单色仪测试光学薄膜透过率的方法讨论

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摘 要:光学薄膜的应用不仅涉及光学元件领域,也是各类显示器如LCD､OLED中实现发光的重要组成部分｡从单色仪的测试原理出发,阐述测试光学薄膜透过率参数的方法,从分光效果､光强和单色性三个方面出发分析测试过程中存在的问题,提出解决意见,对光学薄膜的应用有一定的指导意义｡

关键词:单色仪;光学薄膜;透过率

中图分类号:TB43文献标识码:A

Discussion onTesting Method of Optical Thin Film's Transmissivity by Monochromator

WEI Nan1,ZHANG Fang-hui1,LI Zhi-feng2

(1.College of Electronic and Information,Shanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021,China,;2.Shanxi Keda Electric Company Ltd.,xianyang)

Abstract: Optical thin film is not used in the field of optical element,but also the important constituent part used for luminesence in series of display,such as LCD､OLED.Based on the principles of monochromator ,expound the method of testing transmissivity parameter of optical thin films.Propose solutions after analyze the problems in test which based on three ways that the spectroscopic effects､light intensity and monochromaticity. This study has a certain of practical significance to the application of optical thin films.

Keywords: monochromator;optical thin film;transmissivity

引 言

对光学薄膜如反射膜､减反射膜､偏振膜､干涉滤光片等的研究一直以来都受到科学技术工作者的重视｡光学薄膜技术中通过理论研究､实验分析,寻找新材料,通过改进薄膜制备工艺,获得高品质器件｡

在光学器件领域,光学透镜中的减反射膜可以减少十倍以上的光通量损失,激光器中用高反射比的反射镜成倍提高输出功率,硅光电池中利用光学薄膜提高效率和稳定性｡在显示器领域,已日渐成熟的LCD显示､新兴的OLED显示器等,都离不开对光学薄膜的应用,如彩色滤色片､透明导电薄膜､增量膜､电子传输层等等｡背光系统是LCD中提供充足强度､均匀亮度光源的重要组件,而光学膜的成本就接近整个背光系统的一半｡光从背光源传输到面板表面过程中,经过导光板､扩散层､增量膜､偏光片､滤色膜､取向层等每一层都伴有部分的光损失,而真正到达人眼的光强只占背光源初始光强的百分之几左右｡在以往的基础上人们也一直在探索新的应用型光学薄膜,如目前ZnO､Alq等新型薄膜的研究和制备｡从薄膜特性入手尤其是透过率参数的改善,来提高薄膜品质特性变得尤为重要｡光学薄膜可以玻璃､陶瓷､光学塑料､光学晶体､金属等作为依附体,其中仍以玻璃基板表面镀光学薄膜的应用为多｡

1 测试原理

镀膜物质的不同因其分子结构的差异,对不同波长的光的吸收､反射程度也不同,从而影响薄膜的透过率｡由于薄膜的透过率随光波长的变化而变化,照明系统A发出的复色光(常用可见光､紫外光)经过光学薄膜进入分光系统B,借助B中光栅的分光作用筛选出不同波长单色光,经接收系统C由光电倍增管转换为光强信号显示出来,通过未放光学薄膜前的初始光强和放置光学薄膜后的透过光强间的相对关系,可描绘出所镀光学薄膜的透过率曲线,反应薄膜的透过率情况(如图1所示)｡

2 测试系统

光学系统中分光单元包括三类:一类是棱镜光谱仪,现已少用;另一类是衍射光栅分光,目前广泛应用;第三类是频率调制的傅里叶变换光谱仪｡本文为第二类光栅分光系统｡

2.1 照明系统

调节钨灯､透镜中心的水平,并调节各部分间距使光学薄膜正好落在透镜的焦平面上(如图2所示)｡图中:a､光源:选用钨灯,提供可见光范围波长的光; b､凸透镜:将入射光线会聚到光学薄膜表面; c､光学薄膜板:镀有光学膜层的玻璃基板｡

2.2 分光系统

光学薄膜F置于分光系统入射狭缝S1处,会聚光①透过光学薄膜进入狭缝S1,S1位于离轴抛物镜M1的焦面上,从而使入射光经M1反射后变为平行光射向光栅G｡经光栅色散后,形成不同波长的平行单色光束并以不同的衍射角度出射,照射到反射镜M2分别会聚成像,恰好会聚到出射狭缝S2的单色光②从狭缝S2射出,会聚到其它位置或没有照射到反射镜M2上的单色光则被分光系统内壁挡住,不会出射｡光栅G安装在转台R上,按某一方向缓慢旋转R就会将不同波长的单色光依次聚焦到出射狭缝S2上,这样相应波长的光就会依次射出狭缝S2(如图3所示)｡

相对于棱镜,光栅的分光能力更强,且出射光波长与光栅衍射角有着简单的对应关系｡选用刻线密度为1,200条/mm的反射式平面衍射光栅,在光栅方程d(sinφ+sinθ)=kλ,(k=0,±1,±2.....)中:d为光栅常数,即连续刻槽间的距离;φ为入射角,即入射光和光栅法线的夹角;θ为衍射角,即衍射光和光栅法线的夹角;k为光谱线级数｡复色光垂直照射光栅上,光栅方程变为dsinθ=kλ,k不为零时,不同波长λ的光对应不同的衍射角θ,不同波长的光便被分解开了｡

2.3 接收系统

由出射狭缝S2出射的单色光经接收系统转换为电信号,并以相对数值的形式显示出来｡显示与调节面板C一方面给光电倍增管B提供一个可调的负高压(一般选择-500V左右),另一方面显示出射光强的强弱(如图4所示)｡

出射光照射到光电倍增管(图5)的光电阴极K上,由于光电效应,光电阴极K被激发而逸出光电子,光电子在极间负高压的作用下被逐级加速飞向阳极A,在加速的过程中光电子以高速度轰击倍增极D1~D5,使倍增极产生二次电子发射,电子数目逐级大量增加,最终到达阳极的电子形成很大的阳极电流｡倍增极的倍增因子通常为常数,因此当光信号变化时,阴极发射的电子的数目也随之变化,即形成的阳极电流随着光信号的变化而变化,由此来反映经光学薄膜的不同波长出射光光强的变化｡

2.4 测试常见问题及分析

(1) 分光效果:为使光栅起到较好的分光效果,入射光应刚好照射满整个离轴抛物镜的镜面,因此可以通过调节凸透镜和入射狭缝的距离控制入射光张角的大小,调节照明系统时先定凸透镜位置再定光源位置,尽量满足d/l=D/f,其中d和l分别为透镜狭缝间距和凸透镜高度,D/f是离轴抛物镜的相对孔径比｡

(2)光强:由于光学薄膜常依附于玻璃基板上,因此在测试中可采用相对测量原理和多点测试平均法减小玻璃基板带来的误差｡若将光线通过光学薄膜玻璃时的显示读数记为T1,取一块和所测的光学薄膜玻璃相同规格的无薄膜覆盖的玻璃基板,将通过基板时的读数记为T2,则光学薄膜的透光率可表示为T=T1/T2,其中T1､T2是在测试片上选取不同点所读数值的平均值｡

(3)单色性:分光系统借助于出射狭缝筛选出进入光电倍增管的各波长的单色光,因此对与狭缝缝宽的选择为:一方面使缝宽尽可能窄,使相邻两波长的光尽可能分开;另一方面,缝的宽窄要保证有一定大小的显示读数,一般选择缝宽约0.015 mm左右｡同时要求测试在暗室中进行｡

3 结 语

光学薄膜可应用于各种反射和投射光学元件,对光学薄膜的研究不仅能改善显示器的性能,也是实现液晶显示器中功能薄膜设计开发所必须的手段,可以说,如果没有这些光学薄膜液晶显示器的可视品质将无从谈起｡光学薄膜透过率参数的测试是薄膜技术领域一个主要的方面｡

参考文献

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作者简介:魏楠(1982-),女,陕西咸阳人,助教,从事平板显示基础理论的研究,E-mail:｡