塑料光學元件鍍膜逐漸滿足高端應用需求

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

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)絡以及生物計量安全系統(tǒng)等領域的光學鍍膜。隨著市場對低成本、高性能的塑料光學元件的青睞與日俱增，一些新的鍍膜技術(shù)已經(jīng)涌現(xiàn)出來以滿足新的應用需求。

為何選擇塑料光學元件?

與玻璃光學元件相比，塑料光學元件的重量要輕2~5倍，這使得它們更加適用于夜視頭盔、現(xiàn)場便攜式成像應用以及重復使用或一次性醫(yī)療器械(如腹腔鏡)等領域。此外，由于塑料光學元件可以根據(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。

塑料光學元件可用于大部分可見光應用中。對于其他近紫外和近紅外應用，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、Al2O3、Nb3O5和HfO2);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)?！耙恍┻m用于玻璃光學元件的鍍膜設計，可能并不適用于塑料光學元件，因為塑料光學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公司提供了另一種替代方案：液體聚合物納米復合材料鍍膜。應用來自Optical Dynamics公司的一種稱為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)。

應用

當重量、成本和易于組裝性是使用一個光學元件的主要考慮因素時，塑料光學元件通常是最佳選擇。G-S Plastic Optics公司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元件(見圖2)?！斑@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公司新業(yè)務開發(fā)總監(jiān)Will Beich表示，“每個光學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?！拔覀冞x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，通過定制設計托盤以與我們的封裝和鍍膜設施協(xié)同工作，使整個制造過程進一步簡化，從而提高了整體生產(chǎn)力?！盉eich補充道。

鍍膜的塑料光學元件的另一個常見的應用領域是眼鏡?！澳壳?，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)的進步?！監(jiān)pticote公司總裁Edwin Ellefsen說，“除了光學和美觀要求外，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)，因此會導致鍍膜不牢固或受損?！盓llefsen補充說，“另外，人們經(jīng)常會用含有化學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?！?/p>

為了滿足眼鏡片的應用需求，Opticote公司對鏡片的基材仔細分類，并通過適當?shù)乃院腿軇┬颓逑床襟E清洗。經(jīng)過徹底干燥后，進行真空表面處理，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。

圖3：兩個鏡片的圓頂部分正準備裝入真空鍍膜室。塑料光學元件的另一個應用領域是飛行硬件。例如，在抬頭顯示器(HUD)應用中，元件的重量是一個重要的考慮因素。塑料光學元件是HUD應用的理想選擇。像許多其他復雜的光學系統(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)，以支持塑料光學元件邁入更多的新興應用領域。

超越傳統(tǒng)的鍍膜目前，德國應用光學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元件上建力防反射的納米結(jié)構(gòu)(見圖4)。

圖4：對聚合物材料如有機玻璃(PMMA)進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，F(xiàn)raunhofer 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元件，也可用于塑料光學元件。

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，F(xiàn)raunhofer 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。

圖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。