玻璃表面镀制增透膜机理分析
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反射率 = [ ( n2 - n1) / ( n1 + n2) ]2 穿透率 = 4 n1 n2/ ( n1 + n2) 2
的干涉原理 ,使一波长的反射光在反射时正好产生 干涉现象 ,从而达到提高镜片透光率的目的 (即减少 反光) 。由于日光或白光是由不同波长的光混合而 成 ,因此为了消减不同波长光波的反射 ,需要镀制多 层减反射膜以达到均衡的减反射 (增透) 的效果 。但 这并不意味这减反射膜层越多镜片的透光率就越 高 ,因为多层减反射膜层是一个系统 ,简单增加膜层 的数量无益于减反射效果地提高 ,它还与膜层厚度 的设计 、膜层材料的选择等有密切的联系 。同时相 消干涉原理主要以几个不同界面反射回来光波相互 重叠 ,最终使反射波的相位和振幅相互抵消 。光波 从各个截面上反射回来的情况如图 1 所示 。
1 增透膜原理
根据薄膜干涉原理制成的使反射光减弱的透明
薄膜 。当光射到媒质的分界面上时 ,在一般情况下 ,
反射光和折射光同时存在 。理论研究指出 ,在垂直
入射的情况下 ,单层膜的反射率为
R1
=
{
n
2 1
(
no
-
ns) 2cos2
2π λo
n
1
d
+
( no ns -
n21) 2 sin2
2π λo
n
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{
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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)
2
si
n2
2π λo
n
1
d
}
式中 , n1 为膜的折射率 , no , ns 分别为膜两侧媒质 的折射率 , d 为膜的厚度 。当膜的光学厚度为 λ0/ 4 的奇数倍时 ,这样当光垂直入射于膜上 ,由膜的上表
国外建材科技 2008 年 第 29 卷 第 6 期
影象的清晰度低等问题 ,甚至造成环境的不协调 。 玻璃 的 折 射 率 是 1. 52 , 在 其 表 面 镀 折 射 率 小 于 1. 52 ,光程为 1/ 4 波长的透明膜层 ,使经膜层上下两 面反射光发生干涉 ,增加玻璃的透过率 ,达到减反射 的目的 。因为可见光是多色光 ,波长有一个范围 ,所 以将反射率降低到零是非常困难的 ,一般将玻璃的 反射率降低到 2 %～3 %即可满足使用要求 。减反 射玻璃的装饰特性是透射影像清晰 ,玻璃好似已在 眼前消失 ,最大限度地表现了玻璃的透明性 。在钠 钙硅酸盐玻璃表面镀上合适的薄膜 ,以提高光学质 量 ,消除或降低反射的干扰 。平板玻璃的反射影响 平面玻璃的透光度有许多因素 。有些方法就通过增 加玻璃表面的粗糙度造成入射光的漫射来达到目 的 ,但这种方法大幅降低了玻璃的透光率 。镀减反 射膜能够提高玻璃透光率 ,同时由于能消减反射 ,使 透过玻璃的物体更清晰 。减反射镀膜玻璃是根据电 磁学的基本理论 ,通过给玻璃镀复合膜系调整光程 差 ,达到高透射的目的 。根据电磁学的基本理论 ,对 于不同介质的透射与反射 。若是由介质 n1 垂直入 射至 n2
10 min 后 ,将氨水乙醇溶液逐渐滴入到正硅酸乙酯 的乙醇溶液中 ,边滴边搅拌 (5 min) ,室温下搅拌成 溶胶 ,用提拉法或者旋涂法对玻璃器件或玻璃板进 行涂膜. 然后将镀膜玻璃放入烘箱中 ,去除样品中的 吸附水和乙醇 ,最后在氨气气氛中缓慢升温至 200 ℃保温一定时间后自然冷却至室温 ,就得到 SiO2 薄 膜 。与多层膜相比 ,单层增透膜的优点是可以用同 样的膜层材料镀在不同折射率的玻璃上 。虽然单层 薄膜增透效果不很理想 ,但由于制备工艺简单 ,故得 到广泛的使用 。镀单层膜的透镜占 90 %以上 。例 如太阳能光伏玻璃在 400～1 100 nm 的平均透过率 近 92 % ,利用单层增透膜 MgF2 采用高真空高温条 件在太阳能光伏玻璃上表面沉积后 ,在 400～1 100 nm 平 均 透 过 率 大 于 94 % , 透 过 率 提 高 2 % 以 上 。
玻璃表面的减反射也遵循产生反射光波干涉的 相位和振幅条件 。光波在理想情况下的临界干涉情 况如图 2 所示 。
图1
由此可见有镀膜的玻璃会增加透光度 。此外由 此公式 ,可以计算光线穿透玻璃的两面 ,发现即使一 片完美的玻璃 (折射率 1. 8) ,其透光度约为 85 %左 右 。若加上一层镀膜 (折射率 1. 5) ,则透光度可达 91 %。光具有波的特性 ,因此减反射膜即利用了光
图 2 理想情况下的光波干涉
2 增透膜的类型
2. 1 单层增透膜 单层增透膜的结构比较简单 ,主要在玻璃的空
气面加镀单一的膜层 。理想的单层增透膜的条件 是 :膜层的光学厚度为 λo/ 4 ,其折射率为入射媒质 的折射率与基片折射率二者乘积的平方根 。在可见 光的基片材料 ,例如未镀膜的钠钙硅酸盐玻璃折射 率为 1. 52 。在不镀膜的情况下 ,每一面的反射率都 超过 6 %。根据理论计算 ,单层增透膜要完全增透 , 要求该膜的折射率为 1. 23 。目前 ,广泛使用的低折 射率的镀膜材料是氟化镁 ( n = 1. 38) ,它的波长 550 nm 处的折射率为 1. 38 ,对玻钠钙硅酸盐玻璃是不 能够完全消失反射的 。当膜层厚λo/ 4 时 ,以空气折 射率 na = 1 ,玻璃折射率 ng = 1. 52 ,膜折射率 nf = 1. 38 ,可以看出 ,此时的剩余反射率 R = 1. 3 %。制 备氟化镁增透膜 ,可以用真空沉积法镀制在玻璃表 面上 ,也可以用化学气相沉积 ( CVD) 法来制备 。单 增透 膜 也 可 以 选 择 SiO2 。用 一 定 摩 尔 比 的 Si (OC2 H5) 4 、C2 H5O H 、N H4O H 为原料 ,乙醇分成均 匀的 2 份 ,分别与正硅酸乙酯和氨水混合 ,磁力搅拌
统中 。如 激 光 系 统 中 玻 璃 表 面 的 双 层 增 透 膜 为
Al2O3 - MgF2 。
2. 3 多层增透膜 在某些应用领域中 ,双层膜仍不能满足较宽光
谱范围内的低反射要求 ,就需要采用 3 层或更多层 增透膜 。常用的 3 层增透膜是“λ/ 4 - λ/ 2 - λ/ 4” 膜系 。如钠钙硅玻璃表面的“λ/ 4 - λ/ 2 - λ/ 4”膜系 由 CeF3 ( n = 1. 63) 、ZrO2 ( n = 2. 1) 和 MgF2 ( n = 1. 38) 3 层膜构成 。4 层的“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 组成 ,镀在 n = 1. 52 的玻璃上 。 较为典型的增透膜膜系 :glass - SiO2/ TiO2 - TiO2 SiO2 ,这种膜系可见光的光谱反射曲线一般都成 W 形 ,所以比较特殊 。Reichert 设计了高 、低折射率交 替的 4 层增透膜 ,各层的折射率与光学厚度见表 1 。
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© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
国外建材科技 2008 年 第 29 卷 第 6 期
膜两类 ,分别对应于可见光区和红外光区 。在钠钙
硅酸盐玻璃表面上加镀的增透膜属于低反射率基片
膜 。该种增透膜可降低玻璃表面的反射率 ,而玻璃
镜面的反射率取决于玻璃的折射率和入射角 ,当入
射角 ≤30°时 ,玻璃的反射率变化不大 ,钠钙硅酸盐
玻璃的反射率在 8 %左右 ,存在着眩光刺眼和透射
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国外建材科技 2008 年 第 29 卷 第 6 期
玻璃表面镀制增透膜的机理分析
黄华义
(信义玻璃控股有限公司 ,东莞 523935)
摘 要 : 论述了纳钙硅酸盐玻璃表面加镀增透膜层后形成的减反射原理 ,并介绍了增透膜在不同镀膜工艺中的多
层膜材设计与优势 。
关键词 : 钠钙硅酸盐玻璃 ; 增透膜 ; 减反射 ; 机理
率接近于零 。n = 1. 52 的玻璃上可以先镀上一层 n = 2. 45 、厚 0. 49λ的 Bi2O3 ,再镀一层 n = 1. 38 、厚 0. 17λ的 MgF2 。MgF2 可以用真空沉积法镀在玻 璃表面上 ,Bi2O3 可以用阴极溅射法镀在 MgF2 上 。 “λ/ 4 - λ/ 4”膜系的双层增透膜一般可应用于视觉 光学仪器 、激光或其他用单色光作为光源的光学系
Mechanism Analysis on Glass Surface Anti2reflection Film
HU A N G Hua2yi
( Xinyi Glass Co , Ltd , Dongguan 523935 , China)
Abstract : This article gave an introduction of reflection2reduction principle of soda lime silicate glass surface wit h anti2re2 flection film as well as multi2film material design and its advantage in different coating processes. Key words : soda lime silicate glass ; anti2reflection film ; reflection reduction ; mechanism
表 1 4 层增透膜的结构
图 3 单层增透膜
2. 2 双层增透膜 由于单层增透膜的剩余反射一般很高 ,不能满
足复杂的光学系统的要求 。此时 ,就要采用双层增 透膜或者多层增透膜 。最简单的双层增透膜是“λ/ 4 - λ/ 4”膜系 ,在基片上先镀上一层折射率 n2 高于 基片的 λo/ 4 膜层 ,然后在镀上 λo/ 4 厚的低折射率 n1 膜层 。当薄膜折射率 n2 满足下式时
n2 = n1 ng/ na
式中 , n1 为第 2 层膜层折射率 ; ng 为基片折射率 (玻璃折射率) ; na 为媒介折射率 (空气折射率) 。
该膜中心波长反射率为零 。如在钠钙硅酸盐玻 璃 (折射率 n = 1. 52) 上先沉积一层折射率为 1. 70 、 厚度为 λo/ 4 的一氧化硅膜层 ,再镀上一层氟化镁 膜 ,正好可满足理想减反射的条件 ,使波长 λ0 的反 射率接近于零 。在折射率 ns = 1. 51 的玻璃上 ,用 n1 = 1. 38 和 n2 = 1. 70 的双层膜是比较理想的 。实 际应 用 的 双 层 增 透 膜 为 CeO2 - MgF2 和 Bi2O3 MgF2 。玻璃上先涂一层高折射率的 CeO2 ( n = 2. 2 , 厚 0. 0631λ0) ,然后再涂上一层低折射率的 MgF2 ( n = 1. 38 ,厚 0. 326 (0) ,对 λ0 = 550 nm 的光线 ,反射
面和下表面反射的 2 束光的强度相等 ,位相相反 ,产
生相消干涉 ,使反射光消失 ,透射光增强 。
目前应用较为简单的增透膜一般为单层膜 ,而
较广泛的则是双层或者多层膜 。单层增透膜只能使
某一波长附近的反射率降低 ,而多层增透膜则可以
使某一波段具有很低的反射率 。按照基片的性质 ,
可以把增透膜分为低反射率基片膜和高反射率基片
增透膜 ,也称减反射膜 、抗反射膜 、低反射膜 。 1817 年德国的夫琅和费 ( Franunhofer) 发明了化学 镀膜并制成第 1 批减反射膜 ,从玻璃表面上镀制减 反射膜以来 ,经过了镀膜技术不断的创新和发展 。 目前钠钙硅酸盐玻璃表面镀制增透膜并应用于平面 显示器 、等离子电视 ,临街店面的橱窗玻璃 、博物馆 的画柜玻璃 、汽车前风挡玻璃以及还使用了具备太 阳能选择性吸收的增透膜应用到太阳能光伏玻璃表 面等领域 。
的干涉原理 ,使一波长的反射光在反射时正好产生 干涉现象 ,从而达到提高镜片透光率的目的 (即减少 反光) 。由于日光或白光是由不同波长的光混合而 成 ,因此为了消减不同波长光波的反射 ,需要镀制多 层减反射膜以达到均衡的减反射 (增透) 的效果 。但 这并不意味这减反射膜层越多镜片的透光率就越 高 ,因为多层减反射膜层是一个系统 ,简单增加膜层 的数量无益于减反射效果地提高 ,它还与膜层厚度 的设计 、膜层材料的选择等有密切的联系 。同时相 消干涉原理主要以几个不同界面反射回来光波相互 重叠 ,最终使反射波的相位和振幅相互抵消 。光波 从各个截面上反射回来的情况如图 1 所示 。
1 增透膜原理
根据薄膜干涉原理制成的使反射光减弱的透明
薄膜 。当光射到媒质的分界面上时 ,在一般情况下 ,
反射光和折射光同时存在 。理论研究指出 ,在垂直
入射的情况下 ,单层膜的反射率为
R1
=
{
n
2 1
(
no
-
ns) 2cos2
2π λo
n
1
d
+
( no ns -
n21) 2 sin2
2π λo
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2π λo
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式中 , n1 为膜的折射率 , no , ns 分别为膜两侧媒质 的折射率 , d 为膜的厚度 。当膜的光学厚度为 λ0/ 4 的奇数倍时 ,这样当光垂直入射于膜上 ,由膜的上表
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影象的清晰度低等问题 ,甚至造成环境的不协调 。 玻璃 的 折 射 率 是 1. 52 , 在 其 表 面 镀 折 射 率 小 于 1. 52 ,光程为 1/ 4 波长的透明膜层 ,使经膜层上下两 面反射光发生干涉 ,增加玻璃的透过率 ,达到减反射 的目的 。因为可见光是多色光 ,波长有一个范围 ,所 以将反射率降低到零是非常困难的 ,一般将玻璃的 反射率降低到 2 %～3 %即可满足使用要求 。减反 射玻璃的装饰特性是透射影像清晰 ,玻璃好似已在 眼前消失 ,最大限度地表现了玻璃的透明性 。在钠 钙硅酸盐玻璃表面镀上合适的薄膜 ,以提高光学质 量 ,消除或降低反射的干扰 。平板玻璃的反射影响 平面玻璃的透光度有许多因素 。有些方法就通过增 加玻璃表面的粗糙度造成入射光的漫射来达到目 的 ,但这种方法大幅降低了玻璃的透光率 。镀减反 射膜能够提高玻璃透光率 ,同时由于能消减反射 ,使 透过玻璃的物体更清晰 。减反射镀膜玻璃是根据电 磁学的基本理论 ,通过给玻璃镀复合膜系调整光程 差 ,达到高透射的目的 。根据电磁学的基本理论 ,对 于不同介质的透射与反射 。若是由介质 n1 垂直入 射至 n2
10 min 后 ,将氨水乙醇溶液逐渐滴入到正硅酸乙酯 的乙醇溶液中 ,边滴边搅拌 (5 min) ,室温下搅拌成 溶胶 ,用提拉法或者旋涂法对玻璃器件或玻璃板进 行涂膜. 然后将镀膜玻璃放入烘箱中 ,去除样品中的 吸附水和乙醇 ,最后在氨气气氛中缓慢升温至 200 ℃保温一定时间后自然冷却至室温 ,就得到 SiO2 薄 膜 。与多层膜相比 ,单层增透膜的优点是可以用同 样的膜层材料镀在不同折射率的玻璃上 。虽然单层 薄膜增透效果不很理想 ,但由于制备工艺简单 ,故得 到广泛的使用 。镀单层膜的透镜占 90 %以上 。例 如太阳能光伏玻璃在 400～1 100 nm 的平均透过率 近 92 % ,利用单层增透膜 MgF2 采用高真空高温条 件在太阳能光伏玻璃上表面沉积后 ,在 400～1 100 nm 平 均 透 过 率 大 于 94 % , 透 过 率 提 高 2 % 以 上 。
玻璃表面的减反射也遵循产生反射光波干涉的 相位和振幅条件 。光波在理想情况下的临界干涉情 况如图 2 所示 。
图1
由此可见有镀膜的玻璃会增加透光度 。此外由 此公式 ,可以计算光线穿透玻璃的两面 ,发现即使一 片完美的玻璃 (折射率 1. 8) ,其透光度约为 85 %左 右 。若加上一层镀膜 (折射率 1. 5) ,则透光度可达 91 %。光具有波的特性 ,因此减反射膜即利用了光
图 2 理想情况下的光波干涉
2 增透膜的类型
2. 1 单层增透膜 单层增透膜的结构比较简单 ,主要在玻璃的空
气面加镀单一的膜层 。理想的单层增透膜的条件 是 :膜层的光学厚度为 λo/ 4 ,其折射率为入射媒质 的折射率与基片折射率二者乘积的平方根 。在可见 光的基片材料 ,例如未镀膜的钠钙硅酸盐玻璃折射 率为 1. 52 。在不镀膜的情况下 ,每一面的反射率都 超过 6 %。根据理论计算 ,单层增透膜要完全增透 , 要求该膜的折射率为 1. 23 。目前 ,广泛使用的低折 射率的镀膜材料是氟化镁 ( n = 1. 38) ,它的波长 550 nm 处的折射率为 1. 38 ,对玻钠钙硅酸盐玻璃是不 能够完全消失反射的 。当膜层厚λo/ 4 时 ,以空气折 射率 na = 1 ,玻璃折射率 ng = 1. 52 ,膜折射率 nf = 1. 38 ,可以看出 ,此时的剩余反射率 R = 1. 3 %。制 备氟化镁增透膜 ,可以用真空沉积法镀制在玻璃表 面上 ,也可以用化学气相沉积 ( CVD) 法来制备 。单 增透 膜 也 可 以 选 择 SiO2 。用 一 定 摩 尔 比 的 Si (OC2 H5) 4 、C2 H5O H 、N H4O H 为原料 ,乙醇分成均 匀的 2 份 ,分别与正硅酸乙酯和氨水混合 ,磁力搅拌
统中 。如 激 光 系 统 中 玻 璃 表 面 的 双 层 增 透 膜 为
Al2O3 - MgF2 。
2. 3 多层增透膜 在某些应用领域中 ,双层膜仍不能满足较宽光
谱范围内的低反射要求 ,就需要采用 3 层或更多层 增透膜 。常用的 3 层增透膜是“λ/ 4 - λ/ 2 - λ/ 4” 膜系 。如钠钙硅玻璃表面的“λ/ 4 - λ/ 2 - λ/ 4”膜系 由 CeF3 ( n = 1. 63) 、ZrO2 ( n = 2. 1) 和 MgF2 ( n = 1. 38) 3 层膜构成 。4 层的“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 组成 ,镀在 n = 1. 52 的玻璃上 。 较为典型的增透膜膜系 :glass - SiO2/ TiO2 - TiO2 SiO2 ,这种膜系可见光的光谱反射曲线一般都成 W 形 ,所以比较特殊 。Reichert 设计了高 、低折射率交 替的 4 层增透膜 ,各层的折射率与光学厚度见表 1 。
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国外建材科技 2008 年 第 29 卷 第 6 期
膜两类 ,分别对应于可见光区和红外光区 。在钠钙
硅酸盐玻璃表面上加镀的增透膜属于低反射率基片
膜 。该种增透膜可降低玻璃表面的反射率 ,而玻璃
镜面的反射率取决于玻璃的折射率和入射角 ,当入
射角 ≤30°时 ,玻璃的反射率变化不大 ,钠钙硅酸盐
玻璃的反射率在 8 %左右 ,存在着眩光刺眼和透射
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国外建材科技 2008 年 第 29 卷 第 6 期
玻璃表面镀制增透膜的机理分析
黄华义
(信义玻璃控股有限公司 ,东莞 523935)
摘 要 : 论述了纳钙硅酸盐玻璃表面加镀增透膜层后形成的减反射原理 ,并介绍了增透膜在不同镀膜工艺中的多
层膜材设计与优势 。
关键词 : 钠钙硅酸盐玻璃 ; 增透膜 ; 减反射 ; 机理
率接近于零 。n = 1. 52 的玻璃上可以先镀上一层 n = 2. 45 、厚 0. 49λ的 Bi2O3 ,再镀一层 n = 1. 38 、厚 0. 17λ的 MgF2 。MgF2 可以用真空沉积法镀在玻 璃表面上 ,Bi2O3 可以用阴极溅射法镀在 MgF2 上 。 “λ/ 4 - λ/ 4”膜系的双层增透膜一般可应用于视觉 光学仪器 、激光或其他用单色光作为光源的光学系
Mechanism Analysis on Glass Surface Anti2reflection Film
HU A N G Hua2yi
( Xinyi Glass Co , Ltd , Dongguan 523935 , China)
Abstract : This article gave an introduction of reflection2reduction principle of soda lime silicate glass surface wit h anti2re2 flection film as well as multi2film material design and its advantage in different coating processes. Key words : soda lime silicate glass ; anti2reflection film ; reflection reduction ; mechanism
表 1 4 层增透膜的结构
图 3 单层增透膜
2. 2 双层增透膜 由于单层增透膜的剩余反射一般很高 ,不能满
足复杂的光学系统的要求 。此时 ,就要采用双层增 透膜或者多层增透膜 。最简单的双层增透膜是“λ/ 4 - λ/ 4”膜系 ,在基片上先镀上一层折射率 n2 高于 基片的 λo/ 4 膜层 ,然后在镀上 λo/ 4 厚的低折射率 n1 膜层 。当薄膜折射率 n2 满足下式时
n2 = n1 ng/ na
式中 , n1 为第 2 层膜层折射率 ; ng 为基片折射率 (玻璃折射率) ; na 为媒介折射率 (空气折射率) 。
该膜中心波长反射率为零 。如在钠钙硅酸盐玻 璃 (折射率 n = 1. 52) 上先沉积一层折射率为 1. 70 、 厚度为 λo/ 4 的一氧化硅膜层 ,再镀上一层氟化镁 膜 ,正好可满足理想减反射的条件 ,使波长 λ0 的反 射率接近于零 。在折射率 ns = 1. 51 的玻璃上 ,用 n1 = 1. 38 和 n2 = 1. 70 的双层膜是比较理想的 。实 际应 用 的 双 层 增 透 膜 为 CeO2 - MgF2 和 Bi2O3 MgF2 。玻璃上先涂一层高折射率的 CeO2 ( n = 2. 2 , 厚 0. 0631λ0) ,然后再涂上一层低折射率的 MgF2 ( n = 1. 38 ,厚 0. 326 (0) ,对 λ0 = 550 nm 的光线 ,反射
面和下表面反射的 2 束光的强度相等 ,位相相反 ,产
生相消干涉 ,使反射光消失 ,透射光增强 。
目前应用较为简单的增透膜一般为单层膜 ,而
较广泛的则是双层或者多层膜 。单层增透膜只能使
某一波长附近的反射率降低 ,而多层增透膜则可以
使某一波段具有很低的反射率 。按照基片的性质 ,
可以把增透膜分为低反射率基片膜和高反射率基片
增透膜 ,也称减反射膜 、抗反射膜 、低反射膜 。 1817 年德国的夫琅和费 ( Franunhofer) 发明了化学 镀膜并制成第 1 批减反射膜 ,从玻璃表面上镀制减 反射膜以来 ,经过了镀膜技术不断的创新和发展 。 目前钠钙硅酸盐玻璃表面镀制增透膜并应用于平面 显示器 、等离子电视 ,临街店面的橱窗玻璃 、博物馆 的画柜玻璃 、汽车前风挡玻璃以及还使用了具备太 阳能选择性吸收的增透膜应用到太阳能光伏玻璃表 面等领域 。