关键词：
减反射膜
应力
均匀性
辅助阳极
梯度式充气
加载波
摘要：
随着5G时代的到来,人们对于VR（虚拟现实）/AR（增强现实）成像技术的要求不断提高,最直接的挑战是光学性能和尺寸重量的平衡,要求投影到人眼的现实环境和虚拟图像都需要清晰无畸变。目前,AR系统中的鬼影会让使用者产生视觉疲劳,该图像会通过AR/VR设备传入到人眼,影响成像质量,为此,VR/AR系统多采用大曲率聚碳酸酯（PC）进行设计,可以更好的消除垂轴像差和宽光束像差从而减少尺寸和重量,通过在VR/AR镜片的两个曲面分别镀制硬质减反射膜和超低反射膜,不仅能够降低杂散光对成像质量的影响,而且还能保护光学元件表面。本文针对可见光波段超低减反射膜和硬质减反射膜进行研制,通过分析塑料基板的化学性质、光学性质以及物理性质选用聚碳酸酯为基底,选择TiO2和SiO2分别作为高低折射率材料,根据薄膜设计理论,使用Macleod软件完成超低减反射薄膜的设计,采用Si3N4和SiO2作为薄膜材料,完成了硬质减反射膜的设计,通过分析薄膜厚度灵敏度因子,降低了薄膜制备的难度。分别采用热蒸发电子束镀膜机制备了超低减反射膜,使用磁控溅射镀膜机进行硬质减反射膜的制备,解决了薄膜材料与基板结合的附着力以及膜层的应力。在使用电子枪蒸发制备超低减反射膜过程中,分析影响薄膜材料光学常数的因素,通过MFC（流量计）控制真空度调节充氧量,解决了材料吸收的问题,从而获得了低吸收的高低折射率材料。由于基板为塑料,受热膨胀系数与折射温度系数的影响,与薄膜材料结合牢固度低,易出现脱膜。采用真空退火法降低了由于镀膜过程中基板温度升高导致的热拉应力,并使用矩阵实验室（Matrix Laboratory,MATLAB）软件拟合TiO2和SiO2两种材料的应力,并通过研究射频离子源的沉积工艺,使用凹字形射频离子源沉积工艺,解决膜层因应力过大而导致膜裂的问题。通过矩阵实验室（Matrix Laboratory,MATLAB）软件模拟调节比例-积分-微分控制器（Proportion Integration Differentiation,PID）控制参数,稳定了成膜速率,解决了厚度误差导致光谱飘移的问题。对于磁控溅射制备硬质减反射膜过程中,为了提高薄膜的附着力,使用等离子体轰击基板表面,增加聚碳酸酯基板碳氧键的极性,提高氮化硅的Si-O键结合,从而提高薄膜的附着力。为了降低镀膜过程中温度升高导致的热拉应力,使用辅助阳极降低薄膜的热应力,而磁控溅射技术薄膜的聚集密度较高,因此,薄膜压应力较大,为此,通过改变薄膜沉积的入射角度,降低薄膜的应力。通过分析氮气和氧气的流量对薄膜硬度的影响,最终确定了氮气和氧气的化学计量数提高了膜层的维氏硬度。头戴设备VR/AR为曲面设计,会造成薄膜厚度的不均匀,从而导致光谱偏移生异色,降低光学系统的成像质量,本文分别分析了影响电子束蒸发和磁控溅射薄膜厚度均匀性的因素,对于电子束蒸发,通过在dome（公转机构）公转的基础上,增加自转机构,通过调整公自转比来调整膜厚均匀性,最终凹面上薄膜厚度的均匀性为±0.13%;对于磁控溅射,借助Langmuir探针分析了等离子体密度,并采用梯度式充气方式调整薄膜厚度纵向均匀性。通过靶材加载正弦波电压,使用Matlab软件确定正弦电压波电压振幅及相位参数,调整横向均匀性。最终制备的单层膜Si3N4横向均匀性上中下分别为1.27%、0.62%、1.33%,纵向均匀性0.33%。SiO2横向均匀性上中下分别为1.12%、0.42%、1.23%,纵向均匀性0.25%。经过测试,电子束蒸发制备的减反射膜凹面在430～700nm绝对反射率小于0.15%;磁控溅射制备的硬质减反射膜凸面在430～700nm平均反射率小于0.5%,维氏硬度为24.12GPa。最终基板中心点,430～700nm双面平均透过率99.58%,光谱偏移量为0.23%,实现了提高成像质量的效果,并经过环境测试,薄膜性能稳定满足使用要求。
