技术前沿：光学膜

光学薄膜是镀在光学零件表面上镀上一层或多层金属或介质的薄膜，在光学零件表面镀膜的目的是为了达到减少或增加光的反射、分束、分色、滤光、偏振等要求。

用光学功能薄膜制成的种类繁多的光学薄膜器件，已成为光学系统、光学仪器中不可缺少的重要部件.其应用已从传统的光学仪器发展到天文物理、航天、激光、电工、通信、材料、建筑、生物医学、红外物理、农业等诸多技术领域。分为：基本光学薄膜、控光薄膜、光学薄膜材料。

光学薄膜是利用薄膜对光的作用而工作的一种功能薄膜，光学薄膜在改变光强方面可以实现分光透射、分光反射、分光吸收以及光的减反、增反、分束、高通、低通、窄带滤波等功能。光学薄膜的种类有很多，这些薄膜赋予光学元件各种使用性能，在实现光学仪器的功能和影响光学仪器的质量方面起着重要的或者决定性的作用。

传统的光学薄膜是现代光学仪器和各种光学器件的重要组成部分，通过在各种光学材料的表面镀制一层或多层薄膜，利用光的干涉效应来改变透射光或反射光的光强、偏振状态和相位变化。薄膜可以被镀制在光学玻璃、塑料、光纤、晶体等各种材料表面上。它的厚度可从几个nm到几十、上百个μm。光学薄膜可以得到很好的牢固性、光学稳定性，成本又比较低，几乎不增加材料的体积和重量，因此是改变系统光学参数的首选方法，甚至可以说没有光学薄膜就没有现代的光学仪器和各种光学器件。在两百多年的发展过程中，光学薄膜形成了一套完整的光学理论—薄膜光学。光学薄膜已广泛应用于各种光学器件(如激光谐振腔、干涉滤波片、光学镜头等)，不仅如此它在光电领域中的重要作用亦逐渐为人们所认识。

1、分光膜

把一束光分为两部分的器件称为分光镜。分光镜的工作部分一般是一个镀过膜的平面，它在一定的波长范围内具有特定的反射率和透射率。通常这个平面是倾斜的，因此入射光和反射光便分离开来。分光镜的预定反射率和透射率值随其用途不同而相异。

对于不同的分光镜往往有不同的透射率和反射率比T/R，即分光比。最常用的是中性分光镜，T/R=50/50，它把一束光分成光谱成分相同的两束光。因为它在某波长区域内对各波长具有相同的透射率和反射率比，因而反射光和透射光不带有颜色，呈中性。常用的中性分光镜有两种结构：一种是在透明的平板基片上镀上分光膜，另一种是把膜层镀在两个直角棱镜上，再膜面对膜面地胶合成立方体。常用的有金属分光镜和介质分光镜两类。金属膜分光镜分光的光谱宽度较宽，缺点是吸收损失较大，分光效率较低，介质分光镜的特点是分光效率高，偏振效应明显，分光特性色散明显。介质膜分光镜与金属膜分光镜相比，因为介质膜的吸收小到可以忽略的程度，所以分光效率高，这是介质分光镜的优点，但是介质膜的特性对波长较敏感，给中性分光带来困难。同时，一般介质膜分光镜的偏振效应较大，这也是它的不足之处。

分光膜根据一定的要求和一定的方式把光束分成两部分的薄膜，主要包括波长分光膜、光强分光膜和偏振分光膜。

波长分光膜又叫双色分光膜，顾名思义它是按波长区域把光束分成两部分的薄膜。这种膜可以是一种截止滤光片或带通滤光片，不同的是波长分光膜不仅要考虑透过光还要考虑反射光，二者都要求有一定形状的光谱曲线。

光强分光膜是按照一定的光强比把光束分成两部分的薄膜，用于可见光的宽带分光膜又叫中性分光膜，这种膜由于偏振的影响，二束光的偏振状态可以相差很多，但例如某些干涉仪则要求两束光都是消偏振的，这就需要设计和制备消偏振膜。

偏振分光膜是利用光斜入射时薄膜的偏振效应制成的，可以分成棱镜型和平板型两种。

棱镜型偏振膜利用布儒斯特角入射时界面的偏振效应，垂直分量振动的光则随薄膜层数的增加而增加，只要层数足够多就可以实现透过光束基本是平行方向振动的光，而反射光束基本上是垂直方向振动的光，从而达到偏振分光的目的。棱镜型偏振膜工作的波长范围比较宽，偏振度也可以做得比较高，但它抗激光强度比较低。

平板型偏振膜主要是利用在斜入射时由电介质反射膜两个偏振分量的反射带带宽的不同而制成的。平板型偏振片工作的波长区域比较窄，但它可以做得很大，抗激光强度也比较高，所以经常用在强激光系统中。

2、增透膜（也叫减反射膜，或者AR膜）

假定光线垂直入射在表面上，这时表面的反射光强度与入射光的强度比值(反射率)只决定于相邻介质的折射率的比值。

折射率为1.52的冕牌玻璃每个表面的反射约为4.2%左右．折射率较高的火石玻璃则表面反射更为显著。这种表面反射造成了两个严重的后果：光能量损失使象的亮度降低；表面反射光经过多次反射或漫射，有一部分成为杂散光，最后也到达象平面使象的衬度降低图象质量，特别是电视、电影摄影镜头等复杂系统都包含了很多个与空气相邻的表面，如不镀上增透膜其性能就会大大降低。

增透膜又称减反射膜或者AR增透玻璃（增透射玻璃或减反射玻璃）是一种将玻璃表面进行特殊处理以增加玻璃的透光性能的镀膜玻璃，沉积在光学元件表面,以减少表面反射,增加光学系统透过率的光学薄膜.工作波段可从极紫外区到远红外区，按工作的波带范围分为单波长、多波长和宽带增透膜，但应用最广的是可见光波段增透膜。光可见增透膜的作用是减少反射光的强度，从而增加透射光的强度，使光学系统成像更清晰。其原理是利用不同光学材料膜层产生的干涉效果来消除入射光和反射光，从而提高透光率的方法，有单面镀膜和双面镀膜两种工艺。

应用于可见光谱区的光学仪器非常多，就其产量来说占据了减反射膜的绝大部分，几乎在所有的光学器件上都要进行减反处理。

3、干涉截止滤光膜

要求某一波长范围的光束高透射，而偏离这一波长的光束骤然变化为高反射(或称抑制)的干涉截止滤光片有着广泛的应用。我们把抑制短波区、透射长波区的滤光片称为长波通滤光片。相反，抑制长波区、透射短波区的截止滤光片就称为短波通滤光片。

大多数情况下，是希望截止短于某一特定波长，或者长于该波长的所有光线。通常的办法是使干涉滤光片同吸收滤光片相组合。它既可以用作截止长波的短波通滤光片，也可以用作截止短波的长波通滤光片。只要改变监控膜层厚度的波长，截止限的位置可以随意移动。

4、反射膜

反射膜是用于把入射光能量大部分或几乎全部反射的光学元件。在有些光学系统中，要求光学元件具有较高的反射本领，例如，激光器的反射镜要求对某种频率的单色光的反射率在90％以上。为了增强反射能量，常在玻璃表面镀一层高反射率的透明薄膜，利用其上下表面反射光的光程差满足干涉相长的条件，使反射光增强。

金属膜有很高的反射率，吸收率也较高，而介质膜的不但反射率可以较高，还有较小的吸收率。

铝是唯一从紫外到红外(0.2～30μm)具有很高反射率的材料。大约在波长0.85μm处反射率出现一极小值，其值为86%。铝膜对基板的附着力比较强、机械强度和化学稳定性也比较好，所以广泛用作反射膜。新沉积的铝膜暴露于常温大气后，表面立即形成一层非晶的高透明的Al2O3膜，短时间内氧化物迅速生长到15～20.，然后缓慢生长，一个月后达到50左右。对缓慢蒸发的铝膜，氧化物的厚度可以达到90.以上。氧化物的存在使铝膜的反射率下降，特别是波长小于200nm的区域，为此要用MgF2膜作保护层。在可见光区，通常用SiO作为初始材料，蒸发得到硅的氧化物薄膜作为Al膜的保护膜。最佳的制备铝膜的条件：高纯铝(99.99%)；高真空中快速蒸发(50～100nm/s)；基板温度低于50℃。

在可见光及红外波段内，银膜的反射率是所有已知材料中最高的。在可见光区和红外区，反射率分别达到95%和99%左右。但是，银膜的附着力差，机械强度和化学稳定性差，所以主要用于短期使用的零件。银膜在紫外区的反射率很低，在波长400nm开始下降，到320nm附近降到4%左右。当银膜暴露于空气中时反射率会逐渐降低，主要原因是表面形成的氧化银(AgO、Ag2O3)和硫化银，因此要在银膜上镀保护膜。最佳的制备工艺与铝的相似，即高真空、快速蒸发、低的基板温度。

降低薄膜反射率的一个重要因素是散射。造成散射损耗的原因是多种多样的，薄膜的成核和生长机理引起膜层微观结构的不均匀，从而会产生散射，借助于电子显微镜观察多层膜断面的微观结构，其呈现非常明显的柱状，膜层内部充满空隙，而面变得凹凸不平。此外，基片表面的粗糙度及其缺陷，还有蒸发源喷溅的粒子、膜层中的微尘、裂纹和针孔等因素相互交叉构成复杂的散射模型。总的来说我们可以把散射归结为二类，即体积散射和表面散射。

5、控光薄膜

控光薄膜分为阳光控制膜、低辐射率膜、光学性能可变换膜三种。

阳光控制膜

在玻璃上镀上一层光学薄膜，使玻璃对太阳光中的可见光部分有较高的透射率，而对太阳光中的红外部分有较高的反射率，并对太阳光中的紫外线部分有很高的吸收率.将它制成阳光镀膜幕墙玻璃，就能保证白天建筑物内有足够的亮度等等。

低辐射率膜

在玻璃的表面镀制一层低辐射系数的薄膜，称为低辐射率膜，俗称隔热膜，它对红外线有较高的反射率。

光学性能可变换膜

光学性能可变换膜是指物质在外界环境影响下产生一种对光反应的改变，在一定外界条件(热、光、电)下，使它改变颜色并能复原，这种变色膜是一类有广阔应用前景的光学功能材料。

6、光学薄膜材料

金属和合金

金属和合金是较为广泛的薄膜，具有反射率高、截止带宽、中性好、偏振效应小以及吸收可以改变等特点，在一些特殊用途的膜系中，它们有特别重要的作用。

化合物(电介质)

化合物是有重要用途并广泛应用的光学薄膜，主要有：卤化物、氧化物、硫化物和硒化物。

半导体

半导体材料在近红外和远红外区透明，是一类重要的光学薄膜材料.在光学薄膜中使用最普遍的半导体材料是硅和锗。

生产工艺

一般而言，光学膜的生产方法主要分为干法和湿法生产工艺，所谓干法是指在整个加工过程中没有液体出现，例如，真空蒸发是在真空环境中进行的，在该环境中，固体原料用电能加热并在升华成气体后，将它们附着到固体基材的表面上以完成涂层的加工。

日常生活中用于装饰的金色，银色或金属包装膜是通过干涂生产的产品。但是，考虑到实际应用时需要量产，所以干涂层的应用范围小于湿涂层的应用范围。湿涂是将各种功能的成分混合到将液体涂层以不同的加工方法施加到基材上，然后将液体涂层干燥并固化以制成产品。

显示行业特种功能膜

主要产品为反射膜、背板基膜、光学基膜等特种功能膜。

（1）反射膜 

反射膜一般置于背光模组的最底层，它的用途是将透过导光板底部或周边未被 散射的光源再反射进入导光板内，目的是增加光学表面的反射率，以降低光源的过 程损耗，提高背光模组的亮度。反射膜根据镀层材料不同，可分为金属反射膜和白色反射膜。金属反射膜是在 聚合物薄膜的表面镀金属涂层，大多使用高导电性的银、金等。金属反射膜的反射 率最好，通常达到 99%及以上，但缺点是价格昂贵，主要应用于对价格不敏感的手 机等中小尺寸的背光模组中。

相较而言，白色反射膜价格较低，白色反射膜根据材 质不同可分为白色聚酯（PET）反射膜和白色聚丙烯（PP）反射膜，白色聚酯反射 膜因反射率高、加工性能好、成本低，已广泛应用于电视、显示器、笔记本电脑、 平板、工控等各个尺寸的 LCD 显示器中。白色聚酯反射膜的原理是通过在 PET 基材 中添加不相容树脂或粒子，经过拉伸（例如双向拉伸）形成泡径大小不一的微细泡 结构，这些微细泡可以起到散射光的作用，使透明的 PET 薄膜白色化，成为白色薄 膜。一般来说，微细和均匀的泡孔数量越多、密度越高，制成的白色反射膜的反射 率就越高，反射效果越好。

白色聚酯反射膜产品按照生产工艺不同可分为非涂布反射膜 和涂布反射膜；按照应用领域不同可分为液晶显示用反射膜和半导体照明用反射膜。

① 液晶显示用反射膜 

液晶显示的核心零件是液晶模组，通常由液晶面板和背光模组组成。由于液晶 面板中的液晶本身不发光，因此，必须通过后置光源来达到显示效果，背光模组即 充当液晶面板后置光源的角色。通常情况下，背光模组主要包含反射膜、扩散膜、 增亮膜、光源（主要为 LED 光源）和导光板等元件，其中各类光学膜（反射膜、扩 散膜、增亮膜）是背光模组中的核心材料。

在液晶电视里，根据 LED 光源入光方式的不同，目前背光源主要分为直下式 (Direct LED)与侧光式(Edge LED)两种。非涂布反射膜和涂布反射膜，以分别适应于直下式与侧光式 两种不同结构的背光模组中。

 来源：功能膜世界