蓝色减反射膜的设计与制备

石澎 王丽荣 张鸿佳 张宁 李超财 卢志坚

摘 要：一些光学系统存在蓝光过量问题，容易破坏成像色彩平衡。本文利用专业膜系设计软件，采用Needle优化法进行膜系设计，使用离子辅助沉积的方法制备了蓝色减反射膜。这种光学薄膜可以将440～500 nm范围的平均反射率控制在1.3%左右，而其他可见光的平均反射率为0.3%左右，蓝光反射率比其他可见光的反射率高1.0%左右，可以有效消除蓝光过量导致的成像偏色问题。

关键词：减反射膜;光学薄膜;反射率;膜系设计

中图分类号：O484文献标识码：A文章编号：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

一般光学镜片的光能量反射损失可能超过8%，镜片折射率越高，反射率就会越高，光能量损失越大。进入光学系统的光能量过低，会严重影响光学系统的成像质量，而在光学镜片上镀制减反射膜可以有效降低光能量的反射损失[1]。减反射膜，又称增透膜，起到减少光能量在镜片表面损失、提高透过率的作用[2]，几乎所有光学系统都会用到，因此减反射膜是当前用量最大、应用领域最广泛的光学薄膜。

光学系统的种类繁多，不同应用场景对光能量的要求也不尽相同，对应的减反射膜种类也非常多。根据不同的使用波段，其可以分为紫外减反射膜、可见光减反射膜、红外减反射膜。此外，还有各种复合波段范围的减反射膜。可见光减反射膜主要用于各种目视光学系统，除了保证高透过率以外，还要保证视觉上、光学系统器件特性上的特殊要求。本文研究的是一种蓝色减反射膜，要求具备明显的蓝色视觉效果和良好的透过率。

1 蓝色减反射膜的目标参数

蓝色减反射膜的设计原理是在干涉理论的基础上，使蓝色光的反射率明顯高于其他波段的光，在反射光中占优势而显现蓝色。在获得蓝色效果的同时，为了尽可能地保证可见光的透过率，人们必须对反射率做出一定的限制，因此除了对平均透过率提出要求外，还要对反射率的范围加以限定，目标参数如表1所示。其中，440～500 nm为蓝色反光区域，其最大反射率不得超过2.0%。

2 膜系设计

以K9玻璃为基底，膜系设计采用的膜料为TiO2、SiO2，这两种材料在可见光波段范围内均具有良好的光学透过率，同时具有透明度好、结合力强、应力匹配好、机械强度高、抗腐蚀能力强等诸多优点[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代表镜片基底，以A代表空气介质。由于膜系设计的结果和实际镀制的结果总会有一定误差，所以设计时采用“过正设计”的方法，即按照高于参数目标的要求进行设计，以膜层的厚度和层数为变量[4]，利用专业膜系设计软件，使用Needle优化法进行膜系设计，获得了膜系结构S|HLHLHL|A。优化的膜系对应的光谱设计曲线如图1所示。

3 薄膜制备

薄膜采用国产南光1 100 mm腔体光学真空镀膜机制备，配有双电子枪和霍尔离子源，离子源能够有效提高薄膜的聚集密度和折射率[5]，制备的工艺参数如表2所示。

4 薄膜测试与分析

制备的薄膜样品采用标旗Planum-3000分光光度计进行光谱性能测试，膜系的光谱测试结果如图2所示。

将膜系的设计曲线和测试曲线进行对比，如图3所示。结果发现，实测曲线跟设计曲线有所不同，但是其各项指标仍然满足目标参数需求。经分析，在制备光学薄膜时，薄膜材料状态是由块状材料直接蒸发或者变为液态后蒸发到镜片沉积成膜，在成膜过程中，真空镀膜室内的温度、真空度、蒸发速率等方面的轻微波动不可避免，这些因素都会导致实际薄膜的折射率跟设计用的折射率有细微差距[6]。这是蒸发镀膜过程中的正常现象，只要在设计中充分考虑这个问题，就能有效提高良品率。

5 结论

本文借助膜系设计软件，使用Needle优化法进行膜系设计，采用离子辅助沉积的方法制备了蓝色减反射膜。这种光学薄膜具有明显的蓝色视觉效果和非常低的反射率，能够有效提高进入光学系统的光能量并防止蓝光偏色问题，满足了实际使用的参数目标需求。在设计过程中，人们要注意膜料折射率变化对设计误差的影响，采用“过正设计”原则，使实际制备的膜系仍然满足要求，这就需要加强对膜料折射率稳定性的研究，以便更好地设计、制备出符合要求的薄膜。

参考文献：

[1]齐健，苏宙平，胡立发，等.双截止透可见带通滤光片研制[J].激光与红外，2019（12）：1472-1477.

[2]张粉利，王杰峰，邓敬莲，等.具有自洁功能增透膜在太阳能集热管中的应用[J].真空，2019（3）：41-43.

[3]毛珊，赵建林.镀有增透膜的多层衍射光学元件的优化设计方法[J].光学学报，2019（3）：76-83.

[4]邱服民，卢忠文，浦云体，等.高性能三波长增透介质膜系研制[J].光散射学报，2018（3）：271-276.

[5]付秀华，刘禹冰，熊仕富，等.基于塑料镜片防水加硬抗老化光学薄膜的研制[J].应用光学，2017（1）：83-88.

[6]张德景，李明宇，顾培夫.离子辅助沉积对Nb2O5薄膜特性的影响[J].浙江大学学报（工学版），2004（10）：150-153.