塑料光學(xué)元件鍍膜逐漸滿足高端�(yīng)用需�
過去一直用于低�、一次性、非成像消費(fèi)類應(yīng)用的塑料光學(xué)元件(或稱聚合�/有機(jī)光學(xué)元件)，已�(jīng)在性能和耐用性方面獲得了大幅提升，并且正在�(jìn)入非傳統(tǒng)工業(yè)、汽車和�(yī)藥等行業(yè)。這些新的�(yīng)用不僅對塑料光學(xué)元件本身提出了挑�(zhàn)，而且也對附著其上的光�(xué)鍍膜提出了挑�(zhàn)。業(yè)界的一位鍍膜專家曾指出：“如果沒�光學(xué)鍍膜，幾乎所有的�(xiàn)代光�(xué)�(yīng)用或系統(tǒng)都將失敗?�?/p>
目前，業(yè)界正在開�(fā)并商用適用于�(shù)碼相�(jī)、條形碼掃描器、光纖傳感器與通信�(wǎng)�(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�(xué)元件的青睞與日俱�，一些新的鍍膜技�(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�(xué)元件相比，塑料光�(xué)元件的重量要�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�(yīng)用以及重�(fù)使用或一次性醫(yī)療器�(如腹腔鏡)等領(lǐng)�。此�，由于塑料光�(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�，降低制造成��
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�(yīng)�，丙烯酸(卓越的透明�)、聚碳酸�(最佳的沖擊�(qiáng)�)和環(huán)烯烴(高耐熱性和耐用�，較低的水吸�)等常用材料的傳輸波長范圍�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��
厚層鍍膜(厚度通常�1μm或更�)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�。薄層鍍膜包括二氧化�(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�(Al)、銀(Ag)和金(Au)。氟化物或氮化物則很少用于鍍�，因?yàn)橐@得好的鍍膜質(zhì)�，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�，盡管塑料光�(xué)元件具有諸多�(yōu)�(diǎn)，它們的使用也會帶來一些新的挑�(zhàn)?！耙恍┻m用于玻璃光學(xué)元件的鍍膜設(shè)�，可能并不適用于塑料光學(xué)元件，因?yàn)樗芰瞎鈱W(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公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O(shè)ptical Dynamics公司的一種稱為NanoClear的鍍膜系�(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�(見圖1)�
�1：經(jīng)過壓痕后，塑料光�(xué)元件上的真空鍍膜顯示出了脆性破�(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�，經(jīng)過壓痕后并沒有出�(xiàn)破損(上圖b)。該鍍膜可用于反射膜或增透膜(下圖)�
�(yīng)�
�(dāng)重量、成本和易于組裝性是使用一個光�(xué)元件的主要考慮因素時，塑料光學(xué)元件通常是最佳選�。G-S Plastic Optics公司目前正在為一家財�500�(qiáng)公司定制一種用于掃描儀中的反射光學(xué)元件(見圖2)?！斑@個高精密元件�(shí)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�，并沿著�(chǎn)品的長度分部?！盙-S Plastic Optics公司新業(yè)�(wù)開發(fā)總監(jiān)Will Beich表示，“每個光�(xué)元件的位置精度約為� 30μm，形狀公差�3μm以內(nèi)。為了減少掃描儀中的雜散�，要對光�(xué)元件鍍上增強(qiáng)的鋁�?�?/p>
�2：為一種專用掃描儀定制的反射光�(xué)元件，由球形元件和非球形元件�(gòu)成的陣列組成(有鍍鋁膜和未鍍膜�)。Beich表示，之所以選擇鍍鋁膜，是�?yàn)樗芊瓷淇梢姽猓⑶冶茹y膜更�(huán)保耐用。“我們選擇自己對�(chǎn)品鍍�，這樣我們就能更充分地控制生�(chǎn)中的所有環(huán)節(jié)。在這種情況�，通過定制�(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�(jìn)一步簡�，從而提高了整體生產(chǎn)�?！盉eich�(bǔ)充道�
鍍膜的塑料光�(xué)元件的另一個常見的�(yīng)用領(lǐng)域是眼鏡?！澳壳埃坨R片上的防反射(AR)鍍膜已經(jīng)非常普遍，超�95%的眼鏡都使用塑料鏡片，而為鏡片鍍膜確實(shí)是一個技�(shù)奇跡，它代表�20年來鍍膜技�(shù)的�(jìn)�。”O(jiān)pticote公司總裁Edwin Ellefsen�，“除了光�(xué)和美觀要求�，物理耐用性為鏡片鍍膜帶來了特殊的挑戰(zhàn)。首�，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�、聚碳酸酯等。這些基體材料材具有吸水�(這將�(dǎo)致鍍膜會受到來自基體材料方面的水蒸汽的損�)和較高的熱膨脹系�(shù)，因此會�(dǎo)致鍍膜不牢固或受�。”Ellefsen�(bǔ)充說，“另外，人們經(jīng)常會用含有化�(xué)物品的液體清洗鏡�，用粗糙的紙巾或手帕擦拭鏡片，冬季還要忍耐室�(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�?�?/p>
為了滿足眼鏡片的�(yīng)用需�，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，�(jìn)行真空表面處�，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�，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��
�3：兩個鏡片的圓頂部分正準(zhǔn)備裝入真空鍍膜室。塑料光�(xué)元件的另一個應(yīng)用領(lǐng)域是飛行硬件。例�，在抬頭顯示�(HUD)�(yīng)用中，元件的重量是一個重要的考慮因素。塑料光�(xué)元件是HUD�(yīng)用的理想選擇。像許多其他�(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)一�，在HUD中為了避免雜散發(fā)射引起的散射�，因此需要鍍上防反射�。雖然也可以鍍上高反射的金屬膜和多層氧化物增�(qiáng)�，但是依然需要業(yè)界繼�(xù)開發(fā)新技�(shù)，以支持塑料光學(xué)元件邁入更多的新興應(yīng)用領(lǐng)��
超越傳統(tǒng)的鍍膜目�，德國應(yīng)用光�(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�(xué)元件上建力防反射的納米結(jié)�(gòu)(見圖4)�
�4：對聚合物材料如有機(jī)玻璃(PMMA)�(jìn)行直接等離子體刻�，創(chuàng)建出亞微米級的表面結(jié)�(gòu)(a)，以此作為防反射�(b)�
生物仿生研究�(fā)�(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)�(gòu)，作為防反射�。[1]在這項(xiàng)研究�，聚合物光學(xué)元件具有�(dú)特的�(yōu)勢：這些表面�(jié)�(gòu)可以在聚合物光學(xué)元件�(nèi)部或是在有機(jī)涂層材料(如三聚氰�)中直接制�，而這些有機(jī)涂層材料既可用于玻璃光學(xué)元件，也可用于塑料光�(xué)元件�
研究人員已經(jīng)為有�(jī)玻璃(PMMA)、聚碳酸酯開�(fā)出了專門的鍍膜過程。最�，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�，并沒有投入生產(chǎn)，但是結(jié)果已�(jīng)令人非常滿意，它在降低車輛的重量方面具有較大的潛��
�5：用有機(jī)玻璃為奧迪A6制造的儀表盤窗口，左圖沒有鍍�，右圖鍍有防反射膜�