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光學(xué)薄膜
塑料光學(xué)元件鍍膜逐漸滿足高端應(yīng)用需求
材料來源:激光世界           錄入時間:2011-2-11 9:32:16

   

Gail Overton

 

過去一直用于低端、一次性、非成像消費類應(yīng)用的塑料光學(xué)元件(或稱聚合物/有機光學(xué)元件),已經(jīng)在性能和耐用性方面獲得了大幅提升,并且正在進(jìn)入非傳統(tǒng)工業(yè)、汽車和醫(yī)藥等行業(yè)。這些新的應(yīng)用不僅對塑料光學(xué)元件本身提出了挑戰(zhàn),而且也對附著其上的光學(xué)鍍膜提出了挑戰(zhàn)。業(yè)界的一位鍍膜專家曾指出:“如果沒有光學(xué)鍍膜,幾乎所有的現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用或系統(tǒng)都將失敗。”

 

目前,業(yè)界正在開發(fā)并商用適用于數(shù)碼相機、條形碼掃描器、光纖傳感器與通信網(wǎng)絡(luò)以及生物計量安全系統(tǒng)等領(lǐng)域的光學(xué)鍍膜。隨著市場對低成本、高性能的塑料光學(xué)元件的青睞與日俱增,一些新的鍍膜技術(shù)已經(jīng)涌現(xiàn)出來以滿足新的應(yīng)用需求。

 

為何選擇塑料光學(xué)元件?
    與玻璃光學(xué)元件相比,塑料光學(xué)元件的重量要輕2~5倍,這使得它們更加適用于夜視頭盔、現(xiàn)場便攜式成像應(yīng)用以及重復(fù)使用或一次性醫(yī)療器械(如腹腔鏡)等領(lǐng)域。此外,由于塑料光學(xué)元件可以根據(jù)安裝需要模塑成型,因此能大幅減少裝配步驟,降低制造成本。

 

塑料光學(xué)元件可用于大部分可見光應(yīng)用中。對于其他近紫外和近紅外應(yīng)用,丙烯酸(卓越的透明度)、聚碳酸酯(最佳的沖擊強度)和環(huán)烯烴(高耐熱性和耐用性,較低的水吸收)等常用材料的傳輸波長范圍為380~100nm)。在塑料光學(xué)元件表面增加鍍膜,是為了提升其傳輸或反射性能,增加耐用性。

 

厚層鍍膜(厚度通常約1μm或更厚)主要起到保護(hù)層的作用,同時也能為隨后的薄層鍍膜改善附著性和牢固性。薄層鍍膜包括二氧化硅(SiO2)、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋁、氧化鈮以及鉿氧化物(SiO2、Ta2O5、TiO2、Al2O3Nb3O5HfO2);典型的金屬鏡面鍍膜有鋁(Al)、銀(Ag)和金(Au)。氟化物或氮化物則很少用于鍍膜,因為要獲得好的鍍膜質(zhì)量,需要較高的熱量,這與塑料元件鍍膜所需要的低熱量沉積條件不符。

 

然而,盡管塑料光學(xué)元件具有諸多優(yōu)點,它們的使用也會帶來一些新的挑戰(zhàn)。“一些適用于玻璃光學(xué)元件的鍍膜設(shè)計,可能并不適用于塑料光學(xué)元件,因為塑料光學(xué)元件具有較高的熱膨脹系數(shù)。為了消除附著性和開裂問題,Optical Dynamics司提供了另一種替代方案:液體聚合物納米復(fù)合材料鍍膜。應(yīng)用來自Optical Dynamics司的一種稱為NanoClear的鍍膜系統(tǒng),不需要真空室就能完成鍍膜,并且具有類似于聚合物基材的熱膨脹性能,從而能避免由于過熱引起的開裂問題(見圖1)。

 


    圖1:經(jīng)過壓痕后,塑料光學(xué)元件上的真空鍍膜顯示出了脆性破壞(上圖a)。作為一種替代方案,無需使用真空室的液體聚合物納米復(fù)合材料鍍膜,經(jīng)過壓痕后并沒有出現(xiàn)破損(上圖b)。該鍍膜可用于反射膜或增透膜(下圖)。

 

應(yīng)用
   當(dāng)重量、成本和易于組裝性是使用一個光學(xué)元件的主要考慮因素時,塑料光學(xué)元件通常是最佳選擇。G-S Plastic Optics目前正在為一家財富500強公司定制一種用于掃描儀中的反射光學(xué)元件(見圖2)。“這個高精密元件實際上是一個陣列,該陣列由15個球形元件和15非球形元件組成,并沿著產(chǎn)品的長度分部。”G-S Plastic Optics新業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Will Beich表示,“每個光學(xué)元件的位置精度約為± 30μm,形狀公差在3μm以內(nèi)。為了減少掃描儀中的雜散光,要對光學(xué)元件鍍上增強的鋁膜。”

  
    圖2:為一種專用掃描儀定制的反射光學(xué)元件,由球形元件和非球形元件構(gòu)成的陣列組成(有鍍鋁膜和未鍍膜的)。

Beich表示,之所以選擇鍍鋁膜,是因為它能反射可見光,并且比銀膜更環(huán)保耐用。“我們選擇自己對產(chǎn)品鍍膜,這樣我們就能更充分地控制生產(chǎn)中的所有環(huán)節(jié)。在這種情況下,通過定制設(shè)計托盤以與我們的封裝和鍍膜設(shè)施協(xié)同工作,使整個制造過程進(jìn)一步簡化,從而提高了整體生產(chǎn)力。”Beich補充道。

鍍膜的塑料光學(xué)元件的另一個常見的應(yīng)用領(lǐng)域是眼鏡。“目前,眼鏡片上的防反射(AR)鍍膜已經(jīng)非常普遍,超過95%的眼鏡都使用塑料鏡片,而為鏡片鍍膜確實是一個技術(shù)奇跡,它代表了20年來鍍膜技術(shù)的進(jìn)步。”Opticote公司總裁Edwin Ellefsen說,“除了光學(xué)和美觀要求外,物理耐用性為鏡片鍍膜帶來了特殊的挑戰(zhàn)。首先,眼鏡片通常是由眾多的基體材料制造而成,這些材料通常包括二甘醇烯丙基碳酸酯、聚碳酸酯等。這些基體材料材具有吸水性(這將導(dǎo)致鍍膜會受到來自基體材料方面的水蒸汽的損傷)和較高的熱膨脹系數(shù),因此會導(dǎo)致鍍膜不牢固或受損。”Ellefsen補充說,“另外,人們經(jīng)常會用含有化學(xué)物品的液體清洗鏡片,用粗糙的紙巾或手帕擦拭鏡片,冬季還要忍耐室內(nèi)外較大的溫差,偶爾還會不小心正面朝下從桌子上滑落到地上……因此,對鏡片的耐油性的要求可見一斑。”

為了滿足眼鏡片的應(yīng)用需求,Opticote公司對鏡片的基材仔細(xì)分類,并通過適當(dāng)?shù)乃院腿軇┬颓逑床襟E清洗。經(jīng)過徹底干燥后,進(jìn)行真空表面處理,之后是附著層和面向基材的屏障層(見圖3)。接下來再鍍防反射膜,隨后是更多的屏障層,最后,用化學(xué)方法鍍上一層不易被水沾濕的/憎油的頂層膜,以保持鍍膜鏡片的清潔。


3:兩個鏡片的圓頂部分正準(zhǔn)備裝入真空鍍膜室。

塑料光學(xué)元件的另一個應(yīng)用領(lǐng)域是飛行硬件。例如,在抬頭顯示器(HUD)應(yīng)用中,元件的重量是一個重要的考慮因素。塑料光學(xué)元件是HUD應(yīng)用的理想選擇。像許多其他復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)一樣,在HUD中為了避免雜散發(fā)射引起的散射光,因此需要鍍上防反射膜。雖然也可以鍍上高反射的金屬膜和多層氧化物增強膜,但是依然需要業(yè)界繼續(xù)開發(fā)新技術(shù),以支持塑料光學(xué)元件邁入更多的新興應(yīng)用領(lǐng)域。

超越傳統(tǒng)的鍍膜

目前,德國應(yīng)用光學(xué)和精密工程弗勞恩霍夫研究所(Fraunhofer IOF)正在研究一些創(chuàng)新的等離子蝕刻過程,以期能直接在聚合物光學(xué)元件上建力防反射的納米結(jié)構(gòu)(見圖4)。
 
      

4:對聚合物材料如有機玻璃(PMMA)進(jìn)行直接等離子體刻蝕,創(chuàng)建出亞微米級的表面結(jié)構(gòu)(a),以此作為防反射膜(b)。


    生物仿生研究發(fā)現(xiàn),蛾蟲的眼睛具有卓越的防反射弧性能,Fraunhofer IOF的研究人員一直努力在聚合物材料中制造亞微米級別的蛾眼結(jié)構(gòu),作為防反射膜。[1]在這項研究中,聚合物光學(xué)元件具有獨特的優(yōu)勢:這些表面結(jié)構(gòu)可以在聚合物光學(xué)元件內(nèi)部或是在有機涂層材料(如三聚氰胺)中直接制造,而這些有機涂層材料既可用于玻璃光學(xué)元件,也可用于塑料光學(xué)元件。
 
    研究人員已經(jīng)為有機玻璃(PMMA)、聚碳酸酯開發(fā)出了專門的鍍膜過程。最近,Fraunhofer IOF已經(jīng)為奧迪車制造了一種聚合物儀表盤窗口,其在外表面上通過等離子體離子輔助沉積(PIAD)方法沉積了堅硬的防反射膜(見圖5)。雖然奧迪儀表盤窗口是一個展示樣品,并沒有投入生產(chǎn),但是結(jié)果已經(jīng)令人非常滿意,它在降低車輛的重量方面具有較大的潛力。

5:用有機玻璃為奧迪A6制造的儀表盤窗口,左圖沒有鍍膜,右圖鍍有防反射膜。

 

參考文獻(xiàn)
1. U. Schulz et al., Chinese Opt. Lett., 8, Supplement,
1–3 (April 2010).

 

 


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