【光学镀膜】-- 镀膜工艺

系列文章目录


前言

一、光学镀膜机

光学镀膜机镀膜,表面光滑,膜层之间的界面呈几何分割;膜层的折射率在界面上可以发生跃变,但在膜层内是连续的;可以是透明介质,也可以是吸收介质;可以是法向均匀的,也可以是法向不均匀的。实际应用的薄膜比理想薄膜复杂的多,因为制备时,薄膜的光学特性和物理性质偏离大块材料,表面和界面是粗糙的,从而导致光束的漫反射;光学镀膜设备镀膜工艺可以分为反射膜;增透膜/减反射膜、滤光片、偏光片/偏光膜、补偿膜/相位差板、配向膜、扩散膜、增亮膜等
在这里插入图片描述
光学镀膜用于增强光学组件的透射、反射或偏振特性。例如,每个未镀膜的玻璃器件表面将有大约10%的入射光被反射。采用增透膜可将表面的反射率降低到0.1%以下,采用高反射膜可将反射率提高到99.99%以上。光学镀膜由氧化物、金属或稀土材料等薄层材料组成。光学镀膜的性质取决于层数、厚度和不同层之间的折射差异。

为了最大程度提高或降低干涉,它们的光学厚度通常为应用中所使用的光的波长的λ/4,光学厚度 (QWOT) 或 λ/2 光学厚度 (HWOT)。这些薄膜由高折射率和低折射率交替而成,从而诱发需要的干涉效应
在这里插入图片描述
在三层宽带增透膜(BBAR)中,正确选择λ/4和λ/2厚度的镀膜可带来高透射和低反射损失

光学镀膜的设计是为了提高光学组件在特定入射和偏振角度(如s偏振,p偏振或随机偏振)下的性能。如果镀膜的入射角或偏振角度与设计时不同,将导致性能显著下降,足够大的入射角和偏振偏差可能会导致镀膜功能完全丧失。

二、光学镀膜理论

1.为什么要镀膜

1、镜片的反射可使光线透过率减少并在视网膜形成干扰像而影响成像的质量,并影响佩戴者的外观。如镜片外观涡旋明显,照相反光,看不到佩戴者的眼睛。
2、选择性减少某些波段光,如紫外线,X-射线等
3、防水,防雾;

2.光是什么

光是一种电磁波,在真空中可见光波长范围为400-700nm

请添加图片描述

3.什么是光学薄膜

1、光学薄膜是指在光学零件上沉积一层或多层厚度薄而均匀的电介质膜或金属膜或组合膜;
2、光在通过分层煤质时,来自不同界面的反射光,透射光在光的入射及反射方向产生的光的干涉现象,可以利用这种干涉现象通过改变材料及其厚度来认为控制干涉,实现光能的重新分配;

4.全介质反射膜

理论上,只需要增加膜系的层数,反射率可无限趋近100%,实际上,由于膜层的吸收(尤其是金属膜),散射损失,当膜系达到一定层数时,继续加镀,并不能提高反射率,有时由于吸收,散射损失的增加反射率反而下降,因此,膜系中的散射,吸收限制了膜堆的最大层数;
全反射膜主要用于大功率激光系统中(谐振腔)

5.滤光片

一般,我们把改变光束性质或颜色的膜叫滤光膜;
1、干涉截止滤光片:要求某一波长范围的光束高透,而偏离这一区域的光束骤然变为截止
2、带通滤光片:在一定波段内,只有中间一小段是高透射率的通带,两侧则高反截止(典型:法布里-玻格滤光片)
3、金属滤光片:介质反射膜/间隔层/金属膜/间隔层/介质反射膜(长波无)

6.光学薄膜的类型与符号

在这里插入图片描述

7.光学薄膜技术

物理气相沉淀(PVD):

  • 真空蒸镀
  • 离子镀
  • 溅射
  • 分子束外延

化学气相沉淀(CVD):

  • 电镀
  • 点解
  • 阳极氧化

真空镀膜技术
真空蒸发镀膜法是物理气相沉淀的基本方法之一,是指真空条件下,加热蒸发容器中的镀膜材料,使其原子或分子从表面蒸发或气化逸出,形成蒸汽,入射到基体表面,形成固态薄膜;

8.光学薄膜机

真空系统:一般,小型的真空镀膜机采用“高真空油扩散泵+低真空机械泵+低温冷阱”;大型真空镀膜机采用“高真空油扩散泵+低真空机械泵+罗茨泵+低温冷阱”

为什么需要真空环境:真空容器内的蒸汽分子的平均自由程大于蒸发源与基片的距离(蒸距)时,就会获得充分的真空条件;在真空条件下,物质蒸发比常压下容易的多,所需的蒸发温度大幅降低,融化蒸发过程大大缩短,蒸发效率明显提高;

膜厚控制系统:

  1. 时间控制:(磁控/离子束溅射)蒸发速率和膜厚一定的前提下,固定的膜层总厚度,就可以计算出大概的镀膜时间;
  2. 石英晶体振荡法:利用石英晶体的压电效应和质量负荷效应,测量石英晶体振动频率或周期随石英晶体厚度的变化量,已达到测量沉积在石英晶片上的厚度的目的;
  3. 光学厚度监控

9.光学薄膜特性

光学特性:

  • 反射
  • 透射
  • 散射
  • 吸收

光学参数

光度法:量测光穿透或反射自薄膜后的变化求n\k\d;
椭圆偏振法:以偏振光经薄膜反射后量测其光振幅及相位变化求得;

  • 折射率
  • 厚度

非光学特性

  • 应力:利用干涉仪相位仪法测量、用悬臂法做弯曲测试;
  • 附着力:利用黏性较强的胶带贴于薄膜撕拉
  • 组分:利用红外光谱仪观察其分子振荡吸收光谱
  • 结构:用穿透式电子显微镜观测、用扫描式电子显微镜做隔电隔磁屏障以提高解析度直接扫描膜层纵剖面

10.ALC亚波长结构镀膜

ALC亚波长结构镀膜是一种新型的光学薄膜技术,它可以在光学器件中实现高效率的光学性能。ALC亚波长结构镀膜的原理是利用亚波长结构的多层膜片来实现光学器件的高效率。
ALC亚波长结构镀膜的优点是可以实现高透过率和低反射率,同时还可以实现高色散和高波长选择性。这些优点使得ALC亚波长结构镀膜在光学器件中得到了广泛的应用;
ALC亚波长结构镀膜的制备过程是通过物理气相沉淀技术实现的;
SWC:超低反镀膜(普通的多层宽带增透膜)
ALC:亚波长仿生结构镀膜(同时有纳米微结构和)

11.SWC新型防反光镀膜

SWC(亚波长结构镀膜)是一项用于防止光线反射的 全新镀膜工艺。如今大部分镜头都经过真空蒸汽沉淀,可以很大程度上减少眩光和鬼影。但是蒸汽镀膜也有个常见的问题,即当光线入射角增大时防反光效果会降低。一般曲率较小的透镜会有比较大的入射角,因此曲率小的镜头表面的真空蒸汽沉淀效果比较差,这种时候只有通过亚波长结构的镀膜才可以较好的解决;

三、杂散光分析

1.什么是杂散光

杂散光是不需要的噪音,它是由光机结构,视场外光源或不完善的光学零件产生的,或者由光学或照明系统自身的热辐射引起的。FRED善于发现这些不需要的噪音;

2.鬼像

鬼像是因为像面离焦或由明亮的光源成鬼影一样的像。鬼影是由透镜表面的反射引起的。光必须从透镜表面反射偶数次才会形成鬼像。有两次反射鬼像,四次反射鬼像等;仅一个镜面(比如卡塞格林望远镜)构成的光学系统是不会形成鬼像的。如果阳光在拍摄视场内或附近时,鬼像就会出现在影像中。


总结

分享:
敏捷开发就是在一个高度协作的环境中,不断地使用反馈进行自我调整和完善。

1. **周瑶-光栅和光谱仪模块技术在分析设备小型化中的作用** 该文件主要介绍了卡尔蔡司公司在光栅和光谱仪模块技术方面的应用,特别是这些技术如何帮助实现分析设备的小型化。蔡司提供了从紫外(UV)到近红外(NIR)的光谱范围的产品,并且拥有超过80年的光栅技术历史。其光谱仪模块技术包括微型化光谱仪模块,能够实现高信噪比、低杂散光和紧凑设计。 2. **张锦龙-光学薄膜现代优化设计方法** 本文档由张锦龙教授在2023年9月7日的CIOE光学真空镀膜大会上分享,讨论了光学薄膜的现代优化设计方法。他介绍了同济大学精密光学工程技术研究所的多目标设计方法,特别是如何通过优化电场来提高损伤阈值,减少散射损耗,并且提出了一种新的鲁棒性设计方法来改善薄膜在实际生产中的性能一致性。 3. **叶国光-新一代光学镀膜技术ALD原子层沉积** 此文档介绍了ALD(原子层沉积)技术作为新一代光学镀膜技术的应用。ALD技术因其能够在低温条件下获得高度均匀性和保形性的超薄薄膜而备受关注。邑文科技认为ALD是最有可能实现国产化的先进半导体设备之一,并强调了ALD技术在现代集成电路产业中的重要性。 4. **马赫-成都光明环保梯度折射率透镜研究进展** 马赫在文档中讨论了成都光明光电股份有限公司在环保化梯度折射率透镜(GRIN lenses)方面的研究进展。他指出,含铊的传统GRIN透镜不仅对环境造成污染,还对人体健康构成威胁。因此,公司正在努力减少铊元素在整个生产环节中的使用,并转向更环保的替代方案。 5. **黄锦标-海谱纳米** 黄锦标介绍了海谱纳米公司在高光谱成像MEMS传感器技术方面的成就。该公司实现了高光谱MEMS传感器的量产,并将其应用于多个领域,如工业检测、智能家电、环保监测等。这项技术能够通过拍照即时检测物质成分,有助于解决物理世界中化学成分无法数字化的问题。 6. **陈娟-微型拉曼光谱仪的研究进展** 陈娟分享了如海光电在微型拉曼光谱仪方面的研究进展,涵盖了从手持式到便携式的多种拉曼光谱仪产品。这些设备被应用于食品安全检测、药物合成在线监测等多个领域,展示了拉曼光谱技术从小规模到大规模应用的进步。 7. **陈巨—锐芯微电子 - 图像传感器ES101** 陈巨介绍了锐芯微电子股份有限公司生产的用于内窥镜的CMOS图像传感器。该公司专注于高性能图像传感器芯片的研发与销售,并强调了其产品的高灵敏度、高动态范围以及嵌入式CCD技术等特点。 8. **Dr. Ronny Kleinhempel-2023-09-06 CIOE talk** Dr. Ronny Kleinhempel的演讲主要围绕FHR公司制造的用于光学涂层的设备展开,特别是FHR.Star系列的高精度涂层设备。该系列设备采用模块化集群设计,支持多种工艺模块,如PVD、PECVD、ALD等,适用于广泛的光学应用。
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