光学减反膜的工作原理和制作工艺

光学减反膜（Anti-Reflection Coating，简称ARC）是一种用于减少光在材料表面反射的薄膜技术。它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，提高透光率的薄膜，广泛应用于各种领域，如镜头镜片，眼镜，高清显示屏，仪器窗口面板，手机保护贴等。它能够减少光线反射，使光线更加柔和，提高显示效果，降低眼睛疲劳。今天，让我们一起来了解一下减反膜，感受它为我们的生活带来的清晰与舒适。

下图左边是有镀减反膜的平板玻璃，右边是没有镀膜的玻璃。右边没镀膜的玻璃灯光反射是很明显的，左边镀了减反膜的玻璃灯光的反射就比较轻微。减少反射让显示的内容更加清晰地呈现出来，让画面呈现更舒适更清晰的感官视觉。

简要介绍光学减反膜的发展历史

早期研究：光学减反膜的概念最早可以追溯到19世纪末，当时科学家们开始研究光在不同介质界面的反射和折射现象。

单层减反膜：20世纪初，科学家们发现在玻璃表面涂覆一层具有特定厚度和折射率的薄膜可以显著减少光的反射。这种单层膜是光学减反膜的最初形式。

多层减反膜：到了20世纪30年代，随着对薄膜制备技术的进步，科学家们开始尝试使用多层薄膜来进一步提高减反效果。多层膜由不同折射率的材料交替堆叠而成，能够更有效地减少特定波长范围内的反射。

设计和优化：20世纪50年代至70年代，随着计算机技术的发展，光学减反膜的设计和优化变得更加精确。科学家们能够计算出最佳的膜层厚度和材料组合，以达到最佳的减反效果。

宽波段减反膜：80年代以后，随着对太阳能电池和其他光电设备需求的增加，宽波段减反膜的研究和开发变得尤为重要。这些膜能够在更宽的光谱范围内减少反射，提高光电转换效率。

现代应用：进入21世纪，光学减反膜技术已经广泛应用于各种高科技产品中，如智能手机、平板电脑的触摸屏、高端相机镜头、太阳能电池板等。同时，随着纳米技术和新材料的发展，光学减反膜的性能也在不断提升。

未来趋势：未来的光学减反膜可能会更加注重环保、成本效益以及与不同材料的兼容性。此外，随着对光电子学和光通信技术需求的增长，对高性能光学减反膜的需求也将持续增加。

光学减反膜的发展是一个不断进步和创新的过程，它在提高光学系统性能、降低能耗以及推动相关产业发展方面发挥了重要作用。

光学减反膜（ARC）的原理 

基于光的干涉效应。当光入射到不同介质的界面时，会发生反射和折射。在没有减反膜的情况下，透明材料（如玻璃或塑料）的表面会反射一部分入射光，这会导致光的损失和图像的模糊。为了减少这种反射，可以在透明材料的表面添加一层或多层具有特定厚度和折射率的薄膜。

光学减反膜工作原理的几个关键点

光的干涉：当一列光波在薄膜上表面的反射光与薄膜下表面的反射光相遇时，它们会发生干涉。如果两个反射波的相位相反（即相差180度），它们的振幅会相互抵消，导致反射光强度减弱。

四分之一波长层：为了实现相位差，减反膜的厚度通常设计为入射光在该膜中波长的四分之一（λ/4）。这样，当光从薄膜的下表面反射时，它与从上表面反射的光波相位相反，从而相互抵消。

折射率匹配：减反膜的折射率应该介于空气（n=1）和底层透明材料（如玻璃，折射率约为1.5）之间。这样，当光从空气进入薄膜，再到底层材料时，反射光波的振幅会逐渐减小。

多层膜：单层减反膜可以减少特定波长（通常为绿光，人眼最敏感的波长）的反射，但对其他波长的光减反效果有限。无法在较宽的波段内达到较低的反射，通过叠加多层不同折射率和厚度的薄膜，可以设计出较宽波段内反射更低的减反膜，从而达到更好的减反效果。

设计优化：通过精确计算和优化每层薄膜的厚度和折射率，可以得到一个在特定光谱范围内具有最佳减反效果的膜系。

偏振效应：在实际应用中，入射光可能包含两种偏振态：s偏振（垂直于入射面的振动）和p偏振（平行于入射面的振动）。优质的减反膜设计需要同时考虑这两种偏振态的减反效果。

通过这些原理，光学减反膜能够有效地减少光在透明材料表面的反射，提高透射光的比例，从而提高光学系统的性能，如提高太阳能电池的光电转换效率、增强显示器的图像清晰度等。

减反膜的制作

光学减反膜的制作涉及到多种工艺和设备，主要包括真空蒸镀、磁控溅射、溶胶-凝胶法、化学气相沉积等。以下是这些工艺的简要介绍：

真空蒸镀：真空蒸镀是一种物理气相沉积（PVD）技术，通过在高真空环境中将材料加热蒸发，使材料原子或分子从固态加热转变为气态，然后在基片上凝结成膜。该工艺简单、易操作，沉积速率高，效率高，广泛应用于减反膜的制备。

磁控溅射：磁控溅射是一种在真空中进行的工艺，通过在靶材表面产生磁场，增强电离气体的电离效率，使得靶材原子被溅射出来并在基片上沉积形成薄膜。该方法设备操作方便，成膜均匀，沉积速率高，沉积基材温度低，是一种广泛应用的镀膜工艺。

溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是一种自下而上的纳米材料合成方法，通过溶液中的分子或分子集合体的化学聚合反应，形成稳定的溶胶，再经过凝胶化过程得到固态材料。

该工艺可以制备出均匀的纳米孔结构，适用于制备具有特定折射率的减反膜材料。

化学气相沉积（CVD）：CVD是一种通过化学反应在基片表面沉积薄膜的方法，反应物以气态形式进入反应室，并在反应室内被激活，激活的反应物在基片表面分解或重组，形成固态薄膜。该工艺可以精确控制薄膜的化学组成和结构，适用于制备高性能的光学薄膜。

原子层沉积（ALD）：ALD是一种特殊的CVD技术，通过自限制的化学过程，一层一层地沉积材料，可以精确控制薄膜的厚度和成分。适用于在3D异形表面制备光学薄膜。

离子束辅助镀膜：离子束辅助镀膜是一种物理气相沉积技术，通过离子束对蒸发或溅射出的薄膜材料原子或分子进行轰击，增强其向基片的定向性，从而提高膜层的致密性。

在实际生产中，选择哪种工艺取决于所需的薄膜特性、成本、效率以及生产规模。每种工艺都有其优缺点，例如真空蒸镀和磁控溅射适合快速大面积生产，而溶胶-凝胶法和原子层沉积则适合制备高质量、高精度的薄膜。

蒸发机及镀膜示意图

 

溅发机及镀膜示意图   来源：光驰设备介绍资料

水晶光电是一家深耕光学赛道，在薄膜光学、半导体光学、精密制造等领域拥有强大的综合竞争优势。其产品广泛应用于多种领域。水晶光电的光学减反膜产品主要包括以下几种：

红外截止滤光片（IRCF）：这是水晶光电的核心产品之一，用于智能手机摄像头中，以提高成像质量。

薄膜光学面板：镀硬质减反膜提供高耐用性，适用于需要耐磨表面处理的光学元件。这类产品包括智能手表表盖、平板侧面按键、摄像头保护玻璃、后盖镀膜等，通过在玻璃、蓝宝石、高强度化玻璃表面进行镀膜工艺，改善光学性能并增强抗冲击耐磨性能。

组合式棱镜：利用潜望式棱镜实现镜头长焦，可以在不增加手机厚度的同时提高变焦能力。

微棱镜模块：这是潜望式光学变焦摄像头的核心器件，水晶光电在这一领域的研发和量产能力较强，能够为智能手机摄像头提供高端光学组件。

水晶光电通过持续的研发和技术创新，不断扩展其产品线和服务范围，以适应市场需求和行业发展趋势。公司的产品和技术广泛应用于消费电子、汽车电子、AR/VR、智能穿戴等多个领域。