（光学工程专业论文）多层减反膜对镜头眩光的改善.pdf

a b s t r a c t a t p r e s e n t , t h e n e e d o f h i g h q u a n t i t y i m a g e t h a t t h e d i g i t a l p h o t o g r a p h y e q u i p m e n t h a s a c q u i r e d m a k e s t h e c a m e r a l e n s d e s i g n i s m o r e c o m p l i c a t e d t h a n b e f o r e , a n d i t i s e a s y t o p r o d u c e s c a t t e r i n g l i g h t b e t w e e n t h e i n t e r n a l l e n s s u r f a c e s a n d t h e l e n s b e r r e l . w h e n s h o o t i n g i n t h e l i g h t , t h e s c a t t e r i n g l i g h t e v e n w i l l c o v e r t h e o r i g i n a l a c t u a l i m a g e , a n d t h e m a n i f e s t a t i o n s o f f l a r e a r e d i v e r s e , t h e y w i l l a f f e c t t h e q u a n t i t y o f t h e i m a g e w e f i n a l l y g e t . w e u s e t h e m u l t i p l a y e r t h i n f i l m t o r e a l i z e a n t i r e f l e c t i o n o f t h e s i n g l e o p t i c a l l e n s i n v i s i b l e b r o a d b a n d a n d a t w i d e - a n g l e i n c i d e n t , a n d i t w i l l g r e a t l y r e d u c e t h e r e f l e c t i o n l i g h t a n d t h e s c a t t e r i n g l i g h t o f t h e w h o l e l e n s . b e c a u s e o f t h e r e d u c e o f t h e u n n e e d e d l i g h t r e a c h t h e f i l m , w e c a n r e d u c e f l a r e e f f e c t i v e l y a n d i n c r e a s e a n d a d v a n c e t h e q u a l i t y o f t h e i m a g e . i n t h i s a r t i c l e , w e h a v e s t u d e d t h e c o a t i n g d e s i g n o f t h e m u l t i l a y e r t h i n f i l m a n d t h e c r a f t o f t h e c o a t i n g p r o d u c e , a n d r e a l i z e t h e a n t i - f l a r e d e s i g n o f t h e s p e c i a l l e n s . k e y w o r d s : f l a r e ; f i l m d e s i g n ; a n t i r e f l e c t i o n c o a t i n g s : o p t i m i z a t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发表或 公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育 机构的 学位或学历而使 用 过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出 的贡献均己 在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档， 可以 借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容， 可以向 有关部门 或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内 容。 对于保密 论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 : 年月日 工程硕士学位论文多层减反膜对镜头眩光的改替 1 绪论 1 . 1 研究目 的 眩光并不是 一种图像的像差， 但是它存在于 相机镜头中， 可能 会比图 像的 残余 像差更能 破坏画 质。 本课题主 要研究在镜头表面 镀制减反 膜， 减少 镜片面 反射光的 产生， 从而 达到减少镜头内部眩光产生几率的目 的。 1 . 2 国内外研究现状 现在对于数码印 象设备的要 求较高 和实际拍 摄的需 要， 急需 解决镜头的眩光问 题， 在多组透镜构成的中， 采用多层镀膜， 使到达胶片面的光线， 其衍生的杂散光 部分大 大减小，保证镜 头鉴别率 不至 于降 低， 也不损坏色 彩还原 u ) . 所以 重新评价 经改 进的 膜层， 研制在各种镜头中引入最适宜的 镀膜最新技术， 是各厂家一直研究 的重要课题。 首先在理论方面不 断整合、 完善， 整合了 包括镀膜理论、 膜系设计、 设备 制造、 加工工艺等在内的研究成果， 形成了一个完善的学科体系。 随着计算机技术的发展， 各种功能强大的膜系设计软件不断面世，这种具有自动计算、优化功能的设计软件 使原来庞大、复杂的 手工计算变得快速、 准确， 极大提高了 设计效率和设计 质量， 使得各种复杂膜系能真正应用在大批量的生产中。随着精密加工技术的进步，以及 膜厚监测 手段的日 益先进， 镀膜设 备的 控制精度越来 越高， 膜厚设计的允 差越来越 小。 目 前德国的 卡尔蔡司，日 本的宾 得， 美能达， 莱卡等等， 各大 相机生 产厂家纷 纷投 入对于镜头镀膜的生 产和研究切 。 然而， 对于大角度的镜 头镀膜问 题， 仍然没 有一个比较完美的解决方案，是一个有待尽快解决的热点问题。 1 . 3 本人工 作 主要在前 人研究基础上， 通过 膜系的设 计、 优化， 膜 层镀制工艺的改善等方面， 尽 可能降 低镜片表面的 反射率，以 达到减少 镜头内部的 眩光目 的 本次工作在 特定的 镜头上实现了 对于眩光问题的明 显改 善。 对于单一的镜片， 在分光光度计上 对其 在4 0 0 - 7 8 0 n m 自 然光， 入射角为7 0 度时的 透过率曲线进 行实 侧， 使其最大剩余反 射率小于0 . 5 % . 1 . 4 眩光与减反膜 当以 一定的角 度对着太阳光线或强光线拍 摄时， 在所拍摄景物的 像面上 常常会 看到镜头的 眩光 现象。 视野内的太阳光线常常以 一定的角度入 射到 照相系统内 部， 由 于太阳光线 要比 实际要拍摄的景物要 亮的多， 但是我们只需要很少 一部分散落在 实际景物 之上的 太阳光， 而对于没有附 加遮光罩， 或者镜头内 部设 计不够合理以 及 镜筒壁和 镜片 没有经过消反射光处理的 镜头 就很容易产生眩光。 眩光并不是一种图 像的像 差， 但是它存 在于 相机镜头中 可能 会比 图像的 像差更能 破坏画质。 工程硕士学位论文多层减反膜对镜头眩光的改善 块透镜组成的3 5 0 的自 动变焦的 照相机来说， 假定 每个玻璃和空气的界面有4 % 的 反射， 投有增 透的 镜头的光透过率为2 7 % ， 镀有一层 膜 ( 剩余的反 射为1 . 3 % ) 的 镜 头的透过率为6 6 % ， 镀多层膜 ( 剩余反射为0 . 5 % ) 的为8 5 % 1 9 1 . 现在市场上 可见的相机以 及各种数码产品的 镜头几乎都在使用镀膜镜片， 只 是 为了满足不同的 要求， 根据实际 情况的 需要所镀膜 层的 类型略 有不同， 而在诸多 类 型中，最常用的又为增透膜层。 减反射薄膜的膜系设计 工程硕士学位论文 2 减反射薄膜的膜系设计 2 . 1 减反 射薄膜的工作机理 在物理光学中，光是一 种波， 是电磁波 谱中的一 段， 可以 用波动方程来描述其 传播过程。 波动方程也即 麦克斯韦方 程组 i v l : c u r e 万 = c u r / e二- d =e. e ( 2 . 1 . 1 ) d f v d= 4 r rp ( 2 . 1 . 2 ) ( 2 . 1 . 3 ) ( 2 . 1 . 4 ) b = p h ( 2 . 1 . 5 ) d i v b= 0 ( 2 . 1 . 6 ) j = a e ( 2 . 1 . 7 ) e :电场强度矢量 h :磁场强度矢量 j :电流密度矢量 d :电位移矢量 b :磁感强度矢 量 p :电荷密 度 口 、 产 和 是 与 媒 质 的 特 定 材 料 有 关的 常 数， 其 中 : a : 电 导 率; p -. 磁导率: :介电常数;t :时间 波就有干 涉现象， 波的干涉结果有两 种: 干涉加强和干涉减 弱. 所有光学薄膜 ( 各类滤光膜、 分光 分色膜、反 射膜等等) 都是根据光波的 干涉原理得到的。 即便 是偏振膜 ( p b s 以及消偏 膜) 也是基于光在薄膜中的干 涉， 描述光在薄膜中的传播， 也是从麦克斯韦方程出发，经过一系列推导，得到一个实用的二维矩阵运算方式 ( 2 . 1 . 8 ) -.j 1仇 一1月.月l ，ij b i = (e o s 5, , _ m sin 8 , l c j l i rh s i n s , c o s d , _ _ . f b i._ _ _ 二_ 二_ _ _ _ _ 。 _ ， _ _、_ _ 其 甲短阵1 _! 足义 为基片和薄腆组甘田特让龙件，开且 y =; / i f 此盯 l c j r = ( n o - y l n o - r 丫 气 q o + y 八% + r ) ( 2 . 1 . 9 ) 多 层膜就用一组二维矩阵运算， 现广泛使用的薄膜计 算程序， 都是 建立在这样 工程硕士学位论文多层减反膜对镜头眩光的改善 的 矩阵 运算基础上的。 根据上述公式，可以 得到 结论: 1 、 只要光在二个不同 折射率介质的 界面传 播时， 都会有反 射存在。 _ 2 、两种介质的折射率差异越大，这种反射就越强。 3 、 入射角的不同，反 射的 数值也不同，0 度入射时 反射最小。 对于减反膜就是利 用光在薄膜中的干涉原 理， 使得反 射光减弱， 达到 提高 光在 镜组透过率的目 标。 同样根据上述公式的运算，可以得到结论: 1 、只要在二种不同折射率的中间，插入一层介于二种折射率之间的介质薄膜 层 ( 薄膜层的厚度很薄， 可以 使光在薄膜 层产生干涉) ， 就可以 有减少反射 的作用。 2 .薄膜层的光学厚度 ( n d ) 在 1 / 4 1 。 时，在波长a 。 处有最佳减反效果。 3 ，一 个特定的 单层膜只有一 个点，即 对应的入 。 点有最 佳效果， 其余点的效果 其次。 4 . 某波长处a 。 反射率对应 膜层厚 度的曲 线是一个余弦曲 线， 在膜厚的 1 / 4 a o 奇数倍处，有最小反射率值，在偶数倍处，是曲线的峰值，相当于没镀膜 的虚设。 5 、 对于空气和镜片这二 种折射率界面而言， 膜料的 折射率n , = ( n , ) 气 有最 好的0 反射效果 ( 人 。 处) 。; 由于单层膜的最佳减反效果只对应一个波长点， 对于基片折射率小于 1 . 9的光 学元件， 都不能得到很好的减反效果，因为目前能够用于实用的最低折射率膜料时 氛化镁， 其折射率是1 . 3 8 . 于是多层减反，宽带减反出现: 如果设:1 一一一1 个 1 / 4 膜厚 2 一一一2 个 1 / 4 膜厚 h 一一一高 折射率膜层 m 一一一中折射率膜层 l 一一一 低折射率膜层 那么典型的多 层减反 膜是由以 下 几个经典 膜系开始的: g -1 m -1 l -确 g - - 2 h -1 l - a g -1 m - 2 h - 1 l - a g -1 l , - 1 m - 2 h - 1 l -a g 一一 基片;a 一一 空气 减反射薄膜的膜系设计 工程硕士学位论文 以上由 于每层膜的厚度都是1 / 4 波长的整数 倍， 所以 称为 规整膜系。 光学 零件镀膜后，改 变了 光在基片表面的光 谱透、 反 射性能， 从而满足 使用要 求。实现只 有镀膜后才具有的 性能。 以 减反 膜为例:k 9 光学 玻璃的折射率n d 为1 . 5 1 6 ， 在未镀膜时表面的 剩余反 射在4 . 2 9 6 左右。 i 11 - 1 -比 : 月 已吐 切 .: s ub s tra t e: 皿 万i 乞: 乃.七 .仁 记0 r: 器za i r r 9r 9 a n g l e : 0 . 0 ( d e g ) a e f e r a n c e : 5 5 0 . 0 ( 。 . p o l a r i z a t i o n: 几 ， . - 万i rs t s u rf ac e: 下 ru n t 劝 皿 几 工 . 0 吸 8 唱一 6 。 . 。 2 曦_ 0 ，、一_一 一 ! 一 夯叹杯斌，乌钾. 门 . .，. 白门 种-一 :，: 一了 ，.- . .州 ， - i 4 0 0 4 5 0 s 0 0 6 5 0 6 0 0 6 6 0 如 f l e c t e n c e 1 4 1， .i a v e l a n g t h ( m w 图2 . 1 . 1 未镀膜的k 9 玻璃的反 射率随 波长变化情况 基片折射率 越高， 形成的反 射越大， 如果折射率n d 为1 . 9 1 , 片表面反射达到:1 0 9 6 左右 x0 7 70 0 7 50 那么不镀膜的基 人一- - 卜 一 - 一-一一 -一， -一一一 a 一 一 一 一 - 一 一 一 一 一 伟 一 一 一 一 一 一 一 一 十 一 一 一 r 一 一 一 奋- 一 一卜 一 一 . 一 d自nj 八 门n厂护n裁已门1 11 .，自n?sr r ef l e c ta n c e 4 1 v_ w-1 e r . 苹 h t - 1 图2 . 1 . 2 折射率为1 . 9 1 的 材料反射率随波长变化 悄况 工程硕士学位论文 多层减反膜对镜头眩光的改善 从 上图也 可以 看到， 基片在短波的反射 大于长波的反射， 这是因为一 般的 材料 短波的 折射率大于 长波的 折射率， 这种现象称为材 料的 色散。 k 9 基片镀单层氮化镁 ( n d = 1 . 3 8 ) 减反膜后，剩余反射在中心波长处为 1 . 2 % 左 右， 使得局部可见光区 域的透射光量 ( 在一 个面上) 增加3 % 左右。 除中心 波长区 域 外，其它光谱区域的减反效果要差一些。 逻 戒 1 二 丁 卫 又了 于 r . 7 拜 于 fd z a l 户 二心孟 已 二 多 沁f 品犷 晶 亨 一全 kc . ,x . z n_ l a r i z 4c m o - a -兰g a l 8r.ic.- 。 zf 4d et e ct nr : td ha : 一fi rs t 4eyr prs.ce :$r .en g_ 三 三 班 一三 井 一一 ，t曰，嘴 是- - 一 一 子 司叫之 一 f川。君 _ s三 班 牙 犷义 : 二 于 汾 于 全 策奢 三 三 万 三 三 三 三 三 策 一 才 二奋 矛 于:刃 石 圣 之 .二 了 宜 吮莽 二托 . 解七 李 琴，攀于资 班冬于三 长 一丈 不一 二气 比. 一 户夕 省 址炎 已长二分 七 仁 -一 之 二汤二 汽 盆矛 r 飞 净.钾一一介 r二产胃 二 一一 . 一二沂 嵘 苦 件 一二 目之 钾 飞多 户一书，一 二 亡 兰 止 注粼三巴二蠢多三 二 笃 4犷 . 石 45 050自石i 0石 自 八 6 56n f 7 1 e 上 立 e c t e nc e +, % , y 7 t f i i g l r n 计 c k , r u n ) 图2 . 2 . 3 . 2一个十一层膜系结构的优化设计曲 线 ii i 如图所示:由( s i o x t i o s ) - m g f z ; 1 3 层膜 构成的 膜系 结构， 理论 计算 优 化的 设计曲线; 王 s 工程硕士学位论文 多 层 减 反 膜 对 镜 头 眩 光 的 改 善 折射率包括 ( 1 . 5 1 6 -1 8 4 6 ) k 9 - 1 . 5 1 6 : q f 3 - 1 . 5 7 5 ; f i - 1 . 6 0 3 , z b a f 1 7 . 1 . 6 6 7 ; z f 4 - 1 0. 7 2 8 ; z f 5 2 - 1 . : 8 4 6 图2 . 2 . 3 . 3一个十三层膜系结构的 优化设 计曲线 m膜系的 实际工艺性可能不是很好。 折射率涵盖的 越宽，要求的膜层越多， 技术难 度越大。 通用宽带 减反膜 在小批量 ( 试制) 多品种， 同要求的 情况下有其优越性， 而在 批量、 大批量生产 ( 同折射率或相近折射率镜片能够满罩时) 通用宽带减反膜没有 太大的 意义。 对于折射率相近的镜片 ( 如折射率值相差0 . 0 5 ) 用同一膜系同罩 ( 伞、 炉) 实 现 批量生 产， 意义很大， 对于生产安 排调 度提 供了 很大 的 方便。 而且 技术 难 度不 大， 并不像通用宽 带减反 膜那样要增加层数， 只要在膜系设计时 考虑到 这些因素，同 时 优化处理即可。; 对 于 大 批 量生 产 减 反 膜 的 工 场 可 以 建 立 尸组 膜 系 ， 以 折 射率 相 近、 分光 要 求 基 本 相同 为 条 件 将镜 片 分 组 ， 分别 对 应 膜 系， _ 这对 于 批 量 生 产 以 及 新 品 试 制 都 有 很 大 的 好 处 2 . 2 . 4 大 角 度 入 射 减 反 膜 基片 在 未镀膜时 ， 0 ”入 射和偏角 斜 入射 相比 较， 斜 入射的 反 射 大于0 0 正入 射 斜 入射的 角度 大，反射也 大。_ 大角 度 特别是变角度 减反膜是 减反 膜中比 较难 做 的。 一般 考 虑减 反膜 时， 假 定 对入射膜面是垂直入射 ( 相对于法线是0 。 入射) ， 计算整组镜头的透过率也是按镜 头 光轴区 的透 过率， 0 0 入射考 虑的、 而在实 际使用 中， 光线 并不 全 是0 0入 射， 通 减反射薄膜的膜系设计 工程硕士学位论文 常在0 0 1 1 5 。 范围内 按0 0 考虑没有太大问 题。 比 如用于投影仪的大镜 片需要大于3 0 0的入 射角。 光通信中的一些棱 镜的减反 膜也有大角度入射等等. 膜系的 设计必须兼顾大角 度的 情况. 根据光偏振原理，一旦光以一定角度入射，就必然会存在 p 光 s 光不同的透反 效果问题。特别是光以布儒斯特角入射时，p 光 s光的分离达到最大。大角度减反 膜应当考虑消偏振。 如图 ( 大角变角度减反膜设计曲线) 在z f 1 3 基片 上， 入射角为5 4 . 6 度， p 光、 s 光的 剩余反 射小于1 . 5 % ， 在 1 5 6 0 n m -1 6 2 0 n m 范围内， 膜的强度和环境 测试要 求较高. 膜系为:( 膜厚为物理厚度，单位 n m ) 1 t i o z b s i o 2 t i 呀b a i 八 s i % a l 八)t i o , - b .a 1 , 0 , s i 仇 ne d i u i : b u bst re . r工 公 ， a ir % 4 i r: 2 r 13 id恤 工t . 二 。 9 l e : b 4 . 6 如 叮 ) 如 t e c e m e : 1 5 8 0 . 0 . ， p ol a r 生 二. 七 i _ : 污d fi r 口 七 s urf - f r o o e .，二二 .口二月. - - - - 一 弓 - - ， 一 圣 - - - 一 卜 - - - - - - 一 卜- - - - - - - -: - - - - 一 告 - - - - - - 一 卜 - - 一 - - - - 一 弓 - - ， - ， 一 考 - 一 卜 - - - - 二 卜 - - - 一 谧 - - - - 一 嘴 ， - 一 卜 - - 一 _ _ _ _ _一 _ _ _ _ _ _一 _ _ _ _ _ 一 _ _ ._ _ _一 _ _ _ _ _一 _ _: _ _ _1 _ 二 _ _ _ _一 _ _ _ 节!上leseereeesee十sewees十 0050 .， 32211 1 5 0 0 1 5 2 0 1 6 4 01 6 00 1 6 2 0 1 6 4 0 如 t l e c e -e f 4 )， ，1 -1 a 叫 碑h :-: 图2 . 2 . 4 . 1 大角变角度减反膜设计曲 线 对于变角度减反， 既在一 定的 角度范围内 入射的光， 都要有较好的减反效果， 这是比 较困 难的 .比如 要求o e - 6 5 0 , 5 0 0 土1 5 。 并且是 宽带 ( 带宽2 5 0 n m 以 上) 用常 规的方法很难做到。 2 . 2 . 5 胶合面减反膜几 透镜的胶合是一种 常见的 工艺。 胶合件一般有高 低折射率不同的二片镜片胶合 而成，透明胶层 ( 现大都 用光敏胶) 的折射率 在 1 . 5 3 - 1 . 5 4 . 对于 低折射 率镜片， 胶 层与 镜片折射率相近， 两 者的 交界面不会 产生 很大的剩 余反射。 对于高 折射率镜片， 镜片与 胶层折射率差异较大， 两者的交界面上就 会产生较 2 0 工程硕士学位论文 多层减反膜对镜头眩光的改善 大的 剩余反射。为消除 这剩余反射， 可以 在高折射率 基片上 镀制一 层介于镜片 和胶 层之间折射率的膜层 ( 也可以 是多 层) 。 该 层膜一般是a 1 2 0 3 ( 三 氧化二 铝) ， 有时一 层膜难以确保时可以考虑加一层 z r o 2 ，可以 通过膜系设计优化设计膜系。 ， 七目 .;.甘1 ?， 人射 介班 :a c 扭残 :z 7 7 出好 介展 :2 ， ， 沪 、 ， 亨 月 : 一寿 故 长 : 伯 旅 态 : 鑫 ， . 幼 一农 目 : 0. 0 ( m 百， 5 00. 0 f ro 二 二 做 洲 . :二 ，. 二 几 1. 0.一， - -一、 - - - . -一r-一，一.-一 产 - - -一r-一-一，- 一 甲 一尸- . . 口. .， . 一 令 一 一- - 一 弓 一一 一 一， 一 卜 - - - - 一 咭 - - - - 一 卜- - - 一 令 一 - - 一 嘴 - - - - -一 卜 一 - 一 . :侣: : 、 林 泛 二上二二 二 异 一拼一一 4 00 45 0 s oo 5 80 反夕 4 . ，对6 0 0a* 8y 6 50 700 76 0 图2 . 2 . 5 . 1 胶合面减反膜曲 线图 上述计算是在 h - z f 7 基片上， 在胶层和基片之间镀上 1 / 4 波长的a 1 a ( 三氧化 二铝) 。 如果该件是胶合件， 那么非胶 合面的 减反 膜必须考虑光敏胶的固 化问 题， 一般 光敏胶的敏感光谱在3 6 0 n m左右， 非胶合面的减反膜设计在 3 6 0 n m 处应有较高的透 过率，以 保证3 6 0 n m 的 紫外光能够穿过膜层、 基片到达胶层， 使胶层得以 固化。 所 以该减反膜的设计不能用 3 6 0 n m 强吸收的膜料，不能让 3 6 0 n m处的反射过高。这是 胶合工艺 对镀膜提出的 要求， 也许光学设计并 没有此要求。 还要注意的 一点 是， 有些玻 璃材料在3 6 0 n m 处的吸收比 较高， 这也 会影响 胶合 的固化，但这不是镀膜所能解决的问题了。 2 . 3 减反 射薄膜的基本结构 光的干涉实验及其理论是 研究薄 膜光学 的基础。 由 干涉的 理论可知，当 光线 从 折 射 率 为n 。 的 介 质 入 射到 折 射 率 为 n ， 的 另 一 种 介 质 时 ， 在 两 种 介 质 的 分 界 面 上 就 会产生光的反射. 如果介质没 有吸收，界面是光学 表面， 光线垂 直入射， 则反射 率 r 是 r = ( n 。 一 n . ) z / c n o + n . ) 2 ， 透 射 率 为 t 一 卜 r 。 为了使膜层起到减反射的 效果， 根据单层膜的 光学特性知， 只需要在基底表 面镀低折射 率的膜层。并且当 在中 心波长处满足g e l n , = n o n , 其 中 : 呜 为 膜层 折 射 率 ， n o 为 入 射 介 质 折 射 率， n , 为 基 底 折 射 率 。 反射率有最小值。 ( 2 . 3 . 1 ) 这个时候得到的 减反射薄膜的膜系设计 工程硕士学位论文 经典的单 层增透膜由 一薄层m 9 f , 构成， m g f , 在5 1 0 n m 时 候的折 射率为n = 1 . 3 8 . 需 要的 膜厚为d = 9 2 n m 。 因此， 在5 1 0 r u 0 波 长时 膜层有一个光学厚度为1 / 4 的中 心波长。 通常 情况下， 为了 提高膜层的化学 稳定 性， 在膜层的表面加镀s i 0 : 保 护膜层。 3一 0 2_ s 2 .0 1. 5 1_ 0 二 二 二 i i% - - - - - - 土 _ _ _ _ _ _二_ _ _ !-一 !-一 万 一 _下丈一-一 一! 声 代 行 厂一 - - - 一 飞 . .、砚荞二二一 一 一 一一碑 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 r e f l e c t a n c e 仆 ，”f a v e l m g t h 7 0 0 7 50 1 m) 图2 . 3 . 1 单层m g f 2 的反 射率曲 线 ( 5 5 0 n m ) 由上图可知，单层膜只能实现在单一波长处的低反射，色中性差，并且对于常用的 玻璃基底b k 7 ， 满足2 . 1 式的 折射率材料并不 存在，因 此很难实现零反 射。 可以 用 双 层减 反 射 膜 结 构: 双 层a e / 4 膜 堆 即 g ih l i a 膜 系 结 构 或 者 g i2 h l ia 膜 系 。 先在 基底表面沉积一层高折射率的膜层， 然后再根据此时的基底与薄膜 层的 组 合折射率和中心波长的位置合适地选择低折射率材料，沉积一层低折射率膜层。 g ih l ia 膜 系 结 构 通 过 提高 基 底 的 折 射 率 的 方 法 来实 现 在中 心 波长 处 的 零 反 射。 然 而却不能解决色中性差的问 题， 因 此在基底的 表面沉 积一 层 入 , / 2 的高 折射率膜层， 由 于膜层对于中心 波长的 光来说形成了 虚设层， 因而 对于中 心波长处的反 射率的 值 并不能产生影响，但是却实现了在其它地方的低反射，因此膜层呈现出w 型，在一 定程度上缓解了色中性的问题，实现了在较宽波段内的减反射。 2. 0 1 .5 1. 0 0- 5 0. 0 一卜 长犷 介 4 00 45 0 50 0 6 00 65 0 r e f l e c t an c e 仕 1， . e v e l m叫 件 h 70 0 75 0 . 1 图 2 . 3 . “ 即 为 双 层 g i2 h l i a 结 构 的 减 反 射 膜 的 分 光 曲 线 。 目 前 的 多 层 减 反 射 膜 都 是 以 兰 层 减 反 射 膜 堆 g i m 2 h l i a 为 雏 形 发 展 而 来 的 。 这 种 三层的减反 射膜堆与法布里一 拍洛型干涉 仪相似。 它的内 外两层膜的厚度 各为 1 / 4 波长， 中间膜层则 是厚度为 1 / 2 波长的间隔层. 适当地选择这 种膜系结构中 各个膜 层折射率的 值， 可以 使其 分光曲 线在宽的 波段范围内 平坦u a 工程硕士学位论文多层减反膜对镜头眩光的改善 2_ 0 1 1. 0 0. 5 0_ 0 _一 人 主 一 一， 一 _一_丫 一， :; 巴: _ _ ; 2 _ _ _ _: 夕 不一 一，户.门 叱 : 一 尸 尹 4 00 4 50 60 0 5 5 0 60 0 65 0 如 t l . 比. . . 价1 ， ， y we l w明 式卜 7 00 7 50 呢 口 . ， 图2 . 3 . 3 三层减反射膜的分光曲 线 以 多层膜膜系构成的宽 带减反射薄膜g e l 1 -.一11 2131，1.117.1，11 0 m . . “目1 【 二 osm gf 2 m sl m g f 2 1 m5 im g f 2c o 51 4gf 2已 d s m g f g wg t 1 . 1 3 0 0 g3 日吸 2暇吐 刀 ，7 . 2 07 . 吸口 旧曰) 吐 7 3 1 0 让 1 1 u 3 s s . 让 日 t . 刃 tl c t” 月 目 月【 两 】a加4 7 刀2 zi 万2 3377 石肠压 2月a 笼 日 52 3 与 5，目 石5 ap垃 ， 自.， i内ii尚 no n o l南 洲 口帕 0 ” 。i n o 一i，一i， i 1 1 ，l 1 i ， 7 c口m 山 口的? n o i 1n o i m o“ .11n nr n an e i (“ n 。 m . 、 t 甘 . 卜 j 侧 ，a以 曰 】 ， .江 以】 加 月.a仪 翻 刀 . 侧 .吐 口习 洲 jl ， 1 1吐 口 区 口 ， . .住0山k i ， 1吐 口 口 ) . ，. a u . - i o .0 00 m i 口 刀j . m w t l di s i o 00 0 .一i 。 口 刀 .一1a -0 o o a -1 a n m o i0 以 口 。 .i 。 口 洲 ， ， . 众山团口. 侧门，0 山日 月】 口 口 ” o . 日 n . . .?一 灿11丫 .1 l佃 i - iiy -i y -1，. . .1i1 i y - i 图2 . 3 . 4多层减反射薄膜构成的宽 带减反 射膜系 结构以 及其分 光曲线 2 . 4 课题设计的主要工作 由 于眩光产生的 原因即是镜头内 部的 多余反射光 造成的， 我 们假设 镜头内 部各 个镜片表面没有反射光线，这将消除由于镜面的反射而造成的光能量的损失，同时 使镜头内 部的 杂散光降到了最低， 而实际上在任何角度上都使照 射到 镜面上的 反射 光都为 零是不可能的 ( 光通过介质时 候肯定 会存在光能的 反射损失，并 且很很多 介 质材料本身存在吸收) 。 我们所能 做到的 仅仅是尽可能得消除多余的反 射光线。 结 合所学的 关于的减反射薄膜的内容以 及现阶段一些常见常 用的 减反射薄膜的 情况， 从课题的要求看， 本课题最主要面临是有两个问 题是: a . 减 反 射 主 要 发 生 在， 个 较宽 的 波 段 内 洲 即 可 见 光 区 域内4 0 0 二 一 7 0 0 n m , b . 要求的入射角度 较常见的0 . 入射角 要大很多， 是一个大角度情况下的 减反射 问题.: 而这个也是本课题所面临的主要问题，也就是本课 题的 特点、 难点、 重点 之所在。 2 . 5 理论分析与实现 解决以上 两个重点问题的眩光的问 题需要从以 下两个方面进行理论分析。 减反射薄膜的膜系设计 工程硕士学位论文 2 . 5 . 1 实现宽 波段内的 低反射率 这是本 课题首 要解决的问 题，因为本设 计的目的 就是减少 镜片 表面的 反射率， 要求最大剩余反 射率值低于0 . 5 % 。 显然单层减反 射膜都只能实现 在单一 波长处的低 反射， 并且由 于材料的限制 单层膜并不能满足要求， 因 此必须考虑多 层减反射薄膜 的 设 计 ， 而 题目 中 要 求的 是 在 宽 波 段 范 围 内 的 低 反 射， 以 g i m 2 h l i a 为 基 础 考 虑 ， 由图 可以 看到， 整个分光曲 线在短波和长波段不能满足 要求， 并且整个区 域的中部 反射率过高，因此，需要先改变各层折射率的值也就是改变膜层所选取的材料，并 且进行合理的搭配的角 度尝试， 到时候可以 满足题目 的要求。 并且在不同的基 底材 料上进行试分析，考察实际的分光曲线，考察基底材料对于所选用的膜系的影响。 并分析合适条件的搭配情况。 0. 5 0. 电 0- 3 0. 2 0. 1 0一 0 1 _ _: _ _ _ _一 _ _ _ _ _ j _ _ _ _ _ _ 一_ _ _ _ _ _ _ _ 1 _ _ _ 1 _ _ 一 互 一 _ _ _ _ _ 三一 _ _ 扛一_ _ _ 一_ _ _ _ _ _ _ _ 1 _ 1 _ _ _ _ _ _ _ _ 一 1 组 _ 2 全 、 : 一 少一 _ _ _ _ ! 一 互 一! 2_ _ 二一下 丈 _ _ 一 _ _ _ 一 ) 一 又了 一丁 - -一 :砚 4 00唯s o s0 0 皿 .亡 1 己 七. .仁 .ssoto， . m n l m 叫 那卜 70 0 7 5 0 哎 宜 口 . ， 图 2 . 5 . 1 . 1 以 g im 2 h l 日为 基 础 的 三 层a 1 z0 ,- o h 5 - iig f 2 膜 系 的 分 光 曲 线 由图2 . 5 可知当高中 低折射率 材料的 膜系进行 合适的搭配的情况下，不 管是 .1 / 4 - d / 2 - .1 / 4 膜系还是.1 / 4 - a / 2 - a / 2 膜系都可以满足题 目 中要求的条件 ( 在 入射角仅仅限定在 0 度的情况下)。并且随着基片折射率的增加，三层增透膜 .1 / 4 - a / 2 一 a . / 4 的两端反 射率也随着增加。 因 此在垂直入射的 情况下， 在现有的膜 料通过合理的组 合搭配可以 很容易的实 现在宽波段内反 射率小于0 . 5 % . 下面再以 在这种 情况 下设计的一个膜系为例来介绍减反 射薄 膜的 设计情况。 先确定所要用到的膜料， 选择常 用的a 1 2 0 , , s i o 2 , o h 5 和崛f , ， 它 们的 折射率分别 为约1 . 6 2 , 1 . 4 5 , 2 . 1 , 1 . 3 8 。 在这四 种材料中， 相对而言m g f 2 是 折射率最低的，折 射率 最高的 膜料为o h 5 。 将这 样四 种材料的 膜层以 一定的搭配组合沉 积在b k 7 表面。 分析选择合适的 搭配。 一般情况下，由于m g f : 是一 种折射率 较低的 膜料，由 于 减反 射薄 膜的 工作机理可知， 其不能实 现整个膜系的 零反射的原因 在于其基底折射 率不 够高， 因此可以 在基底上先沉积一些高折射率的膜 层以 提高基底折 射率， 而后 选择 沉积m g f 2 膜层以 实现更 低反 射率的实 现。 然后确定与 基底紧 密接触的膜层， 参 照一些经典的 膜系结构以 及折射率材料的 搭配， 选择1 - 1 - 2 - 1 的 初始膜系结构， 所 选择使用的 膜料分别为a 1 , 0 s i o 2 , a 1 , 0 o h 5 o 工程硕士学位论文 多层减反膜对镜头眩光的改普 : :.: 午 一 夸 一 午 凡 -1 . m 宜 性 。 o . 叫 尸山 ， ， 一 . 去， ， . 户 成 月 s . o-1 s - 肠js a%n .丈 二 石二 .+ y : .o- l s f i .e f s . a : .ro, 3 , .浦. s.a+ts o.0 争- z- 令 . 1 . . 饭 p + -一， . 一 一 . . 一汤 ， 一一勺卜， q，j卜 盛 ， 侧 f 3 . 每 卜 皿 月卜5 的 . 4-日 . . . 伪 .卜 二 j 卜 ， 月 卜 s .e s i .r ,侧 . 卜 。 t今 一 夸夸。 “ 午- 3一 夸 . -1 . s : : 曲一， ， j 与 ， ， ， ， 钊 目. . 曰 一 一 ， 一 一一 切三司 卜 1翻 ，州， ， 月 ，助 卜 目 叨侧 . . . 一 j - ， ， 曰 钾 一 j 户林 扣 ) 笼 、 卜1 ， 娜 落 魂 . 卜 扭自 卜汤 湘 ， 吸 y . 嘴. 卜 夸一 争i +-30bn-re.0巨 .y-s.t1 y 气- l . . : : . 四币 川钊 口 入 4 璐1 山 奋 4。 . 卜 且 卜 月卜盆 a . 3 . -日 . . o ty 4 午 一 夸 一 l1 几 - : . r 几 戒 t )盆 ， 吞y _ 脚 卜7 侣 卜 y. a妞 气. 目 . . 图2 . 5 . 1 . 2不同 基底上镀不同 的膜系时分光曲 线图 然后设置优化参数，由于所 要实现的是在一个宽 的波段内 的低反射， 所以采 用 了设置 间 断点优化值的方法， 将4 0 0 - 7 0 0 r r的宽波段每隔5 r u a 设置一个点， 并且要求此点 的 最终优化结果值为反射率是。 。由 于只是在o p 入射情况 下的 情况，因而不需要设 置角度 优化参数， 考虑到5 层膜层可以实 现题目 的要求情况， 因此不需要进行加层 设计。具体的设计 参数情况见下表 1 ， 最终得到的p l o t 曲 线图见图2 . 6 . 表2 . 5 . 1 . 1 膜层设置及参 数设置 不汀 l 匀 .123 45 m 川 ai d 月团 35 旧2 越 困 3osmgf 2 o w o t8 1 3 18 1刀 忍众8 :期习 1 . 7 表 砚a组 刀 t t iid cr e s s (cm1 叹2 81 1 注4 2瓜 压 1 1 4 . 3 8 瓜 阳 0 内m in7丫 翻丫 翻丫 臼 丫 目丫 “ 6 1以 甲 1 11 11 0”劝 幽 ? n o 目 。 “ no n o mh t l ck un 以 目 ，. 8 .0 0 t m 0 .0 0 0 0 r m 以的 阅 . ”，a【 刀团 ， 州 从 了 h k 匆朋a0 0幻 . . 让0 口 习 口.众 0 0 阅 . .吸 口 刃 月 .以口 刀 ) . . 目 倪d le i ?y 翻 丫国丫 .丫的y m 减反射薄膜的膜系设计 工程硕士学位论文 表2 . 5 . 1 . 2 间断点的 优化参数设置 ( 部分) 丫 娜目 . 1 7 i 2， 5 7i1.1i ，1厂 解 d 白 勺“. 内.自心i 勺 ， 匆比 . 内 . 向 .曰 而. . 臼. a衬 .州b h o p wt - f d i 阴p d i 阳1 f mmi r d i 胭 a d翻 f war m i a翔八姗决 拍扁相八 月八 相八比肉 月aw 巨 w . 4 . . . l ， s 1 0，砚 i 0 5mo i知i5 7 0