增透膜

增透膜是由单层或多层不同折射率的薄膜堆叠而成。通过精确控制每一层的厚度和折射率，可以实现在宽光谱范围内减少反射、增加透射光功率的效果，从而提高成像质量和光学性能。

1、高透过率：增透膜能够显著减少光学表面的反射，使更多光线透过，提高光学系统的透过率。

2、宽光谱性能：通过合理选择材料和设计结构，增透膜可以在宽光谱范围内实现良好的增透效果，满足不同应用场景的需求。

3、优异的环境稳定性：增透膜通常采用硬质材料，具有良好的耐磨、耐腐蚀性能，能够在恶劣环境下保持稳定的光学性能。

在应用中，增透膜可以用于各类光学镜头、窗口、滤光片等元件。它能够有效提高光学系统的成像清晰度、对比度和色彩还原能力，广泛应用于摄影、望远镜、显微镜、投影仪、显示器等领域。此外，增透膜还可以应用于激光技术、光通信、生物医学等领域，提高光学器件的性能和稳定性。

单层增透膜：

    理论解析 ：

    若是由介质 n1垂直入射至 n2 　　

    反射率＝[ (n2 －n1) / (n1+n2) ]2 　　

    穿透率＝4n1n2 / (n1+n2)2

    若是空气的折射率是 1.0 ，镀膜的折射率 nc (例如：1.5) ，玻璃的折射率 n (例如：1.8) 

    （1）由空气直接进入玻璃 

    穿透率＝ 4×1.0×1.8 / ( 1+1.8 )2＝91.84% 

    （2）由空气进入镀膜后再进入玻璃 

    穿透率＝[ 4×1.0×1.5 / ( 1+1.5 )2] × [ 4×1.5×1.8 / ( 1.5+1.8 )2]＝95.2% 

增透膜波长选择表

标准可见光增透膜曲线

标准红外光增透膜曲线

增透：

    光线（黑色）射到增透膜上，有一部分反射出来（蓝色）；有一部分折射入增透膜（青色），又经增透膜第二面反射（黄色），再折射出来（红色）。

    由于青色，黄色光行程为两个1/4波长，即0.5倍波长。因此红色和蓝色两列光相位差为半波长，叠加而抵消。即光能都进入增透膜后进入镜头。故叫增透。单层增透膜厚度都是需要增透波长的1/4

曲线图

单层增透膜的原理及应用

单层λ/4增透膜

    λ/4的光学增透膜（下面讨论时光学元件用玻璃来代替, 初始入射介质用空气来代替）, 一般为在玻璃上镀一层光学厚度为λ/4的薄膜,且薄膜的折射率大于空气的折射率, 小于玻璃的折射率由菲涅耳公式知, 光线垂直人射时, 反射光在空气一薄膜界面和薄膜一玻璃界面都有半波损失设空气、镀膜、玻璃的折射率分别为n0,n1,n2 且n2>n1>n0定义R01,T01为空气-薄膜界面的反射率与透射率,R01，T01为薄膜-空气界面的反射率与透射率,R12，T12为薄膜-玻璃界面的反射率与透射率, R21，T21为玻璃-薄膜界面的反射率与透射率如图4-1所示示, 为了区分人射光线和反射光线, 这里将入射光线画成斜入射，图4-1中反射光线1和2的光程差为λ/2, 这样反射光便能完全相消由菲涅耳公式知道, 光垂直通过界面时, 反射率R和透射率T与折射率n的关系为：

    设人射光的光强为I0, 则反射光线1的光强I1=I0R0, 反射光线2的光强I2=I0I01R12T10。余下的反射光的光强中会出现反射率的平方, 因为反射率都比较小, 故可不再考虑。λ/4的光学增透膜使反射光线1与反射光线2的光程差为δ=2n1d1=λ/2, 故相位差为л, 由干涉理论知, 干涉后的光强为:

    因为折射率n0,n1,n2比较接近，例如n0=1,n2=1.5的界面，T=96%，故可近似地取T01和T10为1，若使Ip为0 ，则有R01=R12，即：

    由n2>n1>n0得

    当上式成立时，反射率最小，透射率最大。但是涂一层膜也有不足之处，因为常用的λ/4光学增透膜MgF2,MgF2的折射率为1.38,1.38*1.38=1.9044，而玻璃的折射率一般在1.5~1.8之间，所以用MgF2增透膜不能使反射光光强最小，再者，一波长为λ+Δλ的光垂直入射到λ/4的光学增透膜同波长为λ的光一样反射光线1和反射光线2的光程差为δ=λ/2相位差为ΔΨ=2лλ/2（λ+Δλ）从而干涉后的光强为：

    即可选择合适的材料，使I1=I2，从而上式变为

    如图4-2所示，I为反射光的光强，Δλ为线宽，I随Δλ的地增加而迅速增加。光学厚度为λ/4的光学增透膜的反射光强随波长的变化曲线呈V形，这样λ/4的光学增透膜的透射率较大的波段就较小, 我们称λ/4的光学增透膜的频宽较小，现代的照像机的镜头、摄像机的镜头, 以及彩色电视机的荧屏并不要求在某一波长的光有很高的透射率, 而希望在较宽的波段范围内透射率较低且一致, 即要求增透膜的频宽较大。所以我们就可以镀两层膜，甚至是多层膜。

    光在透镜表面上的反射还会造成杂散光 , 严重影响光学系统的成像质量。为了减少光学元件 ( 如透镜、棱镜等 ) 表面上光的反射损失 , 通常在元件表面镀上一层透明介质薄膜 ( 称为增透膜),

    增透膜原理：“当薄膜的厚度适当时，在薄膜的两个面上反射的光，路程差恰好等于半个波长，因而互相抵消。这就大大减少了光的反射损失，增强了透射光的强度。”

    众多的光学系统中，一个相当重要的组成部分是镜片上能降低反射的镀膜。在很多应用领域中，增透膜是不可缺少的，否则，无法达到应用的要求。 

增透膜原理:

      增透膜原理：“当薄膜的厚度适当时，在薄膜的两个面上反射的光，路程差恰好等于半个波长，因而互相抵消。这就大大减少了光的反射损失，增强了透射光的强度。”

　　其一是当光从一种介质进入另一种介质时，如果两种介质的折射率相差减小，反射光的能量减小，透射光的能量增加。当光射到两种透明介质的界面时，若光从光密介质射向光疏介质，光有可能发生全反射；当光从光疏介质射向光密介质，反射光有半波损失。对于玻璃镜头上的增透膜，其折射率大小介于玻璃和空气折射率之间，当光由空气射向镜头时，使得膜两面的反射光均有半波损失，从而使膜的厚度仅仅只满足两反射光的光程差为半个波长。膜的后表面上的反射光比前表面上的反射光多经历的路程，即为膜的厚度的两倍。所以，膜厚应为光在薄膜介质中波长的1/4，从而使两反射光相互抵消。由此可知，增透膜的厚度d＝λ/4n（其中n为膜的折射率，λ为光在空气中的波长）。

　　如果镜头表面不涂薄膜，光直接由折射率为n1=1.0空气垂直入射到折射率为n2=1.5的玻璃的介面时，反射率，即将有4%的入射光能被反射，96%的入射光能进入玻璃，这说明光学器件表面的反射光会导致光能损失。进入玻璃的光再从玻璃垂直进入空气的分介面时，透射光与入射光相比，又要产生相同比例的能量损失。即一个简单玻璃透镜，光通过它的两个透光表面，透射光的强度I只占原入射光强度I0的。

　　人们普遍使用较高级照相机的物镜、潜水艇上用的潜望镜等一般都由多个透镜组成，其目的是利用凸透镜和凹透镜的不同性质消除相差。光能损失越大，所成像的质量越差，而且反射光还可能被其它表面再反射到像的附近，形成有害的杂光，将进一步减弱成像质量。

　　如果在玻璃镜头表面涂上一层其折射率介于玻璃和空气之间的透明介质，当有增透膜时透射光的能量是原入射光能量的。增加氟化镁薄膜后，透射光能提高了97.3％－92％＝5.3％，所以反射光能减少了。则涂有增透膜的6个透镜组成的镜头，与相同情况下光直接由空气进入玻璃镜头时相比较，提高了透射光能量84.8%-61%=23.8%，减少了光的反射损失。

　　利用薄膜干涉的原理，增加了透射光的能量。因为当光从光疏介质射向光密介质时，反射光有半波损失，即反射光与入射光相位恰好相反。

　　若光直接由空气垂直射到玻璃镜头的表面时，反射光将直接与入射光相遇发生干涉相消，反射光抵消一部分入射光，使透射光的能量减少。

　　若在玻璃镜头表面涂上一层薄膜，使它的厚度等于光在薄膜中波长的四分之一。

　　当光再由空气射向镜头时，由于薄膜两个面的反射光均有半波损失，膜后表面的反射光比膜前表面反射光的光程差恰好相差半个波长，此时产生干涉相消的不是反射光与入射光，而是薄膜前后两个表面的反射光相消，即相当于增加了透射光的能量。

　　根据光的传播理论，不同频率的光在同一介质中传播速度和波长是不同的，但选择材料厚度只能是某一波长的四分之一，即只能使某一频率的反射光相消，其它频率的反射光不能完全相消。因此，对涂有增透膜的光学器件在白光照射下会呈现一定颜色。例如照相机底片对波长为5500埃的黄绿色光最敏感，它要消除波长为5500埃的这种色光的反射光而增加它的透射光，其薄膜的厚度只能是这种色光在薄膜中波长的四分之一。当反射光在原来白光中少了黄绿色光后，镜头就会呈现出淡紫色。

　　综上所述，我们可以得出这样的结论：在光学镜头表面涂一层厚度和材料适当的薄膜，能够增加透射光的能量，减少反射光的能量损失。达到让“增透膜”增透的效果。

光学镀膜概念及原理

    镀膜是用物理或化学的方法在材料表面镀上一层透明的电解质膜，或镀一层金属膜，目的是改变材料表面的反射和透射特性，达到减少或增加光的反射、分束、分色、滤光、偏振等要求。常用的镀膜法有真空镀膜(物理镀膜的一种)和化学镀膜。光学零件表面镀膜后，光在膜层层上多次反射和透射，形成多光束干涉，控制膜层的折射率和厚度，可以得到不同的强度分布，这是干涉镀膜的基本原理。

光学薄膜分类：

    增透膜：硅、锗、硫化锌、硒化锌等基底较多，氟化物较为少见。

    单波长、双波长、宽带

    反射膜：分介质与金属反射膜，金属反射膜一般为镀金加保护层。

    半反射、单波长、双波长、宽带

    硬碳膜 :也叫DLC膜，一般镀在硅、锗、硫系玻璃外表面，做保护/增透作用， 产品另一侧一般要求镀增透膜。 

    分光膜 :有些要求特定入射角情况下，可见光波段反射，红外波段透过，多用于光谱分析中。

    45度分光片、双色分束、偏振分束片&棱镜

    滤光膜：宽带、窄带

    激光晶体膜：YAG/YV04/KTP/LBO/BBO/LIND03

    紫外膜-增透：193/248/266/308/340/355,铝反射180-400nm 

    红外膜：CO210.6UM/YAG2940NM/SI&GE&ZNSE&ZNS

高反射膜

金属镜(Metallic Mirror)

    成本较低，反射波段较宽。

    一般用于反射率要求不是特别高，但是波段很宽的应用。

    因为存在部分吸收，因此限制了其在激光领域的应用。

全介质反射镜(Dielectric HR coatings )

    成本较高，反射波段较窄。

    反射率可以做到很高。

    反射波段范围有限，如加大反射波段范围，膜层镀制难度将提高。

    膜层较厚，应力较大，存在膜层脱落风险。

镀膜基片

    指在什么材质上镀膜。基底往往是使用环境和用途决定。常见的镀膜基底选择？ 如气体分析保护金多用氟化钙基底，普通反射镜用浮法玻璃，激光腔镜用硅基底，红外滤光片多用硅锗，可见及近红外多是玻璃，无氧铜多是镍和金等。

    氟化钙，氟化钡，氟化镁，蓝宝石，锗，硅，硫化锌，硒化锌，硫系玻璃，N-BK7,熔融石英等

镀膜材料

    附着在基底上的起到透射，反射，分光等作用的材料，可能是光学材料如硫化锌、氟化镁等，也可能是金属，如铝金等。目前成熟大批量光学镀膜材料多是颗粒状或是药片状，也有整块晶体镀膜靶材；金属镀膜材料多是丝及块状；基底，用途，和镀膜指标决定用什么镀膜材料。

镀膜工序和设备

清洗设备：

    超声波清洗机：指清洗和烘干一体化的，可直接装盘镀膜。同时这个机器必须在洁净空间使用；

光学镜片的超声波清洗技术

    在光学冷加工中，镜片的清洗主要是指镜片抛光后残余抛光液、黏结剂、保护性材料的清洗；镜片磨边后磨边油、玻璃粉的清洗；镜片镀膜前手指印、口水以及各种附着物的清洗。

    传统的清洗方法是利用擦拭材料（纱布、无尘纸）配合化学试剂（汽油、乙醇、丙酮、乙醚）采取浸泡、擦拭等手段进行手工清擦。

这种方法费时费力，清洁度差，显然不适应现代规模化的光学冷加工行业。这迫使人们寻找一种机械化的清洗手段来代替。于是超声波清洗技术逐步进入光学冷加工行业并大显身手，进一步推动了光学冷加工业的发展。

    超声波清洗技术的基本原理，大致可以认为是利用超声场产生的巨大作用力，在洗涤介质的配合下，促使物质发生一系列物理、化学变化以达到清洗目的的方法。

    当高于音波（28～40khz）的高频振动传给清洗介质后，液体介质在高频振动下产生近乎真空的空腔泡，空腔泡在相互间的碰撞、合并、消亡的过程中，可使液体局部瞬间产生几千大气压的压强，如此大的压强使得周围的物质发生一系列物理、化学变化。

工艺流程：

等离子增强化学气相沉积 (PECVD)：

    是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。因为利用了等离子的活性来促进化学反应，PECVD可以在较低的温度下实现

等离子辅助气相沉积

    目前DLC膜常用制备方法。采用射频技术（RF-PACVD）将通入的气体（丁烷、氩气）离化，在极板自偏压（负）的吸引下，带正电的粒子向基板撞击，沉积在基板表面。