摘 要：分析了光學(xué)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(gè)方面，對(duì)可見光減反膜的膜系設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了研究，確定了基本的設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵詞：可見光 反射率 減反膜 膜系設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：O436 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（b）-000-01

可見光的波長(zhǎng)范圍約為380～760 nm，這是我們?nèi)搜塾糜讷@取信息的主要光譜“窗口”。為了提高人眼對(duì)事物的觀察能力，人們發(fā)明了眼鏡、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、相機(jī)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(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。美中不足的是，組成光學(xué)系統(tǒng)的各種光學(xué)零件表面對(duì)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(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量[1]。目前主要采用鍍制光學(xué)減反膜的方法來降低光學(xué)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(shè)計(jì)原則具有極為重要的意義。

1 光學(xué)零件表面光能反射的定量分析

光從折射率為的介質(zhì)入射到折射率為的介質(zhì)時(shí)，會(huì)在兩介質(zhì)的界面發(fā)生反射。在入射角為0時(shí)，對(duì)光能量的反射率R為：

當(dāng)折射率為1.52的光學(xué)零件置于空氣中時(shí)，取，帶入上式計(jì)算可得其每個(gè)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(yán)重；光學(xué)系統(tǒng)鏡片的數(shù)目越多（即反射次數(shù)越多），則光能反射越嚴(yán)重。高性能的光學(xué)系統(tǒng)往往需要較多數(shù)目的光學(xué)零件，巨大的光能量反射損失將會(huì)限制鏡片的使用數(shù)量，進(jìn)而限制了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展。將鏡片都鍍制減反膜后，目前已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)在400～680 nm波段范圍內(nèi)的透過率T≧99.5%[2]，這對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)性能的發(fā)揮具有極為重要的作用。

2 可見光減反膜的設(shè)計(jì)原則

在根據(jù)薄膜的功能要求而確定基礎(chǔ)膜系之后，主要就是對(duì)薄膜的折射率和厚度這兩個(gè)光學(xué)常數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與設(shè)計(jì)。其中折射率的設(shè)計(jì)實(shí)際上是對(duì)膜料的選擇，而厚度的設(shè)計(jì)是對(duì)光譜曲線特征的調(diào)整與優(yōu)化。

2.1 基礎(chǔ)膜系選擇的針對(duì)性和色中性

減反膜的設(shè)計(jì)首先要根據(jù)光譜要求，有針對(duì)性地選擇相應(yīng)的基礎(chǔ)膜系，基礎(chǔ)膜系包括了折射率的排列次序以及薄膜層數(shù)，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(shù)應(yīng)該越少越好。（1）對(duì)于單一波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)。若是對(duì)透過率要求過高，則需要多層減反膜來實(shí)現(xiàn)。（2）對(duì)于多波長(zhǎng)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(jìn)行高透過區(qū)域的展寬，并在設(shè)計(jì)的過程中將透過率最高的那些區(qū)域覆蓋這些波長(zhǎng)。（3）對(duì)于寬帶減反射膜系，和多波長(zhǎng)減反膜的膜系類似，兩者的區(qū)別是，寬帶減反膜不用著重考慮某些固定波長(zhǎng)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?？梢姽鉁p反膜一般還要考慮顏色對(duì)人眼帶來的視覺影響，顏色是由于減反膜在某個(gè)顏色的波段反射率相對(duì)較高造成的，會(huì)導(dǎo)致成像時(shí)的顏色失真?？梢姽鈱拵p反膜往往追求整個(gè)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(chǔ)膜系時(shí)，基于上述原則，根據(jù)對(duì)色中性的要求，有針對(duì)性地選擇不同特點(diǎn)的膜系，進(jìn)行進(jìn)一步地設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2.2 膜料選擇的適用性和經(jīng)濟(jì)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(shù)據(jù)，是進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)和優(yōu)化的基礎(chǔ)?？梢姽舛鄬訙p反膜系用到的膜料要求在可見光區(qū)域具有良好的光譜透明性能、低的吸收系數(shù)、穩(wěn)定的理化特性、良好的機(jī)械強(qiáng)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(duì)于不耐高溫的光學(xué)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(yīng)該使用SiO2，因?yàn)镸gF2在鍍制溫度低于250 ℃時(shí)，形成的薄膜牢固性比較差。另外，不同膜料的價(jià)格從差別很大，品質(zhì)也有所不同。因此，膜料的選擇要注意適用性和經(jīng)濟(jì)性的原則。

2.3 膜層厚度的精確性和限制性原則

為了將設(shè)計(jì)的膜系變成現(xiàn)實(shí)，需要對(duì)膜層的厚度進(jìn)行精確的監(jiān)控，將膜層的厚度誤差控制在膜層厚度允許誤差范圍之內(nèi)[3]，并對(duì)膜層厚度進(jìn)行必要的限制。當(dāng)中心波長(zhǎng)為時(shí)，如果膜系中每層薄膜的的膜層厚度均是的整數(shù)倍，則該膜系稱為規(guī)整膜系，否則即為非規(guī)整膜系。目前我國(guó)的真空光學(xué)鍍膜機(jī)，膜厚控制系統(tǒng)主要有光學(xué)膜厚控制儀和石英晶體膜厚控制儀兩種。光學(xué)膜厚控制儀的監(jiān)控精度和穩(wěn)定性高的話，應(yīng)該設(shè)計(jì)成規(guī)整膜系；反之，則應(yīng)該設(shè)計(jì)成非規(guī)整膜系。對(duì)于非規(guī)整膜系的設(shè)計(jì)，有可能會(huì)出現(xiàn)特別厚的膜層或者特別薄的膜層。膜層過厚，可能會(huì)使得應(yīng)力過大導(dǎo)致薄膜破裂，也有可能會(huì)因?yàn)槟ち舷倪^多引起蒸發(fā)角的變化而增加誤差；膜層過薄，則有可能導(dǎo)致相對(duì)誤差過大，以及由于時(shí)間過短造成的薄膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不穩(wěn)定、厚度不均勻等問題。因此要結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)薄膜的厚度進(jìn)行必要的限制。

2.4 鍍制工藝的可行性及環(huán)保性原則

膜系的設(shè)計(jì)要充分考慮鍍制的難度和周期、穩(wěn)定性、耗材、環(huán)保性等方面。層數(shù)多，膜層厚的膜系鍍制周期長(zhǎng)；膜系中對(duì)光譜性能影響較大的膜層（敏感層）過薄、過多都會(huì)增加鍍制的難度；為了滿足大批量生產(chǎn)的需要，膜系應(yīng)該具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性；為了降低成本，設(shè)計(jì)的膜系應(yīng)該盡可能地減少對(duì)耗材的使用；膜系的鍍制過程中，應(yīng)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(duì)環(huán)境的破壞；這些無論是對(duì)于科研還是企業(yè)生產(chǎn)都是至關(guān)重要的。

3 結(jié)語

隨著人們對(duì)可見減反膜的功能要求越來越高，對(duì)膜系的設(shè)計(jì)也是復(fù)雜多變，該文研究的關(guān)于可見光減反膜的設(shè)計(jì)原則，對(duì)于光學(xué)薄膜技術(shù)人員進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)工作時(shí)具有很好的導(dǎo)向作用，有利于可見光減反膜研發(fā)和生產(chǎn)的規(guī)范化。

參考文獻(xiàn)

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