使用纳米多孔结晶材料的光学薄膜层之结构及方法

使用纳米多孔结晶材料的光学薄膜层之结构及方法
【专利摘要】本发明公开应用于具有鲁棒纳米多孔结晶层的技术。根据至少一个实施例，滤光镜包括透光基材、以及光学涂层。光学涂层沉积在透光基材上。光学涂层包括至少一结晶纳米特征层。该至少一结晶纳米特征层通过高温斜角沉积法沉积，其具有相较透光基材的折射率更低的折射率。
【专利说明】使用纳米多孔结晶材料的光学薄膜层之结构及方法 相关申请
[0001] 本申请要求美国临时申请No. 61/582,829的权益，其申请日为2012年1月4日， 并被加入此文中作为参考。

【技术领域】
[0002] 本发明大体涉及滤光镜。本发明尤其涉及一种具有纳米多孔结晶层的滤光镜。

【背景技术】
[0003] 滤光镜被应用在许多领域，包括光学显微技术、光窗、大功率照明系统以及光电子 学。滤光镜通过引入高反射性、半反射性及抗反射（anti-reflective)性的光学薄膜层而 产生。现存许多方法用于制备滤光镜。
[0004] 用于制备薄膜滤光镜的最常见的方法包括使用高密度的薄膜层，在薄膜层中每一 层包含一具有特定折射率（refractive index)的特定材料。通过使用具有不同折射率值 的薄膜层，可实现具有抗反射性和高反射性的光学薄膜层。然而，由于在高密度光学薄膜中 折射率选择的限制（受到可用材料及选择的限制），这些传统薄膜涂层的光学性能是受到 限制的。为了补偿这一不足，传统的高密度薄膜滤光镜包含多种不同层及材料从而获得所 需的光学性能。可惜的是，多种材料涂覆层及涂覆厚度大使得成本提高，且影响到滤光镜的 鲁棒性（robustness)。
[0005] 制备抗反射滤光镜的另一选择是使用蛾眼（moth-eye)表面结构。其表面特征可 接近于一折射率渐进层，在该层中，折射率作为距离基材的距离的函数而减小。虽然对于经 蛾眼结构处理的基材来说，可显示宽带抗反射（AR)性，但是其性能及实施受到限制。纳米 或微米蛾眼结构的制备包括精确的光刻和蚀刻步骤，其通常是一代价高的过程。此外，由于 其厚度及折射率的控制的缺乏，蛾眼结构无法实现理想的渐进折射率。
[0006] 纳米多孔薄膜滤光镜的使用，相较传统的高密度薄膜滤光镜，可提供较高的光学 性能。纳米多孔薄膜材料的精确厚度和折射率的可调性，使得接近理想的光学结构可被实 现。通过在基材上制备纳米多孔薄膜，可实现高反射或抗反射涂层。然而，现存多孔薄膜滤 光镜缺乏鲁棒性及光学性能不理想限制了其在光学领域的使用及影响。


【发明内容】

[0007] 本发明中的至少一实施例公开了一设计及制备方法，用于制造在滤光镜中的鲁 棒、纳米多孔结晶层。光学薄膜滤光镜通过鲁棒光学薄膜的创造而实现，鲁棒光学薄膜由在 基材、光窗、光源或探测器上的至少一层或多层纳米多孔结晶层而赋予。结晶纳米多孔特征 可为在紫外线（UV)、可见光或红外（IR)光谱中透明的。纳米多孔结晶薄膜滤光镜在基材、 光窗、光源或探测器上沉积或生长。鲁棒多孔结晶层可被制备从而增强滤光镜的整体鲁棒 性及光学性能。在许多应用和领域中，包括光学系统，太阳能系统以及视觉系统中都需要鲁 棒和高性能滤光镜。
[0008] 在一个实施例中，通过高温遮蔽沉积的使用，而揭露出制备方法。在结晶纳米遮蔽 期间的高温或高能创造出结晶纳米多孔层。相较传统的高密度滤光镜或其他多孔滤光镜， 这些鲁棒纳米多孔结晶层在提供较高的光学性能的同时，赋予了薄膜滤光镜实质的鲁棒性 改进，包括磨损改进、粘附改进、渗透改进以及耐温改进。用于生产纳米多孔结晶层所需的 生产步骤简单，使得生产成本低。
[0009] 在另一个实施例中，在一个滤光镜中整合有鲁棒多孔结晶层以及高密度层。高密 度层有助于光学性能及机械性能。高密度层相较鲁棒多孔结晶层，具有更高的有效折射率。 可加入抗刮硬涂层从而提高传统的环境鲁棒性及机械鲁棒性。高密度及纳米多孔结晶层可 形成光学薄膜对，可用于不同的滤光镜设计中。高密度层可沉积或生长在纳米多孔结晶层 的顶部，下方或其之间。
[0010] 在另一个实施例中，在一个滤光镜中整合有鲁棒多孔结晶层以及非结晶层。纳米 多孔非结晶层可被使用从而提高材料的范围以及滤光镜中所需的折射率值。纳米多孔非结 晶层可沉积或生长在纳米多孔结晶层的顶部，下方或其之间。
[0011] 根据一实施例，一设备被提供。该设备包括一透光基材（light transmitting substrate)以及一光学涂层（optical coating)。光学涂层沉积在透光基材上。光学涂层 包括至少一结晶纳米特征层。至少一结晶纳米特征层通过高温斜角沉积法沉积，并具有相 较透光基材的折射率更低的折射率。
[0012] 根据另一实施例，另一设备被提供。该设备包括一透光基材以及一光学涂层。光 学涂层沉积在透光基材顶部。光学涂层包括复数对交替薄膜层。每一对交替薄膜层中的至 少一薄膜层是使用高温斜角沉积法沉积的结晶纳米特征层。每一对交替薄膜层具有两个不 同折射率的薄膜层。
[0013] 根据另一实施例，又一设备被提供。该设备包括一透光基材以及一光学涂层。光 学涂层沉积在透光基材上。光学涂层包括结晶纳米特征层。结晶纳米特征层通过一过程沉 积，该过程包括：通过沉积系统产生一材料流（material flux)，该沉积系统具有朝着基材 的额定流方向（flux direction)，其中额定流方向及基材的平面法相量之间的倾斜角实质 大于零，通过材料流在基材上沉积材料从而使纳米多孔特征生长，将基材加热至一预定温 度，从而基材上的纳米多孔特征至少部分结晶化。
[0014] 纳米多孔结晶层的光学透明度以及光学性能优于无定形纳米多孔层。相较无定型 的纳米多孔层，纳米多孔结晶层在光学吸收上具有更少的缺陷。相较现存的工艺现状的技 术，其将导致更优的薄膜滤光镜。
[0015] 此处公开的发明在基材上使用一个或多个高鲁棒纳米多孔结晶层。由于纳米特征 可在不增加压力的情况下扩展至层上或层下，故这些结晶纳米多孔可耐高温。这将释放出 由处于纳米多孔结晶层顶部及下方的材料间的热膨胀的系数错配而引出的压力。其可确保 光学薄膜层无裂口及无压力。
[0016] 高鲁棒纳米多孔薄膜滤光镜的使用，例如在光窗口或基材上使用部分或完全结晶 的纳米多孔层，提供了与光窗及基材较强的粘附性。
[0017] 此处公开的发明提供了一种鲁棒制备设计及制造方法，由于强劲的纳米多孔结晶 层，其允许在机械性能不降低或结构不损伤的情况下，允许纳米多孔层的嵌入。其将大大扩 大高鲁棒滤光镜可被实施的应用领域。
[0018] 此处公开的发明提供了使用传统半导体制备方法，达到高鲁棒性及高光学性能的 相对简单的方法。因而，这种鲁棒光窗的制备成本预计将较低。
[0019] 此处介绍的技术的其他方面，通过以下附图及具体说明将更清楚。

【专利附图】

【附图说明】
[0020] 借由以下详细说明，并结合权利要求及附图，这些内容共同组成说明书的一部分， 本领域技术人员可更清楚地了解本发明的主体、特征及特性。
[0021] 图1示出了一基本的滤光镜，其具有位于基材上的纳米多孔结晶层。
[0022] 图2A示出了通过高温遮蔽沉积形成的纳米多孔结晶层。
[0023] 图2B示出了在低温下形成的无定型的纳米多孔层。
[0024] 图2C示出了在高温下形成的高密度结晶层。
[0025] 图3示出了用于实现纳米多孔结晶层，高温遮蔽沉积方法的制备方法。
[0026] 图4A为一纳米多孔结晶ZnSe层的扫描电镜照片。
[0027] 图4B为一无定型的纳米多孔ZnSe层的扫描电镜照片。
[0028] 图5A示出了一基本的滤光镜，其具有位于纳米多孔结晶层上的高密度层。
[0029] 图5B示出了一基本的滤光镜，其显示出多层结构的纳米多孔结晶层。
[0030] 图5C示出了一基本的滤光镜，其显示出位于高密度层上的纳米多孔结晶层。
[0031] 图6A示出了一基本的滤光镜，其具有位于纳米多孔结晶层上的高密度层，纳米多 孔结晶层具有与基材相同的组分或材料。
[0032] 图6B示出了一基本的滤光镜，其具有位于纳米多孔结晶层上的多层结构，多层纳 米多孔结晶层具有与基材相同的组分或材料。
[0033] 图6C示出了一基本的滤光镜，其具有位于纳米多孔结晶层及基材间的高密度层， 纳米多孔结晶层具有与基材相同的组分或材料。
[0034] 图7A示出了一基本的滤光镜，其具有任意形状的纳米多孔结晶层及位于顶部的 高密度层。
[0035] 图7B示出了一基本的滤光镜，其显示出任意形状的多层的纳米多孔结晶层。
[0036] 图7C示出了一基本的滤光镜，其显示出位于高密度层顶部的任意形状的纳米多 孔结晶层。
[0037] 图8示出了一滤光镜，其具有纳米多孔结晶层的交替秩序。
[0038] 图9示出了一基本的滤光镜，其显示出具有高密度层的纳米多孔结晶层的交替秩 序。
[0039] 图10示出了含有纳米多孔结晶层的滤光镜的折射率分布。
[0040] 图11示出了一滤光镜，其具有多层纳米多孔结晶层，其中每一连续层的折射率降 低。
[0041] 图12示出了一滤光镜，其含有纳米多孔结晶层，具有倾斜的折射率分布。
[0042] 图13A示出了一滤光镜，其具有插入在纳米多孔结晶层顶部的纳米多孔非结晶 层。
[0043] 图13B示出了一滤光镜，其具有插入在纳米多孔结晶层间的纳米多孔非结晶层。
[0044] 图13C示出了一滤光镜，其具有插入在纳米多孔结晶层下方的纳米多孔非结晶 层。
[0045] 图14A示出了一滤光镜，其含有复数层纳米多孔结晶层，且每一连续层的孔隙率 并不提1?。
[0046] 图14B示出了一滤光镜，其含有复数层纳米多孔结晶层，且纳米多孔结晶层间插 入有一高密度层。
[0047] 图15示出了一滤光镜，其具有在基材一侧的纳米多孔结晶层，而基材的另一侧上 与一高折射率材料间设有高密度层。
[0048] 图16示出了一滤光镜，显示出具有纳米多孔结晶层的交替秩序，且在基材多侧上 设有高密度层。
[0049] 图17示出了一滤光镜，其具有纳米多孔结晶层的复数层，其中随在基材两侧的每 一连续层，孔隙率提高。
[0050] 图18示出了两个不同的滤光镜，其在基材的不同两侧使用纳米多孔结晶层。

【具体实施方式】
[0051] 在说明书中对"一个实施例"、"某一实施例"或其他类似表达的参考指的是结合该 实施例描述的特定特征、结构或性能被包含在本发明至少一个实施例中。出现在说明书的 此种词汇不一定全部指的是同一实施例。 本发明中的至少一个实施例显示出用于滤光镜的结构及制备方法，其在基材上具有鲁 棒结晶纳米多孔光学薄膜。基材可为具有一表面的任何材料，该表面可被涂覆一滤光镜，例 如光窗、检测器表面、光源表面或任何具有表面的材料。基材及其表面可以由任何材料制 成，包括但不限于介电材料、金属材料、半导体材料、有机材料以及无机材料，例如但不限于 铝、铜、钛、不锈钢、玻璃、石英、熔凝硅石、Si0 2、SiO、Ti02、MgF2、A1203、BaF 2、CaF2、Si, Si3N4、 GaN、AIN、InN、AlGaN、GalnN、ITO、Sn02、ln203、TiNbO、ZnO、Zr0 2、Ge、GaAs、AlAs、AlGaAs、 ZnSe、PET、聚碳酸酯、PMMA、亚克力玻璃或它们的任意组合。基材表面可是平的、弯曲的、图 形化的、纳米图形化的、微米图形化的、粗糙的、蚀刻的、平滑的或它们的任意组合。 如附图1所示，为鲁棒纳米多孔结晶滤光镜的基本结构。基材在感兴趣的光谱，例如紫 外光、可见光和/或红外光中，优选的是透明的。然而，基材同样也可是反射的、不透明的、 吸收的、扩散的或半透明的。滤光镜100包括基材110。在基材110上，沉积或生长有薄膜滤 光镜，其包括有结晶纳米特征121的至少一个或多个纳米多孔结晶层120。纳米多孔结晶层 120 可自任何光学材料中，例如但不限于，Si02、Si0、Ti02、MgF2、Al 203、BaF2、CaF2、Si、Si3N 4、 GaN、AIN、InN、AlGaN、GalnN、ITO、Sn02、ln203、TiNbO、ZnO、Zr0 2、Ge、GaAs、AlAs、AlGaAs、 ZnSe、PMMA，使用高温遮蔽沉积法沉积。纳米多孔结晶层可包含纳米等级、微米等级或其组 合的空隙。可被理解的是，短语结晶纳米多孔特征可同样包括结晶微米多孔特征。纳米多 孔结晶层120优选的是在基材110上结晶的，例如多晶材料、微米晶材料、纳米晶材料或单 晶材料。结晶纳米特征121间的空间，以及纳米多孔结晶层120中的空间由真空或空气组 成。纳米多孔结晶层同样也可插入在不同的周围材料，在其中结晶纳米特征间的空间可使 用任何基质填充，例如但不限于气体、液体、高分子、封装材料、环氧树脂或硅。 附图2A所示，通过高温遮蔽沉积法形成纳米多孔结晶层。由颗粒，例如原子、分子、离 子或其他形式的颗粒构成的蒸汽流在高温下射到基材上。这些蒸汽流颗粒在基材上形成沉 积、成核区域（nucleation site)或岛（island)。由于相对基材表面法线，冲击角度的偏 离，以及蒸汽流的方向性，在沉积、成核区域或岛间形成遮蔽区域。由于其较低的表面迁移 率，蒸汽流颗粒并不在遮蔽区域扩散。蒸汽流颗粒在遮蔽区域扩散的缺乏使得在结晶纳米 多孔特征间形成空隙。这些纳米或微米尺寸的空隙穿过光学层造成多孔层。在高温遮蔽沉 积中，在基材表面上的蒸汽流颗粒接收来自高温基材的能量从而其具有足够高的表面迁移 率以及足够的能量用于局部紧密压缩（locally tightly pack),甚至可用于局部结晶形成 结晶的纳米多孔特征。结晶的纳米多孔特征可为部分或完全结晶。局部结晶相并非一定被 基材材料所影响，且在温度更高的高温工艺，例如退火、外延或晶体生长中，并非将完全重 结晶化。在这些温度，结晶使得纳米多孔特征在高能颗粒并未迁移到遮蔽区域的情形下结 晶化。例如，在高温遮蔽沉积中，氟化物材料，例如为MgF 2、CaF2和BaF2可在100°C _400°C 范围内的高温下，形成结晶的纳米多孔特征。在高温遮蔽沉积中，另一种材料ZnSe可在 100°C _350°C范围内的高温下，结晶。可以预期的是，其他许多材料也可在这样的较低温度 范围下结晶。虽然事实上，这些温度范围远远低于材料的预定重结晶温度范围（与材料的 熔点接近），仍可显示出结晶的纳米多孔特征。相较为结晶的纳米多孔层，高密度且结晶的 纳米多孔特征可使得纳米多孔层鲁棒。如果高能颗粒的表面迁移率过低，且如图2B所示， 将不会产生局部结晶。高能颗粒不具有足够的表面迁移率以及足够的能量用于局部结晶从 而产生了非结晶的纳米多孔特征。对于可发生完整重结晶的高能过程，高能颗粒的表面迁 移率足够高从而在遮敝区扩散。在这些高温下，不存在结晶纳米特征221，取而代之地，出现 如附图2C所示的高密度薄膜层。在高温遮蔽沉积中，在其上将出现纳米多孔结晶层的形成 的基材的温度，是由材料决定的。对每一材料，温度的选择应为足够高的值，从而如附图2A 所示的，允许局部结晶，但也应是足够低的值，从而如附图2C所示，避免扩散区域中颗粒扩 散。 用于高温遮蔽沉积的优选制备过程300,如附图3所示。使用能量源305加热基材以及 在基材上的高能颗粒至一高温。能量源305的温度或能量控制来源自蒸汽流303的高能颗 粒的表面扩散。能量源305可为可产生高温的任何来源，例如红外源、石英灯加热器、或电 阻加热器。能量源305可为与基材310相接触，也可为与基材310相分离。能量源305可 通过对流、传导或辐射传递能量。在沉积过程中，基材可为固定的，没有任何运动，或为运动 的，例如旋转。源材料302产生蒸汽流303。蒸汽流303可通过沉积系统，例如热蒸发系统 或电子束蒸发系统、离子辅助蒸发器、溅射系统或脉冲激光沉积系统产生。蒸汽流可为各向 同性的（isotropic),定向的或以上任意组合。基材310相对蒸汽流303的倾斜角造成了具 有结晶纳米特征321的纳米多孔结晶层320中的孔隙。通过改变基材310相对蒸汽流303 的倾斜角，可改变纳米多孔结晶层320中的孔隙。因而，多种孔隙的纳米多孔结晶层320可 产生各种不同的折射率。 如附图4A所示，为通过高温遮蔽沉积制得的纳米多孔ZnSe结晶层420的扫描电镜照 片。纳米多孔结晶层420中观察到结晶面，其显示出纳米多孔结晶层420已至少部分结晶。 相反地，基材410上的无定形的纳米多孔层的扫描电镜照片如附图4B所示。无定形的纳米 多孔ZnSe层的制备不需附图3中所示的能量源。由于低温沉积或生长方法，附图4B中所 示的纳米多孔特征为无定形的，且不产生结晶。 另一基本滤光镜可包括具有至少两个或多个纳米多孔结晶层的多层光学薄膜。在附图 5A中，示出了具有一个或多个高密度层的至少一纳米多孔结晶层。用于纳米多孔结晶层制 备的方法为高温遮蔽沉积。高密度层的制备方法可为任何沉积或生长方法，例如但不限于 化学蒸汽沉积、物理蒸汽沉积、原子层沉积、或外延生长。高密度层可为无定形的、非结晶 的、结晶的或以上任意组合。高密度层可由与纳米多孔结晶层520相同或不同的材料构成。 这些高密度层可为硬涂层、抗刮涂层、抗污涂层、疏油涂层、疏水涂层、亲水涂层、抗雾涂层、 光学涂层以及增黏层。另一优选的基本滤光镜结构如附图5B所示。纳米多孔结晶层可由 与另一纳米多孔结晶层相同或不同的材料构成。相较另一纳米多孔结晶层，纳米多孔结晶 层的孔隙率可为相同的或不同的，另一优选的基本滤光镜结构如附图5C所示，最靠近基材 510处沉积或生长有高密度层，并在高密度层上形成有纳米多孔结晶层520。这些多层光学 薄膜可嵌入任何多层薄膜堆叠（stack)中。例如，在多层光学薄膜之上或之下可存在或不 存在额外的如附图5A、5B及5C中所示的点状光学层。这些额外的光学层可为无定形的、非 结晶的、结晶的、高密度的、纳米多孔的、多孔的、或以上任意组合。 另一鲁棒结晶纳米多孔滤光镜的例子如图6A所示。滤光镜600与图1中的基本滤光 镜100类似，除了纳米多孔结晶层620与基材610所使用的材料相同。多层薄膜滤光镜包 括一个或多个纳米多孔结晶层620,纳米多孔结晶层620包括在基材610上的结晶纳米特征 621。用于纳米多孔结晶层的制备方法是高温遮蔽沉积法。高密度层制备方法可为任何沉积 或生长方法。高密度层可为无定形的、非结晶的、结晶的、或以上任意组合。另一基本滤光 镜的优选结构图附图6B所示。纳米多孔结晶层可由与另一纳米多孔结晶层相同或不同的 材料构成。相较另一纳米多孔结晶层，纳米多孔结晶层的孔隙率可为相同的或不同的。另 一优选的滤光镜设计如附图6C所示，在其中，最靠近基材610处首先沉积或生长有高密度 层630,随后在高密度层上形成有纳米多孔结晶层620。这些多层光学薄膜可为如附图6A、 6B及6C中所示的嵌入任何多层薄膜堆叠中。 另一鲁棒结晶纳米多孔滤光镜的例子如图7A所示。在基材710上，薄膜滤光镜包括 至少一个或多个结晶纳米特征721的纳米多孔结晶层720。滤光镜700与图5中的滤光镜 500类似，除了纳米多孔结晶层720具有无定形形状的结晶纳米多孔特征721。改变结晶纳 米多孔特征720的形状的方法包括在滤光镜700暴露在蒸汽流303时，改变结晶纳米多孔 特征721的沉积条件，如附图3所示。沉积条件的改变将导致多种不同的结晶纳米多孔特 征721的改变，包括基材旋转、基材温度的改变、沉积速率的改变、压强的改变、基材斜率或 以上任意组合。可通过相较基材710的表面法线，垂直、平行或任意组合旋转基材710,可实 现结晶纳米多孔特征721。结晶纳米多孔特征721可为任何形状，例如但不限于，斜的纳米 杆、锯齿状的纳米杆、纳米螺旋以及以上任意组合。例如，如附图7A所示，在高密度层后，在 高温遮蔽沉积期间可通过基材旋转而实现结晶纳米多孔特征721。在图7B中纳米多孔结 晶层的孔隙率和/或形状随着厚度函数而改变。纳米多孔结晶层可由与另一纳米多孔结晶 层相同或不同的材料构成。相较另一纳米多孔结晶层，纳米多孔结晶层的孔隙率可为相同 的或不同的。此外，如附图7C所示，高密度层可嵌入基材710和纳米多孔结晶层720之间。 这些多层光学薄膜可为如附图5A、5B及5C中所示的嵌入任何多层薄膜堆叠中。 另一滤光镜800的设计如图8所示。滤光镜800可被用于一系列光学功能，包括反射 器、分布布拉格反射器（distributed Bragg reflector)、带通滤波器、分色滤光镜或抗反 射涂层。滤光镜800显示出在基材810上，纳米多孔结晶层820、840与纳米多孔结晶层831、 851间的交替秩序。纳米多孔结晶层831、851具有相似的材料、孔隙率或折射率值。纳米 多孔结晶层820、840具有相似的材料、孔隙率或折射率值。相较纳米多孔结晶层820、840， 纳米多孔结晶层831、851具有不同的材料、孔隙率或折射率值。层820、831、840、851内的 纳米多孔结晶特征可朝着相同的方向倾斜，或指向相同方向，或其也可附图8所示，反向交 替，或者也可是无序的，或任何方向的。层820、831、840、851通过高温遮蔽沉积法沉积在基 材810上。纳米多孔结晶层的交替图案，例如在纳米多孔结晶层831后的不同材料和/或不 同孔隙率的纳米多孔结晶层820,可不重复、重复一次、多次、不确定次数或不重复。层820、 831、840、851可涂覆在基材810的部分面、一面或所有面上。 另一滤光镜900的设计如图9所示。滤光镜900可被用于一系列光学功能，包括反射 器、分布布拉格反射器、带通滤波器、分色滤光镜或抗反射涂层。滤光镜900包括基材910， 随后包括一纳米多孔结晶层920, 一高密度层930,随后又包括一纳米多孔结晶层940, 一高 密度层950。滤光镜900显示出纳米多孔结晶层920、940与高密度层930、950间的交替秩 序。在层920、940中的纳米多孔结晶层可朝着相同的方向倾斜，或指向相同方向，或反向交 替，或者也可是无序的，或任何方向的。滤光镜900可包括一对或多对交替的纳米多孔结晶 层920及高密度层930。纳米多孔结晶层920、940通过高温遮蔽沉积法沉积在基材910上。 高密度层可通过任何沉积或生产方法制备。高密度层930、950可为无定形的、非结晶的、结 晶的或以上任意组合。 图10示出了含有纳米多孔结晶层的滤光镜的折射率分布。纳米多孔结晶层的数量可 相较附图10中的7层要多、要少或相同。纳米多孔结晶层形成的折射率分布，其在基材的 指标以及环绕周围基质，例如空气、真空、气体、液体、商分子、环氧树脂、娃或封装材料，的 指标之间，具有数量级的差异。纳米多孔结晶层的优选折射率分布是任何阶梯折射率分布 的例如为线性的、立方的、五次方的、修正五次方的。在图10中，在空气氛围中，基材具有包 括有纳米多孔结晶层的多层光学薄膜。在图10中的光学层的折射率遵循梯度分布，例如修 正的五次方分布。七层滤光镜的例子遵循阶梯式的折射率分布，其为分离的折射率级。如 图10所示，距离基材最近的层的折射率最高，而距离基材最远的层的折射率最低。光学层 的折射率可同样遵循阶梯式-指标或梯度式-指标分布。 另一滤光镜1100的设计如图11所不。滤光镜1100可被用于一系列光学功能，但用于 抗反射涂层特别有用。抗反射涂层可被设计用于紫外光谱、可见光谱和/或红外光谱。滤 光镜1100包括基材1110,随后包括一纳米多孔结晶层1120、1130、1140,其分别具有结晶纳 米特征1121、1131、1141。滤光镜可包括，相较三层，更多、更少或相等的纳米多孔结晶层，只 要其指标分布为梯度指标分布。纳米多孔结晶层1120、1130、1140的折射率如附图10所示 遵循梯度折射率分布。纳米多孔结晶层1120、1130、1140通过高温遮蔽沉积法沉积至基材 1110。纳米多孔结晶层1120可由与基材1110相同或不同的材料构成。纳米多孔结晶层可 由与另一纳米多孔结晶层相同或不同的材料构成。相较另一纳米多孔结晶层，纳米多孔结 晶层的孔隙率可为相同的或不同的。例如，纳米多孔结晶层的一层可为MgF 2，而另一结晶层 可为BaF2。每一纳米多孔结晶层的空隙可通过每一纳米多孔结晶层的折射率随连续纳米多 孔结晶层逐一减小而改变。作为第一个例子，在BaF 2的高温遮蔽沉积期间，对于第一纳米多 孔结晶层，倾斜角度为45°，而对于第二BaF2m米多孔结晶层，倾斜角改为65°。在第二 个例子中，对于第一纳米多孔结晶层，8 &&在45°沉积，而随后对于第二纳米多孔结晶层， 18&在45°沉积。在这两个例子中，第二纳米多孔结晶层的折射率相较第一纳米多孔结晶 层更低。对于所有层，结晶纳米多孔特征的朝向可朝着同一方向倾斜，或指向同一方向，反 向交替或无序的或任意方向的。 具有一个或多个坡度纳米多孔结晶层的滤光镜如图12所示。纳米多孔结晶层的折射 率可如附图10遵循坡度式折射率分布。如图12所示，坡度折射率分布是从基材至外围间 变化的平滑连续折射率。坡度折射率分布包括任何以厚度为函数连续下降的折射率分布， 包括但不限于线性、立方的、五次方的、高斯型的、修成的五次方的分布或以上任何组合。最 靠近基材的坡度式纳米多孔结晶层的折射率是最大的，并以远离基材的厚度函数下降。优 选地，坡度纳米多孔结晶层有与坡度层相同的材料制成，但可包括不同的材料。坡度纳米多 孔结晶层的形状可为任何形状，其折射率值紧跟坡度折射率。 另一滤光镜1300的设计如图13A所示。附图11中的基本滤光镜的结构与附图13A中 的相同，但是有额外的纳米多孔层1340。最初，分别具有纳米特征1321U331的纳米多孔 结晶层1320、1330在基材1310上通过高温遮蔽沉积法沉积。纳米多孔结晶层1320、1330 可包括一个或多个纳米多孔结晶层。随后，为了达到进一步的光学效果，在纳米多孔结晶 层1320、1330之上可沉积有一个或多个纳米多孔层1340。纳米多孔层1340可通过任何方 法沉积或生长，且不需要一定为结晶。纳米多孔层1340具有纳米特征1341，其中纳米多孔 层1340可具有与纳米多孔结晶层1330U320相同或不同的孔隙率、折射率值、或材料。例 如，在抗反射涂层设计中，需要使用相较纳米多孔结晶层1330更低的折射率值的纳米多孔 层1340。此外，纳米多孔层1340可作为表面调节剂，例如可改变滤光镜1300特性的疏水的 或亲水的涂层。纳米多孔层1340可同样被使用从而提高滤光镜1300的机械性能。另一滤 光镜1300的设计如图13B所示，其中一个或多个纳米多孔结晶层1340嵌入一个或多个纳 米多孔结晶层1320、1330之间。在图13C中，滤光镜1300包括一个或多个直接沉积在基材 1310上或靠近基材1310沉积的纳米多孔结晶层1340。纳米多孔结晶层1320、1330通过高 温遮蔽法沉积在纳米多孔层1340上。可以理解的是，滤光镜1300可包含任何数量不结晶 的纳米多孔层1340。纳米多孔层1340可沉积或生长在纳米多孔结晶层1320、1330的上方、 纳米多孔结晶层1320、1330之间，纳米多孔结晶层1320、1330的下方或以上任何组合。 另一滤光镜1400的设计如图14A所示。图14A所示为图1及图5中所示的基本滤 光镜元素的使用，从而形成多种多样的滤光镜设计。滤光镜1400所示滤光镜设计包括，基 材1410,随后是纳米多孔结晶层1420、1430、1440，其分别具有结晶纳米特征1420、1430、 1441。如图11所示的滤光镜1100与图14A中的滤光镜1400不同之处在于，纳米多孔层 1420、1430、1440的孔隙率并不连续增大。例如，上方的纳米多孔结晶层1440具有相较纳 米多孔结晶层1430更低的孔隙率。这是基于滤光镜设计有意而为之。在图14B中，高密度 层嵌入在纳米多孔结晶层143、1440之间从而相较图14A中的光学设计，达到不同的滤光效 果。可为理解的是，使用至少一个或多个纳米多孔结晶层，存在许多其他滤光镜组合。 一滤光镜的设计如图15所示。基本滤光镜1500包括至少一在透明基材一侧的纳米多 孔结晶层，透明基材例如为玻璃，且至少一个或多个高密度层在透明基材的另一侧。遵循阶 梯指标分布的纳米多孔结晶层由高温遮蔽沉积而制备在基材的一侧。在基材的另一侧，通 过任何沉积或生长方法，制备有至少一个或多个遵循阶梯指标分布的高密度层。至少一高 密度层1522存在介于基材1515及高指标材料1543之间的折射率值。优选地，使用遵循阶 梯指标分布的复数个高密度层从而在基材1515及高指标材料1543间，每一连续层的折射 率值增大。在图15中，高密度层1522的折射率相较高密度层1532的指标低，而最高指标的 是高密度层1542。每一高密度层的材料或组分将为不同的从而达到所需的折射率值。基材 1515上的高密度层1522、1532、1542可与高指标材料1543的表面连接，高指标材料例如形 成在发光二极管、OLED、激光器、共振腔、光学基质、光导管、光纤束、波导管、娃、环氧树脂、 高分子、掺膦基质、掺量子点（quantum-dot)基质或以上任意组合。高指标材料1543可同样 为封装材料或使用透明材料制备的透镜，例如硅、环氧树脂、高分子、玻璃、石英、聚碳酸酯、 PET、塑料、高分子或特氟龙、高指标材料1543的形状可为任何形状，包括半球的、半-半球 的、凹的、凸的、立方体的、或以上任意组合。 在附图16中所示，为滤光镜，在基材上的至少两侧，交替的纳米多孔结晶层1620、 1640,具有高密度层1630、1650。基材1610可为光源，其可包括一个或多个光发射器或光 源，例如发光二极管、0LED、激光器、光谐振腔、光基质、光导管、光纤束、波导管、或可发射光 穿过包括UV光波长、可见光波长、IR光波长的光谱的任何物体或基质。与图9中相似的滤 光镜在附图16中，于基材1610两侧被涂覆。基材1610两侧的滤光镜可为互相相同的或 不同的。滤光镜可作用为对称的或不对称的反射器。两种滤光镜可具有高反射性或部分反 射性。滤光镜1600可同样具有第一高密度层1630、1650,分别跟有纳米多孔结晶层1620、 1640的交替秩序，其中高密度层1630是第一个被沉积在基材1610上的。在基材一侧上的 滤光镜可具有相较在基材1610另一侧上的滤光镜，相同或不同数量的层、相同或不同的层 厚度、相同或不同的折射率值、相同或不同的材料。 具有复数层纳米多孔结晶层1720、1730、1740、1722、1732以及1744的滤光镜沉积在基 材1710的两侧。纳米多孔结晶层的数量相较图17中的三层，可更多、更少或相等。与图11 中相似的滤光镜在附图17中，于基材1710两侧被涂覆。如图11所示，当与抗反射涂层涂 覆在两侧时，滤光镜1700作为透明光窗特别有用。抗反射涂层可被设计用于紫外光谱、可 见光谱和/或红外光谱。在基材的每一侧涂覆的纳米多孔结晶层，就层数量、层厚度、折射 率值、或材料而言，可以是相同的或不同的。纳米多孔结晶层可由相较另一纳米多孔结晶层 相同或不同的材料构成。纳米多孔结晶层相较另一纳米多孔结晶层可具有相同或不同的孔 隙率。相较基材，纳米多孔结晶的材料可为相同的或不同的。两侧上的涂层可相对彼此为 对称的或非对称的。如附图10所示，纳米多孔结晶层的优选折射率分布可为任何阶梯折射 率分布或坡度折射率分布。滤光镜的一个例子可为在玻璃、石英、或熔凝硅基材两侧的三层 MgF2纳米多孔结晶涂层。另一例子可为在硅基材两侧的两层纳米多孔结晶硅涂层，其在红 外光谱中为透明的。另一例子为在ZnSe基材两侧的七层纳米多孔结晶ZnSe涂层，其在红 外光谱中为透明的。
[0052] 另一滤光镜1800的设计如图18所示。如图11所示，滤光镜1800示出了一用于 结合多个滤光镜功能及抗反射光学涂层的设计，滤光镜功能例如为反射器、带通滤波器、分 色滤光镜。滤光镜1800包括基材1815,随后是在基材1815 -侧的纳米多孔结晶层1820、 1830、1840,其分别具有结晶纳米特征1821、1831、1841。在基材1815的另一侧，第一纳米多 孔结晶层1822的涂层后接高密度层1832后接另一纳米多孔结晶层1842最后接高密度层 1852。通过高温遮蔽沉积，基材1815上沉积有层1820、1830、1840、1842。
[0053] 除以上所述例子之外，在不脱离本发明的情况下，可能还存在其他多种本发明的 变形或变体。相应地，以上文本并非视为限制，且权利要求应当被解释为囊括本发明的所有 范围及本质机理。
【权利要求】
1. 一设备，包括 一透光基材，以及 一光学涂层，光学涂层沉积在透光基材上，光学涂层包括至少一结晶纳米特征层； 其中，至少一结晶纳米特征层通过高温斜角沉积法沉积，并具有相较透光基材的折射 率更低的折射率。
2. 如权利要求1所述的设备，其中光学涂层包括复数个结晶纳米特征层，且复数个结 晶纳米特征层的每一层具有相较紧邻的结晶纳米特征层的折射率不同的折射率。
3. 如权利要求1所述的设备，其中至少一结晶纳米特征层是光学透明的。
4. 如权利要求1所述的设备，其中至少一结晶纳米特征层的折射率相较空气的折射率 更高。
5. 如权利要求1所述的设备，其中至少一结晶纳米特征层包括结晶纳米特征。
6. 如权利要求1所述的设备，其中至少一结晶纳米特征层包括具有倾斜角的结晶纳米 特征，且相较彼此，结晶纳米特征的倾斜角偏离不超过10°。
6. 如权利要求1所述的设备，其中光学涂层包括复数个薄膜层，复数个薄膜层包括至 少一结晶纳米多孔层，且其中复数个薄膜层的每一薄膜层具有折射率，且复数个薄膜层的 折射率随透光基材及相应薄膜的距离增大时减小。
7. 如权利要求6所述的设备，其中与复数个薄膜层的透光基材直接接触的薄膜层的折 射率相较透光基材的折射率更低。
8. 如权利要求6所述的设备，其中在复数个薄膜层中距离透光基材最远的薄膜层的折 射率相较空气的折射率更高。
9. 如权利要求1所述的设备，其中至少一结晶纳米特征层为坡度指标层，其具有一坡 度折射率，且其中层的坡度折射率随距离透光基材的距离的增大而减小。
10. 如权利要求9所述的设备，其中坡度折射率具有折射率分布，其相较距离透光基材 的距离呈线性函数、五次方函数、或高斯函数。
11. 如权利要求9所述的设备，其中坡度指标函数进一步具有坡度孔隙率，且其中层的 坡度孔隙率随距离透光基材的距离的增大而增大。
12. -设备，包括， 一透光基材以及 沉积在透光基材上方的光学涂层，光学涂层包括复数对交替薄膜层； 其中，每一对交替薄膜层中的至少一薄膜层是使用高温斜角沉积法沉积的结晶纳米特 征层，且 其中，每一对交替薄膜层具有两个不同折射率的薄膜层。
13. 如权利要求12所述的设备，其中每一对交替薄膜层包括结晶纳米特征层及高密度 薄膜。
14. 如权利要求12所述的设备，其中每一对交替薄膜层包括具有两个不同孔隙率的两 个结晶纳米特征层。
15. 如权利要求12所述的设备，其中每一对交替薄膜层包括两个结晶纳米特征层，两 个结晶纳米特征层中的一个包括一材料，其与另一层的另一材料不同。
16. 如权利要求12所述的设备，其中每一对交替薄膜层包括一结晶纳米特征层以及一 非结晶纳米特征层。
17. -设备，包括： 一透光基材以及 一沉积在透光基材上的光学涂层，光学涂层包括结晶纳米特征层， 其中，结晶纳米特征层通过一过程沉积，该过程包括： 通过沉积系统产生一材料流，该沉积系统具有朝着基材的额定流方向，其中额定流方 向及基材的平面法相量之间的倾斜角实质大于零， 通过材料流在基材上沉积材料从而生长纳米多孔特征，并且 将基材加热至一预定温度，从而基材上的纳米多孔特征至少部分结晶化。
18. 如权利要求17所述的设备，其中加热包括： 加热基材至一预定温度，从而基材上的纳米多孔特征结晶化。
19. 如权利要求17所述的设备，其中产生、沉积及加热被同时实施。
20. 如权利要求17所述的设备，其中过程进一步包括：旋转基材。
21. 如权利要求17所述的设备，其中材料流包括Si02、Si0、Ti02、MgF2、Al 203、BaF2、CaF2、 Si、Si3N4、GaN、AIN、InN、AlGaN、GalnN、ITO、Sn02、ln 203、TiNbO、ZnO、Zr02、Ge、GaAs、AlAs、 AlGaAs、ZnSe、PMMA或亚克力玻璃。
22. 如权利要求17所述的设备，其中沉积系统是热蒸发系统、电子束蒸发系统、溅射系 统或脉冲激光沉积系统。
【文档编号】G02B6/13GK104160311SQ201380012413
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年1月4日 优先权日:2012年1月4日
【发明者】蒙特·弗兰克, 奚静群 申请人:瑞达克斯科技有限公司