反射防止コーティング

 

本発明は、光学コーティングに関し、光通信および情報処理のためのディスプレイまたは他のデバイスの外表面からの可視光の反射を大幅に低減するために使用され得る。様々な実施形態における反射防止コーティングは、2層または3層からなり、これらの層は、様々な実施形態において2〜12ナノメートルに及ぶ厚さの1つの金属層と、ある特定の範囲内の屈折率および厚さを有する1つまたは2つの非金属層とを含み、金属層は、非金属層と基板との間、または非金属層間のいずれかに配置される。
【選択図】図1

 

 

本発明は、光学コーティングに関し、特に、光通信および情報処理のためのディスプレイおよびデバイスから周囲光の反射を回避、もしくは、大幅に低減することができる反射防止光学コーティングに関する。
例えば、2004年にSPIE,Washington,USAによって発行されたP.W.Baumeisterの「Optical Coating Technology」頁1〜3、図1〜7、および頁4〜11、項4.3.2に記載された基板上の周知の反射防止コーティングは、基板屈折率未満の屈折率を有し、かつ四分の一波長の光学的厚さ(層の光学的厚さは、層の物理的厚さに層の屈折率を乗じた厚さである)の1つの非金属層を含む。この既知の反射防止コーティングは、周囲光残留反射をベア基板の4〜5%から1.5〜2%にまで減少させる。この1層反射防止コーティングの欠点は、残留反射が比較的高いことである。
例えば、2004年にSPIE,Washington,USAによって発行されたP.W.Baumeisterの「Optical Coating Technology」頁4〜12、項4.3.3.1に記載された基板上の別の周知の反射防止コーティングは、基板屈折率を超える屈折率を有する第1の非金属層と、第1の非金属層の屈折率未満の屈折率を有する第2の非金属層とを含み、第1の非金属層は、第2の非金属層と基板との間に配置される。この既知の反射防止コーティングは、周囲光残留反射をベア基板の4〜5%から0.5〜1%にまで減少させる。この2層反射防止コーティングの欠点は、必要とされる中間色調ではなく反射光の鮮やかな色にある。
例えば、2004年にSPIE,Washington,USAによって発行されたP.W.Baumeisterの「Optical Coating Technology」頁1〜14、項1.3.1.3に記載された基板上の更に別の周知の反射防止コーティングは、高反射率の層と低反射率の層を交互に積層した一組の層(4層以上)を含む。この既知の反射防止コーティングは、周囲光残留反射をベア基板の4〜5%から0.1〜0.5%にまで減少させる。この多層反射防止コーティングの欠点は、調整困難な多くの蒸着層に起因する比較的高い製造コストにある。
高透過性だが可視域パネル内の反射熱(赤外域)が米国特許第4,327,967号に開示されている。このパネルは、ガラス基板上に蒸着した2以上の屈折率を有する1つの非金属層と、この非金属層上に蒸着した金層と、反射色の中性のために金層を被覆する他の金属の薄層とを含む。このパネルの欠点は、可視域での比較的高い反射(>8%)である。
本発明の目的は、基板上への反射防止コーティングが、必要とされる中間色調で0.1〜0.5%まで低い可視光の周囲光残留反射を提供することである。
本発明の他の目的は、必要とされる中間色調での低い周囲光残留反射を提供しながら、反射防止コーティングの複数層(3層以下)の量を最小限にすることであり、したがって、これは低コストを確保する。
本発明の第1の実施形態によれば、可視光に対するこれらの目的は、2〜5ナノメートルの厚さの1つの金属層と、1.3〜1.6の反射率および40〜80ナノメートルの厚さを有する1つの非金属層とを含む基板上の反射防止コーティングであって、金属層が非金属層と基板との間に配置される反射防止コーティングで実現される。
本発明の第2の実施形態によれば、可視光に対するこれらの目的は、2〜12ナノメートルの厚さの1つ金属層と、1.7以下の屈折率および30〜100ナノメートルの厚さを有する第1の非金属層と、1.7を超える屈折率および10〜50ナノメートルの厚さを有する第2の非金属層とを含む基板上の反射防止コーティングであって、第2および第1の非金属層の屈折率の差が0.3以上で、第2の非金属層が基板上に配置され、金属層が第2の非金属層上に配置され、第1の非金属層が金属層上に配置される反射防止コーティングで実現される。
本発明は、提示された技術的解決の全ての権利範囲に完全に網羅されることなく、かつそれらを限定されることなく、反射防止コーティングのいくつか実施形態を示す図面によって明確にされる。
1.6以下の屈折率を有する1つの非金属層、および非金属層と基板との間に配置された2〜5ナノメートルの厚さの1つの金属層からなる反射防止コーティングの第1の実施形態を示す図である。 図1による反射防止コーティングの周囲可視光反射スペクトルを示す図である。 1.7以下の屈折率を有する第1の非金属層、1.7を超える屈折率を有する第2の非金属層、および1つの金属層からなる反射防止コーティングであって、第2の非金属層が基板上に配置され、金属層が第2の非金属層上に配置され、第1の非金属層が金属層上に配置される、反射防止コーティングの第2の実施形態を示す図である。 図3による反射防止コーティングの周囲可視光反射スペクトルを示す図である。
図1では、2〜5ナノメートルの厚さの1つの金属層1と、1.3〜1.6の反射率および40〜80ナノメートルの厚さを有する1つの非金属層2とを含む可視光に対する基板3への反射防止コーティングであって、金属層1が非金属層2と基板3との間に配置される反射防止コーティングの第1の実施形態が示される。
反射防止コーティングは、次のように機能する。周囲白色光4は、反射防止コーティングに入り、「空気と非金属層2との界面」、「非金属層2と金属層1との界面」、「金属層1と基板3との界面」の各界面から反射される。反射光の弱め合う干渉の結果として、反射光5の全強度は、ある特定かつ適切に選択された非金属層1の厚さおよび屈折率、ならびに金属の光学特性およびその厚さにおいて非常に低くなる。
好ましくは、金属層は、金Au、銀Ag、アルミニウムAl、銅Cu、クロムCr、チタンTi、ニッケルNi、マンガンMn、モリブデンMo、ビスマスBi、スズSn、ロジウムRh、白金Pt、アンチモンSb、およびこれらの物質の任意の合金または固溶体を含む群から選択される金属から作製される。基板3および先述の非金属層2とより良好に付着するために、金属層1は、1ナノメートル以下の厚さを有し、かつクロムCr、チタンTi、ニッケルNi、バナジウムV、ジルコニウムZr、ハフニウムHf、ニオブNb、モリブデンMo、およびこれらの物質の任意の混合物、合金、または固溶体を含む群から選択される材料から作製された副層をさらに含むことができる。
金属層1の厚さは、どの金属が使用されるかということ、ならびに非金属層2の厚さおよび屈折率に依存し、2〜5ナノメートルの範囲となる。2ナノメートル未満の金属厚は、可視反射対非金属層のみに大きな影響を与えない。5ナノメートルを超える金属厚は、「青色」および「赤色」波長域での可視反射、およびそれ故の可視白色光の全反射を増加させ、望ましくない鮮やかな色の反射光も発生させる。
熱蒸着、電子ビーム蒸着、粉砕、イオンビーム、陰極粉砕、プラズマ気相化学成長による成膜など、良く知られた方法が基板3への金属層1の成膜に使用されうる。
非金属層2は、マグネシウム、カルシウム、バリウム、アルミニウム、フッ化ランタン、MgF、CaF、AlF、LaF、SiО、および先述の物質の任意の混合物、合金、または固溶体を含む群から選択される物質から作製される。アクリレートポリマーおよびフルオロポリマーからなる有機ポリマー基も使用される。ここには記載されていない1.6以下の屈折率を有する他の材料が使用可能である。
非金属層2の厚さは、非金属物質の種類、主にその屈折率、ならびに金属層1の厚さおよび種類に依存し、その範囲は40〜80ナノメートルである。熱蒸着、電子ビーム蒸着、粉砕蒸着、イオンビーム、陰極粉砕、プラズマ気相化学成長による成膜など、良く知られている方法が、非金属層2の成膜に使用されうる。湿式塗布方法も使用できる。
基板3(ディスプレイまたは他のデバイスの外表面)は、誘電材料、例えば、ガラスまたはポリマーから作製される。
図2では、図1による反射防止コーティングの周囲可視光反射スペクトルが示される。白色光の残留反射が0.35%以下であり、ほぼ中間色調を有する(可視スペクトル領域内の均一反射に起因する)ことが明確に見える。
図3では、本発明の第2の実施形態が示され、可視光に対する基板3上への反射防止コーティングは、2〜12ナノメートルの厚さの1つ金属層1と、1.7以下の屈折率および30〜100ナノメートルの厚さを有する第1の非金属層2と、1.7を超える屈折率および10〜50ナノメートルの厚さを有する第2の非金属層6とを含み、0.3以上の第2および第1の非金属層関の屈折率の差を有し、第2の非金属層6が基板3上に配置され、金属層1が第2の非金属層6上に配置され、第1の非金属層2が金属層1上に配置される。
反射防止コーティングは、次のように機能する。周囲白色光4は、反射防止コーティングに入り、「空気と非金属層2との界面」、「非金属層2と金属層1との界面」、「金属層1と第2の非金属層6との界面」、「第2の非金属層6と基板3との界面」の各界面から反射される。反射光の弱め合う干渉の結果として、反射光5の全強度は、金属および非金属材料の適切な選択、非金属層2および6のそれらの厚さおよび屈折率に対して非常に低くなる。
好ましくは、金属層は、金Au、銀Ag、アルミニウムAl、銅Cu、クロムCr、チタンTi、ニッケルNi、マンガンMn、モリブデンMo、ビスマスBi、スズSn、ロジウムRh、白金Pt、アンチモンSb、および先述の物質の任意の混合物、合金、固溶体、または金属間化合物を含む群から選択される金属から作製される。先述の非金属層6および先述の非金属層2へ良港に付着させるために、金属層1は、1ナノメートル以下の厚さを有し、かつクロムCr、チタンTi、ニッケルNi、バナジウムV、ジルコニウムZr、ハフニウムHf、ニオブNb、モリブデンMo、および先述の物質の任意の混合物、合金、固溶体、または金属間化合物を含む群から選択される材料から作製された副層をさらに含むことができる。
金属層1の厚さは、金属の種類、ならびに非金属層2および6の厚さおよび屈折率に依存し、2〜12ナノメートルである。2ナノメートル未満の金属厚は、可視反射と非金属層に大きな影響を与えない。12ナノメートルを超える金属厚は、「青色」および「赤色」波長域での可視反射、およびそれによって可視白色光の全反射を増加させ、望ましくない反射光の鮮やかな色も発生させる。
非金属層6上への金属層1の成膜に使用される方法は、マグネトロンスパッタリング、熱蒸着、電子ビーム、粉砕、イオンビーム、陰極粉砕、(プラズマ成長)化学気相成長による蒸着などが知られている。
非金属層2および6の成膜に使用される方法は、マグネトロンスパッタリング、熱蒸着、電子ビーム蒸着、ゾルゲル、(プラズマ成長)化学気相成長などが知られている。
1.7以下の屈折率を有する非金属層2は、マグネシウム、カルシウム、バリウム、アルミニウム、フッ化ランタン、MgF、CaF、BaF、AlF、LaF、二酸化ケイ素SiО、および先述の物質の任意の混合物、合金、または固溶体、ならびにアクリレートポリマーおよびフルオロポリマーからなる有機ポリマー基を含む群から選択される材料から作製される。アクリレートポリマーおよびフルオロポリマーからなる有機ポリマー基も使用される。ここには記載されない1.7以下の屈折率を有する他の材料も使用可能である。
非金属層2の厚さは、非金属材料の種類、主にその屈折率および厚さ、ならびに金属層1の種類に依存し、30〜100ナノメートルである。1.7を超える屈折率を有する第2の非金属層6は、サファイアAl、二酸化チタンTiO、硫化亜鉛ZnS、五酸化タンタルТаО、セレン化亜鉛ZnSe、ガリウムリンGaP、窒化ガリウムGaN、インジウムスズ酸化物ITO、五酸化ニオブNb、モリブデン酸鉛PbMoO、窒化ホウ素BN、窒化ケイ素Si、窒化アルミニウムAlN、ケイ素Si、ゲルマニウムGe、セレンSe、半導体A型、半導体A型、半導体A型(ヒ素、アンチモン、およびビスマスカルコゲニド)、ならびに先述の物質の任意の混合物または固溶体を含む群から選択される材料から作製される。
非金属層6の厚さは、層2および6の両方の非金属材料の種類、主にその反射率、ならびに金属層1の厚さおよび種類に依存し、10〜50ナノメートルとなる。
第2および第1の非金属層の屈折率間の差は、0.3以上である。0.3より小さい差は、「青色」および「赤色」波長域での可視反射、および可視白色光の全反射を増加させ、望ましくない鮮やかな色の反射光をも発生させる。
基板(ディスプレイまたは他のデバイスの外表面)は、誘電材料、例えば、ガラスまたはポリマーから作製される。
図4では、図3による反射防止コーティングの周囲光反射スペクトルが示される。白色光の残留反射が0.2%以下であり、中間色調を有する(可視スペクトル領域内の均一反射に起因する)ことが明確に見える。
本明細書で記載される反射防止コーティングの集約属性によって確保された技術的結果は、周囲光残留反射を必要とされる中間色調で0.1〜0.5%まで低下することができる。同様に、反射防止コーティングは3層以下となり、低コストを確保する。
この結果は、非金属層の厚さ、それらの屈折率、および金属層の厚さの最適なバランスによって実現される。



  1. 可視光に対する基板上の反射防止コーティングであって、
    2〜5ナノメートルの1つ金属層と、
    1.3〜1.6の反射率および40〜80ナノメートルの厚さを有する1つの非金属層と、を含み、
    前記金属層が前記非金属と基板との間に配置される、反射防止コーティング。

  2. 前記金属層は、金Au、銀Ag、アルミニウムAl、クロムCr、チタンTi、ニッケルNi、マンガンMn、モリブデンMo、ビスマスBi、スズSn、および先述の物質の任意の混合物、合金、固溶体、または金属間化合物を含む群から選択される材料から作製される、請求項1に記載の反射防止コーティング。

  3. 前記金属層は、1ナノメートル以下の総厚であり、かつクロムCr、チタンTi、ニッケルNi、バナジウムV、ジルコニウムZr、ハフニウムHf、ニオブNb、モリブデンMo、および先述の物質の任意の混合物、合金、または固溶体を含む群から選択される金属から作製された副層をさらに含む、請求項2に記載の反射防止コーティング。

  4. 前記先述の非金属層は、MgF、CaF、BaF、SiО、AlF、LaF、および先述の物質の任意の混合物または固溶体、ならびにアクリレートポリマーおよびフルオロポリマーを含む有機ポリマー基を含む群から選択される材料から作製される、請求項1に記載の反射防止コーティング。

  5. 可視光に対する基板上の反射防止コーティングであって、
    2〜12ナノメートルの厚さの1つ金属層と、
    1.7以下の屈折率および30〜100ナノメートルの厚さを有する第1の非金属層と、
    1.7を超える屈折率および10〜50ナノメートルの厚さを有する第2の非金属層と、を含み、
    0.3以上の第2および第1の非金属層の屈折率間の差を有し、
    第2の非金属層が基板上に配置され、前記金属層が第2の非金属層上に配置され、第1の非金属層が前記金属層上に配置される、反射防止コーティング。

  6. 前記金属層は、金Au、銀Ag、アルミニウムAl、クロムCr、チタンTi、ニッケルNi、マンガンMn、モリブデンMo、ビスマスBi、スズSn、および先述の物質の任意の混合物、合金、固溶体、または金属間化合物を含む群から選択される材料から作製される、請求項5に記載の反射防止コーティング。

  7. 前記金属層は、1ナノメートル以下の総厚であり、かつクロムCr、チタンTi、ニッケルNi、バナジウムV、ジルコニウムZr、ハフニウムHf、ニオブNb、モリブデンMo、および先述の物質の任意の混合物、合金、または固溶体を含む群から選択される金属から作製された副層をさらに含む、請求項6に記載の反射防止コーティング。

  8. 前記第1の非金属層は、MgF、CaF、BaF、SiО、AlF、LaF、および先述の物質の任意の混合物または固溶体、ならびにアクリレートポリマーおよびフルオロポリマーからなる有機ポリマー基を含む群から選択される材料から作製される、請求項5に記載の反射防止コーティング。

  9. 前記先述の第2の非金属層は、二酸化チタンTiO、硫化亜鉛ZnS、五酸化タンタルТаО、セレン化亜鉛ZnSe、ガリウムリンGaP、インジウムスズ酸化物ITO、窒化ガリウムGaN、五酸化ニオブNb、モリブデン酸鉛PbMoO、窒化ホウ素BN、窒化ケイ素Si、窒化アルミニウムAlN、ケイ素Si、ゲルマニウムGe、セレンSe、半導体A型、半導体A型、半導体A型(ヒ素、アンチモン、およびビスマスカルコゲニド)、ならびに先述の物質の任意の混合物または固溶体からなる群から選択される材料から作製される、請求項5に記載の反射防止コーティング。

 

 

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