专利名称：渐层式滤波片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种渐层式滤波片的制作方法，特别涉及利用软件模拟手段 将镀上单层膜所需的蒙板模拟出来，再据此进行渐层式滤波片的多层膜制作 过程。
背景技术：
如同己知用于投射幻灯片的投影机(slide projector)，液晶显示投影机 (LCD projector)则是用来将电视、电脑或是其他输入来源的影像画面投射
至屏幕上的一种设备，此液晶显示投影机通常含有三个独立的液晶玻璃面板 (LCD glass panels)，分别为红(R)、绿(G)与蓝色(B)等三原色，背
光源通常利用卤素灯(halogen lamp)产生有较好色温(color temperature)
与涵盖较广频谱(spectrum)的颜色，使得照射液晶玻璃面板上的象素产生
正确的投射画面。
在上述液晶显示投影机投射过程中，可能因为投射光(背光源)的角度 产生色偏(color-shift),可利用二片渐层式滤波片(gradient filter)进行光 线角度补偿，可正确产生光的三原色。
而已知的渐层式滤波片是在一片玻璃片上显示由浅至深的颜色分布，如 图1所示已知的渐层式滤波片示意图，其中滤波片板10为透明基材12上制 作多层的薄膜ll，如以沉积(Deposition)或蒸镀(Evaporation Deposition) 方式，形成如图的具有二色性(dichroic)的滤波片，其中各层薄膜可各自有 不同的反射率、穿透率或是厚度，可以照射出连续性变化的颜色。举例来说， 图中显示沿着轴线14形成连续密度变化的渐层图形(density-gradient pattern)，以调节或补偿所投射出的颜色变化。
已知技术中，在进行镀膜的作业时，可以通过自动控制的方式，先估算 镀膜厚度与穿透率或光谱的关系，并在制作过程中即时量取穿透率或光谱与 预估结果比对，以控制镀膜的厚度。或者，在蒸镀薄膜的同时，进行其中蒙
板(Mask)的校正，使用错误测试(try-and-error)的方式，达到所要蒸镀渐 层式滤波片的形态。上述蒙板的设置可以影响镀膜机内气流分布，进而使在 基材上蒸镀的材料有预期的厚度变化。
举例来说，如图2所示的蒸镀机机台示意图，图中所示为真空室(vacuum chamber) 20，其中主要包括一个伞状的基材夹具22，可以用来设置需要蒸 镀的基材，如图中的透明基材24，基材下方设置有一片或多片蒙板，此例显 示有两片蒙板26与26'，分别对应两个蒸发源28a与28b，通过蒙板26与 26'的形状与位置的调整改变真空室20中的气流分布，以影响蒸镀在一个或 多个透明基材24上的材料分布。真空室20下方更设置有需要蒸镀的材料蒸 发源28a与28b，通常分别设置为不同且相互搭配的材料，且下方再设置有 电子枪27'与27"，通过产生的电子束激发蒸发源28a与28b的材料射出离 子，经蒙板26,26'的调整进行镀膜。
发明内容
然而，己知技术利用自动控制即时校正或是人工实验的方式进行镀膜测 试，尤其是需要镀上20至40层薄膜的制作过程中，在蒙板的校正都需要耗 费相当的时间与成本。有鉴于此，本发明提出一种渐层式滤波片的制作方法， 提出一种先用软件模拟手段进行镀上渐层式薄膜的模拟，先掌握各单层膜材 料、镀膜机内部气流分布与蒙板的设置在镀膜时的扰流特性，经模拟后，才 真正进行各单层膜镀膜的制作过程，以此达到节省时间与成本、镀膜的成功 率能够大大提高、测试制作过程的次数减少、制作过程的效率提升等功效。
本发明所公开的渐层式滤波片的制作方法主要步骤包括先决定滤波片 的渐层变化，再以软件模拟手段估计对应单层膜厚度，之后依据单层膜的厚 度推算蒙板的形态，并完成于镀膜机内制作具有渐层变化的滤波片。
而其中优选实施例先制备镀膜环境，包括镀膜机，与其中承载透明基材 的基材夹具，和一个或多个镀膜源，与激发该镀膜源的激发装置。再决定所 需制作在透明基材上的渐层形态，之后由模拟手段估计达到渐层变化所需的 厚度变化量，间接推算出对应的单层膜厚度，该模拟手段所利用的工具包括 多个高折射率材料模块与低折射率材料模块，利用其中参数调整，推算出蒙 板的形态，并依据该单层膜厚度制作蒙板，最后，在该镀膜机内设置该蒙板，并制作形成具有该渐层形态的滤波片。并重复上述方法的步骤完成多层的渐 层式滤波片。
图1为已用技术的渐层式滤波片示意图2所示为已知技术的蒸镀机机台示意图3A所示为滤波片的光穿透率与光波长关系的曲线图3B所示为根据渐层需要推算的其他曲线图3C所示为曲线波长范围对应透明基材位置的示意图4A与图4B所示为蒙板的调整示意图5显示为利用电子束蒸镀法的镀膜机示意图； 图6为本发明主要制作过程；
图7为本发明的优选实施例的流程图。
其中，附图标记说明如下 滤波片板10
薄膜ll
基材12 轴线14 真空室20 基材夹具22 透明基材24 蒙板26, 26， 蒸发源28a、 28b 电子枪27'、 27" 曲线31， 32， 33 透明基材30,30， 第一点301 第二点302 第三点303点401,402,403，404,405,406
真空室50 基材夹具51 透明基材52 镀膜源56a， 56b 激发装置58'， 58" 蒙板42， 42,， 54， 54， 支撑杆40， 53， 53，
具体实施例方式
本发明公开了一种渐层式滤波片的制作方法，利用软件模拟手段(如光 学薄膜模拟软件Macleod)先决定所要镀在滤波片上的材料与厚度，以估计 在多少单层膜厚度下可以得到所需要的渐层变化，并推算出其在镀膜机
(coater)中相对应的蒙板形状，再重复计算各所需其他的单层膜所需厚度 与相对应的蒙板形状，达成渐层式滤波片的多层膜制作过程。
上述软件模拟手段利用制作滤波片的光学薄膜模拟软件(如Macleod)与 机械绘图软件(如AutoCAD)达成，其中主要有模拟镀模所需材料的多个模块
(module)，为包括有高折射率材料与低折射率材料的多个模块，作为镀膜 模拟的工具，调整其中模块顺序再调整其中镀膜厚度、穿透率或光谱的参数， 利用软件模拟手段模拟镀膜材料、镀膜机等的结构，估计单层膜镀膜的穿透 率与厚度等参数的变化量，使在制作过程中能快速、准确地完成镀膜的作业。 主要特征是用所估计的单层膜厚度代替己知制作过程，以软件模拟手段配合 理论根据使蒙板调整到能镀出所估计的单层膜厚度后，即可用相同的蒙板制 作出所需要的渐层滤波片，以便縮短制作过程时间，并且能降低成本、提升 效率。
在进行渐层式滤波片制作过程前，本发明利用软件模拟手段先进行环境 模拟，在此使用的单层膜的颜色波长可以分为多个基本颜色的单层膜。开始 先以多个不同折射率的单层膜厚度模块模拟出所需的光谱结构，如利用高、 低折射率穿插的模块进行模拟，高、低折射率的模块即为想要改变的变量， 依据渐层式滤波片的需求调整后，得出各单层膜镀膜厚度，并以此推算出蒙
板形态，如形状。
本发明有下列优点
对于渐层变化不大的滤波片而言能一次就成功；
对于变化较大的滤波片也仅需再根据制作过程光谱结果做一些微小修
改；
测试制作过程时是以镀单层膜来替代原来复杂的制作过程；
节省许多时间与成本；
成功率能大大提高；
测试制作过程的次数也会减少许多；以及
可以仅改变镀膜机中一个蒙板的形状即可以达成所需的渐层变化。
为达到以模拟单层膜特性的方式进行各单层膜的镀膜制作过程，需要先 针对单层膜镀在透明基材上的物理特性加以分析，请参阅图3A所示所设计 的滤波片的光穿透率(transmittance)与光波长关系的曲线图。
其中横轴为光波长(入)，纵轴为光穿透率(T)，此曲线显示滤波片 的光谱特性，即在特定光谱范围中，即图式的波长范围，此滤波片在每个波 段有不同的穿透率，图中的实施例在波长较长的部分有较小的穿透率，而波 长较短的部分有较好的穿透率，并且可以以其中间点A对应的波长代表该滤 波片厚度变化与光谱关系的一个参考点。
经上述物理分析后，图3B显示依需要可以由曲线表示的波长范围与穿 透率的关系推算出其滤波片上所需的厚度变化，如由曲线31的中间点所表 示的波长范围与穿透率的关系所得到的滤波片结构与厚度，依所需的渐层条 件，在某一厚度的改变下向左边决定出曲线32，向右边决定曲线33，曲线 31,32,33分别有不同的波长范围所对应的滤波片透率的特性，此厚度变化的 比例推算到所对应到的单层膜厚度变化，再由此单层膜厚度的变化推算出蒙 板的形状，本发明可以应用于两个以上、多个曲线的实施例。举例来说，若 对应三种颜色的单层膜，镀在透明基材上时，可以产生不同颜色间的渐层效 果；也可以对应同一色调(hue)中的不同深浅，在镀膜时可以产生深浅间 的渐层效果，如灰阶的效果。之后再依上述多个曲线推算出所需镀上单层膜 厚度。
再请参阅图3C所示曲线波长范围对应透明基材30位置的示意图。本发
明根据图中所示代表不同单层膜材料的波长范围与穿透率的曲线推算到对
应的单层膜镀膜厚度，如曲线31的特性可以对应蒸镀于透明基材30中的第 一点301的滤波片结构厚度，再根据渐层需求决定曲线32，并对应到透明基 材30的第二点302所要镀上的滤波片结构厚度，由上述两点所模拟出的单 层膜厚度推算出所需蒙板的形态。在镀膜时，可以通过蒙板改变镀膜材料在 镀膜机内的气流分布，在透明基材30上第一点301至第二点302间形成不 同厚度的渐层图样。同理，由曲线33的中间点所表示的特性模拟滤波片结 构厚度，即对应到透明基材30的第三点303所需镀上的厚度，再在镀膜时， 通过蒙板改变成为气态的镀膜材料的气流分布，可以在透明基材30上形成 第一点301到第三点303间不同厚度的渐层图样。
上述各曲线31,32,33分别代表所要在对应的透明基材上镀上的厚度值， 为形成特定渐层图样，根据所需的渐层形态由曲线31推算出曲线32与曲线 33，再各自推算出对应的所需镀上的材料厚度。举例来说，若设计后的高低 折射率薄膜堆迭的光学结构可以得到曲线31，曲线32则为0.95倍的所有高 折射率层数的厚度变化所得到的结果，曲线33为1.05倍的所有高折射率层 数的厚度变化所得到的结果，相对而言，改变所有低折射率层数的厚度或两 者厚度都改变也可以得到相同的结果。
之后，再由各曲线31,32,33推算出相对应所需镀上的单层膜厚度，假设 曲线31对应到适当的高折射率单层膜厚度，曲线32则对应到0.95倍的此单 层膜厚度，曲线33对应到1.05倍的单层膜厚度，接着，经由上述利用软件 模拟手段估计出的单层膜厚度(如所推算0.95至1.05的厚度)，再推算出 相对蒙板的形态，主要形态为形状的改变，因为蒙板在镀膜时可以调节其中 气流分布，进而改变镀膜在透明基材上的离子形态，完成渐层式的滤波片。 如图4A与图4B所示的蒙板示意图，通过一个蒙板各位置形状的调整可以同 时符合一个或多个透明基材的镀膜条件(如己知技术图2所示)
图4A显示为未调整前均匀性的蒙板42形态，可如图中所示的橄榄形， 或是其他形状的形态，蒙板42位于镀膜机内的真空室中，以支撑杆40或其 他支撑蒙板42的装置进行真空室内位置的调整。本发明先利用软件模拟手 段进行镀膜厚度变化量的估计，间接推算出对应的单层膜厚度，再推算蒙板 42的形态，故可以仅改变镀膜机中一个蒙板的形状即可以达成所需的渐层变 化。而蒙板的形态除了形状以外，更有利用其中支撑杆所调整位于真空室中
的位置，与蒙板边缘与支撑杆的角度。经蒙板形态推算后，如图4B所示为 经调整后的蒙板42'，可以看出利用蒙板边缘与支撑杆的角度调整产生了多 个凹凸状的弧度，为了对应的透明基材的位置，以不同的弧度设计产生不同 渐层图案。比如，要镀上的厚度较薄的位置，要用蒙板42，遮的地方就较多， 要厚的位置，则需要遮的地方就较少。
如图中蒙板42，的一个弧度范围中有三点401，402，403，表达三个需要调 整的参数，包括此三点到基材夹具的相对位置与支撑杆40间的角度变化(实 际运作并不以三点为限)，以产生不同的镀膜厚度，对应图式中位于基材夹 具上的透明基材30上的第一点301、第二点302与第三点303，使镀膜时能 在第一点301至第二点302产生不同程度的渐层效果，使第一点301至第三 点303间产生渐层效果。另一实施例显示于图中的透明基材30'，蒙板42' 中另一个弧度上的三点404,405,406经调整后，将对应至透明基材30，上的第 四点304、第五点305与第六点306，将于透明基材30'上第四点304至第五 点305产生一个渐层效果，而于第四点304与第六点306间也产生另一个渐 层效果。
上述通过蒙板与基材夹具间的空间变化产生相对于多个透明基材上不 同的渐层效果，必须要先有几个基本的资讯，利用这些基本资讯则可以在不 同的渐层变化下推算出所对应的单层膜厚度，进而推算出蒙板的形状，比如 要有镀膜机伞状的基材夹具每一圈对应到均匀性蒙板与支撑杆的位置，以方 便估计蒙板对应于基材夹具每一圈的位置与角度，以镀上适当的单层膜厚 度。举例来说， 一个渐层滤波片的规格为中心点T(50，500nm，另二个位置 分别为510nm与490nm时，假设500nm中心点对应到某适当的单层膜厚度， 经由光学薄膜软件模拟可以得知51 Onm对应到1.05倍单层膜厚度，而490nm 对应到0.95倍的单层膜厚度，因此可以通过不同的单层膜厚度来估计出蒙板 不同位置上所需的角度大小，这样就可以画出对应此规格的蒙板形状。
图5显示本发明的优选实施例使用一种电子束蒸镀法(Electron Beam Evaporation)示意图，通过加热钨丝使外层电子动能大于束缚能而逸出，并 利用高电位差加速电子及磁场控制电子束轨迹，使其撞击到蒸镀源产生高热 让蒸镀源部分离子化，并在高真空的环境下附着在被透明基材上。图中所示 为真空室50，其中主要结构包括一个伞状的基材夹具51,用以承载多个透 明基材52，真空室50下方设置需要镀上的材料镀膜源(film-plating source) 56a与56b，通常分别设置为不同且相互搭配的材料，如一为高折射率的材 料、另一为低折射率的材料，下方设置有激发装置58'与58"，通过其产生 的电子束激发镀膜源56a与56b的材料而射出离子，再经一个或多个蒙板54 与54'调整真空室内50离子四散的气流分布，此例为两个蒙板54与54'，分 别对应两个镀膜源56a与56b，以进行镀膜，此蒙板54与54，分别由支撑杆 53与53'进行位置调整。
依据上述实施例，本发明利用适当的单层膜厚度制作渐层式滤波片的制 作方法主要步骤如图6所示，包括先决定所需的滤波片的渐层变化(步骤 S601)，再分析光谱，依据其中穿透率与各波段波长范围的关系，以软件模 拟手段估计达到渐层变化所需的厚度变化量，再推算对应所需渐层图形的单 层膜厚度(步骤S603)，由此推算的单层膜厚度，再推算蒙板形态，主要为 形状(步骤S605)，以此蒙板设置在镀膜机内，进行单层膜的镀膜制作过程， 如以电子束蒸镀法进行(步骤S607)，重复上述步骤逐步完成多层的渐层式 滤波片的制作。
基于上述主要步骤，本发明的优选实施例如图7所示的流程。 先制备镀膜环境，包括镀膜机，其中设置有承载透明基材的伞状基材夹 具，伞状的基材夹具每圈相对于蒙板与其支撑杆有对应位置关系，并设置有 一个或多个镀膜源，并激发镀膜源离子化的激发装置(步骤S701);之后， 依据上述制备的环境，先决定所需制作在透明基材上的渐层形态(滤波片)， 包括渐层的深浅变化、颜色变化等，通过软件模拟手段依据所需的渐层形态 估计达到渐层变化所需的厚度变化量，再间接推算一个或多个单层膜厚度 (步骤S703);由所得的单层膜厚度变化推算蒙板在所对应的位置的变化， 即推算出该蒙板的形态，主要包括形状、蒙板利用支撑杆调整的位置与蒙板 边缘与支撑杆的角度(步骤S705);以此推算的结果制作蒙板，再利用单层 膜进行测试镀膜(步骤S707)，以此测试变化量是否有符合所推算的需求(步 骤S709)，若不符合时则依照测试镀膜结果修改蒙板形态(步骤S711)， 并重回步骤S707，若符合，即可以进行实际镀膜制作过程，制镀所需的渐层 式滤波片(步骤S713),镀膜之后，还需检查是否符合规格(步骤S715)，
如果并不符合需求，则仍需修改蒙板(步骤S717)，若已符合需求，则完成 本次镀膜制作过程(步骤S719)。最后，利用重复上述步骤，可以在透明基 材上产生多层的单层膜结构，形成所需制作的渐层式滤波片，并且其主要实 施例用于液晶显示投影机(LCDprojector)内进行光线角度补偿。
上述本发明方法的实施例中修改蒙板的步骤可利用镀膜机内高折射率 的镀膜材料相对应的蒙板形状，如相对应镀膜材料Ta205, Ti02, Nb205， M3等 的蒙板；或仅需修改镀膜机内低折射率材料蒙板形状，如Si02，MgF2等用的 蒙板；或镀膜机内低折射率与高折射率材料的蒙板都需要修改。
综上所述，本发明为渐层式滤波片的制作方法，利用软件模拟的手段先 进行各单层膜厚度与蒙板形状的模拟，在进行实际镀膜制作过程时能节省制 作时间与成本，使镀膜的成功率大大提高，并提升效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，不用于限制本发明的专利范围，因 此只要运用本发明说明书及附图所做出的等效的结构变化，都同理包含于本 发明的范围内。
权利要求
1.一种渐层式滤波片的制作方法，其特征在于所述的方法包括决定一个或多个滤波片的渐层变化；以模拟手段分析单层膜的穿透率与在光谱中各波段波长范围的关系，再由该滤波片的渐层变化估计出所述单层膜厚度的变化量，以推算对应所述单层膜的厚度；推算一个或多个蒙板的形态，依据所述单层膜的厚度推算所述蒙板的形态；以及以电子束蒸镀方式在设置所述蒙板的镀膜机内制作所述具有渐层变化的所述滤波片。
2. 如权利要求1所述的渐层式滤波片的制作方法，其特征在于通过重 复所述方法的步骤完成多层的所述渐层式滤波片。
3. 如权利要求1所述的渐层式滤波片的制作方法，其特征在于所述的 电子束蒸镀方式利用一个或多个激发装置激发一个或多个镀膜源射出离子 进行镀膜。
4. 如权利要求3所述的渐层式滤波片的制作方法，其特征在于所述的 镀膜源包括高折射率的材料与低折射率的材料，所述的高折射率的材料为 Ta205， Ti02, Nb2Os， M3之一或其组合，而低折射率的材料为Si02， MgF2之一或其组合。
5. 如权利要求1所述的渐层式滤波片的制作方法，其特征在于所述的 蒙板的形态包括所述蒙板的形状、利用一个或多个支撑杆调整的位置、所述 蒙板边缘与一个或多个支撑杆的角度。
6. —种渐层式滤波片的制作方法，其特征在于所述的方法包括 制备镀膜环境，包括镀膜机，其中设置有承载一个或多个透明基材的基材夹具，和一个或多个镀膜源，与一个或多个激发所述镀膜源的激发装置； 决定所需制作在所述透明基材上的渐层形态；由模拟手段分析一个或多个单层膜的穿透率与在光谱中各波段波长范 围的关系后，估计所述单层膜厚度，所述模拟手段主要利用调整其中多个高 折射率材料模块与低折射率材料模块模拟出所需的光谱结构，以估计所述单 层膜厚度；依据所述单层膜厚度制作一个或多个蒙板；在所述镀膜机内设置所述蒙板，并以电子束蒸镀方式制作形成具有所述 渐层形态的一个或多个滤波片。
7. 如权利要求6所述的渐层式滤波片的制作方法，其特征在于通过重复 所述方法的歩骤完成多层的所述滤波片。
8. 如权利要求6所述的渐层式滤波片的制作方法，其特征在于所述的电 子束蒸镀方式利用所述激发装置激发所述镀膜源射出离子进行镀膜。
9. 如权利要求6所述的渐层式滤波片的制作方法，其特征在于所述的镀 膜源包括高折射率的材料与低折射率的材料，所述的高折射率的材料为 Ta205, Ti02， Nb205， M3之一或其组合，而所述低折射率的材料为Si02， MgF2 之一或其组合。
10. 如权利要求6所述的渐层式滤波片的制作方法，其特征在于所述的 蒙板的形态包括所述蒙板的形状、利用一个或多个支撑杆调整的位置、所述 蒙板边缘与一个或多个支撑杆的角度。
全文摘要
一种渐层式滤波片的制作方法，为改善已知技术在镀膜测试时需要耗费相当的时间与成本进行蒙板校正的制作过程。本发明先利用软件模拟手段进行在透明基材上镀上渐层式薄膜的模拟，掌握各单层膜材料、镀膜机内部气流与蒙板的设置在镀膜时的物理性质，才真正进行各单层膜镀膜的制作过程，以此达到节省时间与成本、镀膜的成功率能够大大提高、测试制作过程的次数减少、制作过程的效率提升等功效。主要步骤包括先决定滤波片的渐层变化，再以软件模拟手段估计对应单层膜厚度，之后依据单层膜的厚度推算蒙板的形态，最后才在镀膜机内制作具有渐层变化的滤波片。
文档编号G02B5/20GK101191856SQ20061016360
公开日2008年6月4日 申请日期2006年11月30日 优先权日2006年11月30日
发明者林君鸿, 詹博文 申请人:普立尔科技股份有限公司