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增透膜

雙面增透膜

石英玻璃增透膜

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單層增透膜：

    理論解析：
    若是由介質(zhì) n1垂直入射至 n2 　　
    反射率＝[ (n2 －n1) / (n1+n2) ]2 　　
    穿透率＝4n1n2 / (n1+n2)2
    若是空氣的折射率是 1.0 ，鍍膜的折射率 nc (例如：1.5) ，玻璃的折射率 n (例如：1.8) 
    （1）由空氣直接進(jìn)入玻璃 
    穿透率＝ 4×1.0×1.8 / ( 1+1.8 )2＝91.84% 
    （2）由空氣進(jìn)入鍍膜后再進(jìn)入玻璃 
    穿透率＝[ 4×1.0×1.5 / ( 1+1.5 )2] × [ 4×1.5×1.8 / ( 1.5+1.8 )2]＝95.2% 

增透膜波長選擇表

標(biāo)準(zhǔn)可見光增透膜曲線

標(biāo)準(zhǔn)紅外光增透膜曲線

增透：

    光線（黑色）射到增透膜上，有一部分反射出來（藍(lán)色）；有一部分折射入增透膜（青色），又經(jīng)增透膜第二面反射（黃色），再折射出來（紅色）。
    由于青色，黃色光行程為兩個(gè)1/4波長，即0.5倍波長。因此紅色和藍(lán)色兩列光相位差為半波長，疊加而抵消。即光能都進(jìn)入增透膜后進(jìn)入鏡頭。故叫增透。單層增透膜厚度都是需要增透波長的1/4

曲線圖

單層增透膜的原理及應(yīng)用

單層λ/4增透膜

　　λ/4的光學(xué)增透膜（下面討論時(shí)光學(xué)元件用玻璃來代替, 初始入射介質(zhì)用空氣來代替）, 一般為在玻璃上鍍一層光學(xué)厚度為λ/4的薄膜,且薄膜的折射率大于空氣的折射率, 小于玻璃的折射率由菲涅耳公式知, 光線垂直人射時(shí), 反射光在空氣一薄膜界面和薄膜一玻璃界面都有半波損失設(shè)空氣、鍍膜、玻璃的折射率分別為n0,n1,n2 且n2>n1>n0定義R01,T01為空氣-薄膜界面的反射率與透射率,R01，T01為薄膜-空氣界面的反射率與透射率,R12，T12為薄膜-玻璃界面的反射率與透射率, R21，T21為玻璃-薄膜界面的反射率與透射率如圖4-1所示示, 為了區(qū)分人射光線和反射光線, 這里將入射光線畫成斜入射，圖4-1中反射光線1和2的光程差為λ/2, 這樣反射光便能完全相消由菲涅耳公式知道, 光垂直通過界面時(shí), 反射率R和透射率T與折射率n的關(guān)系為：

　　設(shè)人射光的光強(qiáng)為I0, 則反射光線1的光強(qiáng)I1=I0R0, 反射光線2的光強(qiáng)I2=I0I01R12T10。余下的反射光的光強(qiáng)中會(huì)出現(xiàn)反射率的平方, 因?yàn)榉瓷渎识急容^小, 故可不再考慮。λ/4的光學(xué)增透膜使反射光線1與反射光線2的光程差為δ=2n1d1=λ/2, 故相位差為л, 由干涉理論知, 干涉后的光強(qiáng)為：

　　因?yàn)檎凵渎蕁0,n1,n2比較接近，例如n0=1,n2=1.5的界面，T=96%，故可近似地取T01和T10為1，若使Ip為0 ，則有R01=R12，即：

　　由n2>n1>n0得

　　當(dāng)上式成立時(shí)，反射率最小，透射率最大。但是涂一層膜也有不足之處，因?yàn)槌Ｓ玫?lambda;/4光學(xué)增透膜MgF2,MgF2的折射率為1.38,1.38*1.38=1.9044，而玻璃的折射率一般在1.5~1.8之間，所以用MgF2增透膜不能使反射光光強(qiáng)最小，再者，一波長為λ+Δλ的光垂直入射到λ/4的光學(xué)增透膜同波長為λ的光一樣反射光線1和反射光線2的光程差為δ=λ/2相位差為ΔΨ=2лλ/2（λ+Δλ）從而干涉后的光強(qiáng)為：

　　即可選擇合適的材料，使I1=I2，從而上式變?yōu)?/span>

　　如圖4-2所示，I為反射光的光強(qiáng)，Δλ為線寬，I隨Δλ的地增加而迅速增加。光學(xué)厚度為λ/4的光學(xué)增透膜的反射光強(qiáng)隨波長的變化曲線呈V形，這樣λ/4的光學(xué)增透膜的透射率較大的波段就較小, 我們稱λ/4的光學(xué)增透膜的頻寬較小，現(xiàn)代的照像機(jī)的鏡頭、攝像機(jī)的鏡頭, 以及彩色電視機(jī)的熒屏并不要求在某一波長的光有很高的透射率, 而希望在較寬的波段范圍內(nèi)透射率較低且一致, 即要求增透膜的頻寬較大。所以我們就可以鍍兩層膜，甚至是多層膜。

　　光在透鏡表面上的反射還會(huì)造成雜散光 , 嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。為了減少光學(xué)元件 ( 如透鏡、棱鏡等 ) 表面上光的反射損失 , 通常在元件表面鍍上一層透明介質(zhì)薄膜 ( 稱為增透膜)。

　　增透膜原理：“當(dāng)薄膜的厚度適當(dāng)時(shí)，在薄膜的兩個(gè)面上反射的光，路程差恰好等于半個(gè)波長，因而互相抵消。這就大大減少了光的反射損失，增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度。”

　　眾多的光學(xué)系統(tǒng)中，一個(gè)相當(dāng)重要的組成部分是鏡片上能降低反射的鍍膜。在很多應(yīng)用領(lǐng)域中，增透膜是不可缺少的，否則，無法達(dá)到應(yīng)用的要求。

增透膜原理：

      增透膜原理：“當(dāng)薄膜的厚度適當(dāng)時(shí)，在薄膜的兩個(gè)面上反射的光，路程差恰好等于半個(gè)波長，因而互相抵消。這就大大減少了光的反射損失，增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度。”

　　其一是當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，如果兩種介質(zhì)的折射率相差減小，反射光的能量減小，透射光的能量增加。當(dāng)光射到兩種透明介質(zhì)的界面時(shí)，若光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，光有可能發(fā)生全反射；當(dāng)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，反射光有半波損失。對(duì)于玻璃鏡頭上的增透膜，其折射率大小介于玻璃和空氣折射率之間，當(dāng)光由空氣射向鏡頭時(shí)，使得膜兩面的反射光均有半波損失，從而使膜的厚度僅僅只滿足兩反射光的光程差為半個(gè)波長。膜的后表面上的反射光比前表面上的反射光多經(jīng)歷的路程，即為膜的厚度的兩倍。所以，膜厚應(yīng)為光在薄膜介質(zhì)中波長的1/4，從而使兩反射光相互抵消。由此可知，增透膜的厚度d＝λ/4n（其中n為膜的折射率，λ為光在空氣中的波長）。

　　如果鏡頭表面不涂薄膜，光直接由折射率為n1=1.0空氣垂直入射到折射率為n2=1.5的玻璃的介面時(shí)，反射率，即將有4%的入射光能被反射，96%的入射光能進(jìn)入玻璃，這說明光學(xué)器件表面的反射光會(huì)導(dǎo)致光能損失。進(jìn)入玻璃的光再從玻璃垂直進(jìn)入空氣的分介面時(shí)，透射光與入射光相比，又要產(chǎn)生相同比例的能量損失。即一個(gè)簡單玻璃透鏡，光通過它的兩個(gè)透光表面，透射光的強(qiáng)度I只占原入射光強(qiáng)度I0的。

　　人們普遍使用較高級(jí)照相機(jī)的物鏡、潛水艇上用的潛望鏡等一般都由多個(gè)透鏡組成，其目的是利用凸透鏡和凹透鏡的不同性質(zhì)消除相差。光能損失越大，所成像的質(zhì)量越差，而且反射光還可能被其它表面再反射到像的附近，形成有害的雜光，將進(jìn)一步減弱成像質(zhì)量。

　　如果在玻璃鏡頭表面涂上一層其折射率介于玻璃和空氣之間的透明介質(zhì)，當(dāng)有增透膜時(shí)透射光的能量是原入射光能量的。增加氟化鎂薄膜后，透射光能提高了97.3％－92％＝5.3％，所以反射光能減少了。則涂有增透膜的6個(gè)透鏡組成的鏡頭，與相同情況下光直接由空氣進(jìn)入玻璃鏡頭時(shí)相比較，提高了透射光能量84.8%-61%=23.8%，減少了光的反射損失。

　　利用薄膜干涉的原理，增加了透射光的能量。因?yàn)楫?dāng)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)，反射光有半波損失，即反射光與入射光相位恰好相反。

　　若光直接由空氣垂直射到玻璃鏡頭的表面時(shí)，反射光將直接與入射光相遇發(fā)生干涉相消，反射光抵消一部分入射光，使透射光的能量減少。

　　若在玻璃鏡頭表面涂上一層薄膜，使它的厚度等于光在薄膜中波長的四分之一。

　　當(dāng)光再由空氣射向鏡頭時(shí)，由于薄膜兩個(gè)面的反射光均有半波損失，膜后表面的反射光比膜前表面反射光的光程差恰好相差半個(gè)波長，此時(shí)產(chǎn)生干涉相消的不是反射光與入射光，而是薄膜前后兩個(gè)表面的反射光相消，即相當(dāng)于增加了透射光的能量。

　　根據(jù)光的傳播理論，不同頻率的光在同一介質(zhì)中傳播速度和波長是不同的，但選擇材料厚度只能是某一波長的四分之一，即只能使某一頻率的反射光相消，其它頻率的反射光不能完全相消。因此，對(duì)涂有增透膜的光學(xué)器件在白光照射下會(huì)呈現(xiàn)一定顏色。例如照相機(jī)底片對(duì)波長為5500埃的黃綠色光最敏感，它要消除波長為5500埃的這種色光的反射光而增加它的透射光，其薄膜的厚度只能是這種色光在薄膜中波長的四分之一。當(dāng)反射光在原來白光中少了黃綠色光后，鏡頭就會(huì)呈現(xiàn)出淡紫色。

　　綜上所述，我們可以得出這樣的結(jié)論：在光學(xué)鏡頭表面涂一層厚度和材料適當(dāng)?shù)谋∧ぃ軌蛟黾油干涔獾哪芰?，減少反射光的能量損失。達(dá)到讓“增透膜”增透的效果。

光學(xué)鍍膜概念及原理

　　鍍膜是用物理或化學(xué)的方法在材料表面鍍上一層透明的電解質(zhì)膜，或鍍一層金屬膜，目的是改變材料表面的反射和透射特性，達(dá)到減少或增加光的反射、分束、分色、濾光、偏振等要求。常用的鍍膜法有真空鍍膜(物理鍍膜的一種)和化學(xué)鍍膜。光學(xué)零件表面鍍膜后，光在膜層層上多次反射和透射，形成多光束干涉，控制膜層的折射率和厚度，可以得到不同的強(qiáng)度分布，這是干涉鍍膜的基本原理。

光學(xué)薄膜分類：

    增透膜：硅、鍺、硫化鋅、硒化鋅等基底較多，氟化物較為少見。
    單波長、雙波長、寬帶
    反射膜：分介質(zhì)與金屬反射膜，金屬反射膜一般為鍍金加保護(hù)層。
    半反射、單波長、雙波長、寬帶
    硬碳膜 :也叫DLC膜，一般鍍?cè)诠琛㈡N、硫系玻璃外表面，做保護(hù)/增透作用， 產(chǎn)品另一側(cè)一般要求鍍?cè)鐾改ぁ?nbsp;
    分光膜 :有些要求特定入射角情況下，可見光波段反射，紅外波段透過，多用于光譜分析中。
    45度分光片、雙色分束、偏振分束片&棱鏡
    濾光膜：寬帶、窄帶
    激光晶體膜：YAG/YV04/KTP/LBO/BBO/LIND03
    紫外膜-增透：193/248/266/308/340/355,鋁反射180-400nm 
    紅外膜：CO210.6UM/YAG2940NM/SI&GE&ZNSE&ZNS

高反射膜

金屬鏡(Metallic Mirror)

　　成本較低，反射波段較寬。

　　一般用于反射率要求不是特別高，但是波段很寬的應(yīng)用。

　　因?yàn)榇嬖诓糠治?，因此限制了其在激光領(lǐng)域的應(yīng)用。

全介質(zhì)反射鏡(Dielectric HR coatings )

　　成本較高，反射波段較窄。

　　反射率可以做到很高。

　　反射波段范圍有限，如加大反射波段范圍，膜層鍍制難度將提高。

　　膜層較厚，應(yīng)力較大，存在膜層脫落風(fēng)險(xiǎn)。

鍍膜基片

　　指在什么材質(zhì)上鍍膜?；淄鞘褂铆h(huán)境和用途決定。常見的鍍膜基底選擇？ 如氣體分析保護(hù)金多用氟化鈣基底，普通反射鏡用浮法玻璃，激光腔鏡用硅基底，紅外濾光片多用硅鍺，可見及近紅外多是玻璃，無氧銅多是鎳和金等。

　　氟化鈣，氟化鋇，氟化鎂，藍(lán)寶石，鍺，硅，硫化鋅，硒化鋅，硫系玻璃，N-BK7,熔融石英等。

鍍膜材料

　　附著在基底上的起到透射，反射，分光等作用的材料，可能是光學(xué)材料如硫化鋅、氟化鎂等，也可能是金屬，如鋁金等。目前成熟大批量光學(xué)鍍膜材料多是顆粒狀或是藥片狀，也有整塊晶體鍍膜靶材；金屬鍍膜材料多是絲及塊狀；基底，用途，和鍍膜指標(biāo)決定用什么鍍膜材料。

鍍膜工序和設(shè)備

清洗設(shè)備：

　　超聲波清洗機(jī)：指清洗和烘干一體化的，可直接裝盤鍍膜。同時(shí)這個(gè)機(jī)器必須在潔凈空間使用；

光學(xué)鏡片的超聲波清洗技術(shù)

　　在光學(xué)冷加工中，鏡片的清洗主要是指鏡片拋光后殘余拋光液、黏結(jié)劑、保護(hù)性材料的清洗；鏡片磨邊后磨邊油、玻璃粉的清洗；鏡片鍍膜前手指印、口水以及各種附著物的清洗。

　　傳統(tǒng)的清洗方法是利用擦拭材料（紗布、無塵紙）配合化學(xué)試劑（汽油、乙醇、丙酮、乙醚）采取浸泡、擦拭等手段進(jìn)行手工清擦。

　　這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，清潔度差，顯然不適應(yīng)現(xiàn)代規(guī)?；墓鈱W(xué)冷加工行業(yè)。這迫使人們尋找一種機(jī)械化的清洗手段來代替。于是超聲波清洗技術(shù)逐步進(jìn)入光學(xué)冷加工行業(yè)并大顯身手，進(jìn)一步推動(dòng)了光學(xué)冷加工業(yè)的發(fā)展。

　　超聲波清洗技術(shù)的基本原理，大致可以認(rèn)為是利用超聲場(chǎng)產(chǎn)生的巨大作用力，在洗滌介質(zhì)的配合下，促使物質(zhì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化以達(dá)到清洗目的的方法。

　　當(dāng)高于音波（28～40khz）的高頻振動(dòng)傳給清洗介質(zhì)后，液體介質(zhì)在高頻振動(dòng)下產(chǎn)生近乎真空的空腔泡，空腔泡在相互間的碰撞、合并、消亡的過程中，可使液體局部瞬間產(chǎn)生幾千大氣壓的壓強(qiáng)，如此大的壓強(qiáng)使得周圍的物質(zhì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化。

工藝流程：

  
等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 (PECVD)：

　　是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子體化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，在基片上沉積出所期望的薄膜。因?yàn)槔昧说入x子的活性來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，PECVD可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)。

等離子輔助氣相沉積

　　目前DLC膜常用制備方法。采用射頻技術(shù)（RF-PACVD）將通入的氣體（丁烷、氬氣）離化，在極板自偏壓（負(fù)）的吸引下，帶正電的粒子向基板撞擊，沉積在基板表面。