用于光学窗口和元件的抗反射涂层的制作方法

专利名称：用于光学窗口和元件的抗反射涂层的制作方法
技术领域：
本发明涉及用在像透镜和窗口这样的光学元件上的抗反射涂层。特别是，本发明涉及可应用于数字微镜器件(“DMD”)的窗口的抗反射涂层，这种数字微镜器件包含用在数字投影系统中的数字光处理微镜(“DLP”)。
背景技术：
使用数字光处理方法的图像投影通常需要使用多个或阵列式的镜子或微镜(参照图1)将光聚焦到屏幕上。如图1所示，该阵列包含多个可以倾斜成选定角度的微镜。目前一些使用这些微镜和阵列的示例是背投电视、商用和电影院用的正投设备以及招牌显示(marquee display)。图2是得州仪器生产的典型的数字微镜器件(“DMD”)的图片，其中多个微镜被装入密封壳100中，该密封壳100具有窗口102以便让到达/自这些微镜的光通过。
图3是包含多个或阵列式微镜的典型DMD器件10的主要元件的示意图。在图3中未示出的是包住图2所示器件的外壳。该DMD的主要元件是微镜阵列12、铬孔14(涂成灰色的矩形)以及覆在该孔和微镜阵列之上的窗口16。当该DMD被用在例如投影系统中时，来自光源20的入射光22(实线圆锥之内)以一定角度聚焦，例如，该角度介于从覆在微镜阵列上的平面窗口16的垂线方向起10到30度(10°到30°)的范围。入射光22穿过窗口16，撞击该阵列的微镜，并且被各个微镜反射。该阵列中的每个微镜都能够按制造商所确定的选定角度倾斜。当阵列中的微镜倾斜成使得它处于“导通(on)”位置时，光按箭头30所指沿垂直于窗口平面的方向(在点/虚线圆锥内)朝着检测器40反射。当阵列中的微镜倾斜成使得它处于“截止(off)”位置时，光穿过窗口16沿箭头32所指方向(在虚线圆锥内)偏离检测器40反射。无论是在“导通”位置还是在“截止”位置，光都穿过窗口16。“导通”位置和“截止”位置的强度(“I”)之比定义为“对比率”(“CR”)，即CR＝I导通/I截止。
如图3所示，用f/3.0光锥来照亮DMD。如图所示，入射照明用白光来自100瓦的钨灯(或其它能够产生白光的灯)，且与窗口16的垂线成26°角。检测器40收集f/3.0光锥处的光，并且如图所示居中在DMD上方，垂直于窗口16。该DMD工作在I导通和I截止两种状态。在“导通”状态，来自DLP窗口16后面的“导通”状态下的微镜的反射光向着检测器的垂直传输构成了I导通的主要部分。在“截止”状态，来自窗口16的以10°-30°的入射角的剩余反射构成了I截止的主要部分。因为Ioff是很小的值并且抗反射涂层(“ARC”)的剩余反射对I截止有很大的贡献，所以设计ARC使得I截止达到最小便显得很重要。特别是，人们需要设计出一种ARC，它在很宽的波长范围中对选定的入射光入射角呈现最低的反射率同时偏振依赖性也最低。在上述示例中，人们希望设计出一种在480-640nm范围中对26°入射角呈现最低的反射率同时偏振依赖性也最低的ARC。使I截止反射最小化例如可以提高对比率。
尽管用于DMD窗口的防反射涂层是已知的，但是至今很少有人努力针对角度操作来优化窗口16的涂层。例如，具有四分之一波长厚度的30和层式涂层是已知的。考虑到抗反射涂层在使I截止最小化的过程中的关键性，对于DMD和使用DMD的系统的未来发展而言，优化抗反射涂层的开发是很重要的。因此，本发明描述了用于使I截止最小化的优化抗反射涂层。

发明内容
本发明涉及用于数字投影过程中所使用的数字微镜器件的窗口上的抗反射涂层。本发明的抗反射涂层可以用在DMD窗口的任一面上或用在其两个面上；最好用于其两个面上。
一方面，本发明涉及用于数字投影过程中所使用的数字微镜器件的玻璃和玻璃陶瓷窗口的3层抗反射涂层，其中该过程利用以0°-50°范围，优选10°-30°，更优选20°-30°范围的角度入射到该窗口的光。这种3层涂层，包括玻璃或玻璃陶瓷一起被指定为A/B/C/玻璃，其中A是其折射率n介于1.35-1.5范围的低折射率涂层材料；B是其折射率n介于1.9-2.4范围的高折射率涂层材料；而C是其折射率n介于1.6-1.8范围的中等折射率涂层材料。当该涂层施用于玻璃的两面时，这种涂覆的窗口可以被称为A/B/C/玻璃/C/B/A窗口。
另一方面，本发明涉及用于数字投影过程中所使用的数字微镜器件的玻璃窗口的4层抗反射涂层，其中该过程利用以20°-30°范围的角度入射到该窗口的光。这种4层涂层，包括玻璃一起被指定为A/B/C/B/玻璃，其中A是其折射率n介于1.35-1.5范围的低折射率涂层材料；B是其折射率n介于1.9-2.4范围的高折射率涂层材料；而C是其折射率n介于1.6-1.8范围的中等折射率涂层材料。将该涂层施用于玻璃的两面时，这种涂覆的窗口可以被称为A/B/C/B/玻璃/B/C/B/A窗口。
在涉及4层涂层的另一方面，这些涂层，包括玻璃一起可以具有如下顺序当在玻璃的面上涂覆时，该顺序是A/B/A/B/玻璃；而当玻璃的两面都进行涂覆时，该顺序是A/B/A/B/玻璃/B/A/B/A。
又一方面，本发明包括低折射率涂层材料A，这种材料选自MgF2(n＝1.38)、SiO2(n＝1.46)以及本领域已知的折射率介于1.5-1.6范围的其它涂层材料；高折射率涂层材料B，这种材料选自Ta2O2(n＝2.0-2.2)、TiO2(n＝2.1-2.3)、TiO2:Pr(n＝2.0-2.3)、ZrO2(n＝1.9-2.2)、Nb2O3(n＝2.0-2.2)以及本领域已知的折射率介于1.9-2.3范围的其它涂层材料；以及中等折射率涂层材料C，这种材料选自Al2O3(n＝1.62-1.68)、Y2O3(n＝1.7-1.9)以及本领域已知的折射率介于1.6-1.8范围的其它涂层材料。


图1示出了本领域已知的数字微镜器件中所包含的微镜阵列。
图2是商用数字微镜器件(包含多个可倾斜的微镜)的外观图，除诸多其它特征外示出了器件的外壳和窗口。
图3A是数字微镜器件的示意性侧视图，示出了器件的选定特征以及光线是如何入射到微镜阵列并被反射的。
图3B示出了图3A的窗口16，它具有3层涂层。
图3C是数字微镜器件包括外壳一起的示意性侧视图，示出了该器件的各种元件以及它们的相互关系。
图4示出了根据本发明的离子束辅助的电子束沉积的3层抗反射涂层的性能。
图5示出了3层抗反射涂层对26°的入射光的反射率。
图6示出了3层涂层的反射率的角度依赖性，这些角度在0°-60°的范围内以10°递增。
图7A示出了4层涂层的反射率的角度依赖性，这些角度在0°-60°的范围内以10°递增。
图7B示出了使用TaO2的优选4层涂层在12°和30°处的反射率。
图8是示出了人眼对各种光波长的敏感度(光视效率)的颜色图。
图9示出了通过电子束沉积法沉积在玻璃基板上的MgF2、SiO2、Al2O3、Ta2O5和HfO2涂层的材料色散。
图10示出了针对11个抗反射涂层沉积实验在入射角为30°时的反射率曲线。
发明详述本发明的涂层可以用在任何玻璃或玻璃陶瓷基板上，或者可以用在透射可见光范围的电磁辐射的材料上，可见光范围即约400-700nm波长范围中的全部或部分。然而，各种参考书籍将可见光范围列为380nm-780nm。本发明可应用于无论是定义在380-780nm还是400-700nm的可见光范围。
在本文中，术语“玻璃”是指透射可见光波长范围的全部或部分的电磁辐射的玻璃以及玻璃-陶瓷材料。用于本发明的涂层的玻璃或玻璃-陶瓷材料的选择(包括其透射性)是一种将由器件制造商作出的选择。本发明的涂层可以与所有透射可见光的玻璃和玻璃-陶瓷材料一起使用。
作为本文所用的与DMD“窗口”有关的术语，术语“第一面”是指来自光源的入射光首先撞击到窗口的那个面，而术语“第二面”是指光从该窗口射出并继续射到器件的可倾斜微镜上时所离开的那个面。从微镜阵列的角度，被微镜阵列反射的光首先遇到该窗口的第二面并且从该窗口的第一面处射出。
根据玻璃基板和涂层上所作的抗反射涂层的反射测量和表面粗糙度测量相关的反射与散射的理论研究，我们已确定反射是I截止照明的主要来源。我们已经得到了反射和对比度之间的关联。作为我们研究的结果，我们已确定，使用本领域已知的抗反射涂层对于DMD器件而言是不够的，有必要设计一种在待用的光入射角度反射率达到最低的抗反射涂层，并且这种涂层在很宽的波长范围应达到可能最低的偏振依赖性。对于使用约400-700nm范围的可见光的DMD系统而言，在光以10°-30°范围的角度入射到反射表面上时，我们发现选定的3层和4层涂层可以用于使可见光范围(例如，约400-700nm)中的反射达到最小，因此使I截止达到最小。在使用相同技术的研发或将来的研发中，本发明的抗反射涂层可以用在各种DMD系统中，如高清晰度投影电视机、商用和电影院用的宽屏投影仪以及本领域已知的相似的投影系统。
通常，本发明涉及透射可见光的光学元件所用的中性色抗反射涂层，所述涂层具有3层或4层结构，这种结构包括选自下列的至少两种涂层材料(a)涂层材料A，其折射率介于1.35-1.5之间；(b)涂层材料B，其折射率介于1.9-2.4之间；以及(c)涂层材料C，其折射率介于1.6-1.8之间。
其中所述涂层被置于透射可见光的基板的第一面或第二面上，或者两个面上。
本发明还涉及透射可见光波长范围的光的光学元件，所述元件包括透射可见光波长范围的光的基板，以及位于所述基板上的涂层，所述涂层包含选自下列的至少两种材料(a)涂层材料A，其折射率介于1.35-1.5之间；(b)涂层材料B，其折射率介于1.9-2.4之间；以及(c)涂层材料C，其折射率介于1.6-1.8之间。
本发明涉及设置在透射可见光波长范围的光的DMD器件窗口(即图3A中的元件16)上的3层和4层涂层。本发明的涂层也可以与其它光学元件一起使用，而不管它们是用在使用DMD器件的系统(比如，投影仪和电视机)中还是用在不使用这种器件的系统(比如，光学望远镜、照相机、眼镜等)中。通过本领域已知的在基板上沉积上述涂层材料的任何方法，可在透射可见光范围的光的基板上沉积本发明的涂层，上述任何方法包括但不限于电子束(E-束)溅射(带或不带离子束辅助)、离子溅射、化学气相沉积(CVD)、激光消融、原子层沉积以及本领域技术人员已知的其它方法。优选的方法是电子束沉积和离子束辅助的电子束沉积。
用于沉积本发明的涂层的基板可以是透射可见光范围的电磁辐射的任何材料。优选的基板是玻璃和玻璃-陶瓷；例如，康宁7056玻璃、熔凝二氧化硅、康宁高纯度熔凝二氧化硅(HPFS)以及本领域已知的透射可见光范围的光的其它玻璃或玻璃-陶瓷基板。在沉积涂层材料之前，玻璃基板的表面经抛光和清洗，除去痕量的抛光剂、油以及其它可能对涂层材料沉积具有负面影响的物质。涂层材料可以施涂于窗口的第一面、第二面或两个面。在优选的实施方式中，基板的两个面都涂有本发明的抗反射材料。
本发明的涂层可以是像上文所述的A/B/C涂层的3层涂层，或者是像上文所述的A/B/C/B或A/B/A/B的4层涂层。当包括玻璃基板时，对于3层涂层的情况，涂层只施涂在玻璃的一面时的玻璃基板被描述成A/B/C/玻璃元件或窗口，或者在玻璃的两面都施涂了涂层时的玻璃基板被描述成A/B/C/玻璃/C/B/A元件或窗口。对于在玻璃基板的一面或两面施涂4层涂层的情况，涂覆的元件可以分别描述成A/B/C/B/玻璃、A/B/C/B/玻璃/B/C/B/A、A/B/A/B/玻璃或A/B/A/B/玻璃/B/A/B/A的窗或元件。图3B示出了根据本发明在玻璃基板18的一面上具有3层涂层A/B/C的A/B/C/玻璃窗口16。基板18上的双面沉积和4层涂层沉积将按上述顺序。
在本发明的优选实施方式中，将本发明的3层和4层抗反射涂层施用于窗口的两面。当器件在使用时，入射光进入窗口的第一面，穿过该窗口并在第二面处从该窗口出射。接下来，光到达微镜并被反射。被反射的光进入窗口的第二面，穿过该窗口，并在第一面处从该窗口出射。结果，有四次发生反射的机会。在窗口的第一和第二面都施用本发明的抗反射涂层可以使反射最少。
涂层材料A是折射率n介于1.35-1.5范围的低折射率涂层材料。涂层材料B是折射率n介于1.9-2.4范围的高折射率涂层材料。涂层材料C是折射率n介于1.6-1.8范围的中等折射率涂层材料。低折射率涂层材料A选自MgF2(n＝1.47)、BaF2(n＝1.25)和SiO2(n＝1.46)以及本领域已知的折射率介于1.5-1.6范围的其它涂层材料。高折射率涂层材料B选自Ta2O2(n＝2.0-2.2)、TiO2(n＝2.1-2.3)、TiO2:Pr2O3(n＝2.0-2.3，其中TiO2:Pr2O3可以是TiO2和Pr2O3的混合物或者是混合的金属化合物TiPrO5)、ZrO2(n＝1.9-2.2)、Nb2O3(n＝2.0-2.2)、HfO2(n＝1.95-2.2)以及本领域已知的折射率介于1.9-2.3范围的其它涂层材料。中等折射率涂层材料C选自Al2O3(N＝1.62-1.68)、Y2O3(n＝1.7-1.9)以及本领域已知的折射率介于1.6-1.8范围的其它涂层材料。任选地，当涂层材料A是MgF2时，可以在涂层材料A上施用附加的Al2O3或SiO2薄保护性微层，以保护MgF2层不与任何有害的环境元素发生反应。施用的保护性微层的厚度为3-50nm。
涂层材料的折射率将随所用光的波长而变化。在下面表1举例说明，表1中是关于制备本发明的涂层可能用到的一些材料的非穷尽性罗列。从表1中可以看出，在表1示例的400-700nm可见光范围中各种材料的折射率变化都很小。
表1.折射率对波长的依赖性

对于光首先以0°-30°范围的角度入射的系统而言，本发明的各种涂层材料的施涂厚度在65-140nm范围；例外是使用SiO2作为低折射率涂层材料时SiO2层的厚度在30-140nm范围，而使用HfO2时其厚度可以在10-140nm范围。较佳地，高折射率涂层材料A和低折射率涂层材料B的施涂厚度在90-140nm范围(例外是SiO2可以在30-140nm范围，而HfO2可以在10-140nm范围)，而中等折射率涂层材料C的施涂厚度在65-90nm范围。
示例1康宁7056玻璃制成的玻璃基板经抛光和清洗之后进行涂覆，形成涂覆的A/B/C/玻璃窗口MgF2(101.5nm)/Ta2O5(121.8nm)/Al2O2(72.4nm)，各层的厚度均在圆括号中给出。将该涂层施涂到窗口的第一面。图4示出了这种带涂层的窗口的光学性能。图4中上方曲线是透射率(“T”)，下方的曲线组是反射率(“R”)。这些数据是在使用12°和30°入射光的情况下获得的。
图4中的数据表明，对于12°和30°光入射角而言在460-640nm范围测得的平均反射率小于0.1，并且在420-720nm的波长范围测得的平均透射率大于99％。另外，已确定示例1中的样品在很宽的入射光角度范围中具有较小的垂直(“s”)和平行(“p”)偏振分离性能。
图5是示例1的3层涂层的反射率对偏振的依赖性的模拟。示例1的样品因降低了对与沉积过程相关的可变性的敏感性，而降低了光子性能的可变性；并且与更传统的4层防反射涂层相比，由于沉积较少的微层而减少复杂性。
图6、7A和7B示出了本发明的各种3层和4层的抗反射涂层的反射率。在图6和7中，针对0°-60°范围中以10°递增的各种角度，测量反射。在图7B中，反射是在12°和30°入射光角度下测得的。与图7A的4层涂层相比，本发明的3层涂层(图6)在440-660nm波长范围中0°-40°之间显示出更小的角度依赖性和反射率。尽管图7A的4层涂层具有更宽的带宽，但是与图6的3层涂层相比，它具有略微更高的反射率并且对入射角略微更敏感。图7B示出了优选的4层涂层，其中使用TaO2(n＝2.0-2.2)作为高折射率材料来替代图7A中所有使用的HfO2。然而，本发明的3层和4层涂层均比本领域已知的涂层有所改进。表2比较了现有技术中涂覆的窗口(样品A-G)的光学损耗以及本发明的3层窗口的光学损耗。光学损耗是相对于无窗口的DMD测得的。结果，百分比损耗表示在DMD上设置窗口的效果。
表格2

当表格3中的数据与图6、7A和7B中的数据结合起来看时，很清楚，本发明的3层和4层抗反射涂层与现有技术的涂层相比有显著的改进。
本发明的3层反射涂层利用中性色原理将人眼对不同颜色的敏感度列入考虑范围中。人眼包含视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞可能只感觉黑色和白色，并且对光强度比对颜色更敏感。视锥细胞用于感觉颜色，并且人眼包含三种对颜色敏感的视锥细胞，每一种对应于蓝绿红三原色之一。通过将每一种视锥细胞所接收到的光强组合，便可感觉到颜色。这三种视锥细胞对各种波长的敏感度被定义成“光视效率”。视觉敏感度的个体差异导致颜色感受方面的差异。
图8示出了人眼对各种光波长的敏感度。由图8，可以看到人眼对约520nm-600nm波长范围中的光非常敏感。作为这种敏感度的结果，本发明的抗反射涂层的关键在于在该范围和比该范围更大的范围中的低反射率，从而避免因剩余窗口表面反射而导致的任何褪色。因为与4层涂层结构相比3层防反射涂层具有更窄的波带，所以3层涂层对微层的厚度更不敏感。在入射角为30°的情况下，对于450nm-640nm范围的波带，本文所揭示的3层抗反射涂层提供的反射率小于0.2％。
本发明的涂层可采用本领域技术人员已知的方法来沉积的。如此沉积的膜是无吸收的(消光比k＝0)，并且薄膜涂层的色散或折射率的波长依赖性决定了反射率和透射率的光谱形状。图9是折射率对波长的图，示出了通过使用目前可用的设备和监控，人们就可以非常精确地控制每个涂层的沉积。结果是，可以逐个工件能重复制造高质量的抗反射涂层。
表3描述了图9所示的涂层150-190。
发明人给出图9(在公开文本中是图8)的各涂层的组成。
表3

图10总结了在使用相同的涂覆设备的情况下11种涂层的结果。图10示出的反射曲线是在30°入射角下得到的。该数据表明，即使厚度控制误差在2-4％的范围，涂覆过程的可重复性也是非常好的并且该工艺适合于生产过程。目前可获得的涂覆窗口具有9-15％范围的光学损耗，相比之下，按本文描述所制备的3层窗口的光学损耗在2-2.5％的范围。
本发明的涂层因其低反射率而其应用范围较宽，并且可以用在入射光角度在0°-50°范围的系统中。
示例2玻璃基板上的3层涂层制备如下。
表4

示例3玻璃基板上的4层涂层制备如下(各涂层的折射率均对工艺敏感，并且可能发生+/-1-10％的变化)。
表5

通过进一步示出本发明的涂层，对以下确定对比率“无窗口”的DMD器件，使用带现有技术涂层的号码窗口的相同器件，以及使用本发明的3层涂层进行测试的器件。
这些结果列在表6中。
表6

对于本领域技术人员而言，很明显，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明作出各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖这些修改和变化，只要它们落在所附的权利要求书及其等价方案的范围中就可以。
权利要求
1.一种用于透射可见光范围的光的光学元件的中性色抗反射涂层，所述涂层具有3层或4层结构，包含至少两种选自下列的涂层材料(a)涂层材料A，其折射率在1.35-1.5范围；(b)涂层材料B，其折射率在1.9-2.4范围；以及(c)涂层材料C，其折射率在1.6-1.8范围，其中，所述涂层置于透射可见光范围的光的基板的第一面或第二面上，或者两个面上。
2.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，当所述涂层是3层涂层时，涂层在置于所述基板的第一或第二面上时的涂层顺序是A/B/C/基板，涂层在置于所述基板的两个面上时的涂层顺序是A/B/C/基板/C/B/A。
3.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，当所述涂层是4层涂层时，涂层在置于所述基板的第一或第二面上时的涂层顺序是A/B/C/B/基板或A/B/A/B/基板，涂层在置于所述基板的两个面上时的涂层顺序是A/B/C/B/基板/B/C/B/A或A/B/A/B/基板/B/A/B/A。
4.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述基板选自玻璃、玻璃-陶瓷、熔凝二氧化硅和高纯度熔凝二氧化硅，所有这些材料均透射可见光。
5.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，涂层材料A选自MgF2、SiO2、BaF2和折射率介于1.35-1.5范围的其它材料并且该材料透射可见光。
6.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，涂层材料B选自Ta2O2、TiO2、TiO2:PrO2混合氧化物、TiO2:ZrO2混合氧化物、ZrO2、NbO2、HfO2和折射率介于1.9-2.4范围中的其它材料并且该材料透射可见光。
7.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，涂层材料C选自Al2O3、Y2O3和折射率介于1.6-1.8范围中的其它材料并且该材料透射可见光。
8.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，各种涂层材料施涂到所述基板上时的厚度都在65-140nm范围，除了SiO2用作低折射率涂层材料时SiO2厚度在30-140nm范围。
9.如权利要求8所述的涂层，其特征在于，涂层材料A和B的厚度最好在90-140nm范围，除了SiO2的厚度在30-140nm范围。
10.如权利要求8所述的涂层，其特征在于，涂层材料C的厚度在65-90nm范围。
11.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述涂层在460nm、550nm和640nm等波长的反射率小于0.2％。
12.一种透射可见光波长范围的光的光学元件，所述元件包括透射可见光波长范围的光的基板，以及位于所述基板上的涂层，所述涂层包括含选自下列的至少两种材料(a)涂层材料A，其折射率在1.35-1.5范围；(b)涂层材料B，其折射率在1.9-2.4范围；以及(c)涂层材料C，其折射率在1.6-1.8范围。
全文摘要
本发明涉及透射可见光的光学元件所用的中性色抗反射涂层，所述涂层具有3层或4层结构，其中包括至少两种选自下列的涂层材料(a)涂层材料A，其折射率在1.35－1.5范围；(b)涂层材料B，其折射率在1.9－2.4范围；以及(c)涂层材料C，其折射率在1.6－1.8范围，其中所述涂层被置于透射可见光的基板的第一面或第二面之上，或者两个面上。本发明还涉及具有上述涂层的光学元件。
文档编号G02B1/10GK101095063SQ200580045392
公开日2007年12月26日 申请日期2005年12月21日 优先权日2004年12月29日
发明者M·D·哈雷斯, C·M·李, M·X·乌扬, L·G·曼 申请人:康宁股份有限公司