滤光片加工镀膜膜层都有哪些?都有哪些作用?
滤光片作为现代光学系统的核心元件,其核心功能拥有可选择性透过或反射特定波长的光,而获得这种拥有波长选择和反射特性,几乎完全依赖于其表面或内部沉积的光学薄膜层。这些由不同材料、不同厚度精密堆叠而成的薄膜层,利用光的干涉、反射、吸收等原理,形成了形色各样的光谱滤光片。下面w66国际·利来(中国)APP下载将为大家简单介绍一些常见的膜层,为大家做一个简单的科普。
一、核心膜层类型及其作用
滤光片的功能多样性,主要源于其膜系设计中包含的不同类型膜层组合:
1.增透膜:
作用:核心目标是减少特定波长或波段的光在光学表面的反射损失,从而显著提高透射率。这是应用最广泛的基础膜层。
原理:利用单层或多层薄膜的干涉相消效应,使反射光相互抵消。
应用:几乎存在于所有高质量光学元件(镜头、棱镜、窗口片、传感器保护窗)的表面。单层增透膜(如MgF2)常用于可见光中心波段,宽带增透膜(如多层宽带AR膜)则覆盖更宽的光谱范围(如可见光全波段或近红外)。应用标准关注最低反射率、工作带宽、入射角度容忍度以及环境耐久性。
(长波滤光片)
2.截止膜:
作用:构成滤光片的核心功能层,用于实现光谱的“切割”,分为:
短波通膜:允许短于某一特定波长(截止波长)的光透过,反射或吸收长波光。
长波通膜:允许长于某一特定波长(截止波长)的光透过,反射或吸收短波光。
带通膜:允许一个特定波长范围(通带)的光透过,强烈反射或吸收通带两侧的光。
陷波膜:强烈反射或吸收一个非常窄的特定波长(陷波波长),允许其他波长透过。
原理:通过精心设计的多层高、低折射率材料交替堆叠(如TiO2/SiO2,Ta2O5/SiO2,Nb2O5/SiO2),利用多层干涉效应在特定波长区域产生极高的反射率(即截止),而在其他区域保持高透射率。
应用:是各种功能滤光片(荧光滤光片、激光防护镜、色轮、光谱仪分光元件、生物传感、机器视觉分色)的绝对核心。应用标准极其严格,重点关注中心波长、截止波长、通带宽度、通带平均透射率、截止深度、截止带宽度、通带波纹、边缘陡度、角度敏感性、温度稳定性、激光损伤阈值。
(分光镜)
分光膜:
作用:将入射光按波长或能量比例分成两束或多束,常见类型有:
二向色分光膜:反射某一波段,透射另一波段(是截止膜的一种特殊应用形式)。
中性分光膜:在较宽光谱范围内,按固定比例(如50:50,70:0)同时反射和透射入射光,尽量保持光谱中性(不显色)。
原理:多层干涉膜系设计,精确控制不同波长光的反射和透射相位与强度。
应用:显微镜、投影仪、激光系统、光学测量仪器中的分束器、合束器。应用标准强调分光比精度、分光比光谱平坦度(中性)、偏振依赖性、角度依赖性、通光孔径均匀性以及抗激光损伤能力。
(反射滤光片)
4.高反射膜:
作用:在特定波长或宽波段实现极高的反射率(通常>99.9%甚至更高)。
原理:采用两种折射率差异大的材料(如TiO2/SiO2,Ta2O5/SiO2)组成多层周期性结构(分布式布拉格反射镜-DBR),利用强干涉效应实现高反。金属膜(如铝、银、金)也可实现宽谱高反,但损耗通常高于介质膜。
应用:激光谐振腔腔镜、干涉仪反射镜、反射式滤光片的基础、精密反射元件。应用标准核心是峰值反射率、高反射带宽、吸收/散射损耗、激光损伤阈值(尤其是激光应用)以及膜层应力控制。
(硅反射片)
5.金属膜:
作用:主要利用金属本身的宽谱吸收或反射特性。常用金属包括铝(Al-紫外到可见高反)、银(Ag-可见到红外高反,效率高但易氧化)、金(Au-红外高反,耐腐蚀)、铬(Cr-用作中性吸收膜或光阑)。
应用:作为基础反射层(常与介质保护层/增强层结合)、中性密度滤光片、光束挡块、光阑。应用标准关注反射/吸收光谱曲线、稳定性(抗氧化)、表面光洁度、附着力。
二、膜层结构与材料
膜系结构:
单层膜:结构简单,功能有限(如单波长增透)。
多层膜:最常见形式,通过交替沉积高折射率材料和低折射率材料(如TiO2,Ta2O5,Nb2O5/SiO2,MgF2)形成周期性或非周期性结构,实现复杂的光谱调控。层数从几层到上百层不等。
渐变折射率膜:折射率在厚度方向连续变化,有助于拓宽带宽、改善角度特性、减少界面散射。
常用膜层材料:
介质材料:二氧化硅、氟化镁、二氧化钛、五氧化二钽、五氧化二铌、硫化锌、硒化锌等。特点是光学损耗(吸收/散射)低,是实现高性能截止、增透、高反膜的主力。
金属材料:铝、银、金、铬、镍铬合金等。主要用于宽谱反射或吸收。
材料选择标准:折射率、透明波段范围、机械硬度、化学稳定性、附着力、应力特性、沉积工艺兼容性、成本。
(镀金反射片)
三、设计理论与制造工艺
设计理论:基于薄膜光学干涉理论,核心是麦克斯韦方程组和电磁边界条件。常用设计方法包括:
光学导纳匹配法
矢量法
计算机优化设计(如Needle法、遗传算法、模拟退火算法),结合薄膜设计软件(如TFCalc,EssentialMacleod,FilmStar)进行复杂膜系的设计、模拟和优化。
关键制造工艺:
物理气相沉积:
真空热蒸发:传统方法,设备相对简单,成本较低,适合中小批量或对均匀性要求不极高的场合。膜层致密度通常不如溅射。
磁控溅射:主流高端工艺。离子轰击靶材使原子/分子溅射沉积到基底。优点:膜层致密、附着力强、均匀性好、重复性高、可沉积难熔材料、环境稳定性优异。包括直流溅射、射频溅射、反应溅射等。
离子束溅射:精度最高、膜层质量最优(极低散射和吸收、超高激光损伤阈值),但设备昂贵、沉积速率慢,主要用于极高端应用(如引力波探测、极紫外光刻、高功率激光)。
化学气相沉积:在特定领域有应用,但不如PVD在光学薄膜中普遍。
工艺控制核心:膜厚监控精度(光学监控法、石英晶振法)、沉积速率稳定性、真空度与气体氛围控制、基底温度控制、清洁度控制。
(蒸发镀膜)
四、核心应用标准与考量因素
滤光片的性能必须满足严苛的实际应用要求,主要标准包括:
1.光谱性能:
中心波长/截止波长:绝对精度和重复性(如±2nm,±5nm)。
带宽:通带宽度(FWHM)或截止带宽度要求。
透射率:通带平均透射率(>90%,>95%常见)、峰值透射率。
截止深度:截止带的最小光密度(OD值,如OD4表示透射率<0.01%,OD6<0.0001%)。
边缘陡度:通带与截止带之间过渡区域的斜率(如1%,5%,10%到90%透射率对应的波长间隔),越陡越好。
通带波纹:通带内透射率的起伏程度,越小越好(<1%)。
背景抑制/噪声:在非通带区域(尤其是带通滤光片两侧)的残余透射率。
2.光学均匀性:滤光片有效孔径内,光谱特性(尤其是中心波长、透射率)的一致性。
(窄带滤光片参数)
3.角度特性:入射光角度变化对光谱性能(中心波长蓝移、带宽变化、透射率变化)的影响。应用需明确工作入射角范围(0°,5°,10°,45°等)。
4.偏振特性:膜层对不同偏振态(S光和P光)的响应差异。在非正入射时尤其显著。应用需明确是否对偏振有要求(消偏振设计或偏振相关设计)。
5.表面质量:
光洁度:表面划痕、麻点等级(如MIL-PRF-180B的60-40,40-20,10-5)。
面型精度:表面平整度(λ/4,λ/10@62.8nm)。
波前畸变:光透过滤光片后引入的波前误差。
6.环境稳定性与可靠性:
温度稳定性:中心波长、带宽等参数随温度变化的漂移量(如ppm/°C)。高低温循环测试。
湿度稳定性:耐湿性测试(如85°C/85%RH)。
机械耐久性:附着力(胶带测试)、耐磨性(摩擦测试)。
化学稳定性:耐溶剂、耐清洁剂能力。
激光损伤阈值:对激光应用至关重要。单位面积能承受的最大激光能量密度(J/cm?)或功率密度(W/cm?),与波长、脉宽、重复频率密切相关。需明确测试标准(如ISO21254)。
7.基底材料与尺寸:玻璃类型(光学玻璃、熔融石英、蓝宝石等)、厚度、直径或长宽尺寸、倒角、通光孔径等需符合系统集成要求。
(滤光片应用领域)
五、应用领域与膜层选择
滤光片膜层技术渗透于几乎所有光学相关领域:
成像与摄影:镜头增透膜、UV/IR截止滤光片(保护传感器、提升色彩还原)、中性密度镜、彩色滤镜、偏振镜。
显示技术:LCD/OLED显示屏的彩色滤光片、投影仪中的二向色镜/色轮。
生物医学与生命科学:荧光显微镜的核心——激发滤光片、发射滤光片、二向色镜(精确分离微弱的荧光信号);流式细胞仪;生化分析仪。
激光技术:激光谐振腔高反镜/输出耦合镜、激光线分离滤光片、激光防护镜(OD值要求极高)、倍频/和频晶体镀膜。激光损伤阈值是生命线。
光谱分析:光谱仪中的光栅、棱镜增透膜;各种窄带、宽带带通滤光片用于波长选择;ND滤光片控制光强。
机器视觉与工业检测:用于增强对比度、消除背景干扰、识别特定颜色或特征的分色滤光片、偏振滤光片。
天文观测:抑制光污染、选择特定天体发射线的窄带滤光片;太阳观测滤光片(要求极高安全性)。
通信与传感:DWDM光纤通信中的密集波分复用/解复用滤光片;光纤传感器中的滤波元件。
安防与国防:红外热成像镜头增透膜;导弹导引头中的红外滤光片;激光对抗系统中的防护滤光片(高OD值、高损伤阈值)。
总之,滤光片的膜层是其“灵魂”所在。从最基础的增透膜到实现复杂光谱切割的精密截止膜系,再到用于分光、高反的特殊膜层,每一层都经过精心的材料选择、理论设计和严格工艺制造。其性能指标——光谱精度、通带质量、截止深度、陡度、均匀性、角度特性、环境稳定性以及至关重要的激光损伤阈值——构成了衡量滤光片价值的核心应用标准。随着光学技术的飞速发展,对滤光片膜层性能的要求日益严苛,推动着薄膜材料、设计方法和制造工艺不断向更高精度、更高稳定性、更复杂功能的方向迈进。理解这些微观“建筑师”的工作原理和性能要求,是有效选择和利用滤光片,从而构建高性能光学系统的基石。