論可見(jiàn)光波段寬帶增透光學(xué)膜的研究
論可見(jiàn)光波段寬帶增透光學(xué)膜的研究
需要增透減反技術(shù)可以聯(lián)系我們上海工廠(chǎng)18917106313
上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專(zhuān)業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號(hào)灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專(zhuān)業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國(guó)科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶(hù)提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。
本文提出一種基于不同實(shí)驗(yàn)條件下的鍍膜研究方法，設(shè)計(jì)了可見(jiàn)光波段寬帶增透膜。選擇TiO2和MgF2為鍍膜材料，通過(guò)TFCalc軟件設(shè)計(jì)了380 nm~780 nm波段寬帶增透膜(AR膜)，并通過(guò)模擬仿真實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)、單層材料折射率誤差和厚度誤差、入射角變化對(duì)可見(jiàn)光波段寬帶AR膜平均透過(guò)率(AT)的影響。 結(jié)果表明：中心波長(zhǎng)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(shí)，可實(shí)現(xiàn)全波段平均透過(guò)率超過(guò)96%，為光學(xué)薄膜的研究提供了一種可參考的研究途徑。
當(dāng)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室鍍膜時(shí)，常發(fā)現(xiàn)鍍制的薄膜實(shí)際測(cè)試得的性能與理論設(shè)計(jì)的增透效果差很多，這是因?yàn)楸∧さ膶?shí)際結(jié)構(gòu)與理論設(shè)計(jì)模型已產(chǎn)生較大偏差，主要體現(xiàn)在折射率與厚度兩方面。我們進(jìn)行理論設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)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(jìn)行計(jì)算。但在實(shí)際制備薄膜時(shí)，由于薄膜的密度有限，折射率偏低，導(dǎo)致工藝參數(shù)的浮動(dòng)和界面狀態(tài)的變化，實(shí)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(duì)傳統(tǒng)分層介質(zhì)薄膜的光學(xué)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(duì)其實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)控，有利于制備光學(xué)性能優(yōu)異的增透膜體系。
圖1:優(yōu)化前后可見(jiàn)光波段AR膜光譜曲線(xiàn)
.當(dāng)對(duì)應(yīng)薄膜的光學(xué)厚度為 λ/4奇數(shù)倍時(shí),
入射介質(zhì)的折射率為 n0，玻璃的折射率為 n2，薄膜的折射率為 n1。計(jì)算380 nm處以及光譜出現(xiàn)的極值點(diǎn)的折射率。再改變單層膜系的中心波長(zhǎng)，得到多個(gè)極值點(diǎn)，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(zhǎng)為380 nm、400 nm、420 nm、440 nm、460 nm，分別得到TiO2、MgF2的5個(gè)光譜圖，當(dāng)中心波長(zhǎng)為380 nm時(shí)，TiO2單層膜可得到380 nm、484 nm、564 nm、694 nm處4個(gè)極值點(diǎn)，當(dāng)中心波長(zhǎng)為400 nm時(shí)，可得到400 nm、447 nm、510 nm、594 nm、737 nm處5個(gè)極值點(diǎn)，同理，選取420 nm、440 nm、460 nm為中心波長(zhǎng)，可分別得到覆蓋380 nm~780 nm多個(gè)極值點(diǎn)。同理也可得到MgF2的多個(gè)極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的折射率，再分別繪制出TiO2和MgF2的實(shí)驗(yàn)實(shí)際的色散曲線(xiàn)。圖2、圖3分別為模擬實(shí)驗(yàn)的TiO2和MgF2的單層薄膜對(duì)應(yīng)不同中心波長(zhǎng)的光譜圖，利用以上方法求得TiO2和MgF2折各個(gè)極值點(diǎn)折射。
圖2. TiO2單層薄膜不同中心波長(zhǎng)光譜圖
圖3. MgF2單層薄膜不同中心波長(zhǎng)光譜圖
中心波長(zhǎng)選擇中心波長(zhǎng)選取應(yīng)讓可見(jiàn)光區(qū)的透過(guò)率盡可能大，由于改變中心波長(zhǎng)不會(huì)對(duì)光譜圖造成很大影響，因此可以通過(guò)改變中心波長(zhǎng)，找到AT值*大時(shí)對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)。由圖4可以看出當(dāng)中心波長(zhǎng)在550 nm~630 nm之間變化時(shí)，光譜曲線(xiàn)出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，隨著光譜曲線(xiàn)紅移，450 nm附近透過(guò)率有一定的上升趨勢(shì)，當(dāng)設(shè)定中心波長(zhǎng)為630 nm時(shí)，385 nm處光透過(guò)率波長(zhǎng)急速下降，因此，選擇中心波長(zhǎng)610 nm為寬波段AR膜的中心波長(zhǎng)。
圖4. 可見(jiàn)光波段寬帶AR膜隨著中心波長(zhǎng)變化
折射率變化對(duì)寬波段AR膜影響TiO2具有多種晶型結(jié)構(gòu)，且容易發(fā)生熱分解，在鍍膜過(guò)程中，由于工藝參數(shù)的浮動(dòng)和界面狀態(tài)的變化，其折射率容易發(fā)生變化。而單個(gè)膜層的折射率變化只會(huì)導(dǎo)致透射光譜中透射極值點(diǎn)的增加或減少，曲線(xiàn)的紅移或藍(lán)移現(xiàn)象不明顯，曲線(xiàn)不失規(guī)律，不影響膜系整體的減反射效果，因此可通過(guò)調(diào)制各膜層折射率來(lái)提高膜系性能，觀(guān)察圖5、圖7可知，當(dāng)TiO2的折射率在?0.2~+0.2之間變化時(shí)，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(xiàn)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(yīng)降低TiO2薄膜的折射率。由圖6、圖7可知，當(dāng)MgF2折射率在?0.2~+0.2之間變化時(shí)，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(guò)率先升高后降低，MgF2折射率變化對(duì)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(shí)應(yīng)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(duì)可見(jiàn)光波段寬帶AR性能的影響
圖6. MgF2單層膜折射率變化對(duì)可見(jiàn)光波段寬帶AR性能的影響
圖7. TiO2和MgF2折射率變化對(duì)可見(jiàn)光波段寬帶AR膜AT值的影響
厚度誤差對(duì)AR膜影響光學(xué)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(guī)律對(duì)制備光學(xué)薄膜由為關(guān)鍵。由于實(shí)際鍍膜時(shí)**把控薄膜厚度十分困難，因此我們通過(guò)改變薄膜厚度，得到薄膜厚度影響較小的可接受的誤差區(qū)間。觀(guān)察圖8、圖10可知，當(dāng)TiO2膜層厚度誤差從0 nm~?10 nm之間變化時(shí)，450 nm~800 nm波段的透過(guò)率均上移，透過(guò)率增加約1%，當(dāng)TiO2膜層厚度誤差從0 nm~+10 nm之間變化時(shí)，450 nm~800 nm波段的透過(guò)率均下移，隨著透射光譜曲線(xiàn)發(fā)生了紅移，400 nm附近的透過(guò)率下降到72%左右，為了增加全波段的平均透過(guò)率，應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档蚑iO2薄膜的厚度，TiO2薄膜的厚度偏差應(yīng)在?10 nm~0 nm之間。
圖8. TiO2單層膜厚度變化對(duì)可見(jiàn)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(duì)可見(jiàn)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(shí)，450 nm附近的透過(guò)率大幅度上升，增加了6%左右，其他波段的透過(guò)率基本不變，MgF2膜層厚度誤差從0 nm~+10 nm之間變化時(shí)，450 nm附近的透過(guò)率增加，但同時(shí)透射光譜曲線(xiàn)發(fā)生了紅移，使400 nm附近的波長(zhǎng)急劇下降，故全波段的透過(guò)率反而在下降，由圖10可知，全波段AR膜的平均透過(guò)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(xiàn)波形的變化對(duì)膜系性能影響較大，因此，應(yīng)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(duì)可見(jiàn)光波段寬帶AR膜平均透過(guò)率的影響
太陽(yáng)入射角變化對(duì)AR膜性能的影響寬波段AR膜在一些應(yīng)用場(chǎng)景下需要考慮入射角的影響，例如鍍?cè)谔?yáng)電池表面的寬波段AR膜在使用過(guò)程中，太陽(yáng)光不能一直保持垂直照射，所以研究太陽(yáng)入射角對(duì)膜系增透性能的影響是有必要的。觀(guān)察圖11透射譜可知，隨著太陽(yáng)入射角的增加，膜系的AT值逐漸降低；在380nm~780nm光波段上，當(dāng)入射角小于30?時(shí)，透射曲線(xiàn)發(fā)生了輕微的藍(lán)移；超過(guò)30?時(shí)，透過(guò)率逐漸增加；超過(guò)60?時(shí)，曲線(xiàn)波形發(fā)生了較大變化，透射大幅降低，由圖12可知，全波段透過(guò)率在入射角小于20?時(shí)基本保持不變，只有0.1%的波動(dòng)；在入射角在30?~50?之間時(shí)，變化幅度較小，大約有1.25％的波動(dòng)；達(dá)到50?以后，大幅度增加，膜系減反射性能降低。
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采用德國(guó)薄膜制備工藝，形成了一套具有嚴(yán)格工藝標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)式流程技術(shù)制備體系，能夠制備各種超高性能光學(xué)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(xiàn)薄膜，應(yīng)用領(lǐng)域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫(yī)用激光器、光學(xué)科研，紅外制導(dǎo)、面部識(shí)別、VR/AR應(yīng)用,博物館，低反射櫥窗玻璃，畫(huà)框，工業(yè)燈具照明，廣告機(jī)，點(diǎn)餐機(jī)，電子白板，安防監(jiān)控等。卷柔新技術(shù)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)【sol-gel溶膠凝膠法鍍膜線(xiàn)】，這條生產(chǎn)線(xiàn)能夠生產(chǎn)全球先進(jìn)的減反射玻璃。鍍膜版面可達(dá)到2440*3660mm，玻璃厚度從0.3mm到12mm都可以,另外針對(duì)PC,PMMA方面的增透膜也具有量產(chǎn)生產(chǎn)能力。ARcoating減反膜基本接近無(wú)色,色彩還原性好，并且可以避免了磁控濺射的缺點(diǎn)，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(gè)難度和具有很好的應(yīng)用性，新意突出，實(shí)用性突出，濕法鍍膜在價(jià)格方面也均優(yōu)于真空磁控的干法。
卷柔減反射(AR)玻璃的特點(diǎn):高透,膜層無(wú)色,膜硬度高,抗老化性強(qiáng)(耐候性強(qiáng)于玻璃),玻璃長(zhǎng)期使用存放不發(fā)霉,且有一定的自潔效果.AR增透減反膜玻璃產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于**文博展示、低反射幕墻、廣告機(jī)玻璃、節(jié)能燈具蓋板玻璃、液晶顯示器保護(hù)玻璃等多行業(yè)。
我們的愿景：卷柔讓光學(xué)更具價(jià)值！
我們的使命：有光的地方就有卷柔新技術(shù)！
我們的目標(biāo)：以高質(zhì)量的產(chǎn)品，優(yōu)惠的價(jià)格,貼心的服務(wù)，為客戶(hù)提供優(yōu)良的解決方案。
上海卷柔科技以現(xiàn)代鍍膜技術(shù)為核心驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)鍍膜設(shè)備、鍍膜加工、光學(xué)鍍膜產(chǎn)品服務(wù)于客戶(hù)，努力為客戶(hù)創(chuàng)造新的利潤(rùn)空間和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為中國(guó)的民族制造業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
