光學(xué)薄膜的常見功能

日期：2025-01-04 05:33

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摘要：光學(xué)薄膜的常見功能

光學(xué)薄膜的常見功能

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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

1 引言

有讀者朋友留言，想對光學(xué)鍍膜有更多的了解，因此，從本篇開始，我們將系統(tǒng)的介紹光學(xué)鍍膜方面的相關(guān)內(nèi)容。

早期，由玻璃材料做成的光學(xué)元件，在使用過程中會遇到空氣中的水汽、酸、堿等物質(zhì)的侵蝕，使得表面性能下降，影響了光學(xué)產(chǎn)品的壽命。因此，為了解決這一問題，產(chǎn)生了光學(xué)鍍膜技術(shù)，通過在鏡片表面上鍍一層薄膜，可以將拋光表面與空氣做隔離，從而起到保護光學(xué)面的作用。在后續(xù)的使用過程中發(fā)現(xiàn)，薄膜不僅可以保護光學(xué)面，還可以改變光束的光學(xué)特性，例如讓表面透過率或者反射率產(chǎn)生改變，因此，人們對鍍膜技術(shù)有了更多的研究，當(dāng)代的光學(xué)鍍膜，是指在拋光的光學(xué)零件表面上鍍上一層或多層薄膜的工藝過程，目的是為了改變光波的傳束特性，包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改變等功能，或者通過光學(xué)薄膜，實現(xiàn)其它特定的目的。在本篇中，我們對光學(xué)薄膜的常見功能做介紹，來讓大家對這一領(lǐng)域有更多的了解。

2 光學(xué)薄膜的常見功能

在光學(xué)圖紙中定義鍍膜要求的時候，需要明確它適用的光譜范圍，比如是在紫外波段的鍍膜需求，還是在可見光或者紅外波段的需求等。另外，要明確膜層入射角度的大小，以滿足該光學(xué)元件在光學(xué)系統(tǒng)中的具體使用需求，*后，還要定義鍍膜后的數(shù)值大小，比如，是需要反射率低于0.5%，還是反射率要高于96%等。根據(jù)應(yīng)用的場景不同，光學(xué)薄膜的常見功能如下：

A、反射（HR Coating）

具備這一功能的薄膜稱為反射膜，是用來增加光學(xué)表面反射率的膜系，光學(xué)表面鍍了反射膜后，就可以作為反射鏡來使用了。

不同的反射率指標(biāo)下，對應(yīng)的鍍膜膜系是不同的，常見的反射膜大致有兩種膜系的選擇，一種是金屬膜，如鋁膜、銀膜、金膜等，金屬膜的厚度通常比較薄，對表面面形有很好的保持，反射率*高可以達到97%的水平。另一種是鍍電介質(zhì)膜，電介質(zhì)膜是利用不同電介質(zhì)材料的相互疊加而形成的多層膜，如用氟化鎂（MgF₂）和五氧化二鉭（Ta₂O₅）配合形成的介質(zhì)反射膜，可以達到99.99%的反射率水平，是相當(dāng)不錯的。但是介質(zhì)膜的厚度通常偏厚，因此不容易保持高精度的面形。做為一個例子，下圖給出了在可見光波段，在BK7材料表面鍍金膜、銀膜、鋁膜和電解質(zhì)膜的反射率曲線：

上圖中，光束為0度入射，紅色線代表金膜，綠色線代表銀膜、藍色線代表鋁膜，黑色線代表介質(zhì)膜，其中介質(zhì)膜是由10層的MgF₂和11層的Ta₂O₅構(gòu)成，MgF₂的總厚度為66nm，Ta₂O₅的總厚度為99nm，它們構(gòu)成的介質(zhì)膜的反射率是*高的。

B、減反（AR Coating）

具備這一功能的薄膜稱為增透膜或者減反膜，減反膜的作用是在一定光譜范圍內(nèi)，降低光學(xué)表面的反射率，從而增加光束在元件上的透過率指標(biāo)。減反膜通常由一層或多層不同的電解質(zhì)材料疊加而成。這里同樣可以用氟化鎂和五氧化二鉭，在下圖中，給出了在可見光波段，BK7材料在不鍍膜、鍍單層介質(zhì)膜和多層介質(zhì)膜的表面反射率曲線：

上圖中，光束為0度入射，紅色線代表不鍍膜的BK7拋光表面，反射率約為4.2%，綠線為在基底上鍍了單層MgF₂膜的反射率曲線，膜層厚度約99nm，可以看到反射率有了明顯的降低。藍線為在基底上鍍了3層MgF₂和3層Ta₂O₅的多層介質(zhì)膜，此時的表面反射率已經(jīng)在0.5%以下了。

鍍膜材料不**于MgF₂和Ta₂O₅，實際中，可以選用很多的鍍膜材料來使用，主要是氟化物、氧化物以及其它類化合物，常用的氟化物還包括氟化鑭LaF₃、氟化釔YF₃、氟化鐿YbF₃等，常用的氧化物還包括二氧化硅SiO₂、二氧化鈦TiO₂、二氧化鋯ZrO₂、二氧化鉿HfO₂等，以及硫化鋅ZnS、硒化鋅ZnSe等化合物。

C、分光（Beam Splitting）

通過鍍膜，可以將入射到鍍膜面上的光束分成兩束光，一束光透射穿過，另外一束光被反射，并且兩束光的光強比例是可以在膜系設(shè)計時定義的。常見的有1:1的分光膜，即透過光強和反射光強各占一半，另外，實際應(yīng)用中也有1:2比例或其它各種比例的分光膜。

D、衰減（Attenuating）

通過對平片產(chǎn)品鍍膜，可以使得透過它的光束強度變?nèi)?，但是消失的光束并沒有被平片反射回去，而是被吸收掉了，從而實現(xiàn)光束衰減的功能。我們平時佩戴的太陽鏡，就可以實現(xiàn)對紫外線的吸收和光強的衰減，起到保護眼睛的目的。在光學(xué)儀器中，有恒定衰減率的衰減片，即產(chǎn)品的各個位置可以對入射光束實現(xiàn)同等程度的衰減，也有漸變衰減率的衰減片，當(dāng)漸變衰減片產(chǎn)品繞中心旋轉(zhuǎn)一周時，光強的透過率可以由強到弱連續(xù)的變化。

E、濾光（Filtering）

用于濾光功能的元件通常稱為濾光片，它可以使特定譜段的光透過，將不感興趣譜段的光束濾除掉，濾光片在光學(xué)儀器中應(yīng)用非常廣泛，按照光譜特性分類，可以分為帶通濾光片、短波通濾光片、長波通濾光片等多種類型。在攝影行業(yè)，濾光片常被用來作為顏色的篩選器，從而獲得有特定藝術(shù)效果的照片。

F、偏振控制（Polarizing Control）

我們知道，線偏振光分為P光和S光，兩者振動方向相互垂直，傳播也是相互獨立的。通過鍍膜，可以對入射光束的偏振態(tài)進行控制，常見的應(yīng)用如偏振片，它可以將自然光變成偏振光，從而廣泛應(yīng)用在3D電影眼鏡、LCD顯示的場合。光學(xué)儀器中常用的偏振分光棱鏡（PBS），通過在膠合直角棱鏡的斜面鍍膜，可以實現(xiàn)將入射光束分成互成90度的P光和S光，起到起偏的作用，PBS的原理圖如下所示：

G、相位改變（Phase Change）

我們前面提到過，光學(xué)薄膜通常是一層或多層介質(zhì)的疊加，當(dāng)光束在不同介質(zhì)的界面層間被反射或折射時，不同偏振態(tài)的光的相位會發(fā)生改變，因此，根據(jù)這一特性，可以利用光學(xué)薄膜實現(xiàn)對入射光中P光和S光的相位調(diào)控，常見的有相位匹配、相位延遲等應(yīng)用。

H、非光學(xué)特性的功能

還有一類光學(xué)薄膜，它們并具備光學(xué)功能，但是在實際中是需要的。例如，當(dāng)光學(xué)表面需要防水時，就需要鍍疏水膜，該膜層可以使水滴在鏡片上不易附著，就像荷葉上水滴的效果一樣，被高效的排走。還有一些場合，需要光學(xué)表面具備導(dǎo)電的功能，這個時候，就需要鍍ITO（Indium Tin Oxide）膜，這種膜在可見光波段具備良好的透過率，同時具備優(yōu)異的導(dǎo)電性，從而為平板顯示器、觸摸屏、太陽能電池等電子產(chǎn)品設(shè)備提供透明的導(dǎo)電功能。

3 結(jié)語

在本文中，我們對光學(xué)薄膜的常見功能做了詳細的介紹，按照膜系的不同，光學(xué)薄膜通常具備高反、增透、分光、衰減、濾光、偏振控制、改變光束相位的功能，除此之外，光學(xué)薄膜還有非光學(xué)特性的功能，例如疏水膜、ITO膜等，這些功能在實際中也會經(jīng)常的用到。

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