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0431-81702023
光學工程
光學設計中增透膜的設計與分析

      用于玻璃和塑料基底上的增透膜在眾多的光學系統中,一個相當重要的組成部分是鏡片上能降低反射的鍍膜。在很多應用領域中,增透膜是不可缺少的,否則,無法達到應用的要求。   
      就拿一個由18塊透鏡組成的35mm的自動變焦的照相機來說,假定每個玻璃和空氣的界面有4%的反射,沒有增透的鏡頭光透過率為27%,鍍有一層膜(剩余的反射為1.3%)的鏡頭光透過率為66%,鍍多層膜(剩余的反射為0.5%)的為85%。    
在這篇文章中,列舉了一些簡單的增透膜和使用的材料。值得注意的是由于玻璃可以被高溫加熱,而塑料不能,因此,對玻璃和塑料必須選用不同的膜料和膜層設計。  
      用于玻璃基底的增透膜 
      經典的單層增透膜由一薄層MgF2構成,MgF2在510nm時的折射率為n=1.38,需要的膜厚為d=92nm。因此,在510nm波長時膜層有一個光學密度(厚度)n*d為1/4的波長。鍍在加熱到250-300°C的玻璃基底上的MgF2,不但牢固,穩定,并且相當方便,經濟,直接使用蒸發船便可。   
      想得到更低的反射率,最簡單的方法是鍍一層CeF3和一層MgF2(各為1/4的光學厚度),可用蒸發船。圖1是單層和2層膜的反射曲線。2層膜的優點是在可見光范圍的中段有更低的反射率,缺點在于在紅,藍端的反射率上升過快。    
由于2層膜的效果不理想,為了達到理想的效果,必須使用3層或多層膜。  
      經典的3層膜由一層1/4光學厚度的中折射率物質(1.6-1.7),一層1/2光學厚度的高折射率物質 (2.0-2.2)和一層1/4光學厚度的低折射率物質組成。最常用的是Al2O3,ZrO2和MgF2。 
      在整個光學敏感段(410-680nm)的反射率低于0.5%。    
      3層增透膜的膜料選擇    
      膜料對膜層效果有決定性的影響。除了理想的折射率,每次鍍膜時穩定的折射率,均勻的膜層,低吸收性,牢固性,穩定性也非常重要。  
      MgF2是最常用的第三層低折射率物質。但是,由于塑料不能被高溫加熱,用MgF2會使膜層變軟和不穩定,此時,SiO2是最佳的選擇。  
      Al2O3是最常用的第一層中折射率物質。它的膜層從紅外到紫外線有相當高的透過率,十分牢固,穩定,并且每次鍍膜時有穩定的折射率。  
      ZrO2通常被用作第二層高折射率物質。它的優點是從250到7000nm有寬廣的透過率,并且,膜層牢固,穩定。但是,每次鍍膜時呈現不同的折射率,也就是折射率會隨著膜厚的增加而降低,這種現象可能和它的特殊晶體結構有關。圖2顯示了在五個單獨的膜層中ZrO2不同的折射率。我們可以看到和和同次性的膜料相比,折射率有急劇的上升,特別是在中段。ZrO2的另一個缺點是在蒸發是它只是部分的溶解,因此,很難得到均勻的膜厚。
      為了減少單體氧化物的這些缺點,可以使用混合氧化物。這些混合料可以根據客戶不同的折射率需要來生產。
      德國默克公司根據客戶大量的實際使用情況和多年的膜料生產經驗,研制開發了一系列的混合料:
      H1, 高折射率, 2.1-2.15  
      H2, 高折射率, 2.1-2.15  
      H4, 高折射率, 2.1-2.15  
      M1, 中折射率, 1.65-1.7
      H1,H2和H4可以被用來生產高折射率的膜層,在250°C的基底上2.1-2.15的折射率具有同次性。M1可以被用來生產中折射率得膜層。H1,H4和M1也能鍍在未經加熱的基底上,折射率會降低。
      H1在從可見光到紫外的波段內有相當高的透過率,在360nm左右有吸收。但是,同ZrO2一樣,無法從溶解的狀態下被蒸發,因此較難得到比較均勻的膜層。
      H2在可見光的波段內有很高的透過率,但是在380nm時有截止吸收,這意味著當鍍膜條件不理想時,1/2光學厚度的末曾在400nm時會有0.5%的吸收。H2的優點在于它能從溶解的狀態下被蒸發,因此有良好的同次性和均勻的膜厚。
H4在可見光的波段內有很高的透過率,像H1一樣,在360n左右有吸收。它也能從溶解的狀態下被蒸發,具有良好的同次性和均勻的膜厚。   

       M1在從近紅外到近紫外的波段內有很高的透過率,在300nm時有吸收。它也能從溶解的狀態下被蒸發,具有良好的同次性和均勻的膜厚。此物質適合于在高折射率的膜層上鍍增透膜。
      我們也可以僅用氧化物來鍍增透膜。圖5顯示了用SiO2(n=1.46)和H4(n=2.15)的膜系,當然膜厚不再是簡單的1/2或1/4光學厚度。有時會需要很薄的膜厚,在膜厚和折射率上微小的變動都會有很大的影響,因此相對于經典的3層膜系來說要難得多。從中可以看出,3層膜在中間波段有最低的反射率,但是4層膜C有著3層膜無法實現的從400到700nm寬廣的低于0.5%的反射率。   
      用于塑料基底的增透膜
      在塑料基底上鍍膜,我們無法在鍍膜過程中加熱基底。因此,我們必須膜料的選擇上倍加小心以確保它能在低溫下形成穩定的膜層。此外,由于溫度偏低,折射率也隨之變低,因此,相應的膜層設計也要改變。
      MgF2不能在低溫下被蒸鍍,因為只有在200°C以上的溫度時它才能形成穩定的膜層。因此,我們只能選擇氧化物來蒸鍍。
      我們可以使用下列氧化物:
      SiO2在塑料基底上的折射率為 1.45  
      Al2O3  1.62
      M11.65  
      Y2O31.8  
      ZrO21.9  
      H11.95 
      H41.95  
      TiO21.9-2.0
      H2不能在低溫下被蒸鍍,因為它在藍光波段有吸收。 
      最常用的塑料基底是:  
      CR39折射率為 1.5  
      聚碳酸酯1.59  
      PMMA1.48-1.50 
小結:   
      本文中列舉了一些簡單的增透膜,當然還有許多方法可以達到同樣的效果,但這已不是這篇簡短的文章所能包括的。

 


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