技术领域
[0001] 本
申请涉及光学干涉滤光片，特别是多层薄膜滤光片。
背景技术
[0002] 由于要获得高的光
密度(O.D.)同时保持高动态的
光谱选择性需要复杂的层结构，因此光学干涉滤光片固有地复杂且生产昂贵。微调过滤光的光谱形状的能
力是干涉滤光片的优点之一。
[0003] 通常地，这种干涉滤光片是通过将透明薄膜光学层
真空沉积在塑料或玻璃
基板上制成的。其上沉积有薄膜层的基板的厚度通常在0.5至10mm的范围内。逐层涂覆和随后的滤光片切割会引起薄膜堆叠中的
张力，这通常会导致薄膜滤光片弯曲和破裂，特别是在基板太薄的情况下。对于具有大量层的滤光片来说，此问题尤为重要，以实现高光学性能。为了获得高的光密度，需要大量的层。宽光谱范围的阻挡将需要大量的层。高透射率和低透射率之间的尖锐过渡边缘通常需要复杂的层结构，其中包含大量具有各种折射率的层。类似地，抑制侧反射带以产生平坦的透射曲线通常需要复杂的层结构和具有各种折射率的大量层。以前，薄塑料基滤光片膜主要通过以下三种方法制成：
[0004] 1.共挤出：在这种方法中，两种或更多种材料通常流过进料
块并形成多层材
料堆叠。然后，迫使该多层材料流通过一系列的层倍增器，其中原始层状堆叠以各种方式沿一方向分裂并且沿垂直方向重新组合，以使层数加倍，同时改变堆叠的宽度或高度。然后，迫使最终的多
层流通过模具，以将多层堆叠铺展成多层膜。这种方法有一定的局限性。A)多层膜限于周期性重复的层单元块。换句话说，离开进料块的相同多层堆叠被周期性地加倍。至多地，倍增器可以具有变化的分裂和重组比，以使厚度比在倍增器之间变化。定制各个层是不可行的。B)这种方法仅适用于可以在共挤设备中处理的全塑料滤光片。例如，不能引入玻璃层。
[0005] 2.在柔性基板上涂覆：幅材涂覆工艺广泛用于窗膜行业，在该行业中，将塑料膜卷送入真空室以沉积薄膜层。通常有一系列的多个沉积源，使得每个沉积源一次沉积一层。该方法通常用于仅几层抗反射、防刮擦或
散热层以及多达20个涂层的简
单层结构。考虑到用于薄膜层的涂覆原料的残酷性(brutality)，当柔性基板弯曲时，较大数量的层将导致薄膜堆叠破裂。因此，采用这种方法无法在柔性基板上构建复杂的薄膜滤光片。类似的方法包括将柔性基板片安装在封闭真空室内的鼓或固定装置上。这种方法产生的产品数量要少得多，但允许具有更多层数的稍微更加复杂的滤光片。尽管层的脆性和有限的弯曲能力，但这些产品的应用范围有限。用于在柔性基板上生长多层滤光片的这两种方法还用于通过在多层滤光
片层在柔性基板上生长之后故意破裂多层滤光片层来产生多层滤光片的小尺寸颗粒。柔性基板使从此类滤光片中产生颗粒变得更加容易。
[0006] 3.纳米
层压：在这种方法中，具有各种折射率的
纳米级材料层以卷对卷的方式直接层压在柔性基板上。该方法和所得产品的主要缺点是在亚微米尺度上缺乏各个亚层的均匀性和可控性。因此，所得的滤光片产品不能很好地用作高选择性滤光片。
[0007] 美国
专利公开US2014/0242329A1描述了一种使用结构化预成型块的热拉伸生产薄膜光学滤光片的方法。该方法允许生产全塑料柔性超薄膜和片形式的薄膜光学干涉滤光片。该方法通过提供明显更高的可扩展性并提供可以弯曲并符合曲面的超薄滤光片同时展示高性能从而解决了传统真空涂覆薄膜滤光片的两个主要缺点。关于薄膜滤光片的热拉伸的方法，将US2014/0242329A1的公开内容通过引用整体并入本文。
发明内容
[0008] 本公开内容引入了一种薄膜干涉滤光片，具有第一薄膜干涉多层堆叠，其由成组布置以形成多个第一重复单元块的各个薄膜层构成，其中薄膜干涉滤光片具有足够的柔性，以可弯曲到250mm或甚至更小的
曲率半径，而不永久损坏、
变形或破裂整个薄膜干涉滤光片或至少一个多层堆叠中的薄膜层。
[0009] 由成组布置以形成多个第二重复单元块的各个薄膜层构成的第二薄膜干涉多层堆叠可以具有与第一薄膜干涉多层堆叠不同的光
透射光谱。
[0010] 在第一薄膜干涉多层堆叠与第二薄膜干涉多层堆叠之间的至少一个
中间层的厚度比第一薄膜干涉多层堆叠中的每个单独薄膜层的厚度厚10-1000倍。中间层可以是吸收层，以阻挡红外、可见或紫外光的
波长范围，以有效地吸收选择性波长。
[0011] 可以设置护套层，在它们之间布置一个或多个薄膜干涉多层堆叠，以对一个或多个薄膜干涉多层堆叠进行物理保护。
[0012] 另外，在第一护套层或第二护套层中的至少一个的外侧表面上的1至15层抗反射薄膜层改善了滤光片的光学特性。抗反射薄膜层可以是
聚合物基或玻璃基的，并且可以通过在热拉伸工艺中与第一护套层和第一薄膜干涉多层堆叠共同拉伸来产生。可替代地，可以通过在热拉伸工艺之后涂覆第一护套层来产生至少一些抗反射薄膜层。
[0013] 为了有效保护，第一护套层和第二护套层的厚度比第一薄膜干涉多层堆叠中的每个单独薄膜层厚10-1000倍。第一护套层或第二护套层中的至少一个也可以具有双重功能，因为它也是阻挡红外、可见或紫外光的波长范围的吸收层。
[0014] 第一多层堆叠中的每个单独薄膜层的厚度在5nm至5000nm的范围内，薄膜干涉滤光片的总厚度可以在0.01mm至1mm的范围内。
[0015] 薄膜干涉滤光片的透射光谱在第一波长的入射光的至多20％的低透射率与第二波长的入射光的至少80％的高透射率之间变化。在低透射率和高透射率之间的至少一个过渡边缘的宽度至多为第一和第二波长之间的薄膜干涉滤光片透射入射光的50％的第三波长的5％。
[0016] 根据以下对
附图的描述，本申请的其他细节和益处将变得显而易见。仅出于说明的目的而提供附图，并且无意于限制本发明的范围。
附图说明
[0017] 图1示出了具有两个护套层的多层薄膜光学干涉滤光片的横截面；
[0018] 图2示出了图1的局部细节；
[0019] 图3示出了由重复单元块构成的薄膜多层堆叠的局部细节；
[0020] 图4示出了具有两个护套层和设置在两个多层堆叠之间的中间层的多层薄膜光学干涉滤光片的横截面；
[0021] 图5示出了具有两个护套层和在其中一个护套层上的抗反射层的多层薄膜光学干涉滤光片的横截面；
[0022] 图6示出了具有从低透射率到高透射率的过渡边缘的透射光谱；
[0023] 图7示出了具有形成两个阻挡带的四个过渡边缘的透射光谱；
[0024] 图8示出了五层中五种不同材料的单元块；
[0025] 图9示出了单元块厚度的各种曲线图，其中单元块的结构相似，但单元块厚度因缩放因数而彼此不同；
[0026] 图10示出了滤光片的模型化透射光谱，该滤光片包括用于不同波长的两组四分之一波层堆叠，在它们之间没有中间层(或具有透明中间层)；
[0027] 图11示出了构成带通滤光片的滤光片的模型化透射光谱；
[0028] 图12示出了具有内置
缺陷层的滤光片的模型化透射光谱；以及
[0029] 图13示出了具有多个内置缺陷层的滤光片的模型化透射光谱。
具体实施方式
[0030] 在下面的整个描述中，除非另有说明，否则单词“或”用作包含性术语，指的是一个或另一个或两个选项。因此，可以在单个多层薄膜光学干涉滤光片中组合所描述的各个特征，比如吸收层、缺陷、单元块、改变折射率的护套层、改变层厚度等。某些层可以通过熔炉共同拉伸，其他层可以通过在同一滤光片内涂覆来施加。本公开介绍了具有与其柔性和光学性能有关的物理特征和规格的各种滤光片类型和层结构：
[0031] 在图1所示的第一示例中，多层薄膜光学干涉滤光片10包括两个护套层12以及夹在护套层12之间的多层堆叠16，其由成打的薄膜层18构成，薄膜层18在图2中以局部细节图示出。护套层在红外(IR)、可见和紫外(UV)光的整个波长范围内或者至少在由多层堆叠16透射的所有波长上可以是透明的，使得护套层12基本上不影响薄膜滤光片的光学特性。在本申请中使用的基本上是指在10％的范围内。可替代地，护套层12中的一个或两个可以构成吸收层，其阻挡否则将由多层堆叠16透射的一个或多个波长范围。在本申请中，除非另外指出，术语阻挡(blocking)涉及透射小于50％的入射光能，同时吸收超过50％的入射光能。每个护套层12的厚度分别比多层堆叠16中每个单独薄膜层18的厚度厚10-1000倍的范围。
[0032] 在一通常
实施例中，薄膜干涉滤光片10包括薄膜干涉多层18和比多层堆叠16中的各个薄膜层厚10-1000倍的吸收性或透明中间层20的组合，并且该组合从两侧被护套材料层12围绕，每个护套材料层12的厚度比多层堆叠16中的每个单独薄膜层厚10-1000倍。例如，图4的多层干涉膜包括由两个护套层固定的两个多层堆叠16。在两个多层堆叠16之间设置有另一层20，其厚度比多层堆叠16的每个单独薄膜层18的厚度更厚。该较厚层20可以是吸收层或透明层。
[0033] 多层堆叠16中的层18的厚度范围在5nm至5000nm之间，这取决于用于过滤的目标波长、材料的折射率和滤光片的光学性能，滤光片的光学性能取决于层结构和层之间的厚度分布，以满足相消干涉或相长干涉的条件。包括在两侧上的保护护套层12以及任何中间层20(如果存在的话)的滤光片膜10的总厚度在0.05mm至1mm的范围内。
[0034] 滤光片膜10是柔性的，使得其可以弯曲到3mm至250mm范围内的
曲率半径，这取决于滤光片厚度和构成材料，而不永久性地整体损坏、变形或破裂滤光片10或其在多层堆叠16中的薄膜层18。
[0035] 如图5所示，滤光片结构还可以在负责降低反射率的任一护套层12的外侧上包括多达15层抗反射薄膜22。多层堆叠16夹在两个护套层12之间。在一个护套层12的外侧上，存在多个抗反射层22以增强光的透射。这些抗反射层22可以是聚合物基或玻璃基的，采用热拉伸工艺生产，或在生产包括所有其他层18以及任选地12或22的滤光片子组件之后涂覆在滤光片膜上。
[0036] 滤光片装置的一般光学性能
[0037] 这里描述的光学滤光片10阻挡了用于从UV到可见光光谱到IR的光学应用的在300nm和25微米之间的光谱波长范围的部分。在整个
说明书中，术语“近似”和“大约”描述的偏差最大为±15％，优选为±5％。
[0038] 滤光片10具有的透射光谱具有在低高透射率之间的至少一个过渡边缘。为了该特定示例的目的，将高透射率定义为透射大于80％的入射光。将低透射率定义为透射至多20％的入射光。过渡边缘的一个示例在图6中示出。图6示出了具有随着波长λ增大从低透射率到高透射率的过渡边缘24的透射光谱。在低高透射率之间的至少一个这样的过渡边缘24的边缘斜率在0.02％-5％的范围内。这意味着透射率到达最接近高透射率范围的80％的波长λ80和透射率到达最接近低透射率范围的20％的波长λ20之间的差Δλ在透射率在两点之间的上边缘上等于50％的波长λ50的0.02％-5％的范围内。过渡边缘的波长差Δλ例如小于
50％透射率波长λ50的0.05％，其中透射带本身仅具有0.1nm的宽度Δλ(例如图12和13所示)，而对于较宽的带(例如图7、10和11所示)，过渡边缘可以在50％透射波长λ50的百分之几上延伸。
[0039] 可以在不同于此示例中示出的透射
水平之间例如在20％和50％透射率之间定义过渡边缘，其中例如在带通中的透射率没有达到更高的透射水平。在那种情况下，参考波长λ50是透射率等于过渡边缘的最高透射水平的50％的波长。
[0040] 尽管透射率水平可能
波动，但对于高透射率波长，在滤光片表面上没有抗反射层的情况下，可以实现高达94％透射率，而周围空气的折射率约为1。利用附加的抗反射层，在相同的环境条件下，高透射波长的透射率可能达到99％。
[0041] 滤光片光谱可能具有多达20个从高到低和从低到高透射率的过渡边缘，以在相邻过渡边缘之间提供多个透射和阻挡范围。例如，图7和12示出了带有两个阻挡带的总共四个过渡边缘24，图13示出了带有四个阻挡带的总共八个过渡边缘，其中一半是低到高透射边缘，其中另一半分别是高到低透射边缘。每个透射带或阻挡带的半峰值λ50全宽(FWHM)可以在同一带的中心波长的0.1％到75％的范围内。0.1％的下限对应于非常窄的陷波或带通滤光片，这将在下面针对具有图12和13所示的光谱的法布里·珀罗共振腔所述，而上水平对应于宽陷波或带通滤光片。下面是关于提供这种透射率曲线的层结构的进一步细节。
[0042] 通过使用足够数量的干涉层18或添加阻挡一定范围波长的吸收层20或12，低透射范围内的透射率可低至0.1％、0.01％、0.001％、0.0001％或甚至0.00001％。
[0043] 滤光片装置的各种层结构
[0044] 如图3示意性所示，滤光片膜中的薄膜多层堆叠16可以由在堆叠16中重复多次的单元块14构成。每个单元块可以由多达5种不同材料的多达12个子层构成。每个重复单元块的内部子层的厚度可以在重复单元块14的总物理厚度的1％至75％的范围内。图3示出了具有相同厚度δ1和具有不同折射率的不同材料的三层18的单元块14，导致相等或不同的光程长度或光学厚度。可替代地，图8示出了五层中的五种不同材料的单元块，它们的厚度δ1、δ2、δ3、δ4和δ5也不同。
[0045] 由于子层之间的折射率或厚度差异，内部子层的光学厚度可以比单元块14中的所有层18的平均光学厚度低或高90％。光学厚度定义为物理厚度(比如δ1、δ2、δ3、δ4和δ5)与材料的光学折射率(其随波长变化)的乘积。
[0046] 例如，各个单元块14的光学厚度可以很小的增量变化，使得光学厚度或折射率作为跨多层堆叠的厚度(
位置)的函数可以近似于正弦曲线或一般周期性曲线。这产生了类褶皱(quasi-rugate)结构，而不必在多层堆叠16的整个厚度上提供褶皱结构的连续变化的折射率。在最简单的形式中，只有三个不同的折射率才能形成类似于锯齿函数的周期性折射率函数作为近似于正弦函数的离散。
[0047] 滤光片膜10可具有少至5个重复单元块14或多达1000个单元块14，并非所有单元块都需要相同。单元块14可以各种方式布置在薄膜滤光片10的多层堆叠16中。在一实施例中，在简单的情况下，它们都可以具有相同的总厚度。在图9的曲线101至106中示出的其他实施例中，除了在它们的总厚度上的缩放因数之外，滤光片堆叠16中的单元块14在层18的材料和顺序上可以相同。这种变化可以是如曲线101所示的线性方式，也可以是如曲线102和103所示的非线性方式，从多层堆叠16的一端增加到另一端。在另一实施例中，缩放因数可以从堆叠16的一端上的最高值减小到最低值，然后如曲线104中示意性所示增加回到较高值，或反之亦然，如曲线105中示意性所示。如曲线106中示意性所示，在多层堆叠16上的单元块厚度的缩放因数中可能存在多个线性或非线性波动的周期。
[0048] 另一实施例可以包括曲线101-106(或其他曲线)的至少两个单元块配置的组合。如图9所示，单元块14的厚度不是厚度变化的详尽列表，并且为简单起见，将示意性示出的单元块的数量保持为低。典型的薄膜滤光片10将具有数十到数百个单元块14。
[0049] 例如，图10表示包括两组四分之一波长层堆叠16的滤光片的透射光谱，每组用于不同的波长。在代表性示例中，每个四分之一波层堆叠16具有126个双层，其中每个双层是两层的单元块，或者多个双层可以形成单个单元块，对应于每个由聚甲基
丙烯酸甲酯(PMMA)和折射率不同于PMMA的第二种热塑性聚合物构成的多层堆叠16的252个层。一个堆叠16中的层18各自具有约81nm的厚度，第二堆叠16中的层18各自具有约108nm的厚度。这种布置提供了具有两个陷波的透射率曲线。
[0050] 用于图10中的透射光谱的滤光片10在两个堆叠16之间具有0.025mm厚的PMMA中间层22，并且在装置的任一侧上具有一个0.025mm厚的PMMA层作为保护护套层12。该双陷波滤光片10的总厚度约为0.122mm。该装置的透射率曲线在约30nm至40nm的阻挡带宽和小于3％的过渡斜率(如上文定义)上在488nm和647nm附近的两个波长范围内提供超过99.9％的阻挡。
[0051] 如果每个堆叠16中的双层数量减少到36，则所得的滤光片仍将能够阻挡多达99％的相同波长范围。然而，通过共同拉伸滤光片层，可以生产许多双层，而无需昂贵的涂覆过程。
[0052] 图11公开了构成带通滤光片的滤光片的另一示例。所示示例是具有与上述示例中提到的相同聚合材料的总共580个双层的滤光片的透射光谱，其具有在138nm和243nm之间的范围内变化的各个层的厚度以及0.025mm厚的外侧保护护套层。该滤光片的总厚度约为0.27mm。
[0053] 可以通过堆叠比最终层18以及可选地12和22厚得多的片材来创建高低透射率的选择带，包括在上述示例中公开的带，但是可选地12和22与最终层具有相同的相对厚度比例，其以预成型件的形式，随后通过炉子可能重复地进行拉伸，以沿纵向方向拉伸直到层厚度减小到足以它们达到所需尺寸，同时保持其厚度比例。
[0054] 在另一示例中，具有如上所述的缩放因数变化的单元块14的周期性可以被由至少一种构成材料或不同材料制成的至少一个缺陷层中断，使得至少一个缺陷层的厚度不遵循其余多层堆叠16的单元块14的周期性图案。这种布置创建了法布里·珀罗共振腔，其产生了非常窄的高透射率带。
[0055] 图12示出了具有由单元块14构成的总共1800个层的滤光片10的透射谱的代表性示例，每个单元块14中的平均层厚度在64nm至114nm的范围内变化。178nm厚的缺陷层22中断了层厚度的周期性，从而提供了表示窄带通滤光片的光透射率曲线。在图12的示例中使用的滤光片在滤光片的任一侧上具有0.025mm厚度的保护护套层，总滤光片厚度为约0.21mm。
[0056] 最终图13示出了具有三个不同厚度的缺陷层22的滤光片的透射光谱，该缺陷层22三次中
断层周期性。用于图13的滤光片在滤光片的两侧具有0.025mm厚度的类似的保护护套层12，总滤光片厚度约为0.211mm。
[0057] 作为PMMA的替代，聚
碳酸酯可与折射率不同于聚碳酸酯的其他热塑性聚合物一起用作主要基质聚合物。含有不同比例的砷化物、硫、硒化物或锗的硫属化物玻璃材料具有与某些热塑性塑料(比如聚碳酸酯、聚醚酰亚胺和聚醚砜)兼容的热和机械性能。超薄柔性滤光片可以由至少一种聚合物和至少一种这种玻璃状材料的交替层制成。
[0058] 尽管以上描述构成了本发明的优选实施例，但应当理解，在不脱离所附
权利要求的适当范围和合理含义的前提下，本发明可以进行
修改、变化和改变。
