光学镀膜是沉积在光学元件基底（如窗片、透镜、镜面）上的薄膜。通过控制反射、透射、吸收和散射，这些镀膜改变光与光学介质之间的相互作用，从而使光在各种应用中实现精确操控。在某些情况下，光学镀膜还可保护光学组件免受环境磨损。按功能划分，最典型的镀膜类型包括抗反射镀膜（AR 镀膜）、高反射镀膜（HR 镀膜）、分光器镀膜等。抗反射镀膜（AR 镀膜）用于提高目标波长的透射率——例如激光系统中透镜希望有高透射率；而反射镀膜则相反，设计用于增强光学组件（如镜子）的反射率。随着制造方法的进步，光学薄膜镀膜变得更加耐用、多功能且精准。本指南将深入探讨光学镀膜的基础、种类、材料与工艺，为希望了解这一关键主题的人提供详细介绍。
图 1. 杭州煦和光电光学镀膜车间
在光学镀膜领域，有两个基本原理／概念决定光与镀膜表面的相互作用：斯涅尔定律（Snell’s Law）和弗涅尔方程（Fresnel Equations）。这些原则对于理解光在遇到镀膜（如抗反射镀膜、 高反射镀膜、分光器）时如何被透射、反射和折射至关重要。
斯涅尔定律是一个决定折射的基础方程。折射是光波在从一个介质进入另一更密介质时传播速度减慢而引起的方向改变，例如从空气进入玻璃，而折射发生在两个光学介质的界面处。斯涅尔定律描述了光从一个介质进入另一个介质时如何弯曲（折射），这是基于其折射率的差异。这个定律是理解镀膜如何影响光在不同材料界面间方向改变的关键。
斯涅尔定律公式如下：
n₁ sin(θ₁) = n₂ sin(θ₂)
其中：
n₁ 和 n₂ 分别是第一介质和第二介质的折射率。
θ₁ 是入射角（入射光线与表面法线之间的角度）。
θ₂ 是折射角（折射光线与表面法线之间的角度）。
斯涅尔定律决定了光进入新材料时的折射角（例如从玻璃进入镀膜材料，或在多层介质镀膜中不同镀膜层之间）。
图 2. 折射示意
(你可以点击这里了解更多关于 折射与光的本质)
若进一步深入斯涅尔定律与折射的概念，还有“临界角”和“全内反射（TIR）”的概念。临界角是入射角恰使折射角为 90° 时的角度。全内反射是当光从一个密介质传播到较稀介质且入射角大于临界角时发生的物理现象——在 TIR 中，光不会折射进入薄介质，而全部光线会被完全反射回密介质。
临界角公式如下：
Θₐ = sin⁻¹ (n₂ / n₁)
其中 n₁ 为较密介质的折射率，n₂ 为较稀介质的折射率。
弗涅尔方程提供了一个数学框架，用于计算当光在两种不同折射率介质的界面处反射和透射的比例。与仅描述折射角度的斯涅尔定律不同，弗涅尔方程给出了透射和反射的振幅系数。
弗涅尔方程如下：
ts 和 rs 分别为 s 偏振光的透射与反射振幅系数；
tp 和 rp 分别为 p 偏振光的透射与反射振幅系数；
θ₁ 为入射角，θ₂ 为透射或反射角；
n₁ 和 n₂ 分别为两种光学介质的折射率。
光学镀膜对于入射角度和偏振状态具有依赖性。当光以不同的角度或偏振态入射时，与镀膜的相互作用行为也不同。这意味着光学镀膜通常为特定入射角或偏振状态优化。如果偏离设计角度或偏振状态，镀膜性能可能严重退化，甚至无法实现预期效果。
按功能划分，光学镀膜可分为：反射镀膜、抗反射镀膜、分光器/二色镀膜、保护性镀膜及滤光镀膜。以下文字对这些镀膜类型进行一般性探讨。
1) 抗反射 (AR) 镀膜
抗反射 (AR) 镀膜是一类设计用于减少表面反射的光学镀膜，从而增加透镜、窗片、滤光片等光学组件的透射。抗反射镀膜可提升透射率、减少损耗与眩光，并消除鬼影。
2) 高反射 (HR) 镀膜
高反射 (HR) 镀膜则与 AR 镀膜相反，是专为在特定波长范围和入射角度下最大化光反射而设计的光学镀膜。这类镀膜通常应用于镜子、分光器及其他其性能依赖高反射率的光学元件。在激光系统、望远镜和高功率光学器件中，HR 光学镀膜至关重要。
3) 分光器镀膜
分光器镀膜是沉积在分光器光学表面上的镀膜，用于将一束光分成两个或多个光束，通常依据光的偏振状态。该镀膜使部分光被透射、剩余部分被反射，透射与反射的比例（即消光比）可通过精细设计镀膜来控制。与晶体分光器通过光与晶轴的交互实现偏振分离不同，镀膜分光器成本更低，但其激光损伤阈值和消光比相对较低。这些特殊镀膜在光学系统（如干涉仪、光通信系统、显微镜、激光应用）中必不可少。总之，分光器镀膜能够精确控制光的方向与强度，是需分光、合束或指向光束的应用关键。
4) 二色镀膜
二色（Dichroic）光学镀膜与分光器镀膜类似——它们也将光分成两部分，但区别在于二色镀膜依据光的**波长**而非偏振来透射和反射。这类镀膜常用于滤光片或镜子中，可基于颜色（波长）精确地分割或操控光。
5) 保护性镀膜
这些光学镀膜用于保护光学组件免受湿气、磨损及温度波动导致的损害。当应用环境恶劣且易变时，保护性镀膜尤为重要。一个典型例子是红外 热成像镜头，其前端镜头常涂覆 DLC（类金刚石碳）保护镀膜，以防止外部伤害。
6) 滤光镀膜：
滤光镀膜是沉积在光学滤片基底上的关键组件，用于控制通过或反射/吸收的特定波长光。这些镀膜被设计为仅允许某些光谱部分透射，或反射/吸收其他部分。滤光镀膜常用于光学仪器、机器视觉（如 机器视觉光学滤片）、激光系统及太阳能电池。通过精准控制透射或反射特性，滤光镀膜可提升图像质量、减少眩光并增强系统效率。
光学镀膜材料可分为三大类：
介质材料（例如：二氧化硅、氟化镁）：用于 AR 和 HR 镀膜。
金属材料（例如：铝、金、银）：用于镜面和导电镀膜。
混合材料：结合介质与金属特性，用于特殊应用。
以下介绍最常用的光学镀膜材料——从氧化物、氟化物到金属和聚合物，强调其特性、优势及在光学、电子和科学仪器行业中的典型应用。
图 3. 光学镀膜材料
二氧化钛 (TiO₂)：以其高折射率及耐久性著称，TiO₂ 在抗反射镀膜中有效提升性能并增强颜色表现，多用于多层光学镀膜以改善光学效率。
氟化镁 (MgF₂)：在 UV 至可见范围的抗反射镀膜中理想，MgF₂ 提供低折射率、耐久性及抗刮擦特性，适用于镜头、窗片和激光光学元件。
二氧化硅 (SiO₂)：被广泛用于抗反射镀膜及保护层，SiO₂ 透明、耐用，对湿度和温度等环境因素具备良好抗性。
铝 (Al)：因其在可见与红外光谱中的出色反射性能，铝常用于反射镀膜，应用于镜子和分光器，但需额外保护层以防止氧化。
银 (Ag)：银在可见和近红外光谱中高反射率表现优异，常用于高性能光学系统。但其易硫化，通常需要额外保护镀层。
金 (Au)：金在红外反射镀膜中理想，具有高反射率和抗氧化性能，非常适用于高精度光学应用，尽管价格高于其他材料。
氧化铝 (Al₂O₃)：以其耐用性闻名，Al₂O₃ 用于抗磨损、抗腐蚀、高温环境的保护镀膜，常用于镜头和镜面等光学元件。
氟化钙 (CaF₂)：用于 UV 和红外区域的高透射光学镀膜，CaF₂ 透明且耐高能光，适合于高功率激光和红外光学系统。
聚酰亚胺 (PI)：一种用于保护镀膜的聚合物，聚酰亚胺耐热、耐化学、耐辐射，常用于光纤等弹性光学器件，因其重量轻且耐用。
物理气相沉积 (PVD)常用于制造光学薄膜镀膜。PVD 是一种描述真空沉积方法（如溅射、蒸发）的技术。PVD 镀膜是将固体材料在真空室中汽化并沉积到目标材料上的薄膜。它用于改变被镀物体的表面属性，使其具备新的机械、化学、电气或光学特性。PVD 镀膜通常具有极高表面硬度、低摩擦系数、抗腐蚀及耐磨特性。该工艺在 50 至 600 摄氏度的真空室中进行，汽化后的原子通过真空室沉积并嵌入被镀物体表面。最终形成的薄膜可厚至几纳米至数微米，取决于应用。PVD 常用于光学薄膜镀膜中，以创建更改透镜、镜子、滤光片、分光器和其他光学组件光学性能的镀膜，包括抗反射 (AR) 镀膜、高反射 (HR) 镀膜和二色镀膜等。
常见的 PVD 光学镀膜方法包括：
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