可见光减反膜的设计原则研究

摘 要：分析了光学零件表面的光能量的反射损失，从膜系选择、膜料选择、膜层厚度、镀制工艺四个方面，对可见光减反膜的膜系设计特点进行了研究，确定了基本的设计原则。

关键词：可见光 反射率 减反膜 膜系设计

中图分类号：O436 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-000-01

可见光的波长范围约为380～760 nm，这是我们人眼用于获取信息的主要光谱“窗口”。为了提高人眼对事物的观察能力，人们发明了眼镜、望远镜、显微镜、相机等很多工作于可见光范围的助视仪器，这些仪器的主要功能是通过光学系统来实现的。美中不足的是，组成光学系统的各种光学零件表面对光均具有一定的光能量反射，引起成像亮度和衬度的下降，这将会严重影响系统的成像质量[1]。目前主要采用镀制光学减反膜的方法来降低光学零件表面的光能量反射。因此，研究用于可见光范围的减反膜膜系的设计原则具有极为重要的意义。

1 光学零件表面光能反射的定量分析

光从折射率为的介质入射到折射率为的介质时，会在两介质的界面发生反射。在入射角为0时，对光能量的反射率R为：

当折射率为1.52的光学零件置于空气中时，取，带入上式计算可得其每个表面的反射约为4.2%左右。分析可知：玻璃的折射率越高，则光能反射越严重；光学系统镜片的数目越多（即反射次数越多），则光能反射越严重。高性能的光学系统往往需要较多数目的光学零件，巨大的光能量反射损失将会限制镜片的使用数量，进而限制了光学系统的设计和发展。将镜片都镀制减反膜后，目前已经能实现在400～680 nm波段范围内的透过率T99.5%[2]，这对于光学系统性能的发挥具有极为重要的作用。

2 可见光减反膜的设计原则

在根据薄膜的功能要求而确定基础膜系之后，主要就是对薄膜的折射率和厚度这两个光学常数进行优化与设计。其中折射率的设计实际上是对膜料的选择，而厚度的设计是对光谱曲线特征的调整与优化。

2.1 基础膜系选择的针对性和色中性

减反膜的设计首先要根据光谱要求，有针对性地选择相应的基础膜系，基础膜系包括了折射率的排列次序以及薄膜层数，从防止累积误差和降低成本的角度来讲，在满足功能要求的情况下，薄膜的层数应该越少越好。（1）对于单一波长的可见光减反射膜，如果透过率要求不是很高，颜色无要求，仅用单层膜即可实现。若是对透过率要求过高，则需要多层减反膜来实现。（2）对于多波长要求的可见光减反射膜，单层膜难以满足要求，需要通过多层膜进行高透过区域的展宽，并在设计的过程中将透过率最高的那些区域覆盖这些波长。（3）对于宽带减反射膜系，和多波长减反膜的膜系类似，两者的区别是，宽带减反膜不用着重考虑某些固定波长的高透过率，一般只要将要求的波段范围保持较高的平均透过率即可。可见光减反膜一般还要考虑颜色对人眼带来的视觉影响，颜色是由于减反膜在某个颜色的波段反射率相对较高造成的，会导致成像时的颜色失真。可见光宽带减反膜往往追求整个波段透过率的均衡提高，即保持色中性（色彩平衡性）。在选择可见光减反膜的基础膜系时，基于上述原则，根据对色中性的要求，有针对性地选择不同特点的膜系，进行进一步地设计和优化。

2.2 膜料选择的适用性和经济性

薄膜的折射率是由膜料决定的，精确的薄膜折射率色散分布数据，是进行膜系设计和优化的基础。可见光多层减反膜系用到的膜料要求在可见光区域具有良好的光谱透明性能、低的吸收系数、稳定的理化特性、良好的机械强度以等性能。满足这些要求的材料主要有TiO2、ZrO2、Al2O3、SiO2、MgF2等。值得注意的是，对于不耐高温的光学零件，如树脂镜片，其减反膜的镀制温度一般不超过100 ℃左右，这种情况下就不宜使用MgF2而应该使用SiO2，因为MgF2在镀制温度低于250 ℃时，形成的薄膜牢固性比较差。另外，不同膜料的价格从差别很大，品质也有所不同。因此，膜料的选择要注意适用性和经济性的原则。

2.3 膜层厚度的精确性和限制性原则

为了将设计的膜系变成现实，需要对膜层的厚度进行精确的监控，将膜层的厚度误差控制在膜层厚度允许误差范围之内[3]，并对膜层厚度进行必要的限制。当中心波长为时，如果膜系中每层薄膜的的膜层厚度均是的整数倍，则该膜系称为规整膜系，否则即为非规整膜系。目前我国的真空光学镀膜机，膜厚控制系统主要有光学膜厚控制仪和石英晶体膜厚控制仪两种。光学膜厚控制仪的监控精度和稳定性高的话，应该设计成规整膜系；反之，则应该设计成非规整膜系。对于非规整膜系的设计，有可能会出现特别厚的膜层或者特别薄的膜层。膜层过厚，可能会使得应力过大导致薄膜破裂，也有可能会因为膜料消耗过多引起蒸发角的变化而增加误差；膜层过薄，则有可能导致相对误差过大，以及由于时间过短造成的薄膜结构和性质不稳定、厚度不均匀等问题。因此要结合实际情况，对薄膜的厚度进行必要的限制。

2.4 镀制工艺的可行性及环保性原则

膜系的设计要充分考虑镀制的难度和周期、稳定性、耗材、环保性等方面。层数多，膜层厚的膜系镀制周期长；膜系中对光谱性能影响较大的膜层（敏感层）过薄、过多都会增加镀制的难度；为了满足大批量生产的需要，膜系应该具有良好的重复性和稳定性；为了降低成本，设计的膜系应该尽可能地减少对耗材的使用；膜系的镀制过程中，应该尽可能地避免使用那些有毒甚至具有放射性的膜料，最大限度地减少对环境的破坏；这些无论是对于科研还是企业生产都是至关重要的。

3 结语

随着人们对可见减反膜的功能要求越来越高，对膜系的设计也是复杂多变，该文研究的关于可见光减反膜的设计原则，对于光学薄膜技术人员进行膜系设计工作时具有很好的导向作用，有利于可见光减反膜研发和生产的规范化。

参考文献

[1] 唐晋发，顾培夫，刘旭，等.现代光学薄膜技术[M].杭州：浙江大学出版社，2006（10）：61-62.

[2] 王希权.可见光区高增透膜的理论计算[J].应用光学，2000，21（3）：47-49.

[3] 张晓晖，丁双红.规整膜系层厚允许误差的研究[J].光子学报，2003，32（9）：1145-1148.