寇立選 ，郭興忠 ，蔣文山 ，吳 蘭 ，劉盛浦 ，楊海濤

(1． 浙江博達(dá)光電有限公司，浙江 杭州 311305；2． 浙江大學(xué)浙江加州國際納米技術(shù)研究院，浙江 杭州 310058；3． 浙江博達(dá)光電材料與器件研究院，浙江 杭州 311305)

0 引 言

減反射膜，也稱增透膜，是一種應(yīng)用最廣的光學(xué)薄膜，用于減少光學(xué)元件表面的反射，提高工作波段光線的透光率，減少光能損失。照相機(jī)、顯微鏡、攝像機(jī)等光學(xué)元件通過鍍減反射膜來提高光能量，增加光線透光率，改善光學(xué)元件成像質(zhì)量。當(dāng)前，夜間影像的使用及日夜兩用型影像系統(tǒng)的不斷增加，對減反射膜提出了更高要求：減反射膜不僅僅局限于可見光或者近紅外區(qū)域，而且在可見光到近紅外超寬光譜區(qū)域(400-1100 nm)均提出高透光、低反射的要求[1]。

然而，目前幾乎所有的影像系統(tǒng)在白天光線充足的情況下能捕捉到清晰有用的圖像，但夜晚成像則相對較差。而且為了隱蔽，絕大多數(shù)的現(xiàn)代影像系統(tǒng)在晚間需使用紅外光源，紅外光源的照度非常低，通常小于0．1lux。這就要求影像系統(tǒng)整體對于可見及紅外區(qū)域的光源的透過性非常好，提出了開發(fā)可見光到近紅外區(qū)域(400-1100 nm)高透過率、低反射的高品質(zhì)減反射膜的要求。另外，隨著軍用紅外技術(shù)在大氣光通訊方面的廣泛應(yīng)用，軍用光學(xué)系統(tǒng)的光譜區(qū)域越來越寬，不僅要求覆蓋紅外區(qū)域，同時還要求覆蓋可見光與近紅外，這就使得具有高的透過率、波段覆蓋范圍廣、可靠性好的高性能可見光與近紅外波段的寬波段增透膜的研究成為必要[2-6]。

本文針對日夜兩用型監(jiān)控系統(tǒng)的使用要求，選取Ti3O5、SiO2、MgF2三種光學(xué)鍍膜材料，通過10層膜系結(jié)構(gòu)的設(shè)計、優(yōu)化與試驗優(yōu)化調(diào)整，并對蒸發(fā)源的裝載方式進(jìn)行改進(jìn)。采用全部離子源輔助電子束蒸發(fā)的方式，達(dá)到系統(tǒng)要求的光學(xué)性能、環(huán)測需求以及連續(xù)生產(chǎn)的表面要求，制備出高透過率的多層寬帶減反射膜，滿足民用、軍用影像系統(tǒng)對于可見至近紅外波段高透過性的要求。

1 減反射膜系設(shè)計

多層寬帶減反射膜的設(shè)計相當(dāng)復(fù)雜，Willey根據(jù)大量的設(shè)計實踐，總結(jié)和歸納了一個非常有用的經(jīng)驗公式，用于設(shè)計時估計最低的反射率平均值：

這里的B=λmax/λmin，表示低反射率帶寬(λmax為低反射區(qū)波長最大值，λmin為低反射區(qū)波長最小值)；L是最外層薄膜的折射率；D=nH- nL，定義為：除最外層以外的高低折射率的差值；T是膜系總的光學(xué)厚度，以平均波長的倍數(shù)來表示，即：

表1 10層膜系結(jié)構(gòu)和各層膜光學(xué)厚度Tab.1 Structure of ten-layer antireflection coating and optical thickness of each layer

圖1 10層初始理論設(shè)計反射曲線 Fig.1 Calculated reflective curve of ten-layer antireflection coating

圖2 最終10層設(shè)計反射曲線Fig.2 Final reflective curve of ten-layer antireflection coating

根據(jù)以上函數(shù)關(guān)系分析，需要在帶寬B比價大的情況下，降低Rave的值，則需要滿足以下條件：D盡可能大；nH與nL的差值盡可能大；L盡可能的??；T盡可能的大。同時，考慮到大批量生產(chǎn)的成本、穩(wěn)定性，以及實際控制能力，選用Ti3O5、SiO2及MgF2，其折射率分別為2．35、1．46、1．38的三種材料。

根據(jù)經(jīng)驗的一個初始結(jié)構(gòu)G|(0．3H0．3L)40．3HM|A，其中，G為低折射率基板K9玻璃；H、L、M分別為Ti3O5、SiO2、MgF2三種材料的折射率，利用計算機(jī)自動優(yōu)化，初步得到的膜層結(jié)構(gòu)如表1所示，其理論設(shè)計反射曲線如圖1所示。

該膜系設(shè)計的帶寬B = 1100/400 = 2．75，L = 1．38，D = 2．35 - 1．46 = 0．89，T = 740．2/663．3 = 1．12，則由(1)式計算可得到理論上最低平均反射率為0．46%，初始設(shè)計模擬所得400-1100 nm波段平均反射率約為0．5%，兩者略有差異。

根據(jù)以上的初始理論設(shè)計，再根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗：(1)第一層加入SiO2作為結(jié)合層，同時可以平滑低反射曲線；(2)極薄層不易控制，可剔除合并；(3)MgF2為親水性材料，在最外層極易被潮解，不易通過較苛刻的環(huán)測試驗。故用部分SiO2替代MgF2，用作保護(hù)層。再利用計算機(jī)輔助進(jìn)行二次優(yōu)化，得到最終的10層設(shè)計反射曲線如圖2所示。

2 減反射膜制備與測試

2.1 減反射膜制備

利用日本SHINCRON MIC-1350設(shè)備進(jìn)行減反射薄膜制備。由于各層膜層厚度差別大，且非規(guī)整，故采用晶振控制，控制單元為XTC-3S水晶式膜厚儀，6點式旋轉(zhuǎn)控制器。試驗中通過對結(jié)果進(jìn)行反推模擬，調(diào)整晶振控制系數(shù)，消除控制誤差。試驗設(shè)備帶有直徑為175 mm的NIS-175-4型RF離子源。

減反射膜選用Ti3O5、SiO2為鍍膜材料，采用常規(guī)IAD參數(shù)輔助、低溫冷鍍的方式鍍膜。MgF2由于其親水性，一般選用高溫鍍膜(300 ℃以上)，不采用IAD輔助。但由于高溫能耗大，且高低溫切換必然影響生產(chǎn)效率，縮短設(shè)備壽命。本研究通過理論分析及實際的試驗確認(rèn)，采用低溫(150 ℃)IAD輔助。MgF2采用IAD輔助時不可使用O2，電子槍高溫情況下MgF2可被氧化(氧化后會變成MgO)，且IAD能量要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可采用低電壓、大電流方式。另外，由于MgF2采用電子槍蒸發(fā)，其表面極易氧化結(jié)塊，被MgO覆蓋表層后極易噴濺，故采用自制鉬坩堝(如圖3所示)，可解決上述難題。

2.2 減反射膜光譜測試

利用上海欣茂生產(chǎn)的723PCS分光光度計的反射率測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，波段選用360-800 nm。由于其不能滿足測試寬波段的需求，配合PerkinElmer公司的Lambda25進(jìn)行390-1100 nm范圍透過率測試。通過透過率的測試，對寬波段的反射率進(jìn)行擬合，分別得出如圖4和圖5的反射率和透過率。根據(jù)能量守恒定律：

式中，R和T分別為反射率(R包含了兩個面的反射)和透射率，L=A+S，A和S為薄膜中的兩大類光學(xué)損耗吸收和散射。由于蒸發(fā)薄膜的散射強(qiáng)度明顯的取決于蒸發(fā)材料和制備工藝，根據(jù)以往大批量生產(chǎn)的實踐調(diào)整。本文選用的Ti3O5、SiO2鍍膜材料，以及相匹配的常規(guī)IAD參數(shù)，且產(chǎn)品膜層整體厚度較薄，散射可忽略不計，故：

根據(jù)實際的生產(chǎn)工藝，Ti3O5在小于410 nm的波段開始有吸收，并隨著波長變短吸收增大。

根據(jù)以上在390-800 nm的透過、反射均可測區(qū)域，對每個波段測試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證：R + T1+ A = 1,其中，R=R1+ R2，R1、R2為兩個面的反射率，R1為圖4所示曲線，R2未鍍膜時計算可得，約為4．2%；T1為圖5所示單面透過率。經(jīng)驗證，在410 nm左右開始的短波側(cè)，A大于0，即存在吸收，可見光其他區(qū)域A ≈ 0，可忽略。根據(jù)材料特性，在近紅外波段，A也可忽略。由此，推算出800-1100 nm波段，R1= 1 - T1- 4．2%。根據(jù)以上測試和計算，得出400-1100 nm的實測平均反射率為0．56%，且為雙面透過率。

圖3 MgF2蒸發(fā)用鉬坩堝Fig.3 Molybdenum crucible for MgF2 evaporation

圖4 減反射膜的反射率測試曲線Fig.4 Measured reflectance curve of antireflection coating

圖5 減反射膜的透過率測試曲線 Fig.5 Measured transmission curve of antireflection coating

2.3 減反射膜性能測試

為保證后續(xù)使用過程的可靠性，對減反射膜進(jìn)行了以下環(huán)測試驗：

(1)膜牢固度試驗：用玻璃刀將膜面(基板不要劃透)劃成5 mm× 5 mm左右的方格，清潔膜面，粘上3M膠帶并擠出氣泡，以10-15 cm/s的速度垂直方向拉起膠帶，檢查膜層是否有脫落。同一位置連續(xù)拉三次，未見膜層脫落。

(2)耐摩擦試驗：清潔膜面后，用濽有酒精的紗布，以5 N/cm2的力每次移動30 mm摩擦膜層表面，來回50次，未見膜層表面異常。

(3)水煮試驗：將產(chǎn)品放入燒開的純水中，煮一個小時(注意產(chǎn)品可用紗布包起來，放置接觸鍋底或者側(cè)壁)。再將產(chǎn)品拿出并擦干，進(jìn)行牢固度試驗，未見膜層脫落。

(4)PCT(高壓加速老化)試驗：將產(chǎn)品放入PCT試驗箱，設(shè)置溫度為120 ℃，濕度為100%R．H．，3小時老化后，將產(chǎn)品取出，未見表面異常。

(5)超聲波清洗試驗：對產(chǎn)品按照成品膜層清洗的方法，經(jīng)過一槽pH值為12的堿性溶液(溶液與水配比為1 ： 100)，再經(jīng)過5槽清水漂洗，慢拉切水后甩干。單槽超聲波功率為900 kW。連續(xù)清洗三次，產(chǎn)品特性未見明顯變化。

(6)后續(xù)連續(xù)生產(chǎn)過程，產(chǎn)品表面穩(wěn)定，未見MgF2噴濺現(xiàn)象。

以上測試發(fā)現(xiàn)，清洗試驗及MgF2坩堝的改善，直接表現(xiàn)了產(chǎn)品量產(chǎn)的可行性及穩(wěn)定性，達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)的工藝要求；牢固度及耐摩擦試驗結(jié)果均是光學(xué)薄膜良好機(jī)械性能的體現(xiàn)；水煮試驗及PCT(高壓加速老化)試驗表明產(chǎn)品具有良好的抗惡劣環(huán)境的能力，達(dá)到軍用、民用攝像系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下使用的要求。

綜上所述，所述的10層減反射膜，根據(jù)Willey的減反射膜經(jīng)驗公式進(jìn)行分析，選用常見的鍍膜材料，運(yùn)用常規(guī)的RF離子源輔助、電子束蒸發(fā)、低溫冷鍍，對批量生產(chǎn)的工藝進(jìn)行改造，可實現(xiàn)大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)，達(dá)到在400-1100 nm可見光及近紅外光波段較高的透過率，且具有良好的薄膜機(jī)械性能及抗惡劣環(huán)境能力。該多層寬帶減反射膜在軍事上達(dá)到影像系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下對于可見至近紅外波段高透過性的要求，民用上滿足其需求量大、規(guī)?；统杀旧a(chǎn)的需求。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)Willey的減反射膜經(jīng)驗公式進(jìn)行分析，結(jié)合生產(chǎn)實踐選用常規(guī)穩(wěn)定材料，再得出理論的平均反射率為0．46%。再利用計算機(jī)、結(jié)合實際控制能力，對膜層進(jìn)行優(yōu)化，代入Willey的減反射膜經(jīng)驗公式，得出優(yōu)化后的理論平均反射率為0．5%。

(2)在制備過程中，對MgF2采用RF離子源輔助、電子束蒸發(fā)、低溫冷鍍；對于此類厚度不均非規(guī)整膜系，采用晶振控制，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行模擬反推，不斷的調(diào)整，減少控制了誤差；MgF2采用電子束蒸發(fā)，使用自制的坩堝，技術(shù)角度避免材料蒸鍍過程的噴濺；可通過外加保護(hù)層的方法，對親水性膜層MgF2進(jìn)行保護(hù)。

(3)所制備的減反射膜在400-1100 nm的實測平均反射率為0．56%，與設(shè)計值接近。雙面透過率達(dá)到可見光及近紅外波段高透過率的要求。經(jīng)驗證，其工藝穩(wěn)定，可實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)；其機(jī)械性能良好、抗惡劣環(huán)境能力優(yōu)越，可在惡劣環(huán)境下長時間使用，應(yīng)用前景廣闊。