DE3909654A1

DE3909654A1 - Reflexionsverhindernder film fuer optische teile aus kunststoff

Info

Publication number: DE3909654A1
Application number: DE3909654A
Authority: DE
Inventors: Hajime Ichikawa
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1988-04-25
Filing date: 1989-03-23
Publication date: 1989-11-02
Anticipated expiration: 2009-03-24
Also published as: US4988164A; KR920002551B1; KR900016765A; JPH01273001A; DE3909654C2

Description

Die Erfindung betrifft einen reflexionsverhindernden Film für optische Teile aus Kunststoff nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Neuerdings werden anstelle von anorganischem Glas häufig Kunststoffe als Material für optische Teile wie Linsen und dergleichen verwendet, weil sie leicht sind und einfach verarbeitet werden können. Optische Teile aus Kunststoff reflektieren das Licht jedoch ebenso wie Teile, bei denen an organisches Glas als Ausgangsmaterial verwendet wurde. Außerdem sind sie so weich, daß ihre Oberfläche leicht beschädigt werden kann. Es ist deshalb erforderlich, auf die Oberfläche eines optischen Teils aus Kunststoff einen reflexionsverhindernden Film aufzubringen, der gleichzeitig als Schutzfilm dient.

Der reflexionsverhindernde Film wird im allgemeinen mittels eines Vakuum- Niederschlagprozesses aufgebracht. Bei anorganischem Glas erhält man einen dauerhaft aufgebrachten Film durch Aufheizen des Substrats auf 200 bis 400°C. Wird jedoch Kunststoff auf 200 bis 400°C aufgeheizt, zer setzt er sich und löst sich auf, so daß es unmöglich ist, den Film wie bei anorganischem Glas durch Aufheizen des Substrats aufzubringen.

Daher wurde der reflexionsverhindernde Film bislang auf die Oberfläche von Kunststoffsubstraten aufgebracht, ohne das Substrat aufzuheizen (Japanische Offenlegungsschrift 60-2 25 101). Der auf die Oberfläche des Kunststoff substrats aufgebracht reflexionsverhindernde Film hat z. B. einen fünf lagigen Aufbau, den man durch abwechselndes und wiederholtes Aufbringen eines SiO₂-Films und einer Ta₂O₅-Schicht erhält, wobei zuerst der SiO₂- Film durch ein Widerstandsaufheizverfahren von SiO auf die Substratober fläche aufgebracht wird und sodann das Aufbringen eines Ta₂O₅-Films durch ein Widerstandsaufheizverfahren oder durch ein Elektronenkanonen verfahren und das Aufbringen eines SiO₂-Films durch ein Widerstandsauf heizverfahren oder ein Elektronenkanonenverfahren wiederholt durchgeführt wird. Mit einem derartigen reflexionsverhindernden Film soll eine Ver besserung der Haftung auf dem Substrat und eine Verminderung der spektralen Reflexion erzielt werden.

Bei dem obengenannten bekannten reflexionsverhindernden Film treten jedoch nach einem zehnmal wiederholten Wärmeschocktest Haarrisse auf, wenn dieser Test einen Temperaturzyklus aufweist, der von Raumtemperatur (20-25°C) ausgehend auf -30°C führt, dort 60 Minuten verbleibt, so dann wieder auf Raumtemperatur geht und dort 30 Minuten verbleibt und hierauf auf 80°C ansteigt und dort 60 Minuten verbleibt und schließlich wieder auf Raumtemperatur abfällt. Da Ta₂O₅ einen hohen Schmelzpunkt hat, ist zudem dann, wenn der Vakuumniederschlag mittels eines Elek tronenkanonenverfahrens erfolgt, die Strahlungswärme groß, und folglich wird das Substrat aus Akrylharz oder dergleichen im Falle eines kontinu ierlichen Vakuumniederschlags wärmeverformt, wodurch sich die optische Genauigkeit verschlechtert. Darüber hinaus neigt Ta₂O₅ leicht zum Spritzen (sogenanntes "Fliegen", das die Adhäsion von Ta₂O₅ in Form von Granulaten zur Folge hat), wodurch die Oberfläche beschädigt wird und sich ein Problem bezüglich der äußeren Erscheinungsform des Produkts ergibt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorstehend erwähnten Nachteile der herkömmlichen Technik zu vermeiden und einen reflexions verhindernden Film für optische Teile aus Kunststoff herzustellen, der seine gute Haftung und seine geringe spektrale Reflexion beibehält.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß der reflexionsverhindernde Film auch nach einem Wärmeschocktest noch keine Haar-Risse zeigt und ein einwandfreies äußeres Erscheinungsbild ergibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen reflexionsverhindernden Films für optische Teile aus Kunststoff;

Fig. 2 eine schematisierte Ansicht einer erfindungsgemäß verwendeten Vakuumdepositionsanlage, und

Fig. 3 bis 7 Diagramme, die jeweils den spektralen Reflexionsgrad einer ersten bis fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen re flexionsverhindernden Films zeigen.

Bei dem erfindungsgemäßen reflexionsverhindernden Film für optische Teile aus Kunststoff wird die erste Filmschicht aus SiO mittels Hochvakuum niederschlags aufgebracht, welche bei einer Wellenlänge (λ)=400 bis 700 nm und im Falle einer extrem dünnen Schicht (nd = nicht mehr als 50 nm) im wesentlichen keine Absorptionswirkung aufweist und bei einem Brechungsindex von 1,8 eine ausgezeichnete Haftung besitzt, so daß die erste Filmschicht für die grundlegenden Eigenschaften des reflexions verhindernden Films und die Verbesserung seiner Hafteigenschaften ver antwortlich ist. Weiterhin wird die zweite Filmschicht aus SiO₂ mit einem Brechungsindex von 1,47 auf die erste Filmschicht aus SiO mittels Hoch vakuumniederschlags aufgebracht, wodurch die Reißfestigkeit verbessert wird. Die erste und die zweite Filmschicht bilden somit eine Grundschicht, welche die Haftungsfähigkeit und die Reißfestigkeit gewährleisten.

Darüber hinaus wird eine dritte Filmschicht aus CeO₂ mittels Hochvakuum niederschlags aufgebracht. Diese bewirkt die grundlegenden Charakteristiken des reflexionsverhindernden Films und weist einen Brechungsindex von 1,95 auf. Da die dritte Filmschicht Dehnungsspannungseigenschaften und die erste und zweite Filmschicht Druckspannungseigenschaften besitzen, wirkt die dritte Filmschicht, auch wenn eine SiO₂-Schicht als vierte Filmschicht aufgebracht wird, als eine Zwischenschicht spannungsvermindernd und trägt zur Verbesserung der Reißfestigkeit bei.

Der reflexionsverhindernde Film, dessen Aufbau in Fig. 1 gezeigt ist, wird unter Verwendung einer Vakuumdepositionsanlage aufgebracht, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 ein Substrat aus Kunststoff. Auf die Oberfläche des Substrats 1 wird eine erste Filmschicht 2 aus SiO aufge bracht. Eine zweite Filmschicht 3 aus SiO₂ wird auf die erste Filmschicht 2 aufgebracht, und eine dritte Filmschicht 4 aus CeO₂ wird auf die zweite Filmschicht 3 aufgebracht. Schließlich wird eine vierte Filmschicht 5 aus SiO₂ auf die dritte Filmschicht 4 aufgebracht.

In Fig. 2 bezeichnet 10 eine Vakuumkammer. Eine Verdampfquelle 11 für das Widerstandsheizen und eine Verdampfquelle 12 für eine Elektronenstrahl kanone sind im unteren Bereich der Vakuumkammer 10 vorgesehen. Die Bezugszahl 13 bezeichnet eine Schmelzwanne für das Widerstandsheizen, die mit der Verdampfquelle 11 verbunden ist, während die Bezugszahl 14 eine Herdauskleidung (hearth liner) der Verdampfquelle 12 für die Elektronenkanone bezeichnet. Weiterhin ist im oberen Bereich der Vakuum kammer 10 eine rotierende Kuppel 15 vorgesehen, die das Kunststoff substrat 1, beispielsweise eine Akylharzlinse oder dergleichen trägt und sich in axialer Richtung dreht. Die Bezugszahl 16 bezeichnet schließlich eine Absaugleitung, die mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe ver bunden ist.

Wenn der erfindungsgemäße Film mittels einer Vakuumdepositionsanlage des oben erwähnten Aufbaus aufgebracht wird, wird zunächst SiO in die Schmelzwanne 13 für das Widerstandsaufheizen gegeben, während SiO₂ und CeO₂ jeweils an verschiedenen Stellen getrennt in die Herdauskleidung 14 eingebracht werden. Weiterhin wird das Kunststoffsubstrat 1 auf der rotierenden Kuppel 15 angeordnet.

Sodann wird die Vakuumkammer 10 über die Absaugleitung 16 bis zu einem Hochvakuum von besser als 1-2×10^-5 Torr evakuiert. Daraufhin wird SiO in der Schmelzwanne 13 für das Widerstandsheizen bei Raum temperatur (ca. 20 bis 25°C) verdampft und auf die Oberfläche des Kunststoffsubstrats 1 durch Hochvakuumniederschlag niedergeschlagen, wo durch es die erste Filmschicht 2 bildet. ln diesem Fall ist es nicht er forderlich, ein Gas wie z. B. O₂ oder dergleichen in der Vakuumkammer 10 vorzusehen.

Da beim oben beschriebenen Verdampfen Gas entsteht, wird die Evakuierung fortgesetzt, um das Innere der Vakuumkammer 10 auf einem gegebenen Vakuumgrad von besser als 1-2×10^-5 Torr zu halten. Hiernach wird die Verdampferquelle 12 für die Elektronenkanone bei Raumtemperatur erregt, wobei SiO₂ geschmolzen und in der Ofenauskleidung 14 verdampft wird, wodurch eine zweite Filmschicht 3 aus SiO₂ auf die erste SiO-Filmschicht 2 aufgebracht wird. Daraufhin wird dieselbe Verdampferquelle für die Elektronenkanone aktiviert und CeO₂ geschmolzen und in einen anderen Bereich der Ofenauskleidung 14 verdampft, damit eine dritte Filmschicht 4 aus CeO₂ auf die zweite SiO₂-Filmschicht 3 aufgebracht wird. Schließlich wird auf dieselbe Weise wie bei der zweiten Filmschicht 3 eine vierte Filmschicht 5 aus SiO₂ auf die dritte CeO₂-Filmschicht 4 aufgebracht, Darüber hinaus wird die jeweilige Filmschicht aufgebracht, nachdem das beim Aufbringen der vorhergehenden Filmschicht erzeugte Gas abgesogen wurde, um den Vakuumgrad auf dem vorgegebenen Wert zu halten.

Nachdem alle Filmschichten aufgebracht sind, wird zehn Minuten langsam abgekühlt und das Innere der Vakuumkammer wieder unter Atmosphären druck gesetzt, um das optische Kunststoffteil (Linse), das den gewünschten reflexionsverhindernden Film aufweist, aus der Vakuumkammer 10 heraus nehmen zu können.

(Beispiel 1)

Der reflexionsverhindernde Film mit dem in der folgenden Tabelle 1 ge zeigten Aufbau wurde durch das oben beschriebene Verfahren erhalten.

Tabelle 1

Dieser reflexionsverhindernde Film hatte den in Fig. 3 gezeigten spektralen Reflexionsgrad, d. h. er wies einen Wert von nicht mehr als 1% bei einer Wellenlänge von λ=400 bis 680 nm auf.

(Beispiel 2)

Der reflexionsverhindernde Film mit der in der folgenden Tabelle 2 ge zeigten Struktur wurde durch das oben beschriebene Verfahren erhalten.

Tabelle 2

Dieser reflexionsverhindernde Film hatte den in Fig. 4 gezeigten spektralen Reflexionsgrad, d. h. er wies einen Wert von nicht mehr als 1% bei einer Wellenlänge von λ = 400 bis 700 nm auf.

(Beispiel 3)

Der reflexionsverhindernde Film mit dem in der folgenden Tabelle 3 ge zeigten Aufbau wurde durch das oben beschriebene Verfahren erhalten.

Tabelle 3

Dieser reflexionsverhindernde Film hatte den in Fig. 5 gezeigten spektralen Reflexionsgrad, d. h. er wies einen geringsten spektralen Reflexionsgrad von einem Wert von nicht mehr als 0,9% bei einer Wellenlänge von λ= 400 bis 700 nm auf.

(Beispiel 4)

Der reflexionsverhindernde Film mit dem in der folgenden Tabelle 4 ge zeigten Aufbau wurde durch das oben beschriebene Verfahren erhalten.

Tabelle 4

Dieser reflexionsverhindernde Film hatte den in Fig. 6 gezeigten spektralen Reflexionsgrad, d. h. er wies einen geringsten spektralen Reflexionsgrad von einem Wert von nicht mehr als 0,2% bei einer Wellenlänge von λ= 400 bis 700 nm auf.

(Beispiel 5)

Der reflexionsverhindernde Film mit dem in der folgenden Tabelle 5 ge zeigten Aufbau wurde durch das oben beschriebene Verfahren erhalten.

Tabelle 5

Dieser reflexionsverhindernde Film hatte den in Fig. 7 gezeigten spektralen Reflexionsgrad, d. h. er wies einen geringsten spektralen Reflexionsgrad von einem Wert von nicht mehr als 0,5% bei einer Wellenlänge von λ= 400 bis 700 nm auf.

(Beispiel 6)

Der reflexionsverhindernde Film mit der in Beispiel 4 beschriebenen Struktur wurde auf die Oberfläche eines Substrats aus Polykarbonatharz aufgebracht.

Die Hafteigenschaften am Substrat, die Reißfestigkeit und die Oberflächen beschädigungen (äußere Erscheinungsform) wurden bezüglich der reflexions verhindernden Filme der Beispiele 1 bis 6 ausgewertet. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 6 gezeigt. Zum Vergleich und um die in Tabelle 6 gezeigten Ergebnisse zu erhalten, wurde dieselbe Auswertung bezüglich eines herkömmlichen reflexionsverhindernden Films vorgenommen.

Beim Test der Hafteigenschaften wurde ein druckempfindliches Band (Zellophanklebeband) von 10 mm Breite auf den reflexionsverhindernden Film gelegt, das dann an einem Ende unter einem Winkel von 45° abrupt vom Film abgelöst wurde, um die Beschaffenheit nach der Ablösung beobachten zu können. Weiterhin wurde die Reißfestigkeit durch zehnmaliges Wiederholen von Wärmeschocktestzyklen (ein Zyklus: +70 °C ⇄ -30°C) ermittelt, um das Auftreten von Rissen beobachten zu können.

Tabelle 6

Wie oben beschrieben, besteht der erfindungsgemäße reflexionsverhindernde Film für optische Teile aus Kunststoff aus einer ersten Filmschicht aus SiO mit einer optischen Dicke von 0,06 bis 0,125 λ, einer zweiten Film schicht aus SiO₂ mit einer optischen Dicke von 0,043 bis 0,125 λ, einer dritten Filmschicht aus CeO₂ mit einer optischen Dicke von 0,625 λ und einer vierten Filmschicht aus SiO₂ mit einer optischen Dicke von 0,165 bis 0,34 λ bei einer Wellenlänge von λ=400 bis 700 nm, so daß selbst nach dem Wärmeschocktest keine Mikrorisse auftreten, während die Haftung am Substrat sowie die niedrige spektrale Reflexion erhalten bleiben und die äußere Erscheinungsform besser wird.

Claims

1. Reflexionsverhindernder Film für optische Teile aus Kunststoff, mit einem Substrat aus Kunststoff und vier darauf aufgebrachten Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Wellenlänge von λ=400 bis 700 nm eine erste und aus SiO bestehende Schicht (2) auf der Oberfläche des Substrats (1) vorgesehen ist und eine optische Dicke von 0,06 bis 0,125 λ hat, daß eine zweite und aus SiO₂ bestehende Schicht (3) auf der ersten Schicht (2) vorgesehen ist und eine optische Dicke von 0,043 bis 0,125 λ hat, daß eine dritte und aus CeO₂ bestehende Schicht (4) auf der zweiten Schicht (3) vorgesehen ist und eine optische Dicke von 0,06 bis 0,625 λ hat und daß eine vierte und aus SiO₂ bestehende Schicht (5) auf der dritten Schicht (4) vorgesehen ist und eine optische Dicke von 0,165 bis 0,34 λ hat.

2. Reflexionsverhindernder Film nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die Akrylharz, Poly karbonatharz, Diethylenglykolbisakrylkarbonat, Akrylonitrilstyrol-Kopoly merisatharz, Polystyrol und Polysulfon enthält.