增透膜詳解

2024年3月1日發(作者：春節的由來100字)

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。圖1顯示

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。

圖3顯示了用ZrO2(n=2.05)和上述混合料(n=2.15)的3層增透膜的反射曲線得比較。從中可以看出用混合料的有較好的反射曲線。用ZrO2有交寬廣的曲線，但使用混合料在450和590nm時有幾乎為零的反射率。

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。

圖4顯示了在高折射率(n=1.625)的玻璃基底上用Al2O3(n=1.65)和M1(n=1.7)的3層增透膜的反射曲線的比較。從中可以看出用M1的效果要好得多。

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

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

PMMA 1.48-1.50

圖6顯示了由M1,H4和SiO2組成的3層增透膜的反射曲線，在從390到750nm的波段上的反射率小于1%。同時，一個5層膜也被顯示在圖上作為比較，它的反射曲線在415到680nm的波段上的反射率小于1%，并且在中間波段有相當底的反射率。

圖7顯示了由M1,H4和SiO2組成的3層增透膜在聚碳酸酯基底上的反射曲線，在從390到750nm的波段上的反射率小于1%。同時，一個4層膜也被顯示在圖上作為比較，它的反射曲線的低反射段比較窄，但是在中間波段由相當低的反射率。

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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