基本介紹
- 中文名：抗反射膜玻璃
- 外文名：Anti-reflective film glass
- 別名：增透膜、減反射膜、低反射膜玻璃
- 作用：減少反射率，減少圖像失真。
- 特點：光學器件表面塗上一層抗反射膜
- 發明：1817年夫琅和費發明抗反射膜
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概念
1817年德國的夫琅和費(Franunhofer)發明了化學鍍膜並製成第1批抗反射膜，從玻璃表面上鍍制抗反射膜以來，經過了鍍膜技術不斷的創新和發展。鈉鈣矽酸鹽玻璃表面鍍制抗反射膜並套用於平面顯示器、等離子電視,臨街店面的櫥窗玻璃、博物館的畫櫃玻璃、汽車前風擋玻璃以及還祖府使用了具備太陽能選擇性吸收的抗反射膜套用到太陽能光伏玻璃表面等領域。
定性分析
光學儀器中，光學元件表面的反射，不僅影響光學元件的通光能量；而且這些反射光還會在儀器中形成雜散光，影響光學儀器的成像質量。為了解決這些問題，通常在光學元件的表面鍍上一定厚度的單層或多層膜，目的是為了減小元件表面的反射光，這樣的膜叫抗反射膜、光學增透膜（或減反膜）。這裡我們首先從能量守恆的角度對光學抗反射的原理給予分析。一般情況下，當光入射在給定的材料的光學元件的表面時，所產生的反射光與透射光能量確定，在不考慮吸收、散射等其他因素時，反射光與透射光的總能量等於入射光的能量。即滿足能量守恆定律。當光學元件表面鍍膜後，在不考慮膜的吸收及散射蜜牛舉等其凶遙舟享他因素時，反射光和透射光與入射光仍滿足能量守恆定律。而所鍍膜的作用是使反射光與透射光的能量重新分配。對抗反射膜而言，分配的結果使反射光的能量減小，透射光的能量增大。由此可見，抗反射膜的作用使得光學元件表面反射光與透射光的能量重烏汽獄新分配，分配的結果是透射光能量增大，反射光能量減小。光就有這樣的特性：通過改變反射區的光強可以改變透射區的光記付多強。
類型
抗反射膜，也就是增透膜。
單層增透膜
單層增臭漿紙透膜的結構比較簡單,主要在玻璃的空氣面加鍍單一的膜層。理想的單層增透膜的條件是：膜層的光學厚度為λ0/4，其折射率為入射媒質的折射率與基片折射率二者乘積的平方根。在可見光的基片材料，例如未鍍膜的鈉鈣矽酸鹽玻璃折射率為1.52。在不鍍膜的情況下，每一面的反射率都超過6%。根據理論計算，單層增透膜要完全增透，要求該膜的折射率為1.23。廣泛使用的低折射率的鍍膜材料是氟化鎂(n=1.38)，它的波長550nm處的折射率為1.38，對玻鈉鈣矽酸鹽玻璃是不能夠完全消失反射的。當膜層厚λ0/4時，以空氣折射率na=1，玻璃折射率ng=1.52，膜折射率nf=1.38，可以看出，此時的剩餘反射率R=1.3%。
與多層膜相比,單層增透膜的優點是可以用同樣的膜層材料鍍在不同折射率的玻璃上。雖然單層薄膜增透效果不很理想,但由於製備工藝簡單,故得到廣泛的使用。鍍單層膜的透鏡占90%以上。
雙層增透膜
由於單層增透膜的剩餘反射一般很高，不能滿足複雜的光學系統的要求。此時，就要採用雙層增透膜或者多層增透膜。最簡單的雙層增透膜是“λ/4-λ/4”膜系，在基片上先鍍上一層折射率n2高於基片的λo/4膜層,然後在鍍上λo/4厚的低折射率n1膜層。當薄膜折射率n2滿足下式時，
式中，n1為第2層膜層折射率；ng為基片折射率（玻璃折射率）；na為媒介折射率（空氣折射率）。
該膜中心波長反射率為零。如在鈉鈣矽酸鹽玻璃(折射率n=1.52)上先沉積一層折射率為1.70、厚度為λo/4的一氧化矽膜層，再鍍上一層氟化鎂膜,正好可滿足理想減反射的條件，使波長λ0的反射率接近於零。在折射率ns=1.51的玻璃上，用n1=1.38和n2=1.70的雙層膜是比較理想的。實際套用的雙層增透膜為CeO2-MgF2和Bi2O3-MgF2。玻璃上先塗一層高折射率的CeO2(n=2.2，厚0.0631λ0)，然後再塗上一層低折射率的MgF2(n=1.38，厚0.326(0)，對λ0=550nm的光線，反射率接近於零。n=1.52的玻璃上可以先鍍上一層n=2.45、厚0.49λ的Bi2O3，再鍍一層n=1.38、厚0.17λ的MgF2。MgF2可以用真空沉積法鍍在玻璃表面上,Bi2O3可以用陰極濺射法鍍在MgF2上。“λ/4-λ/4”膜系的雙層增透膜一般可套用於視覺光學儀器、雷射或其他用單色光作為光源的光學系統中。如雷射系統中玻璃表面的雙層增透膜為Al2O3-MgF2。
多層增透膜
在某些套用領域中,雙層膜仍不能滿足較寬光譜範圍內的低反射要求,就需要採用3層或更多層增透膜。常用的3層增透膜是“λ/4-λ/2-λ/4”膜系。如鈉鈣矽玻璃表面的“λ/4-λ/2-λ/4”膜系由CeF3(n=1.63)、ZrO2(n=2.1)和MgF2(n=1.38)3層膜構成船鴉員蘭。4層的“λ/4-λ/2-λ/4-λ/4”增透膜系由MgF2(n=1.38)、ZnS(n=2.4)、CeF3(n=1.63)和MgF2組成,鍍在n=1.52的玻璃上。較為典型的增透膜膜系:glass-SiO2/TiO2-TiO2-SiO2,這種膜系可見光的光譜反射曲線一般都成W形，所以比較特殊。Reichert設計了高、低折射率交替的4層增透膜。
已設計了多種4層和4層以上的增透膜系。(抗反射膜系),如:SnO2/SiO2/TiO2/SiO2,在450～650nm波長範圍內,反射率<0.6%。5層膜係為ITO/SiO2/氧化鎳合金/TiO2/SiO2。6層膜係為TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2，在430～680nm波長範圍,反射率在0.6%以下。7層膜係為ITO/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2,在430～680nm波長範圍內，反射率在0.6%。此類型減反射膜系主要用於平面顯示器上。多層增透膜的設計是很複雜的，而且鍍膜工藝也比較複雜，根據膜層性質而採用不同的鍍膜方法。
在這個範圍內,單片玻璃表面反射的最大反射率一般將從4%減小到0.6%，平均反射率可以低於0.3%。而對於未鍍膜的玻璃，一般每個表面的反射率為4%。在平面顯示器領域中,玻璃只有一個面需要鍍膜(另一個面是產生圖象的螢光物質)。在建築領域，要達到好的性能，則必須在玻璃的兩面都進行鍍膜。
套用
光照射到太陽電池表面時,由於有一部分光被反射而不能全部被電池吸收而導致光損失近1/3，因此在空間太陽電池的製備中，蒸鍍1層或多層抗反射膜來增強對光電轉換有貢獻的波段光的吸收，從而使太陽電池的短路電流和功率輸出有很大的增加。同樣，蒸鍍多層膜反射掉對光電轉換無貢獻波段的光，以降低太陽電池的吸收係數。空間用太陽電池主要有矽太陽電池和砷化鎵太陽電池,它們使用的光學薄膜主要有下面4種膜系：單層增透膜MgF2,雙層增透膜TiO/SiO、TiO/YO和TiO/AIO，帶通濾光膜。在玻璃加工領域,部分加工商開始通過套用光學薄膜來提高太陽電池的短路電流和功率輸出。簡單而言套用單層增透膜MgF2,太陽電池的輸出功率提高2%;通過套用雙層增透膜,太陽電池的短路電流提高36%～48%(矽太陽電池的短路電流提高近48%,砷化鎵太陽電池的短路電流提高近36%)。通過套用帶通濾光膜,太陽電池的吸收係數降低0.06。
