CN112764135B - 一种极低残余反射的窄带减反射膜 - Google Patents

一种极低残余反射的窄带减反射膜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种极低残余反射的窄带减反射膜，包括基底以及设置在基底上的多层膜。多层膜由依次设置在基底上的导纳匹配膜堆、色散补偿膜和增透膜构成。基底为折射率1.45至1.90的光学玻璃或光学塑料。导纳匹配膜堆层数为7～11层，由Al2O3和TiO2膜交替组成，最后一层为SiO2膜。色散补偿膜亦为SiO2单层膜。增透膜依次由TiO2和MgF2双层膜组成，或对抗静电防尘增透膜依次由TiO2、ITO透明导电膜和MgF2膜组成。ITO透明导电膜为铟锡氧化物膜。多层膜系的极低残余反射的波长域为650～662nm。这种极低残余反射的窄带减反射膜无论对光学系统还是激光系统都有极其重要的应用价值。

Description

一种极低残余反射的窄带减反射膜
技术领域
本发明涉及一种极低残余反射的窄带减反射膜，属薄膜光学范畴。
背景技术
减反射膜是应用最广的一种光学薄膜，无论是光学系统还是激光系统中都有极重要的应用价值。
作为例子，对摄像或投影光学系统，由于色差和球差两种轴上点象差以及彗差、象散、场曲和畸变等轴外点象差的共同作用，会使一个白色物体变成彩色、一条直线变成曲线，一个物体变得模糊不清。光学工程师总是力图通过选择各种不同折射率和不同色散系数的光学玻璃或光学塑料，并把它们制成各种不同曲率和不同厚度的凹、凸透镜以及胶合、分立透镜，使得各种象差得到充分补偿，以获得足够清晰的光学图像。
现在可供选择的普通系列无色光学玻璃约有135个牌号，但考虑到光机性能、化学稳定性和热稳定性等限制，真正实用的光学玻璃还远嫌不足。这些光学玻璃的折射率基本上都在1.45～1.90之间，对应的每个透镜表面的反射损失为3.4％～9.6％。若取反射损失平均值6.5％，则对一个由10片透镜(即20个表面)组成的摄像或投影镜头来说，最终在像面上参与成像的透射光仅为(1－6.5％)20＝26％，反射损失竟高达74％。这种表面反射损失造成两个严重的后果：第一，光能损失造成像的亮度大大降低；第二，更为甚者，表面反射光经光学系统多次反射成为杂散光，使像的对比度、清晰度显著降低。显然，诸如摄影摄像和投影显示等光学系统的高效减反射膜是极其关键的。
在激光光学系统中的情况也是类似的，差别主要在于激光是一个单色光源或窄带光源，因而色差明显得到缓解。但是激光光学系统也会出现一些新的问题：首先，在许多情况下探测的是微弱信号，如激光雷达工作时需要先向目标发射探测激光信号，然后再接收被目标反射回来的微弱回波信号，将回波信号与发射信号比较，获得目标的位置(距离、高度、方位)和运动姿态等信息。其次，对大功率激光系统要求某些镀膜透镜具有极低的表面残余反射和吸收，否则一些敏感元件会遭受破坏。还有，信号光与残余反射引起的杂散光之间还可能产生空间相干散斑，使信噪比降低。
上述说明，无论是普通光学系统还是激光光学系统都要求光学器件具有极低残余反射的减反射膜，遗憾的是，现有的减反射膜，即使是激光或LED之类的窄带减反射膜，残余反射一般仅能达到0.1％～0.01％。究其原因，一是光学薄膜材料的折射率很有限，难以对各种玻璃基底实现完全的导纳匹配；二是基底和各种薄膜的色散不一致，难以实现一定波段上的色散匹配。由《薄膜光学》可知，只要完全满足折射率条件和相位条件，即使单层膜就能达到“零”反射。如对折射率1.516的K9玻璃，只要薄膜折射率达到1.231，λ0/4单层膜就能在λ0达到“零”反射，可惜自然界并不存在折射率如此低的薄膜材料。自然界真正实用的最低折射率材料是MgF2，其折射率在可见区400nm约为1.39，而在800nm处约为1.37，以波长589nm的折射率1.38计算，K9玻璃表面的残余反射约为1.26％。为了达到“零”反射，薄膜工作者先在K9玻璃表面镀一层折射率1.7的λ0/4膜，与基底共同构成组合导纳1.904的新基底，这样就与折射率1.38的MgF2导纳匹配了，但问题是自然界依然难以找到折射率恰好1.7的实用薄膜材料，无奈常用折射率1.65的Al2O3代替，得到的残余反射为0.094％。可见折射率(多层膜的组合折射率称导纳)完全匹配是极其困难的，同样，色散完全匹配也是极其困难的，这就是造成减反射膜，那怕是窄带减反射膜真正实现零反射的障碍，而只能达到大约0.1％～0.01％的所谓“零”反射。应该指出的是，人们习惯上所说的“零”反射，与其说“零”反射，不如说极小反射更为确切。
发明内容
本发明的目的是提供一种极低残余反射的窄带减反射膜，通过在基底和常规增透膜之间设计色散补偿膜和导纳匹配膜，来获得残余反射低达万亿分之一数量级的窄带减反射膜，以用于在强辐射背景下提取高信噪比的单波长或窄波段的微弱信号。
本发明旨在提出一种极低残余反射的窄带减反射膜，提出采用多种材料的多层结构来弥补跳跃式折射率引起的折射率断层以及玻璃与薄膜、薄膜与薄膜色散不同引起的色散失匹，以产生完全匹配的导纳和完全匹配的色散，使透镜表面的残余反射减至极低，从而把窄带减反射膜的残余反射损失真正降到零。显然，导纳匹配和色散补偿是本发明探索和解决的核心问题。这种极低残余反射的窄带减反射膜在强辐射背景下提取高信噪比的窄波段微弱信号时是一个极其重要的关键技术难题，在探测诸如自然界各种微弱的吸收谱线、微弱的激光回波信号或LED光回波信号以及特定系统和仪器的各种窄波段微弱信号中应用非常广泛。
作为本发明的应用例子，研究氢谱线Hα在天文学、气象学和物理学上具有重要的意义，其对应的波长为656nm。由于Hα谱线本身强度很弱，通常又被淹没在强烈的太阳背景光中，所以一个极低残余反射的光学系统对氢谱线光谱仪尤为重要。
本发明的构思如下：极低残余反射的窄带减反射膜主要由三部分组成：导纳匹配膜、色散补偿膜和增透膜。具体结构为基底|导纳匹配膜-色散补偿膜-增透膜|空气，其中，导纳匹配膜由基底上依次排列的Al2O3-TiO2交替多层膜组成，最后再加一层λ0/4的SiO2膜；色散补偿膜由λ0/4的SiO2单层膜组成，增透膜由λ0/2TiO2-λ0/4MgF2的双层膜组成，显然，这时窄带减反射膜共由四种薄膜构成。若镜头需要防尘抗静电，则增透膜由λ0/2TiO2-ITO-λ0/4MgF2三层膜组成，其中ITO是一层很薄的透明导电膜(严格讲它不属增透膜，但因其非常薄，就让其含在增透膜中罢了)，在这种情况下，窄带减反射膜共由五种薄膜构成。具体构思描述如下。
一.减反射膜又称增透膜。本发明认为，在薄膜系统中，若所有薄膜的吸收完全可以忽略，则称减反射膜是合理的；但在吸收较大的薄膜系统中，称增透膜更加合理，因为这时不仅需要减小反射，而且还需要减小吸收才能达到最大透射率。在本发明中，把现有技术的传统减反射膜称为增透膜，而把加上色散补偿膜和导纳匹配膜后的整个膜系称为减反射膜，这一方面是为了把两种薄膜系统区分开来，另一方面因为在防尘抗静电应用时需要在增透膜中插入一层吸收较大、厚度很薄的ITO透明导电膜。
二.对氢谱线Hα的增透膜通常釆用二种结构：第一种结构是基底(如K9)|四分之一波长三氧化二铝膜(λ0/4Al2O3)-四分之一波长氟化镁膜(λ0/4MgF2)|空气，λ0＝656nm，该膜系在λ0的残余反射率为0.094％；第二种结构是基底(如K9)|二分之一波长二氧化钛膜(λ0/2TiO2)-四分之一波长氟化镁膜(λ0/4MgF2)|空气，λ0＝656nm，该膜系稍作厚度优化后在λ0的残余反射率为0.001％(参见图2)。这二种结构是窄带增透膜中最常用的，其中第一种简称λ0/4-λ0/4结构，在λ0具有“零”反射；第二种称λ0/2-λ0/4结构，在λ0两侧具有两个“零”反射，随着高折射率膜的折射率调节，两个“零”反射波长会逐渐靠拢，最后在λ0合并成一个“零”反射。考虑第二种结构更具优势：(1).TiO2膜工艺成熟；(2).TiO2膜折射率高，在导纳匹配时需要优先使用，以减小残余反射；(3).通过两个“零”反射波长的调节容易达到调节增透膜带宽的目的。基于上述原因，本发明选用第二种结构作为增透膜的基本初始结构。
三.若在K9基底和λ0/2TiO2膜之间插入一层λ0/4SiO2膜，即膜系从2层结构变成3层结构：K9|λ0/4SiO2-λ0/2TIO2-λ0/4MgF2|空气，在λ0＝656nm，虽然SiO2膜的折射率与K9基底的折射率非常接近，它们分别为1.461和1.5143，故这层SiO2膜对基板的反射率影响应该是不很大的，但对K9基底的色散补偿却具有重要的贡献。这里，本发明不妨以600～656nm的窄波段为例作一简单的分析(参见图3)：记K9玻璃的折射率为ng，对中心波长656nm，ng＝1.5143，而对波长600nm，ng＝1.5163，此二个波长之间K9玻璃的折射率色散差为0.002。若在K9上镀λ0/4SiO2膜，由于SiO2膜在656nm和600nm的折射率ns分别为1.461和1.462，故SiO2膜的折射率色散差为0.001。K9基底和λ0/4SiO2膜组合成新基底后的折射率通常称为组合导纳Y，且Y＝ns 2/ng，即在波长656nm和600nm的组合导纳Y分别为1.40958和1.40964，这就是说，在此二个波长之间，K9基底和λ0/4SiO2膜组合基底的导纳色散差降到了0.00006，这比K9玻璃的折射率色散差足足降低了33倍！比SiO2膜本身的折射率色散差也降低了17倍！所以这层λ0/4SiO2膜具有强烈的色散补偿作用。它使由K9基底和λ0/4SiO2膜组合成的新基底的色散趋近于零，这对后续导纳匹配膜的设计带来了很大的方便。
四.接下来的问题是如何实现导纳匹配？首先，如上所述，λ0/4SiO2膜与K9基底组合可以大大降低K9基底的折射率色散，故λ0/4SiO2膜成为理想的色散补偿膜，但是这层λ0/4SiO2膜对导纳匹配却是不利的，在中心波长附近它使残余反射非但没有减小反而从0.001％增加到0.16％，故从导纳匹配的要求讲，需要再增加一层λ0/4SiO2膜而成为λ0/2SiO2膜，这样就变成了一个虚设膜层而不影响中心波长附近的残余反射，残余反射又从λ0/4SiO2膜的0.16％减小到λ0/2SiO2膜的0.001％。这就是说，λ0/2SiO2膜的前半个λ0/4SiO2膜是色散补偿膜，而后半个λ0/4SiO2膜是导纳匹配膜。通过反复试验，本发明还取得了以下认知：(1).仅用一个λ0/4SiO2膜作为导纳匹配膜是远远不够的，导纳匹配膜必须釆用多层膜结构。(2).在导纳匹配的多层膜中，高折射率膜的折射率应尽可能地高，故取TiO2膜是最合适的；而对与高折射率TiO2膜组合的低折射率膜，除了上面指出的λ0/4SiO2膜外，其余膜层均应取比SiO2膜折射率更高的Al2O3膜，故称Al2O3膜为中间折射率膜。(3).对导纳匹配多层膜，TiO2膜对导纳匹配的贡献会大于Al2O3膜，或者说，TiO2膜对导纳匹配要比Al2O3膜更灵敏。(4).为了获取精准的导纳匹配程度，越靠近基底，TiO2膜的厚度要越薄，使导纳匹配调节越小。根据以上认知，本发明选取导纳匹配多层膜的结构为：S|(M’H’)qL’，其中，S为光学玻璃或光学塑料基底，M’代表中间折射率的Al2O3膜，H’代表高折射率的TiO2膜，L’次低折射率的SiO2膜，q＝3～5为周期数。
五.各种光学器件总是存在着静电积聚和静电放电现象，特别是光学玻璃和光学塑料基底，乃至各种电介质的薄膜材料都是静电易聚材料，这种平常无法觉察的静电积聚和静电放电会造成两个严重的后果：一是静电不断吸引空气中的灰尘使其沉积在光学器件表面，导致透射率下降。二是轻微的静电放电可能造成光学芯片之类的易感光电器件损伤，特别是随着芯片集成度越来越高，体积越来越小，耐受静电放电的能力越来越差。由此可见，对光学器件中广泛使用的减反射膜引入抗尘抗静电功能的薄膜已日显其必要性。本发明认定，无论是静电积聚还是静电放电，都是因为光学器件缺乏导电性所致。故本发明认为，使光学器件具有一定的表面导电性是抗尘抗静电最有效的方法。欲使光学器件产生导电性，选择半导体ITO膜(Indium Tin Oxide的缩写)作为透明导电膜是最佳的选择。这种半导体薄膜不同于完全透明的、无吸收的电介质薄膜，一般而言，半导体膜的导电性总是或多或少地伴随着材料的吸收(参见表1中ITO膜的消光系数k)，所以在获得导电性的同时，如何减少半导体膜的吸收而使增透膜获得最高透射率也是非常重要的。本发明经过摸索，主要是控制ITO膜的物理厚度为10±1nm，既确保ITO形成连续膜，具有高导电性，又确保其低吸收和高透射；其次是把ITO膜设置在电场强度较小的靠空气侧的倒数第2层膜位置上(若从基底开始排列的总层数为k层膜，则倒数第2层即为第k－1层膜)，这样可使ITO膜的吸收影响减至最小。
表1
波长(λ)/nm 600 625 650 675 700
折射率n(λ) 1.83 1.815 1.799 1.78 1.76
消光系数k(λ) 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004
六.按上述构思所构筑的窄带减反射膜系，无论有否镀ITO防尘抗静电膜，减反射效果都是极佳的。借助于薄膜设计软件TFCal稍作厚度优化，残余反射达到惊人的低，一般可达到1.0e-12数量级，所以本发明称其为“极低”。膜系中的每一层膜，除了厚度，还有折射率，其中膜厚提供干涉位相，折射率提供干涉振幅，只有两者都精准满足干涉相消条件，才可能达到如此低的残余反射，从而使器件透射率达到“极高”。用于本发明的高折射率材料TiO2、中间折射率材料Al2O3、次低折射率材料SiO2以及低折射率材料MgF2在中心波长656nm附近的折射率如表2所示。需要说明的是，由于商用薄膜设计软件TFCal材料表中的折射率所对应的波长是不连续的，故表2中Al2O3和MgF2只能给出最靠近中心波长的650nm的折射率值。
表2
七.对本发明的极低残余反射的窄带减反射膜，由于商用薄膜设计软件TFCal已无法表示1.0e-12数量级的残余反射率值，故本发明提出采用分贝(dB)来表示，残余反射率R％与dB的关系简述如下：反射率(R)为反射光强与入射光强之比，常用100％表示完全无损耗的全反射。分贝(dB)为入射光强与反射光强之比的常用对数值乘10表示：dB＝10lg(1/R)。光学薄膜属于光衰减型无源器件，故常表示为“－”，意为“反射损耗”。表3为两种表示方法的对比举例，由表3可知，当残余反射极低时，用分贝表示突显其优越性。
表3
反射R 100％ 10％ 1％ 0.1％ 0.01％ 0.001％ 0.0001％ 0.000001％ 0.00000001％
分贝dB 0 －10 －20 －30 －40 －50 －60 －80 －100
为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案是：
一种极低残余反射的窄带减反射膜，包括基底以及设置在所述基底上的多层膜系。多层膜系由依次设置在基底上的导纳匹配膜堆、色散补偿膜和增透膜构成。基底为光学玻璃或光学塑料。导纳匹配膜堆由中间折射率的三氧化二铝膜和高折射率的二氧化钛膜交替组成，最后再加一层次低折射率的二氧化硅膜。色散补偿膜亦为次低折射率的二氧化硅单层膜。增透膜依次由高折射率的二氧化钛膜和低折射率的氟化镁膜组成；或对抗静电防尘增透膜依次由高折射率的二氧化钛膜、透明导电膜和低折射率的氟化镁膜组成。
进一步地，基底为折射率1.45至1.90的光学玻璃或光学塑料。
进一步地，多层膜系的膜层总数为8～15层，优先10～13层。
进一步地，导纳匹配膜堆的膜层数为5～13层，优先7～11层。
进一步地，对最常用K9玻璃基底的窄带减反射膜，导纳匹配膜堆的膜层数为9层，由基底向外，第1、3、5、7层为中间折射率的三氧化二铝膜，第2、4、6、8层为高折射率的二氧化钛膜，第1至第8层的物理厚度依次为：149.42，5.44，127.46，29.24，26.88，84.8，225.71，167.59，单位为nm，第9层为次低折射率的二氧化硅膜，其物理厚度为142.93nm；第9’层色散补偿膜亦为二氧化硅膜，其物理厚度为113.1nm，因第9层导纳匹配膜和第9’层色散补偿膜均为二氧化硅膜，故可合并成一层；第10和11层分别由高折射率的二氧化钛膜和低折射率的氟化镁膜组成的增透膜，其物理厚度分别为157.72nm和128.03nm。
更进一步地，对最常用K9玻璃基底的抗静电防尘窄带减反射膜，所述的导纳匹配膜堆的膜层数为7层，由基底向外，第1、3、5层为中间折射率的三氧化二铝膜，第2、4、6层为高折射率的二氧化钛膜，第1至第6层的物理厚度依次为：134.53，20.17，31.01，120.25，180.69，113.06，单位为nm，第7层为次低折射率的二氧化硅膜，其物理厚度为120.29nm；第7’层色散补偿膜亦为二氧化硅膜，其物理厚度为112.61nm，第7层导纳匹配膜和第7’层色散补偿膜均为二氧化硅膜，可合并成一层；第8层和第10层是增透膜，分别由高折射率的TiO2膜和低折射率的MgF2膜组成，其物理厚度分别为150.51nm和120.03nm，夹在两层增透膜中间的第9层是非常薄的透明导电膜，其物理厚度为10nm。
进一步地，所述的透明导电膜为铟锡氧化物膜。所述的铟锡氧化物膜中氧化锡∶氧化铟的质量比为7～11：89～93，最优选为9∶91。ITO透明导电膜为铟锡氧化物膜，其掺杂比为氧化锡∶氧化铟＝9∶91。
进一步地，ITO膜的物理厚度为10±1nm。
进一步地，ITO膜被设置在靠空气侧的第2层膜位置上，或从基底开始排列的k层减反射膜中的第k－1层位置上。
进一步地，多层膜系的极低残余反射的波长域为650～662nm。极低残余反射是指小于1.0e-10数量级的残余反射。现有技术中，残余反射0.1-0.01％现在已经能够达到，在本发明申请中能够达小于1.0e-10数量级的极低残余反射。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1).现用窄带减反射膜常用两种二层结构：第一种是基底|λ0/4-λ0/4|空气，第二种是基底|λ0/2-λ0/4|空气。前者在λ0具有“零”反射，由于其反射曲线呈现“V”字形，故称其V型膜；后者在λ0两侧具有两个“零”反射，反射曲线形似“W”，故称其W型膜，但随着高折射率膜的折射率变化，两个“零”反射波长可以逐渐靠拢而引成一个较宽的“零”反射带，故称其U型膜。由于迄今可供选择的薄膜折射率仍非常有限，现有技术的窄带增透膜无法解决跳跃式折射率引起的薄膜折射率间断问题，因而限制了残余反射率不可能很低。对λ0/4Al2O3-λ0/4MgF2的V型膜，即使实施膜厚优化，也不可能达到小于0.094％的残余反射；而对λ0/2TIO2-λ0/4MgF2的W或U型膜，由于需要调控折射率变化和膜厚变化，也不可能达到理论设计值0.001％，能够达到0.1％～0.01％已相当满意，这就是现有技术只能达到大约0.1％～0.01％的理由。本发明提出采用多种材料的多层结构来弥补跳跃式折射率引起的折射率间断以及基底与薄膜、薄膜与薄膜色散不同引起的色散失匹，以产生完全匹配的导纳和完全匹配的色散，使透镜表面的残余反射减至极低，从而把窄带减反射膜的残余反射损失真正降到零。本发明在仔细分析导纳匹配膜的基础上提出：(1).SiO2膜既可作为基底的色散补偿，又可作为导纳匹配膜，但仅用一个SiO2膜作为导纳匹配太过粗犷，必须釆用多种材料的多层导纳匹配膜结构。(2).在多种材料的多层膜中，高折射率膜的折射率应尽可能地高，故取TiO2膜是最合适的；而对与高折射率TiO2膜组合的低折射率膜，除了外层SiO2膜外，其余膜层应取比SiO2膜折射率更高的中间折射率Al2O3膜，这就是说，导纳匹配膜需要三种材料组成。(3).对导纳匹配多层膜，TiO2膜对导纳匹配的贡献会大于Al2O3膜和SiO2膜，也即TiO2膜对导纳匹配是最敏感的。(4).为获取精准的导纳匹配，要求越靠近基底的TiO2膜，其厚度越薄，使导纳匹配的调节程度越精细。最终本发明选取导纳匹配多层膜的结构为：S|(M’H’)qL’，其中，S为光学玻璃或光学塑料基底，M’代表中间折射率的Al2O3膜，H’代表高折射率的TiO2膜，L’次低折射率的SiO2膜，q＝3～5为周期数。上述精细的导纳匹配膜堆和SiO2膜对基底的色散补偿，产生了远超预期的惊人结果：在氢谱线656±6nm波长区内的残余反射减小至1.0e-12数量级，即－120dB数量级。由于介质薄膜的吸收非常小，若忽略吸收，根据能量守恒，则透射率T＝1－反射率R，使透射率真正达到100％。
2).现有技术尚未采用ITO实现抗静电防尘窄带减反射膜的实际应用，因此现有光学系统或激光系统容易吸附灰尘和污染，从而既降低光学图像的亮度，又影响光学图像的对比度和分辨率。此外，由于光学图像芯片是很娇嫩的，静电放电虽然并非使芯片直接产生突发性的损伤而完全丧失功能，但却会产生潜在的损伤，使获取信息的稳定性降低。那末，现有技术为什么一直没有采用抗静电的窄带减反射膜呢？主要原因应该是因为“抗静电”和“减反射”两种功能是相互矛盾的缘故：“减反射”要求达到尽可能低的残余反射，从而获得尽可能高的透射率；而“抗静电”的半导体膜必定伴随着较大的吸收，必定降低透射率，这在减反射膜中是绝对不允许的。本发明通过控制掺锡氧化铟ITO膜的厚度、优选ITO膜在窄带减反射膜中的位置、以及优化导纳匹配等措施，使ITO膜既具有足够的导电性(如方电阻500Ω/cm2)，又使吸收的影响尽可能地减少到几乎可以忽略的程度，所以只有当反射和吸收都取得最小值时，才能获得最高透射率，即透射率＝1－(反射+吸收)，确保窄带减反射膜在氢谱线656±6nm波长区内的透射率均达到99.9％以上。这一突破性进展使得抗静电防尘的窄带高透射减反射膜得以实现，既可满足各种折射率的光学玻璃基底和光学塑料基底具有极低残余反射的窄带减反射，又可用于诸如图像芯片之类的静电敏感的光电器件窗口，防止因静电放电引起器件性能快速退化、甚至损伤。
附图说明
图1是本发明窄带减反射膜结构的示意图，其中，(a)为极低残余反射型，(b)为抗静电防尘极低残余反射型。
图2是两种常用窄带增透膜的残余反射率的分光曲线。
图3是λ0/4SiO2膜对基底的折射率色散补偿说明。
图4是本发明用于折射率1.51(K9)基底具有极低残余反射的窄带减反射膜，其中，(a)为残余反射率与波长的分光曲线，(b)为各层膜的折射率和物理厚度的关系。
图5是本发明用于折射率1.62(K4)基底具有极低残余反射的窄带减反射膜，其中，(a)为残余反射率与波长的分光曲线，(b)为各层膜的折射率和物理厚度的关系。
图6是本发明用于折射率1.84(SF57)基底具有极低残余反射的窄带减反射膜，其中，(a)为残余反射率与波长的分光曲线，(b)为各层膜的折射率和物理厚度的关系。
图7是本发明用于折射率1.51(K9)基底具有抗静电防尘和极低残余反射的窄带减反射膜，其中，(a)为残余反射率与波长的分光曲线，(b)为各层膜的折射率和物理厚度的关系。
图8是本发明用于折射率1.62(K4)基底具有抗静电防尘和极低残余反射的窄带减反射膜，其中，(a)为残余反射率与波长的分光曲线，(b)为各层膜的折射率和物理厚度的关系。
图9是本发明用于折射率1.84(SF57)基底具有抗静电防尘和极低残余反射的窄带减反射膜，其中，(a)为残余反射率与波长的分光曲线，(b)为各层膜的折射率和物理厚度的关系。
具体实施方式
图1是本发明窄带减反射膜结构的示意图，其中，(a)为极低残余反射型，(b)为抗静电防尘的极低残余反射型。对图1(a)，在基底1的任一表面上设置一个多层膜系，多层膜系由依次设置在基底1表面上的导纳匹配膜堆2、色散补偿膜3和增透膜4构成。基底1可以是光学玻璃或光学塑料。导纳匹配膜堆2由中间折射率的三氧化二铝膜5和高折射率的二氧化钛膜6交替组成，最后一层为次低折射率的二氧化硅膜7，对不同的基底及其不同的折射率，导纳匹配膜堆2的层数为7～11层。色散补偿膜3亦为次低折射率的二氧化硅单层膜8，用作导纳匹配的二氧化硅膜7和用作色散补偿的二氧化硅单层膜8实际镀制时合并成一层。增透膜4依次由高折射率的二氧化钛膜9和低折射率的氟化镁膜10组成。对图1(b)，由于抗静电防尘必需引入一层透明导电的半导体ITO膜11，为减小整个膜系的吸收，这层ITO膜插在增透膜4’的高折射率二氧化钛膜9和低折射率氟化镁膜10之间是最佳的位置，图1(b)与图1(a)的差异仅在于此。
图2是两种常用窄带增透膜的残余反射率的分光曲线。用于中心波长656nm氢谱线Hα的增透膜通常可釆用二种结构：第一种结构是基底|λ0/4Al2O3-λ0/4MgF2|空气，λ0＝656nm，对K9基底，该膜系在λ0的残余反射为0.094％，如图2分光曲线12所示；第二种结构是基底|λ0/2TiO2-λ0/4MgF2|空气，λ0＝656nm，对K9基底，该膜系稍作优化后在λ0的残余反射率为0.001％，如图2分光曲线13所示。第一种λ0/4-λ0/4结构在λ0具有“零”反射；第二种λ0/2-λ0/4结构一般在λ0两侧具有两个“零”反射，但随着高折射率膜的折射率和厚度优化，两个“零”反射波长会逐渐靠拢，最后在λ0合并成一个“零”反射。本发明考虑到第二种结构更具优势，故选用第二种结构作为增透膜的基本初始结构。
图3是λ0/4SiO2膜对基底折射率色散补偿的说明。从图3中K9玻璃基底的折射率色散曲线14、SiO2膜折射率的色散曲线15、K9基底和SiO2膜组合新基底的折射率(此时常称为导纳)色散曲线16可以看出，虽然对窄带减反射膜的折射率色散效应比宽带减反射膜大大降低，但是对获得极低残余反射的情况依然是不可忽略的。若在K9基底和λ0/2TiO2膜之间插入一层λ0/4SiO2膜，则膜系变成3层结构：K9|λ0/4SiO2-λ0/2TIO2-λ0/4MgF2|空气，虽然SiO2膜的折射率与K9基底的折射率非常接近，但是对K9基底的色散补偿却具有重要的贡献。下面以600～656nm的窄波段为例作一简单说明：K9玻璃在中心波长656nm的折射率ng＝1.5143，而在波长600nm的折射率ng＝1.5163，二个波长之间K9玻璃的折射率色散差为0.002。若在K9上镀λ0/4SiO2膜，由于SiO2膜在656nm和600nm的折射率ns分别为1.461和1.462，故SiO2膜的折射率色散差为0.001。K9基底和λ0/4SiO2膜组合成新基底后的折射率称为组合导纳Y＝ns 2/ng，算得波长656nm和600nm的组合导纳Y分别为1.40958和1.40964，故二个波长之间K9基底和λ0/4SiO2膜组合新基底的导纳色散差降低到0.00006，这比K9玻璃的折射率色散差降低了33倍！比SiO2膜本身的折射率色散差也降低了17倍！所以这层λ0/4SiO2膜具有强烈的色散补偿作用，它使K9基底和λ0/4SiO2膜组合新基底的色散趋近于零，这对设计后继的导纳匹配膜带来了很大的方便。
实施例一
作为实施例一，图4是本发明用于折射率1.51(K9)基底具有极低残余反射的窄带减反射膜，其中，(a)为残余反射率与波长的分光曲线，(b)为各层膜的折射率和物理厚度的关系。由图4(a)可以得出，在656±6nm波长区内的平均残余反射率为－127.2dB。由于介质薄膜的吸收非常小，若忽略薄膜吸收，根据能量守恒，则透射率T＝1－反射率R，使透射率真正达到100％。由图4(b)可以看出，该膜系总共有11层膜，总物理厚度为1358.1nm。由基底向外，导纳匹配膜堆为9层，第1、3、5、7层为中间折射率的Al2O3膜，第2、4、6、8层为高折射率的TiO2膜，第1至第8层的物理厚度依次为：149.42，5.44，127.46，29.24，26.88，84.8，225.71，167.59，单位为nm，第9层为次低折射率的SiO2膜，其中贡献于导纳匹配的物理厚度为142.93nm，贡献于色散补偿的物理厚度为113.1nm，第10层和第11层是增透膜，分别由高折射率的TiO2膜和低折射率的MgF2膜组成，其物理厚度分别为157.72nm和128.03nm。
根据本发明的构思，窄带减反射膜的初始结构是K9|λ0/4SiO2-λ0/2TIO2-λ0/4MgF2|空气，其中为λ0/4SiO2色散补偿膜，λ0/2TIO2-λ0/4MgF2为增透膜。导纳匹配膜需由多种材料的多层结构组成，且高折射率膜的折射率应尽可能地高，故取TiO2膜，而低折射率膜除了导纳匹配膜的最后一层为SiO2膜外，其余均应取中间折射率的Al2O3膜与TiO2膜组合，从上可知，TFCal设计软件需要优选插入四种备选材料：TiO2、Al2O3、SiO2、MgF2，这四种薄膜材料都是性能熟悉、工艺成熟的常用材料，最终优化得到的所有膜系结构参数如表4所示。表4中的物理厚度与图4(b)所示的相一致，而QWOT表示λ0/4倍光学厚度，从QWOT可以更清楚地看出：(1).第10层和第11层增透膜的初始结构2(λ0/4)TIO2-λ0/4MgF2经厚度优化后变为2.2966(λ0/4)TIO2-1.0732(λ0/4)MgF2；(2).第9层中，其中(λ0/4)SiO2膜贡献于色散补偿，因为色散补偿必须采用λ0/4膜，剩下1.2737(λ0/4)SiO2膜连同K9基底上的第1～8层膜贡献于导纳匹配；(3).导纳匹配膜实际上为三种材料的9层膜结构，且越靠近基底的TiO2膜越薄，以达到精准匹配之目的。由此可见，实际结构与本发明的构思是非常一致的。
表4
上述本发明用于折射率1.51(如K9)基底具有极低残余反射的窄带减反射膜的构思和设计方法同样适用于折射率1.62(如K4)的基底和折射率1.84(如SF57)的基底。在现有技术的窄带减反射膜中，通常以基底折射率1.62为分界，折射率低于1.62称为低折射率基底，反之，折射率高于1.62称为高折射率基底，这两种基底的增透膜结构是不同的，前者需用λ0/4-λ0/4结构，后者要用λ0/2-λ0/4结构，这意味着基底折射率为1.62左右时窄带减反射膜是比较难设计的。但是釆用本发明的构思和设计方法，同样可以获得性能优越的极低残余反射的窄带减反射膜。图5是本发明用于折射率1.62(K4)基底具有极低残余反射的窄带减反射膜，其中，(a)为残余反射率与波长的分光曲线，(b)为各层膜的折射率和物理厚度的关系。由图5(a)可以得出，在656±6nm波长区内的平均残余反射率为－122.5dB，透射率真正达到100％。由图5(b)可以看出，该膜系总共有13层膜，总物理厚度为1144.3nm。同样，对高折射率基底的情况也一样，图6是本发明用于折射率1.84(SF57)基底具有极低残余反射的窄带减反射膜，其中，(a)为残余反射率与波长的分光曲线，(b)为各层膜的折射率和物理厚度的关系。由图6(a)可以得出，在656±6nm波长区内的平均残余反射率为－122.6dB，透射率真正达100％。由图6(b)可以看出，该膜系总共有13层膜，总物理厚度为1116.2nm。以上图5和图6所示的膜系具有与图4所示膜系完全相似的结构特征和光学特性，故这里不再重述。
实施例二
作为实施例二，图7是本发明用于折射率1.51(K9)基底具有抗静电防尘和极低残余反射的窄带减反射膜，其中，(a)为残余反射率与波长的分光曲线，(b)为各层膜的折射率和物理厚度的关系。由图7(a)可以得出，在656±6nm波长区内的平均残余反射为－123.3dB。这里虽然介质薄膜的吸收非常小，但作为透明导电的半导体膜伴随着较大的吸收，对本发明的掺锡氧化铟ITO膜可以参见表1的消光系数k，所以在获得导电性的同时，必须尽可能地减少ITO膜的吸收而使增透膜获得最高的透射率。为此，本发明主要采取二个措施：一是控制ITO膜的物理厚度，并在ITO蒸发时保持高基底温度和低蒸发速率，或采用离子辅助技术，这样既确保ITO形成连续膜，具有高导电性，使方电阻达到500Ω/cm2左右，又确保ITO膜低吸收；二是把ITO膜设置在电场强度较小的靠空气侧的倒数第2层膜位置上，若从基底开始排列的总层数为k层膜，则倒数第2层即为第k－1层膜，这样可使ITO膜的吸收影响减至最小。当反射和吸收都取得最小值时，才能获得最高透射率，根据能量守恒，透射率＝1－(反射+吸收)，于是，该抗静电防尘和极低残余反射的窄带减反射膜在氢谱线656±6nm波长区内的透射率为99.95％。可以看出，这种抗静电防尘窄带减反射膜的吸收损耗远远大于残余反射，因而限制了最终的透射率不能象实施例一那样，可以真正达到100％。这就是事物的两重性，不能十全十美，窄带减反射膜在引入导电性的同时，却牺牲了大约0.05％的透射率而变成了吸收损耗，但总体上仍利远大于痹。由图7(b)可以看出，该膜系总共有10层膜，总物理厚度为1113.2nm，其中ITO膜物理厚度为10nm。由基底向外，导纳匹配膜堆为7层，第1、3、5层为中间折射率的Al2O3膜，第2、4、6层为高折射率的TiO2膜，第1至第6层的物理厚度依次为：134.53，20.17，31.01，120.25，180.69，113.06，单位为nm，第7层为次低折射率的SiO2膜，其中贡献于导纳匹配的物理厚度为120.29nm，贡献于色散补偿的物理厚度为112.61nm，第8层和第10层是增透膜，分别由高折射率的TiO2膜和低折射率的MgF2膜组成，其物理厚度分别为150.51nm和120.03nm，夹在两层增透膜中间的第9层是物理厚度为10nm的透明导电膜ITO。表5是根据本发明的构思所构筑的初始结构经TFCal设计软件优化后的全部结构参数。由表5可知，抗静电防尘和极低残余反射的窄带减反射膜的实际结构与本发明的构思也是非常一致的。
表5
表5中，1.799－i0.003是ITO的复数折射率，因为ITO吸收不能忽略，所以必须用复折射率表示，其中1.799是实折射率，0.003是消光系数。
上述本发明用于折射率1.51(如K9)基底具有抗静电防尘和极低残余反射的窄带减反射膜的构思和设计方法同样适用于折射率1.62(如K4)的基底和折射率1.84(如SF57)的基底。图8是本发明用于折射率1.62(K4)基底具有抗静电防尘和极低残余反射的窄带减反射膜，其中，(a)为残余反射率与波长的分光曲线，(b)为各层膜的折射率和物理厚度的关系。由图8(a)可以得出，在656±6nm波长区内的平均残余反射率为－110dB，透射率达到99.94％。由图8(b)可以看出，该膜系总共有12层膜，总物理厚度为1122.7nm，其中ITO膜物理厚度为11nm。同样，对高折射率基底的情况也一样，图9是本发明用于折射率1.84(SF57)基底具有抗静电防尘和极低残余反射的窄带减反射膜，其中，(a)为残余反射率与波长的分光曲线，(b)为各层膜的折射率和物理厚度的关系。由图9(a)可以得出，在656±6nm波长区内的平均残余反射率为－119dB，透射率达到99.96％。由图9(b)可以看出，该膜系总共有10层膜，总物理厚度为966.4nm，其中ITO膜物理厚度为9nm。以上图8和图9所示的膜系具有与图7所示膜系完全相似的结构特征和光电特性，这里也不再重述。

Claims (8)

1.一种极低残余反射的窄带减反射膜，包括基底以及设置在所述基底上的多层膜系，其特征在于，所述的多层膜系包括依次设置在所述基底上的导纳匹配膜堆、色散补偿膜和增透膜；
所述的基底为光学玻璃或光学塑料；
所述的导纳匹配膜堆由中间折射率的三氧化二铝膜和高折射率的二氧化钛膜交替以及最后增加一层次低折射率的二氧化硅膜共同构成；
所述的色散补偿膜为次低折射率的二氧化硅单层膜；
所述的多层膜系的膜层总数为8~15层；
所述的导纳匹配膜堆的膜层数为5~13层。
2.根据权利要求1所述的极低残余反射的窄带减反射膜，其特征在于，所述的增透膜为由高折射率的二氧化钛膜和低折射率的氟化镁膜组成的增透膜，或者由高折射率的二氧化钛膜、透明导电膜和低折射率的氟化镁膜组成的对抗静电防尘增透膜。
3.根据权利要求1所述的极低残余反射的窄带减反射膜，其特征在于，所述的基底为折射率1.45至1.90的光学玻璃或光学塑料。
4.根据权利要求1所述的极低残余反射的窄带减反射膜，其特征在于，所述的基底为K9玻璃基底，所述的导纳匹配膜堆的膜层数为9层，由基底向外，第1、3、5、7层为中间折射率的三氧化二铝膜，第2、4、6、8层为高折射率的二氧化钛膜，第1至第8层的物理厚度依次为：149.42，5.44，127.46，29.24，26.88，84.8，225.71，167.59，单位为nm，第9层为次低折射率的二氧化硅膜，其物理厚度为142.93nm；第9’层色散补偿膜为二氧化硅膜，其物理厚度为113.1nm，因第9层导纳匹配膜和第9’层色散补偿膜均为二氧化硅膜，合并成一层；第10和11层组成增透膜，第10层为高折射率的二氧化钛膜，第11层为低折射率的氟化镁膜，第10和11层的物理厚度分别为157.72nm和128.03nm。
5.根据权利要求1所述的极低残余反射的窄带减反射膜，其特征在于，所述的极低残余反射的窄带减反射膜为K9玻璃基底的抗静电防尘窄带减反射膜，所述的导纳匹配膜堆的膜层数为7层，由基底向外，第1、3、5层为中间折射率的三氧化二铝膜，第2、4、6层为高折射率的二氧化钛膜，第1至第6层的物理厚度依次为：134.53，20.17，31.01，120.25，180.69，113.06，单位为nm，第7层为次低折射率的二氧化硅膜，其物理厚度为120.29nm；第7’层色散补偿膜为二氧化硅膜，其物理厚度为112.61nm，第7层导纳匹配膜和第7’层色散补偿膜均为二氧化硅膜，合并成一层；所述的增透膜中，第8层为高折射率的TiO2膜，第10层为低折射率的MgF2膜，其物理厚度分别为150.51nm和120.03nm，夹在两层中间的第9层是透明导电膜，其物理厚度为10nm。
6.根据权利要求2或5所述的极低残余反射的窄带减反射膜，其特征在于，所述的透明导电膜为铟锡氧化物膜。
7.根据权利要求6所述的极低残余反射的窄带减反射膜，其特征在于，所述的铟锡氧化物膜中氧化锡∶氧化铟的质量比为7~11：89~93。
8.根据权利要求1所述的极低残余反射的窄带减反射膜，其特征在于，所述的多层膜系的极低残余反射的波长域为650~662nm。
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