在众多的光学系统中,一个相当重要的组成部分是透镜通过蒸镀膜材达到降低反射,也就是增加光线的透过率。在很多应用领域中,减反射膜是不可缺少的,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约有4%的反射,没有增透膜的透镜(镜头),光透过率仅为27%(估算方法:100-4×18=28),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%。
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设计。
经典的单层减反射膜由一薄层氟化镁MgF2构成,MgF2在510nm时的折射率为n=1.3858,以中心波长510nm去推算,需要的膜厚(几何厚度也是物理厚度)为d=92nm。
推算的方法如下:
1/4光度厚度=510nm/4=127.5nm=折射率(n)×物理厚度(d)
127.5nm=1.3858×d
D=92nm
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,直接使用蒸发舟便可。
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。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%。
图1 Al2O3,ZrO2和MgF2三层减反射膜反射率设计曲线
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。在光学树酯镜片行业,均采用SiO2作为低折射率的膜材。
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。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。
真空镀膜机光学镀膜加工上有什么要注意的吗?当光线进入不同传递物质时(如由空气进入玻璃),大约有5%会被反射掉,在光学瞄准镜中有许多透镜和折射镜,整个加起来可以让入射光线损失达30%至40%。现代光学透镜通常都镀有单层或多层氟化镁的增透膜,单层增透膜可使反射减少至1.5%,多层增透膜则可让反射降低至0.25%,所以整个瞄准镜如果加以适当镀膜,光线透穿率可达95%。镀了单层增透膜的镜片通常是蓝紫色或是红色,镀多层增透膜的镜片则呈淡绿色或暗紫色。
真空镀膜机增透膜增加透射光强度的实质是作为电磁波的光波在传播的过程中,在不同介质的分界面上,由于边界条件的不同,改变了其能量的分布。对于单层薄膜来说,当增透膜两边介质不同时,薄膜厚度为1/4波长的奇数倍且薄膜的折射率n=(n1*n2)^(1/2)时(分别是介质1、2的折射率),才可以使入射光全部透过介质。一般光学透镜都是在空气中使用,对于一般折射率在1.5左右的光学玻璃,为使单层膜达到100%的增透效果,可使n1=1.23,或接近1.23;还要使增透薄膜的厚度=(2k+1)倍四分之一个波长。单层膜只对某一特定波长的电磁波增透,为使在更大范围内和更多波长实现增透,人们利用镀多层膜来实现。 人们对增透膜的利用有了很多的经验,发现了不少可以作为增透膜的材料;同时也掌握了不少先进的镀膜技术,因此增透膜的应用涉及医学、军事、太空探索等各行各业,为人类科技进步作出了重大贡献。
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,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360nm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2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有较宽广的曲线,但使用混合料在450和590nm时有几乎为零的反射率。
图2 ZrO2(n=2.05)和上述混合料(n=2.15)的3层增透膜的反射曲线比较
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3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。
蒸发镀膜设备与技术 真空蒸发镀膜设备主要用于在经予处理的塑料、陶瓷等制品表面蒸镀金属薄膜(镀铝、铬、锡、不锈钢等金属)、七彩膜仿金膜等,从而获得光亮、美观、价廉的塑料,陶瓷表面金属化制品。广泛应用于工艺美术、装璜装饰、灯具、家具、玩具、酒瓶盖、女式鞋后跟等领域, JTPZ多功能镀膜技术及设备(加有射频等离子体聚合的蒸发镀膜机),针对汽车、摩托车灯具而设计的,在一个真空室内完成蒸发
镀铝和射频等离子体镀保护膜,这种镀膜后灯具具有“三防”功能。射频等离子体聚合膜还应用于光学产品、磁记录介质、军事国防保护膜;防潮增透膜;防锈抗腐蚀;耐磨增硬膜。用户选择在灯具基体上喷底漆、镀铝膜、镀保护膜或灯具基体在真空室进行前处理(不喷底漆)、镀铝膜、镀保护膜工艺。在ABS,PC,PBT,PE,PP,PA66等塑料基体上直接镀膜,不需喷底漆,也不需喷面漆(不需要投资喷涂设备),在镀完铝膜后直接镀一层保护膜。滴1%NaOH溶液10分钟铝层不腐蚀,去离子水中浸饱96小时铝层不脱落。
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。
图3 Al2O3(n=1.65)和M1(n=1.7)的3层增透膜的反射曲线的比较