望遠(yuǎn)鏡的透光率

光線透過(guò)望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)玻璃透鏡時(shí)，在前后空氣表面時(shí)都有一部分光被反射，反射光量與鏡片的折射率有關(guān)，以折射率為1.5的鋇冕光學(xué)玻璃為例，前表面反射光約為4%，后表面的反射光約為3.8%。在不考慮吸收的情況下，透光率為92.2%。如果有六個(gè)透鏡，將有50%或者更多的光線被反射。

減反增透是一項(xiàng)聯(lián)系緊密但相互獨(dú)立的工作，即使不增透也要減反，因?yàn)榉垂鈴?qiáng)不僅會(huì)使成像灰暗，更主要的是鏡片表面和鏡筒內(nèi)鏡片間的反射會(huì)形成的嚴(yán)重眩光和重影降低景物的對(duì)比度，干擾觀察。這也是為什么不能用強(qiáng)反射鍍膜配大口徑物鏡來(lái)改善亮度的原因。

在鏡面上鍍上一層減反增透膜，能減少了雜散眩光和重影，增加光的透射率，從而提高成像質(zhì)量和亮度。一具望遠(yuǎn)鏡平均有10-16個(gè)玻璃?D空氣介面，比如采用雙膠合目鏡、普羅棱鏡、凱爾納目鏡、阿貝爾目鏡或普羅素目鏡的望遠(yuǎn)鏡有10個(gè)界面；采用同樣目鏡和棱鏡，但是采用5片3組或6片4組愛(ài)樂(lè)弗目鏡的望遠(yuǎn)鏡分別有12或14個(gè)界面；選擇雙分離物鏡，6片4組廣角目鏡的大口徑高倍望遠(yuǎn)鏡有16個(gè)界面。工業(yè)上通常要求10個(gè)左右空氣?D玻璃表面的光學(xué)儀器有82%以上的透光率，12-16個(gè)表面的儀器有75%以上的透光率。實(shí)際工藝*作中，一般還要留10%的余量。

事實(shí)上鍍膜鏡頭的表面反射由鍍膜厚度引起的光干涉反射和有折射率引起的自然反射兩個(gè)因素共同影響。

根據(jù)干涉理論，兩束同頻、等幅的光波沿著同一路徑傳播時(shí)，如果的位相差半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍，合振幅為99%，這時(shí)照射在介質(zhì)表面的光被反射；而當(dāng)位相差半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，合振幅為0，這時(shí)因?yàn)楦缮娆F(xiàn)象引起的反射最小，介質(zhì)表面的反射由其折射率決定的自然反射水平。減反膜應(yīng)用了干涉原理，使鍍膜的表面上的反射光和入射光干涉抵消來(lái)降低因?yàn)楣獠ǜ缮嬖斐傻姆垂鈴?qiáng)度。

由于光線在光密界質(zhì)?D鍍膜中的傳播速度小于空氣中傳播速度，設(shè) nc 為光學(xué)膜面的折射率：

當(dāng)光程差=（2n+1）λ/4nc 時(shí)

會(huì)造成鍍膜表面該波長(zhǎng)的反射光抵消，同時(shí)反射光的顏色向λ波長(zhǎng)光的補(bǔ)色改變。

光學(xué)鏡片的透光率受空氣和介質(zhì)的折射率影響，設(shè)空氣折射率為na介質(zhì)折射率為ng，光線垂直入射，通過(guò)以下公式可以計(jì)算光學(xué)鏡片的反射率和透光率：

反射率＝[ (ng－na) / (ng+na) ]2

透光率＝4×na×ng / (na+ng)2

鍍膜介質(zhì)的透光率為：

鍍膜介質(zhì)的透光率=[ 4×na×nc / ( na+nc )^2] × [ 4×nc×ng / ( nc+ng )^2]

由上可知，鏡片的折射率越低反射率就越低，使用折射率小于鏡片的折射率的光學(xué)鍍膜可以增加透光率。

且當(dāng) nc<ng 且 nc=√na×ng 時(shí)鍍膜鏡片的反射率為0，由于 na=1 所以 nc=√ng 鍍膜鏡片反射率為0

一、鏡頭鍍減反增透膜 （c）

在物鏡或物鏡和目鏡表面鍍單層減反增透膜叫鏡頭鍍膜。鍍膜折射率小于鏡片的折射率時(shí)，當(dāng)nc=√ng并且鍍膜厚度為光在膜層中波長(zhǎng)的1/4的奇數(shù)倍時(shí) d=λ/4nc，對(duì)于波長(zhǎng)為λ的垂直入射光能消除反射。所以對(duì)于ng = 1.5 的鋇冕光學(xué)玻璃，可以容易地計(jì)算出鍍膜的厚度，折射率為1.22。但是折射率這樣小的鍍膜材料不易找到，所以一般都用折射率為1.38的氟化鎂制單層減反增透膜，對(duì)于ng = 1.5 的鋇冕光學(xué)玻璃能在λ上取得1.3%和平均約1.5%的反射率，但對(duì)于折射率較高的光學(xué)玻璃，單層二氟化鎂?D?DMgF2已能達(dá)到很好的減反增透效果。

從三棱鏡分光原理可知，光學(xué)玻璃對(duì)不同波長(zhǎng)的光線的折射率是不同的。望遠(yuǎn)鏡常用的鋇冕光學(xué)玻璃對(duì)長(zhǎng)波紅光的折射率明顯小于對(duì)短波藍(lán)光的折射率，所以對(duì)紅光的折射率更接近理想折射率，光學(xué)玻璃對(duì)長(zhǎng)波光有偏向透過(guò)的特性。

根據(jù)干涉原理，中心波長(zhǎng)λ的鍍膜對(duì)該波長(zhǎng)的光的減反作用，但在其他波長(zhǎng)上這時(shí)照射在介質(zhì)表面的光的相位相差不再是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，而逐漸接近半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍，反射損失逐漸增加。所以只要遠(yuǎn)離鍍膜中心波長(zhǎng)即使在介質(zhì)偏向增透的長(zhǎng)波方向上也不能達(dá)到理想的增透效果。

以上兩個(gè)因素的共同作用改變了鍍膜鏡頭對(duì)色彩的還原特性，造成了單層鍍膜偏色的特性。但是由于消色鏡頭中火石玻璃的對(duì)偏向透過(guò)性反作用，中心波長(zhǎng)的選擇造成的影響是主要的。

除了提高的光透過(guò)率，減反膜還應(yīng)該有中性的色彩還原。為了設(shè)計(jì)色彩還原中性的單層減反膜的，一般中心波長(zhǎng)選擇在480nm-540nm的藍(lán)?D青色光段，而且以480nm-520nm為多。因?yàn)榧由瞎鈱W(xué)玻璃對(duì)光的吸收，在短波處光線損失比較大，為平衡色彩，單層減反膜的中心波長(zhǎng)都盡量偏短，盡量少反射損失短波光。但是中心波長(zhǎng)短于460nm，目視很難分辨膜色的中心波長(zhǎng)差異，所以比460nm短的單層膜中心波長(zhǎng)一般不采用。如不考慮色彩因素，中心波長(zhǎng)可選550nm的黃綠光，理由是人眼對(duì)這一波長(zhǎng)的光線最敏感，而且這一波段波長(zhǎng)較長(zhǎng)對(duì)灰塵和薄霧有較強(qiáng)的穿透力。但同時(shí)這種情況下短波光在鏡頭漫反射比較嚴(yán)重，進(jìn)入光路后會(huì)嚴(yán)重降低景象的對(duì)比度，形成嚴(yán)重的灰霧現(xiàn)象。為了過(guò)濾短波雜光，常在光路中人為使用黃玻璃過(guò)濾藍(lán)色雜光。

二、全表面單層鍍膜 （FC）

所有接觸空氣的玻璃表面都鍍了單層減反增透膜。如果在所有的空氣介面上都鍍上單層減反增透膜，會(huì)在一個(gè)波段上取得更高的透光率。為方便工藝，在全表面單層減反膜的設(shè)計(jì)中，某一片的二個(gè)面中心波長(zhǎng)通常一致。

三、多層減反增透膜和寬帶膜 （MC）

單層膜的剩余反射率仍顯高，偏色現(xiàn)象比較嚴(yán)重。要進(jìn)一步提高透光率，可用雙層Ｖ形增透膜，用層鍍膜控制鏡片的反射率，第二層鍍膜改善光透射率。對(duì)于單層氟化鎂膜，光學(xué)玻璃的折射率ng是太低，可先鍍一層厚度為λc2/4（λc2為光在鍍膜中的波長(zhǎng)）的折射率大于鏡片折射率的一氧化硅膜（折射率為nc2），這時(shí)薄膜和基片的組合系統(tǒng)可以用一折射率為v=nc2^2/ng的假想基片來(lái)提高鏡片的折射率，然后鍍上一層λc1/4氟化鎂膜層來(lái)減少反射率。但對(duì)于偏離λ的波長(zhǎng)，不能等價(jià)也不能滿足干涉相消的條件，故分光曲線呈Ｖ形，色彩仍不平衡。

要進(jìn)一步消除彩斑幻象，平衡色彩可用雙層或多層Ｗ形寬帶減反增透膜，多層減反增透膜系還原真實(shí)色彩，并不是要求鏡片在可見(jiàn)光(370nm?D680nm)光譜范圍內(nèi)透過(guò)率一致。而是要求在藍(lán)、綠、紅光（370nm?D480nm、500-550nm、580nm?D680nm）三個(gè)通道通過(guò)的光線恰好可以合成標(biāo)準(zhǔn)的白光。這種膜系的反射率曲線在520nm-540nm區(qū)間形成一個(gè)0.8%左右的反射峰，在440nm和640nm處有二個(gè)反射谷，形狀像W曲線，所以叫W形減反增透膜。這種膜系的反光為翠綠色所以也稱減反綠膜。

多層減反增透膜在工藝上一般有以下特點(diǎn)：

1、一般在鏡頭的片的第二面或第二片上鍍多層減反膜，以增加裝飾效果。多層寬帶減反增透膜以翠綠色較多，比較美觀。

2、一般在曲率半役較大的表面上鍍多層膜，以便在工藝上使多層膜的膜色保證均勻。

3、一般在低折射率材料的鏡片上鍍膜。對(duì)單層減反膜而言，低折射率基底的減反效果不如高折射率基底的減反效果。而對(duì)多層膜而言，多層膜的設(shè)計(jì)可以在不同折射率基底的材料上實(shí)現(xiàn)幾乎相近的減反效果。

4、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鍍膜面數(shù)在16個(gè)左右時(shí)，選用2個(gè)面鍍多層膜；鍍膜面數(shù)在10個(gè)左右時(shí)，選用一個(gè)面鍍多層膜即可基本滿足技術(shù)要求。選用多層減反膜，一般在同牌號(hào)的玻璃，或折射率接近的不同基底上實(shí)施。這樣可以只設(shè)計(jì)一種多層膜膜系。更重要的是，從工藝實(shí)施上更為方便，從上更為有利。

四、全表面多層鍍膜（FMC）

即在所有接觸空氣的玻璃表面都有多層減反增透鍍膜，是鍍膜。采用全表面多層寬帶鍍膜的望遠(yuǎn)鏡具有的透光率，視野明亮；色彩還原平衡真實(shí)；鏡頭反光很少，很好地控制了眩光和重影，即使在逆光或明亮背景下也能很容易地看清楚陰影里的物體。但是工藝復(fù)雜價(jià)格昂貴，僅應(yīng)用在高級(jí)的品種上。

五、鍍膜的顏色和反射強(qiáng)度

對(duì)于選擇550nm波長(zhǎng)的膜系而言，由于有較多的紅光和更多的藍(lán)光反射所以鏡頭反光呈藍(lán)紫色。由于玻璃吸收和鏡頭反射成像一般偏黃。常見(jiàn)于重視透光效率而對(duì)色彩還原要求不嚴(yán)的軍民用光學(xué)儀器和黑白像機(jī)、老式望遠(yuǎn)鏡等。這種鍍膜一般叫藍(lán)膜。

為了補(bǔ)償光學(xué)玻璃對(duì)于短波光的吸收，現(xiàn)代光學(xué)儀器一般選擇480-520nm的藍(lán)?D綠色光作中心波長(zhǎng)，對(duì)于選擇綠光高頻段（青綠光）作為中心波長(zhǎng)的鏡頭鍍膜、全表面鍍膜和雙層窄帶型鍍膜，同選擇550nm波長(zhǎng)綠光低頻段（黃綠光）的鍍膜正好相反，鏡頭反射較多的藍(lán)光和更多的紅光，呈暗紫紅色。這種膜色在各種彩色鏡頭，光學(xué)儀器和望遠(yuǎn)鏡中也比較常見(jiàn)。

對(duì)于選擇藍(lán)光作中心頻率的鏡頭鍍膜、全表面鍍膜和雙層V型鍍膜而言，有較多的綠光和更多的紅光反射，在鏡頭前混合成棕黃或橙黃色反光。由于增透較多的藍(lán)光彌補(bǔ)了玻璃吸收，所以色彩比較平衡（有少許色差）。這種鍍膜在各種彩色鏡頭，望遠(yuǎn)鏡中應(yīng)用十分普遍。也叫琥珀色鍍膜。

具體選擇藍(lán)?D綠光的那一個(gè)波段作中心頻率同光學(xué)玻璃基底的吸收特性和廠家的色彩偏好或風(fēng)格有關(guān)。視具體情況而定，二者在性能上等價(jià)，無(wú)優(yōu)劣之分。

對(duì)于W型寬帶多層鍍膜，在紅光和藍(lán)光波段上有兩個(gè)增透峰，所以相對(duì)而言綠光反色較多，與其他兩個(gè)波段的剩余反射相混，鏡頭通常為暗翠綠色。綠色雙峰膜的色彩還原優(yōu)于以上鍍膜。

多通道寬帶多層鍍膜在三個(gè)以上波段增透，一般有3?D4個(gè)通道。三通道鍍膜增加了綠色增透峰。這類鍍膜的反光最少，色彩還原最逼真，是的鍍膜。但鏡頭反光卻不像想像的那樣是黑色的，而是很暗的紅色。因?yàn)椴ＡЩ讓?duì)綠?D藍(lán)高頻光有吸收，為了取得中性還原，設(shè)計(jì)時(shí)有意讓極少部分紅黃光反射，以平衡綠?D藍(lán)光損失。這樣才能取得鏡頭后面取得白色的混合光。

單層鍍膜和雙層V型鍍膜即使選擇相同的中心頻率，其膜色也是不一樣的，因?yàn)閷?duì)于該頻率的光反射強(qiáng)度不同。但是單層鍍膜的反射明顯強(qiáng)于雙層V型鍍膜，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于其他多層膜減反增透膜。鏡頭鍍單層膜、多層膜和全表面鍍膜除顏色略有差異外，表面反光強(qiáng)度則相差較大，所有的全表面鍍膜比只在幾個(gè)鏡面上鍍膜的反光強(qiáng)度弱。多層多通道增透減反膜的反射強(qiáng)度又明顯比兩通道的要弱。所以可以從鏡頭反射上判斷一個(gè)膜系的優(yōu)劣，反光越弱、越暗的鏡頭越好。