論可見光波段寬帶增透光學膜的研究
論可見光波段寬帶增透光學膜的研究
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。
本文提出一種基于不同實驗條件下的鍍膜研究方法，設計了可見光波段寬帶增透膜。選擇TiO2和MgF2為鍍膜材料，通過TFCalc軟件設計了380 nm~780 nm波段寬帶增透膜(AR膜)，并通過模擬仿真實驗分析得到單層TiO2、MgF2薄膜各波段的折射率，以及不同中心波長、單層材料折射率誤差和厚度誤差、入射角變化對可見光波段寬帶AR膜平均透過率(AT)的影響。 結果表明：中心波長為610 nm，入射角小于50?，TiO2 折射率偏差在?0.2~0，厚度偏差在?10~0 nm，MgF2折射率偏差在?0.1~0.1，厚度在?5 nm~5 nm之間變化時，可實現全波段平均透過率超過96%，為光學薄膜的研究提供了一種可參考的研究途徑。
當我們在實驗室鍍膜時，常發現鍍制的薄膜實際測試得的性能與理論設計的增透效果差很多，這是因為薄膜的實際結構與理論設計模型已產生較大偏差，主要體現在折射率與厚度兩方面。我們進行理論設計時，每個膜層的折射率與厚度都是均勻分布的，而且折射率多選擇塊體理論值進行計算。但在實際制備薄膜時，由于薄膜的密度有限，折射率偏低，導致工藝參數的浮動和界面狀態的變化，實際制備的薄膜折射率與厚度均不可避免存在非均勻性，這種非均勻性對傳統分層介質薄膜的光學性能不利，需要盡量降低；因此有必要研究不同工藝條件下薄膜折射率和厚度的非均勻性變化，對其實現靈活調控，有利于制備光學性能優異的增透膜體系。
圖1:優化前后可見光波段AR膜光譜曲線
.當對應薄膜的光學厚度為 λ/4奇數倍時,
入射介質的折射率為 n0，玻璃的折射率為 n2，薄膜的折射率為 n1。計算380 nm處以及光譜出現的極值點的折射率。再改變單層膜系的中心波長，得到多個極值點，由于兩種材料的短波折射率變化幅度較大，故分別取中心波長為380 nm、400 nm、420 nm、440 nm、460 nm，分別得到TiO2、MgF2的5個光譜圖，當中心波長為380 nm時，TiO2單層膜可得到380 nm、484 nm、564 nm、694 nm處4個極值點，當中心波長為400 nm時，可得到400 nm、447 nm、510 nm、594 nm、737 nm處5個極值點，同理，選取420 nm、440 nm、460 nm為中心波長，可分別得到覆蓋380 nm~780 nm多個極值點。同理也可得到MgF2的多個極值點對應的折射率，再分別繪制出TiO2和MgF2的實驗實際的色散曲線。圖2、圖3分別為模擬實驗的TiO2和MgF2的單層薄膜對應不同中心波長的光譜圖，利用以上方法求得TiO2和MgF2折各個極值點折射。
圖2. TiO2單層薄膜不同中心波長光譜圖
圖3. MgF2單層薄膜不同中心波長光譜圖
中心波長選擇中心波長選取應讓可見光區的透過率盡可能大，由于改變中心波長不會對光譜圖造成很大影響，因此可以通過改變中心波長，找到AT值*大時對應的中心波長。由圖4可以看出當中心波長在550 nm~630 nm之間變化時，光譜曲線出現紅移現象，隨著光譜曲線紅移，450 nm附近透過率有一定的上升趨勢，當設定中心波長為630 nm時，385 nm處光透過率波長急速下降，因此，選擇中心波長610 nm為寬波段AR膜的中心波長。
圖4. 可見光波段寬帶AR膜隨著中心波長變化
折射率變化對寬波段AR膜影響TiO2具有多種晶型結構，且容易發生熱分解，在鍍膜過程中，由于工藝參數的浮動和界面狀態的變化，其折射率容易發生變化。而單個膜層的折射率變化只會導致透射光譜中透射極值點的增加或減少，曲線的紅移或藍移現象不明顯，曲線不失規律，不影響膜系整體的減反射效果，因此可通過調制各膜層折射率來提高膜系性能，觀察圖5、圖7可知，當TiO2的折射率在?0.2~+0.2之間變化時，隨著折射率升高，透射光譜在440 nm~780 nm的波峰和波谷都逐漸下降，AT值大幅降低，而380 nm~440 nm波段的光譜曲線幾乎不受影響，TiO2折射率變化寬波段AR薄膜的透射率影響較大，為了增加寬波段AR薄膜的透射率盡量應降低TiO2薄膜的折射率。由圖6、圖7可知，當MgF2折射率在?0.2~+0.2之間變化時，透射光譜在450 nm附近的波谷迅速降低，550 nm附近的波峰逐漸升高，在670 nm左右的波谷先升高后減小，全波段平均透過率先升高后降低，MgF2折射率變化對全波段AT值的影響較大，因此MgF2折射率誤差盡量控制在?0.1~+0.1之間。綜上敘述，為了增加全波段AT值，鍍膜時應降低TiO2折射率，保持MgF2折射率不變。
圖5. TiO2單層膜折射率變化對可見光波段寬帶AR性能的影響
圖6. MgF2單層膜折射率變化對可見光波段寬帶AR性能的影響
圖7. TiO2和MgF2折射率變化對可見光波段寬帶AR膜AT值的影響
厚度誤差對AR膜影響光學薄膜厚度直接決定和影響薄膜的光譜特性，研究薄膜隨厚度變化規律對制備光學薄膜由為關鍵。由于實際鍍膜時**把控薄膜厚度十分困難，因此我們通過改變薄膜厚度，得到薄膜厚度影響較小的可接受的誤差區間。觀察圖8、圖10可知，當TiO2膜層厚度誤差從0 nm~?10 nm之間變化時，450 nm~800 nm波段的透過率均上移，透過率增加約1%，當TiO2膜層厚度誤差從0 nm~+10 nm之間變化時，450 nm~800 nm波段的透過率均下移，隨著透射光譜曲線發生了紅移，400 nm附近的透過率下降到72%左右，為了增加全波段的平均透過率，應適當的降低TiO2薄膜的厚度，TiO2薄膜的厚度偏差應在?10 nm~0 nm之間。
圖8. TiO2單層膜厚度變化對可見光波段寬帶AR膜性能的影響及分析
圖9. MgF2單層膜厚度變化對可見光波段寬帶AR膜性能的影響及分析
由圖9可知，MgF2膜層厚度誤差從?10 nm~0 nm之間變化時，450 nm附近的透過率大幅度上升，增加了6%左右，其他波段的透過率基本不變，MgF2膜層厚度誤差從0 nm~+10 nm之間變化時，450 nm附近的透過率增加，但同時透射光譜曲線發生了紅移，使400 nm附近的波長急劇下降，故全波段的透過率反而在下降，由圖10可知，全波段AR膜的平均透過率先升高后降低，故MgF2膜層厚度誤差盡量在?5 nm~+5 nm之間。曲線波形的變化對膜系性能影響較大，因此，應盡量控制各膜層厚度，減小厚度偏差。
圖10. TiO2和MgF2厚度變化對可見光波段寬帶AR膜平均透過率的影響
太陽入射角變化對AR膜性能的影響寬波段AR膜在一些應用場景下需要考慮入射角的影響，例如鍍在太陽電池表面的寬波段AR膜在使用過程中，太陽光不能一直保持垂直照射，所以研究太陽入射角對膜系增透性能的影響是有必要的。觀察圖11透射譜可知，隨著太陽入射角的增加，膜系的AT值逐漸降低；在380nm~780nm光波段上，當入射角小于30?時，透射曲線發生了輕微的藍移；超過30?時，透過率逐漸增加；超過60?時，曲線波形發生了較大變化，透射大幅降低，由圖12可知，全波段透過率在入射角小于20?時基本保持不變，只有0.1%的波動；在入射角在30?~50?之間時，變化幅度較小，大約有1.25％的波動；達到50?以后，大幅度增加，膜系減反射性能降低。
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。
采用德國薄膜制備工藝，形成了一套具有嚴格工藝標準的閉環式流程技術制備體系，能夠制備各種超高性能光學薄膜，包括紅外薄膜、增透膜，ARcoating,激光薄膜、特種薄膜、紫外薄膜、x射線薄膜，應用領域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫用激光器、光學科研，紅外制導、面部識別、VR/AR應用,博物館，低反射櫥窗玻璃，畫框，工業燈具照明，廣告機，點餐機，電子白板，安防監控等。卷柔新技術擁有自主知識產權的全自動生產線【sol-gel溶膠凝膠法鍍膜線】，這條生產線能夠生產全球先進的減反射玻璃。鍍膜版面可達到2440*3660mm，玻璃厚度從0.3mm到12mm都可以,另外針對PC,PMMA方面的增透膜也具有量產生產能力。ARcoating減反膜基本接近無色,色彩還原性好，并且可以避免了磁控濺射的缺點，鍍完增透膜后玻璃可以做熱彎處理和鋼化處理以及DIP打印處理。這個難度和具有很好的應用性，新意突出，實用性突出，濕法鍍膜在價格方面也均優于真空磁控的干法。
卷柔減反射(AR)玻璃的特點:高透,膜層無色,膜硬度高,抗老化性強(耐候性強于玻璃),玻璃長期使用存放不發霉,且有一定的自潔效果.AR增透減反膜玻璃產品廣泛應用于**文博展示、低反射幕墻、廣告機玻璃、節能燈具蓋板玻璃、液晶顯示器保護玻璃等多行業。
我們的愿景：卷柔讓光學更具價值！
我們的使命：有光的地方就有卷柔新技術！
我們的目標：以高質量的產品，優惠的價格,貼心的服務，為客戶提供優良的解決方案。
上海卷柔科技以現代鍍膜技術為核心驅動力，通過鍍膜設備、鍍膜加工、光學鍍膜產品服務于客戶，努力為客戶創造新的利潤空間和競爭優勢，為中國的民族制造業的發展貢獻力量。
