本发明属于增透膜
技术领域：
，具体涉及一种宽波段超低反射率的增透膜。
背景技术：
：现代光学装置，如相机和监控器的镜头、潜水艇的潜望镜等，都是由许多光学元件，例如透镜、棱镜等组成。一般来说，虽然组成光学系统的透镜片数多，消除像差的情况就好，成像质量也就越高。但是，由于镜面对光有反射作用，镜片越多，光的损失也就越严重，光通量就越少。另外，镜片对入射光线反射率越高，在镜头内部的反射光线能量就越高，经过多次反射和折射，以杂散光形式到达像面的光能量就越大，从而降低了影像的清晰度和对比度，使影像的质感和层次感受到损失，甚至会产生眩光现象，使影像质量严重下降。在光学元件的表面镀上适当的增透薄膜，可以显著改善光学元件的透射性能，减少镜头内部的反射光线，提高镜头的成像质量。假设一个光学系统中有8枚镜片，未镀膜时单个镜片的透过率为92％，该光学系统的透过率便为(92％)8＝51.32％；如镀增透膜(简称减反射膜即ar膜)后，单个镜片的透过率能达到98.5％，该光学系统的透过率即为(98.5％)8＝88.61％；理论上整个镜头系统成像质量大幅提升；实际上由于镜片材料吸收与镜片表面质量等造成这样的8片镜头系统最大透过率为85％左右(如图1所示)，远小于设计值。而如果能使所镀增透膜的反射率<0.2％，单个镜片透过率达到99.6％以上，该光学系统的理论透过率便提高到(99.6％)8＝96.84％以上；可以看出，镀膜的增透效果越好，透过率越高，对使用多个镜片的光学系统透过率的改善效果就越大，且镜片越多，改善效果越明显，所以，镀制更低反射率的增透膜是相当必要的。20世纪30年代研发的增透膜技术促进了薄膜光学的早期发展。对于推动光学技术发展来说，增透膜在所有的光学薄膜中起着最为重要的作用，直至今天，其生产总量仍然超过其他类型的薄膜。因此研究增透膜的设计和制备技术，对于生产实践有着重要的意义。随着现在光学元件和光学系统越来越精密，对薄膜的性能要求也越来越严格：低反射区带宽要求越来越宽，反射率最大值(简称rmax)要求越来越小。这是由于长带宽低反射的增透膜能够改进成像品质、色平衡，同时减少眩光和多元光学系统中所产生的其它不需要的影响等。目前大多数ar膜的rmax要求在0.5％～1％以内，且反射带宽范围为420-720nm，随着光学成像技术突飞猛进，上述标准已经不能满足一些要求较高的光学镜头，故研发在超宽波段内超低反射率的薄膜是目前非常重要的一个发展方向。技术实现要素：本发明提供了一种宽波段超低反射率的增透膜，该增透膜在较宽的波段范围内具有超低的残余反射率，能够有效减小光学元件表面的剩余反射，提高其透过率，进而减轻甚至消除光学镜头中的眩光现象，增强成像的清晰度。为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种宽波段超低反射率的增透膜，包括基底以及设置在所述基底上的增透膜堆；所述的基底为光学玻璃或光学塑料；所述的增透膜堆包括堆叠的高折射率膜层、中间折射率膜层以及低折射率膜层；所述的增透膜堆的结构表达式为：am(bil/cih/dim/eil)^n，式中m表示1/4监控波长厚度的中间折射率膜层，l表示1/4监控波长厚度的低折射率膜层，h表示1/4监控波长厚度的高折射率膜层，(bil/cih/dim/eil)表示第i个交替单元，n表示交替单元的总个数，i为整数且1≤i≤n，(bil/cih/dim/eil)^n表示n个交替单元依次堆叠，a、bi、ci、di、ei表示系数。作为优选，所述高折射率膜层的材料包括钛酸镧、二氧化钛、氧化锆、氧化钽和氧化铌中的一种或多种；所述中间折射率膜层的材料包括al2o3和氟化铈中的一种或多种；所述低折射率膜层的材料包括mgf2、sio2和氟化铝中的一种或多种。作为优选，根据所述结构表达式设计得到增透膜，所述增透膜的高透射波长区域为380～800nm，该波长区域内增透膜的最大残余反射率在0.1％以下，平均残余反射率为0.0756％，所述增透膜的膜层总数为47层，总厚度为2979.51nm。作为优选，根据所述结构表达式设计得到增透膜，所述增透膜的高透射波长区域为410～840nm，该波长区域内增透膜的最大残余反射率在0.1％以下，平均残余反射率为0.0889％，所述增透膜的膜层总数为24层，总厚度为1155.55nm。与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的增透膜对目前已知的所有基底均可适用，且光谱曲线非常平稳，残余反射率较现有技术的常规膜系有着非常大的降低，同时低反射区的光谱范围也非常宽，有效提高光学元件的透过率，大大降低了杂散光的强度，使得光学系统中杂散光的干扰得以削弱，提高了影像的清晰度和对比度。对比目前应用中的增透膜来说，本发明的设计将低反射区带宽拓宽了43.3％，同时将最大残余反射率rmax降低至0.1％以下。附图说明图1为镀上现有常规增透膜的某镜头的透射光谱图；图2为单个交替单元的反射光谱图；图3为多个交替单元堆叠结构的透射光谱图；图4为本发明设计的47层增透膜的残余反射率和波长的分光曲线图；图5为本发明设计的24层增透膜的残余反射率和波长的分光曲线图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的
技术领域：
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本发明。一种宽波段超低反射率的增透膜，包括基底以及设置在所述基底上的增透膜堆，增透膜堆包括堆叠的高折射率膜层、中间折射率膜层以及低折射率膜层。由基底与增透膜堆构成的增透膜的结构表达式如下：s/am(bil/cih/dim/eil)^n，式中s表示基底，am(bil/cih/dim/eil)^n表示增透膜堆的结构，m表示1/4监控波长厚度的中间折射率膜层，l表示1/4监控波长厚度的低折射率膜层，h表示1/4监控波长厚度的高折射率膜层，(bil/cih/dim/eil)表示第i个交替单元，n表示交替单元的总个数，i为整数且1≤i≤n，(bil/cih/dim/eil)^n表示(b1l/c1h/d1m/e1l)、(b2l/c2h/d2m/e2l)……(bn-1l/cn-1h/dn-1m/en-1l)、(bnl/cnh/dnm/enl)，这n个交替单元依次堆叠，a、bi、ci、di、ei表示系数且取值为非负数。需要说明的是，系数a、bi、ci、di、ei用于计算所对应的膜层的厚度，在膜系设计中，对系数a、bi、ci、di、ei进行优化以得到满足膜系设计要求的各膜层的厚度，一般情况下系数a、bi、ci、di、ei的取值均大于零，但考虑到实际加工精度，需将优化后膜层厚度过小的膜层删除，此时可将该膜层对应的系数调整为0以表示优化后的膜系结构中该膜层不存在。进一步地，bi、ci、di、ei表示处于各交替单元中的系数，利用i区分位于不同交替单元中的b、c、d、e的值，即各膜层对应的系数的取值均独立。为了便于理解，对结构表达式采用文字表述为：所述增透膜的结构包括基底、堆叠在基底上的am层、以及堆叠在am层上的n个交替单元，各交替单元内由靠近am层一侧起包括依次堆叠的bl层、ch层、dm层和el层。在膜系设计时，首先对系数a，以及各交替单元中的系数b、c、d、e进行初始赋值，并按照结构表达式依次堆叠得到初始结构；而后需要对初始结构进行优化以提高增透膜的性能，在优化过程中，部分膜层的厚度减小至0nm，则该部分膜层的系数对应调整为0；部分膜层的厚度减小至2nm以下，则该部分膜层的系数也对应调整为0。将初始结构中系数为0的膜层对应删除，得到膜层厚度优化后达到设计目标的增透膜结构。需要说明的是，在各膜层的厚度调整过程中，可人为输入优化参数，计算机根据优化参数以及设计目标自动调整各膜层厚度。且进行膜层删除时，可人为进行膜层的选取并删除，或在计算机中输入膜层删除条件，并由计算机根据删除条件自行删除，并直接展示删除后的膜层组合。计算机根据设计目标调整各膜层厚度，并优化膜层次序的过程不作为本发明的改进重点，不再进行赘述。在增透膜的结构中基底为光学玻璃或光学塑料；高折射率膜层的材料包括钛酸镧、二氧化钛、氧化锆、氧化钽和氧化铌中的一种或多种；中间折射率膜层的材料包括al2o3和氟化铈中的一种或多种；低折射率膜层的材料包括mgf2、sio2和氟化铝中的一种或多种。在其他实施例中，中间折射率膜层还可以采用购买自德国默克公司生产的混合膜料。在膜系结构中，处于不同层的中间折射率膜层可采用不同的材料，同理处于不同层的高折射率膜层/低折射率膜层也分别可采用不同的材料。已知在膜系设计中，根据菲涅尔反射原理，光学玻璃表面对光具有一定的反射作用，通常可根据菲涅尔公式求出其反射率。虽采用简单的单层低折射率膜层能降低玻璃界面处的反射率，提高透射，但反射率曲线一般呈现v形，即只能在某一狭窄的波段内产生明显的增透效果，其它波段增透效果不明显，从而导致玻璃表面会产生颜色。故为在较宽波段内产生减反的效果，通常采用多层膜结构来实现，本实施例即采用多层膜系理论进行设计。对于多层膜，由光学薄膜理论可知，其特征矩阵为：式中：为膜系的特征矩阵；k为膜系中膜层总数；ηi为第i层膜的有效光学导纳；δi为表示第i层膜的位相厚度，且δi＝2πnidicosθi/λ；故可得上述公式中：λ为波长；di为第i层膜的厚度；ηi为第i层膜的有效光学导纳；θi为第i层膜的折射角；tm波即为p分量波；te波即为s分量波；ni为第i层膜的折射率。进一步的，多层膜的导纳为：η＝c/b。由于入射介质为空气，因此入射介质的导纳为η0。为使表面反射为零，理论上必须要使多层膜的导纳在参考波长范围内达到或者接近η0，这样根据菲涅尔公式，表面反射才能达到零。本设计膜系以普通光学元件作为基底材料，设计在宽波段具有超低反射率的增透膜。设计出的增透膜由高折射率膜层、中间折射率膜层和低折射率膜层交替堆叠而成，如前所述增透膜堆的初始结构为：am(bil/cih/dim/eil)^n。该膜系结构的原理是：每一个交替单元的反射光谱如图2所示，通过多个相同交替单元的堆叠便可形成一个如图3所示的密集频谱。根据傅里叶分析，所有的波形都可以分解为正弦波，可以由不同频率的正弦波叠加而成，一种频率的正弦波在频域上对应一个点。同理，该密集频谱可以分解为n个交替单元的反射光谱，然后通过迭代来调整它的控制顶点，就可以使这条曲线逼近给定的数据点列。由于几何迭代法的迭代过程具有明显的几何意义，在迭代的每一步，可以很容易地加入各种几何约束条件，使得几何迭代法生成的极限曲线满足这些约束，最终达到所需的光谱曲线。目前已知的一种经典的增透膜系初始结构的表达式为：sub/xh/yl/2h/l，式中sub表示基层，h、l分别代表以参考波长为基准，1/4光学厚度的高、低折射率膜层，x、y、2表示对应膜层的厚度系数，例如xh即表示x*1/4光学厚度的高折射率膜层。该膜系结构选zf6作为基底，二氧化钛、二氧化硅作为高、低折射率材料后，制备了增透波长为0.4～0.8μm的宽谱带可见光区增透膜，单面镀膜后最高残余反射率在0.8％以下，双面镀膜后平均透过率达98.15％。另一种经常使用的增透膜系结构的表达式为：sub/(0.5l/0.5h)^7/l，式中sub表示基层，h、l分别代表以参考波长为基准，1/4光学厚度的高、低折射率膜层，0.5表示对应膜层的厚度系数，(0.5l/0.5h)^7表示(0.5l/0.5h)重复堆叠7次。该膜系结构选k9作为基底，钛酸镧、氟化镁作为高、低折射率材料后，在430～720nm范围内反射率最高在0.4％以下，双面镀膜后透过率可达99.15％。而采用本实施例的初始结构优化后可得到具有比上述两种现有结构更加优越的性能的增透膜，以下通过两个实施例对本发明的增透膜进一步说明。实施例1本实施例设计出的一种膜系为47层，总膜厚为2979.51nm，以普通玻璃为基底，增透膜的结构表达式为：s/am(bil/cih/dim/eil)^n，初始结构周期数为60，经优化后有些膜层厚度减小至0nm，另有一些膜层厚度在2nm以下，目前蒸镀机的控制精度很难达到该设计要求，遂删去这些太薄的膜层，重新进行优化后所设计膜层的具体结构如表1所示。表147层增透膜的结构表格中最左上的膜层为沉积在基板上的膜层，从最左上依次往右下移动，得到依次层叠的膜系结构，最右下的膜层为膜系结构最上方的膜层，即与空气接触的膜层。且表格中l代表低折射率膜层、m代表中间折射率膜层，h代表高折射率膜层；l1和l2表示两种组成材料不同的低折射率膜层、h1和h2表示两种组成材料不同的高折射率膜层。该47层膜系的反射率光谱图如图4所示，可以看出，在380～800nm的宽波段范围内，最大残余反射率rmax≤0.1％，平均残余反射率为0.0756％，较现有技术的常规膜系足足降低了一个数量级。实施例2本发明设计的另一种膜系为24层，总膜厚为1155.55nm，以s-lah53为基底，增透膜的结构表达式为：s/am(bil/cih/dim/eil)^n，初始结构周期数为40，经优化后删掉膜厚为0nm的膜层和太薄的膜层再次优化得到该膜系，极大的减少了镀膜的层数和总厚度，节约了成本，所设计膜层的具体结构如表2所示。表224层增透膜的结构材料mh1ml1ml1h1l1m膜厚/nm25.363.9747.3614.5745.3181.834.0987.88109.21h2mh1l1h1l1h1l1mh128.34188.6827.0913.6773.5627.0424.8336.4748.6212.87mh1l2h1l137.9669.4915.8225.95105.77表格中最左上的膜层为沉积在基板上的膜层，从最左上依次往右下移动，得到依次层叠的膜系结构，最右下的膜层为膜系结构最上方的膜层，即与空气接触的膜层。且表格中l代表低折射率膜层、m代表中间折射率膜层，h代表高折射率膜层；l1和l2表示两种组成材料不同的低折射率膜层、h1和h2表示两种组成材料不同的高折射率膜层。该24层膜系的反射率光谱图如图5所示，可以看出，在410～840nm的宽波段范围内，最大残余反射率rmax≤0.1％，平均残余反射率为0.0889％。与实施例1中的增透膜相比，该24层的增透膜膜层更少，更加容易制备，且低反射区带宽更大。为保证数据的可比性，图1～图5中的光谱图均为监控波长为550nm，且光线以0度角入射时的光谱图。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12