望远镜的减反增透镀膜

                                                

                               
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作者：雷力铭


    光线透过望远镜的光学玻璃透镜时，在前后空气表面时都有一部分光被反射，反射光量与镜片的折射率有关，以折射率为1.5的钡冕光学玻璃为例，前表面反射光约为4%，后表面的反射光约为3.8%。在不考虑吸收的情况下，透光率为92.2%。如果有六个透镜，将有50%或者更多的光线被反射。

    减反增透是一项联系紧密但相互独立的工作，即使不增透也要减反，因为反光强不仅会使成像灰暗，更主要的是镜片表面和镜筒内镜片间的反射会形成的严重眩光和重影降低景物的对比度，干扰观察。这也是为什么不能用强反射镀膜配大口径物镜来改善亮度的原因。

    在镜面上镀上一层减反增透膜，能减少了杂散眩光和重影，增加光的透射率，从而提高成像质量和亮度。一具望远镜平均有10-16个玻璃―空气介面，比如采用双胶合目镜、普罗棱镜、凯尔纳目镜、阿贝尔目镜或普罗素目镜的望远镜有10个界面；采用同样目镜和棱镜，但是采用5片3组或6片4组爱乐弗目镜的望远镜分别有12或14个界面；选择双分离物镜，6片4组广角目镜的大口径高倍望远镜有16个界面。工业上通常要求10个左右空气―玻璃表面的光学仪器有82%以上的透光率，12-16个表面的仪器有75%以上的透光率。实际工艺*作中，一般还要留10%的余量。

    事实上镀膜镜头的表面反射由镀膜厚度引起的光干涉反射和有折射率引起的自然反射两个因素共同影响。

    根据干涉理论，两束同频、等幅的光波沿着同一路径传播时，如果的位相差半波长的偶数倍，合振幅为100%，这时照射在介质表面的光被完全反射；而当位相差半波长的奇数倍，合振幅为0，这时因为干涉现象引起的反射最小，介质表面的反射最接近由其折射率决定的自然反射水平。减反膜应用了干涉原理，使镀膜的表面上的反射光和入射光干涉抵消来降低因为光波干涉造成的反光强度。

    由于光线在光密界质―镀膜中的传播速度小于空气中传播速度，设 nc 为光学膜面的折射率：

    当光程差=（2n+1）λ/4nc 时
会造成镀膜表面该波长的反射光抵消，同时反射光的颜色向λ波长光的补色改变。

    光学镜片的透光率受空气和介质的折射率影响，设空气折射率为na介质折射率为ng，光线垂直入射，通过以下公式可以计算光学镜片的反射率和透光率：

    反射率＝[ (ng－na) / (ng+na) ]2

    透光率＝4×na×ng / (na+ng)2

    镀膜介质的透光率为：

    镀膜介质的透光率=[ 4×na×nc / ( na+nc )^2] × [ 4×nc×ng / ( nc+ng )^2]

    由上可知，镜片的折射率越低反射率就越低，使用折射率小于镜片的折射率的光学镀膜可以增加透光率。

    且当 nc<ng 且 nc=√na×ng 时镀膜镜片的反射率为0，由于 na=1 所以 nc=√ng 镀膜镜片反射率为0

                                       一、镜头镀减反增透膜
（c）

    在物镜或物镜和目镜表面镀单层减反增透膜叫镜头镀膜。镀膜折射率小于镜片的折射率时，当nc=√ng并且镀膜厚度为光在膜层中波长的1/4的奇数倍时 d=λ/4nc，对于波长为λ的垂直入射光能完全消除反射。所以对于ng = 1.5 的钡冕光学玻璃，可以容易地计算出镀膜的最佳厚度，最佳折射率为1.22。但是折射率这样小的镀膜材料不易找到，所以一般都用折射率为1.38的氟化镁制单层减反增透膜，对于ng = 1.5 的钡冕光学玻璃能在λ上取得1.3%和平均约1.5%的反射率，但对于折射率较高的光学玻璃，单层二氟化镁――MgF2已能达到很好的减反增透效果。

    从三棱镜分光原理可知，光学玻璃对不同波长的光线的折射率是不同的。望远镜常用的钡冕光学玻璃对长波红光的折射率明显小于对短波蓝光的折射率，所以对红光的折射率更接近理想折射率，光学玻璃对长波光有偏向透过的特性。

    根据干涉原理，中心波长λ的镀膜对该波长的光的减反作用最好，但在其他波长上这时照射在介质表面的光的相位相差不再是半波长的奇数倍，而逐渐接近半波长的偶数倍，反射损失逐渐增加。所以只要远离镀膜中心波长即使在介质偏向增透的长波方向上也不能达到理想的增透效果。

    以上两个因素的共同作用改变了镀膜镜头对色彩的还原特性，造成了单层镀膜偏色的特性。但是由于消色镜头中火石玻璃的对偏向透过性反作用，中心波长的选择造成的影响是主要的。

    除了提高的光透过率，减反膜还应该有中性的色彩还原。为了设计色彩还原中性的单层减反膜的，一般中心波长选择在480nm-540nm的蓝―青色光段，而且以480nm-520nm为多。因为加上光学玻璃对光的吸收，在短波处光线损失比较大，为平衡色彩，单层减反膜的中心波长都尽量偏短，尽量少反射损失短波光。但是中心波长短于460nm，目视很难分辨膜色的中心波长差异，所以比460nm短的单层膜中心波长一般不采用。如不考虑色彩因素，中心波长可选550nm的黄绿光，理由是人眼对这一波长的光线最敏感，而且这一波段波长较长对灰尘和薄雾有较强的穿透力。但同时这种情况下短波光在镜头漫反射比较严重，进入光路后会严重降低景象的对比度，形成严重的灰雾现象。为了过滤短波杂光，常在光路中人为使用黄玻璃过滤蓝色杂光。

                                       二、全表面单层镀膜
（FC）

    所有接触空气的玻璃表面都镀了单层减反增透膜。如果在所有的空气介面上都镀上单层减反增透膜，会在一个波段上取得更高的透光率。为方便工艺，在全表面单层减反膜的设计中，某一片的二个面中心波长通常一致。

                                    三、多层减反增透膜和宽带膜
（MC）

    单层膜的剩余反射率仍显高，偏色现象比较严重。要进一步提高透光率，可用双层Ｖ形增透膜，用第一层镀膜控制镜片的反射率，第二层镀膜改善光透射率。对于单层氟化镁膜，光学玻璃的折射率ng是太低，可先镀一层厚度为λc2/4（λc2为光在镀膜中的波长）的折射率大于镜片折射率的一氧化硅膜（折射率为nc2），这时薄膜和基片的组合系统可以用一折射率为v=nc2^2/ng的假想基片来提高镜片的折射率，然后镀上一层λc1/4氟化镁膜层来减少反射率。但对于偏离λ的波长，不能等价也不能满足干涉相消的条件，故分光曲线呈Ｖ形，色彩仍不平衡。

    要进一步消除彩斑幻象，平衡色彩可用双层或多层Ｗ形宽带减反增透膜，多层减反增透膜系还原真实色彩，并不是要求镜片在可见光(370nm―680nm)光谱范围内透过率一致。而是要求在蓝、绿、红光（370nm―480nm、500-550nm、580nm―680nm）三个通道通过的光线恰好可以合成标准的白光。这种膜系的反射率曲线在520nm-540nm区间形成一个0.8%左右的反射峰，在440nm和640nm处有二个反射谷，形状像W曲线，所以叫W形减反增透膜。这种膜系的反光为翠绿色所以也称减反绿膜。

    多层减反增透膜在工艺上一般有以下特点：

    1、一般在镜头的第一片的第二面或第二片上镀多层减反膜，以增加装饰效果。多层宽带减反增透膜以翠绿色较多，比较美观。

    2、一般在曲率半役较大的表面上镀多层膜，以便在工艺上使多层膜的膜色保证均匀。

    3、一般在低折射率材料的镜片上镀膜。对单层减反膜而言，低折射率基底的减反效果不如高折射率基底的减反效果。而对多层膜而言，多层膜的设计可以在不同折射率基底的材料上实现几乎相近的减反效果。

    4、根据经验，镀膜面数在16个左右时，选用2个面镀多层膜；镀膜面数在10个左右时，选用一个面镀多层膜即可基本满足技术要求。选用多层减反膜，一般在同牌号的玻璃，或折射率接近的不同基底上实施。这样可以只设计一种多层膜膜系。更重要的是，从工艺实施上更为方便，从品质保证上更为有利。

                                       四、全表面多层镀膜（FMC）

    即在所有接触空气的玻璃表面都有多层减反增透镀膜，是最好的镀膜。采用全表面多层宽带镀膜的望远镜具有最佳的透光率，视野明亮；色彩还原平衡真实；镜头反光很少，很好地控制了眩光和重影，即使在逆光或明亮背景下也能很容易地看清楚阴影里的物体。但是工艺复杂价格昂贵，仅应用在高级的品种上。

                                       五、镀膜的颜色和反射强度

    对于选择550nm波长的膜系而言，由于有较多的红光和更多的蓝光反射所以镜头反光呈蓝紫色。由于玻璃吸收和镜头反射成像一般偏黄。常见于重视透光效率而对色彩还原要求不严的军民用光学仪器和黑白像机、老式望远镜等。这种镀膜一般叫蓝膜。

    为了补偿光学玻璃对于短波光的吸收，现代光学仪器一般选择480-520nm的蓝―绿色光作中心波长，对于选择绿光高频段（青绿光）作为中心波长的镜头镀膜、全表面镀膜和双层窄带型镀膜，同选择550nm波长绿光低频段（黄绿光）的镀膜正好相反，镜头反射较多的蓝光和更多的红光，呈暗紫红色。这种膜色在各种彩色镜头，光学仪器和望远镜中也比较常见。

    对于选择蓝光作中心频率的镜头镀膜、全表面镀膜和双层V型镀膜而言，有较多的绿光和更多的红光反射，在镜头前混合成棕黄或橙黄色反光。由于增透较多的蓝光弥补了玻璃吸收，所以色彩比较平衡（有少许色差）。这种镀膜在各种彩色镜头，望远镜中应用十分普遍。也叫琥珀色镀膜。

    具体选择蓝―绿光的那一个波段作中心频率同光学玻璃基底的吸收特性和厂家的色彩偏好或风格有关。视具体情况而定，二者在性能上等价，无优劣之分。

    对于W型宽带多层镀膜，在红光和蓝光波段上有两个增透峰，所以相对而言绿光反色较多，与其他两个波段的剩余反射相混，镜头通常为暗翠绿色。绿色双峰膜的色彩还原优于以上镀膜。

    多通道宽带多层镀膜在三个以上波段增透，一般有3―4个通道。三通道镀膜增加了绿色增透峰。这类镀膜的反光最少，色彩还原最逼真，是最高级的镀膜。但镜头反光却不像想像的那样是黑色的，而是很暗的红色。因为玻璃基底对绿―蓝高频光有吸收，为了取得中性还原，设计时有意让极少部分红黄光反射，以平衡绿―蓝光损失。这样才能取得镜头后面取得白色的混合光。

    单层镀膜和双层V型镀膜即使选择相同的中心频率，其膜色也是不一样的，因为对于该频率的光反射强度不同。但是单层镀膜的反射明显强于双层V型镀膜，也远远强于其他多层膜减反增透膜。镜头镀单层膜、多层膜和全表面镀膜除颜色略有差异外，表面反光强度则相差较大，所有的全表面镀膜比只在几个镜面上镀膜的反光强度弱。多层多通道增透减反膜的反射强度又明显比两通道的要弱。所以可以从镜头反射上判断一个膜系的优劣，反光越弱、越暗的镜头越好。