光學元件之鍍膜技術

林子閔

2004/7/14

光學薄膜技術的應用產業

Characteristics of so-called classical optical coatings

λ

R

λ

T

λ

T

λ

R

λ

T

λ

T

λ

R

λ

T

λ

R

ANTI-REFLECTION

COATINGHIGH

REFLECTION

NEUTRALBEAM

SPLITTER

SHORT PASS EDGE FILTER

LONF PASS EDGE FILTER

NARROW BANDPASS MINU FILTER

WIDEBANDP

ASS

POLARIZING BEAM SPLITTERRp

Rs

光學鍍膜

• 光學薄膜基本上是藉由干涉作用而達到效果的。是在光學元件上或獨立的基板上鍍上一層或多層的介電質膜或金屬膜或介電質膜與金屬膜組成的膜堆來改變光波傳導的特性。因此光波在薄膜中行進才會發生透射、反射、吸收、散射、相位偏移等變化。

• 光波經過薄膜後在光譜上會起變化，因此這些變化會使得光學薄膜至少具有下列功能：

1.反射率的提高或穿透率的降低

2.反射率的降低或穿透率的提高

3.雙色、偏極光的分光作用

4.光譜帶通或截止等濾光作用

5.輻射器之光通量調變

6.光電資訊的儲存及輸入

干涉作用在膜層中，光波的干涉結果，如R%、T%都是與膜質本身和兩邊界

邊的折射率有關，相位變化也是如此。

由干涉作用造成的反射率有時升高，有時反而降低，都要視膜層折射率高於或低於基板折射率而定。

若Nf>Ns，則反射率會提高

Nf<Ns，則反射率會降低

因此若要在鏡片上鍍上抗反射膜，薄膜的折射率就必須小於基板的折射率，且膜厚要在1/4波長的奇數倍，才會使反射率達到最小。

AIR

Thin Film

Substrate

No

Nf

Ns

若以反射率能完全降至零的薄膜折射率觀點來看，膜的折射率n就必須滿足n=√(NoNs)。

d

鍍膜目的：

1.美觀

2.減少反射增加光學系統的透射率

3.提高影像清晰度

4.提高附加價值

影響一面平面透鏡的透光度有許多成因。鏡面的粗糙度會造成入射光的漫射，降低鏡片的穿透率。此外材質的吸光性，也會造成某些入射光源的其中部分頻率消散的特別嚴重。

• 上圖中A爲入射影像。在沒有鍍膜的情況下，由於表面的反射會造成穿透的影像成爲A’；因此整個光學系統中若無做抗反射處理則入射光會在系統的各介面來回反射而造成迷光、鬼影，降低影像的清晰度。

鍍膜的折射率

若由介質 n2垂直入射至 n1反射率＝[ (n2 －n1) / (n2+n1) ]

2

穿透率＝4n2n1 / (n2+n1)2

透射光

入射光

反射光

鍍膜的光程差

• 要探討的是鍍膜厚度的不同，會有什麼影響？我們已經知道透光度與鍍膜的折射率有關，但是卻無關於它的厚度。可是卻影響我們要的光頻譜，在光經過薄膜厚度的過程中，會發現反射光A與反射光B相差 nf×2d的光程差。

入射光

反射光透射光

nf×2d＝（N+ 1/2）λ其中 N= 0,1,2,3,4,5.....λ爲光在空氣中的波長

則會造成該特定波長的反射光有相位的效應，因此反射光的

顔色會改變

lens

OLPF

IMAGE

SENSOR

OLPF

IR CUT FILTERIR CUT FILTER

Optical Low Pass Filter

film CMOS/CCD

取樣不到

Nyquist frequencefN=1/2p

鏡頭的MTF>sensor 造成aliasing: movie patten ,false colorOLPS可以減少aliasing現象,但犧牲鏡頭的品質來配合sensor

OLPF簡介

LENS CCD

OLPF Cover Glass

OLPF組成• Type1

• Type2

• Type3

石英

Surface AR coatingSurface IR coating

石英

石英

石英

石英

Surface AR coatingSurface IR coating

Surface AR coatingSurface AR coating

IR Absorption Filter

取像模組結構

Optical lens

IR Filter

Cover glasssensor

Sensor package

傳統PLCC/CLCC工法

IR-Cut Filter

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

200 400 600 800 1000 1200

Sun emission

IR

Human sensitivitySilicon sensitivity

sensitivityemission

UV

IR

IR for day&night

Two types of IR Cut

• Reflection type.光學薄膜但會有angle shift

.IR的潔淨度取決於的擺放的位置

.IR代替cover glass封裝難度較高,particle>pixel size

• Absorption type. 染色玻璃,吸收紅外光

.材質較軟,且有hydroscopic問題

.表面須鍍ar-coating

D263T

藍玻璃(dye)

Surface coating

IR for deep

MI

UV-IR

偏光轉換器工作原理

而PS-Converter的製作是在適當厚度的平板玻璃上以蒸鍍方式鍍上偏光分離薄膜或反射膜層，將鍍有不同薄膜的平板玻璃相間堆疊黏合後，沿粘著面45o角方向切割成適當厚度，將切割面研磨拋光，貼上條狀的1/2波片，然後鍍上抗反射膜。

P+S

S

S

偏光分離膜 ½波片

反射面

PBS

而而分色鏡也算是多層薄膜元件的一種，因此具分色鏡也算是多層薄膜元件的一種，因此具有多層真空鍍膜技術的廠商都有能力生產，尤有多層真空鍍膜技術的廠商都有能力生產，尤其是具離子輔助鍍膜其是具離子輔助鍍膜((Ion Assisted Deposition)Ion Assisted Deposition)技術的廠商更能產出高品質的分色鏡。技術的廠商更能產出高品質的分色鏡。

AB

C

AB

C

厚度漸變的分色鍍膜

DM1

45°

35°55°

DM2

35°

45°

55°

LCOS PBS and X-Prism

分光主要是利用雙色鏡將光源中之R、G、B三原色分離， R、G、B三原色通過LCOS面板前的偏極化分光鏡後，偏極化分光鏡會反射S偏光進入LCOS面板，當液晶為暗態時，入射於LCOS面板的S偏光將被反射回來，無法進入合光稜鏡，而當液晶顯示為亮態時，S偏光將改變成P偏光，穿透偏極化分光鏡後再透過合光稜鏡將三

原色的光訊號合併成欲投影之影像。

S

S

LCOS面板OFF

SP

LCOS面板ON

P G(p)

B(s)R(s)

GR B

TIR PRISM

•• 而而Integrating RodIntegrating Rod 的構造可為中空或是實心的，中空的的構造可為中空或是實心的，中空的RodRod則是用方形玻璃棒將表面研磨拋光，讓光能在則是用方形玻璃棒將表面研磨拋光，讓光能在RodRod的表面的表面全反射。實心的全反射。實心的RodRod製作上比較容易，結構也比較強固，製作上比較容易，結構也比較強固，但是需要較長的長度讓光均勻化，且挾持上比較困難但是需要較長的長度讓光均勻化，且挾持上比較困難((挾持挾持處的全反射會被破壞處的全反射會被破壞))。另外，出光面若沾上灰塵時螢幕上。另外，出光面若沾上灰塵時螢幕上會出現斑點，是實心的會出現斑點，是實心的RodRod致命傷致命傷。。中空的中空的RodRod除了結構比除了結構比較脆弱外，使用上的問題較少，因此目前較脆弱外，使用上的問題較少，因此目前DLPDLP投影機大都投影機大都使用中空的使用中空的Integrating RodIntegrating Rod。。

Lamp withellipsoidalreflector

Arc source

Imagesof arc

Integrating rod

Rod enduniformlyilluminated

Integrating Rod

ROD

70°

55°

60°

Color Wheel

TIR Prism

TIR Prism中兩個菱鏡間介面的反射膜,必須對大角度的光作設計跟製作,另外菱鏡黏合時如何維持均勻的間隙及足夠的結構強度,亦是製作的重點.

DMD ONDMD OFF

Input Light

TIR

光碟機光學讀取頭結構傳統光學讀取鏡頭 全像型光學頭

Objective Lens

Collimating Lens

Diffraction grating

Laser Diode

Laser Diode

Beam splitter

photodetector

Cylindrical Lens

Objective Lens

Holographic optical

element (HOE)

全像模組

Collimating Lens

photodetector

光學讀取頭之光學元件與功能

將雷射光聚集在感測器上將雷射光聚集在感測器上

產生所需的繞射光束產生所需的繞射光束((包括包括GratingGrating，，HOE)HOE)

將將雷射光聚焦在光碟資料層上雷射光聚焦在光碟資料層上

將光行進方向改變將光行進方向改變

將雷射二極體所發出的光調整為平行光將雷射二極體所發出的光調整為平行光

可將不同偏極化光可將不同偏極化光((PP極化與極化與SS極化極化))

將入射光分成反射光及穿透光將入射光分成反射光及穿透光

準直鏡準直鏡

感測器感測器透鏡透鏡

繞射光柵繞射光柵

物鏡物鏡

摺疊鏡摺疊鏡

偏極偏極化菱鏡化菱鏡

分光鏡分光鏡

Cavity Filter for DWDM deposited with an APS 1104

• Bandwidth-0.5dB(90%):1.0nm-3dB(20%):1.4nm-20dB(1%):3.1nm-40dB(0.01%):5.6nm

• Temperature shift of center wavelength on float glass:3.9x10-3

nm/K(2.5ppm/K) on BK7:4.6x10-3 nm/K(2.95ppm/K)on quartz:13.8x10-3 nm/K(8.9ppm/K)

The sight draft of batch DC pulse sputter chamber：Tg is sputtering target connect with the power supply

、S is mask 、Sub is the substrate holder

批量生產用DC濺鍍機艙體側視圖：Tg為濺鍍靶材與DC電源供應器相接、 S為遮版、 Sub為基板支撐

架

批量生產用DC濺鍍機艙體俯視圖The vertical view of batch DC pulse

sputter chamber

離子助鍍鍍膜機示意圖，M或MOx為蒸鍍材料Schematic diagram of ion-assisted deposition with

electron beam gun and ion source

ProductsProductsCCD Optical CCD Optical Component:Component:

IR-cut filter, Low pass filter & IR-absorb filter

Project Display Project Display Optical Component:Optical Component:

Dichroic filter, UV-IR filter , PBS & Mirror

CMOS Bare Glass CMOS Bare Glass & IR Cover Glass& IR Cover Glass

Optical Lens, Optical Lens, Prism polish & Prism polish & CoatingCoating

TFT LCD的應用

資料來源:友達光電

End