光學薄膜結構

萊寶真空泵在光學薄膜中的應用正文：隨著科技的發(fā)展，大家對真空、真空技術、真空泵這些詞語都有一定的了解?，F(xiàn)代社會每個人都在享受真空技術給我們帶來的便利，包括表面所鍍的光學薄膜也是應用了旋片真空泵。

光學薄膜的特點是：表面光滑，膜層之間的界面呈幾何分割；膜層的折射率在界面上可以發(fā)生躍變，但在膜層內(nèi)是連續(xù)的；可以是透明介質(zhì)，也可以是吸收介質(zhì)；可以是法向均勻的，也可以是法向不均勻的。實際應用的薄膜要比理想薄膜復雜得多。這是因為：在制備時，薄膜的光學性質(zhì)和物理性質(zhì)偏離大塊材料，其表面和界面是粗糙的，從而導致光束的漫散射；膜層之間的相互滲透形成擴散界面；由于膜層的生長、結構、應力等原因，形成了薄膜的各向異性；膜層具有復雜的時間效應。

光學鍍膜是指在光學零件表面上鍍上一層（或多層）金屬或介質(zhì)）薄膜的工藝過程。在光學零件表面鍍膜的目的是為了達到減少或增加光的反射、分束、分色、濾光、偏振等要求。常用的鍍膜法有真空鍍膜（物理鍍膜的一種）和化學鍍膜。

真空鍍膜可以采用旋片真空泵來進行，因為旋片真空泵的極限真空度高，而且使用方便、安裝、維護簡單。

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光學薄膜泛指在光學器件或光電子元器件表面用物理化學等方法沉積的、利用光的干涉現(xiàn)象以改變其光學特性來產(chǎn)生增透、反射、分光、分色、帶通或截止等光學現(xiàn)象的各類膜系，光學薄膜在我們的生活中無處不在，從精密及光學設備、顯示器設備到日常生活中的光學薄膜應用；比方說，平時戴的眼鏡、數(shù)碼相機、各式家電用品，或者是鈔票上的防偽技術。光電信息產(chǎn)業(yè)中最有發(fā)展前景的通訊、顯示和存儲三大類產(chǎn)品都離不開光學薄膜，如投影機、背投影電視機、數(shù)碼照相機、攝像機、DVD，以及光通訊中的DWDM、GFF濾光片等，光學薄膜的性能在很大程度上決定了這些產(chǎn)品的最終性能。光學薄膜正在突破傳統(tǒng)的范疇，越來越廣泛地滲透到從空間探測器、集成電路、生物芯片、激光器件、液晶顯示到集成光學等各學科領域中，對科學技術的進步和全球經(jīng)濟的發(fā)展都起著重要的作用，研究光學薄膜物理特性及其技術已構成現(xiàn)代科技的一個分支——薄膜光學。光學薄膜技術水平已成為衡量一個國家光電信息等高新技術產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展水平的關鍵技術之一。

基本原理

一.利用光線的干涉效應，當光線入射於不同折射系數(shù)物質(zhì)所鍍成的薄膜，產(chǎn)生某種特殊光學特性。

分類：光學薄膜就其所鍍材料之不同，大體可分為金屬膜和非金屬膜。

a.金屬膜

主要是作為反射鏡和半反射鏡用。在各種平面或曲面反射鏡，或各式稜鏡等，都可依所需鍍上Al、Ag、Au、Cu等 各種不同的材料。不同的材料在光譜上有不同的特性。AI的反射率在紫外光、可見光、近紅外光有良好的反射率，是鍍反射鏡最常使用的材料之一。Ag膜在可見光和近紅外光部份的反射率比AI膜更高，但因其易氧化而失去光澤，只能短暫的維持高反射率，所以只能用在內(nèi)層反射用，或另加保護膜。

b.非金屬膜

鋁是從紫外區(qū)到紅外區(qū)都具有很高反射率的唯一材料，同時鋁膜表面在大氣中能生成一層薄的氧化鋁(Al2O3)，所以膜層比較牢固、穩(wěn)定。由于上述原因，鋁膜的應用非常廣泛。銀膜在可見光區(qū)和紅外區(qū)都有很高的反射率，而且在傾斜使用時引人的偏振效應也最小。但是蒸發(fā)的銀膜用作前表面鏡鍍層時卻因下列兩個原因受到嚴重限制:它與玻璃基片的豁附性很差;同時易受到硫化物的影響而失去光澤。所以通常僅用于短期作用的場合或作為后表面鏡的鍍層。金膜在紅外區(qū)的反射率很高，它的強度和穩(wěn)定性比銀膜好，所以常用它作為紅外反射鏡。金膜與玻璃基片的附著性較差，為此常用鉻膜作為襯底層。如果在金膜的淀積過程中，輔之以離子束轟擊，則可顯著提高金膜與基片的附著力。

二.利用光波干涉原理，在鏡片的表面鍍上一層薄膜，厚度為1/4 波長的光學厚度，使光線不再只被玻璃—空氣界面反射，而是空氣—薄膜、薄膜—玻璃二個界面反射，因此產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，可使反射光減少。若鍍二層的抗反射膜，使反射率更低，但是鍍一層或二層都有缺點：低反射率的波帶不移寬，不能在可見光范圍都達到低反射率。1961年Cox、Hass和 Thelen三位首先發(fā)表以1/4一1/2一1/4波長光學厚度作三層抗反射膜可以得到寬波帶低反射率的抗反射膜。多層抗反射膜除了寬波帶的，也可做到窄波帶的。也就是針對其一波長如氨氟雷射632.8nm波長，要求極高的透射，可使63Z.8nm這一波長透射率高達99.8%以上，用之於雷射儀器。但若需要對某一波長的光線有看極高的反射率需要用高低不同折射系數(shù)的材料反覆蒸鍍數(shù)十層才可達到此效果。

光學薄膜的制備

通常光學薄膜的制備條件要求高而精，制備光學薄膜分干式制備法和濕式制備法，干式制備法（ 含真空鍍膜：蒸發(fā)鍍，磁控濺鍍，離子鍍等）一般用於物理光學薄膜的制備，濕式制備法（含涂布法， 流延法，熱塑法等）一般用於幾何光學薄膜的制備。

光學薄膜分類

光學薄膜根據(jù)其用途分類、特性與應用可分為：反射膜、增透膜/減反射膜、濾光片、偏光片/偏光膜、補償膜/相位差板、配向膜、擴散膜/片、增亮膜/棱鏡片/聚光片、遮光膜/黑白膠等。相關衍生的種類有光學級保護膜、窗膜等。

1、反射膜

反射膜一般可分為兩類，一類是金屬反射膜，一類是全電介質(zhì)反射膜。此外，還有將兩者結合的金屬電介質(zhì)反射膜，功能是增加光學表面的反射率。

一般金屬都具有較大的消光系數(shù)。當光束由空氣入射到金屬表面時，進入金屬內(nèi)的光振幅迅速衰減，使得進入金屬內(nèi)部的光能相應減少，而反射光能增加。消光系數(shù)越大，光振幅衰減越迅速，進入金屬內(nèi)部的光能越少，反射率越高。人們總是選擇消光系數(shù)較大，光學性質(zhì)較穩(wěn)定的金屬作為金屬膜材料。在紫外區(qū)常用的金屬薄材料是鋁，在可見光區(qū)常用鋁和銀，在紅外區(qū)常用金、銀和銅，此外，鉻和鉑也常作一些特種薄膜的膜料。由于鋁、銀、銅等材料在空氣中很容易氧化而降低性能，所以必須用電介質(zhì)膜加以保護。常用的保護膜材料有一氧化硅、氟化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁等。

金屬反射膜的優(yōu)點是制備工藝簡單，工作的波長范圍寬；缺點是光損大，反射率不可能很高。為了使金屬反射膜的反射率進一步提高，可以在膜的外側加鍍幾層一定厚度的電介質(zhì)層，組成金屬電介質(zhì)反射膜。需要指出的是，金屬電介質(zhì)射膜增加了某一波長（或者某一波區(qū)）的反射率，卻破壞了金屬膜中性反射的特點。

全電介質(zhì)反射膜是建立在多光束干涉基礎上的。與增透膜相反，在光學表面上鍍一層折射率高于基體材料的薄膜，就可以增加光學表面的反射率。最簡單的多層反射是由高、低折射率的二種材料交替蒸鍍而成的,每層膜的光學厚度為某一波長的四分一。在這種條件下，參加疊加的各界面上的反射光矢量，振動方向相同。合成振幅隨著薄膜層數(shù)的增加而增加。

鋁箔反射膜Dike鋁箔隔熱卷材，又稱阻隔膜、隔熱膜、隔熱箔、拔熱膜、反射膜等。由鋁箔貼面+聚乙烯薄膜+纖維編織物+金屬涂膜通過熱熔膠層壓而成，鋁箔卷材具有隔熱保溫、防水、防潮等功能。鋁箔隔熱卷材的日照吸收率（太陽輻射吸收系數(shù)）極低(0.07)，具有卓越的隔熱保溫性能，可以反射掉93%以上的輻射熱，被廣泛應用于建筑屋面與外墻隔熱保溫。

相對應的是一種防反射膜，主要功效是提高光線的衍射，使人們能夠長時間的觀看文字和圖形。這就需要表面平滑反射少的防反射薄膜。

2、增透膜/減反射膜

減反射膜又稱增透膜，它的主要功能是減少或消除透鏡、棱鏡、平面鏡等學表面的反射光，從而增加這些元件的透光量，減少或消除系統(tǒng)的雜散光。

減反射膜是以光的波動性和干涉現(xiàn)象為基礎的。二個振幅相同，波長相同的光波疊加，那么光波的振幅增強；如果二個光波原由相同，波程相差，如果這二個光波疊加，那么互相抵消了。減反射膜就是利用了這個原理，在鏡片的表面鍍上減反射膜(AR-coating），使得膜層前后表面產(chǎn)生的反射光互相干擾，從而抵消了反射光，達到減反射的效果。最簡單的增透膜是單層膜。一般情況下，采用單層增透膜很難達到理想的增透效果,為了在單波長實現(xiàn)零反射,或在較寬的光譜區(qū)達到好的增透效果，往往采用雙層、三層甚至更多層數(shù)的減反射膜。

減反射膜的實際應用非常廣泛，最常見的是鏡片及太陽能電池-通過制備減反射膜來提高光伏組件的功率瓦值。目前晶體硅光伏電池使用的減反射膜材料是氮化硅，采用等離子增強化學氣相淀積技術，使氨氣和硅烷離子化，沉積在硅片的表面，具有較高的折射率，能起到較好的減反射效果。早期的光伏電池采用二氧化硅和二氧化鈦膜作為減反射層。

3、濾光片

濾光片是塑料或玻璃片再加入特種染料做成的，紅色濾光片只能讓紅光通過，如此類推。玻璃片的折射率原本與空氣差不多，所有色光都可以通過，所以是透明的，但是染了染料后，分子結構變化，折射率也發(fā)生變化，對某些色光的通過就有變化了。比如一束白光通過藍色濾光片，射出的是一束藍光，而綠光、紅光極少，大多數(shù)被濾光片吸收了。

濾光片產(chǎn)品主要按光譜波段、光譜特性、膜層材料、應用特點等方式分類。

光譜波段：紫外濾光片、可見濾光片、紅外濾光片；

光譜特性：帶通濾光片、截止濾光片、分光濾光片、中性密度濾光片、反射濾光片；

膜層材料：軟膜濾光片、硬膜濾光片。硬膜濾光片不僅指薄膜硬度方面,更重要的是它的激光損傷閾值,所以它廣泛應用于激光系統(tǒng)當中。軟膜濾光片則主要用于生化分析儀當中。

帶通型：選定波段的光通過，通帶以外的光截止。

短波通型(又叫低波通)：短于選定波長的光通過，長于該波長的光截止。比如紅外截止濾光片，IBG-650。

長波通型(又叫高波通)：長于選定波長的光通過，短于該波長的光截止比如紅外透過濾光片，IPG-800。

彩色濾光片是TFT-LCD背光模組的重要組成部分。

4、偏光片

偏光片（PolarizingFilm)的全稱應該是偏振光片。液晶顯示器的成像必須依靠偏振光。偏光片的主要作用就是使不具偏極性的自然光變成產(chǎn)生偏極化，轉變成偏極光，加上液晶分子扭轉特性，達到控制光線的通過與否，從而提高透光率和視角范圍，形成防眩等功能。

偏光片可廣泛應用于現(xiàn)代的液晶顯示產(chǎn)品:液晶電視、筆記本電腦、手機、PDA、電子詞典、MP3、儀器儀表、投影儀等，也可用于時尚偏光眼鏡。其中，LCD的應用是拉動偏光片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要力量。

5、補償膜/相位差板

補償膜的補償原理，是將各種顯示模式下(TN/STN/TFT(VA/IPS/OCB))液晶在各視角產(chǎn)生的相位差做修正,簡言之，即是讓液晶分子的雙折射性質(zhì)得到對稱性的補償。若要從其功能目的來區(qū)分則可略為分單純改變相位的相位差膜、色差補償膜及視角擴大膜。補償膜能降低液晶顯示器暗態(tài)時的漏光量，并且在一定視角內(nèi)能大幅提高影像之對比、色度與克服部分灰階反轉問題。

6、配向膜

配向膜是具有直條狀刮痕的薄膜，作用是引導液晶分子的排列方向。在已蒸上透明導電膜（ITO）的玻璃基版上，用PI涂液和轉輪（roller），在ITO膜上印出一條一條平行的溝槽，到時候液晶可依此溝槽的方向橫躺於溝槽內(nèi)，達到使液晶呈同一方向排列之目的。此具有一條一條方向的膜，即為配向膜。

液晶之所以可應用于螢幕上，乃因其在平行分子方向與垂直分子方向之誘電率不同，因此可用電場驅動之，另一方面，由于液晶也具有視分子方向而變化之折射率（也就是具有雙折射），可改變偏極光之偏極方向，最后更因液晶與配向膜之界面有很強之作用力（AnchoringStrength），在電場關閉后液晶就靠著彈性系數(shù)（恢復力）而恢復到原來之排列，由此可知沒有配向膜之存在，液晶是無法工作的。但在液晶螢幕之應用上，其液晶分子與配向膜表面呈某一角度的傾斜(即預傾角，PretiltAngle)，如此才能達到均一配向的效果。

配向膜涉及的涂布非卷式濕法涂布，方式有傳統(tǒng)的定向刷磨法和現(xiàn)在的UV光配向法、電子漿配向和離子束配向。

7、擴散膜

擴散膜為TFT-LCD背光模塊中之關鍵零組件,能夠為液晶顯示器提供一個均勻的面光源,一般傳統(tǒng)的擴散膜主要是在擴散膜基材中,加入一顆顆的化學顆粒,作為散射粒子,而現(xiàn)有之擴散板其微粒子分散在樹脂層間,所以光線在經(jīng)過擴散層時,會不斷于2個折射率相異的介質(zhì)中穿過,故光線就會發(fā)生許多折射、反射與散射的現(xiàn)象,如此便造成了光學擴散的效果。

8、增亮膜/棱鏡片/聚光片

增亮膜又叫棱鏡片（PrismSheet）,常簡稱BEF（BrightnessEnhancementFilm），為TFT-LCD背光模塊中之關鍵零組件，主要是借由光的折射與反射原理，利用棱鏡片修正光的方向，使光線正面集中，并將視角外未被利用的光線可以回收與利用，同時提升整體輝度與均勻度，達到增亮的效果，又稱聚光片。復合型光學膜，主要是將原本聚光片的功能與擴散功能加以整合，如此將可減少使用1片擴散片，有利於下游廠商簡化背光設計、節(jié)省工序、降低成本，同時亮度效率還可提升。對於光學膜廠商來說，雖然復合型增亮膜會取代傳統(tǒng)聚光片（增亮膜），但單價和利潤都較佳。

9、遮光膜/黑白膠

黑白遮光膠|遮光膜主要應用于背光源上，起固定、遮光作用(遮掉邊光和燈位的光)，也叫遮光片、黑白膜，簡稱黑白膠(可說是種雙面膠帶）。相對TFT-LCD所使用的背光源遮光要求較高，所以大部分的黑白膠都應用在TFT-LCD的背光源上面。除黑白膠外，還有黑黑膠（雙面為黑色），主要作用仍然是固定，遮光；黑銀膠（單面黑色，單面銀色），除遮光外，銀色面有反射作用。相對黑白膠是LCD市場的主流產(chǎn)品。黑面與白面的粘性對比，白面需要更大一些，因為白面與橡膠框相連接，而黑面與玻璃相連接，相對玻璃對膠的附著性，橡膠框更差一些，所以需要白面的粘性更大來保證整個模組的穩(wěn)定性。