光學部件、其製造方法以及使用其的光學系統的製作方法

2023-07-22 04:57:01 1

專利名稱：光學部件、其製造方法以及使用其的光學系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及減反射光學部件、其製造方法以及使用其的光學系統。進而，本發明涉及適合在可見區至近紅外區中獲得高水平的減反射性的光學部件和使用該光學部件的光學系統。
背景技術：
已知具有其周期等於或小於可見光區域中的波長的微細周期結構的減反射結構體通過形成具有適當的間距和高度的微細周期結構，在寬波長區域內顯示優異的減反射性。形成該微細結構的已知方法為，例如，使其粒徑等於或小於可見光區域中的波長的細顆粒分散於其中的膜的塗布。 也已知微細加工法(micromachining method),其中通過使用微細加工裝置(例如電子束描繪裝置、雷射幹涉光刻裝置、半導體光刻裝置和蝕刻裝置)圖案化來形成微細周期結構。微細加工法中，可控制微細周期結構的間距和高度。此外，已知可通過微細加工法形成優異的減反射微細周期結構。除了上述方法以外，已知通過在基材上使作為鋁的氫氧化氧化物的勃姆石的不規則結構(irregular structure)生長來獲得減反射效果的方法。該方法中，對通過液相法(溶膠-凝膠法)形成的氧化鋁膜進行熱水浸潰處理以使該膜的表層變為勃姆石，由此形成片狀晶體(plate crystal)膜以得到減反射膜(日本專利申請公開No. H09-202649)。如上所述，尋求顯示出優異的減反射性的減反射膜，但常規技術具有以下問題。例如，關於表面具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的光學部件，在全反射和強光照射的光入射條件下，有時觀察到使光學部件霧化的現象。為了在表面上形成由氧化鋁晶體製成的不規則結構，對氧化鋁的無定形膜進行水蒸汽處理或者熱水浸潰處理。通過該處理形成的由氧化鋁晶體製成的不規則結構可能具有某種周期。該周期的不規則結構在全反射的光入射條件下產生霧化(fogging,模糊不清)現象。

發明內容
鑑於現有技術的問題而完成了本發明，並且本發明的目的在於提供能夠在全反射的條件下防止霧化現象的同時保持高水平的減反射性的光學部件，並且還提供該光學部件的製造方法和使用該光學部件的光學系統。為了解決上述問題，根據本發明，提供光學部件，其包括中間層；和層疊在該中間層上的氧化鋁層，該氧化鋁層有具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的表面，其中該中間層包括空隙(void)。為了解決上述問題，根據本發明的一個方面，提供光學部件的製造方法，該光學部件包括基材、中間層和在該中間層上層疊的氧化鋁層，該氧化鋁層有具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的表面，該方法包括在非活性氣體氣氛中在該基材上沉積蒸鍍材料(evaporating material)以形成該中間層；以及在該中間層上形成含有招的膜，並且對該膜進行熱水處理以形成在該膜的表面上具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層。為了解決上述問題，根據本發明的另一方面，提供光學部件的製造方法，該光學部件包括基材、中間層和在該中間層上層疊的氧化鋁層，該氧化鋁層有具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的表面，該方法包括進行在該基材上在相對於該基材的表面傾斜的方向上沉積蒸鍍材料的傾斜沉積(oblique deposition)以形成該中間層；以及在該中間層上形成含有鋁的膜，並且對該膜進行熱水處理以形成在該膜的表面上具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層。為了解決上述問題，根據本發明，提供使用上述光學部件的光學系統。根據本發明，能夠提供能夠在全反射的條件下防止霧化現象的同時保持高水平的減反射性的光學部件、該光學部件的製造方法和使用該光學部件的光學系統。由以下參照附圖對例示實施方案的說明，本發明進一步的特點將變得清楚。


圖I是表示根據本發明的第一實施方案的光學部件的示意圖。圖2是表示根據本發明的第二實施方案的光學部件的示意圖。圖3A表示根據本發明的光學部件中的柱狀結構體的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖3B表示根據本發明的光學部件中的柱狀結構體的SEM圖像。圖3C表示根據本發明的光學部件中的柱狀結構體的SEM圖像。圖4是根據本發明的傾斜沉積的說明圖。圖5A是表示形成根據本發明的片狀晶體層的步驟的示意圖。圖5B是表示形成根據本發明的片狀晶體層的步驟的示意圖。圖5C是表示形成根據本發明的片狀晶體層的步驟的示意圖。圖是表示形成根據本發明的片狀晶體層的步驟的示意圖。圖6表示白度指數的測定方法。圖7是表示沉積角度與白度指數之間的關係的坐標圖。圖8是表示沉積角度與表面粗糙度Ra之間的關係的坐標圖。圖9是表示沉積角度與反射率之間的關係的坐標圖。圖10是表示沉積角度與折射率之間的關係的坐標圖。圖11是表示氣體流速(flow rate)與白度指數之間的關係的坐標圖。圖12是表不氣體流速與白度指數之間的關係的坐標圖。
具體實施例方式
現在根據附圖對本發明的優選的實施方案詳細說明。(第一實施方案)圖I是表不根據本發明的第一實施方案的光學部件的不意圖。根據本實施方案的光學部件10包括依次層疊的基材I、中間層2和氧化鋁層(片狀晶體層)3。氧化鋁層3有具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的表面。中間層2至少在與氧化鋁層3的界面具有空隙。根據本發明，通過在中間層2上層疊含有氧化鋁的無定形層，然後進行焙燒，或者通過採用氣相沉積在中間層2上形成含有鋁的無定形層或含有氧化鋁的無定形層來形成含有鋁的膜。然後，在使該含有鋁的膜與水蒸汽或熱水接觸的熱水處理步驟中，通過該無定形層的溶解/再沉澱現象，形成表面具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層3。該成膜工藝中，中間層2中空隙21的存在使為了形成氧化鋁層而升高溫度時施加於氧化鋁層的應力減輕。認為空隙21的存在導致表面具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層的波長區域中的周期性的改善。中間層2具有島狀或柱狀結構並且具有晶粒間界(grainboundary)。晶粒間界可從基材I的表面向片狀晶體層3連續地存在。中間層2極薄時,柱狀結構體的高度可以小並且柱狀結構體可以是島狀的薄膜。(基材)根據本發明的光學部件中使用的基材的實例包括玻璃、塑料基材、玻璃鏡和塑料鏡。
玻璃的具體實例包括含鹼玻璃、無鹼玻璃、矽鋁酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃、鋇基玻璃和鑭基玻璃。塑料基材材料的代表性實例包括熱塑性樹脂例如聚酯、三乙醯纖維素、醋酸纖維素、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、ABS樹脂、聚苯醚、聚氨酯、聚乙烯和聚氯乙烯的膜和成型品；和由各種熱固性樹脂例如不飽和聚酯樹月旨、酚醛樹脂、交聯性聚氨酯、交聯性丙烯酸系樹脂和交聯性飽和聚酯樹脂得到的交聯膜和交聯成型品。對基材I並無特別限制，並且可以是，例如，用於光學部件例如凹彎月透鏡、雙凸透鏡、雙凹透鏡、平凸透鏡、平凹透鏡、凸彎月透鏡、非球面透鏡、自由曲面透鏡(free-form-surface lens)和稜鏡的基材。(具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層)根據本發明的表面具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層3具有減反射功能並且用作減反射膜。氧化鋁層3的表面為不規則形狀。通過使含有鋁的膜或含有氧化鋁的膜(其為無定形並且也稱為「含有鋁的膜」)與熱水或水蒸汽接觸，使含有鋁的膜的表層經歷解膠作用等，使氧化鋁在膜的表層上沉澱和生長以成為片狀晶體。本文中使用的「具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層」意味著這樣的層，其中通過使含有無定形鋁的膜與熱水或水蒸汽接觸，從而使含有鋁的膜的表層經歷解膠作用等，使氧化鋁在該膜的表層上沉澱和生長以致在該層的表面上形成由片狀晶體製成的不規則結構。由氧化鋁晶體製成的不規則結構主要包括鋁的氧化物、鋁的氫氧化物或氧化鋁的水合物的晶體。勃姆石是特別優選的晶體。使含有鋁的膜3與熱水接觸的方法的實例包括將膜3浸入熱水中和使流動的熱水或霧化的熱水與含有鋁的膜3接觸。下述中，將通過使含有鋁的膜與熱水接觸而形成的晶體稱為氧化鋁晶體、主要組分為氧化鋁的片狀晶體、含有氧化鋁作為組分的片狀晶體、片狀晶體或氧化鋁勃姆石。通過溶膠-凝膠法形成含有鋁的膜時，作為前體溶膠的材料，可使用A I化合物單獨或者Al化合物與選自Zr、Si、Ti、Zn和Mg的化合物中的至少一種的組合。作為該化合物，例如，作為A1203、ZrO2, SiO2, TiO2, ZnO或MgO的材料，可使用其金屬醇鹽或者其鹽化合物例如氯化物和硝酸鹽。
從成膜性的觀點出發，特別是作為Zr02、SiO2或TiO2的材料，優選使用其金屬醇鹽。此外，可通過氣相沉積形成鋁膜或氧化鋁膜。將使用前體溶膠形成的膜或通過氣相沉積形成的膜稱為含有鋁的膜、主要組分為氧化鋁的膜或主要組分為氧化鋁的無定形膜。日本專利申請公開No. 2006-259711和日本專利申請公開No. 2005-275372中記載了通過使含有鋁的膜與熱水接觸來形成表面具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層的方法的實例。(中間層)根據本實施方案的中間層2是在 基材I上設置的具有至少一層的膜。將中間層2層疊在基材I與氧化鋁層3之間以與基材I緊密接觸，並且具有多個空隙21。優選地，該結構能夠使由於含有鋁的膜的成膜工藝中產生的熱而施加於該膜的應力減輕。根據本發明的中間層2具有多個空隙21，空隙21具有可有效地減輕經歷形成氧化鋁層中的高溫過程而產生的應力的結構。由掃描電子顯微鏡拍攝的截面圖像中也觀察到空隙。確認空隙存在的另一方法是包括適當處理例如用於使缺陷明顯的處理的觀察。更具體地，通過將中間層2浸入適當稀釋的HF，將缺陷選擇性地蝕刻以能夠觀察到更微細的空隙。根據本發明的中間層的厚度，從用於減反射功能的光學特性的觀點出發並且從減輕由熱法施加於膜的應力的觀點出發，優選lnm-200nm，更優選2nm-100nm。此外，優選地，中間層具有調節折射率的功能，以致相對於氧化鋁層3和基材I的折射率，通過適當地調節中間層的折射率和厚度來使有效光束部的反射率最小。這使得折射率從基材向與空氣的界面連續地減小，因此由於與表面具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層的折射率和中間層的折射率的效果的組合，可獲得高水平的減反射性。優選地，根據本發明的中間層包括含有SiO2的膜。優選地，中間層的含有SiO2的膜是主要組分為SiO2並且可單獨或組合含有氧化物例如TiO2和ZrO2作為附加組分的無定形氧化物膜。中間層中含有的SiO2的含量為10摩爾％以上，優選15摩爾％ -100摩爾％。接下來，對根據本發明的光學部件的製造方法進行說明。根據本發明的製造方法是包括依次層疊的基材、中間層和氧化鋁層的光學部件的製造方法，其包括如下兩個步驟(I)通過氣相沉積在該基材的表面上形成該中間層；和
(2)通過在該中間層上塗布至少含有鋁化合物的溶液或者通過採用氣相沉積在該中間層上形成含有鋁的膜或含有氧化鋁的膜來形成膜，然後對該膜進行熱水處理以在該膜的表面上形成具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層。(形成中間層的步驟)形成根據本發明的中間層的步驟中，通過在非活性氣體氣氛中在基材上沉積蒸鍍材料來形成空隙。這是因為，真空沉積中的壓力上升以增加氣相中蒸鍍粒子的碰撞概率，因此，由於作用例如減少的離子能量以及減少的在基材上的表面擴散，膜生長在厚度方向上比在與基材的表面平行的方向上進行得程度大。此外，引入氣相中的非活性氣體原子也進入通過氣相沉積形成的膜中，並且使該膜的微結構的密度減小。用至少在與含有鋁的膜的界面形成的空隙，可使通過高溫工藝形成的含有鋁的膜中產生的內部應力減輕。為了形成根據本實施方案的中間層，可適當地使用真空沉積。作為蒸鍍源，可使用Si02、Ti02 *Zr02。其蒸鍍源可單獨使用或者通過適當地混合併調節組成而組合使用。作為氣相沉積法，可使用電子束氣相沉積、電阻加熱等，並且可根據蒸鍍材料的狀態和蒸鍍材料的尺寸例如粉末、顆粒或丸粒狀來選擇最佳方法。通過氣相沉積形成根據本實施方案的中間層的方法中，除了蒸鍍材料以外，可使用氣體，其包括非活性氣體例如Ar、Kr和Xe，氧氣，氮氣，二氧化碳和水蒸汽。從引入氣體的效率的觀點出發，優選將氣體引入單元在真空裝置中設置在蒸鍍源與基材之間以致將氣體引入蒸鍍材料的軌道中。只要將氣體引入單元設置在真空沉積裝置中，可考慮氣體的擴散和基材上的膜質量的均一性來適當地設置氣體引入單元。因此，氣體 噴射部件可為淋浴噴頭的形狀。通過用測定真空容器的真空的真空計監視氣相沉積過程中的壓力並且控制蒸鍍材料的氣相沉積過程中的真空，可製造中間層。此外，在氣相沉積工藝中可附加地使用在時間上或空間上改變氣相沉積壓力的方法。通過改變氣相沉積過程中引入的氣體的流速、改變排氣電導閥(exhaustconductance valve)的電導或者改變氣相沉積速率,可改變要製造的中間層的厚度方向上的內部應力。通過調節蒸鍍材料的蒸汽壓曲線、氣相沉積速率、真空泵的排氣能力和排氣電導閥的排氣速率，可適當地控制真空。通過適當地調節這些控制因子，可使氣相中的蒸鍍粒子的能量減小，因此，可抑制附著於基材的表面的粒子的能量並且可使膜形成中的表面擴散減速以形成與基材的表面垂直的多個柱形狀的中間層。優選地，根據本實施方案的中間層的空隙率為1% -50%。如果空隙率超過50%，膜強度不足並且光學特性容易波動。如下所述確定本實施方案中的空隙率(I)通過橢圓偏光法確定在沒有引入非活性氣體下通過氣相沉積製造的薄膜的折射率η (O)(例如,SiO2膜的情形下,如果Ar = Occ,則折射率為I. 46)，(2)將空隙視為空氣並且將折射率η = I用於空隙，(3)通過橢圓偏光法確定通過引入非活性氣體而得到的根據本實施方案的中間層的折射率n(Ar = X)，(4)將
(I)、(2)和(3)中確定的折射率用於通過一般的有效介質近似法(EMA)計算空隙率，和(5)將(I)中的空隙率視為0%來計算根據本實施方案的中間層的空隙率。(形成片狀晶體層的步驟)圖5A- 是表示形成根據本發明的氧化鋁層的步驟的示意圖。形成氧化鋁層的方法包括將其上形成了中間層2的基材I固定到旋轉臺7上的步驟(a)(圖5A)，在該中間層上形成含有鋁的膜4的步驟(b)(圖5B)，進行焙燒的步驟(c)(圖5C)，和然後進行在熱水槽中的浸入以使含有鋁的膜4與熱水接觸，由此形成表面具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層的步驟(d)(圖OT)。或者，形成該氧化鋁層的方法可包括通過氣相沉積形成含有鋁的膜或含有氧化鋁的膜後，進行在熱水槽中的浸入以使含有鋁的膜4與熱水接觸，由此形成表面具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層的步驟(d)。(第二實施方案)圖2是表示根據本發明的第二實施的光學部件的示意圖。相同的附圖標記表示與上述第一實施方案中的那些具有相同功能的部件並且省略其詳細說明。根據本發明的光學部件10包括依次層疊的基材I、中間層2和氧化鋁層3。氧化鋁層3有具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的表面。中間層2包括相對於基材表面13傾斜的多個柱狀結構體11。在多個柱狀結構體11之間存在孔隙15。在氣相沉積方向14上通過傾斜沉積形成多個柱狀結構體11。根據本發明，中間層2是包括多個柱狀結構體的結構體，並且從基材表面13到片狀晶體層3，在多個柱狀結構體11之間存在孔隙15。根據本發明，通過在中間層上層疊含有氧化鋁的無定形層，然後進行焙燒，或者通過採用氣相沉積在中間層上形成含有鋁的無定形層或含有氧化鋁的無定形層，形成含有鋁的膜。然後，在含有鋁的膜的熱水處理步驟中，通過該無定形層的溶解/再沉澱現象，形成表面具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層。該成膜工藝中，中間層2中孔隙15的存在可使成膜工藝中升高溫度時施加於膜的應力緩和。認為孔隙15的存在導致表面具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層的波長區域中的周期性的改善。(中間層)根據本實施方案的中間層2是在基材I上設置的具有至少一層的膜。將中間層2 層疊在基材I與氧化鋁層3之間以與基材I緊密接觸，並且具有多個柱狀結構體11。優選地，該結構能夠使由於氧化鋁晶體的成膜工藝中產生的熱而施加於該膜的應力減輕。根據本實施方案的中間層2在多個柱狀結構體11之間具有孔隙15，並且孔隙15從基材表面13向片狀晶體層3連續地存在以致有效地減輕經歷用於形成片狀晶體的高溫工藝而產生的應力。由掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝的截面圖像中也觀察到孔隙。確認孔隙存在的另一方法是包括適當處理例如用於使缺陷明顯的處理的觀察。更具體地，通過將中間層2浸入適當稀釋的HF，將缺陷選擇性地蝕刻以能夠觀察到更微細的孔隙。觀察中間層的表面時，可作為凹陷觀察到這樣的孔隙。圖3A-3C的上圖是截面中具有柱狀結構體的中間層的表面的SEM圖像。由圖3A-3C的上圖，在根據本發明的中間層的表面上作為孔隙觀察到清晰的凹陷(孔狀缺陷)。此外，中間層的厚度的變化使得孔隙從基材起始，如在具有非常小的厚度的中間層中看到那樣。即使對於厚的中間層，觀察中間層的表面時也觀察到凹陷，因此可確認從基材向表面存在孔隙。根據本發明的中間層的厚度，從用於減反射功能的光學特性的觀點出發並且從減輕由熱法施加於膜的應力的觀點出發，優選lnm-200nm，更優選2nm-100nm。此外，優選地，中間層具有調節折射率的功能，以致相對於氧化鋁層3和基材I的折射率，通過適當地調節中間層的折射率和厚度來使有效光束部的反射率最小。這使得折射率從基材向與空氣的界面連續地減小，因此由於與表面具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層的折射率和中間層的折射率的效果的組合，可獲得高水平的減反射性。優選地，根據本發明的中間層包括含有SiO2的膜。優選地，中間層的含有SiO2的膜是主要組分為SiO2並且可單獨或組合含有氧化物例如TiO2和ZrO2作為附加組分的無定形氧化物膜。中間層中含有的SiO2的含量為10摩爾％以上，優選15摩爾％ -100摩爾％。如圖2中所示，多個柱狀結構體相對於基材表面在相同的方向上傾斜。基材表面13與柱狀結構體的軸12之間形成的傾斜角度α為40° -80°，優選45° -80°。接下來，對根據本實施方案的光學部件的製造方法進行說明。根據本實施方案的光學部件的製造方法是包括依次層疊的基材、中間層和氧化鋁層的光學部件的製造方法，其包括如下兩個步驟(I)通過傾斜沉積在該基材的表面上形成具有多個柱狀結構體的中間層；和(2)通過在該中間層上塗布至少含有鋁化合物的溶液或者通過採用氣相沉積在該中間層上形成含有鋁的膜或含有氧化鋁的膜來形成膜，然後對該膜進行熱水處理以在該膜的表面上形成具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層。(形成中間層的步驟)形成根據本發明的中間層的步驟中，通過傾斜沉積在基材上形成多個柱狀結構體。傾斜沉積中，將主要組分為SiO2的蒸鍍材料沉積在基材表面上。傾斜沉積中，如圖4中所示，將基材的法線17與氣相沉積方向14之間形成的角度定義為沉積角度Θ。沉積角度Θ小於80°，優選75°以下。圖3A-3C的下圖表示通過傾斜沉積，使用SiO2粉末作為蒸鍍源在基材上得到的 SiO2膜的截面結構。圖3A-3C中，沉積角度Θ為O。時沒有觀察到形成的中間層的截面中的柱狀結構體的傾斜角度α (圖3Α)，沉積角度Θ為60°和80°時柱狀結構體的傾斜角度α分別為68°和45° (圖3Β和3C)。此外，在圖3A-3C的下圖的截面的SEM照片中觀察到孔隙。該孔隙對應於圖3A-3C的下圖的截面照片中對照來看暗的部分，並且該孔隙存在於看起來白的柱狀結構體之間並且從基材表面向柱狀結構體的表面存在。圖3A-3C中可以看到，隨著沉積角度Θ變大，中間層的柱狀結構體的從基材表面的傾斜角度α變大。此外，可以看到可用沉積角度來控制孔隙的傾斜。(基材的溫度)氣相沉積、濺射和CVD中，可通過提高基材的溫度來促進前體的表面擴散。優選將基材的溫度適當地設定在再蒸發溫度的範圍內。此外，基材的溫度的上升可緩和膜結構並且傾向於使通過傾斜沉積形成的孔隙變窄。只要在適當地調節孔隙的寬度的同時可減輕施加於膜的應力，基材的溫度可適當地選擇。此外，可考慮基材的耐熱性來適當地設定基材的溫度。根據本發明的中間層可通過氣相生長例如濺射、氣相沉積和CVD形成，通過適當地使沉積角度傾斜，在截面結構中形成柱狀結構體。作為用於形成根據本發明的中間層的氣相沉積或濺射，可使用反應氣相沉積、反應濺射等。CVD中，可通過向基材施加偏壓來控制由離子化的前體給予基材的動能。這種控制也可促進離子化的前體的表面擴散。通過適當地設定成膜空間的內部壓力，可控制各成膜法的等離子體狀態並且可控制離子化的前體的動能。通過將這些參數組合，可形成顯示優異的表面擴散的均一的膜。氣相沉積或濺射中，可通過從不同於蒸鍍源16或濺射源的離子源供給的離子束的能量輔助作用來控制前體的動能，並且可促進基材表面上的擴散以形成均一的膜。根據本發明的氣相沉積中，將蒸鍍源固定地設置。此外，根據本發明，為了防止沉積角度Θ固定保持在0°，可將基材安裝於旋轉夾具以使其相對於氣相沉積方向的軸旋轉對稱地旋轉，此外，在氣相沉積中可使基材在公轉的同時自轉(行星旋轉)。只要氣相沉積工藝過程中沉積角度沒有固定在0°，則沒有限制。(形成氧化鋁層的步驟)
圖5A- 是表示形成根據本發明的氧化鋁層的步驟的示意圖。形成氧化鋁層的方法包括將其上形成了中間層2的基材I固定到旋轉臺7上的步驟(a)(圖5A)，在該中間層上形成含有鋁的膜4的步驟(b)(圖5B)，進行焙燒的步驟(c)(圖5C)，和然後進行在熱水槽中的浸入以使主要組分為氧化鋁的膜4與熱水接觸，由此形成主要組分為氧化鋁並且表面具有不規則結構的片狀晶體層的步驟(d)(圖OT)。或者，形成該氧化鋁層的方法可包括通過氣相沉積形成含有鋁的膜或含有氧化鋁的膜後，進行在熱水槽中的浸入以使含有鋁的膜4與熱水接觸，由此形成表面具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的氧化鋁層的步驟(d)。(白度指數的評價)圖6表示測定白度指數的簡易方法。圖中，將作為光源的滷素燈19放置在基材I的背面側，適當地設定光的強度並且設定照射角度以實現全反射。為了測定白度指數，在基 材表面側用普通的照相機18拍攝照片。關於拍攝照片的條件，適當地設定和固定曝光條件例如f-stop和快門速度。將拍攝照片後的亮度分布雙值化(binarize)，並且將二進位表示(binary representation)的積分定義為白度指數。圖7表示上述的光學部件的中間層中通過傾斜沉積製造的柱狀結構體的相對於基材的傾斜角度α與沉積角度之間的關係。圖7中的箭頭表示有效的柱狀結構體的傾斜。由SEM截面照片，通過測定從基材表面向表面直線生長的多個結構體的傾斜角度，可計算柱狀結構體相對於基材的傾斜角度α。此外，可計算通過統計處理等得到的平均值並且可定義為傾斜角度α。圖7表示沉積角度和白度指數兩者。如下將白度指數歸一化，沉積角度為0°時，白度指數為I。如圖中所示，在沉積角度小於80°的範圍內，白度指數低達0.8。沉積角度Θ為80°時，白度指數高達O. 94。可以看到，沉積角度Θ小於80°且不為0°時白度指數改善。沉積角度Θ為80。以上時，觀察到白度指數的降低。由圖8可以看到，使用原子力顯微鏡(AFM)測定和評價表面粗糙度時，表面粗糙度Ra急劇地降低。可能是因為，沉積角度Θ為80°以上時，表面粗糙度Ra增加以產生氧化鋁層3的波長區域中的周期性，因此使由其引起的霧化惡化。根據本發明的光學系統使用上述光學部件。根據本發明的光學系統的具體實例包括照相機用透鏡組。(實施例)(實施例I)實施例I中，將真空沉積的傾斜沉積工藝用於形成中間層。參照圖5A-OT對該工藝依次進行說明。(I)中間層的氣相沉積使用圖4中所示的真空裝置並且將Si基材固定在基材支架上。基材的溫度為150°C。將SiO2粉末用作蒸鍍源16，並且通過電子束氣相沉積將SiO2氣相沉積。將沉積角度Θ設定為60°進行傾斜沉積以得到中間層(傾斜沉積膜)。膜厚為50nm。(2)含有鋁的膜的塗布將圖5A中所示的裝置用於將其上層疊了中間層(傾斜沉積膜)2的基材I安裝到真空卡盤旋轉臺7上。如圖5B中所示，滴下適量的含有氧化鋁的塗布液5並且以約3，OOOrpm進行旋轉約30秒。其中，在約3，OOOrpm和約30秒的條件下進行旋轉塗布，但本發明並不限於此。為了獲得所需的膜厚，可改變進行旋轉塗布的條件。此外，塗布的方法並不限於旋轉塗布，也可使用浸塗、噴塗等。(3)焙燒工序然後，在圖5C中所示的烘箱8中在100°C以上的溫度下進行焙燒至少30分鐘。(4)熱水處理焙燒後，進行在圖中所示的熱水處理槽9中的浸入以形成片狀晶體膜。熱水處理槽9中熱水的溫度在60°C -IOO0C的範圍內。進行熱水中的浸入5分鐘-24小時。從熱水處理槽中提起後，進行乾燥。通過上述工序得到的光學部件中，如圖2中所示，在基材I和中間層2上形成片狀晶體層3作為花瓣狀透明氧化鋁膜。使用FE-SEM觀察以這種方式製造的光學部件的表面和截面。片狀晶體層由具有400nm以下的平均間距和50nm以上的平均高度的花瓣狀氧化鋁膜形成，並且顯示優異的反射率特性。光學部件的評價如下所述。(白度指數的評價)如圖6中所示，固定實施例I中得到的光學部件以致來自滷素燈的光以全反射的入射角度入射。用照相機對通過該光學部件的光進行攝像，對亮度分布的評價積分進行波長求和，以由此計算白度指數。如下對白度指數進行歸一化，沉積角度為0°時，白度指數為
I。結果白度指數為0.8。根據需要也可對基材進行測定和評價並且光學部件的測定值與基材的測定值之間的相對比可定義為白度指數。如圖9中所示，根據本發明的光學部件顯示低的反射率。(比較例I)比較例I中，將圖4中所示的傾斜沉積的沉積角度Θ固定在0°，並且製造作為中間層2的SiO2膜以具有50nm的厚度。沉積角度Θ為O。時，如圖3A的下圖中所示，在截面結構中沒有觀察到孔隙。與實施例I同樣地測定白度指數並且如圖7中所示高達1，其與實施例I的情形中相比惡化。可以看到，本比較例中，如圖9中所示獲得了低反射率，但通過沉積角度為0°的氣相沉積，沒有實現本發明的效果。(實施例2)實施例2中，通過氣相沉積製造含有鋁的膜。與實施例I的情形同樣地進行所有其他的步驟。(I)中間層的氣相沉積使用圖4中所示的真空裝置並且將Si基材固定在基材支架上。基材的溫度為150°C。將SiO2粉末用作蒸鍍源16，並且通過電子束氣相沉積將SiO2氣相沉積。將沉積角度Θ設定為60°進行傾斜沉積。膜厚為50nm。、
(2)含有鋁的膜的製造將基材I固定在真空裝置中的基材支架上，其凹表面與蒸鍍源相對。基材支架具有在其軸上旋轉的功能，並且將旋轉速度設定在30rpm。將基材的溫度設定為室溫。將鋁粒料用作蒸鍍源。預先通過電子束氣相沉積使鋁熔融，然後，在適當地調節電子槍的功率的同時通過電子束氣相沉積在基材上形成鋁膜。形成了具有所需厚度的鋁膜後，使真空裝置返回到大氣，並且將基材I取出。(3)熱水處理進行在圖中所示的熱水處理槽9中的浸入以形成氧化鋁膜。熱水處理槽9中熱水的溫度在60°C -IOO0C的範圍內。進行熱水中的浸入5分鐘-24小時。從熱水處理槽中提起後，進行乾燥。通過上述工序完成的光學部件中，如圖2中所示，在基材I和中間層2上形成了氧 化鋁膜3，該氧化鋁膜3在表面上形成了由氧化鋁晶體製成的不規則結構。使用FE-SEM觀察以這種方式製造的光學部件的表面和截面。不規則結構由片狀氧化鋁晶體製成的花瓣狀氧化鋁膜形成，並且顯示優異的反射率特性。(光學部件的評價)(白度指數的評價)與實施例I同樣地，評價白度指數。與實施例I同樣地，根據本發明的光學部件顯示出低反射率。(比較例2)比較例2中，將圖4中所示的傾斜沉積的沉積角度固定在0°，並且製造作為中間層2的SiO2膜以具有50nm的厚度。與比較例I同樣地，沉積角度Θ為0°時，如圖3A的下圖中所示，在截面結構中沒有觀察到晶粒間界。與實施例I和比較例I同樣地測定白度指數。白度指數高，其變差。可以看到，本比較例中，獲得了低反射率，但在中間層的製造中通過沉積角度為0°的氣相沉積沒有實現本發明的效果。(實施例3)實施例3中，作為中間層，通過傾斜沉積製造TiO2氣相沉積膜。傾斜沉積裝置中，與實施例I同樣地，預先使TiO2熔融，在氣相沉積中，同時引入氧氣(圖中沒有示出引入單元)。圖10是表示沉積角度從60°變化到80°時折射率的變化的坐標圖。使用SEM觀察以這種方式製造的TiO2膜，並且看到柱狀結構。進而，與實施例I同樣地，層疊氧化鋁片狀晶體層以製造光學部件。與實施例I同樣地評價以這種方式得到的光學部件的白度指數。沉積角度大時，發現白度指數的改善。本實施例中，通過使用具有高折射率的LAH-基材料作為基材，得到了具有令人滿意的反射率特性的光學部件。(比較例3)比較例3中，作為中間層，不使用傾斜沉積並且沉積角度為0°來製造TiO2膜。白度指數高於實施例3的光學部件。(實施例4)實施例4中，作為中間層，在引入10-30cc的Ar的同時通過SiO2氣相沉積來製造SiO2膜，於是製造減反射膜。與實施例I同樣地製造氧化鋁層。
與實施例I同樣地，對製造的各光學部件測定白度指數。如下將白度指數歸一化，Ar的流動速率為O時，白度指數為I。圖11表示結果。Ar的流動速率為20-30cc時，白度指數為O. 85-0. 77，確認白度指數得到改善。(比較例4)比較例4中，作為中間層，在氣相沉積中沒有引入Ar來製造SiO2膜。白度指數為
Io測定的白度指數比實施例4的光學部件高並且變差。(實施例5)本實施例中，作為中間層，在氣相沉積中引入10-30cc的Ar的同時使用TiO2氣相沉積製造TiO2膜。進而，與實施例I同樣地製造氧化鋁層。與實施例I同樣地，對製造的各光學部件測定白度指數。如下將白度指數歸一化，Ar的流動速率為O時，白度指數為I。圖12表示結果。Ar的流動速率為15cc時，白度指數為O. 97。因此，白度指數低。確認白度指數得到改善。(比較例5)比較例5中，不同於實施例5，作為中間層，在沒有引入Ar下製造TiO2氣相沉積膜。白度指數為I。測定的白度指數比實施例5的光學部件高並且變差。根據本發明，光學部件能夠長期維持穩定的減反射性，因此能夠用於需要減反射功能的光學系統例如透鏡。儘管已參照例示實施方案對本發明進行了說明，但應理解本發明並不限於所公開 的例示實施方案。下述權利要求的範圍應給予最寬泛的解釋以包括所有這樣的變形以及等同的結構和功能。
權利要求
1.光學部件，包括 中間層；和 在該中間層上層疊的氧化鋁層，該氧化鋁層有具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的表面，其中 該中間層包括空隙。
2.根據權利要求I的光學部件，其中該中間層的空隙率為1%_50%。
3.光學部件，包括 基材； 中間層；和 在該中間層上層疊的氧化鋁層，該氧化鋁層有具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的表面，其中 該中間層包括相對於該基材的表面垂直或傾斜的多個柱狀結構體，並且 該中間層在該多個柱狀結構體之間包括空隙。
4.光學部件的製造方法，該光學部件包括基材、中間層和在該中間層上層疊的氧化鋁層，該氧化鋁層有具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的表面， 該方法包括 在非活性氣體氣氛中在該基材上沉積蒸鍍材料以形成該中間層；和 在該中間層上形成含有鋁的膜，並且對該膜進行熱水處理以在該膜的表面上形成氧化鋁層，該氧化鋁層具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構。
5.光學部件的製造方法，該光學部件包括基材、中間層和在該中間層上層疊的氧化鋁層，該氧化鋁層有具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的表面， 該方法包括 進行在相對於該基材的表面傾斜的方向上在該基材上沉積蒸鍍材料的傾斜沉積以形成該中間層；和 在該中間層上形成含有鋁的膜，並且對該膜進行熱水處理以在該膜的表面上形成氧化鋁層，該氧化鋁層具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構。
6.根據權利要求5的光學部件的製造方法，其中該基材的法線與氣相沉積方向之間形成的沉積角度Θ小於80°來進行該傾斜沉積。
7.根據權利要求5的光學部件的製造方法，其中該傾斜沉積包括在該基材的表面上沉積主要組分為SiO2的蒸鍍材料。
8.光學系統，其使用根據權利要求I的光學部件。
全文摘要
本發明提供光學部件和該光學部件的製造方法，該光學部件能夠在防止全反射條件下的霧化的同時維持高水平的減反射性。該光學部件包括依次層疊的基材；中間層；和氧化鋁層，該氧化鋁層有具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構的表面。該中間層包括相對於基材表面傾斜的多個柱狀結構體，並且在該柱狀結構體之間包括空隙。光學部件的製造方法包括通過傾斜沉積在基材表面上形成包括多個柱狀結構體的中間層；和通過在該中間層上塗布含有鋁化合物的溶液來形成膜並且對該膜進行熱水處理以在該膜表面上形成氧化鋁層，該氧化鋁層具有由氧化鋁晶體製成的不規則結構。
文檔編號G02B1/02GK102645681SQ201210033810
公開日2012年8月22日 申請日期2012年2月15日 優先權日2011年2月15日
發明者槇野憲治, 酒井明 申請人:佳能株式會社