现代光学薄膜技术范文

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篇1

关键词:单色仪;光学薄膜;透过率

中图分类号:TB43文献标识码:A

Discussion onTesting Method of Optical Thin Film's Transmissivity by Monochromator

WEI Nan1,ZHANG Fang-hui1,LI Zhi-feng2

(1.College of Electronic and Information,Shanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021,China,;2.Shanxi Keda Electric Company Ltd.,xianyang)

Abstract: Optical thin film is not used in the field of optical element,but also the important constituent part used for luminesence in series of display,such as LCD､OLED.Based on the principles of monochromator ,expound the method of testing transmissivity parameter of optical thin films.Propose solutions after analyze the problems in test which based on three ways that the spectroscopic effects､light intensity and monochromaticity. This study has a certain of practical significance to the application of optical thin films.

Keywords: monochromator;optical thin film;transmissivity

引 言

对光学薄膜如反射膜､减反射膜､偏振膜､干涉滤光片等的研究一直以来都受到科学技术工作者的重视｡光学薄膜技术中通过理论研究､实验分析,寻找新材料,通过改进薄膜制备工艺,获得高品质器件｡

在光学器件领域,光学透镜中的减反射膜可以减少十倍以上的光通量损失,激光器中用高反射比的反射镜成倍提高输出功率,硅光电池中利用光学薄膜提高效率和稳定性｡在显示器领域,已日渐成熟的LCD显示､新兴的OLED显示器等,都离不开对光学薄膜的应用,如彩色滤色片､透明导电薄膜､增量膜､电子传输层等等｡背光系统是LCD中提供充足强度､均匀亮度光源的重要组件,而光学膜的成本就接近整个背光系统的一半｡光从背光源传输到面板表面过程中,经过导光板､扩散层､增量膜､偏光片､滤色膜､取向层等每一层都伴有部分的光损失,而真正到达人眼的光强只占背光源初始光强的百分之几左右｡在以往的基础上人们也一直在探索新的应用型光学薄膜,如目前ZnO､Alq等新型薄膜的研究和制备｡从薄膜特性入手尤其是透过率参数的改善,来提高薄膜品质特性变得尤为重要｡光学薄膜可以玻璃､陶瓷､光学塑料､光学晶体､金属等作为依附体,其中仍以玻璃基板表面镀光学薄膜的应用为多｡

1 测试原理

镀膜物质的不同因其分子结构的差异,对不同波长的光的吸收､反射程度也不同,从而影响薄膜的透过率｡由于薄膜的透过率随光波长的变化而变化,照明系统A发出的复色光(常用可见光､紫外光)经过光学薄膜进入分光系统B,借助B中光栅的分光作用筛选出不同波长单色光,经接收系统C由光电倍增管转换为光强信号显示出来,通过未放光学薄膜前的初始光强和放置光学薄膜后的透过光强间的相对关系,可描绘出所镀光学薄膜的透过率曲线,反应薄膜的透过率情况(如图1所示)｡

2 测试系统

光学系统中分光单元包括三类:一类是棱镜光谱仪,现已少用;另一类是衍射光栅分光,目前广泛应用;第三类是频率调制的傅里叶变换光谱仪｡本文为第二类光栅分光系统｡

2.1 照明系统

调节钨灯､透镜中心的水平,并调节各部分间距使光学薄膜正好落在透镜的焦平面上(如图2所示)｡图中:a､光源:选用钨灯,提供可见光范围波长的光; b､凸透镜:将入射光线会聚到光学薄膜表面; c､光学薄膜板:镀有光学膜层的玻璃基板｡

2.2 分光系统

光学薄膜F置于分光系统入射狭缝S1处,会聚光①透过光学薄膜进入狭缝S1,S1位于离轴抛物镜M1的焦面上,从而使入射光经M1反射后变为平行光射向光栅G｡经光栅色散后,形成不同波长的平行单色光束并以不同的衍射角度出射,照射到反射镜M2分别会聚成像,恰好会聚到出射狭缝S2的单色光②从狭缝S2射出,会聚到其它位置或没有照射到反射镜M2上的单色光则被分光系统内壁挡住,不会出射｡光栅G安装在转台R上,按某一方向缓慢旋转R就会将不同波长的单色光依次聚焦到出射狭缝S2上,这样相应波长的光就会依次射出狭缝S2(如图3所示)｡

相对于棱镜,光栅的分光能力更强,且出射光波长与光栅衍射角有着简单的对应关系｡选用刻线密度为1,200条/mm的反射式平面衍射光栅,在光栅方程d(sinφ+sinθ)=kλ,(k=0,±1,±2.....)中:d为光栅常数,即连续刻槽间的距离;φ为入射角,即入射光和光栅法线的夹角;θ为衍射角,即衍射光和光栅法线的夹角;k为光谱线级数｡复色光垂直照射光栅上,光栅方程变为dsinθ=kλ,k不为零时,不同波长λ的光对应不同的衍射角θ,不同波长的光便被分解开了｡

2.3 接收系统

由出射狭缝S2出射的单色光经接收系统转换为电信号,并以相对数值的形式显示出来｡显示与调节面板C一方面给光电倍增管B提供一个可调的负高压(一般选择-500V左右),另一方面显示出射光强的强弱(如图4所示)｡

出射光照射到光电倍增管(图5)的光电阴极K上,由于光电效应,光电阴极K被激发而逸出光电子,光电子在极间负高压的作用下被逐级加速飞向阳极A,在加速的过程中光电子以高速度轰击倍增极D1~D5,使倍增极产生二次电子发射,电子数目逐级大量增加,最终到达阳极的电子形成很大的阳极电流｡倍增极的倍增因子通常为常数,因此当光信号变化时,阴极发射的电子的数目也随之变化,即形成的阳极电流随着光信号的变化而变化,由此来反映经光学薄膜的不同波长出射光光强的变化｡

2.4 测试常见问题及分析

(1) 分光效果:为使光栅起到较好的分光效果,入射光应刚好照射满整个离轴抛物镜的镜面,因此可以通过调节凸透镜和入射狭缝的距离控制入射光张角的大小,调节照明系统时先定凸透镜位置再定光源位置,尽量满足d/l=D/f,其中d和l分别为透镜狭缝间距和凸透镜高度,D/f是离轴抛物镜的相对孔径比｡

(2)光强:由于光学薄膜常依附于玻璃基板上,因此在测试中可采用相对测量原理和多点测试平均法减小玻璃基板带来的误差｡若将光线通过光学薄膜玻璃时的显示读数记为T1,取一块和所测的光学薄膜玻璃相同规格的无薄膜覆盖的玻璃基板,将通过基板时的读数记为T2,则光学薄膜的透光率可表示为T=T1/T2,其中T1､T2是在测试片上选取不同点所读数值的平均值｡

(3)单色性:分光系统借助于出射狭缝筛选出进入光电倍增管的各波长的单色光,因此对与狭缝缝宽的选择为:一方面使缝宽尽可能窄,使相邻两波长的光尽可能分开;另一方面,缝的宽窄要保证有一定大小的显示读数,一般选择缝宽约0.015 mm左右｡同时要求测试在暗室中进行｡

3 结 语

光学薄膜可应用于各种反射和投射光学元件,对光学薄膜的研究不仅能改善显示器的性能,也是实现液晶显示器中功能薄膜设计开发所必须的手段,可以说,如果没有这些光学薄膜液晶显示器的可视品质将无从谈起｡光学薄膜透过率参数的测试是薄膜技术领域一个主要的方面｡

参考文献

[1] 廖延彪. 光学原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2006:202~010.

[2] 武兴建,吴金宏.光电倍增管原理､特性与应用[J].国外电子元器件,2001(8):13~17.

[3] 平面光栅单色仪使用说明[Z].

[4] 赵涛,刘勃然,李林.有色光学玻璃光谱吸收特性的测量[J].大学物理实验,2006,19(4):7~10.

篇2

曾经有人说“真正内功深厚，有分量的企业总是朴实无华的，而真正经得起岁月和风浪考验的企业是不需要用大楼来证明的。”中光学一行让记者再次深刻感悟到了其中的道理。

科持创造视觉盛宴

这是一个以光学元件加工为基础，以光学薄膜技术为核心，并在积极向投影显示产业链下游延伸的国家大型光电企业，四十余年来，它默默地躬身劳作于中国的豫西南，在河南南阳这块充满灵秀的文化热土上潜心打造出了一个拥有众多之“最”的“中光学”品牌。“全球微显示投影系统光学元件综合配套能力最强的企业，国内第一家实现光学引擎批量生产的本土企业，国内光学薄膜装备水平与产业化水平最高的企业、国内光学薄膜规模化生产能力第一的企业……”一路走来，中光学始终专注、执着，且产品多数与“光”和“电”密切相关，光学引擎、投影机，光电军品，现代光学元件、光学薄膜，光学辅材，中高档光学设备……所有产品除民用外，其实还有很多都被装备于我国的航天航空和军用领域，只不过这方面的贡献更少为外界所知而已。

全球金融危机开始蔓延以来，作为国家重点出口企业，且以光电产业为主要产品结构的中光学不可避免地受到了一定冲击，但是企业由于善于利用自主知识产权优势，同时又抓住和借助了国家扩大内需政策及国际产业转移的机遇，因此得以很快通过科技创新和产业升级来促增长，保发展。目前，科技创新对企业的拉动效应已初步显现。

COSTAR，这是中光学的英文名称，意为“中国光学之星”。名如其实，今天的中光学的确已经并继续用足够说服力的业绩践行着其梦想――“为人类创造更加精彩的视觉世界”。事实上，它已经走得更远，因为至今它带给世界的已经不只是一道道透过玻璃的光亮，而更是一场场全世界都可以轻松享用的，视觉的盛宴。

知识产权强企富民

应该说，此番的金融风暴就像一块试金石，它一方面快速且残酷地检验出了一个企业的真正核心竞争力和含金量，另一方面也为拥有自主知识产权的企业带来了发展的契机。作为无可争议的高科技企业，中光学从诞生之日起就与科技研发。改良创新一脉相承。近年来，对知识产权工作的高度重视和开发更是使中光学如虎添翼，锦上添花。在中光学集团，总工程师是所有知识产权工作的总负责人，总工程师办公室是集团知识产权工作的常设机构这样一来，企业的科技创新、成果转化及生产经营活动就能很容易地充分互通，进而无缝接驳。

为了准确选择将来的技术研究与发展方向，也为了使企业获取未雨绸缪的前瞻能力，进而在激烈的市场竞争中得到整体、长远的发展，中光学适时推出了《508厂专利战略研究报告》。这是一份紧跟国际同类研究发展趋势并结合自身条件同时充分运用了专利及专利制度的特，且围绕主导产品和核心技术所获得的行业性专利战略研究成果。它在研究掌握相关领域的技术发展现状及趋势，分析比对各国，各公司间的竞争态势和技术市场分布的基础上，最终确定了中光学自身的技术发展方向、目标以及专利保护，专利进攻、防御策略，既切实可行，又深具可持续发展思想，这在国内企业中尚不多见。

在重点研究专利战略的同时，中光学还非常重视及时将拥有自主知识产权的产品，技术以标准的形式加以固化和推广。因为国家行业技术标准的建立不仅可以在一定程度上阻挡外国同类产品进入我国市场，更有利于积极开发支持自己技术标准的专利技术。

由于知识产权工作的良性推进，近年来中光学所申请专利几乎100％得到了实施，并且应当申请专利的都进行了申请。仅2005年至2009年上半年，公司专利申请量就达到153件(发明专利39件)，获授权110件(发明专利11件)。除此之外，中光学还拥有注册商标18个，且目前基本实现了无形资产的最大价值。

如今，通过不断的技术创新新产品对企业的贡献率正在逐年上升，2009年上半年仅新产品的销售收入就占全部销售收入的45.4％。

篇3

关键词： 防护玻璃；表面处理；反射率；硬度

中图分类号：TQ34 文献标识码：A

Display Protective Glass Surface Treatment Technology

WANG Bao-song, ZHANG Guo-sheng, XIE Qin

(Jinling machine factory of Jiangsu province, Nanjing Jiangsu 211100, China)

Abstract: Display protective glasses of a certain type instrument were technically processed by use of wet etching with acid solution and AR protective coating method. The reflectivity of surface was reduced to 2% below, the average transmittance of products was 86% in visible light, and the hardness of surface was enhanced to 7.0 GPa. The products' performance testing and trials expressed that, the protective glasses have good anti-glare, antireflective, scratch-resistant process and good behaviors.

Keywords: protective glasses; surface treatment; reflectivity; hardness

引 言

显示器作为当今社会一种极为常见的数据和信息的显示方式，在电脑、手机、仪器、仪表等多种设备上具有广泛的应用。根据特殊使用环境的要求，一些仪器设备的显示器往往不直接暴露于外界环境之下，而是在其外部增加一层防护玻璃。防护玻璃的作用主要是保护显示器，防止损坏。针对室外使用情况而言，由于外界视场中光源的强光会在玻璃表面形成较强的反射，影响显示图像在人眼的视觉效果，因此保护玻璃需要具有防眩光、增加透射的作用。王承遇等对玻璃表面结构、表征、测试和处理等方面技术的发展情况进行了报道[1]，文献[2]中指出防眩有三种途径：表面刻蚀、喷涂小颗粒成膜和表面镀膜。在多种防眩处理方法中，化学蚀刻因其方法简单、操作容易、适合于大面积玻璃蚀刻和大规模生产特点而倍受关注[3]。

本文介绍了对某型仪表用显示器防护玻璃的表面工艺处理的工作情况，采取酸溶液化学腐蚀的方法对防护玻璃表面进行处理以增加表面粗糙度，通过条件调节控制表面光泽度指标，使产品达到防眩作用亦不影响人眼视觉效果。后续采用硬质膜料在产品表面制备光学增透膜层，提高产品在可见光波段的透射率和表面硬度。本文制备的防护玻璃具有防眩、增透、抗划伤的作用，达到了较好的使用效果。

1 防眩层的制备

1.1 工艺条件

经材料成分分析，防护玻璃基材是以SiO2为主体，包含Na、Ca、Mg、K等离子的非晶氧化物。文献[4]中报道了在玻璃表面上采用化学腐蚀方法制备折射率连续变化的非均匀膜，该薄膜是折射率渐变的多微孔性结构，在宽光谱范围内有低的反射率，是一种耐久力较好的减反射膜。罗春炼等通过溶液组分含量的调整，研究了提高防眩玻璃透光率的影响因素[5]。对于制备条件上的控制而言，则需要适宜的腐蚀处理条件（温度、时间、反应物成分等因素），才能使玻璃获得较高的透过率和雾度指标，以达到较好的防眩效果[2]。黄腾超等进行了应用于MOEMS器件的K9玻璃湿法刻蚀工艺的研究[6]。

本文对玻璃所进行的湿法刻蚀，是采用氢氟酸和硝酸为腐蚀液，通过调节酸液比例、温度和时间参数，达到最佳腐蚀效果。腐蚀溶液是以1:1:2比例配比的氢氟酸、硝酸和水混合溶液，腐蚀温度为40℃，刻蚀时间为18～20min。刻蚀效果的评价指标为表面光泽度，即代表了表面反射率的指标高低。本文经试验制得的表面光泽度为50～51的保护玻璃，其性能符合产品性能要求的表面反射率小于2%的技术指标，达到对产品预定的刻蚀效果。

1.2 制备过程

按1:1:2的比例配比氢氟酸、硝酸和水的混合溶液，置于聚四氟乙烯容器瓶内。用水洗方法清洗玻璃表面，不需要腐蚀处理的一面用胶带纸屏蔽起来，将玻璃样片浸泡于混合液中，整体置于水浴恒温箱内，设置水浴恒温箱温度至40℃，保持时间18～20min。反应结束后立即取出玻璃样片，用蒸馏水清洗表面残留混合液，去除屏蔽层，并烘干表面水分。采用表面光学测定仪测量玻璃处理表面的光学反射特性，以保证样品质量。

2 增透、保护膜层的制备

2.1 膜层设计

根据防护玻璃产品的特点要求，需要在表面制备增透、保护膜层以增加光学透射和提高表面硬度。根据双层减反射膜设计原理，若限定镀制在折射率为ng的基底材料上的外层折射率为n1、内层折射率为n2的两层膜的厚度都是λ/4时，欲使波长λ0的反射光减至零，它们的折射率满足如下关系[4]

基底玻璃材料的折射率为1.517，若外层膜选用折射率为1.38的MgF2膜料，经（1）式计算可得n2值为1.70，故内层选用折射率为1.66的Al2O3膜料。在双层减反射膜的基础上构建三层减反射膜，在此两层膜中间插入半波长的ZrO2层，使得透射光谱平滑。在此基础上，对三层膜系结构进行优化，将厚度做了细微调节，使得平均透光率进一步提高，最后膜系结构为G/0.083Al2O3 0.125ZrO2 0.095MgF2/Air。膜系结构中采用了硬度较高Al2O3膜料，有助于提高防护玻璃表面硬度。

2.2 制备方法

文中所采用的镀膜设备为北京科学仪器有限公司生产的zzs-1100型光学真空镀膜机，有分子泵、行星转动装置、清洗离子源、光学膜厚监控仪的电子枪加热蒸发镀膜设备。镀膜前对防护玻璃表面使用乙醚溶液擦拭干净，进腔后进行离子清洗以改善表面性质，后按照膜系结构进行薄膜制备。工艺参数如表1所示。

2.3 指标检测

对膜层的光谱、附着力、摩擦等环境适应性进行了测试，膜层光谱测试曲线如图1所示，膜层的在0.4～0.76μm可见光波段范围内的平均透过率达到99%以上。经试验检测，膜层可通过GJB 2485-1995光学膜层通用规范[7] 对附着力、摩擦、温度、湿热、清擦性、耐溶性和水溶性的检测项目，质量可靠。

3 表面处理效果评析

经过防眩层处理和薄膜镀制的防护玻璃样件制作完成后，对其进行了性能指标检测。通过UV-3600紫外、可见、近红外分光光度计对样件可见光波段光谱进行测试，透射光谱曲线如图2所示，平均透光率达到86%。采用显微硬度计对玻璃样片进行硬度测试，镀膜后表面硬度达到7.0GPa，高于玻璃基底的表面硬度6.6GPa，提高了玻璃表面硬度和抗划伤能力。将防护玻璃安装于仪表显示器上，对其实际使用效果进行测试。在显示器通电状态下，通过人眼观察，显示器表面呈现清晰的图像画面。在太阳光照射情况下观察，显示器图像画面依然清晰，反射太阳光较弱，对人眼没有造成图像不清晰或不适的感觉，整体使用效果良好。

4 结 论

本文对某型仪表用显示器防护玻璃表面进行工艺处理，采用酸溶液湿法腐蚀处理获得防眩层，后利用电子枪加热蒸发镀膜方法制备表面增透、保护膜层。防护玻璃经湿法腐蚀处理，表面反射率指标降低到2%以下，镀制增透、保护膜层后，在可见光波段的平均透过率达到86%，表面硬度提高到7.0GPa。通过性能指标、环境试验和产品试用的方法对产品工艺处理效果进行评析，结果表明，采用该工艺处理的防护玻璃具有较好的防眩、增透和抗划伤的作用，使用效果良好。

参考文献

[1] 王承遇，潘玉昆，卢 琪等. 玻璃表面工程的进展[J]. 玻璃与搪瓷，2003，31（5）：45-50.

[2] 吴春春，杨 辉，袁 骏等. 抗静电防眩膜研究进展[J]. 材料科学与工程，2002，20（1）：133-135.

[3] 胡沛然，韩文爵，王海风等. Na2SiF6和ZnCl2对玻璃防眩光效果的影响研究[J]. 化工新型材料，2009，37（11）：84-95.

[4] 唐晋发，顾培夫，刘 旭等. 现代光学薄膜技术[M]. 杭州：浙江大学出版社，2006.

[5] 罗春炼，韩文爵，王海风等. 提高防眩玻璃透过率的主要影响因素[J]. 化工新型材料，2008，36（12）：89-91.