[科普中国]-抗反射膜玻璃

简介

1817年德国的夫琅和费(Franunhofer)发明了化学镀膜并制成第1批抗反射膜，从玻璃表面上镀制抗反射膜以来，经过了镀膜技术不断的创新和发展。钠钙硅酸盐玻璃表面镀制抗反射膜并应用于平面显示器、等离子电视,临街店面的橱窗玻璃、博物馆的画柜玻璃、汽车前风挡玻璃以及还使用了具备太阳能选择性吸收的抗反射膜应用到太阳能光伏玻璃表面等领域。

抗反射原理的定性分析光学仪器中，光学元件表面的反射，不仅影响光学元件的通光能量；而且这些反射光还会在仪器中形成杂散光，影响光学仪器的成像质量。为了解决这些问题，通常在光学元件的表面镀上一定厚度的单层或多层膜，目的是为了减小元件表面的反射光，这样的膜叫抗反射膜、光学增透膜（或减反膜）。这里我们首先从能量守恒的角度对光学抗反射的原理给予分析。一般情况下，当光入射在给定的材料的光学元件的表面时，所产生的反射光与透射光能量确定，在不考虑吸收、散射等其他因素时，反射光与透射光的总能量等于入射光的能量。即满足能量守恒定律。当光学元件表面镀膜后，在不考虑膜的吸收及散射等其他因素时，反射光和透射光与入射光仍满足能量守恒定律。而所镀膜的作用是使反射光与透射光的能量重新分配。对抗反射膜而言，分配的结果使反射光的能量减小，透射光的能量增大。由此可见，抗反射膜的作用使得光学元件表面反射光与透射光的能量重新分配，分配的结果是透射光能量增大，反射光能量减小。光就有这样的特性：通过改变反射区的光强可以改变透射区的光强。1

抗反射膜的类型抗反射膜，也就是增透膜。

单层增透膜单层增透膜的结构比较简单,主要在玻璃的空气面加镀单一的膜层。理想的单层增透膜的条件是：膜层的光学厚度为λ0/4，其折射率为入射媒质的折射率与基片折射率二者乘积的平方根。在可见光的基片材料，例如未镀膜的钠钙硅酸盐玻璃折射率为1.52。在不镀膜的情况下，每一面的反射率都超过6%。根据理论计算，单层增透膜要完全增透，要求该膜的折射率为1.23。广泛使用的低折射率的镀膜材料是氟化镁(n=1.38)，它的波长550nm处的折射率为1.38，对玻钠钙硅酸盐玻璃是不能够完全消失反射的。当膜层厚λ0/4时，以空气折射率na=1，玻璃折射率ng=1.52，膜折射率nf=1.38，可以看出，此时的剩余反射率R=1.3%。

与多层膜相比,单层增透膜的优点是可以用同样的膜层材料镀在不同折射率的玻璃上。虽然单层薄膜增透效果不很理想,但由于制备工艺简单,故得到广泛的使用。镀单层膜的透镜占90%以上2。

双层增透膜由于单层增透膜的剩余反射一般很高，不能满足复杂的光学系统的要求。此时，就要采用双层增透膜或者多层增透膜。最简单的双层增透膜是“λ/4-λ/4”膜系，在基片上先镀上一层折射率n2高于基片的λo/4膜层,然后在镀上λo/4厚的低折射率n1膜层。当薄膜折射率n2满足下式时，

式中，n1为第2层膜层折射率；ng为基片折射率（玻璃折射率）；na为媒介折射率（空气折射率）。

该膜中心波长反射率为零。如在钠钙硅酸盐玻璃(折射率n=1.52)上先沉积一层折射率为1.70、厚度为λo/4的一氧化硅膜层，再镀上一层氟化镁膜,正好可满足理想减反射的条件，使波长λ0的反射率接近于零。在折射率ns=1.51的玻璃上，用n1=1.38和n2=1.70的双层膜是比较理想的。实际应用的双层增透膜为CeO2-MgF2和Bi2O3-MgF2。玻璃上先涂一层高折射率的CeO2(n=2.2，厚0.0631λ0)，然后再涂上一层低折射率的MgF2(n=1.38，厚0.326(0)，对λ0=550nm的光线，反射率接近于零。n=1.52的玻璃上可以先镀上一层n=2.45、厚0.49λ的Bi2O3，再镀一层n=1.38、厚0.17λ的MgF2。MgF2可以用真空沉积法镀在玻璃表面上,Bi2O3可以用阴极溅射法镀在MgF2上。“λ/4-λ/4”膜系的双层增透膜一般可应用于视觉光学仪器、激光或其他用单色光作为光源的光学系统中。如激光系统中玻璃表面的双层增透膜为Al2O3-MgF22。

多层增透膜在某些应用领域中,双层膜仍不能满足较宽光谱范围内的低反射要求,就需要采用3层或更多层增透膜。常用的3层增透膜是“λ/4-λ/2-λ/4”膜系。如钠钙硅玻璃表面的“λ/4-λ/2-λ/4”膜系由CeF3(n=1.63)、ZrO2(n=2.1)和MgF2(n=1.38)3层膜构成。4层的“λ/4-λ/2-λ/4-λ/4”增透膜系由MgF2(n=1.38)、ZnS(n=2.4)、CeF3(n=1.63)和MgF2组成,镀在n=1.52的玻璃上。较为典型的增透膜膜系:glass-SiO2/TiO2-TiO2-SiO2,这种膜系可见光的光谱反射曲线一般都成W形，所以比较特殊。Reichert设计了高、低折射率交替的4层增透膜。

已设计了多种4层和4层以上的增透膜系。(抗反射膜系),如:SnO2/SiO2/TiO2/SiO2,在450～650nm波长范围内,反射率