抗反射膜玻璃定性分析

光學(xué)儀器中，光學(xué)元件表面的反射，不僅影響光學(xué)元件的通光能量；而且這些反射光還會(huì)在儀器中形成雜散光，影響光學(xué)儀器的成像質(zhì)量。為了解決這些問(wèn)題，通常在光學(xué)元件的表面鍍上一定厚度的單層或多層膜，目的是為了減小元件表面的反射光，這樣的膜叫抗反射膜、光學(xué)增透膜（或減反膜）。這里我們首先從能量守恒的角度對(duì)光學(xué)抗反射的原理給予分析。一般情況下，當(dāng)光入射在給定的材料的光學(xué)元件的表面時(shí)，所產(chǎn)生的反射光與透射光能量確定，在不考慮吸收、散射等其他因素時(shí)，反射光與透射光的總能量等于入射光的能量。即滿足能量守恒定律。當(dāng)光學(xué)元件表面鍍膜后，在不考慮膜的吸收及散射等其他因素時(shí)，反射光和透射光與入射光仍滿足能量守恒定律。而所鍍膜的作用是使反射光與透射光的能量重新分配。對(duì)抗反射膜而言，分配的結(jié)果使反射光的能量減小，透射光的能量增大。由此可見(jiàn)，抗反射膜的作用使得光學(xué)元件表面反射光與透射光的能量重新分配，分配的結(jié)果是透射光能量增大，反射光能量減小。光就有這樣的特性：通過(guò)改變反射區(qū)的光強(qiáng)可以改變透射區(qū)的光強(qiáng)。

1817年德國(guó)的夫瑯和費(fèi)(Franunhofer)發(fā)明了化學(xué)鍍膜并制成第1批抗反射膜，從玻璃表面上鍍制抗反射膜以來(lái)，經(jīng)過(guò)了鍍膜技術(shù)不斷的創(chuàng)新和發(fā)展。鈉鈣硅酸鹽玻璃表面鍍制抗反射膜并應(yīng)用于平面顯示器、等離子電視,臨街店面的櫥窗玻璃、博物館的畫柜玻璃、汽車前風(fēng)擋玻璃以及還使用了具備太陽(yáng)能選擇性吸收的抗反射膜應(yīng)用到太陽(yáng)能光伏玻璃表面等領(lǐng)域。

抗反射膜，也就是增透膜。

抗反射膜玻璃單層增透膜

單層增透膜的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,主要在玻璃的空氣面加鍍單一的膜層。理想的單層增透膜的條件是：膜層的光學(xué)厚度為λ0/4，其折射率為入射媒質(zhì)的折射率與基片折射率二者乘積的平方根。在可見(jiàn)光的基片材料，例如未鍍膜的鈉鈣硅酸鹽玻璃折射率為1.52。在不鍍膜的情況下，每一面的反射率都超過(guò)6%。根據(jù)理論計(jì)算，單層增透膜要完全增透，要求該膜的折射率為1.23。廣泛使用的低折射率的鍍膜材料是氟化鎂(n=1.38)，它的波長(zhǎng)550nm處的折射率為1.38，對(duì)玻鈉鈣硅酸鹽玻璃是不能夠完全消失反射的。當(dāng)膜層厚λ0/4時(shí)，以空氣折射率na=1，玻璃折射率ng=1.52，膜折射率nf=1.38，可以看出，此時(shí)的剩余反射率R=1.3%。

與多層膜相比,單層增透膜的優(yōu)點(diǎn)是可以用同樣的膜層材料鍍?cè)诓煌凵渎实牟Ａ?。雖然單層薄膜增透效果不很理想,但由于制備工藝簡(jiǎn)單,故得到廣泛的使用。鍍單層膜的透鏡占90%以上 。

抗反射膜玻璃雙層增透膜

由于單層增透膜的剩余反射一般很高，不能滿足復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)的要求。此時(shí)，就要采用雙層增透膜或者多層增透膜。最簡(jiǎn)單的雙層增透膜是“λ/4-λ/4”膜系，在基片上先鍍上一層折射率n2高于基片的λo/4膜層,然后在鍍上λo/4厚的低折射率n1膜層。當(dāng)薄膜折射率n2滿足下式時(shí)，

式中，n1為第2層膜層折射率；ng為基片折射率（玻璃折射率）；na為媒介折射率（空氣折射率）。

該膜中心波長(zhǎng)反射率為零。如在鈉鈣硅酸鹽玻璃(折射率n=1.52)上先沉積一層折射率為1.70、厚度為λo/4的一氧化硅膜層，再鍍上一層氟化鎂膜,正好可滿足理想減反射的條件，使波長(zhǎng)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的雙層膜是比較理想的。實(shí)際應(yīng)用的雙層增透膜為CeO2-MgF2和Bi2O3-MgF2。玻璃上先涂一層高折射率的CeO2(n=2.2，厚0.0631λ0)，然后再涂上一層低折射率的MgF2(n=1.38，厚0.326(0)，對(duì)λ0=550nm的光線，反射率接近于零。n=1.52的玻璃上可以先鍍上一層n=2.45、厚0.49λ的Bi2O3，再鍍一層n=1.38、厚0.17λ的MgF2。MgF2可以用真空沉積法鍍?cè)诓ＡП砻嫔?Bi2O3可以用陰極濺射法鍍?cè)贛gF2上?！唉?4-λ/4”膜系的雙層增透膜一般可應(yīng)用于視覺(jué)光學(xué)儀器、激光或其他用單色光作為光源的光學(xué)系統(tǒng)中。如激光系統(tǒng)中玻璃表面的雙層增透膜為Al2O3-MgF2 。

抗反射膜玻璃多層增透膜

在某些應(yīng)用領(lǐng)域中,雙層膜仍不能滿足較寬光譜范圍內(nèi)的低反射要求,就需要采用3層或更多層增透膜。常用的3層增透膜是“λ/4-λ/2-λ/4”膜系。如鈉鈣硅玻璃表面的“λ/4-λ/2-λ/4”膜系由CeF3(n=1.63)、ZrO2(n=2.1)和MgF2(n=1.38)3層膜構(gòu)成。4層的“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組成,鍍?cè)趎=1.52的玻璃上。較為典型的增透膜膜系:glass-SiO2/TiO2-TiO2-SiO2,這種膜系可見(jiàn)光的光譜反射曲線一般都成W形，所以比較特殊。Reichert設(shè)計(jì)了高、低折射率交替的4層增透膜。

已設(shè)計(jì)了多種4層和4層以上的增透膜系。(抗反射膜系),如:SnO2/SiO2/TiO2/SiO2,在450～650nm波長(zhǎng)范圍內(nèi),反射率<0.6%。5層膜系為ITO/SiO2/氧化鎳合金/TiO2/SiO2。6層膜系為TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2，在430～680nm波長(zhǎng)范圍,反射率在0.6%以下。7層膜系為ITO/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2,在430～680nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，反射率在0.6%。此類型減反射膜系主要用于平面顯示器上。多層增透膜的設(shè)計(jì)是很復(fù)雜的，而且鍍膜工藝也比較復(fù)雜，根據(jù)膜層性質(zhì)而采用不同的鍍膜方法。

在這個(gè)范圍內(nèi),單片玻璃表面反射的最大反射率一般將從4%減小到0.6%，平均反射率可以低于0.3%。而對(duì)于未鍍膜的玻璃，一般每個(gè)表面的反射率為4%。在平面顯示器領(lǐng)域中,玻璃只有一個(gè)面需要鍍膜(另一個(gè)面是產(chǎn)生圖象的熒光物質(zhì))。在建筑領(lǐng)域，要達(dá)到好的性能，則必須在玻璃的兩面都進(jìn)行鍍膜 。

光照射到太陽(yáng)電池表面時(shí),由于有一部分光被反射而不能全部被電池吸收而導(dǎo)致光損失近1/3，因此在空間太陽(yáng)電池的制備中，蒸鍍1層或多層抗反射膜來(lái)增強(qiáng)對(duì)光電轉(zhuǎn)換有貢獻(xiàn)的波段光的吸收，從而使太陽(yáng)電池的短路電流和功率輸出有很大的增加。同樣，蒸鍍多層膜反射掉對(duì)光電轉(zhuǎn)換無(wú)貢獻(xiàn)波段的光，以降低太陽(yáng)電池的吸收系數(shù)?？臻g用太陽(yáng)電池主要有硅太陽(yáng)電池和砷化鎵太陽(yáng)電池,它們使用的光學(xué)薄膜主要有下面4種膜系：?jiǎn)螌釉鐾改gF2,雙層增透膜TiO/SiO、TiO/YO和TiO/AIO，帶通濾光膜。在玻璃加工領(lǐng)域,部分加工商開(kāi)始通過(guò)應(yīng)用光學(xué)薄膜來(lái)提高太陽(yáng)電池的短路電流和功率輸出。簡(jiǎn)單而言應(yīng)用單層增透膜MgF2,太陽(yáng)電池的輸出功率提高2%;通過(guò)應(yīng)用雙層增透膜,太陽(yáng)電池的短路電流提高36%～48%(硅太陽(yáng)電池的短路電流提高近48%,砷化鎵太陽(yáng)電池的短路電流提高近36%)。通過(guò)應(yīng)用帶通濾光膜,太陽(yáng)電池的吸收系數(shù)降低0.06 。

華益公司研發(fā)的抗反射膜玻璃是一種新型ITO導(dǎo)電膜玻璃。該產(chǎn)品主要是通過(guò)在玻璃上鍍多層膜，使光在通過(guò)膜層后產(chǎn)生干涉作用，增加玻璃透過(guò)率，減少反射率，達(dá)到減少眩光現(xiàn)象，使用戶享受更清晰的影像品質(zhì)。透過(guò)率由普通玻璃的89%提高到93%以上，反射率由8%降低至1%以下。該產(chǎn)品經(jīng)檢驗(yàn)和客戶試用，其主要性能已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，經(jīng)省級(jí)專家委員會(huì)鑒定，技術(shù)水平達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，主要性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。該產(chǎn)品已批量生產(chǎn) 。

熱反射鍍膜玻璃，又稱陽(yáng)光控制膜玻璃，是在優(yōu)質(zhì)浮法玻璃表面用真空磁控濺射的方法鍍一至多層金屬或化合物薄膜而成。

薄膜的主要功能是按需要的比例控制太陽(yáng)直接輻射的反射、透過(guò)和吸收，并產(chǎn)生需要的反射顏色。熱反射鍍膜玻璃因此而具有以下特點(diǎn)： 有效限制太陽(yáng)趨勢(shì)輻射的入射量，遮陽(yáng)效果明顯。豐富多彩的抽射色調(diào)和極佳的裝飾效果。對(duì)室內(nèi)物體和建筑構(gòu)件具有良好視線遮蔽功能。較理想的可見(jiàn)光透過(guò)比和反射比。減弱紫外光的透過(guò)。