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  • 光學設計中增透膜的設計與分析

    作者:佚名 來源:本站整理 時間:2011-09-26 23:41 閱讀:1710 [投稿]
    用于玻璃和塑料基底上的增透膜在眾多的光學系統(tǒng)中,一個相當重要的組成部分是鏡片上能降低反射的鍍膜。在很多應用領域中,增透膜是不可缺少的,否則,無法達到應用的要求。 就拿一個由18塊透鏡組成的35mm的自 ..

    用于玻璃和塑料基底上的增透膜在眾多的光學系統(tǒng)中,一個相當重要的組成部分是鏡片上能降低反射的鍍膜。在很多應用領域中,增透膜是不可缺少的,否則,無法達到應用的要求。   

    就拿一個由18塊透鏡組成的35mm的自動變焦的照相機來說,假定每個玻璃和空氣的界面有4%的反射,沒有增透的鏡頭光透過率為27%,鍍有一層膜(剩余的反射為1.3%)的鏡頭光透過率為66%,鍍多層膜(剩余的反射為0.5%)的為85%。

    在這篇文章中,列舉了一些簡單的增透膜和使用的材料。值得注意的是由于玻璃可以被高溫加熱,而塑料不能,因此,對玻璃和塑料必須選用不同的膜料和膜層設計。  

    用于玻璃基底的增透膜 

    經(jīng)典的單層增透膜由一薄層MgF2構(gòu)成,MgF2在510nm時的折射率為n=1.38,需要的膜厚為d=92nm。因此,在510nm波長時膜層有一個光學密度(厚度)n*d為1/4的波長。鍍在加熱到250-300°C的玻璃基底上的MgF2,不但牢固,穩(wěn)定,并且相當方便,經(jīng)濟,直接使用蒸發(fā)船便可。   

    想得到更低的反射率,最簡單的方法是鍍一層CeF3和一層MgF2(各為1/4的光學厚度),可用蒸發(fā)船。圖1是單層和2層膜的反射曲線。2層膜的優(yōu)點是在可見光范圍的中段有更低的反射率,缺點在于在紅,藍端的反射率上升過快。

    由于2層膜的效果不理想,為了達到理想的效果,必須使用3層或多層膜。  

    經(jīng)典的3層膜由一層1/4光學厚度的中折射率物質(zhì)(1.6-1.7),一層1/2光學厚度的高折射率物質(zhì) (2.0-2.2)和一層1/4光學厚度的低折射率物質(zhì)組成。最常用的是Al2O3,ZrO2和MgF2。圖1顯示  

    在整個光學敏感段(410-680nm)的反射率低于0.5%。

    3層增透膜的膜料選擇

    膜料對膜層效果有決定性的影響。除了理想的折射率,每次鍍膜時穩(wěn)定的折射率,均勻的膜層,低吸收性,牢固性,穩(wěn)定性也非常重要。  

    MgF2是最常用的第三層低折射率物質(zhì)。但是,由于塑料不能被高溫加熱,用MgF2會使膜層變軟和不穩(wěn)定,此時,SiO2是最佳的選擇。  

    Al2O3是最常用的第一層中折射率物質(zhì)。它的膜層從紅外到紫外線有相當高的透過率,十分牢固,穩(wěn)定,并且每次鍍膜時有穩(wěn)定的折射率。  

    ZrO2通常被用作第二層高折射率物質(zhì)。它的優(yōu)點是從250到7000nm有寬廣的透過率,并且,膜層牢固,穩(wěn)定。但是,每次鍍膜時呈現(xiàn)不同的折射率,也就是折射率會隨著膜厚的增加而降低,這種現(xiàn)象可能和它的特殊晶體結(jié)構(gòu)有關。圖2顯示了在五個單獨的膜層中ZrO2不同的折射率。我們可以看到和和同次性的膜料相比,折射率有急劇的上升,特別是在中段。ZrO2的另一個缺點是在蒸發(fā)是它只是部分的溶解,因此,很難得到均勻的膜厚。

    為了減少單體氧化物的這些缺點,可以使用混合氧化物。這些混合料可以根據(jù)客戶不同的折射率需要來生產(chǎn)。

    德國默克公司根據(jù)客戶大量的實際使用情況和多年的膜料生產(chǎn)經(jīng)驗,研制開發(fā)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可以被用來生產(chǎn)高折射率的膜層,在250°C的基底上2.1-2.15的折射率具有同次性。M1可以被用來生產(chǎn)中折射率得膜層。H1,H4和M1也能鍍在未經(jīng)加熱的基底上,折射率會降低。

    H1在從可見光到紫外的波段內(nèi)有相當高的透過率,在360nm左右有吸收。但是,同ZrO2一樣,無法從溶解的狀態(tài)下被蒸發(fā),因此較難得到比較均勻的膜層。

    H2在可見光的波段內(nèi)有很高的透過率,但是在380nm時有截止吸收,這意味著當鍍膜條件不理想時,1/2光學厚度的末曾在400nm時會有0.5%的吸收。H2的優(yōu)點在于它能從溶解的狀態(tài)下被蒸發(fā),因此有良好的同次性和均勻的膜厚。

    H4在可見光的波段內(nèi)有很高的透過率,像H1一樣,在360n左右有吸收。它也能從溶解的狀態(tài)下被蒸發(fā),具有良好的同次性和均勻的膜厚。   

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