1 光学フィルムの原理
この記事では、光学薄膜の原理、よく使われる設計ソフト、コーティング技術について紹介します。
光学フィルムが反射防止、高反射、光分割などの独自の機能を実現できる基本原理は、薄膜の光の干渉です。薄膜は通常、交互に重ねられた高屈折率材料層と低屈折率材料層の1つ以上のグループから構成されます。これらのフィルム層の材料は通常、酸化物、金属、またはフッ化物です。フィルムの層数、厚さ、層の種類を設定することで、層間の屈折率の違いによりフィルム層間の光の干渉を調整し、必要な機能を得ることができます。
この現象を説明するために、一般的な反射防止コーティングを例に挙げてみましょう。干渉を最大化または低減するために、コーティング層の光学的厚さは通常 1/4 (QWOT) または 1/2 (HWOT) です。下の図では、入射媒質の屈折率が n0、基板の屈折率が ns です。したがって、干渉キャンセル条件を生み出すことができるフィルム材料の屈折率の全体像を計算することができます。フィルム層の上面で反射した光線をＲ１、フィルム層の下面で反射した光線をＲ２とする。フィルムの光学的厚さが１／４波長の場合、Ｒ１とＲ２の光路差は１／２波長となり、干渉条件が満たされ、干渉相殺干渉が生じる。現象。
このようにして、反射ビームの強度は非常に小さくなり、それによって反射防止の目的が達成される。
2 光学薄膜設計ソフト
技術者がさまざまな特定の機能を満たすフィルム システムを設計しやすくするために、薄膜設計ソフトウェアが開発されました。この設計ソフトウェアには、一般的に使用されるコーティング材料とそのパラメータ、膜層シミュレーションと最適化アルゴリズム、および分析機能が統合されており、技術者による開発と分析が容易になります。各種フィルムシステム。一般的に使用されるフィルムデザインソフトウェアは次のとおりです。
A.TFCalc
TFCalc は、光学薄膜の設計と解析のための汎用ツールです。さまざまなタイプの反射防止、高反射、バンドパス、分光、位相、その他のフィルム システムの設計に使用できます。 TFCalc は、片面に最大 5,000 のフィルム層を備えた基板上の両面フィルム システムを設計できます。フィルムスタック式の入力をサポートし、コーンビーム、ランダム放射ビームなどのさまざまなタイプの照明をシミュレートできます。第二に、ソフトウェアには特定の最適化機能があり、極値法や変分法などの方法を使用して最適化できます。反射率、透過率、吸光度、位相、偏光解析パラメータ、およびフィルム システムのその他のターゲット。ソフトウェアには、反射率、透過率、吸光度、偏光解析パラメータ解析、電場強度分布曲線、フィルムシステムの反射および透過色解析、結晶制御曲線計算、フィルム層の許容差および感度解析、歩留まり解析などのさまざまな解析機能が統合されています。 TFCalc の操作インターフェイスは次のとおりです。
上図の操作画面でパラメータや境界条件を入力し最適化することで、ニーズに合ったフィルムシステムを得ることができます。操作は比較的シンプルで使いやすいです。
B. マクラウドのイチ押し
Essential Macleod は、真のマルチドキュメント操作インターフェイスを備えた完全な光学フィルム解析および設計ソフトウェア パッケージです。単純な単層膜から厳密な分光膜まで、光学コーティング設計におけるさまざまな要件に対応できます。 、波長分割多重 (WDM) および高密度波長分割多重 (DWDM) フィルターも評価できます。ゼロから設計することも、既存の設計を最適化することもでき、設計内のエラーを調査することもできます。機能が豊富で強力です。
ソフトウェアの設計インターフェイスを次の図に示します。
C. オプティレイヤー
OptiLayer ソフトウェアは、パラメータ - 設計 - 製造 - 反転解析という光学薄膜のプロセス全体をサポートします。これには、OptiLayer、OptiChar、OptiRE の 3 つの部分が含まれています。ソフトウェアの機能を拡張できる OptiReOpt ダイナミック リンク ライブラリ (DLL) もあります。
OptiLayer は、設計から目標までの評価関数を検討し、最適化を通じて設計目標を達成し、製造前エラー分析を実行します。 OptiChar は、薄膜理論におけるさまざまな重要な要素の下で、層材料のスペクトル特性とその測定されたスペクトル特性の間の差分関数を調べ、より優れた現実的な層材料モデルと現在の設計に対する各要素の影響を取得し、その用途を指摘します。この材料層を設計する際に考慮する必要がある要素はありますか? OptiRE は、設計モデルの分光特性と、製造後に実験的に測定されたモデルの分光特性を検査します。エンジニアリングインバージョンにより、生産中に発生するエラーを取得し、生産プロセスにフィードバックして生産を誘導します。上記モジュールはダイナミックリンクライブラリ機能により連携することができ、フィルムの設計から制作までの一連のプロセスにおいて、設計、修正、リアルタイムモニタリングなどの機能を実現します。
3 コーティング技術
めっき方法の違いにより、化学的コーティング技術と物理的コーティング技術の2つに分類できます。化学コーティング技術は主に浸漬めっきとスプレーめっきに分けられます。この技術は汚染が多く、フィルムの性能も劣ります。これは徐々に新世代の物理的コーティング技術に取って代わられつつあります。物理コーティングは、真空蒸着法やイオンプレーティング法などにより行われます。真空コーティングとは、金属や化合物などの膜材料を真空中で蒸着（またはスパッタリング）させ、被塗物上に蒸着する方法です。真空環境では、コーティング装置は不純物が少ないため、材料表面の酸化を防ぎ、スペクトルの均一性と膜の厚さの均一性を確保できるため、広く使用されています。
通常、１気圧は１０の５乗Ｐａ程度であり、真空塗装に必要な気圧は一般に１０の３Ｐａ以上であり、高真空塗装に属する。真空コーティングでは、光学部品の表面を非常にきれいにする必要があるため、処理中の真空チャンバーも非常にきれいにする必要があります。現在、クリーンな真空環境を得る方法は、一般に真空引きを使用することです。油拡散ポンプ、分子ポンプや凝縮ポンプを使用して真空を引き、高真空環境を実現します。油拡散ポンプには冷却水と補助ポンプが必要です。それらはサイズが大きく、高エネルギーを消費するため、コーティングプロセスに汚染を引き起こす可能性があります。分子ポンプは通常、その動作を補助する補助ポンプを必要とし、高価です。対照的に、凝縮ポンプは汚染を引き起こしません。補助ポンプが不要で効率が高く信頼性が高いため、光学式真空成膜に最適です。一般的な真空コーティング機の内部チャンバーを次の図に示します。
真空コーティングでは、フィルム材料をガス状態まで加熱してから、基板の表面に堆積させてフィルム層を形成する必要があります。めっき方法の違いにより、熱蒸着加熱、スパッタリング加熱、イオンプレーティングの3種類に分けられます。
蒸着加熱では、通常、抵抗線や高周波誘導を利用してるつぼを加熱し、るつぼ内のフィルム材料を加熱・蒸発させて被膜を形成します。
スパッタリング加熱には、イオンビームスパッタリング加熱とマグネトロンスパッタリング加熱の２種類があります。イオンビームスパッタリング加熱では、イオンガンを使用してイオンビームを放出します。イオン ビームは特定の入射角でターゲットに衝突し、その表面層をスパッタリングします。原子が基板の表面に堆積して薄膜を形成します。イオンビームスパッタリングの主な欠点は、ターゲット表面に照射される領域が小さすぎることと、一般に堆積速度が遅いことです。マグネトロンスパッタリング加熱とは、電界の作用下で電子が基板に向かって加速することを意味します。このプロセス中に、電子がアルゴンガス原子と衝突し、多数のアルゴンイオンと電子がイオン化します。電子は基板に向かって飛び、アルゴンイオンは電場によって加熱されます。ターゲットは、ターゲットの作用下で加速および衝突され、ターゲット内の中性ターゲット原子が基板上に堆積して膜を形成する。マグネトロンスパッタリングは、高い成膜速度、低い基板温度、良好な膜密着性を特徴としており、大面積の成膜が可能です。
イオンプレーティングとは、ガス放電によりガスや蒸発物質の一部をイオン化し、ガスイオンや蒸発物質イオンを衝突させて基板上に蒸着させる方法です。イオンプレーティングは、真空蒸着とスパッタリング技術を組み合わせたものです。蒸着プロセスとスパッタリングプロセスの利点を組み合わせており、複雑な膜システムでワークピースをコーティングできます。
4 結論
この記事では、まず光学フィルムの基本原理を紹介します。フィルムの枚数や厚さ、フィルム層間の屈折率差を設定することで、フィルム層間で光線を干渉させ、必要なフィルム層の機能を得ることができます。次に、この記事では、誰もがフィルム デザインについて予備的に理解できるように、一般的に使用されるフィルム デザイン ソフトウェアを紹介します。記事の第3回では、実際に広く使われている真空成膜技術を中心に、成膜技術について詳しく紹介します。この記事を読むことで、皆さんも光学コーティングについてよりよく理解できると思います。次回は、塗装部品の塗装試験方法についてご紹介しますので、ご期待ください。
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投稿時刻: 2024 年 4 月 10 日
