光学器件防反射膜的3种测评表征方法——基于同一套白光共聚焦成像系统

一、防反射膜的彩色共聚焦测试

1.1、缺陷观察：下图为使用彩色共聚焦显微镜对覆有可见光防反射膜的凸透镜进行观察的案例。在评价膜的分光特性时，通常有将反射光的颜色进行数值化处理，后用于定量分析的方法

使用一般光学显微镜（非共聚焦，如图3a）由于杂散光的影响其表面难以观察，而其彩色共聚焦图像（如图3b）中可清晰的看到刮痕。由轮廓图得到刮痕深度约0.2 µm。

• 防反射膜包覆凸透镜的表面测定：(a) 非共聚焦图像, (b)共聚焦图像（彩色）,(c) X1-X2间的高度轮廓图（由共聚焦图像解析得到）
• 测定条件：TU 100x
• 对象波长：白光（氙灯）

2.2、颜色定性分析：不同设计的4只镜头各两面的彩色共聚焦图像如下图。其测试条件均一致，因此图像颜色的差异可反映出膜设计上的区别。并且，同一图像中不同区域的明暗变化可认为是膜厚的不均导致的。由此，对于用肉眼观察完全一致的镜头，通过颜色差异以及颜色的均一程度，可以对防反射膜的差异进行定性的判断。

• 图4  防反射膜包覆镜头的颜色比较：镜头（Ａ～Ｄ）(a)A凸, (b) A凹, (c) B凸,(d) B平,(e) C凹, (f) C 凸,(g) D凸, (h) D凸, 标尺：250µm
• 测定方法：彩色共聚焦（confocal mode）
• 测定条件：TU 10x （视野1.5 mm□）
• 对象波长：白光（氙灯）

二、基于反射分光法的反射率测定；

定量分析：利用波长切换功能，分别用6种波长的单色光进行共聚焦摄像，另外对标准品进行同样测试用于标定，即可测出图像中全部像素点的反射率。各波长的图像由分光膜厚解析软件进行读取并分析。在彩色图像上可指定感兴趣区域，自动计算其范围内的（各波长的）平均反射率。

三、防反射膜的纳米级表面粗糙度测定

3.1、干涉测量：对于纳米级的粗糙度测试，激光等共聚焦显微镜的分辨率无法达到要求。在此，我们提出非接触式的高分辨率测试方案：基于相差干涉法的表面粗糙度测定。

通常认为相差干涉法的高度测定范围较窄，理论上为照射光的半波长，但对于如镜头的形状平滑且连续变化的样品，以半波长为周期，通过画像处理可实现测定范围的扩展，成视野整体的高度图像（如下图）。并且可生成3D鸟瞰图（如图），进一步获得曲率半径等信息（如图）。

在数据分析时通常从高度图象或轮廓图中识别并除去“形状”或“波纹”，后计算得出粗糙度。下图将高度图像直接经球面矫正处理，得到“平坦化”的高度图像（如图所示）。

总结：

① 通过彩色共聚焦图像的颜色及其分布，对防反射膜的特性差异进行了定性分析。

② 利用波长切换功能，对6种波长可见光的各自反射率进行测定（均在1%以下）。进一步实现颜色差异的定量化分析。

③ 基于光干涉原理评价表面的纳米级粗糙度。使用高分辨率的相差干涉法测试，得到面粗糙度Sa=4.7nm的结果。这种程度的粗糙度用通常的激光显微镜无法得到有效的测试结果。

补充说明：利用光干涉法对透明膜-基板进行高度差测试时，高低相对位置的测定结果与实际相反的情况时有发生。对于透明基板的纳米级粗糙度测定，可认为影响很小。