用于玻璃和塑料基底上的增透膜

用于玻璃和塑料基底上的增透膜 在众多的光学系统中，一个相当重要的组成部分是镜片上能降低反射的镀膜。在很多应用领域中，增透膜是不可缺少的，否则，无法达到应用的要求。 就拿一个由18块透镜组成的35mm的自动变焦的照相机来说，假定每个玻璃和空气的界面有4%的反射，没有增透的镜头光透过率为27%，镀有一层膜(剩余的反射为1.3%)的镜头光透过率为66%，镀多层膜(剩余的反射为0.5%)的为85%。 在这篇文章中，列举了一些简单的增透膜和使用的。值得注意的是由于玻璃可以被高温加热，而塑料不能，因此，对玻璃和塑料必须选用不同的膜料和膜层。 用于玻璃基底的增透膜 经典的单层增透膜由一薄层MgF2构成，MgF2在510nm时的折射率为n=1.38，需要的膜厚为d=92nm。因此，在510nm波长时膜层有一个光学密度(厚度)n*d为1/4的波长。镀在加热到250-300?C的玻璃基底上的MgF2，不但牢固，稳定，并且相当方便，经济，直接使用蒸发船便可。 想得到更低的反射率，最简单的方法是镀一层CeF3和一层MgF2(各为1/4的光学厚度)，可用蒸发船。图1是单层和2层膜的反射曲线。2层膜的优点是在可见光范围的中段有更低的反射率，缺点在于在红，蓝端的反射率上升过快。 由于2层膜的效果不理想，为了达到理想的效果，必须使用3层或多层膜。 经典的3层膜由一层1/4光学厚度的中折射率物质(1.6-1.7)，一层1/2光学厚度的高折射率物质 (2.0-2.2)和一层1/4光学厚度的低折射率物质组成。最常用的是Al2O3，ZrO2和MgF2。图1显示 在整个光学敏感段(410-680nm)的反射率低于0.5%。 3层增透膜的膜料选择 膜料对膜层效果有决定性的影响。除了理想的折射率，每次镀膜时稳定的折射率，均匀的膜层，低吸收性，牢固性，稳定性也非常重要。 MgF2是最常用的第三层低折射率物质。但是，由于塑料不能被高温加热，用MgF2会使膜层变软和不稳定，此时，SiO2是最佳的选择。 Al2O3是最常用的第一层中折射率物质。它的膜层从红外到紫外线有相当高的透过率，十分牢固，稳定，并且每次镀膜时有稳定的折射率。 ZrO2通常被用作第二层高折射率物质。它的优点是从250到7000nm有宽广的透过率，并且，膜层牢固，稳定。但是，每次镀膜时呈现不同的折射率，也就是折射率会随着膜厚的增加而降低，这种现象可能和它的特殊晶体结构有关。图2显示了在五个单独的膜层中ZrO2不同的折射率。我们可以看到和和同次性的膜料相比，折射率有急剧的上升，特别是在中段。ZrO2的另一个缺点是在蒸发是它只是部分的溶解，因此，很难得到均匀的膜厚。 为了减少单体氧化物的这些缺点，可以使用混合氧化物。这些混合料可以根据客户不同的折射率需要来生产。 德国默克公司根据客户大量的实际使用情况和多年的膜料生产经验，研制开发了一系列的混合料: 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可以被用来生产高折射率的膜层，在250?C的基底上2.1-2.15的折射率具有同次性。M1可 以被用来生产中折射率得膜层。H1,H4和M1也能镀在未经加热的基底上，折射率会降低。 H1在从可见光到紫外的波段内有相当高的透过率，在360nm左右有吸收。但是，同ZrO2一样，无法从溶解的状态下被蒸发，因此较难得到比较均匀的膜层。 H2在可见光的波段内有很高的透过率，但是在380nm时有截止吸收，这意味着当镀膜条件不理想时，1/2光学厚度的末曾在400nm时会有0.5%的吸收。H2的优点在于它能从溶解的状态下被蒸发，因此有良好的同次性和均匀的膜厚。 H4在可见光的波段内有很高的透过率，像H1一样，在360n左右有吸收。它也能从溶解的状态下被蒸发，具有良好的同次性和均匀的膜厚。 图3显示了用ZrO2(n=2.05)和上述混合料(n=2.15)的3层增透膜的反射曲线得比较。从中可以看出用混合料的有较好的反射曲线。用ZrO2有交宽广的曲线，但使用混合料在450和590nm时有几乎为零的反射率。 M1在从近红外到近紫外的波段内有很高的透过率，在300nm时有吸收。它也能从溶解的状态下被蒸发，具有良好的同次性和均匀的膜厚。此物质适合于在高折射率的膜层上镀增透膜。 图4显示了在高折射率(n=1.625)的玻璃基底上用Al2O3(n=1.65)和M1(n=1.7)的3层增透膜的反射曲线的比较。从中可以看出用M1的效果要好得多。 我们也可以仅用氧化物来镀增透膜。图5显示了用SiO2(n=1.46)和H4(n=2.15)的膜系，当然膜厚不再是简单的1/2或1/4光学厚度。有时会需要很薄的膜厚，在膜厚和折射率上微小的变动都会有很大的影响，因此相对于经典的3层膜系来说要难得多。从中可以看出，3层膜在中间波段有最低的反射率，但是4层膜C有着3层膜无法实现的从400到700nm宽广的低于0.5%的反射率。 用于塑料基底的增透膜 在塑料基底上镀膜，我们无法在镀膜过程中加热基底。因此，我们必须膜料的选择上倍加小心以确保它能 在低温下形成稳定的膜层。此外，由于温度偏低，折射率也随之变低，因此，相应的膜层设计也要改变。 MgF2不能在低温下被蒸镀，因为只有在200?C以上的温度时它才能形成稳定的膜层。因此，我们只能选择氧化物来蒸镀。 我们可以使用下列氧化物: SiO2 在塑料基底上的折射率为 1.45 Al2O3 1.62 M1 1.65 Y2O3 1.8 ZrO2 1.9 H1 1.95 H4 1.95 TiO2 1.9-2.0 H2不能在低温下被蒸镀，因为它在蓝光波段有吸收。 最常用的塑料基底是: CR39 折射率为 1.5 聚碳酸酯 1.59 PMMA 1.48-1.50 图6显示了由M1,H4和SiO2组成的3层增透膜的反射曲线，在从390到750nm的波段上的反射率小于1%。同时，一个5层膜也被显示在图上作为比较，它的反射曲线在415到680nm的波段上的反射率小于1%，并且在中间波段有相当底的反射率。 图7显示了由M1,H4和SiO2组成的3层增透膜在聚碳酸酯基底上的反射曲线，在从390到750nm的波段上的反射率小于1%。同时，一个4层膜也被显示在图上作为比较，它的反射曲线的低反射段比较窄，但是在中间波段由相当低的反射率。 小结: 本文中列举了一些简单的增透膜，当然还有许多方法可以达到同样的效果，但这已不是这篇简短的文章所能包括的。