光学薄膜の特性原理と分類

科学技術の発展と経済のグローバル化により、今日の人間は知識経済社会と情報社会に参入しています。 また、「Made in China」の開発により、光学製造は中国本土の地位にあり、その開発は非常に急速です。 中国の光学製造業は国際経済の舞台で重要な役割を果たし始めており、中国における光学ガラスと光学部品の生産量はほぼ一位になっています。 光学フィルムとは、光学部品の表面特性を変えることにより、光学部品の表面にめっきされた1つまたは複数のフィルム層です。 それは、金属膜、誘電体膜、またはこれらの2種類の膜の組み合わせです。 光学薄膜は、あらゆる種類の高度な光電技術の不可欠な部分です。 システム性能を向上させるだけでなく、設計目標、光学薄膜の応用分野、レーザーシステム、光通信、光学ディスプレイ、光学ストレージなどの光学システムのあらゆる側面を満たすために必要な手段です。主な光学薄膜デバイスには、反射フィルム、反射防止フィルム、偏光フィルム、干渉フィルター、分光器などがあります。これらは、国民経済および国防建設で広く使用されており、科学技術者からますます注目を集めています。
現在、60種類以上の光学コーティング材料の一般的な種類があり、それらの種類と応用機能はまだ継続的に開発されています。 近年、金、銀、銅、アルミニウムの厚さが7〜20umのときに金属フィルムシステムに発展し、可視光に対する透過率は50％ですが、赤外光の透過率は10％未満です。 この種の薄膜は、可視光の一部を透過するためにアポロ宇宙船のパネルに適用され、熱制御のためにほとんどすべての赤外線が反射されます。 次の記事では、主に光学薄膜の特徴的な原理と分類について紹介します。
I.光学フィルムの定義
光学フィルムは、薄層媒体で構成され、界面を介して光線を伝播する一種の光学媒体材料です。 光学フィルムの適用は、1930年代に始まりました。光学フィルムは、光学および光電子技術の分野で広く使用され、さまざまな光学機器を製造しています。 準備ストリップには、高くて細かい部品が必要です。
光学フィルムの定義は、次のとおりです。光伝搬経路の過程で光学デバイスの表面に取り付けられた薄く均一な誘電体フィルム層、反射、層状誘電体フィルム層を通過する際の透過（折り畳み））放射などの特性通過するすべての光またはすべての光反射または偏光分離など、1つまたは複数の波帯で必要な特殊な形の光を実現するための偏光。
光学フィルムは、精密機器や光学機器、ディスプレイ機器から日常生活での光学フィルムの使用まで、私たちの生活のあらゆるところにあります。 たとえば、眼鏡、デジタルカメラ、日常使用されるあらゆる種類の家電製品、または紙幣の偽造防止技術は、光学フィルム技術の応用の延長と呼ぶことができます。 開発の基礎としての光学薄膜技術がなければ、現代の光電、通信、レーザー技術は進歩せず、光学薄膜技術の研究開発の重要性も示しています。
光学フィルムとは、透過、反射、吸収などの光波の透過特性を変更するための、光学素子または独立した基板上の誘電体フィルムまたは金属フィルムまたはこれら2種類のフィルムの組み合わせの1つまたは複数の層のコーティングまたはコーティングを指します、散乱、偏光、光の位相変化。 したがって、適切な設計により、異なる波帯の要素の表面の透過性と反射率を調整でき、異なる偏光面の光も異なる特性を持つことができます。
一般的に、光学薄膜の製造モードは、主に乾式プロセスと湿式プロセスに分けられます。 いわゆる乾式とは、処理プロセス全体で液体が現れないことを意味します。 たとえば、真空蒸着は、真空環境で電気エネルギーを使用して固体原料を加熱し、ガスに昇華させた後、固体基材の表面に付着させてコーティングプロセスを完了することです。 日常生活で見られる装飾用の金、銀、または金属製の包装フィルムは、ドライコーティングで作られた製品です。 しかし、実際の大量生産を考慮すると、ドライコーティングの適用範囲はウェットコーティングの適用範囲よりも小さくなります。 ウェットコーティングの一般的な方法は、さまざまな機能を持つ成分を液体コーティングに混合し、さまざまな処理方法で基材に塗布し、液体コーティングを乾燥および固化させて製品を製造することです。
II。 薄膜干渉の原理
1.光の変動
1860年代、アメリカの物理学者マクスウェルは電磁理論を開発し、光は一種の電磁波であると指摘し、波動理論を完全なレベルまで発展させました。
Bo Liの光の二重性によると、光は電波、X線と同じですか？ 光線は電磁波ですが、周波数は異なります。 電磁波の波長λ、周波数u、伝搬速度Vの関係は次のとおりです。
V =λu
真空中のさまざまな周波数の電磁波の伝播速度はドイツで等しいため、異なる周波数の電磁波の波長も異なります。 高周波数の波長は短く、低周波数の波長は長くなります。 比較の便宜上、電波、赤外線、可視光線、紫外線、X線によると？ 光線などの波長（または周波数）は、光線を順番にスペクトルに配置します。これは、電磁スペクトルと呼ばれます。
電磁スペクトルでは、電波の波長は最も長く、長波、中波、短波、超短波、マイクロ波などに分けることができます。 2つ目は、赤外線、可視光線、紫外線で、これらはまとめて光放射と呼ばれます。 すべての電磁波の中で、人間の目で見えるのは可視光のみです。 可視光の波長は約0.76ミクロンから0.40ミクロンで、これは電磁スペクトルのごく一部しか占めていません。 2番目はX線です。 最短波長の電磁波はyレイです。
光は電磁波の一種であるため、伝搬干渉、回折、偏光、その他の現象の過程でその特性を示す必要があります。
2.薄膜干渉
フィルムは、透明な固体、液体、または2枚のガラスで固定された薄い気体層にすることができます。 第1の光線はフィルムの上面で反射し、屈折した光線はフィルムの下面で反射し、第2の光線は上面で反射します。 2つのビームはフィルムの同じ側にあり、同じ入射振動から分離されており、コヒーレント光であり、振幅干渉に属します。 光源が拡張光源（面光源）の場合、干渉は2フェーズドライビームの特定の重複領域でのみ観察できるため、局所干渉に属します。 2つの表面が互いに平行な平面フィルムの場合、干渉縞は無限遠に位置します。これは通常、収束レンズによって画像の焦点面で観察されます。 くさび形フィルムの場合、干渉縞の局在化はフィルムの近くにあります。
実験と理論の両方により、光波の2つの列が特定の関係を持つ場合にのみ、干渉縞が生成されることが証明されました。 これらの関係は、コヒーレント条件と呼ばれます。 薄膜の乾燥条件には3つのポイントがあります。2つの光波の周波数は同じです。 2つの光波の振動方向は同じです。 2つの光波の位相差は一定のままです。
薄膜によって干渉される2相乾燥光の光路差の式は次のとおりです。
δ= ntcos（α）±λ/ 2
この式で、nはフィルムの屈折率です。 tは入射点でのフィルムの厚さです。 αはフィルムの屈折角です。 λ/ 2は、コヒーレント光の2つのビームが異なる特性（光学密度媒体から光学密度媒体へ、光学密度媒体から光学密度媒体へ）の2つの界面にあるためです。 薄膜干渉の原理は、光学表面の検査、微小な角度または直線性の正確な測定、反射防止フィルムおよび干渉フィルターの準備などで広く使用されています。
光は、光源内の元の原子または分子の運動状態の変化によって放射されます。 各原子または分子から放出される光波は短い列であり、持続時間は約10億秒です。 2つの独立した光源の場合、特別な市場での同じ位相や一定の位相差など、3つの干渉条件を簡単に満たすことはできないため、2つの独立した一般的な光源はコヒーレント光源を形成できません。 さらに、同じ光源の異なる部分から放射される光でさえ、異なる原子または分子によって放射されるため、一般に干渉しません。
3.光学フィルムの特性分類
主な光学薄膜デバイスには、反射フィルム、反射防止フィルム、偏光フィルム、干渉フィルター、分光器などがあり、これらは国民経済および国防建設で広く使用されており、科学技術者からますます注目を集めています。 たとえば、反射防止フィルムを使用すると、複雑な光学レンズの光束損失を10倍減らすことができます。 高反射率のミラーを使用すると、レーザーの出力が2倍になります。 光学薄膜を使用すると、シリコン電池の効率と安定性が向上します。
最も単純な光学フィルムモデルは、滑らかな表面と等方性の表面を持つ均一な誘電体フィルム層です。 この場合、光学薄膜の光学特性は、光の干渉理論によって調べることができます。 単色光の平面波が光学フィルムに入射すると、その2つの表面で数回反射および屈折します。 反射光と屈折光の方向は反射と屈折の法則によって与えられ、反射光の振幅はフレネル公式によって決定されます。
光学フィルムは分割可能：反射フィルム、反射防止フィルム/反射防止フィルム、フィルター、偏光子/偏光子フィルム、補償フィルム/位相差板、配向フィルム、拡散フィルム/フィルム、光沢フィルム/プリズムレンズ/コンデンサー、遮光フィルム/黒白い接着剤など。関連する派生製品には、光学保護フィルム、ウィンドウフィルムなどが含まれます。
光学フィルムの特徴は次のとおりです。表面は滑らかで、フィルム層間の界面は幾何学的なセグメンテーションを示します。 フィルム層の屈折率は界面でジャンプする可能性がありますが、フィルム層では連続しています。 透明な媒体でも、吸収媒体でもあります。 通常の均一なものでも、通常の不均一なものでもよい。 適用されたフィルムは、理想的なフィルムよりもはるかに複雑です。 これは、準備中、フィルムの光学的および物理的特性がバルク材料から外れ、表面および界面が粗いため、光線の拡散反射が生じるためです。 フィルム層間の相互浸透が拡散界面を形成します。 フィルム層の成長、構造、応力、その他の理由により、あらゆる種類のフィルムの不均一性が形成されます。 フィルム層には複雑な時間効果があります。
反射膜は、一般に2種類に分けることができます。1つは金属反射膜で、もう1つは全誘電反射膜です。 さらに、2つを組み合わせた金属誘電体反射膜があり、その機能は光学面の反射率を高めることです。
一般的に、金属は比較的大きな吸光係数を持っています。 光ビームが空気から金属表面に入射すると、金属に入射する光の振幅は急速に減衰し、それに応じて金属に入射する光エネルギーが減少しますが、反射光エネルギーは増加します。 消衰係数が高いほど、光の振幅の減衰が速くなります。 金属に入射する光エネルギーが少ないほど、反射率は高くなります。 人々は常に、金属膜材料として大きな吸光係数と安定した光学特性を持つ金属を選択します。 紫外領域で一般的に使用される金属の薄い材料はアルミニウムであり、アルミニウムおよび銀は可視領域で一般的に使用され、金、銀および銅は赤外領域で一般的に使用されます。 さらに、クロムとプラチナは、一部の特殊フィルムの膜材料としてもよく使用されます。 アルミニウム、銀、銅、その他の材料は空気中で酸化されやすく、性能が低下するため、電気絶縁膜で保護する必要があります。 一般的に使用される保護膜材料には、酸化ケイ素、フッ化マグネシウム、二酸化ケイ素、酸化アルミニウムなどが含まれます。
金属反射膜の利点は、準備プロセスが簡単で、使用波長範囲が広いことです。 欠点は、光の損失が大きく、反射率をあまり高くできないことです。 金属反射膜の反射率をさらに改善するために、特定の厚さの誘電体層のいくつかの層を膜の外側にめっきして、金属誘電体反射膜を形成することができます。 金属誘電体膜は特定の波長（または特定の波領域）の反射率を増加させますが、金属膜の中性反射の特性を破壊することを指摘しておく必要があります。