浅析眼镜片减反射膜层

2020-07-16郝志红

中国眼镜科技杂志 2020年3期

关键词：反射光镀膜折射率

文郝志红

1 减反射膜层的镀膜机理

1.1 利用光的干涉原理

光干涉原理是指2个振幅相同、波长相同的光波叠加，光波的振幅增强；如果波程相差λ/2，那么光波振幅互相抵消，如图1所示。减反射膜利用该原理，在镜片的表面镀上减反射膜，使得膜层前后表面产生的反射光互相干扰，从而抵消反射光，达到减反射的效果。

图1 减反射膜原理

1.2 减反射膜层需要满足的条件

减反射膜层需要满足振幅和光程条件这两点。

1.2.1 振幅

在镜片上镀的膜层，为了使前后的反射光波相互抵消，必须符合：膜层材料的折射率须等于基片材料折射率的平方根。

n1=√n

其中，n1为膜层的折射率，n为镜片材料的折射率。

1.2.2 光程条件

镀膜膜层厚度应满足d=λ/4 n1

适应度比例法又称蒙特卡罗法(Monte Carlo)或赌轮法。假设某个个体i的适应度值为f(i)，种群的大小为N，则此个体被选择的概率为:

其中，d为膜层厚度，λ为光波长，n1为膜层材料的折射率。

举例说明，如玻璃镜片镀单层膜，玻璃镜片材料折射率n为1.523，膜层材料的折射率n1=√n，则n1=1.235，那么，应该采用折射率为1.235的材料作为膜层，因为目前还没有该折射率的材料，所以，采用折射率n1=1.38的氟化镁（MgF2），假如设计基准光波长为555nm，膜层的厚度d=555/（4×1.38）=100 nm。

2 减反射膜层的膜层特性

单层减反射效果如图2所示，通过反射光谱图表示减反射效果。横坐标是光线的波长，纵坐标是反射率。图2中，上方的实线为普通折射率镜片没有镀减反射膜时单面的反射光曲线。从这条线可以看出，不同波长的光反射率基本一致，在4%左右。由虚线构成的曲线表示镀有单层减反射膜的镜片的反射光谱图，反射率在不同的波长处是不同的，在460nm左右的反射率最低，在400nm和700nm 处反射率还是比较高。由此可以看出镀单层减反射膜的镜片，其减反射的效果不理想。

图2 单层减反射膜层效果

图3 多层减反射膜层效果

徐亚娟[1]等人研究了减反射膜层光强反射率与波长的关系，证明在镀单层膜时，膜层厚度取最低值，减反射效果最好，但是仅镀一层膜不可能对所有的波长都能起到很好的减反射效果。要满足一定的减反射要求，需要镀多层减反射膜才能达到。

图3是多层减反射膜的效果图。虚线和实线分别代表了两种采用新工艺镀制的减反射膜所产生的反射光曲线。一种工艺是采用不同的新材料和不同的膜层厚度实现减反射效果，如膜层为7层或8层；另一种是采用两种不同的膜层材料，采用厚薄交替的4层膜。这种多层减反射膜的方法，大大提高了减反射的效果。同时，膜层间的接合，膜层与镜片的结合也很理想[2]。

一般镀膜会在镜片表里留有一定的残留色，常见的膜层颜色主要有绿膜、蓝膜、紫红膜、黄金膜等，目前为止没有研究证明哪种颜色的膜层减反射效果会更好，但是膜层颜色越浅，起到的减反射效果越好[3]。

3 镀膜材料的选择

氟化镁（MgF2）——作为薄膜制备中应用得最多的材料，氟化镁是所有低折射率的卤化物中最牢固的材料，特别是基板温度过250℃左右时，非常坚硬耐久，因而在减反射膜中得到了广泛应用。在多层膜中，它常与ZnS、CeO2或Bi2O3等组合。但是，由于MgF2膜具有很高的张应力，所以室温下或快速蒸发的ZnS MgF2多层膜极容易破裂。它与CeO2和Bi2O3的配合比ZnS好。

二氧化钛（TiO2）——TiO2膜折射率高，牢固稳定，在可见和近红外区呈透明，这些优异的性能使它在光学薄膜应用中十分诱人。但是，TiO2材料在真空中加热蒸发时因分解而失氧，形成高吸收的亚氧化钛薄膜TinO2n-1（n=1，2…10），膜层的氧化程度直接决定了膜层的吸收大小，因此常采用反应蒸发技术。实验表明，TiO2膜的吸收和折射率均随着基板温度和蒸发速率的升高而增加，随着氧压升高而降低。在空气中加热处理能有效地减少膜内的低价氧化物。此外，TiO2膜中掺杂一定量的ZrO2或Ta2O5，可使吸收降低。

减反射膜的材料一般用TiO2和SiO2的组合,或用ZrO2和SiO2的组合，其膜系是Plastic LHLHL Air，其中H为高折射率的材料，L为低折射系的材料。在树脂镜片上镀减反射膜后其反射回来的光将大大减少，从而满足要求。当然，也可以根据不同的要求再加几层膜，从而减少反射损失[4]。

4 减反射膜层的镀膜工艺

光学薄膜的镀膜方法可分为两大类，一类是化学镀膜，一类是物理镀膜[5]。现在的眼镜片镀膜工艺采用物理镀膜方法中的真空离子电镀法。离子镀，是指真空热蒸发与溅射两种技术结合而发展起来的一种新工艺。图4表示直流法离子镀的原理。

图4 直流法离子镀原理

镀膜材料加热蒸发，并在蒸发源与基板之间加上一个直流电场，基板为负电位（1kV～5kV）。当真空泵抽空至10-3～10-4Pa后，充入Ar或其它惰性气体至1Pa（对反应离子镀同时充入反应气体），则基板与蒸发源之间建立辉光放电，使惰性气体电离，电离产生的正离子在电场作用下向基板加速运动。当蒸发材料的分子或原子通过等离子区时也被电离，因而在电场中被加速而获得能量。这种高能的离子和中性粒子进入到基板上，一方面使基板加热，另一方面使眼镜片沉积的膜层产生溅射。采用直流法离子镀，在导电基板上制备金属膜是很方便的。但是，像溅射一样，在玻璃和塑料等绝缘体上制备介质膜，需用高频法离子镀。

高频法离子镀是在直流法的基板和蒸发源之间装一个高频线圈。高频线圈可用直径3mm的铝制成，高度和螺旋圈直径均为70mm，圈数大约为7圈，与频率13.56MHz、功率1kW的高频电源连接，产生高频振荡场。500V～1000V的负高压使基板保持负偏压。由于高频电场使电子运动路径增加，离化率提高，因而在较高的真空镀（10-1～10-2Pa）和较低的放电电压（直流法在1Pa时需3kV）下，不但仍能维持放电，而且离化率实际有所增加[2]。

5 减反射膜层的主要作用

5.1 前表面反光

在镜片的前表面（凸）面产生的反光会影响戴镜者的美观。光线通过镜片的前后表面时，不但产生折射，还会产生反射。这种在镜片前表面产生的反射光会使别人看戴镜者眼睛时，看到的却是镜片表面一片白光，如图5所示[6]。拍照时，这种反光还会严重影响戴镜者的外观形象。

图5 镜片前表面反光

图6 镜片内反射

5.2 消除“鬼影”

镜片前表面和后表面的曲率不同使镜片内部产生的反光会产生“鬼影”现象，影响视物的清晰度和舒适性。由于屈光镜片前后表面的曲率不同，存在一定量的反射光，所以镜片内部产生内反射。内反射会在远点球面附近产生虚像，也就是在视网膜的清晰像点附近产生虚像点，如图6所示。这些虚像点会影响视物的清晰度和舒适性。

5.3 减少眩光

镜片表面产生的反光会降低视物的对比度。对于驾驶者而言，配戴镀减反射膜的镜片非常重要。如图7所示，当夜间驾驶时，驾驶者常常面临来自各个方向的干扰光线，尤其是来自车前、车尾的照明灯。如果驾驶者戴没有镀减反射膜的镜片，那么镜片除了会产生眩光外，镜片前后表面因反射产生的干扰光线会降低驾驶者的视觉质量，对视物产生干扰，这对于驾驶者来说是非常危险的。