专利名称：光学增透膜及其镀膜方法
技术领域：
本发明涉及一种用于光学系统的增透膜，及其制膜方法。
背景技术：
为了减少由于反射而造成的光通量等损失，一般会将增透膜使用在包含用于读取存储于光盘(CD)上的信息内容的光学透镜或物镜的光学系统上。至今，玻璃仍被大量用作基片材料，以在其上制备这种增透膜。但是，近来合成树脂的使用越来越多，因其重量轻、适宜于通过注模来批量生产，特别是，具有极好的透光度的丙烯酸树脂(聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)等)。
典型的增透膜包括一种通常称为的“高低高低型(HLHL型)”和一种通常称为的“中高低型(MHL型)”的结构。高低高低型(HLHL型)结构的增透膜由层叠在基片上的多层膜组成，其中该多层膜的相邻层之间具有互不相同的折射率，而且具有交替地、相对地高/低折射率值。这种多层膜由四或五层或更多层组成，其中最外层(即位于离基片最远的那层)由具有相对低折射率的膜组成。中高低型(MHL型)结构的增透膜则由层叠在基片上的三层组成，其中位于离基片最近的层，则由具有相对中等折射率的膜组成；中间层，则由具有相对高折射率的膜组成；和位于离基片最远的层，则由具有相对低折射率的膜组成。
各种各样的制备在合成树脂基片上的增透膜结构早已被公开(例如，见专利文献1日本专利公告号3221764(表1至6)，和专利文献2日本专利公开号2002-202401(表1和5))。通常，合成树脂具有柔性，且易受化学物质腐蚀。由于这个原因，在合成树脂基片上制备增透膜时，采用先在该基片上制备一层硅氧化物膜，而后再在该硅氧化物膜上制备前面所说的高低高低型(HLHL型)或中高低型(MHL型)多层膜的方法来制备增透膜。
如果这样的硅氧化物膜太薄(例如，200纳米或更薄)，则该硅氧化物膜难以确保其具有令人满意的附着基片的强度、耐环境性(耐热性、耐潮性等)、耐磨性、耐化学腐蚀性等性质。图11为一照片，其展示了具有相对较薄的硅氧化物膜的增透膜在经环境测试的表面状况的一个例子。该增透膜通过先在一合成树脂基片上制备一层相对较薄的硅氧化物膜，而后再在该硅氧化物膜上制备一具有增透特性的高低高低型(HLHL型)多层膜的方法制得。如可在图11中所见，当该硅氧化物膜相对较薄时，大量的破裂出现在该增透膜的表面，这意味着具有相对薄的硅氧化物膜的增透膜具有差的耐环境性。由于这个原因，这样的硅氧化物膜通常以单层的形式制备的相对较厚，如300纳米或更厚。在前面提到的专利文献1和2中已公开的增透膜均具有这样的相对较厚的硅氧化物膜。
在许多情况下，构成这样的增透膜的各层膜是通过包括使用从配置在真空室中的电子枪中发出的电子束来加热和汽化膜材，以使该汽化后的膜材沉积在基片上的方法制得的。这是因为这种方法在镀膜过程中具有优良的可控制性和可操作性，因此容易确保有稳定的镀膜环境。
从该增透膜的光学特性方面来看，较好的是，前述的硅氧化物膜的折射率值能在1.48至1.62之间的范围内，最好是在1.5至1.6之间，而其厚度大约在200纳米。但是，由于前面所述的原因，至今将这样的硅氧化物膜的厚度减小到大约200纳米是不可能的。
通常，制备在由丙烯酸树脂做成的基片上的增透膜，尤其是在其制备时使用电子枪的，展现出很差的附着强度。这是因为，一部分从上述电子枪发射出的电子在照射膜材时从该膜材处弹回，而后作为二次电子撞击基片表面，结果导致基片表面改变质。虽然现有技术使用将磁铁放置在真空室中以俘获二次电子的方法，但是这样的适用于这种方法的真空室的尺寸是有限的，更为严重的是，这样的俘获效果在该真空室中随着位置的不同而不同，这会导致在该增透膜和基片之间作用的附着力不均匀。
比较起来，使用湿处理方法，例如涂布或浸渍，在丙烯酸树脂上制备一硬涂层，从而得到的增透膜展现出较好的附着强度和耐磨性。但是，这样的增透膜具有厚度变厚的问题，还有一个问题就是，具有和丙烯酸树脂基片折射率基本相等的折射率的硬涂层液是不存在的，因此由于在丙烯酸树脂基片和硬涂层之间产生光干涉，增透特性就变差了。有一种制备增透膜的方法，其在制备构成该增透膜的所有膜时均使用电阻加热来汽化。使用这种方法得到的增透膜在附着强度方面是令人满意的。但是，这种方法涉及到的问题是，批量生产时的质量稳定性和生产时的可操作性差，且高熔点材料不能被用作膜材。
就前面提到的高低高低型(HLHL型)增透膜来说，从最外层起算的第二层膜最好具有尽可能高的折射率。如果基片由玻璃组成，则可以通过将基片加热至300摄氏度左右来提高所考虑的要制备的膜的折射率。但是，由于丙烯酸树脂基片的耐热性最高在80摄氏度左右，所以至今不可能达到足够高的折射率。就前面提到的专利出版物中所公开的增透膜来说，从最外层起算的第二层膜所具有的折射率不高于大约2.15。由于这个原因，实现更高的折射率是人们所希望的。
在可用于光学薄膜的材料中，氟化镁(MgF2)具有最低的折射率(折射率n＝1.38)，因此将氟化镁(MgF2)用作增透膜的最外层可以改善该增透膜的增透特性。由于如果在其制备时基片得到加热，这种氟化镁(MgF2)膜可达到足够的硬度，所以氟化镁(MgF2)在以玻璃为基片的增透膜中得到广泛地使用。但是，如果在没有加热的丙烯酸树脂基片上制备氟化镁(MgF2)膜，则这样得到的膜非常脆且耐磨性差。由于这个原因，至今在使用丙烯酸树脂基片的增透膜中使用氟化镁(MgF2)是不可能的。
如果用通常使用的所谓等离子法在不加热基片的情况下来制备氟化镁(MgF2)膜，则这样得到的氟化镁(MgF2)膜可展现出足够的硬度。但是，这种方法产生了得到的氟化镁(MgF2)膜中缺少氟的问题。结果，这样的膜变得带有褐色，因此具有高吸收率以致绝对不可能将其用作光学薄膜。
发明内容
本发明完成的目的在于解决上述问题。本发明的第一个目的在于提供一种光学增透膜，其具有令人满意的与由合成树脂做成的作底基片之间的附着强度、耐环境性、耐磨性和耐化学腐蚀性，并具有优越的光学特性，还提供了制备这种膜的方法。本发明的第二个目的在于提供一种光学增透膜，其使用的基片由合成树脂做成，并包含有通常称为的高低高低型(HLHL型)多层膜，其中从最外层起算的第二层膜所具有的折射率远高于现有技术所能达到的水平，并提供了制备这种膜的方法。本发明的第三个目的在于提供一种光学增透膜，其使用的基片由合成树脂做成，并包含有通常称为的中高低型(MHL型)多层膜，其中包括适宜于用作光学薄膜的具有足够硬度和足够低折射率的氟化镁(MgF2)膜，并提供了制备这种膜的方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种制备在由合成树脂做成的基片上的光学增透膜，其包括制备在该基片表面的一层第一膜，该第一膜具有预先设定的厚度和与该基片折射率基本相等的折射率；制备在该第一膜表面上的一层第二膜，该第二膜具有预先设定的厚度且其折射率值在1.48至1.62的范围内，并可由与制备该第一膜的材料相同或不同的材料组成；和制备在该第二膜表面上的一多层膜，该多层膜具有增透特性。较好的是，该第一和第二膜特别由硅氧化物组成。
在这种结构中，可以首先制备该第一膜，使其具有比如说大约100至200纳米的厚度以使得该第一和第二膜的总厚度能够确保足够的附着强度、耐环境性、耐磨性和耐化学腐蚀性等，而后该折射率值在1.48至1.62之间的范围内，最好在1.5至1.6之间的范围内的该第二膜被制备为具有较好的厚度(例如大约200纳米)以使得该增透膜具有良好的光学特性。由于该第一膜的折射率与该合成树脂基片的折射率基本相等，所以该第一膜的存在几乎不会使该增透膜的光学特性变差。如果该第一和第二膜由同种材料制备得到，则该第一和第二膜之间的附着强度可进一步得到提高。尤其是，当该第一和第二膜都由硅氧化物制备得到时，则该增透膜可在保持其令人满意的光学特性的同时确保其具有足够的附着强度、耐环境性、耐磨性和耐化学腐蚀性等。
该前面提到的基片可由丙烯酸树脂做成。如前所述，借助于该第一和第二膜的存在，即便该基片是由具有差的附着强度的丙烯酸树脂做成，但该增透膜仍能确保对该基片有足够的附着强度，从而使该增透膜可免于破裂。
上述该第一膜可以是通过使用电阻加热的真空沉积法而得到的产物。这一特点使得可以在制备由硅氧化物作为其主要成分的该第一膜时，不对该基片表面造成任何变质等损害。更进一步，由于在该基片表面镀上了该第一膜，则该基片表面可以受到保护而免受由于二次电子所造成的损害。因此，可以在制备该第一膜表面上或其上面的任何膜时使用电子枪。
上述该多层膜可以由数层膜以这样的方式层叠组成，即相邻层的膜之间的折射率互不相同，并交替地、相对地具有高/低值。具有这种特点的该增透膜，如果具备这种通常称为的高低高低型(HLHL型)多层膜，则可具有前面所述的优点。
更好的是，上述多层膜中具有一层第三膜，其为从最外层(即离该第二膜最远的那层)起算的第二层，该第三膜的折射率处于2.2至2.4之间的范围内。这一特点使得可以得到具有该第三膜的高低高低型(HLHL型)增透膜，该第三膜具有现有技术的增透膜所无法达到的高折射率，因此，可以实现具有更好的光学特性的增透膜。
该上述第三膜可在由二氧化钛(TiO2)、三氧化二钛(Ti2O3)、五氧化三钛(Ti3O5)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化锆(ZrO2)、五氧化二铌(Nb2O5)、二氧化钛(TiO2)和二氧化锆(ZrO2)的混合物组成的镀膜材料组中选择一种材料作为其主要成分。具有这种特点的该增透膜可具有前面所述的优点。
该上述第三膜可以通过这样的方法得到，其所使用的镀膜装置包含有一真空室和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该方法包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；在该真空室内汽化膜材；给该供给偏压的电极加上高频电压使得其成为在该真空室中产生等离子体的一个电极；并给该供给偏压的电极加上频率不低于20千赫但不高于2.45千兆赫的波形变化的偏压。该偏压可具有负的平均值和正的最大值。
用另一种方法的话，该上述第三膜可以通过这样的方法得到，其所使用的镀膜装置包含有一真空室和一用于在镀膜时产生离子束的离子束产生构造，该方法包括以下步骤将该基片放置在该真空室内；使该离子束产生构造产生离子束；利用该真空室中的离子束使得膜材沉积在该基片的表面上。该离子束产生构造可以为一离子枪，此时该膜材沉积的步骤包含以下步骤用该离子枪产生的离子束照射该膜材以使该膜材汽化；这种汽化后的膜材沉积在该基片的表面。应当注意的是，“利用离子束汽化”的概念包括利用离子束溅射的汽化。
再用另外一种方法的话，该上述第三膜可以通过这样的方法得到，其所使用的镀膜装置包含有一真空室、一用于产生供给该真空室等离子体的等离子体产生构造(例如一等离子体枪)和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该方法包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；使得该等离子体产生构造产生等离子体，从而产生由存在于该等离子体中的电子组成的电子束，并将该电子束引导进入该真空室；用该电子束照射膜材以使得该膜材汽化；通过该电子束在该真空室中产生等离子体；并给该供给偏压的电极加上偏压以使得该汽化后的膜材沉积在该基片的表面上。
这一特点使得可以在不加热该基片的情况下，制备具有高折射率的该第三膜，该折射率基本可达到在制备时加热该基片所得到的膜的折射率。这样，即便在该基片由低耐热性的材料，如用丙烯酸树脂做成时，还是可以得到具有优越的光学特性的增透膜。
该上述多层膜可由三层膜层叠而成，其中包括一位于离该第二膜最远的外层膜、一位于离该第二膜最近的内层膜和一位于该外层膜和该内层膜中间的中层膜，该外层膜的折射率是该三层膜的折射率中最低的，该中层膜的折射率是该三层膜的折射率中最高的，该内层膜的折射率处于该外层膜的折射率和该中层膜的折射率的中间。
具有这种特点的该增透膜，如果具备这种通常称为的中高低型(MHL型)多层膜，则可具有前面所述的优点。
较好的是，该上述外层膜由氟化镁(MgF2)作为其主要成分。这一特点使得可以借助于使用在可用的光学材料中具有特别低折射率的氟化镁(MgF2)，来实现具有更为优越的光学特性的增透膜。
该上述外层膜可以通过这样的方法得到，其所使用的镀膜装置包含有一真空室和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该方法包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；在该真空室内汽化膜材；给该供给偏压的电极加上高频电压使得其在该真空室中产生等离子体；并给该供给偏压的电极加上频率不低于20千赫但不高于2.45千兆赫的波形变化的偏压。
用另外一种方法的话，该上述外层膜可以通过这样的方法得到，其所使用的镀膜装置包含有一真空室、一用于产生供给该真空室等离子体的等离子体产生构造(例如一等离子体枪)和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该方法包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；使得该等离子体产生构造产生等离子体，从而产生由存在于该等离子体中的电子组成的电子束，并将该电子束引导进入该真空室；用该电子束照射膜材以使得该膜材汽化；通过该电子束在该真空室中产生等离子体；并给该供给偏压的电极加上一具有负的平均值和正的最大值的偏压。
这一特点使得可以在不加热该基片的情况下制备该最外层膜。当氟化镁(MgF2)膜被作成该最外层膜时，得到的氟化镁(MgF2)膜可具有足够高的硬度和低折射率，且没有氟缺少，因此可以提供出具有优越的光学特性的增透膜。
根据本发明，还提供了一种在由合成树脂做成的基片上制备光学增透膜的方法，其包括以下步骤在该基片表面上通过利用电阻加热的真空沉积法制备厚度预先设定的一层第一膜，该第一膜的折射率与该基片的折射率基本相等；在该第一膜的表面上通过利用电阻加热的真空沉积法制备厚度预先设定的一层第二膜，该第二膜的折射率值在1.48至1.62之间的范围内，且由与制备该第一膜相同或不同的材料组成；并在该第二膜的表面上制备一具有增透特性的多层膜。更可取的是，该第一和第二膜均特别由硅氧化物作为其主要成分。
在这种结构中，可以首先制备该第一膜，使其具有例如说大约100至大约200纳米的厚度以使得该第一和第二膜的总厚度能够确保足够的附着强度、耐环境性、耐磨性和耐化学腐蚀性等，而后该折射率值在1.48至1.62之间的范围内，最好在1.5至1.6之间的范围内的该第二膜被制备为具有较好的厚度(例如大约200纳米)以使得该增透膜具有良好的光学特性。由于该第一膜的折射率与该由合成树脂做成的基片的折射率基本相等，所以该第一膜的存在几乎不会使该增透膜的光学特性变差。
该制备上述该多层膜的步骤可以由在该第二膜的表面层叠数层膜的步骤组成，该层叠的方式为相邻层的膜之间具有互不相同的折射率，且交替地、相对地具有高/低折射率值，该层叠数层膜的步骤中包括一个制备一层第三膜作为从最外层膜(即位于离基片最远的那层)起算的第二层的步骤，该第三膜可在由二氧化钛(TiO2)、三氧化二钛(Ti2O3)、五氧化三钛(Ti3O5)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化锆(ZrO2)、五氧化二铌(Nb2O5)、二氧化钛(TiO2)和二氧化锆(ZrO2)的混合物组成的镀膜材料组中选择一种材料作为其主要成分。
通过这样制备该多层膜，即便该基片是由例如丙烯酸树脂做成的，仍然可以实现具有极好的附着强度、耐环境性、耐化学腐蚀性及光学增透特性的通常称为的高低高低型(HLHL型)光学增透膜。
在制备该上述第三膜的步骤中，可以使用的镀膜装置包含有一真空室和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该制备该上述第三膜的步骤包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；在该真空室内汽化在前面所述的组中选出的一种膜材；给该供给偏压的电极加上高频电压使得其成为在该真空室中产生等离子体的一个电极；并给该供给偏压的电极加上频率不低于20千赫但不高于2.45千兆赫的波形变化的偏压。该偏压可具有负的平均值和正的最大值。
用另一种方法的话，在制备该上述该第三膜的步骤中，可以使用的镀膜装置包含有一真空室和一用于产生照射该真空室中的膜材的离子束的离子枪，该制备该上述第三膜的步骤包括以下步骤将该基片放置在该真空室内；使该离子枪产生离子束并用该离子束照射从在前面所述的组中选出的一种膜材并使该膜材汽化；这样汽化后的膜材沉积在该基片的表面。
再用另一种方法的话，在制备上述该第三膜的步骤中，可以使用的镀膜装置包含有一真空室、一用于产生供给该真空室等离子体的等离子体枪和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该制备该上述第三膜的步骤包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；使得该等离子体枪产生等离子体，从而产生由存在于该等离子体中的电子组成的电子束，并将该电子束引导进入该真空室；用该电子束照射从在前面所述的组中选出的一种膜材以使得该膜材汽化；通过该电子束在该真空室中产生等离子体；并给该供给偏压的电极加上偏压以使得该汽化后的膜材沉积在该基片的表面。
这一特点使得可在不加热该基片的情况下，制备具有高折射率的该第三膜，其折射率基本可达到在制备时加热基片所得到的膜的折射率。这样，即便在基片由低耐热性的材料，如丙烯酸树脂做成时，还是可以得到具有优越的光学特性的增透膜。
更可取的是，制备该前述多层膜的步骤包含有以下步骤制备一内层膜，其位置离该第二膜最为靠近；在该内层膜上制备一中层膜；再制备一外层膜，其位置离该第二膜最远，该外层膜的折射率是上述三层膜的折射率中最低的，该中层膜的折射率是上述三层膜的折射率中最高的，该内层膜的折射率的值处于该外层膜的折射率与该中层膜的折射率的中间，制备该外层膜的步骤为一制备由氟化镁(MgF2)作为其主要成分的膜的步骤。
通过这样制备该多层膜，也可以实现一种具有上述优越特性的通常称为的中高低型(MHL型)增透膜。
在制备该上述由氟化镁(MgF2)作为其主要成分的外层膜的步骤中，可以使用的镀膜装置包含有一真空室和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该制备该上述由氟化镁(MgF2)作为其主要成分的外层膜的步骤包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；在该真空室内汽化作为膜材的氟化镁(MgF2)；给该供给偏压的电极加上高频电压使得其成为在该真空室中产生等离子体的一个电极；并给该供给偏压的电极加上频率不低于20千赫但不高于2.45千兆赫的波形变化的偏压，且该偏压具有负的平均值和正的最大值。
用另外一种方法的话，在制备该上述由氟化镁(MgF2)作为其主要成分的外层膜的步骤中，可以使用的镀膜装置包含有一真空室、一用于产生供给该真空室等离子体的等离子体枪和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该制备该上述由氟化镁(MgF2)作为其主要成分的外层膜的步骤包括以下步骤将该基片放置在该偏压电极上；使得该等离子体枪产生等离子体，从而产生由存在于该等离子体中的电子组成的电子束，并将该电子束引导进入该真空室；用该电子束照射作为膜材的氟化镁(MgF2)以使得氟化镁(MgF2)在该真空室中汽化；通过该电子束在该真空室中产生等离子体；并给该供给偏压的电极加上具有负的平均值和正的最大值的偏压以使得该汽化后的膜材沉积在该基片的表面。
这一特点使得可以在不加热该基片的情况下制备该最外层膜。当氟化镁(MgF2)膜被做成该最外层膜时，得到的氟化镁(MgF2)膜可具有足够高的硬度和低折射率，且没有氟缺少，因此可以提供出具有优越的光学特性的增透膜。
在结合附图阅读以下对本发明的详细说明后，本发明的这些目的和其他目的、特点和附带的优点将变得更加清楚。
图1为一截面图，其说明了按照本发明一个实施例的一种增透膜结构；图2为一表格，其中列出了组成按照本发明实施例中的每种增透膜的各个膜层各自的主要成分、相应的物理厚度和光学厚度和对各个膜层设计的波长；图3为一截面图，其说明了按照本发明实施例的另一种增透膜的结构；图4为一截面图，其说明了一作为与本发明实施例的增透膜相对照的例子的增透膜的结构；图5为一示意图，其给出了一个可用于制备如图1所示的增透膜的第五层的二氧化钛(TiO2)膜和如图3所示的增透膜的第五层的氟化镁(MgF2)膜那样的光学薄膜的镀膜装置的例子；图6为如图5所示的镀膜装置中所包含的偏压电源装置输出的偏压波形图的一个例子；图7为如图5所示的镀膜装置中所包含的基片架的电势图；图8为如图1、3和4所示的每种增透膜的反射率随光波长变化的特性图；图9为显示如图1和3所示的增透膜在经过了耐磨性测试后得到的结果的照片；图10为显示如图4所示的增透膜在经过了耐磨性测试后得到的结果的照片；图11为显示一在基片上具有相对较薄的硅氧化物膜的增透膜在经过了环境测试后的表面状况的照片；图12为一示意图，其给出了另一个可用于制备如图1所示的增透膜的第五层二氧化钛(TiO2)膜那样的光学薄膜的镀膜装置的例子；图13为一示意图，其给出了还有的另一个可用于制备如图1所示的增透膜的第五层二氧化钛(TiO2)膜那样的光学薄膜的镀膜装置的例子；图14为一示意图，其给出了再有的另一个可用于制备如图1所示的增透膜的第五层的二氧化钛(TiO2)膜那样的光学薄膜的镀膜装置的例子。
具体实施例方式
以下将参考上述附图对本发明的实施例做详细说明。图1为一截面图，其说明了按照本发明实施例的一种增透膜的结构。如图1所示的增透膜A为一种具有通常称为的高低高低型(HLHL型)多层膜的增透膜。该增透膜A被构造为具有六层结构的多层膜，该六层结构由制备在基片100上的第一至六层膜组成，该基片100由丙烯酸树脂(聚甲基丙烯酸甲脂PMMA)做成，该第一至六层膜从该基片100上开始向上顺序排列。
图2为一表格，其中列出了组成按照本发明实施例中的每种增透膜的各个膜层的主要成分、物理厚度和光学厚度和对各个膜层设计的波长。如图1和2所示，该增透膜A包含有，作为第一层的一氧化硅(SiO)膜101、作为第二层的一氧化硅(SiO)膜102、作为第三层的由二氧化锆(ZrO2)和二氧化钛(TiO2)混合组成的膜(二氧化锆加二氧化钛(ZrO2+TiO2)膜)103、作为第四层的二氧化硅(SiO2)膜104、作为第五层的二氧化钛(TiO2)膜105和作为第六层的二氧化硅(SiO2)膜106。
在这里希望的是，作为第一层的一氧化硅(SiO)膜101的折射率与基片100的材料的折射率基本相等。在本实施例中，制备得到的一氧化硅(SiO)膜101的折射率为1.502，与所用的丙烯酸树脂的折射率基本相等。更进一步，制备得到的一氧化硅(SiO)膜101具有预先设定的厚度，以使得第一层一氧化硅(SiO)膜101和第二层一氧化硅(SiO)膜102的总厚度能够确保有足够的附着强度、耐环境性、耐磨性和耐化学腐蚀性。在本实施例中，该一氧化硅(SiO)膜101的厚度为200纳米。该一氧化硅(SiO)膜101在一真空室中通过利用电阻加热的真空沉积法在基片100上制备得到。
一氧化硅(SiO)膜的折射率随着该膜中硅原子含量和氧原子含量之间的比例的变化而变化。因此，可以在真空沉积的过程中，在真空室内冲入适量的氧气，以使得制备得到的一氧化硅(SiO)膜具有希望得到的折射率。当基片100是由丙烯酸树脂做成时，该第一层一氧化硅(SiO)膜101所希望的折射率值在1.48至1.51之间的范围内。
第二层一氧化硅(SiO)膜102所希望的折射率值在1.48至1.62的范围之内，以确保优越的光学特性。在本实施例中，制备得到的一氧化硅(SiO)膜102的折射率为1.6021。一氧化硅(SiO)膜102的厚度为200纳米，因此，第一层一氧化硅(SiO)膜101和第二层一氧化硅(SiO)膜102结合起来在基片100形成总厚度为400纳米的一氧化硅(SiO)膜。由于这个原因，增透膜A在与由丙烯酸树脂做成的基片100的附着强度、耐环境性、耐磨性和耐化学腐蚀性方面都是极好的。如同第一层一氧化硅(SiO)膜101，第二层一氧化硅(SiO)膜102通过利用电阻加热的真空沉积法，并配以适量氧气制备得到。
作为第三层，制备得到的由二氧化锆(ZrO2)和二氧化钛(TiO2)混合材料组成的二氧化锆加二氧化钛(ZrO2+TiO2)膜103具有相对高的折射率(在本实施例中，折射率n＝1.9899)。该二氧化锆加二氧化钛(ZrO2+TiO2)膜103在前面所述的第二层膜上通过真空沉积法制备得到，其中由二氧化锆(ZrO2)和二氧化钛(TiO2)组成的混合材料被一电子枪加热。如前所述，在制备该二氧化锆加二氧化钛(ZrO2+TiO2)膜103之前，已经在基片100上制备了总厚度为400纳米的第一层一氧化硅(SiO)膜101和第二层一氧化硅(SiO)膜102。这样，即便在进行真空沉积时使用电子枪，基片100的表面也已受到保护，因此不会因为二次电子的冲击而发生变质。因此，影响到增透膜A和基片100之间的附着强度是不可能的。
作为第四层，制备得到的二氧化硅(SiO2)膜104具有与第三层二氧化锆加二氧化钛(ZrO2+TiO2)膜103的折射率相比相对较低的折射率(在本实施例中n＝1.4471)。该二氧化硅(SiO2)膜104在第三层上通过使用电子枪的真空沉积法制备得到。
作为第五层，制备得到的二氧化钛(TiO2)膜105相对于第四层二氧化硅(SiO2)膜104的折射率具有足够高的折射率(在本实施例中n＝2.3483)。二氧化钛(TiO2)膜105通过一种使用特别的离子镀装置的方法制备得到。这种方法使得可以该第五层具有现有技术所不能达到的高折射率。这种特殊的离子镀装置和使用这种装置的镀膜方法将在后面予以说明。
作为第六层，制备得到的二氧化硅(SiO2)膜106相对于第五层二氧化钛(TiO2)膜105的折射率具有足够低的折射率(在本实施例中折射率n＝1.4471)。二氧化硅(SiO2)膜106在第五层上通过使用电子枪的真空沉积法制备得到。
图3为一截面图，其说明了按照本发明实施例的另一种增透膜的结构。如图3所示的增透膜B为一具有通常称为的中高低型(MHL型)多层膜的增透膜。该增透膜B被设计为具有五层结构的多层膜，该五层结构由制备在基片200上的第一至五层膜组成，该基片200由丙烯酸树脂做成，该第一至五层膜从该基片200上开始向上顺序排列。
如图2和3所示，该增透膜B包含有，作为第一层的一氧化硅(SiO)膜201、作为第二层的一氧化硅(SiO)膜202、作为第三层的三氧化二铝(Al2O3)膜203、作为第四层的由二氧化锆(ZrO2)和二氧化钛(TiO2)混合组成的膜(二氧化锆加二氧化钛(ZrO2+TiO2)膜)204和作为第五层的氟化镁(MgF2)膜205。
在这里，第一层一氧化硅(SiO)膜201和第二层一氧化硅(SiO)膜202均以和如图1所示的增透膜A中相应的第一层一氧化硅(SiO)膜101和第二层一氧化硅(SiO)膜102相同的制备方法制备得到，因此具有与相应的膜101和102相同的特点(折射率、厚度等)。这样，增透膜B在与由丙烯酸树脂做成的基片200的附着强度、耐环境性、耐磨性、耐化学腐蚀性和光学特性方面都是极好的。
作为第三层，制备得到的三氧化二铝(Al2O3)膜203的折射率值(在本实施例中折射率n＝1.631)介于将在下面说明的第四层二氧化锆加二氧化钛(ZrO2+TiO2)膜204的折射率和第五层氟化镁(MgF2)膜205的折射率的中间。三氧化二铝(Al2O3)膜203在第二层上通过使用电子枪的真空沉积法制备得到。
作为第四层，制备得到的二氧化锆加二氧化钛(ZrO2+TiO2)膜204具有与第三层三氧化二铝(Al2O3)膜203的折射率相比相对较高的折射率(在本实施例中折射率n＝1.9899)。二氧化锆加二氧化钛(ZrO2+TiO2)膜204在第三层上通过使用电子枪的真空沉积法制备得到。
作为第五层，制备得到的氟化镁(MgF2)膜205具有与第三层三氧化二铝(Al2O3)膜203的折射率相比相对较低的折射率(在本实施例中折射率n＝1.3733)。该氟化镁(MgF2)膜205通过一种使用特别的离子镀装置的方法制备得到，该方法与用于制备增透膜A的第五层二氧化钛(TiO2)膜105的方法相类似。该方法使得可在不加热基片200的情况下，实现具有高耐磨性和优越光学性质的氟化镁(MgF2)膜205。在这种情况下就无需再另外制备一层具有好的耐磨性的膜(例如二氧化硅(SiO2)膜)来作为最外层。
如已经说明过的一样，因为在增透膜A、B的基片100、200上制备了第一层一氧化硅(SiO)膜101、201和第二层一氧化硅(SiO)膜201、202，所以在制备第三层膜或更高层膜时就可以使用电子枪来加热和汽化膜材。这样，这种方法使得批量生产时的质量稳定性提高、生产的可操作性提高、并使得可以使用更高熔点的膜材。
图4为表示增透膜C的结构的截面图，其在制备过程中没有使用前面所述的特别的离子镀装置，并以其作为与按照本发明实施例的增透膜A和B的对照比较。如图2和4所示，增透膜C是一种通常称为的高低高低型(HLHL型)增透膜，其包含有与如图1所示的增透膜A相同的基片和材料。就是说，该增透膜C包含有，作为第一层的一氧化硅(SiO)膜301、作为第二层的一氧化硅(SiO)膜302、作为第三层的由二氧化锆(ZrO2)和二氧化钛(TiO2)混合组成的膜(二氧化锆加二氧化钛(ZrO2+TiO2)膜)303、作为第四层的二氧化硅(SiO2)膜304、作为第五层的二氧化钛(TiO2)膜305和作为第六层的二氧化硅(SiO2)膜306。与增透膜A所不同的是，第五层二氧化钛(TiO2)膜305是通过熟知的真空沉积法制备的，而没有使用前面所述的特别的离子镀装置。
以下将要说明的是前面所述的特别的离子镀装置及使用该装置的镀膜方法。图5为一示意图，其给出了一个可用于制备如图1所示的增透膜A中包含的第五层二氧化钛(TiO2)膜和如图3所示的增透膜B中包含的第五层氟化镁(MgF2)膜那样的光学薄膜的镀膜装置的例子。所示的该镀膜装置10被构造为能够以离子镀为镀膜方法来制备薄膜。
该镀膜装置10包括一真空室1和一电源供应装置8作为其主要组成部分。该真空室1由电导材料制成，并接地。一个用于固定需要镀膜的基片(例如基片200)的基片架2放置在真空室1内的上侧。该基片架2由电导材料制成。该基片架2可受电动机(图中未表示出)的驱动而旋转，因此，可在靠基片架2来旋转的基片200上制备薄膜。在真空室1内的下侧，放置有一用于放置膜材的坩埚3和一用于产生照射放置于坩埚3内的膜材的电子束的电子枪4。
镀膜装置10配备有真空装置(图中未特别表示出)，例如真空泵，和气体供给装置，因此能够给真空室1内的空间提供希望得到的真空压或例如希望得到的氧气压(或氩气压等)。
电源供应装置8包括一高频电源部分11和一偏压电源装置12。该高频电源部分11的一个输出端通过一高通滤波器(HPF)15与基片架2相连接，另一个输出端接地。该偏压电源装置12的一个输出端通过一低通滤波器(LPF)16与基片架2相连接，另一个输出端接地。
这样，基片架2又可作为真空室1内既可提供高频电又可提供偏压电的电极。当在基片架2上加上高频电时，在真空室1内会产生等离子体以电离(激发)从坩埚3中汽化的膜材。
从高频电源部分11输出的功率和频率的确定，特别取决于将要制备的膜的材料、镀膜条件和类似因素。
在高频电源部分11和高通滤波器15中间配置了一个匹配盒(图中未特别表示出)。该匹配盒，包含有熟知的由电容、电感等组成的匹配电路，其能够通过调节该匹配电路来使高频电源部分11一侧的阻抗与真空室1一侧的阻抗之间相互匹配。
另一方面，偏压电源装置12包括一波形发生器13和一偏压电源14。该波形发生器13产生的波形用于从偏压电源装置12输出的偏压，该波形被输入到偏压电源14。该波形发生器13能够产生各种各样的波形，诸如稳定的具有恒定值的直流波形、不同频率的交流波形、方波和三角波，作为基本波形。该波形发生器13还能够在数个基本波形的基础上组合出别的基本波形。基于这种由该波形发生器13产生的基本波形，偏压电源14输出已被放大至预先设定的大小的偏压。
该高通滤波器15具有在允许从高频电源部分11输出的功率通过至基片架2一侧的同时，阻挡住从偏压电源装置12输出的功率输入至高频电源部分11的功能。该低通滤波器16具有在允许从偏压电源装置12输出的功率通过至基片架2一侧的同时，阻挡住从高频电源部分11输出的功率输入至偏压电源装置12。
以下针对从偏压电源装置12输出的偏压进行说明。图6为从偏压电源装置12输出的偏压波形的一个例子。在图6中，横坐标代表时间(秒)而纵坐标代表电压值的大小(伏)。
如图6所示，偏压的值在正的一侧和负的一侧做周期性的变化。更具体的说，该偏压具有方波脉冲的波形，并由在一个周期(TW1+T1)里的持续时间TW1内具有恒定的正电压值VF1的正偏压和在一个周期(TW1+T1)里的另一段持续时间T1内具有恒定的负电压值(-VB1)的负偏压组成。
在使用上述的镀膜装置10时，可以以下方法来制备光学薄膜。虽然以下说明的镀膜步骤是制备前面所述的增透膜B的第五层氟化镁(MgF2)膜205的，增透膜A的第五层二氧化钛(TiO2)膜105也可以类似的步骤制备得到。
首先，在坩埚3中放入由氟化镁(MgF2)组成的膜材，并将基片200放置在基片架2上。在基片架2上放置基片2时，使其将要镀膜的正面对着坩埚3。然后使电子枪4发射出电子束并以该电子束照射膜材从而使该膜材汽化。
另一方面，启动电源供应装置8以通过基片架2供给真空室1内高频电，并启动偏压电源装置12以给基片架2加上一个偏压。
通过这样做，真空室1中就产生了等离子体。从坩埚3中汽化的膜材在经过这样产生的等离子体时被电离(激发)。这样得到的电离后的氟化镁(MgF2)撞击并沉积在基片200上，这样就在基片200上镀上了一层氟化镁(MgF2)膜。
在使用镀膜装置10在基片200上镀膜的过程中，当高频电压被加在基片架2上并在真空室1内产生等离子体时，由于通常称为的“自偏压”，所以会在基片200的正面附近区域存在负电势。
这种由于自偏压而产生的负电势和由前面所述的偏压引起的负偏压可以使得电离后带正电的氟化镁(MgF2)朝基片200加速运动。这样，由该偏压引起的负偏压可进一步加速这种电离后的氟化镁(MgF2)的运动，这样在基片200上所镀上的该膜具有更为致密的结构。
虽然松散束缚的氟在使用镀膜装置10的镀膜过程中容易从电离后的氟化镁(MgF2)中脱离出来，但是在持续期间TW1内的该偏压所产生的正偏压使得带负电的氟离子能结合进正被制备在基片200上的膜中。这样，在基片200上制备得到的膜可避免发生氟缺少，因此，可以避免该氟化镁(MgF2)膜的任何光学特性的变差，而这种光学特性的变差在其他情况下可由于氟缺少而产生。
这里，简要说明一下自偏压。该高通滤波器15中具有一个阻塞电容器(图中未表示出)，其与高频电源部分11串联连接。该阻塞电容具有允许一个电流的高频成分通过而阻止该电流的直流成分通过的功能。相应的，当高频电被供给至真空室1内时，由于该高频电的供给而产生的等离子体中的电荷流入基片架2并积累在该阻塞电容上。一个由该阻塞电容的电容量和在该电容上的电量所决定的补偿电压在该阻塞电容的不同极性的两端产生并被输至基片架2。因为存在于等离子体中的电子向基片架2的行进速度要高于存在于等离子体中的离子行进的速度，所以该补偿电压在基片架2一侧具有恒定的负值。这种按照本机理在与等离子体接触的电极(在这种情况中为基片架2)上产生的电压被称为“自偏压”。
以下将说明该自偏压和从偏压电源装置12中输出的偏压之间的关系。包含在高通滤波器15中的该阻塞电容和偏压电源装置12对应于基片架2并联连接。在这种情况下，该自偏压和从偏压电源装置12中输出的偏压中的一个(无论哪个为主)被主要地供给基片架2。在本实施例中，从偏压电源装置12输出的偏压与自偏压相比占有优势，因此，被主要地供给基片架2。图7为基片架2的电势图。如图7所示，基片架2的电势(VH)与从偏压电源装置12产生的偏压(参看图6)基本保持一致，且其变化也与该偏压的变化一样。
在本发明中使用的该偏压并不局限于具有如图6所示的波形的偏压。例如，该偏压可以是正弦波形的。较好的是，该偏压能具有负的平均值和正的最大值，且其频率不低于20千赫但并不高于2.45千兆赫，且波形可变。虽然具有更高频率的偏压是更希望得到的，但是具有过高频率的偏压会导致在真空室1中产生的等离子体不稳定。由于这个原因，在实践中希望得到的偏压的频率要不高于2.45千兆赫。
以下将对按照本实施例的增透膜A和B与作为比较的例子的增透膜C作比较说明。图8为增透膜A、B和C对应不同波长(大约350至大约800纳米)光的反射率。
如图8所示，增透膜A和B中的任一种均对于波长范围在大约400至大约650纳米的光展现出大约0.2％的平均反射率，而作为对比对于同样波长范围的光增透膜C展现出的平均反射率大约在0.5％。从这可以看出，按照本实施例的增透膜A和B均具有比在制备时不使用镀膜装置10的增透膜C更好的增透特性。
可以推测，对于在上述波长范围内的光，上述增透膜A的透射率为99.8％，如果该光在通过该膜时没有发生光通量的损失的话。类似的可以推测，增透膜B和增透膜C的透射率分别为99.8％和99.5％。
相应的，例如，当有一块透镜在其两边均镀上增透膜A，则镀在该透镜(以下称为“透镜A”)上的增透膜A的透射率为99.6％。同样地，当有一块透镜在其两边均镀上增透膜B，则镀在该透镜(以下成为“透镜B”)上的增透膜B的透射率为99.6％。另一方面，当有一块透镜在其两边均镀上增透膜C，则镀在该透镜(以下称为“透镜C”)上的增透膜C的透射率为99.0％。这样，在透镜A或B和透镜C之间，增透膜的透射率的差异有0.6％那么大。
通常，许多用于远距摄影的镜头透镜列阵由不少于10块的透镜组合而成。当这样的镜头透镜列阵被设计为使用透镜A、B或C时，由透镜A或B组成的镜头透镜列阵的透射率为0.99610＝0.961(96.1％)，而由透镜C组成的镜头透镜列阵的透射率为0.99010＝0.904(90.4％)。这样，在使用增透膜A或B的镜头透镜列阵和使用增透膜C的镜头透镜列阵之间，透射率的差异有大约5.7％那么大。从这可以看出，上述两组镜头透镜列阵之间在光学特性上存在巨大的差异。这意味着增透膜A和B具有非常好的光学特性。
图9和10分别为显示增透膜A和B在经过了耐磨性测试和增透膜C在经过了耐磨性测试后的结果的照片。如图9和10所示，增透膜A和B展示出没有脱落且很少的裂痕，因此，具有比增透膜C更强的耐磨性。
如已经详细描述的那样，本发明能够实现一种光学增透膜，其具有极好的与由合成树脂做成的作底基片之间的附着强度、耐环境性、耐磨性和耐化学腐蚀性，并包含有具有良好光学特性的一氧化硅(SiO)膜，且还能实现一种制备这种光学增透膜的方法。
更进一步，本发明能够实现一种具有优良增透特性的光学增透膜，其使用由合成树脂做成的基片，并包含有通常称为的高低高低型(HLHL型)多层膜，其中从最外层起算的第二层膜具有的折射率远高于现有技术所能达到的水平。
还有，本发明能够实现一种具有优良增透特性的光学增透膜，其使用由合成树脂做成的基片，并包含有通常称为的中高低型(MHL型)多层膜，其中包括一层具有足够硬度和足够低折射率的适宜于用作光学薄膜的氟化镁(MgF2)膜。
虽然如图1所示，按照本实施例的增透膜A所具有的高低高低型(HLHL型)多层膜由四层组成，这种高低高低型(HLHL型)多层膜也可由五层或更多层组成。
构成如图1和3所示的增透膜A和B的各层的材料并不局限于前面所提到的那些材料，而是任何其他材料均可被用于制备增透膜A和B的各个层。例如，对于如图1所示的高低高低型(HLHL型)增透膜A，虽然具有高折射率、位于从最外层起算的第二层位置的第五层105由二氧化钛(TiO2)作为其主要成分，具有这种特性的该第五层105也可由除二氧化钛(TiO2)以外的一种具有高折射率(折射率范围在2.2至2.4)的透明材料组成。具体的说，增透膜A的该第五层105可在由二氧化钛(TiO2)、二氧化锆(ZrO2)、五氧化二钛(Ti2O5)、三氧化二钛(Ti2O3)、五氧化三钛(Ti3O5)、五氧化二钽(Ta2O5)、五氧化二铌(Nb2O5)、二氧化钛(TiO2)和二氧化锆(ZrO2)的混合物组成的镀膜材料组中选择一种材料作为其主要成分。作为如图1所示的增透膜A的具有低折射率的最外层第六层106可由通过前面所述的离子镀方法制备得到的氟化镁(MgF2)膜组成。如果该第六层106由这样的氟化镁(MgF2)膜组成，则该第六层106可足够的硬度和足够低的折射率，因此可提供出一种优良的增透膜。
制备在基片100和200上的该第一层和第二层可由除一氧化硅(SiO)外的任何其他硅氧化物或任何其他材料组成。还有，该第一层和第二层可各由互不相同的材料组成。当该第一层和第二层由相同的材料组成时，它们之间的附着强度是良好的。更进一步，如在本实施例中一样当该第一层和第二层均由一氧化硅(SiO)组成时，本发明在光学特性等方面的优点就能有效地获得。
虽然在本实施例中使用前面所述的离子镀方法(即，利用加上高频电压产生的等离子体的特别的离子镀方法)来制备如图1所示的高低高低型(HLHL型)增透膜A的第五层105，也可以使用利用离子枪或等离子体枪的离子束沉积法来制备这样的二氧化钛(TiO2)膜。这些方法将在下面详细予以说明。
图12A、12B、13A、13B均为可用于制备如构成如图1所示的增透膜A的第五层105的二氧化钛(TiO2)膜那样的光学薄膜的镀膜装置的其他例子的示意图。在本实施形态中，每种所示的镀膜装置均被构造为能基于离子束沉积法来制备薄膜，而不是前面所述的离子镀法。
如图12A所示的镀膜装置包含有一真空室1，用于固定基片100的基片架2放置在该真空室1内的上侧。该基片架2受一电动机M的驱动而旋转。以膜材为其主要成分的靶20放置在真空室1内的下侧，且对着放在基片架2上的基片100的镀膜面。这里，靶20以钛(Ti)作为其主要成分。在该真空室1内侧的侧面，放置一离子枪22，其用于用离子束21从上面来照射靶20的大部分表面。该离子枪22配备有一用于给该离子枪22供应气体以作为离子源的离子源供应部分22a。在所示的镀膜装置中，该离子源供给部分22a供给该离子枪22氩气，这将在后面予以说明。一普通的离子枪可被用作离子枪22。虽然未在图中表示出，该离子枪22中包含有一用于产生等离子体的放电电极和一用于通过选择性地从产生的等离子体中取出离子的方法来产生离子束的构造等。
虽然也未在图中表示出，和在前面的实施例中一样，该镀膜装置配备有一诸如真空泵的真空装置和一反应气体供给装置。这样，该镀膜装置能给该真空室1的内部空间提供希望得到的真空压或，例如说，希望得到的反应气体气压(在这里为氧气)。
下面针对制备作为如图1所示的增透膜A的第五层的二氧化钛(TiO2)膜的方法进行说明。
首先，如图1所示，已在其表面制备好第一至四层101至104的基片100被放置在基片架2上。这里，基片100上已经制备好第一至四层101至104的那面就是将要镀上二氧化钛(TiO2)膜的镀膜面，因此，基片100被放置在基片架2上使其镀膜面朝真空室1的中间。另一方面，靶20被放置在真空室1内的下侧以使其面对着基片100的镀膜面。然后，对真空室1抽真空以为其内部提供希望得到的真空压，同时氧气作为反应气体被输入至真空室1内，以为在真空室1内提供希望得到的氧气压。
接下来，离子源供应部分22a将氩气供给离子枪22，该离子枪22又在其内引起放电以产生等离子体并选择性地将氩离子从该等离子体中取出。而后该离子枪22发出一束这样取出的氩离子(以下称为“离子束”)，并以离子束21照射靶20。这样的照射使得组成靶20的膜材(即钛(Ti))被这种离子所溅射和汽化。这样汽化后的钛(Ti)在该真空室中与氧气反应生成二氧化钛(TiO2)，接着该二氧化钛(TiO2)附着和沉积在基片100上，这样就形成了一层二氧化钛(TiO2)膜。在进行这样的镀膜时，基片100随着基片架2一起旋转。
这样，就如同前面的离子镀方法一样，在不将基片200加热至高温的情况下，也可以制备得到具有高折射率的二氧化钛(TiO2)膜。
如图12B所示的镀膜装置在结构上与如图12A所示的镀膜装置是相似的，但是它们之间的不同之处在于下面的特点。这就是，除与如图12A所示的镀膜装置一样在装置的较高处的侧面放置有离子枪22外，这个例子的镀膜装置在装置的较低处的侧面放置有离子枪23。这里，该较高的离子枪22被称为第一离子枪，而该较低的离子枪23被称为第二离子枪。该第一和第二离子枪22和23均具有与普通离子枪同样的结构，且均如图12A所示那样配备有氩气作为离子源。
在该具有两个这样的离子枪22和23的装置中，第一离子枪22用离子束21照射靶20以使得作为膜材的钛(Ti)汽化，这就如同图12A中的电子枪所做的一样。如同图12A中的情况，这样汽化后的钛(Ti)被用于制备二氧化钛(TiO2)膜。另一方面，第二离子枪23辅助第一离子枪22以使得膜更为致密。具体地说，第二离子枪23从该装置的下侧用离子束21照射沉积在基片100的镀膜面上的二氧化钛(TiO2)膜，以使该二氧化钛(TiO2)膜致密(这种方法被称为“辐照”)。这个例子的镀膜装置能够通过利用第二离子枪23来使沉积的二氧化钛(TiO2)膜变得致密，因此，其能够制备更为致密的二氧化钛(TiO2)膜，这是除前面与图12A有关的优点之外的一个优点。
如图13A所示的镀膜装置在结构上与如图12B所示的镀膜装置是相似的，但是它们之间的不同之处在于下面的特点。这就是，这个例子的镀膜装置被构造为用电子枪27发出的电子束28来照射放在坩埚24中的膜材25以使该膜材25汽化，而不是利用第一离子枪22来溅射靶20以汽化膜材(钛)。具体地说，该装置包括面对着固定在基片架2上的基片100放置的坩埚24、向放在坩埚24中的膜材(钛)发射电子束28的电子枪27和一个用于使电子束28偏转以将其引导至膜材25的电子束引导结构(未在图中表示出)。
电子枪27具有一种普通的结构。就是说，电子枪27包括一在其内的灯丝，其在被加热时产生热电子(虽然在这里没有图示)。一束这样的热电子(以下称为“电子束”)28从电子枪27发射出。而后，该电子束28被例如使用一磁铁的电子束引导结构引导至坩埚24，以用该电子束28照射膜材25，从而使膜材25汽化。该汽化后的膜材25a在该真空室中与氧气反应生成二氧化钛(TiO2)，接着该二氧化钛(TiO2)附着和沉积在基片100的镀膜面上。如同图12B中的情况，该镀膜装置使用离子枪23来辅助镀膜，即通过用离子束21照射这样沉积的二氧化钛(TiO2)膜来使其更为致密，这就如同前面说明的一样。
如图13B所示的镀膜装置包含有一真空室1、一放置在该真空室1内的基片架2，该基片架2由电导材料做成、一面对着固定在基片架2上的基片100的镀膜面放置的坩埚24，在该坩埚24中放满了膜材(Ti)25。由电导材料做成的坩埚24和基片架2与一电源串联连接。在真空室1中的坩埚24和基片架2之间的空间里，放置有一能被加热的灯丝28和一电离电极29，它们在连接坩埚24和基片架2的虚线的横断方向上彼此相对放置。还有，一对在上述横断方向上相对的加速电极31位于比由灯丝28和电离电极29组成的一对离基片架2更近的地方。
虽然未在图中表示出，这个例子的镀膜装置配备有用于给真空室1抽真空的真空装置和用于给真空室1内供给反应气体的反应气体供给装置。在这种情况下，氧气被用作反应气体。
在这装置中，在基片架2和坩埚24之间加上电压，以使得膜材(钛)25从坩埚24中如波涛般汹涌般地汽化，从而形成材料25的中性团簇30。在这里所使用的“团簇”，意思是指500至1000个原子彼此松散地束缚的状态。接下来，灯丝28被加热以产生热电子，通过引起这些热电子与电离电极29之间的放电，团簇30被电离。以下，这种电离后的团簇被称为离化团簇32。该离化团簇32在真空室1中与氧气反应，该反应的产物被加速电极31加速向基片100行进，并附着和沉积在基片100的镀膜面上。这样，一层二氧化钛(TiO2)膜制备得到了。这个例子的装置，适合于以上面所述的方式将膜材本身变为离子束，也能够体会到与使用前面所述的使用离子枪的装置得到的膜相同的优点。此外，这装置使膜材形成离化团簇，因此能够获得更好薄膜质量的膜。
应当注意到的是，如图12A、12B和13A中所示的镀膜装置均未被设计为在镀膜期间在基片架一侧加上偏压，因此不能够如同在前面的离子镀中一样在基片一侧加上正的偏压和负的偏压。由于这个原因，如果这些装置被用于制备如图3所示的增透膜B中的氟化镁(MgF2)膜，这些装置就不能获得前面离子镀法的优点，即在基片一侧加上适当的正偏压可避免氟分离。另一方面，由于如图13B所示的镀膜装置被设计为在基片一侧加上电压，所以该装置能够在基片一侧加上合适的正偏压。因此，使用该装置来制备如图3所示的增透膜中的氟化镁(MgF2)膜，可以获得避免氟分离的效果，就如同前面的离子镀法一样。
图14为再另外一个能够制备构成如图1所示的增透膜A中的第五层105的二氧化钛(TiO2)膜和构成如图3所示的增透膜B中的第五层205的氟化镁(MgF2)膜的镀膜装置的例子的示意图。在本实施例中，该镀膜装置被构造为能够基于一种使用等离子体枪的方法来制备薄膜，而不是如图12和13所示的实施例中均使用的离子枪。
如图14所示，这个例子的镀膜装置包含有一真空室1和一用于在该真空室1内产生等离子体的等离子体枪40。虽然未在图上表示出，这个镀膜装置配备有用于给真空室1抽真空的诸如真空泵的真空装置和用于给真空室1内供给反应气体的诸如冲气泵的反应气体供给装置。在这种情况下，氧气被用作反应气体。
该真空室1具有一反应气体供给口41、一抽气孔42和一等离子体导入口43。该反应气体供给口41与反应气体供给装置(未在图上表示出)相连接，该抽气孔42与真空装置(未在图上表示出)相连接，而该等离子体导入口43与等离子体枪40相连接。在该真空室1内的上侧放置一用于固定基片100的基片架2。该由电导材料做成的基片架2与位于真空室1外的一离子聚集电源44相电连接。该离子聚集电源44接地。该基片架2受一电动机(未在图中表示出)的驱动而旋转。
一蒸发源60放置在真空室1内的下侧。该蒸发源60由一个放满膜材61的坩埚62和一支撑部分64组成，该支撑部分64中放置有一电子束聚集磁铁63，其用于使从等离子体枪40中发射出的电子束45的前进方向偏转，以使该电子束45照射膜材61，这将在后面予以说明。该由导电材料做成的蒸发源60与一放电电源相连，并接地。这样布置的该蒸发源60在为了产生等离子体的放电过程中起到了阳极的作用，这将在后面予以说明。
该等离子体枪40位于真空室1的侧面，且其所限定的内部空间与真空室1的内部空间互通以使得在该等离子体枪40中产生的电子束45能经过电子束导入口43而被导入真空室1。在这装置中使用的等离子体枪40为一普通的等离子体枪。
具体地说，一对相对的等离子体发生阴极46配置在等离子体枪40内，第一和第二中间电极47和48依次放置在从等离子体枪40与真空室1的连接部分到该阴极46之间的电子束行进路径上。再有，该等离子体枪40配备有一对靠近该连接部分的线圈49，以用于使等离子体束汇聚。这些电极46、47和48通过配有适当电阻的导线与放电电源50相连，该放电电源50与蒸发源60相连。该等离子体枪40具有一输运气体入口51，其处于每个阴极46的上游并与输运气体供给装置(未在图中表示出)相连接。在这镀膜装置中，该输运气体供给装置给该等离子体枪40供给氩气作为等离子体源。
以下针对使用这样构造的装置来制备作为如图1所示的增透膜A的第五层105的二氧化钛(TiO2)膜的方法进行说明。
首先，如图1所示，在基片架2上固定已在其表面制备好第一至四层101至104的基片100。在这里，基片100已经制备好第一至四层101至104的那面将被镀上二氧化钛(TiO2)膜。该基片以其镀膜面朝真空室1的中间的方式放置。而后，在坩埚62中放满膜材61。虽然在这里将钛(Ti)用作膜材，但是也可将任何钛氧化物诸如二氧化钛(TiO2)用作膜材。接下来，真空装置(未在图中表示出)通过抽气孔42对真空室1抽真空以使得真空室1内气压达到预先设定的真空条件，同时反应气体供给装置(未在图中表示出)通过反应气体供给口41供给真空室1内预先设定量的氧气以作为反应气体。
另一方面，输运气体供给装置(未在图中表示出)通过输运气体入口51供给在等离子体枪40中产生等离子体时用作输运气体的氩气。由于在阴极46和作为阳极的蒸发源60之间的放电，这样输入的氩气被转换至等离子态。而后，通过第一和第二中间电极47和48各自的作用，电子被从等离子体中选择性地取出。这样从等离子体中取出的一束电子(即电子束45)被等离子体汇聚线圈49汇聚。接下来，这样汇聚后的电子束受到蒸发源60中电子束汇聚磁铁63产生的磁场作用。这样电子束45通过等离子体导入口43被导入至真空室1内，以使得电子束45照射在坩埚62中的膜材61。膜材61被电子束45这样照射后汽化。还有，电子束45中的电子与真空室1中的氧气发生碰撞，从而在真空室1中产生等离子体。
在经过该等离子体时，这样汽化的膜材61被真空室1中产生的等离子体所激发并因此而电离。因为这个例子的镀膜装置特别能够通过该等离子体来电离被电子束45照射后从膜材61中汽化出来的高浓度部分蒸汽，所以这装置可以提供更高的电离效率。
这样电离后的膜材在真空室1中与氧气发生反应，该反应的生成物被通过离子聚集电源44加在基片一侧的偏压所加速而向基片100运动。最后，该反应生成物撞击并沉积在基片100的镀膜面上，这样就在基片100的镀膜面上镀上了二氧化钛(TiO2)膜。
在本实施例中使用了等离子体枪40，因此能够制备更为致密的膜。还有，本实施例确保了更高的电离效率，因此能够提高膜材的反应率并提高膜的质量。
上面的说明是针对按照本实施例使用具有等离子体枪的镀膜装置来制备二氧化钛(TiO2)膜的情况进行的。但是，该装置也可用于制备作为如图3所示的增透膜B的第五层的氟化镁(MgF2)膜。在这种情况下，当离子聚集电源44把如图6所示的合适的偏压加在基片一侧时，可以获得阻止氟分离的效应。
如前所述，本发明能够提供一种光学增透膜，其具有令人满意的与由合成树脂做成的做底基片之间的附着强度、耐环境性、耐磨性、耐化学腐蚀性，并具有优良的光学特性，还提供一种制备这种膜的方法。
更进一步，本发明能够提供一种光学增透膜，其使用的基片由合成树脂做成，并包含有一通常称为的高低高低型(HLHL型)多层膜，其中构成从最外层起算的第二层膜具有的折射率远高于现有技术所能提供的水平，还提供了一种制备这种膜的方法。
还有，本发明能够提供一种光学增透膜，其使用的基片由合成树脂做成，并包含有一通常称为的中高低型(MHL型)多层膜，其中包括一层具有足够硬度和足够低折射率并适合用作光学薄膜的氟化镁(MgF2)膜，还提供了一种制备这种膜的方法。
由于本发明可在不脱离其实质特征的精神的前提下，以多种方式实施，所以这些实施例是举例说明性质的，而不具有限定性。因为本发明的范围是由权利要求书而不是说明书限定的，所以所有落入这些权利要求范围或与该范围等同的范围内的变化，均为这些权利要求所包含。
权利要求
1.一种制备在由合成树脂做成的基片上的光学增透膜，其包含有一层制备在该基片表面上的第一膜，该第一膜具有预先设定的厚度和与该基片折射率基本相等的折射率；一层制备在该第一膜表面的第二膜，该第二膜具有预先设定的厚度和在1.48至1.62之间范围内的折射率值，且由与制备该第一膜相同或不同的材料组成；和一制备在该第二膜表面的多层膜，该多层膜具有增透特性。
2.按照权利要求1所述的光学增透膜，其特征在于该第一膜和第二膜均由一种硅氧化物组成。
3.按照权利要求1所述的光学增透膜，其特征在于该基片由丙烯酸树脂做成。
4.按照权利要求1所述的光学增透膜，其特征在于该第一膜为通过利用电阻加热的真空沉积法而得到膜的形成。
5.按照权利要求1所述的光学增透膜，其特征在于该多层膜由层叠的数层膜组成，该层叠的方式为该数层膜的相邻层之间具有各自互不相同的折射率，且该数层膜由各自的折射率形成交替地、而且相对地具有高/低值。
6.按照权利要求5所述的光学增透膜，其特征在于该多层膜中有一层第三膜，该第三膜为从离该第二膜最远的最外层起算的第二层，该第三膜具有的折射率值在2.2至2.4之间的范围内。
7.按照权利要求6所述的光学增透膜，其特征在于该第三膜为由二氧化钛、三氧化二钛、五氧化三钛、五氧化二钽、二氧化锆、五氧化二铌、二氧化钛与二氧化锆的混合物组成的组中选出的一种材料作为主要成分组成。
8.按照权利要求6所述的光学增透膜，其特征在于该第三膜通过这样的方法制备得到，其所使用的镀膜装置包含有一真空室和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该方法包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；在该真空室内汽化膜材；给该供给偏压的电极加高频电压使得其成为在该真空室中产生等离子体的一个电极；并给该供给偏压的电极加上频率不低于20千赫但不高于2.45千兆赫的波形变化的偏压。
9.按照权利要求8所述的光学增透膜，其特征在于该偏压具有负的平均值和正的最大值。
10.按照权利要求6所述的光学增透膜，其特征在于该第三膜通过这样的方法制备得到，其所使用的镀膜装置包含有一真空室和一用于在镀膜时产生离子束的离子束产生构造，该方法包括以下步骤将该基片放置在该真空室内；使该离子束产生构造产生离子束；利用该真空室中的该离子束使得膜材沉积在该基片的表面上。
11.按照权利要求10所述的光学增透膜，其特征在于该离子束产生构造为一离子枪，此时该膜材沉积的步骤包含以下步骤用该离子枪产生的离子束照射该膜材以使该膜材汽化；这种汽化后的膜材沉积在该基片的表面。
12.按照权利要求6所述的光学增透膜，其特征在于该第三膜通过这样的方法制备得到，其所使用的镀膜装置包含有一真空室、一用于产生供给该真空室等离子体的等离子体产生构造和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该方法包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；使得该等离子体产生构造产生等离子体，从而产生由存在于该等离子体中的电子组成的电子束，并将该电子束引导进入该真空室；用该电子束照射膜材以使得该膜材汽化；通过该电子束在该真空室中产生等离子体；并给该供给偏压的电极加上偏压以使得该汽化后的膜材沉积在该基片的表面上。
13.按照权利要求12所述的光学增透膜，其特征在于该等离子体产生构造为一等离子体枪。
14.按照权利要求1所述的光学增透膜，其特征在于该多层膜由层叠的三层膜组成，该三层包括一位于离该第二膜最远的外层膜、一位于离该第二膜最近的内层膜、和一位于该外层膜和该内层膜中间的中层膜，该外层膜具有的折射率为组成该三层的膜中最低的，该中层膜具有的折射率为组成该三层的膜中最高的，该内层膜具有的折射率值在该外层膜的折射率值和该中层膜的折射率值的中间。
15.按照权利要求14所述的光学增透膜，其特征在于该外层膜由氟化镁(MgF2)作为主要成分组成。
16.按照权利要求14所述的光学增透膜，其特征在于该外层膜通过这样的方法制备得到，其所使用的镀膜装置包含有一真空室和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该方法包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；在该真空室内汽化膜材；给该供给偏压的电极加高频电压使得其成为在该真空室中产生等离子体的一个电极；并给该供给偏压的电极加上具有负的平均值和正的最大值、频率不低于20千赫但不高于2.45千兆赫的波形变化的偏压。
17.按照权利要求14所述的光学增透膜，其特征在于该外层膜通过这样的方法制备得到，其中使用的镀膜装置包含有一真空室、一用于产生供给该真空室等离子体的等离子体产生构造和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该方法包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；使得该等离子体产生构造产生等离子体，从而产生由存在于该等离子体中的电子组成的电子束并将该电子束引导进入该真空室；用该电子束照射膜材以使得该膜材汽化；通过该电子束在该真空室中产生等离子体；并给该供给偏压的电极加上具有负的平均值和正的最大值的偏压以使得该汽化后的膜材沉积在该基片的表面上。
18.一种在由合成树脂做成的基片上制备光学增透膜的镀膜方法，其包括以下步骤在该基片的表面上通过利用电阻加热的真空沉积法制备一层具有预先设定的厚度的第一膜，该第一膜具有与该基片的折射率基本相等的折射率；在该第一膜的表面上通过利用电阻加热的真空沉积法制备一层具有预先设定的厚度的第二膜，该第二膜的折射率值在1.48至1.62之间的范围内，且由与该第一膜相同或不同的材料组成；在该第二膜的表面上制备一具有增透特性的多层膜。
19.按照权利要求18所述的方法，其特征在于该第一膜和第二膜均包含有硅氧化物作为其主要成分。
20.按照权利要求18所述的方法，其特征在于该制备多层膜的步骤由在该第二膜的表面层叠数层膜的步骤组成，该层叠的方式为该数层膜的相邻层之间具有各自互不相同的折射率，且具有交替地、相对地高/低折射率值，该层叠数层膜的步骤包含有制备一层第三膜的步骤，该第三膜为从离该基片最远的最外层起算的第二层，该第三膜为由二氧化钛、三氧化二钛、五氧化三钛、五氧化二钽、二氧化锆、五氧化二铌、二氧化钛与二氧化锆的混合物组成的镀膜材料组中选出的一种材料作为主要成分组成。
21.按照权利要求20所述的方法，其特征在于在制备该第三膜的步骤中，使用的镀膜装置包含有一真空室和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该制备第三膜的步骤包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；在该真空室内汽化在上述镀膜材料组中选出的一种膜材；给该供给偏压的电极加上高频电压使得其成为在该真空室中产生等离子体的一个电极；并给该供给偏压的电极加上频率不低于20千赫但不高于2.45千兆赫的波形变化的偏压。
22.按照权利要求21所述的方法，其特征在于在给该偏压供给电极加上偏压的步骤中，该偏压具有负的平均值和正的最大值。
23.按照权利要求20所述的方法，其特征在于在制备该第三膜的步骤中，使用的镀膜装置包含有一真空室和一用于产生照射该真空室中的膜材的离子束的离子枪，该制备该第三膜的步骤包括以下步骤将该基片放置在该真空室内；使该离子枪产生离子束并用该离子束照射在从上述组中选出的一种膜材并使该膜材汽化；这样汽化后的膜材沉积在该基片的表面。
24.按照权利要求20所述的方法，其特征在于在制备该第三膜的步骤中，使用的镀膜装置包含有一真空室、一用于产生供给该真空室等离子体的等离子体枪和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，该制备该第三膜的步骤包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；使得该等离子体枪产生等离子体，从而产生由存在于该等离子体中的电子组成的电子束，并将该电子束引导进入该真空室；用该电子束照射从上述组中选出的一种膜材以使得该膜材汽化；通过该电子束在该真空室中产生等离子体；并给该供给偏压的电极加上偏压以使得该汽化后的膜材沉积在该基片的表面。
25.按照权利要求18所述的方法，其特征在于该制备该多层膜的步骤包含有以下步骤制备一内层膜，其位置离该第二膜最为靠近；在该内层膜上制备一中层膜；再制备一外层膜，其位置离该第二膜最远，该外层膜的折射率是组成该三层的膜的折射率中最低的，该中层膜的折射率是组成该三层的膜的折射率中最高的，该内层膜的折射率的值处于该外层膜的折射率与该中层膜的折射率的中间，制备该外层膜的步骤为一制备由氟化镁作为其主要成分的膜的步骤。
26.按照权利要求25所述的方法，其特征在于在制备由氟化镁作为其主要成分的该外层膜的步骤中，使用的镀膜装置包含有一真空室和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，并包括以下步骤将该基片放置在该供给偏压的电极上；在该真空室内汽化作为膜材的氟化镁；给该供给偏压的电极加上高频电压使得其成为在该真空室中产生等离子体的一个电极；并给该供给偏压的电板加上具有负的平均值和正的最大值、频率不低于20千赫但不高于2.45千兆赫的波形变化的偏压。
27.按照权利要求25所述的方法，其特征在于在制备由氟化镁作为其主要成分的该外层膜的步骤中，使用的镀膜装置包含有一真空室、一用于产生供给该真空室等离子体的等离子体枪和一放置于该真空室内的供给偏压的电极，并包括以下步骤将该基片放置在该偏压电极上；使得该等离子体枪产生等离子体，从而产生由存在于该等离子体中的电子组成的电子束，并将该电子束引导进入该真空室；用该电子束照射作为膜材的氟化镁以使得氟化镁在该真空室中汽化；通过该电子束在该真空室中产生等离子体；并给该供给偏压的电极加上具有负的平均值和正的最大值的偏压以使得该汽化后的膜材沉积在该基片的表面。
全文摘要
本发明公开了一种光学增透膜(反射防止膜)及其镀膜方法。一层具有与丙烯酸树脂基片的折射率基本相等的折射率的第一一氧化硅膜制备在该基片上至大约200钠米厚度，在该第一一氧化硅膜上制备一层折射率值在1.48至1.62之间范围内的第二一氧化硅膜至大约200钠米厚度。还有，例如在高低型增透膜的情况中，使用一特殊的离子镀装置制备一层折射率值在2.2至2.4之间范围的二氧化钛膜，以作为从最外层起算的第二层。
文档编号C23C14/26GK1532563SQ0315671
公开日2004年9月29日 申请日期2003年9月8日 优先权日2002年9月9日
发明者生水出淳史, 床本勋, 堀崇展, 古塚毅士, 士 申请人:新明和工业株式会社