增透膜

增透膜

朱思强

在任何一个光学系统中，光总要经过一系列透光面，在每个透光面的表面上，一部分光反射，一部分光折射。设光垂直射在透镜表面上，由菲涅耳反射、折射公式可知，反射率R （反射光强度与入射光强度之比）可由下式计算

⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=0101112

n n n n R 如光从空气中入射则10=n ，玻璃折射率5.11=n ，代入上式得R =4%,即透镜每个表面约反射4%的入射光。对包含许多透光面的光学系统，如国产DF 照相机的镜头由6片透镜组成，除两片透镜胶合的表面外，有8个表面与空气交界。按上述计算，透过一个表面的光能是入射光能的96%，所以透过8个表面后的光能是原入射光能的%72)96.0(8=，即有28%的光能被反射掉。对成像来说，这部分光能便损失了。这不但使底片上像的亮度显著降低，并且有一部分反射光经多次反射后，也杂乱地到达底片，还会降低像的清晰度。又如棱镜望远镜有12个透光面，潜望镜有30～40个透光面等，因表面反射而损失的光能就更大，甚至可达到70%～80%。

如在透光面上镀一层折射率小于基板折射率的透明介质薄膜，使入射光在薄膜上、下两个表面的反射光干涉相消，就可使反射光能减小，透射光能相对增大。这样的膜叫减反射膜或增透膜。

如图75-1所示，在折射率为n '的玻璃上镀一层厚

度为e 、折射率为n 的透明介质薄膜。当波长为λ的光

垂直入射时，两束反射光的光程差

()2122λδ+==k ne k =0,1,2… 反射光因干涉而互相抵消。上式中λ是光在真空（或近似在空气中）的波长。光在媒质中的波长与媒质的折射率n 有关n n λ

λ=。凡是涉及光程差或光学厚度，

图75-1

均已将光在媒质中的波长折算成真空中的波长。

由上式可确定增透膜的光学厚度①ne 。应当指出，对不同用途的光学仪器，最敏感的波长0λ是有差别的，例如，目视光学仪器，人眼视觉的最敏感波长0λ为绿光到黄绿光；对照相底片最敏感感光波长0λ为黄绿光。所以，如果用白光入

射到这两种涂敷有增透膜的镜头表面上，对波长0λ来说，若4

5,43,4000λλλ=ne ，…，则波长0λ的反射率最小，即透射率（透射光强度与入射光强度之比）最大。这是镜头上的薄膜只是减弱黄绿光的反射，而紫光和红光，因不符合反射干涉减弱条件，所以有较高的反射。于是，涂敷有增透膜的照相机镜头在日光下呈蓝紫色。实际应用的波长有一定的波长范围，对不同于0λ的波长的光，计算结果表明，光学厚度为0λ/4的薄膜，对邻近波长的反射率与最小值差别不大，而光学厚度30λ/4、50λ/4等薄膜，反射率则显著增大。为使其他色光反射也较少，应采用较薄的膜，即光学厚度为0λ/4的膜，简称λ/4膜。

在折射率为1.52的玻璃上，镀一层折射率为1.38的氟化镁薄膜，单面反射损失可以从4%减小以1.5%。这已可满足一般光学系统减反射的要求。但对复杂的系统来说，反射损失还太高，因而发展多层减反射膜。增加一层膜的实质等于提高基板的折射率，基本类型是光学厚度为4

24λ

λλ、、的三层膜。在整个可见光波长范围内，单面反射损失可进一步减小到0.5%。但多层膜制造复杂、成本高，所以应根据光学系统的总体要求，选择合适的最经济的减反射膜。如有些中、高级照相机镜头的12个镀膜面中，只有5个是多层减反射膜，其它都是单层膜。又如普通显微镜都用单层膜，只有高级荧光显微镜（可地接观察切片有无病变）或五人示教显微镜（外科显微手术用）才用多层膜。

镀增透膜常用的物质有氟化镁（MgF 2,n=1.38）和冰晶石（3NaF.AlF 3,n=1.35）,

采用真空蒸发就是在真空条件下（10-5Pa 数量级真空度），加热作膜的材料，使其原子、分子逸出材料表面，然后在基板上凝聚成均匀的薄膜。镀膜的关键是精确控制薄膜的厚度（通常只有十分之几微米），一般只允许2%人误差。

这里介绍一种利用薄膜干涉的原理。监控镀膜厚度的方法。其装置示意如图,

75-2所示。

任一波长为λ的光垂直入射到薄膜上，在薄膜上的两束反射光的光程差ne 2=δ、两束透射光的光程差22λδ+='ne 二者恰好相差半个波长。如果(),2,1,02122=+==k k ne λδ…反射光干涉相消。此时，有

=+='22λ

δne (),2,1,01=+k k λ…，透射光干涉加强。因此，对白光入射，反射光和透射光是互补色，如图75-4所示。例如，对目视光学仪器，人眼视觉对绿至黄绿光最敏感，所以光学元件表面的增透膜应使绿至黄绿光有最大的透射，这样反射光应是绿至黄绿色的互补色即紫红和紫色（图75-3）。因此，在真空蒸发过程中，只要观察薄膜的干涉色随厚度变化而变化的情况，一旦反射光呈紫红和紫色时，立即停止蒸发。这种方法简便易行，但只适用于单层增透膜。

增透膜现已得广泛应用， 几乎所有的光学装置都经过减反射处理。如果说光学设计是光学仪器的第一设计，则薄膜设计（主要是增透膜）是光学仪器的第二设计。由此可见增透膜对光学技术（或光学工程）有突出的贡献和意义。

参考文献

［1］唐晋发，光学中的固体薄膜，北京：科学出版社，1987

［2］夏学江，光的干涉及其应用，北京：高等教育出版社，1982

［3］王之江主编，光学技术手册，北京：机械工业出版社，1987

［4］［美］E.赫克特，A.赞斯著，光学（下册），詹达三，秦克诚，林福成译，北京：高等教育出版社，198 图75-2 图75-3

图75-4