塑料光学元件镀膜逐渐满足高端应用需求

过去一直用于低端、一次性、非成像消费类应用的塑料光学元件（或称聚合物/有机光学元件），已经在性能和耐用性方面获得了大幅提升，并且正在进入非传统工业、汽车和医药等行业。这些新的应用不仅对塑料光学元件本身提出了挑战，而且也对附着其上的光学镀膜提出了挑战。业界的一位镀膜专家曾指出：“如果没有光学镀膜，几乎所有的现代光学应用或系统都将失败。”
      
目前，业界正在开发并商用适用于数码相机、条形码扫描器、光纤传感器与通信网络以及生物计量安全系统等领域的光学镀膜。随着市场对低成本、高性能的塑料光学元件的青睐与日俱增，一些新的镀膜技术已经涌现出来以满足新的应用需求。

为何选择塑料光学元件？
         
与玻璃光学元件相比，塑料光学元件的重量要轻2~5倍，这使得它们更加适用于夜视头盔、现场便携式成像应用以及重复使用或一次性医疗器械（如腹腔镜）等领域。此外，由于塑料光学元件可以根据安装需要模塑成型，因此能大幅减少装配步骤，降低制造成本。
      
塑料光学元件可用于大部分可见光应用中。对于其他近紫外和近红外应用，丙烯酸（卓越的透明度）、聚碳酸酯（最佳的冲击强度）和环烯烃（高耐热性和耐用性，较低的水吸收）等常用材料的传输波长范围为380~100nm）。在塑料光学元件表面增加镀膜，是为了提升其传输或反射性能，增加耐用性。
      
厚层镀膜（厚度通常约1μm或更厚）主要起到保护层的作用，同时也能为随后的薄层镀膜改善附着性和牢固性。薄层镀膜包括二氧化硅（SiO2）、氧化钽、氧化钛、氧化铝、氧化铌以及铪氧化物（SiO2、Ta2O5、TiO2、Al2O3、Nb3O5和HfO2）；典型的金属镜面镀膜有铝（Al）、银（Ag）和金（Au）。氟化物或氮化物则很少用于镀膜，因为要获得好的镀膜质量，需要较高的热量，这与塑料元件镀膜所需要的低热量沉积条件不符。

然而，尽管塑料光学元件具有诸多优点，它们的使用也会带来一些新的挑战。“一些适用于玻璃光学元件的镀膜设计，可能并不适用于塑料光学元件，因为塑料光学元件具有较高的热膨胀系数。为了消除附着性和开裂问题，Optical Dynamics公司提供了另一种替代方案：液体聚合物纳米复合材料镀膜。应用来自Optical Dynamics公司的一种称为NanoClear的镀膜系统，不需要真空室就能完成镀膜，并且具有类似于聚合物基材的热膨胀性能，从而能避免由于过热引起的开裂问题（见图1）。



图1：经过压痕后，塑料光学元件上的真空镀膜显示出了脆性破坏（上图a）。作为一种替代方案，无需使用真空室的液体聚合物纳米复合材料镀膜，经过压痕后并没有出现破损（上图b）。该镀膜可用于反射膜或增透膜（下图）。
      
应用

当重量、成本和易于组装性是使用一个光学元件的主要考虑因素时，塑料光学元件通常是最佳选择。G-S Plastic Optics公司目前正在为一家财富500强公司定制一种用于扫描仪中的反射光学元件（见图2）。“这个高精密元件实际上是一个阵列，该阵列由15个球形元件和15非球形元件组成，并沿着产品的长度分部。”G-S Plastic Optics公司新业务开发总监Will Beich表示，“每个光学元件的位置精度约为± 30μm，形状公差在3μm以内。为了减少扫描仪中的杂散光，要对光学元件镀上增强的铝膜。”  



图2：为一种专用扫描仪定制的反射光学元件，由球形元件和非球形元件构成的阵列组成（有镀铝膜和未镀膜的）。Beich表示，之所以选择镀铝膜，是因为它能反射可见光，并且比银膜更环保耐用。“我们选择自己对产品镀膜，这样我们就能更充分地控制生产中的所有环节。在这种情况下，通过定制设计托盘以与我们的封装和镀膜设施协同工作，使整个制造过程进一步简化，从而提高了整体生产力。”Beich补充道。

镀膜的塑料光学元件的另一个常见的应用领域是眼镜。“目前，眼镜片上的防反射（AR）镀膜已经非常普遍，超过95％的眼镜都使用塑料镜片，而为镜片镀膜确实是一个技术奇迹，它代表了20年来镀膜技术的进步。”Opticote公司总裁Edwin Ellefsen说，“除了光学和美观要求外，物理耐用性为镜片镀膜带来了特殊的挑战。首先，眼镜片通常是由众多的基体材料制造而成，这些材料通常包括二甘醇烯丙基碳酸酯、聚碳酸酯等。这些基体材料材具有吸水性（这将导致镀膜会受到来自基体材料方面的水蒸汽的损伤）和较高的热膨胀系数，因此会导致镀膜不牢固或受损。”Ellefsen补充说，“另外，人们经常会用含有化学物品的液体清洗镜片，用粗糙的纸巾或手帕擦拭镜片，冬季还要忍耐室内外较大的温差，偶尔还会不小心正面朝下从桌子上滑落到地上……因此，对镜片的耐油性的要求可见一斑。”

为了满足眼镜片的应用需求，Opticote公司对镜片的基材仔细分类，并通过适当的水性和溶剂型清洗步骤清洗。经过彻底干燥后，进行真空表面处理，之后是附着层和面向基材的屏障层（见图3）。接下来再镀防反射膜，随后是更多的屏障层，最后，用化学方法镀上一层不易被水沾湿的/憎油的顶层膜，以保持镀膜镜片的清洁。



图3：两个镜片的圆顶部分正准备装入真空镀膜室。塑料光学元件的另一个应用领域是飞行硬件。例如，在抬头显示器（HUD）应用中，元件的重量是一个重要的考虑因素。塑料光学元件是HUD应用的理想选择。像许多其他复杂的光学系统一样，在HUD中为了避免杂散发射引起的散射光，因此需要镀上防反射膜。虽然也可以镀上高反射的金属膜和多层氧化物增强膜，但是依然需要业界继续开发新技术，以支持塑料光学元件迈入更多的新兴应用领域。

超越传统的镀膜目前，德国应用光学和精密工程弗劳恩霍夫研究所（Fraunhofer IOF）正在研究一些创新的等离子蚀刻过程，以期能直接在聚合物光学元件上建力防反射的纳米结构（见图4）。





图4：对聚合物材料如有机玻璃（PMMA）进行直接等离子体刻蚀，创建出亚微米级的表面结构（a），以此作为防反射膜（b）。

生物仿生研究发现，蛾虫的眼睛具有卓越的防反射弧性能，Fraunhofer IOF的研究人员一直努力在聚合物材料中制造亚微米级别的蛾眼结构，作为防反射膜。[1]在这项研究中，聚合物光学元件具有独特的优势：这些表面结构可以在聚合物光学元件内部或是在有机涂层材料（如三聚氰胺）中直接制造，而这些有机涂层材料既可用于玻璃光学元件，也可用于塑料光学元件。

研究人员已经为有机玻璃（PMMA）、聚碳酸酯开发出了专门的镀膜过程。最近，Fraunhofer IOF已经为奥迪车制造了一种聚合物仪表盘窗口，其在外表面上通过等离子体离子辅助沉积（PIAD）方法沉积了坚硬的防反射膜（见图5）。虽然奥迪仪表盘窗口是一个展示样品，并没有投入生产，但是结果已经令人非常满意，它在降低车辆的重量方面具有较大的潜力。



图5：用有机玻璃为奥迪A6制造的仪表盘窗口，左图没有镀膜，右图镀有防反射膜。（作者：Gail Overton）

参考文献
1. U. Schulz et al., Chinese Opt. Lett., 8, Supplement, 1–3 (April 2010).

塑料镀膜确实很实用