隨涂覆條件，諸如可購(gòu)得的O2、涂覆速率、和淀積溫度的變化而偏移。涂層中留下的綠光反射，確實(shí)是掩蓋正常生產(chǎn)過(guò)程中這些缺陷的良好成果，且在非常廣闊的綠色可見(jiàn)光譜中高峰值的反射，能夠在正常生產(chǎn)過(guò)程中偏移，除訓(xùn)練有素的專業(yè)人員外，不會(huì)引起所有人的注意。
為了使形成的AR涂層沒(méi)有殘留顏色，即AR涂層是白色的，且有低的整個(gè)殘留反射，制造商通常必須添加若干附加的AR層。這些層產(chǎn)生的附加厚度，導(dǎo)致應(yīng)力的增加和可能的AR涂層剝離，而這些需要權(quán)衡的問(wèn)題，必須由透鏡制造商解決。
出于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)這些問(wèn)題和缺陷的關(guān)注，本發(fā)明的一個(gè)目的，是提供一種在光學(xué)透鏡或其他光學(xué)制品上，制作高折射率AR涂層的成分。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，是提供一種在光學(xué)透鏡或其他光學(xué)制品上，制作低折射率AR涂層的成分。
本發(fā)明的再一個(gè)目的，是提供一種用上述成分，制作有AR涂層的光學(xué)透鏡或其他光學(xué)制品的方法。
本發(fā)明的又再一個(gè)目的，是提供一種制作有AR涂層的光學(xué)透鏡的方法，該方法用光學(xué)監(jiān)控器，在光學(xué)透鏡或其他光學(xué)制品上提供需要的AR光學(xué)涂層。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，是提供一種以AR涂層涂覆光學(xué)透鏡或其他光學(xué)制品的方法，該AR涂層有低的殘留反射，反射光基本上是白光，且AR涂層有低的應(yīng)力。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，是提供用本發(fā)明的方法制作的光學(xué)透鏡和其他光學(xué)制品。
本發(fā)明還有的其他目的和優(yōu)點(diǎn)，在本說(shuō)明書中部分是顯而易見(jiàn)的，部分是明明白白的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明獲得的上述及其他目的和優(yōu)點(diǎn)，對(duì)本領(lǐng)域熟練人員是顯而易見(jiàn)的，本發(fā)明的第一方面，是針對(duì)一種在光學(xué)透鏡上制作高折射率AR涂層的成分，該成分包括鈰氧化物和鈦氧化物的混合物，其中的氧化鈰氧化物按該成分重量計(jì)，約小于25％。
在本發(fā)明的再一個(gè)方面中，是提供一種在光學(xué)透鏡上制作低折射率AR涂層的成分，該成分包括硅氧化物和鋁氧化物的混合物，其中的氧化鋁按該成分重量計(jì)，約小于10％。
在本發(fā)明的又一個(gè)方面中，是提供一種方法，用于制作有防反射(AR)涂層的光學(xué)透鏡，該方法包括的步驟有提供一個(gè)或多個(gè)光學(xué)透鏡和一個(gè)光學(xué)參考透鏡；在真空淀積室中，把透鏡和光學(xué)參考透鏡定位在同一涂覆平面，該真空淀積室中有與光學(xué)參考透鏡通信的光學(xué)監(jiān)控器；在該室中提供至少一種高折射率AR涂層成分的源，和至少一種低折射率AR涂層成分；在透鏡上涂以高折射率成分層，直到按光學(xué)監(jiān)控器確定，獲得需要的光學(xué)厚度的涂層為止；
在透鏡上涂以低折射率成分層，直到按光學(xué)監(jiān)控器確定，獲得需要的光學(xué)厚度的涂層為止；和重復(fù)上述AR涂布步驟，直到涂上需要的AR涂層為止；其中的光學(xué)監(jiān)控器包括一種裝置，用于引導(dǎo)通/斷的光束進(jìn)入該室，落在光學(xué)參考透鏡上；用于在特定的波長(zhǎng)上測(cè)量參考透鏡的反射光；和用于利用該測(cè)量，確定何時(shí)獲得需要的光學(xué)涂層厚度。
在本發(fā)明的另一方面中，是提供一種方法，用于制作有防反射(AR)涂層的光學(xué)透鏡，該方法包括的步驟有提供光學(xué)透鏡；把透鏡在真空淀積設(shè)備的真空淀積室中定位；在真空室中提供至少一種高折射率AR成分和至少低折射率AR成分的源，其中的高折射率材料之一包括鈰氧化物和鈦氧化物的混合物，而低折射率材料之一包括SiO2；在透鏡上涂以高折射率材料層，直到涂上需要的光學(xué)厚度的涂層為止；在透鏡上涂以低折射率材料層，直到涂上需要的光學(xué)厚度的涂層為止；和重復(fù)上述涂布步驟，直到涂上需要的防反射涂層為止。
在本發(fā)明的另一方面中，是提供一種方法，用于制作有防反射(AR)涂層的光學(xué)透鏡，該方法包括的步驟有提供光學(xué)透鏡；把透鏡在真空淀積設(shè)備的真空淀積室中定位；在真空室中提供至少一種高折射率AR成分和至少低折射率AR成分的源；在透鏡上涂以高折射率材料層，直到涂上需要的光學(xué)厚度的涂層為止；在透鏡上涂以低折射率材料層，直到涂上需要的光學(xué)厚度的涂層為止；和重復(fù)上述涂布步驟，直到涂上需要的防反射涂層為止；
但須控制防反射涂層的反射光，使藍(lán)光對(duì)綠光對(duì)紅光的比例，可以給出基本上白色的反射光。
在本發(fā)明的再一方面中，如有必要，調(diào)整AR涂層的光學(xué)厚度，使相鄰層中拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的差最小。
在本發(fā)明的另一方面中，是提供用上述方法制作的光學(xué)透鏡或其他光學(xué)物品。


相信是新穎的本發(fā)明部件和本發(fā)明的單元特征，在附于后面的權(quán)利要求書中詳細(xì)闡明。附圖僅用于說(shuō)明的目的，也沒(méi)有按比例畫出。但是，既作為組織，也作為操作方法的本發(fā)明本身，通過(guò)參考下面結(jié)合附圖的說(shuō)明可以得到最好的了解，附圖中圖1是示意說(shuō)明圖，說(shuō)明用于把涂層淀積在基片上的常規(guī)真空室，和與真空室結(jié)合使用的本發(fā)明的光學(xué)監(jiān)控器。
圖2是透鏡的說(shuō)明，該透鏡包含用本發(fā)明的成分和方法制作的防反射涂層。
圖3是曲線，對(duì)照常規(guī)的防反射涂層與用本發(fā)明制作的防反射涂層，畫出作為波長(zhǎng)函數(shù)的反射率(百分比)。
具體實(shí)施例方式
在說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，將參考附圖的圖1-3，圖中相同的數(shù)字表示本發(fā)明相同的部件。本發(fā)明的部件不一定按比例在圖中畫出。
申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)明在低的和高的折射率范圍中的AR涂層成分，這些成分能實(shí)現(xiàn)AR涂層在殘留反射和產(chǎn)生的涂層應(yīng)力兩方面的控制。這樣，如有必要，可以顯著增加使用的AR層的數(shù)目，獲得需要的透鏡。申請(qǐng)人還使用光學(xué)監(jiān)控器，控制光學(xué)厚度和材料的涂覆速率。該光學(xué)監(jiān)控器使用專門的測(cè)試玻璃，該測(cè)試玻璃與透鏡同時(shí)接受涂層材料。通過(guò)對(duì)涂層現(xiàn)場(chǎng)的光學(xué)測(cè)量，人們能夠自動(dòng)地校正任何折射率中較小的變化，并在要求的準(zhǔn)確光學(xué)厚度上，停止層的涂覆。這一點(diǎn)極其重要，因?yàn)樵谝粚又幸鸬娜魏握`差，能夠?qū)е旅恳缓罄m(xù)層的失配。就這方面而言，光學(xué)監(jiān)控器除了光學(xué)上的校正外，如有必要，還能在后續(xù)層中作較小的校正。
申請(qǐng)人發(fā)明的最終結(jié)果，是外觀上使人愉悅的涂層，具有低殘留的不需要的顏色、低的反射率、和低的應(yīng)力。
雖然已經(jīng)參考特定實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，但本領(lǐng)域熟練人員將認(rèn)識(shí)到，可以對(duì)之作出改變，而不偏離本發(fā)明在后附權(quán)利要求書中闡明的范圍和精神。雖然AR涂層是專門對(duì)聚碳酸酯透鏡透鏡研發(fā)的，但說(shuō)明的技術(shù)可以用于任何透鏡材料，有機(jī)的或無(wú)機(jī)的，包括玻璃、CR-39、和折射率在1.40到＞1.90的透鏡。
現(xiàn)在參考圖1，圖上畫出一般以10表示的常規(guī)真空室，用于把防反射涂層淀積在透鏡上，圖上還畫出一般以數(shù)字30表示的光學(xué)監(jiān)控器。
任何常規(guī)的真空涂覆設(shè)備都可以使用，例子如美國(guó)專利No.3,695,910、5,026,469、和5,124,019中說(shuō)明的設(shè)備，本文引用這些專利，供參考。
真空室包括室11，在該室的頂部有透明的部分18。在真空室內(nèi)放置容器12a、12b、12c、和12d，分別盛有涂層材料13a、13b、13c、和13d。本領(lǐng)域熟練人員顯然了解，容器數(shù)和涂層材料數(shù)，將隨需要涂覆在透鏡基片上的防反射涂層而變化。
圖上畫出電子槍14，用于提供引向各個(gè)容器的電子，使容器中的材料揮發(fā)。與要揮發(fā)的材料有關(guān)，可以把容器放在適當(dāng)位置，把電子槍的電子引向容器和材料。材料被汽化，并彌浸在整個(gè)室中，如圖上的箭頭所示。圖上畫出彎曲的基片夾持器15(通常是圓蓋)，于是汽化的材料均勻地涂覆在所有基片的表面。通常用分配擋板來(lái)均勻地涂布揮發(fā)的材料。圖上畫出4塊基片16a-16d。在圓蓋上通?？梢苑胖?5-140塊基片。參考基片17放在基片夾持器15的中心，并且它如基片夾持器15上其他基片16一樣，同樣被揮發(fā)的材料以相同速率和相同成分涂覆。輸入32通常供氣體如O2使用，以便為某些AR層形成氧化物。
操作時(shí)，需要的容器和涂層材料被移至真空室中適當(dāng)位置，然后起動(dòng)電子槍，把電子引向容器，使涂層材料揮發(fā)。涂層材料將被汽化，汽化的蒸氣涂覆基片夾持器15夾持的每一基片16。參考基片17同樣被涂覆。如上述專利所示，本領(lǐng)域眾所周知，這樣的涂覆過(guò)程和真空室是慣用的。真空淀積是可取的，但其他方法也可以使用，如濺射法。
在涂覆過(guò)程中，最好使用光學(xué)監(jiān)控器并從光源19投射高強(qiáng)度的光束20。高強(qiáng)度光束20通過(guò)光斬波器21，該光斬波器21使光束通和斷，給出通/斷的光束22。通/斷光的順序與監(jiān)控器末端的光檢測(cè)器29同步。這一點(diǎn)是重要的，因?yàn)樵诠馐臄嚅_(kāi)周期，光檢測(cè)器29仍然接收大量的環(huán)境光。因?yàn)橐呀?jīng)對(duì)斷開(kāi)周期中接收的噪聲光編程，從光束接通時(shí)接收的光量中減去該噪聲光。這樣可以保證，只有假定要測(cè)量的光才實(shí)際上被測(cè)量。
被斬波的光22還通過(guò)聚焦透鏡21a，然后引向高反射率的反射鏡23。該反射鏡23把光束轉(zhuǎn)向，成為向著該室中透明開(kāi)孔18的反射光束24，落在置于該室內(nèi)的參考基片17上。如上面所指出，參考基片17定位在與要涂覆的基片16相同曲線的平面內(nèi)。這樣保證在AR涂層的實(shí)際處理過(guò)程中，參考基片17與被涂覆的每一基片，接受AR材料相同的涂覆。
當(dāng)反射光束24到達(dá)參考基片17時(shí)，光的大部分通過(guò)參考基片。約5％的光從后表面反射，和約5％的光從前表面反射。最好是，光束以小的入射角射進(jìn)該室內(nèi)，使從監(jiān)控器玻璃的前后表面反射的光束，以稍為不同的角度返回。這一點(diǎn)是重要的，因?yàn)橹挥袕膮⒖蓟氨砻娣瓷涞墓獠疟粶y(cè)量。從前表面反射的光束在圖上以第二反射光束25表示。從后表面反射的光束沒(méi)有畫出。
從前表面反射的原先光的5％，作為光束25，現(xiàn)在通過(guò)透明部分18從該室出射，落在第二反射鏡26上，并向光檢測(cè)器29偏轉(zhuǎn)。在到達(dá)檢測(cè)器29前，光束25通過(guò)光濾波器27，這是個(gè)頻率特異濾波器，它只讓光的一種頻率通過(guò)。該特定頻率的光在圖上以光束28表示，然后該光束進(jìn)入光檢測(cè)器29。
本發(fā)明的方法提供一種光學(xué)涂層，它在特殊需要的光頻上是準(zhǔn)確的。由于這一點(diǎn)，為了設(shè)計(jì)并形成光學(xué)涂層，需要的AR涂層厚度，必須通過(guò)特定的光頻設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)計(jì)AR涂層時(shí)，要選擇光濾波器27，使它只讓設(shè)計(jì)者選擇的光頻通過(guò)。通常，該頻率是480至530nm。
然后，對(duì)繼續(xù)進(jìn)入光檢測(cè)器29的特定頻率的光，測(cè)量接收的光量，檢測(cè)器還把光放大到更高精度的可讀的強(qiáng)度。通過(guò)使用高分辨率A/D變換器和微處理器，檢測(cè)器能檢測(cè)小至0.01％的變化。光檢測(cè)器29把光強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)送至汽化控制系統(tǒng)31，該系統(tǒng)使用該信息，確定被涂布材料每一層的光學(xué)厚度，和確定當(dāng)透鏡上涂覆了需要的光學(xué)厚度時(shí)，停止涂布材料的汽化過(guò)程。應(yīng)當(dāng)指出，正是因?yàn)楣鈱W(xué)監(jiān)控器在涂覆過(guò)程中，與透鏡表面光學(xué)性能實(shí)際變化的同時(shí)，讀出該光學(xué)性能的變化，才使監(jiān)控器如此準(zhǔn)確。監(jiān)控器30還能在涂覆過(guò)程中，使系統(tǒng)對(duì)折射率的偏移作較小的校正。顯然，監(jiān)控器30嚴(yán)格依賴于涂層的光學(xué)性能，而不是基片表面上涂覆材料的物理厚度。
還能按照上面的討論，改變?cè)O(shè)計(jì)的AR涂層的光學(xué)厚度，控制AR涂層的應(yīng)力，使層中拉力和壓力間的差最小。光學(xué)厚度一般以0.5λ的步長(zhǎng)變化，因?yàn)樵摬介L(zhǎng)對(duì)光學(xué)性能沒(méi)有顯著影響。
圖2代表透鏡基片上本發(fā)明的AR涂層。全部涂層從基片開(kāi)始，并在設(shè)計(jì)和制作時(shí)按順序向外涂覆。圖上的基片是無(wú)應(yīng)力聚碳酸酯透鏡。該透鏡是用美國(guó)專利No.6,042,754所示專利處理過(guò)程制作的，上述專利授予本主題發(fā)明的受讓人。雖然說(shuō)明的處理過(guò)程是針對(duì)該特定透鏡的，但修改AR層厚度，對(duì)不同透鏡材料進(jìn)行補(bǔ)償，也可以用于折射率1.40到1.90，或更高的任何透鏡材料。所有厚度的測(cè)量都按Quarter Wave Optical Thickness(四分之一波長(zhǎng)的厚度，QWOT)(0.25λ)進(jìn)行。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，用于設(shè)計(jì)配方和使用的光頻率，在470nm到580nm之間。從涂覆的光學(xué)透鏡反射的光中，如本文討論那樣，通過(guò)控制藍(lán)光量對(duì)綠光量對(duì)紅光量的比例，計(jì)算AR涂層。藍(lán)色控制在37.16％，綠色控制在28.57％，和紅色控制在34.27％。顯然，可以在某種程度上改變計(jì)算的光學(xué)厚度，以便適應(yīng)制造的要求。
圖2所示透鏡的細(xì)節(jié)如下基片51-折射率約1.59的聚碳酸酯透鏡。
底層涂料52-把底層涂料涂在透鏡上，以便更容易粘附最后的硬涂層。厚度約為.5到1.0微米。1.50的折射率。
硬涂層53-基于聚硅氧烷的熱固化材料，厚度在3.5到5.0微米之間。1.49的折射率。
L154-低折射率材料，如SiO2。厚度約1.70-1.9QWOT。折射率約1.45-1.5。
H155-本發(fā)明設(shè)計(jì)的、有較低應(yīng)力并增加折射率的高折射率材料。厚度約.10-.25QWOT。折射率約2.04-2.30。
L256-與L1的材料相同。厚度約.10-.25QWOT。
H257-與H1的材料相同。厚度約1.00-1.25QWOT。
L358-與L1的材料相同。厚度約.01-.1QWOT。
H359-與H1的材料相同。厚度約1.25-1.50QWOT。
M1 60-中等折射率材料，用于幫助增加粘附力和改進(jìn)耐磨擦性。厚度約.01-.1QWOT。
L461-與L1的材料相同。厚度約1.75-2.00QWOT。
Hydro 62-涂在外表面的聚硅氧烷材料，以便形成光滑的修光表面。它改進(jìn)透鏡的可清潔性。厚度約.01-.25QWOT。折射率約1.40-1.50。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，透鏡有低的應(yīng)力、低的反射、和低的殘留顏色，即反射光基本是白色的。最后的透鏡有類似于圖3曲線70的曲線。
圖3以曲線畫出本發(fā)明的AR涂層和當(dāng)前市場(chǎng)上可購(gòu)得的典型透鏡之間的差別。該曲線只表明該涂層的光學(xué)優(yōu)勢(shì)，而不表明該涂層降低應(yīng)力的能力。曲線70代表在目前市場(chǎng)生產(chǎn)的AR涂層上得到的殘留反射，并畫出峰值70a，該峰值在綠色光譜中且產(chǎn)生常規(guī)透鏡的殘留綠色反射。還應(yīng)當(dāng)指出，極小點(diǎn)70b和70c分別表示藍(lán)光和綠光的反射。
如前面所作的討論，常規(guī)透鏡是商業(yè)上可接受的，因此掩蓋了生產(chǎn)過(guò)程中涂層厚度的起伏。通過(guò)把整個(gè)曲線向右或向左移動(dòng)，能夠調(diào)整峰值反射70a(曲線上的最高點(diǎn))，使之向右移或向左移。結(jié)果是使綠的殘留顏色變得看起來(lái)更藍(lán)或更黃。此外，AR涂層公司可以旋轉(zhuǎn)該曲線，使曲線右側(cè)的極小升至約0.75％的反射。后果是殘留反射總量非常顯著地上升。其他的后果是，殘留的顏色表現(xiàn)明顯的黃綠色。
曲線71表示圖2所示本發(fā)明透鏡的AR涂層。這里指出，總的殘留反射比常規(guī)的曲線70低得多。還要指出，曲線還向可見(jiàn)光譜中紅外和紫外區(qū)兩側(cè)擴(kuò)展(更寬)。這是頗有意義的因素，因?yàn)樗型哥R上的AR涂層，當(dāng)入射光角度(光落在表面的角度)逐漸偏離直射時(shí)，都有改變顏色的趨勢(shì)。這種顏色上表現(xiàn)的變化，是因入射角增加時(shí)，曲線向左移產(chǎn)生的。整個(gè)曲線更窄，它顏色的改變更快。因?yàn)榫G色突然變成黃色、橙色、或紅色，所以十分明顯。曲線71有寬得多的寬度，又無(wú)顏色。隨著入射角的增加，曲線開(kāi)始向左移，但顏色仍然不變，直到該角度極其大，例如達(dá)45°為止。
申請(qǐng)人的發(fā)明，在一個(gè)方面，是針對(duì)如數(shù)字70所示常規(guī)曲線的修改，使之成為如數(shù)字71所示的白光曲線。白光曲線71的顏色組合，產(chǎn)生白光反射，沒(méi)有常規(guī)曲線70呈現(xiàn)的占優(yōu)勢(shì)的綠色反射。
申請(qǐng)人已經(jīng)公開(kāi)了調(diào)整防反射涂層反射光中藍(lán)光、綠光、和紅光相互間的比例，可以產(chǎn)生如數(shù)字71所示的曲線，該曲線產(chǎn)生基本白色的光。眾所周知，使用計(jì)算機(jī)軟件，通過(guò)指定一些光學(xué)參數(shù)，可以計(jì)算薄膜的厚度，該計(jì)算機(jī)軟件將用這些參數(shù)，計(jì)算AR涂層并給出薄膜的厚度。僅僅指定例如藍(lán)色、綠色、和紅色的濃度相同，不能產(chǎn)生白色的光，而是給出如曲線70的曲線，該曲線有綠色的峰值和殘留的綠色反射。
申請(qǐng)人發(fā)明的重要特征是，控制反射光中藍(lán)色峰值、綠色峰值、和紅色峰值的比例，產(chǎn)生白色光的反射。三種顏色被控制在特定的比例之內(nèi)，以產(chǎn)生白色光的反射。一般說(shuō)來(lái)，按顏色峰值的百分比，藍(lán)色峰值約在34-40％的范圍，最好是36-38％，例如37％，綠色約在24-32％，最好26-30％，例如29％，而紅色約在30-38％，最好是32-36％，例如34％。當(dāng)把這些比例連同其他光學(xué)性質(zhì)，例如使用的材料的折射率，以及光學(xué)厚度一定范圍上的折射率表，提供給計(jì)算機(jī)軟件時(shí)，該軟件將計(jì)算產(chǎn)生指定藍(lán)色、綠色、和紅色峰值所需的AR層。一種典型的計(jì)算機(jī)軟件程序，名為“Essential MacLeod”，OpticalCoating Design Program，Copyright Thin Film Center，Inc.1995-2003，Version V 8.6，該程序由Thin Film Center，Inc.發(fā)行?？梢杂闷渌熘能浖绦騺?lái)計(jì)算滿足上述比例的薄膜厚度。同樣顯然的是，本領(lǐng)域已熟知，滿足上述比例必須的光學(xué)厚度，也可以手工計(jì)算。典型的計(jì)算方法在美國(guó)專利No.4,609,267中說(shuō)明，本文引用該專利，供參考，但也可以使用其他熟知的計(jì)算光學(xué)厚度的方法。
在本發(fā)明的其他方面中，AR涂層具有低的應(yīng)力是重要的，因?yàn)楦邞?yīng)力導(dǎo)致光學(xué)畸變，且AR涂層可能剝離。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，高折射率材料和低折射率材料，當(dāng)形成薄膜時(shí)有不同的應(yīng)力，而本發(fā)明的一個(gè)特征，是使層中應(yīng)力差最小，產(chǎn)生有低應(yīng)力的AR涂層。
例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，典型的低折射率材料二氧化硅，在涂覆時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力。相反，高折射率材料在涂覆時(shí)產(chǎn)生壓應(yīng)力。但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，壓應(yīng)力常常比低折射率材料的拉應(yīng)力小。因此，涂覆時(shí)產(chǎn)生這種層間拉應(yīng)力與壓應(yīng)力的差，可以導(dǎo)致剝離及光學(xué)畸變。
因此，申請(qǐng)人發(fā)明的一個(gè)重要特征，是在必要時(shí)調(diào)整光學(xué)涂層的每一相鄰層，使拉應(yīng)力與壓應(yīng)力平衡。這是通過(guò)如上所述，首先指定藍(lán)光、綠光、和紅光需要的反射峰值(比例)，計(jì)算各層的光學(xué)厚度。一旦計(jì)算機(jī)的計(jì)算確定了光學(xué)厚度和AR層數(shù)，可以按0.5λ的步長(zhǎng)修改每一層的光學(xué)厚度，以平衡(均衡)層間的應(yīng)力。例如，如果低折射率層的光學(xué)厚度為0.25λ并給出5的拉應(yīng)力，而光學(xué)厚度亦為0.25λ的相鄰高折射率層只產(chǎn)生1的壓應(yīng)力，那么最好增加高折射率層的光學(xué)厚度來(lái)增加壓力，以平衡或使前述低折射率層的較高拉應(yīng)力最小。在本例中，應(yīng)當(dāng)把高折射率層的光學(xué)厚度，調(diào)整到0.75λ甚至1.25λ，以便把壓應(yīng)力增加到更接近低折射率層的拉應(yīng)力。增加一層相對(duì)于相鄰層的光學(xué)厚度，對(duì)被涂覆透鏡的白光反射沒(méi)有顯著影響，因?yàn)楣鈱W(xué)厚度通常按0.5λ的步長(zhǎng)增加。
雖然已經(jīng)結(jié)合特定優(yōu)選實(shí)施例，具體地說(shuō)明本發(fā)明，但是顯然，本領(lǐng)域熟練人員清楚，借助前面的說(shuō)明，許多改變、修改、和變化是顯而易見(jiàn)的。因此，可以認(rèn)為，附于后的權(quán)利要求書，將包含本發(fā)明真正范圍和精神內(nèi)的任何這種改變、修改、和變化。
因此，在說(shuō)明本發(fā)明之后，我們的權(quán)利要求是
權(quán)利要求
1.一種在光學(xué)透鏡上制作高折射率防反射涂層的成分，包括鈰氧化物和鈦氧化物的混合物，其中的氧化鈰按該成分重量計(jì)，約小于25％。
2.一種在光學(xué)透鏡上制作低折射率AR涂層的成分，包括硅氧化物和鋁氧化物的混合物，其中的氧化鋁按該成分重量計(jì)，約小于10％。
3.一種制作有防反射(AR)涂層的光學(xué)透鏡的方法，包括的步驟有提供一個(gè)或多個(gè)光學(xué)透鏡和一個(gè)光學(xué)參考透鏡；在真空淀積室中，把透鏡和光學(xué)參考透鏡定位在同一涂覆平面，該真空淀積室中有與光學(xué)參考透鏡通信的光學(xué)監(jiān)控器；在該室中提供至少一種高折射率AR涂層成分的源，和至少一種低折射率AR涂層成分；在透鏡上涂以高折射率成分層，直到按光學(xué)監(jiān)控器確定，獲得需要的光學(xué)厚度的涂層為止；在透鏡上涂以低折射率成分層，直到按光學(xué)監(jiān)控器確定，獲得需要的光學(xué)厚度的涂層為止；和重復(fù)上述AR涂布步驟，直到涂上需要的AR涂層為止；其中的光學(xué)監(jiān)控器包括一種裝置，用于引導(dǎo)通/斷的光束進(jìn)入該室，落在光學(xué)參考透鏡上；用于在特定的波長(zhǎng)上測(cè)量參考透鏡的反射光；和用于利用該測(cè)量，確定何時(shí)獲得需要的光學(xué)涂層厚度。
4.一種制作有防反射(AR)涂層的光學(xué)透鏡的方法，包括的步驟有提供光學(xué)透鏡；把透鏡在真空淀積設(shè)備的真空淀積室中定位；在真空室中提供至少一種高折射率AR成分和至少低折射率AR成分的源，其中的高折射率材料之一包括鈰氧化物和鈦氧化物的混合物，而低折射率材料之一包括SiO2；在透鏡上涂以高折射率材料層，直到涂上需要的光學(xué)厚度的涂層為止；在透鏡上涂以低折射率材料層，直到涂上需要的光學(xué)厚度的涂層為止；和重復(fù)上述涂布步驟，直到涂上需要的防反射涂層為止。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其中的氧化鈰按該成分重量計(jì)，約小于25％。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其中的氧化鋁按該成分重量計(jì)，約小于10％。
7.一種制作有防反射(AR)涂層的光學(xué)透鏡的方法，包括的步驟有提供光學(xué)透鏡；把透鏡在真空淀積設(shè)備的真空淀積室中定位；在真空室中提供至少一種高折射率AR成分和至少低折射率AR成分的源；在透鏡上涂以高折射率材料層，直到涂上需要的光學(xué)厚度的涂層為止；在透鏡上涂以低折射率材料層，直到涂上需要的光學(xué)厚度的涂層為止；和重復(fù)上述涂布步驟，直到涂上需要的防反射涂層為止；但須控制防反射涂層的反射光，使藍(lán)光對(duì)綠光對(duì)紅光的比例，可以給出基本上白色的反射光。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其中藍(lán)光對(duì)綠光對(duì)紅光的比例，約為34-40％對(duì)24-32％對(duì)30-38％。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其中藍(lán)光對(duì)綠光對(duì)紅光的比例，約為36-38％對(duì)26-30％對(duì)32-36％。
10.按照權(quán)利要求7的方法，包括又一調(diào)整AR涂層光學(xué)厚度的步驟，使層的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之間的差最小。
11.一種用權(quán)利要求3的方法制作的光學(xué)制品。
12.一種用權(quán)利要求4的方法制作的光學(xué)制品。
13.一種用權(quán)利要求5的方法制作的光學(xué)制品。
14.一種用權(quán)利要求6的方法制作的光學(xué)制品。
15.一種用權(quán)利要求7的方法制作的光學(xué)制品。
16.一種用權(quán)利要求8的方法制作的光學(xué)制品。
17.一種用權(quán)利要求9的方法制作的光學(xué)制品。
18.一種用權(quán)利要求10的方法制作的光學(xué)制品。
全文摘要
本發(fā)明給出一種用防反射(AR)涂層對(duì)光學(xué)透鏡和其他光學(xué)制品涂覆的方法。透鏡有低的反射率，提供基本上白色的光反射，并有低應(yīng)力AR涂層，且理想地適合用于模制工藝制作的光學(xué)透鏡，該種模制工藝給出低應(yīng)力的透鏡基片。一方面，本方法使用專門的涂層成分，其中之一是高折射率成分，另一種是低折射率成分。另一方面，還公開(kāi)一種光學(xué)監(jiān)控器與常規(guī)汽相淀積設(shè)備結(jié)合使用的方法，按照該方法，使用光學(xué)參考透鏡，并測(cè)量反射光中特定的光學(xué)頻率，然后用該測(cè)量來(lái)確定何時(shí)獲得需要的光學(xué)涂層。再一方面，本方法最好還用反射光中藍(lán)光對(duì)綠光對(duì)紅光的專門比例，計(jì)算每一層的光學(xué)厚度。必要時(shí)，還通過(guò)調(diào)整每一層的光學(xué)厚度，控制AR膜的應(yīng)力，使低/高折射率層之間的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的差最小。
文檔編號(hào)C23C16/52GK1795284SQ200480014127
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2004年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者格倫·A.·凱尼格, 尼古拉斯·G.·尼杰洛 申請(qǐng)人:奧普梯瑪公司