可见光及近红外光波段减反射膜的设计与制备

寇立选 ，郭兴忠 ，蒋文山 ，吴 兰 ，刘盛浦 ，杨海涛

(1． 浙江博达光电有限公司，浙江 杭州 311305；2． 浙江大学浙江加州国际纳米技术研究院，浙江 杭州 310058；3． 浙江博达光电材料与器件研究院，浙江 杭州 311305)

0 引 言

减反射膜，也称增透膜，是一种应用最广的光学薄膜，用于减少光学元件表面的反射，提高工作波段光线的透光率，减少光能损失。照相机、显微镜、摄像机等光学元件通过镀减反射膜来提高光能量，增加光线透光率，改善光学元件成像质量。当前，夜间影像的使用及日夜两用型影像系统的不断增加，对减反射膜提出了更高要求：减反射膜不仅仅局限于可见光或者近红外区域，而且在可见光到近红外超宽光谱区域(400-1100 nm)均提出高透光、低反射的要求[1]。

然而，目前几乎所有的影像系统在白天光线充足的情况下能捕捉到清晰有用的图像，但夜晚成像则相对较差。而且为了隐蔽，绝大多数的现代影像系统在晚间需使用红外光源，红外光源的照度非常低，通常小于0．1lux。这就要求影像系统整体对于可见及红外区域的光源的透过性非常好，提出了开发可见光到近红外区域(400-1100 nm)高透过率、低反射的高品质减反射膜的要求。另外，随着军用红外技术在大气光通讯方面的广泛应用，军用光学系统的光谱区域越来越宽，不仅要求覆盖红外区域，同时还要求覆盖可见光与近红外，这就使得具有高的透过率、波段覆盖范围广、可靠性好的高性能可见光与近红外波段的宽波段增透膜的研究成为必要[2-6]。

本文针对日夜两用型监控系统的使用要求，选取Ti3O5、SiO2、MgF2三种光学镀膜材料，通过10层膜系结构的设计、优化与试验优化调整，并对蒸发源的装载方式进行改进。采用全部离子源辅助电子束蒸发的方式，达到系统要求的光学性能、环测需求以及连续生产的表面要求，制备出高透过率的多层宽带减反射膜，满足民用、军用影像系统对于可见至近红外波段高透过性的要求。

1 减反射膜系设计

多层宽带减反射膜的设计相当复杂，Willey根据大量的设计实践，总结和归纳了一个非常有用的经验公式，用于设计时估计最低的反射率平均值：

这里的B=λmax/λmin，表示低反射率带宽(λmax为低反射区波长最大值，λmin为低反射区波长最小值)；L是最外层薄膜的折射率；D=nH- nL，定义为：除最外层以外的高低折射率的差值；T是膜系总的光学厚度，以平均波长的倍数来表示，即：

表1 10层膜系结构和各层膜光学厚度Tab.1 Structure of ten-layer antireflection coating and optical thickness of each layer

图1 10层初始理论设计反射曲线 Fig.1 Calculated reflective curve of ten-layer antireflection coating

图2 最终10层设计反射曲线Fig.2 Final reflective curve of ten-layer antireflection coating

根据以上函数关系分析，需要在带宽B比价大的情况下，降低Rave的值，则需要满足以下条件：D尽可能大；nH与nL的差值尽可能大；L尽可能的小；T尽可能的大。同时，考虑到大批量生产的成本、稳定性，以及实际控制能力，选用Ti3O5、SiO2及MgF2，其折射率分别为2．35、1．46、1．38的三种材料。

根据经验的一个初始结构G|(0．3H0．3L)40．3HM|A，其中，G为低折射率基板K9玻璃；H、L、M分别为Ti3O5、SiO2、MgF2三种材料的折射率，利用计算机自动优化，初步得到的膜层结构如表1所示，其理论设计反射曲线如图1所示。

该膜系设计的带宽B = 1100/400 = 2．75，L = 1．38，D = 2．35 - 1．46 = 0．89，T = 740．2/663．3 = 1．12，则由(1)式计算可得到理论上最低平均反射率为0．46%，初始设计模拟所得400-1100 nm波段平均反射率约为0．5%，两者略有差异。

根据以上的初始理论设计，再根据实际生产经验：(1)第一层加入SiO2作为结合层，同时可以平滑低反射曲线；(2)极薄层不易控制，可剔除合并；(3)MgF2为亲水性材料，在最外层极易被潮解，不易通过较苛刻的环测试验。故用部分SiO2替代MgF2，用作保护层。再利用计算机辅助进行二次优化，得到最终的10层设计反射曲线如图2所示。

2 减反射膜制备与测试

2.1 减反射膜制备

利用日本SHINCRON MIC-1350设备进行减反射薄膜制备。由于各层膜层厚度差别大，且非规整，故采用晶振控制，控制单元为XTC-3S水晶式膜厚仪，6点式旋转控制器。试验中通过对结果进行反推模拟，调整晶振控制系数，消除控制误差。试验设备带有直径为175 mm的NIS-175-4型RF离子源。

减反射膜选用Ti3O5、SiO2为镀膜材料，采用常规IAD参数辅助、低温冷镀的方式镀膜。MgF2由于其亲水性，一般选用高温镀膜(300 ℃以上)，不采用IAD辅助。但由于高温能耗大，且高低温切换必然影响生产效率，缩短设备寿命。本研究通过理论分析及实际的试验确认，采用低温(150 ℃)IAD辅助。MgF2采用IAD辅助时不可使用O2，电子枪高温情况下MgF2可被氧化(氧化后会变成MgO)，且IAD能量要进行适当的调整，可采用低电压、大电流方式。另外，由于MgF2采用电子枪蒸发，其表面极易氧化结块，被MgO覆盖表层后极易喷溅，故采用自制钼坩埚(如图3所示)，可解决上述难题。

2.2 减反射膜光谱测试

利用上海欣茂生产的723PCS分光光度计的反射率测试系统进行测试，波段选用360-800 nm。由于其不能满足测试宽波段的需求，配合PerkinElmer公司的Lambda25进行390-1100 nm范围透过率测试。通过透过率的测试，对宽波段的反射率进行拟合，分别得出如图4和图5的反射率和透过率。根据能量守恒定律：

式中，R和T分别为反射率(R包含了两个面的反射)和透射率，L=A+S，A和S为薄膜中的两大类光学损耗吸收和散射。由于蒸发薄膜的散射强度明显的取决于蒸发材料和制备工艺，根据以往大批量生产的实践调整。本文选用的Ti3O5、SiO2镀膜材料，以及相匹配的常规IAD参数，且产品膜层整体厚度较薄，散射可忽略不计，故：

根据实际的生产工艺，Ti3O5在小于410 nm的波段开始有吸收，并随着波长变短吸收增大。

根据以上在390-800 nm的透过、反射均可测区域，对每个波段测试数据进行验证：R + T1+ A = 1,其中，R=R1+ R2，R1、R2为两个面的反射率，R1为图4所示曲线，R2未镀膜时计算可得，约为4．2%；T1为图5所示单面透过率。经验证，在410 nm左右开始的短波侧，A大于0，即存在吸收，可见光其他区域A ≈ 0，可忽略。根据材料特性，在近红外波段，A也可忽略。由此，推算出800-1100 nm波段，R1= 1 - T1- 4．2%。根据以上测试和计算，得出400-1100 nm的实测平均反射率为0．56%，且为双面透过率。

图3 MgF2蒸发用钼坩埚Fig.3 Molybdenum crucible for MgF2 evaporation

图4 减反射膜的反射率测试曲线Fig.4 Measured reflectance curve of antireflection coating

图5 减反射膜的透过率测试曲线 Fig.5 Measured transmission curve of antireflection coating

2.3 减反射膜性能测试

为保证后续使用过程的可靠性，对减反射膜进行了以下环测试验：

(1)膜牢固度试验：用玻璃刀将膜面(基板不要划透)划成5 mm× 5 mm左右的方格，清洁膜面，粘上3M胶带并挤出气泡，以10-15 cm/s的速度垂直方向拉起胶带，检查膜层是否有脱落。同一位置连续拉三次，未见膜层脱落。

(2)耐摩擦试验：清洁膜面后，用濽有酒精的纱布，以5 N/cm2的力每次移动30 mm摩擦膜层表面，来回50次，未见膜层表面异常。

(3)水煮试验：将产品放入烧开的纯水中，煮一个小时(注意产品可用纱布包起来，放置接触锅底或者侧壁)。再将产品拿出并擦干，进行牢固度试验，未见膜层脱落。

(4)PCT(高压加速老化)试验：将产品放入PCT试验箱，设置温度为120 ℃，湿度为100%R．H．，3小时老化后，将产品取出，未见表面异常。

(5)超声波清洗试验：对产品按照成品膜层清洗的方法，经过一槽pH值为12的碱性溶液(溶液与水配比为1 ： 100)，再经过5槽清水漂洗，慢拉切水后甩干。单槽超声波功率为900 kW。连续清洗三次，产品特性未见明显变化。

(6)后续连续生产过程，产品表面稳定，未见MgF2喷溅现象。

以上测试发现，清洗试验及MgF2坩埚的改善，直接表现了产品量产的可行性及稳定性，达到规模化生产的工艺要求；牢固度及耐摩擦试验结果均是光学薄膜良好机械性能的体现；水煮试验及PCT(高压加速老化)试验表明产品具有良好的抗恶劣环境的能力，达到军用、民用摄像系统在恶劣环境下使用的要求。

综上所述，所述的10层减反射膜，根据Willey的减反射膜经验公式进行分析，选用常见的镀膜材料，运用常规的RF离子源辅助、电子束蒸发、低温冷镀，对批量生产的工艺进行改造，可实现大规模稳定生产，达到在400-1100 nm可见光及近红外光波段较高的透过率，且具有良好的薄膜机械性能及抗恶劣环境能力。该多层宽带减反射膜在军事上达到影像系统在恶劣环境下对于可见至近红外波段高透过性的要求，民用上满足其需求量大、规模化低成本生产的需求。

3 结 论

(1)根据Willey的减反射膜经验公式进行分析，结合生产实践选用常规稳定材料，再得出理论的平均反射率为0．46%。再利用计算机、结合实际控制能力，对膜层进行优化，代入Willey的减反射膜经验公式，得出优化后的理论平均反射率为0．5%。

(2)在制备过程中，对MgF2采用RF离子源辅助、电子束蒸发、低温冷镀；对于此类厚度不均非规整膜系，采用晶振控制，并根据结果进行模拟反推，不断的调整，减少控制了误差；MgF2采用电子束蒸发，使用自制的坩埚，技术角度避免材料蒸镀过程的喷溅；可通过外加保护层的方法，对亲水性膜层MgF2进行保护。

(3)所制备的减反射膜在400-1100 nm的实测平均反射率为0．56%，与设计值接近。双面透过率达到可见光及近红外波段高透过率的要求。经验证，其工艺稳定，可实现规模化生产；其机械性能良好、抗恶劣环境能力优越，可在恶劣环境下长时间使用，应用前景广阔。