一种宽波长域的高效减反射膜及光学系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种宽波长域的高效减反射膜及采用该减反射膜的投影显示光学系统和拍摄成像光学系统，减反射膜包括基底及设置在基底上依次由色散补偿膜堆、导纳匹配膜堆和增透膜堆构成的多层膜系所组成。色散补偿膜堆由高折射率Ta2O5膜和次低折射率SiO2膜交替组成；导纳匹配膜堆由高折射率Ta2O5膜和低折射率MgF2膜交替组成；增透膜堆依次由中间折射率Al2O3膜、高折射率Ta2O5膜以及低折射率MgF2膜组成；膜层数为16～23层。该减反射膜在波长域450～650nm内的平均残余反射率为0.0023％。这种减反射膜在投影显示和拍摄成像系统中具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种宽波长域的高效减反射膜及光学系统
本技术涉及高效减反射膜
，具体涉及一种宽波长域的高效减反射膜及采用该减反射膜的投影显示光学系统和拍摄成像光学系统。
技术介绍
减反射膜是应用最广泛的一种光学薄膜。对折射率1.5到1.9的光学玻璃或光学塑料，其每个表面的反射损失约为4.0％到9.6％，这种表面反射损失造成两个严重的后果：一是光能损失，使像的亮度降低；二是表面反射光经光学系统多次反射成为杂散光，使像的对比度降低。显然，这对诸如投影显示和摄影摄像等复杂的光学系统，这种宽波长域的高效减反射膜是极其关键的。随着薄膜制造技术的不断进步，现今实际薄膜的特性已与理论设计的结果越来越接近。遗憾的是，迄今许多单波长激光增透膜的残余反射率通常只能达到0.1％左右，而可见光区宽波长域增透膜的平均残余反射率通常为0.2％左右。理由就是实际薄膜不仅总是伴随着基底和各薄膜之间以及薄膜和薄膜之间的色散差异，而且还存在着导纳匹配不佳的情况。本技术旨在提出一种宽波长域的高效减反射膜，提出在基底和现有常规增透膜堆之间设置色散补偿膜堆以及导纳匹配膜堆，使减反射膜的色散和导纳分别得到比较完善的补偿和匹配，从而把减反射膜的平均残余反射损失降低至最小，不仅提高像的亮度，而且大大降低杂散光，增加图像对比度。这就是说，色散补偿膜堆以及导纳匹配膜堆设计是本技术待探索和解决的核心问题。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种宽波长域的高效减反射膜，通过在基底和常规增透膜堆之间设计色散补偿膜堆以及导纳匹配膜堆，来获得低损耗、高对比的投影显示光学系统和拍摄成像光学系统。本技术的构思如下：对可见光区宽波长域的增透膜常常釆用三层结构：基底(K9)|四分之一波长三氧化二铝膜(λ0/4Al2O3)-二分之一波长五氧化二钽膜(λ0/2Ta2O5)-四分之一波长氟化镁膜(λ0/4MgF2)|空气，λ0＝520nm，该膜系在450～650nm的平均残余反射率为0.1545％。但是，若在K9基底和λ0/4Al2O3膜之间插入一层λ0/4SiO2膜，即膜系从3层结构变成4层结构：K9|λ0/4SiO2-λ0/4Al2O3-λ0/2Ta2O5-λ0/4MgF2|空气，这时，虽然SiO2膜的折射率与K9基底是非常接近的(分别为1.463和1.519)，也就是说这层SiO2膜对基板的影响是非常小的，但实际上对450～650nm的平均残余反射率的贡献是出乎意料地非常之大，其平均残余反射率从3层结构的0.1545％降低到4层结构的0.0281％。究其原因，实际上，这层插入的λ0/4SiO2膜常因其折射率与K9基板相差不大而被薄膜工程师们所忽视，但恰恰对色散补偿和导纳匹配具有重要的贡献。不妨简单地分析如下：记K9玻璃的折射率为ng，对中心波长520nm，ng＝1.519，而对波长450nm，ng＝1.527，此二个波长之间K9玻璃的折射率色散差为0.008。若在K9上镀λ0/4SiO2膜，由于SiO2膜在520nm和450nm的折射率ns分别为1.463和1.467，折射率色散差为0.004，故K9基底和SiO2膜组合成新基底后的折射率(常称组合导纳)为Y＝ns2/ng，即在520nm和450nm的组合导纳Y分别为1.4091和1.4094，这就是说，此二个波长之间组合基底的折射率色散差降到了0.0003，这比K9玻璃的折射率色散差足足降低了26倍！甚至比SiO2膜本身的折射率色散差也降低了13倍！所以这层λ0/4SiO2膜具有强烈的色散补偿作用。下面再看看导纳匹配情况，对3层结构：K9|λ0/4Al2O3-λ0/2Ta2O5-λ0/4MgF2|空气，从《薄膜光学》可知，对中心波长，由于中间的λ0/2Ta2O5膜是虚设层可以消去，所以只要分析K9|λ0/4Al2O3-λ0/4MgF2|空气的2层结构就行了，从此2层结构可知，Al2O3膜的折射率应该为1.70时才能达到完全匹配，而实际Al2O3膜的折射率只有1.623左右(参见表1)，这显然是偏低了，所以仍会有约0.24％的残余反射率(参见图1)。欲进一步降低残余反射率，在K9基底和Al2O3膜折射率固定的情况下，构思用K9基底与薄膜来重新组合成一个新的基底，并且通过调节薄膜的折射率，期望达到降低新基底折射率之目的，使之与折射率1.623的Al2O3相匹配，实际证明这是可行的。从上面折射率色散分析己可知，K9基底和SiO2膜组合成新基底的组合导纳Y＝1.4091，比原K9基底ng＝1.519降低了约0.11，于是残余反射率可进一步下降到约0.1％(参见图2)，这说明，这层λ0/4SiO2膜不仅具有很强的色散补偿作用，而且也具有很强的导纳匹配作用。接下来的问题是如何在宽波长域中实现更完善的色散补偿和导纳匹配呢？通过反复试验，取得了以下认识：一是必须釆用多层膜堆，因为单层膜不可能在整个波长域中具有完全与基底相一致的折射率色散以及完全匹配的导纳，基底折射率色散越大，色散补偿越难，常需要更多的膜层或更大的膜厚。从原理上说，因为色散曲线陡，波长稍微离开导纳匹配波长就很快又不匹配了。二是为了更精确地进行宽波长域色散补偿和宽波长域导纳匹配，有必要将色散补偿和导纳匹配分成两个膜堆，如本技术提出的Ta2O5膜和SiO2膜交替的色散补偿膜堆，以及Ta2O5膜和MgF2膜交替的导纳匹配膜堆。三是把色散补偿膜堆和导纳匹配膜堆依次置于K9玻璃基底和现用增透膜堆之间，虽然色散补偿和导纳匹配是互相关联的，但是先进行玻璃基底的色散补偿，再进行导纳匹配就比较容易了。这样，可望在450～650nm的波长域内实现平均残余反射率0.0023％、最小残余反射率0.0006％的高效减反射膜，这比现有技术的减反射膜平均残余反射率足足降低了二个数量级！以上构思中的高折射率Ta2O5膜在有些情况下可选用TiO2膜，选择的原则是：如果波长域中的波长小于450nm，为了减少吸收损耗，须选择Ta2O5作为高折射率膜，因为当波长小于450nm时，TiO2膜的吸收急剧增加；若波长域中的波长均大于450nm，则可在TiO2和Ta2O5中任选一种材料作为高折射率膜。用于本技术的高折射率材料TiO2或Ta2O5、中间折射率材料Al2O3、次低折射率材料SiO2以及低折射率材料MgF2在中心波长520nm附近的折射率如表1所示。需要说明的是，由于商用薄膜设计软件TFCal材料表中的折射率所对应的波长是间隔的，且不一样的，故表1中只能给出最靠近中心波长520nm的折射率值。表1为实现上述目的，本技术所采取的具体技术方案是：一种宽波长域的高效减反射膜，包括基底以及设置在所述基底上的多层膜系，所述的多层膜系由依次设置在所述基底上的色散补偿膜堆、导纳匹配膜堆和增透膜堆构成；所述的基底为光学玻璃或光学塑料；所述的色散补偿膜堆由次低折射率的二氧化硅膜和高折射率的五氧化二钽膜或二氧化钛膜交替组成；所述的导纳匹配膜堆由低折射率的氟化镁膜和高折射率的五氧化二钽膜或二氧化钛膜交替组成；所述的增透膜堆依次由中间折射率的三氧化二铝膜、高折射率的五氧化二钽膜或二氧化钛膜以及低折射率的氟化镁膜组成；所述的多层膜系中的膜层总数为16～23层。本技术中，高折射率、中间折射率、次低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽波长域的高效减反射膜，包括基底以及设置在所述基底上的多层膜系，其特征在于，所述的多层膜系由依次设置在所述基底上的色散补偿膜堆、导纳匹配膜堆和增透膜堆构成；所述的基底为光学玻璃或光学塑料；所述的色散补偿膜堆由次低折射率的二氧化硅膜和高折射率的五氧化二钽膜或二氧化钛膜交替组成；所述的导纳匹配膜堆由低折射率的氟化镁膜和高折射率的五氧化二钽膜或二氧化钛膜交替组成；所述的增透膜堆依次由中间折射率的三氧化二铝膜、高折射率的五氧化二钽膜或二氧化钛膜以及低折射率的氟化镁膜组成。

【技术特征摘要】
1.一种宽波长域的高效减反射膜，包括基底以及设置在所述基底上的多层膜系，其特征在于，所述的多层膜系由依次设置在所述基底上的色散补偿膜堆、导纳匹配膜堆和增透膜堆构成；所述的基底为光学玻璃或光学塑料；所述的色散补偿膜堆由次低折射率的二氧化硅膜和高折射率的五氧化二钽膜或二氧化钛膜交替组成；所述的导纳匹配膜堆由低折射率的氟化镁膜和高折射率的五氧化二钽膜或二氧化钛膜交替组成；所述的增透膜堆依次由中间折射率的三氧化二铝膜、高折射率的五氧化二钽膜或二氧化钛膜以及低折射率的氟化镁膜组成。2.根据权利要求1所述的宽波长域的高效减反射膜，其特征在于，所述的多层膜系中的膜层总数为16～23层。3.根据权利要求1所述的宽波长域的高效减反射膜，其特征在于，所述的多层膜系中的膜层总数为20层。4.根据权利要求3所述的宽波长域的高效减反射膜，其特征在于，所述的色散补偿膜堆的膜层数为8层，由基底向外，第1、3、5、7层为高折射率的五氧化二钽膜，第2、4、6、8层为次低折射率的二氧化硅膜，第1至第8层的厚度依次为...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾曼灵，金波，李冰霞，吴江波，顾培夫，
申请(专利权)人：杭州科汀光学技术有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江,33