光線透過望遠鏡的光學玻璃透鏡時,在前后空氣表面時都有一部分光被反射,反射光量與鏡片的折射率有關,以折射率為1.5的鋇冕光學玻璃為例,前表面反射光約為4%,后表面的反射光約為3.8%。在不考慮吸收的情況下,透光率為92.2%。如果有六個透鏡,將有50%或者更多的光線被反射。
減反增透是一項聯系緊密但相互獨立的工作,即使不增透也要減反,因為反光強不僅會使成像灰暗,更主要的是鏡片表面和鏡筒內鏡片間的反射會形成的嚴重眩光和重影降低景物的對比度,干擾觀察。這也是為什么不能用強反射鍍膜配大口徑物鏡來改善亮度的原因。
在鏡面上鍍上一層減反增透膜,能減少了雜散眩光和重影,增加光的透射率,從而提高成像質量和亮度。一具望遠鏡平均有10-16個玻璃?D空氣介面,比如采用雙膠合目鏡、普羅棱鏡、凱爾納目鏡、阿貝爾目鏡或普羅素目鏡的望遠鏡有10個界面;采用同樣目鏡和棱鏡,但是采用5片3組或6片4組愛樂弗目鏡的望遠鏡分別有12或14個界面;選擇雙分離物鏡,6片4組廣角目鏡的大口徑高倍望遠鏡有16個界面。工業上通常要求10個左右空氣?D玻璃表面的光學儀器有82%以上的透光率,12-16個表面的儀器有75%以上的透光率。實際工藝*作中,一般還要留10%的余量。
事實上鍍膜鏡頭的表面反射由鍍膜厚度引起的光干涉反射和有折射率引起的自然反射兩個因素共同影響。
根據干涉理論,兩束同頻、等幅的光波沿著同一路徑傳播時,如果的位相差半波長的偶數倍,合振幅為99%,這時照射在介質表面的光被反射;而當位相差半波長的奇數倍,合振幅為0,這時因為干涉現象引起的反射最小,介質表面的反射由其折射率決定的自然反射水平。減反膜應用了干涉原理,使鍍膜的表面上的反射光和入射光干涉抵消來降低因為光波干涉造成的反光強度。
由于光線在光密界質?D鍍膜中的傳播速度小于空氣中傳播速度,設 nc 為光學膜面的折射率:
當光程差=(2n+1)λ/4nc 時
會造成鍍膜表面該波長的反射光抵消,同時反射光的顏色向λ波長光的補色改變。
光學鏡片的透光率受空氣和介質的折射率影響,設空氣折射率為na介質折射率為ng,光線垂直入射,通過以下公式可以計算光學鏡片的反射率和透光率:
反射率=[ (ng-na) / (ng+na) ]2
透光率=4×na×ng / (na+ng)2
鍍膜介質的透光率為:
鍍膜介質的透光率=[ 4×na×nc / ( na+nc )^2] × [ 4×nc×ng / ( nc+ng )^2]
由上可知,鏡片的折射率越低反射率就越低,使用折射率小于鏡片的折射率的光學鍍膜可以增加透光率。
且當 nc<ng 且 nc=√na×ng 時鍍膜鏡片的反射率為0,由于 na=1 所以 nc=√ng 鍍膜鏡片反射率為0
一、鏡頭鍍減反增透膜 (c)
在物鏡或物鏡和目鏡表面鍍單層減反增透膜叫鏡頭鍍膜。鍍膜折射率小于鏡片的折射率時,當nc=√ng并且鍍膜厚度為光在膜層中波長的1/4的奇數倍時 d=λ/4nc,對于波長為λ的垂直入射光能消除反射。所以對于ng = 1.5 的鋇冕光學玻璃,可以容易地計算出鍍膜的厚度,折射率為1.22。但是折射率這樣小的鍍膜材料不易找到,所以一般都用折射率為1.38的氟化鎂制單層減反增透膜,對于ng = 1.5 的鋇冕光學玻璃能在λ上取得1.3%和平均約1.5%的反射率,但對于折射率較高的光學玻璃,單層二氟化鎂?D?DMgF2已能達到很好的減反增透效果。
從三棱鏡分光原理可知,光學玻璃對不同波長的光線的折射率是不同的。望遠鏡常用的鋇冕光學玻璃對長波紅光的折射率明顯小于對短波藍光的折射率,所以對紅光的折射率更接近理想折射率,光學玻璃對長波光有偏向透過的特性。
根據干涉原理,中心波長λ的鍍膜對該波長的光的減反作用,但在其他波長上這時照射在介質表面的光的相位相差不再是半波長的奇數倍,而逐漸接近半波長的偶數倍,反射損失逐漸增加。所以只要遠離鍍膜中心波長即使在介質偏向增透的長波方向上也不能達到理想的增透效果。
以上兩個因素的共同作用改變了鍍膜鏡頭對色彩的還原特性,造成了單層鍍膜偏色的特性。但是由于消色鏡頭中火石玻璃的對偏向透過性反作用,中心波長的選擇造成的影響是主要的。
除了提高的光透過率,減反膜還應該有中性的色彩還原。為了設計色彩還原中性的單層減反膜的,一般中心波長選擇在480nm-540nm的藍?D青色光段,而且以480nm-520nm為多。因為加上光學玻璃對光的吸收,在短波處光線損失比較大,為平衡色彩,單層減反膜的中心波長都盡量偏短,盡量少反射損失短波光。但是中心波長短于460nm,目視很難分辨膜色的中心波長差異,所以比460nm短的單層膜中心波長一般不采用。如不考慮色彩因素,中心波長可選550nm的黃綠光,理由是人眼對這一波長的光線最敏感,而且這一波段波長較長對灰塵和薄霧有較強的穿透力。但同時這種情況下短波光在鏡頭漫反射比較嚴重,進入光路后會嚴重降低景象的對比度,形成嚴重的灰霧現象。為了過濾短波雜光,常在光路中人為使用黃玻璃過濾藍色雜光。
二、全表面單層鍍膜 (FC)
所有接觸空氣的玻璃表面都鍍了單層減反增透膜。如果在所有的空氣介面上都鍍上單層減反增透膜,會在一個波段上取得更高的透光率。為方便工藝,在全表面單層減反膜的設計中,某一片的二個面中心波長通常一致。
三、多層減反增透膜和寬帶膜 (MC)
單層膜的剩余反射率仍顯高,偏色現象比較嚴重。要進一步提高透光率,可用雙層V形增透膜,用層鍍膜控制鏡片的反射率,第二層鍍膜改善光透射率。對于單層氟化鎂膜,光學玻璃的折射率ng是太低,可先鍍一層厚度為λc2/4(λc2為光在鍍膜中的波長)的折射率大于鏡片折射率的一氧化硅膜(折射率為nc2),這時薄膜和基片的組合系統可以用一折射率為v=nc2^2/ng的假想基片來提高鏡片的折射率,然后鍍上一層λc1/4氟化鎂膜層來減少反射率。但對于偏離λ的波長,不能等價也不能滿足干涉相消的條件,故分光曲線呈V形,色彩仍不平衡。
要進一步消除彩斑幻象,平衡色彩可用雙層或多層W形寬帶減反增透膜,多層減反增透膜系還原真實色彩,并不是要求鏡片在可見光(370nm?D680nm)光譜范圍內透過率一致。而是要求在藍、綠、紅光(370nm?D480nm、500-550nm、580nm?D680nm)三個通道通過的光線恰好可以合成標準的白光。這種膜系的反射率曲線在520nm-540nm區間形成一個0.8%左右的反射峰,在440nm和640nm處有二個反射谷,形狀像W曲線,所以叫W形減反增透膜。這種膜系的反光為翠綠色所以也稱減反綠膜。
多層減反增透膜在工藝上一般有以下特點:
1、一般在鏡頭的片的第二面或第二片上鍍多層減反膜,以增加裝飾效果。多層寬帶減反增透膜以翠綠色較多,比較美觀。
2、一般在曲率半役較大的表面上鍍多層膜,以便在工藝上使多層膜的膜色保證均勻。
3、一般在低折射率材料的鏡片上鍍膜。對單層減反膜而言,低折射率基底的減反效果不如高折射率基底的減反效果。而對多層膜而言,多層膜的設計可以在不同折射率基底的材料上實現幾乎相近的減反效果。
4、根據經驗,鍍膜面數在16個左右時,選用2個面鍍多層膜;鍍膜面數在10個左右時,選用一個面鍍多層膜即可基本滿足技術要求。選用多層減反膜,一般在同牌號的玻璃,或折射率接近的不同基底上實施。這樣可以只設計一種多層膜膜系。更重要的是,從工藝實施上更為方便,從上更為有利。
四、全表面多層鍍膜(FMC)
即在所有接觸空氣的玻璃表面都有多層減反增透鍍膜,是鍍膜。采用全表面多層寬帶鍍膜的望遠鏡具有的透光率,視野明亮;色彩還原平衡真實;鏡頭反光很少,很好地控制了眩光和重影,即使在逆光或明亮背景下也能很容易地看清楚陰影里的物體。但是工藝復雜價格昂貴,僅應用在高級的品種上。
五、鍍膜的顏色和反射強度
對于選擇550nm波長的膜系而言,由于有較多的紅光和更多的藍光反射所以鏡頭反光呈藍紫色。由于玻璃吸收和鏡頭反射成像一般偏黃。常見于重視透光效率而對色彩還原要求不嚴的軍民用光學儀器和黑白像機、老式望遠鏡等。這種鍍膜一般叫藍膜。
為了補償光學玻璃對于短波光的吸收,現代光學儀器一般選擇480-520nm的藍?D綠色光作中心波長,對于選擇綠光高頻段(青綠光)作為中心波長的鏡頭鍍膜、全表面鍍膜和雙層窄帶型鍍膜,同選擇550nm波長綠光低頻段(黃綠光)的鍍膜正好相反,鏡頭反射較多的藍光和更多的紅光,呈暗紫紅色。這種膜色在各種彩色鏡頭,光學儀器和望遠鏡中也比較常見。
對于選擇藍光作中心頻率的鏡頭鍍膜、全表面鍍膜和雙層V型鍍膜而言,有較多的綠光和更多的紅光反射,在鏡頭前混合成棕黃或橙黃色反光。由于增透較多的藍光彌補了玻璃吸收,所以色彩比較平衡(有少許色差)。這種鍍膜在各種彩色鏡頭,望遠鏡中應用十分普遍。也叫琥珀色鍍膜。
具體選擇藍?D綠光的那一個波段作中心頻率同光學玻璃基底的吸收特性和廠家的色彩偏好或風格有關。視具體情況而定,二者在性能上等價,無優劣之分。
對于W型寬帶多層鍍膜,在紅光和藍光波段上有兩個增透峰,所以相對而言綠光反色較多,與其他兩個波段的剩余反射相混,鏡頭通常為暗翠綠色。綠色雙峰膜的色彩還原優于以上鍍膜。
多通道寬帶多層鍍膜在三個以上波段增透,一般有3?D4個通道。三通道鍍膜增加了綠色增透峰。這類鍍膜的反光最少,色彩還原最逼真,是的鍍膜。但鏡頭反光卻不像想像的那樣是黑色的,而是很暗的紅色。因為玻璃基底對綠?D藍高頻光有吸收,為了取得中性還原,設計時有意讓極少部分紅黃光反射,以平衡綠?D藍光損失。這樣才能取得鏡頭后面取得白色的混合光。
單層鍍膜和雙層V型鍍膜即使選擇相同的中心頻率,其膜色也是不一樣的,因為對于該頻率的光反射強度不同。但是單層鍍膜的反射明顯強于雙層V型鍍膜,也遠遠強于其他多層膜減反增透膜。鏡頭鍍單層膜、多層膜和全表面鍍膜除顏色略有差異外,表面反光強度則相差較大,所有的全表面鍍膜比只在幾個鏡面上鍍膜的反光強度弱。多層多通道增透減反膜的反射強度又明顯比兩通道的要弱。所以可以從鏡頭反射上判斷一個膜系的優劣,反光越弱、越暗的鏡頭越好。