藍(lán)色減反射膜的設(shè)計(jì)與制備

石澎 王麗榮 張鴻佳 張寧 李超財(cái) 盧志堅(jiān)

摘 要：一些光學(xué)系統(tǒng)存在藍(lán)光過量問題，容易破壞成像色彩平衡。本文利用專業(yè)膜系設(shè)計(jì)軟件，采用Needle優(yōu)化法進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)，使用離子輔助沉積的方法制備了藍(lán)色減反射膜。這種光學(xué)薄膜可以將440～500 nm范圍的平均反射率控制在1.3%左右，而其他可見光的平均反射率為0.3%左右，藍(lán)光反射率比其他可見光的反射率高1.0%左右，可以有效消除藍(lán)光過量導(dǎo)致的成像偏色問題。

關(guān)鍵詞：減反射膜;光學(xué)薄膜;反射率;膜系設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：O484文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）23-0060-03

Abstract： Some optical systems have the problem of excessive blue light， which can easily destroy the image color balance.This paper used professional film design software， adopted Needle optimization method for film design， and used ion-assisted deposition to prepare blue anti-reflection film. This optical film can control the average reflectance in the range of 440～500 nm to about 1.3%， while the average reflectance of other visible light is about 0.3%， and the reflectance of blue light is about 1.0% higher than that of other visible light， which can effectively eliminate Image color cast caused by excessive blue light.

Keywords： anti-reflection film;optical film;reflectivity;film design

一般光學(xué)鏡片的光能量反射損失可能超過8%，鏡片折射率越高，反射率就會(huì)越高，光能量損失越大。進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光能量過低，會(huì)嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，而在光學(xué)鏡片上鍍制減反射膜可以有效降低光能量的反射損失[1]。減反射膜，又稱增透膜，起到減少光能量在鏡片表面損失、提高透過率的作用[2]，幾乎所有光學(xué)系統(tǒng)都會(huì)用到，因此減反射膜是當(dāng)前用量最大、應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的光學(xué)薄膜。

光學(xué)系統(tǒng)的種類繁多，不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)光能量的要求也不盡相同，對(duì)應(yīng)的減反射膜種類也非常多。根據(jù)不同的使用波段，其可以分為紫外減反射膜、可見光減反射膜、紅外減反射膜。此外，還有各種復(fù)合波段范圍的減反射膜。可見光減反射膜主要用于各種目視光學(xué)系統(tǒng)，除了保證高透過率以外，還要保證視覺上、光學(xué)系統(tǒng)器件特性上的特殊要求。本文研究的是一種藍(lán)色減反射膜，要求具備明顯的藍(lán)色視覺效果和良好的透過率。

1 藍(lán)色減反射膜的目標(biāo)參數(shù)

藍(lán)色減反射膜的設(shè)計(jì)原理是在干涉理論的基礎(chǔ)上，使藍(lán)色光的反射率明顯高于其他波段的光，在反射光中占優(yōu)勢(shì)而顯現(xiàn)藍(lán)色。在獲得藍(lán)色效果的同時(shí)，為了盡可能地保證可見光的透過率，人們必須對(duì)反射率做出一定的限制，因此除了對(duì)平均透過率提出要求外，還要對(duì)反射率的范圍加以限定，目標(biāo)參數(shù)如表1所示。其中，440～500 nm為藍(lán)色反光區(qū)域，其最大反射率不得超過2.0%。

2 膜系設(shè)計(jì)

以K9玻璃為基底，膜系設(shè)計(jì)采用的膜料為TiO2、SiO2，這兩種材料在可見光波段范圍內(nèi)均具有良好的光學(xué)透過率，同時(shí)具有透明度好、結(jié)合力強(qiáng)、應(yīng)力匹配好、機(jī)械強(qiáng)度高、抗腐蝕能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。本研究用H代表高折射率的TiO2，用L代表低折射率的SiO2，以S代表鏡片基底，以A代表空氣介質(zhì)。由于膜系設(shè)計(jì)的結(jié)果和實(shí)際鍍制的結(jié)果總會(huì)有一定誤差，所以設(shè)計(jì)時(shí)采用“過正設(shè)計(jì)”的方法，即按照高于參數(shù)目標(biāo)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以膜層的厚度和層數(shù)為變量[4]，利用專業(yè)膜系設(shè)計(jì)軟件，使用Needle優(yōu)化法進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)，獲得了膜系結(jié)構(gòu)S|HLHLHL|A。優(yōu)化的膜系對(duì)應(yīng)的光譜設(shè)計(jì)曲線如圖1所示。

3 薄膜制備

薄膜采用國(guó)產(chǎn)南光1 100 mm腔體光學(xué)真空鍍膜機(jī)制備，配有雙電子槍和霍爾離子源，離子源能夠有效提高薄膜的聚集密度和折射率[5]，制備的工藝參數(shù)如表2所示。

4 薄膜測(cè)試與分析

制備的薄膜樣品采用標(biāo)旗Planum-3000分光光度計(jì)進(jìn)行光譜性能測(cè)試，膜系的光譜測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

將膜系的設(shè)計(jì)曲線和測(cè)試曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)曲線跟設(shè)計(jì)曲線有所不同，但是其各項(xiàng)指標(biāo)仍然滿足目標(biāo)參數(shù)需求。經(jīng)分析，在制備光學(xué)薄膜時(shí)，薄膜材料狀態(tài)是由塊狀材料直接蒸發(fā)或者變?yōu)橐簯B(tài)后蒸發(fā)到鏡片沉積成膜，在成膜過程中，真空鍍膜室內(nèi)的溫度、真空度、蒸發(fā)速率等方面的輕微波動(dòng)不可避免，這些因素都會(huì)導(dǎo)致實(shí)際薄膜的折射率跟設(shè)計(jì)用的折射率有細(xì)微差距[6]。這是蒸發(fā)鍍膜過程中的正常現(xiàn)象，只要在設(shè)計(jì)中充分考慮這個(gè)問題，就能有效提高良品率。

5 結(jié)論

本文借助膜系設(shè)計(jì)軟件，使用Needle優(yōu)化法進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)，采用離子輔助沉積的方法制備了藍(lán)色減反射膜。這種光學(xué)薄膜具有明顯的藍(lán)色視覺效果和非常低的反射率，能夠有效提高進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光能量并防止藍(lán)光偏色問題，滿足了實(shí)際使用的參數(shù)目標(biāo)需求。在設(shè)計(jì)過程中，人們要注意膜料折射率變化對(duì)設(shè)計(jì)誤差的影響，采用“過正設(shè)計(jì)”原則，使實(shí)際制備的膜系仍然滿足要求，這就需要加強(qiáng)對(duì)膜料折射率穩(wěn)定性的研究，以便更好地設(shè)計(jì)、制備出符合要求的薄膜。

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