可見光減反膜的設計原則研究

摘 要：分析了光學零件表面的光能量的反射損失，從膜系選擇、膜料選擇、膜層厚度、鍍制工藝四個方面，對可見光減反膜的膜系設計特點進行了研究，確定了基本的設計原則。

關鍵詞：可見光 反射率 減反膜 膜系設計

中圖分類號：O436 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-000-01

可見光的波長范圍約為380～760 nm，這是我們人眼用于獲取信息的主要光譜“窗口”。為了提高人眼對事物的觀察能力，人們發明了眼鏡、望遠鏡、顯微鏡、相機等很多工作于可見光范圍的助視儀器，這些儀器的主要功能是通過光學系統來實現的。美中不足的是，組成光學系統的各種光學零件表面對光均具有一定的光能量反射，引起成像亮度和襯度的下降，這將會嚴重影響系統的成像質量[1]。目前主要采用鍍制光學減反膜的方法來降低光學零件表面的光能量反射。因此，研究用于可見光范圍的減反膜膜系的設計原則具有極為重要的意義。

1 光學零件表面光能反射的定量分析

光從折射率為的介質入射到折射率為的介質時，會在兩介質的界面發生反射。在入射角為0時，對光能量的反射率R為：

當折射率為1.52的光學零件置于空氣中時，取，帶入上式計算可得其每個表面的反射約為4.2%左右。分析可知：玻璃的折射率越高，則光能反射越嚴重；光學系統鏡片的數目越多（即反射次數越多），則光能反射越嚴重。高性能的光學系統往往需要較多數目的光學零件，巨大的光能量反射損失將會限制鏡片的使用數量，進而限制了光學系統的設計和發展。將鏡片都鍍制減反膜后，目前已經能實現在400～680 nm波段范圍內的透過率T≧99.5%[2]，這對于光學系統性能的發揮具有極為重要的作用。

2 可見光減反膜的設計原則

在根據薄膜的功能要求而確定基礎膜系之后，主要就是對薄膜的折射率和厚度這兩個光學常數進行優化與設計。其中折射率的設計實際上是對膜料的選擇，而厚度的設計是對光譜曲線特征的調整與優化。

2.1 基礎膜系選擇的針對性和色中性

減反膜的設計首先要根據光譜要求，有針對性地選擇相應的基礎膜系，基礎膜系包括了折射率的排列次序以及薄膜層數，從防止累積誤差和降低成本的角度來講，在滿足功能要求的情況下，薄膜的層數應該越少越好。（1）對于單一波長的可見光減反射膜，如果透過率要求不是很高，顏色無要求，僅用單層膜即可實現。若是對透過率要求過高，則需要多層減反膜來實現。（2）對于多波長要求的可見光減反射膜，單層膜難以滿足要求，需要通過多層膜進行高透過區域的展寬，并在設計的過程中將透過率最高的那些區域覆蓋這些波長。（3）對于寬帶減反射膜系，和多波長減反膜的膜系類似，兩者的區別是，寬帶減反膜不用著重考慮某些固定波長的高透過率，一般只要將要求的波段范圍保持較高的平均透過率即可。可見光減反膜一般還要考慮顏色對人眼帶來的視覺影響，顏色是由于減反膜在某個顏色的波段反射率相對較高造成的，會導致成像時的顏色失真。可見光寬帶減反膜往往追求整個波段透過率的均衡提高，即保持色中性（色彩平衡性）。在選擇可見光減反膜的基礎膜系時，基于上述原則，根據對色中性的要求，有針對性地選擇不同特點的膜系，進行進一步地設計和優化。

2.2 膜料選擇的適用性和經濟性

薄膜的折射率是由膜料決定的，精確的薄膜折射率色散分布數據，是進行膜系設計和優化的基礎。可見光多層減反膜系用到的膜料要求在可見光區域具有良好的光譜透明性能、低的吸收系數、穩定的理化特性、良好的機械強度以等性能。滿足這些要求的材料主要有TiO2、ZrO2、Al2O3、SiO2、MgF2等。值得注意的是，對于不耐高溫的光學零件，如樹脂鏡片，其減反膜的鍍制溫度一般不超過100 ℃左右，這種情況下就不宜使用MgF2而應該使用SiO2，因為MgF2在鍍制溫度低于250 ℃時，形成的薄膜牢固性比較差。另外，不同膜料的價格從差別很大，品質也有所不同。因此，膜料的選擇要注意適用性和經濟性的原則。

2.3 膜層厚度的精確性和限制性原則

為了將設計的膜系變成現實，需要對膜層的厚度進行精確的監控，將膜層的厚度誤差控制在膜層厚度允許誤差范圍之內[3]，并對膜層厚度進行必要的限制。當中心波長為時，如果膜系中每層薄膜的的膜層厚度均是的整數倍，則該膜系稱為規整膜系，否則即為非規整膜系。目前我國的真空光學鍍膜機，膜厚控制系統主要有光學膜厚控制儀和石英晶體膜厚控制儀兩種。光學膜厚控制儀的監控精度和穩定性高的話，應該設計成規整膜系；反之，則應該設計成非規整膜系。對于非規整膜系的設計，有可能會出現特別厚的膜層或者特別薄的膜層。膜層過厚，可能會使得應力過大導致薄膜破裂，也有可能會因為膜料消耗過多引起蒸發角的變化而增加誤差；膜層過薄，則有可能導致相對誤差過大，以及由于時間過短造成的薄膜結構和性質不穩定、厚度不均勻等問題。因此要結合實際情況，對薄膜的厚度進行必要的限制。

2.4 鍍制工藝的可行性及環保性原則

膜系的設計要充分考慮鍍制的難度和周期、穩定性、耗材、環保性等方面。層數多，膜層厚的膜系鍍制周期長；膜系中對光譜性能影響較大的膜層（敏感層）過薄、過多都會增加鍍制的難度；為了滿足大批量生產的需要，膜系應該具有良好的重復性和穩定性；為了降低成本，設計的膜系應該盡可能地減少對耗材的使用；膜系的鍍制過程中，應該盡可能地避免使用那些有毒甚至具有放射性的膜料，最大限度地減少對環境的破壞；這些無論是對于科研還是企業生產都是至關重要的。

3 結語

隨著人們對可見減反膜的功能要求越來越高，對膜系的設計也是復雜多變，該文研究的關于可見光減反膜的設計原則，對于光學薄膜技術人員進行膜系設計工作時具有很好的導向作用，有利于可見光減反膜研發和生產的規范化。

參考文獻

[1]唐晉發，顧培夫，劉旭，等.現代光學薄膜技術[M].杭州：浙江大學出版社，2006（10）：61-62.

[2]王希權.可見光區高增透膜的理論計算[J].應用光學，2000，21（3）：47-49.

[3]張曉暉，丁雙紅.規整膜系層厚允許誤差的研究[J].光子學報，2003，32（9）：1145-1148.