淺析眼鏡片減反射膜層

文 郝志紅

1 減反射膜層的鍍膜機(jī)理

1.1 利用光的干涉原理

光干涉原理是指2個(gè)振幅相同、波長(zhǎng)相同的光波疊加，光波的振幅增強(qiáng)；如果波程相差λ/2，那么光波振幅互相抵消，如圖1所示。減反射膜利用該原理，在鏡片的表面鍍上減反射膜，使得膜層前后表面產(chǎn)生的反射光互相干擾，從而抵消反射光，達(dá)到減反射的效果。

圖1 減反射膜原理

1.2 減反射膜層需要滿(mǎn)足的條件

減反射膜層需要滿(mǎn)足振幅和光程條件這兩點(diǎn)。

1.2.1 振幅

在鏡片上鍍的膜層，為了使前后的反射光波相互抵消，必須符合：膜層材料的折射率須等于基片材料折射率的平方根。

n1=√n

其中，n1為膜層的折射率，n為鏡片材料的折射率。

1.2.2 光程條件

鍍膜膜層厚度應(yīng)滿(mǎn)足d=λ/4 n1

適應(yīng)度比例法又稱(chēng)蒙特卡羅法(Monte Carlo)或賭輪法。假設(shè)某個(gè)個(gè)體i的適應(yīng)度值為f(i)，種群的大小為N，則此個(gè)體被選擇的概率為:

其中，d為膜層厚度，λ為光波長(zhǎng)，n1為膜層材料的折射率。

舉例說(shuō)明，如玻璃鏡片鍍單層膜，玻璃鏡片材料折射率n為1.523，膜層材料的折射率n1=√n，則n1=1.235，那么，應(yīng)該采用折射率為1.235的材料作為膜層，因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有該折射率的材料，所以，采用折射率n1=1.38的氟化鎂（MgF2），假如設(shè)計(jì)基準(zhǔn)光波長(zhǎng)為555nm，膜層的厚度d=555/（4×1.38）=100 nm。

2 減反射膜層的膜層特性

單層減反射效果如圖2所示，通過(guò)反射光譜圖表示減反射效果。橫坐標(biāo)是光線(xiàn)的波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)是反射率。圖2中，上方的實(shí)線(xiàn)為普通折射率鏡片沒(méi)有鍍減反射膜時(shí)單面的反射光曲線(xiàn)。從這條線(xiàn)可以看出，不同波長(zhǎng)的光反射率基本一致，在4%左右。由虛線(xiàn)構(gòu)成的曲線(xiàn)表示鍍有單層減反射膜的鏡片的反射光譜圖，反射率在不同的波長(zhǎng)處是不同的，在460nm左右的反射率最低，在400nm和700nm 處反射率還是比較高。由此可以看出鍍單層減反射膜的鏡片，其減反射的效果不理想。

圖2 單層減反射膜層效果

圖3 多層減反射膜層效果

徐亞娟[1]等人研究了減反射膜層光強(qiáng)反射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，證明在鍍單層膜時(shí)，膜層厚度取最低值，減反射效果最好，但是僅鍍一層膜不可能對(duì)所有的波長(zhǎng)都能起到很好的減反射效果。要滿(mǎn)足一定的減反射要求，需要鍍多層減反射膜才能達(dá)到。

圖3是多層減反射膜的效果圖。虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)分別代表了兩種采用新工藝鍍制的減反射膜所產(chǎn)生的反射光曲線(xiàn)。一種工藝是采用不同的新材料和不同的膜層厚度實(shí)現(xiàn)減反射效果，如膜層為7層或8層；另一種是采用兩種不同的膜層材料，采用厚薄交替的4層膜。這種多層減反射膜的方法，大大提高了減反射的效果。同時(shí)，膜層間的接合，膜層與鏡片的結(jié)合也很理想[2]。

一般鍍膜會(huì)在鏡片表里留有一定的殘留色，常見(jiàn)的膜層顏色主要有綠膜、藍(lán)膜、紫紅膜、黃金膜等，目前為止沒(méi)有研究證明哪種顏色的膜層減反射效果會(huì)更好，但是膜層顏色越淺，起到的減反射效果越好[3]。

3 鍍膜材料的選擇

氟化鎂（MgF2）——作為薄膜制備中應(yīng)用得最多的材料，氟化鎂是所有低折射率的鹵化物中最牢固的材料，特別是基板溫度過(guò)250℃左右時(shí)，非常堅(jiān)硬耐久，因而在減反射膜中得到了廣泛應(yīng)用。在多層膜中，它常與ZnS、CeO2或Bi2O3等組合。但是，由于MgF2膜具有很高的張應(yīng)力，所以室溫下或快速蒸發(fā)的ZnS MgF2多層膜極容易破裂。它與CeO2和Bi2O3的配合比ZnS好。

二氧化鈦（TiO2）——TiO2膜折射率高，牢固穩(wěn)定，在可見(jiàn)和近紅外區(qū)呈透明，這些優(yōu)異的性能使它在光學(xué)薄膜應(yīng)用中十分誘人。但是，TiO2材料在真空中加熱蒸發(fā)時(shí)因分解而失氧，形成高吸收的亞氧化鈦薄膜TinO2n-1（n=1，2…10），膜層的氧化程度直接決定了膜層的吸收大小，因此常采用反應(yīng)蒸發(fā)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，TiO2膜的吸收和折射率均隨著基板溫度和蒸發(fā)速率的升高而增加，隨著氧壓升高而降低。在空氣中加熱處理能有效地減少膜內(nèi)的低價(jià)氧化物。此外，TiO2膜中摻雜一定量的ZrO2或Ta2O5，可使吸收降低。

減反射膜的材料一般用TiO2和SiO2的組合,或用ZrO2和SiO2的組合，其膜系是Plastic LHLHL Air，其中H為高折射率的材料，L為低折射系的材料。在樹(shù)脂鏡片上鍍減反射膜后其反射回來(lái)的光將大大減少，從而滿(mǎn)足要求。當(dāng)然，也可以根據(jù)不同的要求再加幾層膜，從而減少反射損失[4]。

4 減反射膜層的鍍膜工藝

光學(xué)薄膜的鍍膜方法可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是化學(xué)鍍膜，一類(lèi)是物理鍍膜[5]?，F(xiàn)在的眼鏡片鍍膜工藝采用物理鍍膜方法中的真空離子電鍍法。離子鍍，是指真空熱蒸發(fā)與濺射兩種技術(shù)結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一種新工藝。圖4表示直流法離子鍍的原理。

圖4 直流法離子鍍?cè)?/p>

鍍膜材料加熱蒸發(fā)，并在蒸發(fā)源與基板之間加上一個(gè)直流電場(chǎng)，基板為負(fù)電位（1kV～5kV）。當(dāng)真空泵抽空至10-3～10-4Pa后，充入Ar或其它惰性氣體至1Pa（對(duì)反應(yīng)離子鍍同時(shí)充入反應(yīng)氣體），則基板與蒸發(fā)源之間建立輝光放電，使惰性氣體電離，電離產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)作用下向基板加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)蒸發(fā)材料的分子或原子通過(guò)等離子區(qū)時(shí)也被電離，因而在電場(chǎng)中被加速而獲得能量。這種高能的離子和中性粒子進(jìn)入到基板上，一方面使基板加熱，另一方面使眼鏡片沉積的膜層產(chǎn)生濺射。采用直流法離子鍍，在導(dǎo)電基板上制備金屬膜是很方便的。但是，像濺射一樣，在玻璃和塑料等絕緣體上制備介質(zhì)膜，需用高頻法離子鍍。

高頻法離子鍍是在直流法的基板和蒸發(fā)源之間裝一個(gè)高頻線(xiàn)圈。高頻線(xiàn)圈可用直徑3mm的鋁制成，高度和螺旋圈直徑均為70mm，圈數(shù)大約為7圈，與頻率13.56MHz、功率1kW的高頻電源連接，產(chǎn)生高頻振蕩場(chǎng)。500V～1000V的負(fù)高壓使基板保持負(fù)偏壓。由于高頻電場(chǎng)使電子運(yùn)動(dòng)路徑增加，離化率提高，因而在較高的真空鍍（10-1～10-2Pa）和較低的放電電壓（直流法在1Pa時(shí)需3kV）下，不但仍能維持放電，而且離化率實(shí)際有所增加[2]。

5 減反射膜層的主要作用

5.1 前表面反光

在鏡片的前表面（凸）面產(chǎn)生的反光會(huì)影響戴鏡者的美觀。光線(xiàn)通過(guò)鏡片的前后表面時(shí)，不但產(chǎn)生折射，還會(huì)產(chǎn)生反射。這種在鏡片前表面產(chǎn)生的反射光會(huì)使別人看戴鏡者眼睛時(shí)，看到的卻是鏡片表面一片白光，如圖5所示[6]。拍照時(shí)，這種反光還會(huì)嚴(yán)重影響戴鏡者的外觀形象。

圖5 鏡片前表面反光

圖6 鏡片內(nèi)反射

5.2 消除“鬼影”

鏡片前表面和后表面的曲率不同使鏡片內(nèi)部產(chǎn)生的反光會(huì)產(chǎn)生“鬼影”現(xiàn)象，影響視物的清晰度和舒適性。由于屈光鏡片前后表面的曲率不同，存在一定量的反射光，所以鏡片內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)反射。內(nèi)反射會(huì)在遠(yuǎn)點(diǎn)球面附近產(chǎn)生虛像，也就是在視網(wǎng)膜的清晰像點(diǎn)附近產(chǎn)生虛像點(diǎn)，如圖6所示。這些虛像點(diǎn)會(huì)影響視物的清晰度和舒適性。

5.3 減少眩光

鏡片表面產(chǎn)生的反光會(huì)降低視物的對(duì)比度。對(duì)于駕駛者而言，配戴鍍減反射膜的鏡片非常重要。如圖7所示，當(dāng)夜間駕駛時(shí)，駕駛者常常面臨來(lái)自各個(gè)方向的干擾光線(xiàn)，尤其是來(lái)自車(chē)前、車(chē)尾的照明燈。如果駕駛者戴沒(méi)有鍍減反射膜的鏡片，那么鏡片除了會(huì)產(chǎn)生眩光外，鏡片前后表面因反射產(chǎn)生的干擾光線(xiàn)會(huì)降低駕駛者的視覺(jué)質(zhì)量，對(duì)視物產(chǎn)生干擾，這對(duì)于駕駛者來(lái)說(shuō)是非常危險(xiǎn)的。

圖7 反射光對(duì)眼的干擾

5.4 下降光線(xiàn)透過(guò)量

透過(guò)量是反射光占入射光的百分比取決于鏡片材料的折射率，一般情況下可通過(guò)反射量的公式進(jìn)行計(jì)算。

反射量公式：R=（n-1）2/（n+1）2

R：鏡片的單面反射量

n：鏡片材料的折射率

如，普通樹(shù)脂材料的折射率為1.60，反射光R=（1.60-1）2/（1.60+1）2=0.053=5.3%。

鏡片有兩個(gè)表面，如果R1為鏡片前表面的反射量，R2為鏡片后表面的反射量，則鏡片的總反射量R=R1+R2（計(jì)算R2的反射量時(shí)，入射光為100%-R1）。鏡片的透光量T為：T=100%-R1-R2。其他折射率材料的透光量如表1所示。

表1 不同折射率材料的透光量

由此可見(jiàn)，高折射率的鏡片如果沒(méi)有減反射膜，反射光就會(huì)越大，給戴鏡者帶來(lái)的不適感會(huì)更強(qiáng)烈。

6 總結(jié)

本文主要針對(duì)減反射膜層的原理、材料、工藝和作用幾個(gè)方面，介紹了鏡片減反射膜層在眼鏡中的應(yīng)用，對(duì)于眼鏡片來(lái)說(shuō)，多層減反射膜能起到減少反射、增加光透過(guò)率的作用，能夠讓戴鏡者視物更清晰和舒適。