CN113253370A - 一种防眩光的宽角度宽波长减散射膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防眩光的宽角度宽波长减散射膜，包括基底以及设置在基底上的介质多层膜。基底为硬质玻璃，其镀膜表面上制有粗糙的微结构。多层减散射膜由宽角度导纳匹配层和宽波长导纳扩展层组成，其中宽角度导纳匹配层由次高折射率Ta2O5膜和中间折射率Al2O3膜两种薄膜交替组成，宽波长导纳扩展层由高折射率TiO2膜、次高折射率Ta2O5膜、中间折射率Al2O3膜和低折射率SiO2膜四种薄膜共同组成。减散射膜在镀制过程中采用强离子束辅助轰击和高基底温度。这种减散射膜在空气中的入射角范围可达0°～70°，波长宽度可达450nm～650nm，具有优良的宽角度宽波长防眩光效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种防眩光的宽角度宽波长减散射膜，可有效消除强光背景下显示面板的眩光，提高显示面板的图像对比度和清晰度，技术领域属于薄膜光学范畴。
背景技术
手机、相机、电脑以及各种车载、机载的平显系统和导航仪器等常常会在诸如太阳光等强光背景下使用，此时观察人眼必然会被刺眼的强光所困扰，这种眩目刺眼的背景干扰强光常称为眩光(Glare)。眩光的危害性很大，轻则降低显示信息的对比度和清晰度，重则根本无法看清显示的内容；更为甚者，刺眼的强光使人的眼睛疲惫不堪，甚至使人的眼睛受到伤害。正因为这样，目前国内外具有风向标引领作用的苹果和华为等公司率先试图把防眩技术引入手机、电脑等显示面板，这是一项颇具前瞻性的显示面板的革新！
眩光的产生机理并不复杂，其根本的原因就是显示面板表面对背景干扰强光的强烈反射、漫反射和散射引起的，特别是反射光，它被认为是最刺眼的眩光。基于这种认识，目前直接提出对显示面板进行表面处理，使面板表面形成凹凸不平的粗糙微结构，从而使背景的强干扰光产生散射而非直接反射进入观察人眼，起到缓释眩光的效果；然后再利用基于光学薄膜的干涉效应使面板表面的反射或散射降低到1％以下，从而使反射或散射引起的眩光大大降低，产生满意的防眩效果，这种薄膜常称减反射膜或减散射膜。
不幸的是，防眩技术的引入必然会带来一个减反射膜或减散射膜宽角度宽波长的难题。虽然现今的各种光学、光电和激光仪器中，减反射膜已无处不在！但这些减反射膜都是通过系统优化设计的，通常都能限制光线在空气中的入射角足够小，比如说20°或30°以内。显然，这在防眩光系统中是行不通的，因为背景的干扰强光是随机地来自四面八方，虽说空气中入射角大于80°的掠入射情况几乎不太可能，但在空气中入射角从0°直到70°，甚至直到80°却是自然的情况，这就是防眩光的宽角度要求。这个宽角度要求进而又会引起宽波长的困难，现有的小入射角减反射膜要实现可见光300nm的宽波长减反射原则上已没有困难，但对0°～70°的宽角度情况，波长宽度就只能达到几nm到几十nm，甚至很难达到100nm。显然，这在防眩光系统中是远远不够的，因为背景的干扰强光是可见光，即使除去可见光两端对人眼刺激比较小的那些波长，剩下的波长区域450nm～650nm也尚有200nm的宽度，这就是防眩光的宽波长要求。
本发明的主要目的就是要实现防眩显示面板宽角度宽波长的减反射膜或减散射膜，在具有表面微结构的硬质光学玻璃基底上，通过在微结构表面上设置由二种薄膜组成的宽角度导纳匹配层和由四种薄膜组成的宽波长导纳扩展层，最终实现宽角度宽波长的减反射膜或减散射膜。
发明内容
本发明旨在提供一种防眩光的宽角度宽波长减散射膜(即防眩光的宽角度宽波长减反射膜或减散射膜)，以有效地抑制强光背景下显示面板的眩光，提高显示面板的图像对比度和清晰度，这对强光背景下使用的显示系统具有重要的实用意义。
本发明的构思如下。
本发明主要分二步来实施，第一步在硬质光学玻璃表面构建凹凸不平的粗糙微结构，将背景干扰强光的反射变成散射，也就是说，把强烈的定向反射眩光转化为分散的散射眩光，从而缓解刺眼的眩目强光；第二步在玻璃基底的粗糙微结构表面上制作宽角度宽波长的减反射膜或减散射膜，基本达到抑制反射或散射眩光之目的。这里，首先需要指出的是，若能合理选择微结构的参数，则背景干扰强光就可在微结构表面产生完全的散射，而不再含有反射光或漫反射光，这意味着微结构已将入射光完全转变为散射光，此时减反射膜的功能实际上已完全演变成减散射膜，故本发明下面称这种微结构表面上的减反射膜为减散射膜。
具体的构思描述如下。
第一，构建粗糙的微结构表面。
在硬质光学玻璃表面采用光学冷加工的粗磨法构建表面粗糙的微结构。微结构的尺寸大小，主要取决于金刚砂的尺寸，这就是说，通过调节金刚砂的粗细可以方便地获得不同尺寸的微结构。微结构的平均直径和平均深度可以借助于表面轮廓仪等设备测量得到，得到的微结构参数可以用来分析微结构的散射特性。
描述表面散射常有两个非常重要的微结构参数：表面均方根粗糙度σ和相关长度
σ表示粗糙表面在垂直方向上偏离平均平面(或平均高度)的不规则程度，它在很大程度上表征粗糙表面的散射大小。σ越大，表面的起伏越大，则散射越大；反之，σ越小，表面越光滑，则散射越小。相关长度
表示粗糙表面在水平方向上不规则峰的平均间距，它不仅与散射大小有关，而且决定了散射光的角度分布。当
时，
越大，表示表面不规则峰越疏，散射光主要集中在反射光附近，产生漫反射；随着
逐渐变小，表示不规则峰起伏变密，散射光会分布于较大的立体角内，产生完全散射。
对于单个粗糙微结构表面，若其特征可以用统计参数均方根粗糙度σ和相关长度
表示，则当光线垂直入射到粗糙表面上时，借助于标量理论，可从克希霍夫衍射积分推导得到反射散射光SR为：
其中R0是该表面为理想光学表面时的反射率。据式(1)可知：粗糙表面的散射与均方根粗糙度σ、相关长度
和波长λ的关系均为平方因子；σ和
增大，散射增加，而波长λ增大，散射减小；相同的σ和
值，σ对散射的贡献要比
大；在可见光区，亚微米级的σ和
就可使反射基本上转化为散射，考虑到在微结构表面上设计宽角度宽波长的减散射膜必具较多的膜层数和较厚的膜层厚度，为既确保稳定的完全散射，又确保在粗糙表面上获得优质的连续多层膜，适当增大微结构参数是有利的，故本发明选择微米级或忽米级的微结构参数：微结构的平均直径取9～15微米，由图1，即得到相关长度
微米；微结构的平均深度取3～5微米，由图1，若用正弦曲线近似模拟粗糙表面，则对应的均方根粗糙度为σ＝1.1～1.77微米。对于丝米级或接近丝米级的微结构，由于相关长度太大而易产生漫反射，故本发明不予采用。
上述单个微结构表面若镀上多层减散射膜后则变成多界面，多界面散射的分析要比单表面复杂得多。根据各膜层界面之间粗糙度的相关性，可以有三种不同的计算模型：非相关、部分相关和完全相关。本发明将通过选择合理的微结构参数、选择尽可能少的层数和尽可能薄的膜厚、以及选择强离子辅助和高基底温度工艺，使薄膜生长时不产生额外的粗糙度，使之尽可能地符合完全相关的表面粗糙度模型，即每层膜的表面将完全拓扑复制基底微结构的粗糙度(如图2所示)，这样多界面散射就可近似地用单表面散射来表征。
第二，设计宽角度宽波长减散射膜。
从式(1)可以理解，减反射和减散射实际上是非常相似的，对光滑理想光学表面是减反射，对粗糙表面是减散射，或者对漫反射的情况是同时需要减反射和减散射。进而还可以理解，虽然式(1)是在垂直入射情况下推导出来的，但不难参考已有的大入射角的反射公式，把垂直入射的散射推广到大入射角的散射。
欲设计宽角度宽波长减散射膜，首先必须搞清当入射角增大时将会发生什么。简单地说，对一个折射率为n和物理厚度为d的介质，入射角增大时主要发生二个问题：1).膜层或基底介质的折射率n对不同振动方向的光会产生分离，因此需用修正导纳η来表示其折射率，其中ηs表示垂直振动的s偏振光的修正导纳，ηp表示平行振动的p偏振光的修正导纳，它们与光在介质中的折射角θ的关系为：ηs＝n cosθ，ηp＝n/cosθ。由于折射角随着入射角增大而增大，因此入射角越大，ηs和ηp的分离越大，这就造成了对ηs、ηp同时实现导纳匹配的极大困难，且入射角越大，匹配越难，这就是“宽角度”必然面临的一个难题。2).薄膜的相位厚度δ变薄，因为δ＝2πndcosθ/λ中cosθ随折射角θ增大而减小，所以入射角越大，薄膜的相位厚度δ越小，薄膜的特性分光曲线向短波移动越多，这就是说，在宽角度时要在宽波长上实现优良的薄膜特性是不可能的，“宽角度”必然带来“宽波长”的困惑。上述二个问题是入射角对单一介质作用的基本原理，对多种介质的情况问题将会更加复杂。为此，为了增加多种介质的可比性，本发明提出了“归化修正导纳”的概念，所谓归化，就是对本发明提出的高折射率膜、次高折射率膜、中间折射率膜和低折射率膜以及基底和入射媒质空气的修正导纳统一除以cosθ0，其中，θ0是光在空气中的入射角，于是，归化修正导纳就可简单地表示为：ηs＝n cosθ/cosθ0，ηp＝n cosθ0/cosθ。若以n＝2.5、2.0、1.52、1.38分别近似代替本发明的高折射率膜、次高折射率膜、中间折射率膜和低折射率膜，则计算的归化修正导纳与空气中的入射角的关系如图3所示。在图3中，因为常以折射率n＝1.52的玻璃作为基底，所以n＝1.52的一组ηs、ηp曲线可同时作为基底和中间折射率膜的归化修正导纳参考；而n＝1.0是入射媒质空气的归化修正导纳曲线。
由图3可以分析得到：1).除了n＝1.0的空气不会产生归化修正导纳分离外，其它所有介质材料，随着入射角增大，两个偏振光的归化修正导纳都要产生分离，且入射角越大，分离越大，这是设计大角度入射角薄膜系统的根本困难所在，而且这是固有的、不可改变的特性。2).s偏振光和p偏振光的归化修正导纳随入射角增加而上升或下降，这意味着s偏振光的反射或散射随角度增加而上升，而p偏振光的反射或散射随角度增加而下降，当介质归化修正导纳曲线与n＝1曲线相交时则为布儒斯特角(简称布角，θB)，在布角处，p偏振光的反射或散射等于零，这就是说，当入射角处于某介质的布角时，反射或散射全部来自s偏振光。3).对本发明的4种介质薄膜和基底，布角均在60°左右。对n＝2.5的高折射率膜，布角为68°，此时其对应的s偏振光的归化修正导纳己上升得非常大，故s偏振光的反射或散射很大，这是高折射率膜的一个缺点，也是设计宽角度减反射或减散射膜时不乐于使用高折射率膜的主要原因。对n＝1.38的低折射率膜，布角约为54°，此时对应的s偏振光的归化修正导纳尚较低，故s偏振光的反射或散射较小，这是低折射率膜的一个优点，这说明设计宽角度减反射或减散射膜时应该选用尽可能低的折射率，低折射率膜的折射率越低，减反射或减散射特性越好，遗憾的是，真正有用的低折射率介质膜实在是少之又少，且折射率偏高。但另一方面，对空气中同样的入射角而言，高折射率膜中的折射角会明显小于低折射率膜中的折射角，这却是高折射率膜优于低折射率膜之处，说明高折射率膜对抑制波长漂移或实现宽波长特性是非常有益的。4).当布角大于54°而小于70°时，由于p偏振光的反射或散射对所有介质都较小，而s偏振光的归化修正导纳都很大，即反射或散射很大，所以减反射或减散射主要针对s偏振光进行。在这个大入射角区域中，减反射或减散射膜的折射率必须大于基底的折射率，这居然颠覆了薄膜光学中减反射的振幅条件：减反射膜的折射率等于入射媒质和基底折射率乘积的开平方，即减反射膜的折射率必须小于基底的折射率。据此，本发明特意引入次高折射率和中间折射率膜，以满足大入射角时薄膜折射率大于基底折射率的条件。5).对高折射率(H)和低折射率(L)膜而言，s偏振光的ηs H/ηs L之比随入射角增大而增大，而p偏振光的ηp H/ηp L之比随入射角增大而下降，这说明减反射或减散射的带宽对两个偏振光会差异很大，入射角越大，带宽差异越大，这也是实现“宽波长”的障碍之一。以上这五点认知是本发明构建宽角度宽波长减散射膜的依据，本发明只所以提出采用四种薄膜材料，就是基于上述这些认知。
宽角度宽波长减散射膜的四种薄膜材料包括高折射率的二氧化钛(TiO2)膜、次高折射率的五氧化二钽(Ta2O5)膜、中间折射率的三氧二铝(Al2O3)膜和低折射率的二氧化硅(SiO2)膜。高折射率膜TiO2在中心波长550nm的折射率为2.44，次高折射率膜Ta2O5在中心波长550nm的折射率为2.11，中间折射率膜Al2O3在中心波长550nm的折射率为1.62，而低折射率膜SiO2在中心波长550nm的折射率为1.46。本发明的宽角度宽波长减散射膜由宽角度导纳匹配层和宽波长导纳扩展层两部分组成，其中，宽角度导纳匹配层为2～10层，本发明实施例一优选为8层，由基底向外，依次由折射率均高于基底的次高折射率膜Ta2O5和中间折射率膜Al2O3交替组成，以便提高基底-薄膜的组合导纳，使s偏振光在大入射角区域实现较好的导纳匹配，从而实现“宽角度“之目的；而宽波长导纳扩展层为18～25层，本发明实施例一优选为19层，这19层膜同时包含着高折射率的TiO2膜、次高折射率的Ta2O5膜、中间折射率的Al2O3膜和低折射率的SiO2膜四种薄膜，目的是借助于不同材料来分散布角和扩展导纳的范围，从而实现“宽波长”的要求。举例说，如果仅取高折射率的TiO2膜和低折射率的SiO2膜两种材料，则由于高折射率TiO2膜的折射率为2.44，布角接近68°，此时TiO2膜的s偏振光的归化修正导纳达到6.2，而p偏振光的归化修正导纳仅为1，偏振分离很大，形成反射或散射高点，这一高点由于单一材料而不断叠加，最终使其难以突破“宽波长”的困难，选用四种材料后，分散了布角，错开了急剧上升的s偏振光的归化修正导纳，最终使其在“宽波长”上得到了一个满足要求的折衷与均衡。
为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案是：
一种防眩光的宽角度宽波长减散射膜，包括基底以及设置在所述基底上的介质多层膜。基底为硬质光学玻璃，在基底的介质多层膜镀膜面上制有粗糙的微结构。介质多层膜由依次设置在基底上的宽角度导纳匹配层和宽波长导纳扩展层组成。宽角度导纳匹配层和宽波长导纳扩展层共同贡献构成宽角度宽波长的减散射膜。
所述的介质多层膜采用高折射率的二氧化钛TiO2膜、次高折射率的五氧化二钽Ta2O5膜、中间折射率的三氧二铝Al2O3膜、低折射率的二氧化硅SiO2膜、低折射率的MgF2膜中的至少两种。
所述的宽角度导纳匹配层由次高折射率的Ta2O5膜和中间折射率的Al2O3膜两种膜交替组成；
所述的宽波长导纳扩展层由高折射率的TiO2膜、次高折射率的Ta2O5膜、中间折射率的Al2O3膜和低折射率的SiO2膜四种膜共同组成或者由高折射率的TiO2膜、次高折射率的Ta2O5膜、中间折射率的Al2O3膜和低折射率的MgF2膜四种膜共同组成。
进一步地，硬质光学玻璃的折射率为1.45至1.65。
进一步地，在硬质光学玻璃基底的多层膜镀膜表面上，微结构的平均直径为9～15微米，微结构的平均深度为3～5微米。
进一步地，减散射膜的膜层总层数为20～35层，本发明优选27层。
进一步地，高折射率膜TiO2在中心波长550nm的折射率为2.44，次高折射率膜Ta2O5在中心波长550nm的折射率为2.11，中间折射率膜Al2O3在中心波长550nm的折射率为1.62，以及低折射率膜SiO2在中心波长550nm的折射率为1.46。
进一步地，宽角度导纳匹配层的膜层数为2～10层；宽波长导纳扩展层的膜层数为18～25层，其中，高折射率的TiO2膜为1～4层，次高折射率的Ta2O5膜为5～9层，中间折射率的Al2O3膜为4～5层，低折射率的SiO2膜为6～8层。
进一步地，所述的介质多层膜(即高折射率的TiO2膜、次高折射率的Ta2O5膜、中间折射率的Al2O3膜和低折射率的SiO2膜)在镀制过程中采用强离子束辅助轰击，离子束束压为900～1100V，束流为900～1100mA。
进一步地，所述的介质多层膜镀膜(即高折射率的TiO2膜、次高折射率的Ta2O5膜、中间折射率的Al2O3膜和低折射率的SiO2膜)时的基底温度加热到250～300℃。
进一步地，减散射膜在空气中的入射角范围可达0°～70°，减散射的波长范围可达450nm～650nm，具有非常优良的宽角度宽波长防眩光效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
迄今为止，现有技术虽已有各种各样的粗糙微结构表面，但这种微结构表面主要局限于建筑玻璃上的防眩、均光和防窥视等应用。现有的手机、电脑等的显示面板均尚未采取任何防眩措施，更不用说宽角度宽波长的减散射膜了。但这些显示系统常会在太阳光等背景强干扰光下使用，从而造成轻则降低面板显示信息的对比度和清晰度，重则根本看不清面板上的显示内容；更为甚者，刺眼的强光使人的眼睛疲惫不堪，甚至使人眼受到损伤。显然，在手机、电脑等显示面板上引入防眩技术己势在必行，必将成为显示面板具有前瞻性的重要进展！
本发明考虑到手机、电脑等显示系统引入防眩技术时，其减反射或减散射膜必然会遇到宽角度宽波长的难题，因为背景的强干扰光总是随机地来自四面八方的，不可能将其限定在较小的角度范围内，而且产生眩光的可见光光谱比较宽，目前要复盖整个可见光区尚不可行，因此本发明对此开展了专题研究，通过在硬质光学玻璃的微结构表面上设置由二种薄膜材料组成的宽角度导纳匹配层和由四种薄膜材料组成的宽波长导纳扩展层，最终实现了在空气中入射角范围为0°～70°的宽角度、波长区域为450nm～650nm的宽波长的防眩光减散射膜。这不仅可以显著提高显示信息的对比度和清晰度，解决无法看清显示内容的烦恼，而且可以避免刺眼的强光，使人眼免受干扰强光的伤害。
附图说明
图1是本发明基底表面的粗糙微结构及其参数的示意图。
图2是介质多层膜表面微结构的拓扑复制说明。
图3是本发明宽角度入射时归化修正导纳与空气中入射角的关系。
图4是本发明实施例一各层膜的折射率和物理厚度的关系图。
图5是本发明实施例一对各种入射角的散射与波长的关系曲线，在图5中，───表示s偏振光，-----表示p偏振光，───表示平均值。
图6是本发明对折射率1.52基底上的微结构计算的散射与波长的关系曲线，在图6中，───表示s偏振光，-----表示p偏振光，───表示平均值。
图7是本发明实施例二各层膜的折射率和物理厚度的关系图。
图8是本发明实施例二对各种入射角的散射与波长的关系曲线，在图8中，───表示s偏振光，-----表示p偏振光，───表示平均值。
具体实施方式
图1是本发明基底表面的粗糙微结构及其参数的示意图。按微结构参数的定义：相关长度表示粗糙表面在水平方向上不规则峰的平均间距，故可知微结构的平均直径与相关长度是相等的；微结构的深度就是峰谷到峰底的高度，它可表征微结构的表面粗糙度，由图1可知，表面粗糙度表示在垂直方向上偏离平均平面(或平均高度)的不规则程度，它在很大程度上表征粗糙表面的散射大小。虽然表面粗糙度也可用算术平均粗糙度来表示，但从统计学角度来讲，均方根粗糙度σ比算术平均粗糙度更有意义。均方根粗糙度σ是将每一个与平均平面的偏离值平方，然后将各平方值求和后平均再开平方。σ越大，表面的起伏越大，则散射越大；反之，σ越小，表面越光滑，则散射越小。根据均方根粗糙度σ和相关长度
用前面式(1)容易评价计算反射散射的大小。
图2是介质多层膜表面微结构的拓扑复制说明。如图2所示，2为硬质光学玻璃基底，其中下表面1为显示图像信息的磷光层，上表面3为粗糙的微结构表面；然后在微结构表面3上镀制宽角度宽波长的介质减散射膜4，5是最外面的微结构表面。本发明要求最外面的微结构表面5能完全拓扑复制玻璃基底上表面3的微结构，这样可使微结构的散射计算和评价简单化，用简单的单表面散射近似表征复杂多层膜的多表面散射。为此目的，必须确保基底表面的微结构能很好地拓扑复制到各个薄膜界面上，要做到这一点，除了合理选取基底表面的微结构参数外，还需确保多层膜的膜厚要尽可能薄、层数要尽可能少。对本发明的设计，选择基底表面的微结构参数为：微结构平均直径取9～15微米，优选12微米，微结构平均深度取3～5微米，优选4微米。也就是说，微结构的相关长度
＝9～15微米，优选12微米，均方根粗糙度σ＝1.1～1.77微米，优选1.41微米。介质减散射膜4的总层数为27层，总厚度为1.243微米。相比微结构参数，总厚度与平均直径之比约为10％，总厚度与平均深度之比约为31％。显然，本发明为满足宽角度、宽波长的要求，虽然减散射膜的层数较多、厚度较厚，但总膜层厚度相对于微结构参数的占比还是低的，这将有益于表面微结构的拓扑复制。此外，为了防止薄膜生长时引入额外的附加粗糙度，本发明提出采用强离子束辅助和高基底温度淀积。多重举措确保最终获得完全相关的多层膜表面微结构特征。
图3是本发明宽角度入射时归化修正导纳与空气中入射角的关系。图3对本发明是非常重要的，或者说是下面实施例的重要依据，但因详细内容已在上面具体的构思描述第二点中作了讨论，故此处不再详述。
实施例一
作为实施例一，本发明选择TiO2、Ta2O5、Al2O3和SiO2四种氧化物硬膜来设计宽角度宽波长减散射膜，这四种氧化物硬膜均具有优良的光、机特性。从光学性能讲，其折射率分布依次满足高折射率、次高折射率、中间折射率和低折射率，而且分布比较均匀，特别应该指出的是SiO2膜，它是唯一一种折射率低于1.52的硬质氧化物膜。从机械性能看，这些薄膜的牢固度都非常好，TiO2、Ta2O5、Al2O3和SiO2四种硬膜的努氏硬度分别达到了8800N/mm2、7400N/mm2、21000N/mm2和7800N/mm2，与常用铝(Al)膜的努氏硬度1200N/mm2相比，至少增加了6倍以上，其中Al2O3增加了约17倍。
具体的实施步骤如下：
1).在折射率为1.52的普通硬质光学玻璃基底镀膜表面上制作粗糙的微结构。具体采用中国牌号为W14的金刚砂，采取光学冷加工粗磨工艺，使玻璃基底表面产生本发明所需的微结构。微结构参数用表面轮廓仪进行测试，得到的微结构参数为：微结构的平均直径为9～15微米，优选12微米；微结构的平均深度为3～5微米，优选为4微米。
2).在微结构表面上采用商用TFcal薄膜设计软件构建宽角度宽波长减散射膜。设计参考波长为520nm，四种硬膜材料TiO2、Ta2O5、Al2O3和SiO2在中心波长550nm的折射率分别为2.44、2.11、1.62和1.46。本发明实施例一的宽角度宽波长减散射膜由宽角度导纳匹配层和宽波长导纳扩展层两部分组成，具体也可见图4各层膜的折射率和物理厚度的关系图所示，设计的总膜层数为27层，总厚度为1.243微米。
宽角度导纳匹配层为基底上从第1层开始至第8层终止共8层，由基底向外，依次由折射率均高于基底的次高折射率膜Ta2O5和中间折射率膜Al2O3交替组成，这会提高基底和薄膜的组合导纳，以便使s偏振光在大入射角区域实现较好的导纳匹配，从而实现“宽角度“之目的。
宽波长导纳扩展层为第9层至第27层共19层，这19层膜同时包含着高折射率TiO2、次高折射率Ta2O5、中间折射率Al2O3和低折射率SiO2的四种薄膜，目的是借助于不同材料来分散布角和扩展导纳的范围，从而实现“宽波长”的要求。其中，第9、13、15和21层为高折射率膜TiO2，第10、12、18、20、24和27层为低折射率膜SiO2，第11、16、19、22和26层为次高折射率膜Ta2O5，第14、17、23和25层为中间折射率膜Al2O3。
第1层至第8层的宽角度导纳匹配层以及第9层至第27层的宽波长导纳扩展层的各层膜的折射率和物理厚度示于图4。
实施例一对各种入射角的散射率与波长的关系曲线示于图5，图5中分别示出了空气中入射角为0°、20°、40°、50°、60°和70°的结果。从图5可见，1).对入射角小于40°的小入射角区域，散射率-波长曲线变化不大，偏振分离基本上可以忽略，故图5中省略了10°和30°两种情况；2).对入射角大于40°的大入射角区域，不仅偏振分离随入射角逐渐增大，而且散射率随入射角迅速上升，特别是对入射角60°和70°的情况非常突出；3).散射率-波长曲线随入射角逐渐增大而向短波移动，入射角越大，移动会越多；4).减散射区的波长域随入射角逐渐增大而逐渐变窄，入射角越大，变窄会越多，在70°时的带宽大约就是200nm，所以减散射带宽是被最大入射角所限制的。
为与未镀多层减散射膜的玻璃基底直接比较，图6给出了本发明对折射率1.52基底上的微结构计算的散射率与波长的关系曲线。为相互比较更加清楚起见，图5和图6都画了一个波长450nm～650nm的200nm带宽的四边形框。对比图5和图6可以看出，在减散射的波长域450nm～650nm中，镀上实施例一的宽角度宽波长的减散射膜后，散射率会下降很多，表1列出了折射率1.52基底微结构上实施例一的宽角度宽波长减散射膜在各种入射角下波长450nm～650nm区间的平均百分散射率。从表1可以看出，在入射角小于40°的小入射角区域，相比玻璃基底的微结构单表面，实施例一的散射率大约降低了13～20倍；而在50°～70°的大入射角区域，特别是入射角在60°和70°时，减散射效果明显降低，因为这正好是四种薄膜的布角区，此时s偏振光的归化修正导纳急剧上升，这种固有的特性是难以改变的。
表1
| 入射角 | 0° | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° |
| 实施例一/％ | 0.29 | 0.26 | 0.21 | 0.22 | 0.38 | 0.87 | 2.59 | 8.90 |
| 玻璃基底/％ | 4.2 | 4.2 | 4.3 | 4.4 | 4.8 | 6.0 | 9.2 | 17.5 |
值得指出的是，本发明都是针对折射率1.52的玻璃基底微结构进行计算设计的，若表1的玻璃基底折射率提高，则减散射效果更佳，且基底折射率越高，减散射效果越佳。例如，对硅太阳电池，为尽可能多地吸收太阳光，提高光电转换效率，硅片表面的减反射膜是绝对不能省略的。因为硅基底的折射率很高，它在波长550nm的复折射率为4.1－i0.26(复折射率表示该材料在该波长上是光吸收体，虚部0.26(即i0.26)称消光系数，消光系数越大，吸收越强，若消光系数为零，则表示透明体)，单个表面在0°入射时的反射率竟可高达37％，而不是表1玻璃基底的4.2％，所以硅片只需较少的层数和较薄的膜厚就能较好地实现宽角度宽波长减反射。而联系本发明的显示面板防眩，只因高透明度的硬质玻璃基底的折射率一般都在1.52左右，按减反射的振幅条件膜层折射率应为1.23，遗憾的是，自然界中并无如此之低的折射率材料。故需借助于Ta2O5和Al2O3的交替膜来实现基底的宽角度导纳匹配，以及TiO2、Ta2O5、Al2O3和SiO2四种薄膜来实现宽波长导纳扩展，这无疑使实施例一的膜层数及膜厚度增加。
3).采用电子束加热蒸发四种硬膜材料，薄膜淀积时均采用强离子束辅助轰击，离子束束压为900～1100V，优选1000V，束流为900～1100mA，优选1000mA，基底温度加热到250～300℃，优选280℃。
最终可望不仅小入射角区，而且在大入射角区都获得较小的眩光，使显示面板的图像对比度和清晰度大大增加，即使在太阳光等强光背景下，也不至于被刺眼的强光所困扰。
实施例二
作为扩展推广应用的实施例二，如果对显示面板的牢固度要求可以适当降低的话，则减散射膜的低折射率膜可用氟化镁MgF2代替实施例一的二氧化硅SiO2，由于MgF2在可见光区的折射率为1.38，比SiO2的折射率1.46更低，从而可望得到更低的反射散射，但是MgF2的机械硬度仅4300N/mm2，不及SiO2膜。
实施例二的实施步骤基本上与实施例一相似。
1).与实施例一完全相同。
2).在微结构表面上采用商用TFcal薄膜设计软件构建宽角度宽波长减散射膜。设计参考波长为520nm，四种薄膜材料TiO2、Ta2O5、Al2O3和MgF2在中心波长550nm的折射率分别为2.44、2.11、1.62和1.38，设计的总膜层数为27层，总膜层厚度为1.573微米。
图7是本发明实施例二各层膜的折射率和物理厚度的关系图。
图8示出了实施例二对各种入射角的散射率与波长的关系曲线，与图5一样，空气中的入射角分别为0°、20°、40°、50°、60°和70°。从图8可见，其所有特性与图5所示的相似。将图8与图6相比，表2列出了折射率1.52基底微结构上实施例二的宽角度宽波长减散射膜在各种入射角下波长450nm～650nm区间的平均百分散射率。显然，表2的结果虽与表1相近，但却全优于表1，这完全是因为MgF2的折射率1.38低于SiO2的折射率1.46所致。
从图7还可以看出，正是因为MgF2的折射率低于SiO2的折射率，所以宽角度导纳匹配层的层数减少，且宽波长导纳扩展层中只需一层高折射率的TiO2膜。可见低折射率膜的折射率对减散射特性是何等的重要！
表2
| 入射角 | 0° | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° |
| 实施例一/％ | 0.27 | 0.23 | 0.19 | 0.18 | 0.29 | 0.63 | 1.88 | 7.03 |
| 玻璃基底/％ | 4.2 | 4.2 | 4.3 | 4.4 | 4.8 | 6.0 | 9.2 | 17.5 |
3).MgF2膜虽属软膜材料，但它与硬膜TiO2、Ta2O5、Al2O3配合很好，在强离子辅助和高基底温度下能获得接近于硬膜的牢固度，所以仍不失实际应用价值。
Claims (8)
1.一种防眩光的宽角度宽波长减散射膜，包括基底以及设置在所述基底上的介质多层膜，其特征在于，所述的基底为硬质光学玻璃，所述的介质多层膜由依次设置在所述基底上的宽角度导纳匹配层和宽波长导纳扩展层组成，所述的宽角度导纳匹配层和宽波长导纳扩展层共同构成防眩光的宽角度宽波长减散射膜；
所述的硬质光学玻璃的介质多层膜镀膜表面上制有粗糙的微结构；
所述的介质多层膜采用高折射率的二氧化钛TiO2膜、次高折射率的五氧化二钽Ta2O5膜、中间折射率的三氧二铝Al2O3膜、低折射率的二氧化硅SiO2膜、低折射率的MgF2膜中的至少两种。
2.根据权利要求1所述的防眩光的宽角度宽波长减散射膜，其特征在于，所述的宽角度导纳匹配层由次高折射率的Ta2O5膜和中间折射率的Al2O3膜两种膜交替组成；
所述的宽波长导纳扩展层由高折射率的TiO2膜、次高折射率的Ta2O5膜、中间折射率的Al2O3膜和低折射率的SiO2膜四种膜共同组成或者由高折射率的TiO2膜、次高折射率的Ta2O5膜、中间折射率的Al2O3膜和低折射率的MgF2膜四种膜共同组成。
3.根据权利要求1所述的防眩光的宽角度宽波长减散射膜，其特征在于，所述的硬质光学玻璃的折射率为1.45至1.65。
4.根据权利要求1所述的防眩光的宽角度宽波长减散射膜，其特征在于，所述的硬质光学玻璃的介质多层膜镀膜表面上的微结构的平均直径为9～15微米，微结构的平均深度为3～5微米。
5.根据权利要求1所述的防眩光的宽角度宽波长减散射膜，其特征在于，所述的介质多层膜的膜层总层数为20～35层。
6.根据权利要求2所述的防眩光的宽角度宽波长减散射膜，其特征在于，所述的宽角度导纳匹配层的膜层数为2～10层；
所述的宽波长导纳扩展层的膜层数为18～25层，其中，高折射率的TiO2膜为1～4层，次高折射率的Ta2O5膜为5～9层，中间折射率的Al2O3膜为4～5层，低折射率的SiO2膜或低折射率的MgF2膜为6～8层。
7.根据权利要求2所述的防眩光的宽角度宽波长减散射膜，其特征在于，所述的介质多层膜在镀制过程中采用强离子束辅助轰击，离子束束压为900～1100V，束流为900～1100mA。
8.根据权利要求1所述的防眩光的宽角度宽波长减散射膜，其特征在于，所述的介质多层膜镀膜时的基底温度加热到250～300℃。
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