蛾眼抗反射膜(Moth-Eye Anti-Reflective Coating)简介

一、反射光的影响

  • 在大太阳底下使用手机时,或是电视萤幕反射日光灯或太阳光而造成萤幕看不清楚。
  • 太阳能电池原理为将光能转变成电能,当太阳能面板反射率太高会使进入面板的太阳光减少而降低光能的转换率。
  • 逆光照相时,照出来的相片总是会有光点(鬼影)或眩光的情形发生。

      moth-eye-anti-reflective-coating_1_2.jpg moth-eye-anti-reflective-coating_2.jpg



二、反射原理

光从一介质进入另一介质时,如这两介质的折射率不同,则光会在这两介质界面处产生反射及折射现象。当此两介质折射率差值越大,其介面反射率R越大。反射率R=[(n1-n2)/(n1+n2)]2

※当光从空气进入玻璃时,空气折射率nair=1,玻璃折射率nglass=1.5,其界面反射率R=(0.5/2.5)2=0.04=4%,因此光从空气进入玻璃时会有4%的光线被反射。



三、降低反射的方法

1.  利用材料表面起伏等表面结构及形状引起之反射率变化与波长相关特性。

2.  利用半导体层中之能带间跃迁吸收。

3.  利用不同折射率的多层光学薄膜中的薄膜干涉现象,达成抗反射效果。

※在玻璃表面镀一层MgF2(n=1.38)抗反射膜,则光从空气进入MgF2时反射率为(0.38/2.38)2=0.025 ,光从MgF2进入玻璃时反射率为(0.12/2.88)2=0.0017,总反射率为0.025+0.0017=2.67%


上述这些方法虽能降低反射,但也存在许多缺点,ex:影像雾化、 仅能使用于特定波长段、制程复杂且昂贵、良率低…etc



四、蛾眼表面结构

        在1967年,Bernhard发现了夜行性的飞蛾其眼睛是由数十μm左右的微细六角形构成的集合体,这些六角形的表面还带有直径为100n~200nm左右的微细凹凸,其演化特性能防止眼睛的反光而使天敌或猎物不发现自己,且能高效聚集夜晚较微弱的光线来看清楚四周。




五、次波长结构

        科学家根据蛾眼制作出类似的结构体-次波长结构(subwavelength structure),根据等效介质理論(effective medium theory;EMT) ,其结构折射率等效于折射率渐变的多层薄膜,不仅能有效降低反射率,更解决了镀制多层抗反射膜之间的制程问题及抗反射膜材料的选择限制。


人工次波长结构



六、次波长结构原理

  • 当光闸的周期长度远小于入射光之波长时,在光学上只会产生零阶反射光,不会有高阶绕射光,且其光学性质因等效介质理论可视为一均质薄膜。



moth-eye-anti-reflective-coating_5.jpg

光闸结构可等效于一固定折射率之均质薄膜

  


  • 次波长结构的设计即利用上述特性,微小的凸起物可视为许多远小于入射光波长的不同周期光闸重叠,形成一折射率渐变的结构。


moth-eye-anti-reflective-coating_6.jpg

连续性光闸结构可等效于折射率渐变之薄膜




七、次波长结构应用

CANON、SHARP及多家厂商便将此一技术应用于相机镜头、液晶电视面板、太阳能面板及光学元件上来降低反射率。




參考文獻

[1]  SHARP专利号US20120234794 A1

[2]  Philippe Lalanne, Mike Hutley, The optical properties of artificial media structured at a subwavelength scale,2015

[3]  Michael Berger, Moth eyes inspire self-cleaning antireflection nanotechnology coatings,2008

[4]  以石英奈米鉴阵列作为具抗反射性质之次波长结构,仪科中心简讯 ,第109期