光学镀膜膜系设计
光学镀膜工艺指导
光学镀膜工艺指导一、背景介绍光学镀膜工艺是一种重要的光学加工技术，可以在光学元件表面形成一层薄膜，用于改变光学器件的透射、反射、吸收等性能。
本文旨在提供光学镀膜工艺的指导，确保制备高质量的光学薄膜。
二、工艺流程光学镀膜工艺主要包括以下几个步骤：基片清洗、基片预处理、镀膜材料选择、膜层设计和计算、真空镀膜、后处理等。
1. 基片清洗基片清洗是镀膜工艺的首要步骤，它的目的是去除基片表面的污染物和气体，使得基片表面干净。
通常使用有机溶剂或无机酸碱溶液进行清洗，清洗后需要进行漂洗和烘干。
2. 基片预处理基片预处理是为了提高基片表面的附着性，常见的预处理方法有机械划伤、化学刻蚀等。
通过预处理，可以增加镀膜层与基片表面的结合力，提高镀膜层的附着性和耐磨性。
3. 镀膜材料选择镀膜材料的选择直接影响到膜层的光学性能。
根据不同的需求，可以选择金属、半导体、氧化物等材料进行镀膜。
在选择材料时，需要考虑其光学特性、机械性能、耐化学性能等因素。
4. 膜层设计和计算膜层设计是光学镀膜的关键步骤，通过对薄膜层厚度和折射率的设计和计算，可以实现所需的光学性能。
常用的方法有光学膜设计软件、等离子体监测仪等。
5. 真空镀膜真空镀膜是将镀膜材料蒸发或溅射到基片表面，形成一层薄膜的过程。
真空环境可以排除气体和灰尘对膜层质量的影响，确保膜层的均匀性和致密性。
镀膜方法包括电子束蒸发、磁控溅射等。
6. 后处理后处理是为了提高膜层的光学性能和机械性能，常见的后处理方法有退火处理、氧化处理等。
通过后处理可以降低膜层的内应力，提高膜层的抗氧化性和耐磨性。
三、工艺注意事项在进行光学镀膜工艺时，需要注意以下几个方面：1. 温度控制镀膜过程中应控制好温度，过高的温度会导致基片热变形、膜层结构破坏等问题，过低的温度则会影响薄膜的致密性。
因此，需要根据具体材料和工艺要求，控制适宜的温度范围。
2. 气压控制在真空镀膜中，气压是一个重要的参数。
过高的气压会导致气体对膜层的污染，过低的气压则会影响镀膜速率和膜层致密性。
《光学薄膜设计理论》课件
总结词
随着光电器件的发展，光学薄膜的应用领域也在不断 扩展。新型光电器件对光学薄膜的要求更高，需要不 断探索新的应用领域和场景。
详细描述
光学薄膜在新型光电器件中具有广泛的应用前景。例 如，在激光器、太阳能电池、光电传感器等领域中， 光学薄膜可以起到增益介质、反射镜、滤光片、保护 膜等作用。此外，随着光电器件的微型化和集成化发 展，光学薄膜的应用场景也在不断扩展，如光子晶体 、微纳光学器件等。这些新型光电器件的发展将进一 步推动光学薄膜技术的进步和应用领域的拓展。
薄膜的均质膜系法
总结词
将多层薄膜视为一个整体，并使用均质膜系法来计算反射、透射和吸收系数的方 法。
详细描述
均质膜系法是一种更精确的光学薄膜设计方法。它将多层薄膜视为一个整体，并 使用均质膜系法来计算反射、透射和吸收系数。这种方法适用于薄膜层数较多、 折射率变化较大的情况，能够更准确地模拟薄膜的光学性能。
光的波动理论概述
光的波动理论认为光是一种波动现象，具有振动 、传播和干涉等特性。
波动方程的推导
通过麦克斯韦方程组推导出波动方程，描述光波 在介质中的传播规律。
波前的概念
光的波动理论中引入了波前的概念，用于描述光 波的相位和振幅。
光的干涉理论
光的干涉现象
光的干涉是指两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，产生明 暗相间的干涉条纹的现象。
按制备方法分类
03
物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法等。
光学薄膜的应用
光学仪器
照相机、望远镜、显微镜等。
光电子
激光器、光探测器、光放大器等。
通信
光纤、光波导、光放大器等。
摄影
滤镜、镜头镀膜等。
02
光学薄膜设计基础
光学薄膜的设计和制备方法
光学薄膜的设计和制备方法光学薄膜是光学器件中不可缺少的一部分，广泛应用于光学传感、滤波、反射、透镜等领域。
在光学薄膜的设计和制备过程中，需要考虑材料特性、光学性能和制备方法等多方面因素。
一、材料特性对光学性能的影响光学薄膜的材料一般选用高折射率和低折射率的材料配对，以实现反射或透过特定波长的光线。
材料的物理衰减系数、化学稳定性和导热性等特性也会影响光学薄膜的性能。
以二氧化钛和氧化硅为例，二氧化钛的折射率较高，可用于制备具有高反射率的反射镜；而氧化硅的折射率较低，可用于制备具有低反射率的透过镜。
此外，二氧化钛具有良好的光学透过性和高化学稳定性，氧化硅则具有较高的防腐蚀性和导热性能。
二、光学薄膜的设计方法光学薄膜的设计方法主要是根据光线的干涉原理，通过计算和优化得到具有特定波长反射或透过性能的光学薄膜。
常见的设计方法包括平均反射率法、单片分析法和基于一致曲率法的设计方法。
平均反射率法是光学薄膜设计的经典方法，主要是通过实验计算平均反射率和波长之间的关系，再根据反射率的周期性，通过优化镀膜层数和材料厚度实现所需的反射率曲线。
单片分析法是通过计算单个薄膜层的反射和透射性能，逐层建立光学薄膜的分析模型，通过优化每一层的厚度和材料类型，最终得到所需的光学性能。
基于一致曲率法则是通过保持每个薄膜层在不同材料变化时的曲率一致，得到高光学性能的薄膜堆。
三、光学薄膜的制备方法光学薄膜的制备方法一般有物理气相沉积法、溅射法、化学气相沉积法和离子束法等多种。
制备过程中需要保持高真空度，控制薄膜层的厚度和材料成分，以实现所需的光学性能。
物理气相沉积法通过热蒸发或电子轰击的方式，将材料原子蒸发到空气中，随后在基片表面沉积形成光学薄膜。
该方法具有高制备速度和制备厚膜的优点，适用于制备大面积的光学薄膜。
溅射法是采用离子轰击或弧放电方法将靶材表面的原子反弹向基片表面，形成薄膜。
该方法制备薄膜质量较高，制备的薄膜厚度和制备的薄膜材料范围广泛，但是生产的成本较高。
光学多层膜的设计及应用
光学多层膜的设计及应用光学多层膜是一种在光学器件中广泛应用的技术，主要用于制造反射镜、透镜等光学元件。
相对于传统的单层涂层技术，多层膜具有更高的反射率和透过率，并且在不同波长下具有良好的光学性能，被广泛应用于军事、航空航天、医疗、消费电子等领域。
光学多层膜的设计主要是基于光学干涉原理。
当光线穿过两层不同介质的交界面时，会发生反射和折射。
通过改变不同膜材料、不同厚度和不同折射率的膜层组合方式，可以调节反射和透过的光线的波长和强度，达到所需的光学性能。
因此，设计优良的多层膜体系是一项关键的技术。
为了更好地理解多层膜的设计和应用，下面将分别从多层膜的组成、设计原理和典型应用三个方面来进行讨论。
多层膜的组成一般情况下，多层膜由几十个到几百个薄膜层组成。
薄膜层可以是金属、二氧化硅、氟化物等不同的材料。
不同的材料之间存在着不同的折射率和反射率，通过设计不同的膜系列可以达到不同的光学性能。
在多层膜中，主要存在两种类型的层：光子低能带反射层（Bragg镜）和倾斜反射膜。
Bragg镜是一种由模拟布拉格衍射效应的多层膜，透过它的光线会与多层膜中的膜层产生衍射，从而形成一种特定的光子带隙，只有在该频段内的光线才会被反射或透射。
倾斜反射膜是一种在膜面方向倾斜的膜层，它可以大幅度提高反射率并减少多层膜的厚度，使得多层膜的光学性能更张弛自如。
多层膜的设计原理多层膜的设计原理基于膜层的布拉格反射机制和反射镜堆积的形式，由此可以得出多层膜的必要条件：膜层厚度达到布拉格衍射连续性，即为波长的整数倍；反射镜的层数较大，同时材料应采取高折射率材料与低折射率材料的堆积，以提高反射镜的反射系数。
多层膜的设计工艺可以通过计算机模拟软件进行设计和优化。
在计算设计之前，需要详细了解材料的光学性能，包括折射率、衰减系数和散射率等。
然后，通过模拟计算来确定不同膜层的厚度、材料和堆积方式，以最大化所需的光学性能。
有了设计出优良的多层膜之后，还需要进行膜层的沉积，其中，主流的沉积技术是物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。
2_1_5月29日光学颜色镀膜
2.PET颜色膜在盖板领域的发展历史
2017年10月华为Mate10电池盖3D（黑、蓝、白金、摩卡金 、粉金） 2018年oppo R15 电池盖3D（红、白、紫） 2018年vivo X21电池盖3D（黑、白） 2018年华为荣耀10（黑、银灰、幻绿、幻蓝） 2018年华为、小米、oppo、vivo、魅族、锤子、三星……
140-180;50-70 10-20;40-60;15-30 10-25;15-35;20-40;10-30
4.PET颜色膜镀膜工艺体系的建立
非主流颜色
图片
工艺类别
亮黄色
PVD
大红色 灰紫色 珊瑚蓝
渐变色
着色材料+UV+PVD 着色材料+UV+PVD 着色材料+UV+PVD
PVD（溅射） PVD
如图中折射率为N,厚度为d为单层膜,基底是折射率为Ns,构成 两个界面a,b
1.光学薄膜基础介绍
➢ 当光垂直入射单层膜,光学厚度Nd为(λ0/2)、 λ0、 (3λ0/2) …膜层对光的反射强度不变 ➢ 若于膜膜层 的光 折学 射厚 率度 是大Nd于为还(λ0是/4小) 、于(基3λ底0/4折)、射(率5λ，0/4当) n…>反ns射时率，将反为射极率大为值极和大极值小，值当，n<其ns值时决，定反
SIO2-TIO2-SIO2-TIO2-SIO2-TIO2 SiO2-In-TiO2 TIO2-In-TIO2 SiO2-TIO2 SiO2-In-SiO2
TIO2-SiO2-In-TiO2
厚度区间
5-13；15-30；25-60 5-15；5-20
6-70；50-80；40-80
----5-20；30-60；10-20 4-12；20-60；10-50
第四章 各类光学薄膜设计
19
薄 膜 光 学——典型膜系
1.2 双层增透膜——λ0／4- λ0／2型双层膜 i sin 1 i sin 2 cos cos 1 B 1 2 1 2 C 3 i sin cos i sin cos 1 1 1 2 2 2
n0 Y R n0 Y
2
n 0 2 2 n0 1 2
2 1
2
R最小时，则n1 02
n0 n2
10
薄 膜 光 学——典型膜系
1.1 单层增透膜
11
薄 膜 光 学——典型膜系
1.1 单层增透膜
单层增透膜的出现，在历史上是一个重大的进展，直至 今天仍广泛地用来满足一些简单的用途。但是它存在着两个 主要的缺陷，首光对大多数应用来说剩余反射还显得太高， 此外，从未镀膜表面反射的光线，在色彩上仍保持中性；而 从镀膜表面反射的光线就不然，破坏了色的平衡．其结果是 不可能作出良好的色彩还原，作为变焦距镜头超广角镜头， 大相对孔径等新型透镜系统中的镀层，那更是不能符合要求。 有两个途径可以提高增透效果： 采用变折射率的所谓非均匀膜，它的折射率随着厚度的增 加呈连续的变化； 采用几层折射率不同的均匀薄膜构成多层增透膜；
2 0 2 0 1 ,2 0 4 2 0 2 n3 B 0 i / n1 1 0 1 i n1 C in 0 0 1 n3 1 in1 Y C / B n12 / n3
34
设计的膜层折射率在现实中不 存在的情况
35
改善PMMA基底上的MLAR
《光学薄膜膜系设计》课件
，常用的测量方法有光谱椭偏仪法和光谱反射法等。
03
光学薄膜设计方法
膜系设计的基本原则
光学性能原则
薄膜的光学性能应满足设计要求，如 反射、透射、偏振等特性。
物理化学稳定性原则
薄膜应具有优良的物理和化学稳定性 ，能够经受环境因素的影响，如温度 、湿度、紫外线等。
机械强度原则
薄膜应具有足够的机械强度，能够承 受加工和使用过程中的应力。
干涉色散
由于薄膜干涉作用，不同波长的光 波会产生不同的相位差，导致不同 的干涉效果，从而产生色散现象。
薄膜的光学常数
光学常数定义
01
描述介质对光波的折射率、消光系数等光学性质的一组参数。
薄膜的光学常数
02
对于光学薄膜，其光学常数包括折射率、消光系数、热光系数
等。
光学常数测量
03
通过测量光波在薄膜中的传播特性，可以获得薄膜的光学常数
反射膜的应用案例
总结词
反射膜主要用于将特定波段的光反射回原介质，常用于聚光镜、太阳能集热器等领域。
详细描述
反射膜具有高反射率和宽光谱特性，被广泛应用于太阳能利用和照明工程中。通过将反 射膜镀在金属镜面上，可以大大提高光的反射效率，从而实现高效聚光和散热。此外，
反射膜还用于制作装饰性和广告用反射镜面。
干涉现象
当两束或多束相干光波相遇时，会因相位差而产生明暗相间的干 涉条纹。
干涉条件
为了产生稳定的干涉现象，需要满足相干波源、相同频率、相同 方向和相同振动情况等条件。
薄膜的干涉效应
薄膜干涉原理
当光波入射到薄膜表面时，会因 反射和折射而产生干涉现象。
薄膜干涉类型
根据光波在薄膜中传播路径的不同 ，可分为前表面反射干涉和后表面 反射干涉。
(参考资料)3-2光学薄膜系统设计
在整个透射带，透过率在两个极值之间振荡：
R1
0－g 0 +g
2
膜厚4的偶数倍，
膜层变为虚设层
R2
0－E2 0 + E2
g g
2
膜厚4的奇数倍
产生波纹的原因： 1）等效光学导纳失配(波纹的幅度)(R1-R20)； 2）等效位相厚度随波长变化。
压缩波纹的方法
R1
0－g 0 +g
2
,
R2
通常波纹幅度大小是由等效折射率与基片和入射介质的匹配程度决定的而波纹的密度是由周期数多少决定的因为周期数多那么这个等效层的厚度就大高级次干涉峰就会靠的很近波纹就密
§2.4 干涉截止虑光片
1）什么叫干涉截止滤光片：利用多光束干涉原理，让某一 波长范围的光束高透，而让偏离这一波长区域的光束变为 高反的光学膜片。
主要参数： 中心波长（峰值波长）； 中心波长处的透过率； 通带宽度：透射率降为峰值透过率一半的波长宽度。
两种典型结构： 1）由一长波通膜系和一短波通膜系的重叠带波段形成的通 带。其特点为较宽的截止带和较深的截止度，但不易得到窄 的通带宽度。 2）Fabry-perot（F-P）干涉仪式的滤光膜系。其特点为可得 到很窄的通带宽度，但截止带也较窄，截止度也浅。
2 2 arcsin(1 R )
0 m
2R
中心波长的峰值透射率：
Tmax
T1T2 (1 R)2
当反射膜没有吸收、散射损失，而且反射膜是完全对称时， 滤光片的透射率和光洁基板一样高。
当反射膜有吸收、散射损失时，假定反射膜是完全对称时，
Tmax
T12 (1 R12 )2
(T12
T122 A12 )2
12
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光学镀膜膜系设计
光学镀膜是一种将硅、氮、氧和金属等材料通过真空蒸发、溅射或化学反应等方式沉
积在光学器件表面的制造技术，以改善或增强光学器件的传输、反射、吸收或分散光线的
特性。
在现代光学领域中，光学镀膜已成为一种广泛应用的技术，可用于制造各种光学器件，如分光镜、反射镜、磨镜片、滤光片等。
在设计光学镀膜膜系时，需要考虑的因素较多，包括基片类型、材料选择、厚度分配、膜层结构和沉积方法等。
下面将对这些因素进行详细说明。
1、基片类型
基片是进行光学镀膜的基础，因此选择合适的基片类型对光学器件的性能与质量至关
重要。
一般来说，可以选择的基片有玻璃、晶片、塑料等。
玻璃基片是光学器件最常用的
基片材料，其优点是表面平整、稳定、化学惰性好，不易变形与老化。
而晶片基片则适用
于高精度镜片，如石英晶体、纳米结构膜等，其优点是在某些高精度应用中具有特殊的物
理和化学性质。
塑料基片则通常用于低成本的光学器件制造。
2、材料选择
光学镀膜所用的材料应满足以下条件：在适当的波长下吸收低、折射率与透明度、化
学惰性和而且结构稳定。
常用于光学镀膜的材料包括置换锗、锗氧化物、氧化铝、氮化硅、氧化硼等非金属元素材料，以及金属元素材料，如铬、钴、铜、铝、银、金、钛等。
在选
择材料时，还需要考虑其沉积方式、化学性质、物理特性以及与基片的化学反应等因素。
3、厚度分配
膜层的厚度是光学器件性能的重要因素之一。
膜层的厚度分配应考虑到所需的光学性
能和机械性质之间的平衡。
通常情况下，不同波长下的光波反射和透射性能要求不同，因
此膜层的厚度分配也不同。
在设计膜层厚度分配时，应还需考虑复合反射膜的加工容差。
4、膜层结构
膜层结构也是光学器件性能的重要因素之一。
膜层的结构可以通过控制沉积速度、厚度、材料选择、沉积温度、气氛等参数来实现。
最常用的膜层结构包括单层、多层、反射镜、吸收体和复合反射膜。
不同的膜层结构可以产生不同的光学特性，因此，需要根据实
际需求选择适当的膜层结构。
5、沉积方法
在光学镀膜膜系设计中，还需要考虑沉积方法的选择。
通常情况下，光学镀膜可以采用化学气相沉积、电子束蒸发、离子束溅射、磁控溅射、激光沉积等多种不同的方法。
不同的方法具有不同的特点，可满足不同材料的特殊需求。
综上所述，光学镀膜膜系设计是一个复杂并且需要综合考虑多种因素的过程。
只有选择适合自己的光学镀膜膜系，才能制造出符合要求的光学器件。