藍色減反射膜的設計與制備

石澎 王麗榮 張鴻佳 張寧 李超財 盧志堅

摘 要：一些光學系統存在藍光過量問題，容易破壞成像色彩平衡。本文利用專業膜系設計軟件，采用Needle優化法進行膜系設計，使用離子輔助沉積的方法制備了藍色減反射膜。這種光學薄膜可以將440～500 nm范圍的平均反射率控制在1.3%左右，而其他可見光的平均反射率為0.3%左右，藍光反射率比其他可見光的反射率高1.0%左右，可以有效消除藍光過量導致的成像偏色問題。

關鍵詞：減反射膜;光學薄膜;反射率;膜系設計

中圖分類號：O484文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）23-0060-03

Abstract： Some optical systems have the problem of excessive blue light， which can easily destroy the image color balance.This paper used professional film design software， adopted Needle optimization method for film design， and used ion-assisted deposition to prepare blue anti-reflection film. This optical film can control the average reflectance in the range of 440～500 nm to about 1.3%， while the average reflectance of other visible light is about 0.3%， and the reflectance of blue light is about 1.0% higher than that of other visible light， which can effectively eliminate Image color cast caused by excessive blue light.

Keywords： anti-reflection film;optical film;reflectivity;film design

一般光學鏡片的光能量反射損失可能超過8%，鏡片折射率越高，反射率就會越高，光能量損失越大。進入光學系統的光能量過低，會嚴重影響光學系統的成像質量，而在光學鏡片上鍍制減反射膜可以有效降低光能量的反射損失[1]。減反射膜，又稱增透膜，起到減少光能量在鏡片表面損失、提高透過率的作用[2]，幾乎所有光學系統都會用到，因此減反射膜是當前用量最大、應用領域最廣泛的光學薄膜。

光學系統的種類繁多，不同應用場景對光能量的要求也不盡相同，對應的減反射膜種類也非常多。根據不同的使用波段，其可以分為紫外減反射膜、可見光減反射膜、紅外減反射膜。此外，還有各種復合波段范圍的減反射膜。可見光減反射膜主要用于各種目視光學系統，除了保證高透過率以外，還要保證視覺上、光學系統器件特性上的特殊要求。本文研究的是一種藍色減反射膜，要求具備明顯的藍色視覺效果和良好的透過率。

1 藍色減反射膜的目標參數

藍色減反射膜的設計原理是在干涉理論的基礎上，使藍色光的反射率明顯高于其他波段的光，在反射光中占優勢而顯現藍色。在獲得藍色效果的同時，為了盡可能地保證可見光的透過率，人們必須對反射率做出一定的限制，因此除了對平均透過率提出要求外，還要對反射率的范圍加以限定，目標參數如表1所示。其中，440～500 nm為藍色反光區域，其最大反射率不得超過2.0%。

2 膜系設計

以K9玻璃為基底，膜系設計采用的膜料為TiO2、SiO2，這兩種材料在可見光波段范圍內均具有良好的光學透過率，同時具有透明度好、結合力強、應力匹配好、機械強度高、抗腐蝕能力強等諸多優點[3]。本研究用H代表高折射率的TiO2，用L代表低折射率的SiO2，以S代表鏡片基底，以A代表空氣介質。由于膜系設計的結果和實際鍍制的結果總會有一定誤差，所以設計時采用“過正設計”的方法，即按照高于參數目標的要求進行設計，以膜層的厚度和層數為變量[4]，利用專業膜系設計軟件，使用Needle優化法進行膜系設計，獲得了膜系結構S|HLHLHL|A。優化的膜系對應的光譜設計曲線如圖1所示。

3 薄膜制備

薄膜采用國產南光1 100 mm腔體光學真空鍍膜機制備，配有雙電子槍和霍爾離子源，離子源能夠有效提高薄膜的聚集密度和折射率[5]，制備的工藝參數如表2所示。

4 薄膜測試與分析

制備的薄膜樣品采用標旗Planum-3000分光光度計進行光譜性能測試，膜系的光譜測試結果如圖2所示。

將膜系的設計曲線和測試曲線進行對比，如圖3所示。結果發現，實測曲線跟設計曲線有所不同，但是其各項指標仍然滿足目標參數需求。經分析，在制備光學薄膜時，薄膜材料狀態是由塊狀材料直接蒸發或者變為液態后蒸發到鏡片沉積成膜，在成膜過程中，真空鍍膜室內的溫度、真空度、蒸發速率等方面的輕微波動不可避免，這些因素都會導致實際薄膜的折射率跟設計用的折射率有細微差距[6]。這是蒸發鍍膜過程中的正常現象，只要在設計中充分考慮這個問題，就能有效提高良品率。

5 結論

本文借助膜系設計軟件，使用Needle優化法進行膜系設計，采用離子輔助沉積的方法制備了藍色減反射膜。這種光學薄膜具有明顯的藍色視覺效果和非常低的反射率，能夠有效提高進入光學系統的光能量并防止藍光偏色問題，滿足了實際使用的參數目標需求。在設計過程中，人們要注意膜料折射率變化對設計誤差的影響，采用“過正設計”原則，使實際制備的膜系仍然滿足要求，這就需要加強對膜料折射率穩定性的研究，以便更好地設計、制備出符合要求的薄膜。

參考文獻：

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