硬膜(抗磨损膜)
无论是玻璃还是树脂镜片,在日常的使用中,由于与灰尘或砂砾(氧化硅)的摩擦都会造成镜面磨损,形成划痕,这些划痕若处于中心区域则会影响视力。因此,提高镜片表面抗磨损能力,则成了必须。
第一代硬膜技术的运用始于上世纪70年代初,当时认为玻璃片不易磨损是因为其硬度高,而树脂片则太软所以容易磨损。因此将石英材料于真空条件下镀在树脂片表面,形成一层非常硬的抗磨损膜,但由于其热胀系数与片基材料的不匹配,很容易脱膜和膜层脆裂,因此抗磨损效果不理想。
第二代硬膜技术的运用是80年代以后,研究人员理论上发现磨损产生的机理不仅仅与硬度相关,膜层材料具有“硬度/形变”的双重特征,也就是有些材料的硬度较高但变形较小,而有些材料硬度较低但变形较大。于是,便出现了第二代硬膜技术,就是通过浸泡工艺法在树脂片的表面镀上一种硬度高且不易脆裂的材料。
第三代硬膜技术是90年代发展起来的,主要是为了解决树脂片镀上减反膜后的耐磨性问题。由于树脂片基的硬度和减反膜的硬度有很大的差别,新的理论认为在两者之间需要有一层抗磨膜层,使镜片在受到砂砾磨擦时起缓冲作用,进而不容易产生划痕。第三代硬膜材料的硬度介于减反膜和片基的硬度之间,其摩擦系数大且不易脆裂。
*四代第**硬膜技术的主角是硅原子,即加硬液中既含有机基质,又含有包括硅元素的无机超微粒,使硬膜具备韧性的同时又提高了硬度。加硬工艺还是浸泡法,镜片经过多道清洗后,浸入加硬液中,一定时间后以一定的速度提起;这一速度与硬液的黏度有关,并对膜层的厚度起决定作用;提起后在100℃左右的烘箱中聚合4-5小时,膜层厚约3-5微米。
减反膜
减反膜的基础是光的波动性和干涉现象。原理是:二个振幅相同,波长相同的光波叠加,则光波振幅增强;二个振幅相同,波程相差的光波叠加,则互相抵消。因此,在镜片表面镀上的减反膜,就是运用这一原理,使膜层前后表面产生的反射光互相干扰,从而抵消了反射光,达到减反射的效果。
减反膜层材料的拆射率必须等于镜片片基材料折射率的平方根。膜层厚度为基准光波长的1/4,即d=λ/4。许多镜片生产商采用人眼敏感度较高的555nm光波为基准光(当λ=555nm时,d=555/4=139nm)。
镀减反膜的目的是要减少光线的反射,但并不可能做到完全没有反射光线。也就是说镜片的表面总会有残留的颜色,但残留颜色哪种最好,其实并没有标准,主要是以个人对颜色的喜好为主,目前较多的是绿色色系。当膜层过薄(≤139nm)时反射光会显现浅黄绿色,若膜层过厚(≥139nm)则呈现蓝绿色。
有时我们发现镜片凸面及凹面、中央和边缘的颜色会有差异,而且凸面和凹的反射光也有差异。这主要是因为真空镀膜是在镜片的一个表面完成镀膜后,再翻过来镀另一表面的,而且曲率变化较小的部位容易镀上。因此镜片中央已达到需要的膜层厚度时,镜片边缘却还未达到需要的厚度,同时凸面和凹面曲率不同也使镀膜的速度不同。所以镜片就会出现中央呈绿色,边缘呈淡紫红色或其它颜色的差异。
树脂片镀膜技术的难度要比玻璃片高。玻璃片能够承受300℃以上的高温,而树脂片超过100℃便会发黄,随后很快分解。
用于玻璃片的减反膜材料通常采用氟化镁,但由于氟化镁的镀膜工艺必须在高于200℃的环境下进行,否则不能附着于镜片的表面,所以树脂片并不采用它。90年代以后,随着真空镀膜技术的发展,利用离子束轰击技术使膜层与镜片的结合得到了改良;而且提炼出的氧化钛、氧化锆等高纯度金属氧化物材料,可以通过蒸发工艺镀于树脂片的表面,达到良好的减反射效果。
减反膜是一种非常薄的无机金属氧化物材料(厚度低于1微米),硬且脆。当镀于玻璃片上时,由于片基比较硬,砂砾在其上面划过,膜层相对不容易产生划痕;但是镀于树脂片上时,由于片基较软,砂砾在膜层上划过,膜层很容易产生划痕。因此树脂片在镀减反膜前必须要镀硬膜,而且两种膜层的硬度必须相匹配。
抗污膜(顶膜)
镜片表面镀有减反膜后,镜片特别容易产生污渍,而污渍会破坏减反射效果。在显微镜下,我们可以发现减反膜呈孔状结构,所以油污特别容易浸润其中。解决的方法是在减反膜上再镀一层具有抗油污和抗水性能的顶膜,而且这层顶膜必须非常薄,以使其不会改变减反膜的光学性能。
抗污膜的材料以氟化物为主,有二种工艺,一种是浸泡法,一种是真空镀膜法(最常用)。当减反膜完成后,用蒸发工艺将氟化物镀于减反膜上形成抗污膜,该膜会将多孔的减反膜覆盖起来,并具有110°接触角度,能减少水油与镜片的接触面积,使油和水不易粘附于镜片表面,因此也称防水膜。
对于树脂片而言,理想的膜层,应该是包括硬膜、减反膜和抗污膜的复合膜。通常硬膜厚约3~5um,减反膜厚约0.3um,顶膜最薄,约0.005-0.01um。