TWI383173B - 膜堆結構 - Google Patents

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膜堆結構
本發明涉及一種膜堆結構，尤指一種應用於分光棱鏡上之膜堆結構。
目前，光學鍍膜已經被廣泛地運用於投影機、傳統相機、數碼相機、手機、天文望遠鏡所用之鏡頭組、濾光片等，用來使得這些光學元件能夠實現不同之光學功能，例如：吸收紫外線、減反射、彩色濾光、紅外光截止等。
如圖1所示，本發明涉及一種應用於分光棱鏡1中之膜堆結構2。該分光棱鏡1用於各種光學儀器之顏色分離系統。外界光線進入分光棱鏡1後以45度角入射到鍍有膜堆結構2之表面3上，在透射波長範圍內之光線透過該膜堆結構2由分光棱鏡1之上表面4射出，在反射波長範圍內之光線被該膜堆結構2反射由分光棱鏡1之側面5射出從而達到分光濾波之效果。
現有之膜堆結構2通常使用高、低折射率材料交互層疊之週期性結構。該膜堆結構2可表示為(HL) n ，其中，H代表高折射率膜層，L代表低折射率膜層。H和L前面之係數之比表示各自折射率膜層之光學厚度比，該光學厚度之物理意義為膜層物理厚度與膜層折射率之乘積，光學厚度1等於參考波長之1/4。上標n表示(HL) n 結構之週期數。該高折射率材料之折射率大於2.1而低折射率材料 之折射率低於1.5。
如圖2所示，其為參考波長為550nm，入射角為45度時週期數為18之膜堆結構2(HL)18之透射光譜圖。其中，實線為自然光之透射光譜線，虛線為平行偏振光(P-Polarized)之透射光譜線，點劃線為垂直偏振光(S-Polarized)之透射光譜線。該垂直偏振光為線偏振光，其偏振面垂直於由濾光片表面法線和入射光線所決定之平面。該平行偏振光為線偏振光，其偏振面平行於垂直偏振光之偏振面。自然光可看成係振幅相同之平行偏振光(P-Polarized)與垂直偏振光(S-Polarized)之疊加。因為波長相同之垂直偏振光與平行偏振光對於同一種材料所呈現之折射率不同，所以會導致透過該膜堆結構2(HL)18之平行偏振光譜特性與垂直偏振光譜特性產生偏移，即圖2中之虛曲線和點劃線在波長方向上出現平移，該平行偏振光透射光譜線之半值波長(透過率為50%時所對應之波長)與垂直偏振光透射光譜線之半值波長相差70nm以上。此時，混合後自然光之透射光譜線會在半值波長處出現非線性之不平滑部分影響了分光濾波之效果。
因為光學系統中之光源所發出之平行光通常存在一定之角度誤差，所以分光濾波膜堆之透射光譜特性隨入射光線角度之變化情況也成為考察分光濾波膜堆品質好壞之標準之一。
現以入射角分別為53度和37度為例，考察該膜堆結構2 (HL)18之透射光譜特性隨入射光線角度之變化情況。如圖3、圖4所示，其中，實線為自然光之透射光譜線，虛線為平行偏振光之透射光譜線，點劃線為垂直偏振光之透射光譜線。從圖3中可知，當入射角度較大(入射角為53度)時，該膜堆結構2(HL)18之自然光透射光譜線之非線性不平滑部分更為明顯，而且反射波長範圍之反射率也降低許多。從圖3和圖4之對比中可發現，該膜堆結構2之透射光譜特性隨角度變化明顯，若以透過率為30%時所對應之波長做比較，入射角為53度時之自然光透射光譜線與入射角為37度時之自然光透射光譜線相差80nm。
綜上所述，現有之膜堆結構2(HL)18因高、低折射率材料之折射率存在較大差異從而導致其出現分光濾波之效果較差，透射光譜特性隨角度變化明顯以及在大角度入射時反射波段之反射率下降等缺點。
有鑒於此，有必要提供具有較理想分光濾波效果之膜堆結構。
一種膜堆結構，該膜堆結構包括一個透明基底和疊於其上之週期性膜堆。該週期性膜堆之週期性結構為交互層疊之高折射率膜層和中間折射率膜層，該中間折射率膜層之折射率範圍為1.71至1.79或1.81至1.86。
相較於先前之技術，該膜堆結構採用了中間折射率膜層 代替現有之膜堆結構中之低折射率膜層，減少了週期性膜堆結構中兩種折射率膜層之間之折射率差值，縮短了透射垂直偏振光譜和透射平行偏振光譜之差距，達到改善分光濾波鏡之透射光譜特性之目之。
請參閱圖5，其為本發明所提供之膜堆結構10示意圖。該膜堆結構10包括透明基底102和疊於其上之週期性膜堆104。該週期性膜堆104之週期性結構為交互層疊之高折射率膜層106和中間折射率層108。該週期性膜堆104之週期性結構可表示為(HM) n ，其中，H代表一個高折射率膜層106，M代表一個中間折射率膜層104，H和M前面之係數之比代表各折射率膜層之光學厚度比，上標n表示該週期性結構之週期數。
該週期性膜堆104(HM) n 之高折射率膜層106和中間折射率膜層108之光學厚度相同。該週期性膜堆104(HM) n 之週期數根據需要透射和反射之波長範圍而設定。於本實施例中，該週期性膜堆104(HM) n 之週期數為18，其透射之波長範圍為480nm至670nm，反射之波長範圍為400nm至440nm。
該透明基底102之材料可為透明玻璃或塑膠材質，如無色高度透明之冕玻璃(B270)或者青板玻璃。高折射率膜層106之折射率大於2.1，其材料可為二氧化鈦、五氧化二鉭和五氧化二鈮中之一種。中間折射率膜層108之折射 率範圍為1.71至1.79或1.81至1.86，其材料可為德國默克公司生產之中間折射率材料M2或M3。除了本實施方式所提到之材料外，其他能滿足各膜層折射率要求之材料也可採用，各膜層通過物理氣相沉積之方法制得。
請參閱圖6，其為週期性膜堆104(HM)18在參考波長為475nm，入射角為45度條件下之透射光譜圖。其中，實線為自然光之透射光譜線，虛線為平行偏振光之透射光譜線，點劃線為垂直偏振光之透射光譜線。對比圖6與圖2可知該週期性膜堆104(HM)18透射之平行偏正光譜線與垂直偏振光譜線之半值波長差值僅為40nm。相較於現有膜堆結構2(HL)18，本發明提供之週期性膜堆104(HM)18大大地減少了平行偏振光譜線和垂直偏振光譜線之偏移效應，使得透過該週期性膜堆104(HM)18之自然光之光譜特性在半值波長處之非線性不平滑部分得到較大之改善，提高了該週期性膜堆104(HM)18之分光濾波效果。
請參閱圖7和圖8，其為本發明提供之週期性膜堆104(HM)18在參考波長為475nm，入射角分別為53度和37度條件下之透射光譜圖。其中，實線為自然光之透射光譜線，虛線為平行偏振光之透射光譜線，點劃線為垂直偏振光之透射光譜線。對比圖7和圖3可知，本發明提供之週期性膜堆104(HM)18在較大入射角(入射角為53 度)時平行偏振光與垂直偏振光透射光譜之偏移情況相較於現有膜堆2(HL)18有了較大之改善。其次，在反射波長範圍內，本發明提供之週期性膜104(HM)18依然能保持較高之反射率有效地改善了現有膜堆2(HL)18在較大入射角時反射波長範圍內反射率升高之問題。對比圖7、圖8、圖3與圖4可知，本發明提供之週期性膜堆104(HM)18在入射角為37度時之平行偏振光與垂直偏振光透射光譜之偏移情況相較於現有膜堆2(HL)18有了較大之改善，且在入射角度由37至53之變化範圍內，本發明提供之週期性膜堆104(HM)18之透射光譜特性隨入射角度之變化較小，可較大之入射角範圍獲得較好之透射光譜特性。
相較於現有之技術，本發明提供之週期性膜堆(HM) n 通過利用中間折射率材料替代現有膜層結構(HL) n 中之低折射率材料，使得不同折射率膜層之折射率差值縮小從而有效地減少分光濾波膜層在45度角入射時透射光譜之半值波長處平行偏振光譜和垂直偏振光譜之偏移量，改善了現有膜層結構(HL) n 在較大入射角時反射波長範圍內反射率下降之情況並且減少了分光濾波膜層在入射角變化時之透射光譜偏移量。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提 出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
1‧‧‧分光棱鏡
2‧‧‧膜堆結構
4‧‧‧分光棱鏡上表面
3‧‧‧鍍有膜堆結構之表面
5‧‧‧分光棱鏡側面
10‧‧‧膜堆結構
102‧‧‧透明基底
104‧‧‧週期性膜堆
106‧‧‧高折射率膜層
108‧‧‧中間折射率膜層
圖1為分光棱鏡之結構示意圖。
圖2為入射角為45度，參考波長為550nm時，膜堆結構(HL)18之透射光譜圖。
圖3為入射角為53度，參考波長為483nm時，膜堆結構(HL)18之透射光譜圖。
圖4為入射角為37度，參考波長為483nm時，膜堆結構(HL)18之透射光譜圖。
圖5為本發明提供之週期性膜堆(HM) n 之結構示意圖。
圖6為入射角為45度，參考波長為475nm時，膜堆結構(HM)18之透射光譜圖。
圖7為入射角為53度，參考波長為475nm時，膜堆結構(HM)18之透射光譜圖。
圖8為入射角為37度，參考波長為475nm時，膜堆結構(HM)18之透射光譜圖。
10‧‧‧膜堆結構
102‧‧‧透明基底
104‧‧‧週期性膜堆
106‧‧‧高折射率膜層
108‧‧‧中間折射率膜層

Claims (10)

  1. 一種膜堆結構，該膜堆結構包括一個透明基底和疊於其上之週期性膜堆，其改進在於：該週期性膜堆之週期性結構為交互層疊之高折射率膜層和中間折射率膜層，該中間折射率膜層之折射率範圍為1.81至1.86。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之膜堆結構，其中：該透明基底為透明玻璃或塑膠。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之膜堆結構，其中：該透明基底之材料為冕玻璃(B270)或者青板玻璃。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之膜堆結構，其中：該週期性膜堆之高折射率膜層與中間折射率膜層之光學厚度相同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之膜堆結構，其中：該高折射率膜層之折射率大於2.1。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之膜堆結構，其中：該週期性膜堆之週期數根據需要透射和反射之波長範圍而設定。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之膜堆結構，其中：該週期性膜堆之週期數為18。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之膜堆結構，其中：該高折射率膜層材料採用二氧化鈦、五氧化二鉭或五氧化二鈮中之一種。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之膜堆結構，其中：該中間折射率膜層材料採用默克材料M2或M3中之一種。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之膜堆結構，其中：該週期性膜堆通過物理氣相沉積之方法制得。
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