增強(qiáng)型鏡面反射(ESR)多層高分子干涉鏡于20世紀(jì)60年代晚期首次面世。1增強(qiáng)型鏡面反射(ESR)膜，如3M公司的Vikuiti™光學(xué)膜等，是一種反射率超高，類似鏡子的增強(qiáng)型光學(xué)膜，可在光回收液晶顯示器應(yīng)用中發(fā)揮高效增亮的作用。增強(qiáng)型鏡面反射膜采用了多層高分子技術(shù)，非金屬材質(zhì)、柔韌性高以及厚度極薄(僅65微米)。薄膜的自身結(jié)構(gòu)使其可被納入各類配置和設(shè)備，包括電話、電視和監(jiān)視器等。光回收技術(shù)可節(jié)約能耗，從而在不增加任何電力需求的情況下提高顯示器的亮度。
Lambda™1050+
紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)
目前，增強(qiáng)型鏡面反射膜已應(yīng)用于幾乎所有液晶顯示器的背光源，具體包括電視機(jī)、臺(tái)式電腦、筆記本電腦、平板電腦、手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備的顯示器。增強(qiáng)型鏡面反射膜也可用于管理和優(yōu)化其他行業(yè)對(duì)光的應(yīng)用，包括建筑照明、汽車照明、太陽(yáng)能照明(如管道式日光照明裝置，例子如圖3所示)等。
圖1.增強(qiáng)型鏡面反射高分子膜的軋制板
一般情況下，增強(qiáng)型鏡面反射膜的發(fā)射率>98%，可以提高光的回收和反射，進(jìn)而提高了顯示器的亮度。增強(qiáng)型鏡面反射膜降低了液晶顯示器的電力需求量，并通過(guò)提高顯示屏亮度擴(kuò)大了可視角度。
圖2所示的典型液晶顯示器簡(jiǎn)圖展示了增強(qiáng)型鏡面反射膜的安裝位置。
圖2.展示增強(qiáng)型鏡面反射膜通常安裝位置的液晶顯示器簡(jiǎn)圖
管道式日光照明裝置能夠通過(guò)屋面穹頂獲取陽(yáng)光，接著通過(guò)一條從屋頂延伸到天花板的反射管(見(jiàn)圖3)將獲取的陽(yáng)光傳送到室內(nèi)，最后利用一個(gè)散射器將陽(yáng)光均勻分散到室內(nèi)空間。在絕大多數(shù)的市售管道式日光照明裝置中，增強(qiáng)型鏡面反射膜安裝于光傳輸管內(nèi)壁，能夠提供高反射率(可見(jiàn)光譜的反射率高達(dá)99.7%)，從而以最小的日照熱量提供最大的可見(jiàn)光。管道式日光照明裝置的光輸出率很高，其所提供的光照是普通天窗的數(shù)倍。有了管道式日光照明裝置，白天就無(wú)需開(kāi)燈，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的功效。
圖3.管道式日光照明裝置的實(shí)例。所述管道式日光照明裝置能夠通過(guò)屋面穹頂獲取陽(yáng)光，接著通過(guò)一條從屋頂延伸到天花板的反射管(見(jiàn)圖3)將獲取的陽(yáng)光傳送到室內(nèi)。在絕大多數(shù)的市售管道式日光照明裝置中，增強(qiáng)型鏡面反射膜安裝于光傳輸管內(nèi)壁，能夠提供高反射率(可見(jiàn)光譜的反射率高達(dá)99.7%)，從而以最小的日照熱量提供最大的可見(jiàn)光。
測(cè)量難題
增強(qiáng)型鏡面反射膜的性能驗(yàn)證代表了許多市售分光光度計(jì)系統(tǒng)的測(cè)量難題。
從設(shè)計(jì)要求來(lái)看，增強(qiáng)型鏡面反射膜不僅在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)要有極高反射率(>98%)，而且還要在任何入射角和光偏振狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)。因此，增強(qiáng)型鏡面反射膜的測(cè)量需要可變角度絕對(duì)反射附件和自動(dòng)偏振附件(相對(duì)鏡面反射附件無(wú)法精確測(cè)量反射率極高的增強(qiáng)型鏡面反射膜)。另外，由于增強(qiáng)型鏡面反射膜厚度極薄，用戶還將面臨一個(gè)難題：如何妥善地將增強(qiáng)型鏡面反射膜安裝到反射樣品架上，才能使增強(qiáng)型鏡面反射膜的面對(duì)入射光束的那個(gè)表面保持充分平整。
裝有通用反射附件的珀金埃爾默LAMBDA™ 1050+是研究上述超薄薄膜性能的理想工具。圖4顯示了裝有通用反射附件的LAMBDA™ 1050+的設(shè)備圖片。珀金埃爾默LAMBDA™ 1050+是目前最先進(jìn)的的研究級(jí)紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度之一。由于LAMBDA™ 1050+在安裝Littrow雙單色器的基礎(chǔ)上整合了全息光柵、采用扇區(qū)切光器、自動(dòng)光束衰減片和高靈敏度檢測(cè)器，其在紫外/可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的雜散光<0.00007%T。通用反射附件是珀金埃爾默公司專為高精度絕對(duì)鏡面反射研發(fā)的一款產(chǎn)品。
圖4. 配有通用反射附件的LAMBDA™ 1050+
這一獨(dú)特配件的角度變化范圍為8~70°，角度增量為0.5°，無(wú)需樣品架。使用時(shí)，只需將樣品平放在附件頂部的測(cè)量板上，通過(guò)附件內(nèi)部光學(xué)機(jī)構(gòu)將光束引導(dǎo)至測(cè)量口(見(jiàn)圖5)。
圖5.通用反射附件的樣品測(cè)量表面。通過(guò)附件內(nèi)部光學(xué)機(jī)構(gòu)將光束引導(dǎo)至中心的測(cè)量口。平放樣品，蓋住測(cè)量口。
通用反射附件自身?yè)碛袆?dòng)態(tài)探測(cè)器模塊和光程補(bǔ)償器，可在背景和樣品測(cè)量之間保持相同的光程和入射角。通用反射附件測(cè)量包括基線測(cè)量和樣品測(cè)量。在樣品測(cè)量中，需要對(duì)樣品進(jìn)行反射。在基線測(cè)量狀態(tài)和樣品測(cè)量狀態(tài)發(fā)生切換時(shí)，其中一個(gè)反射鏡和探測(cè)器附件將自動(dòng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)。圖6顯示了入射角為70°時(shí)的通用反射附件測(cè)量狀態(tài)。輸入鏡旋轉(zhuǎn)，引導(dǎo)管束照射在待測(cè)樣品上。同時(shí)，探測(cè)器附件移動(dòng)，保持與輸入鏡相同的關(guān)系。這樣的話，總光程相同，從而確保了兩次測(cè)量之比為樣品的反射率。
圖6.入射角為70°時(shí)通用反射附件的樣品測(cè)量和基線測(cè)量
測(cè)量時(shí)，只需將樣品平放在通用反射附件的測(cè)量端口之上。這有助于實(shí)現(xiàn)精確地測(cè)量增強(qiáng)型鏡面反射膜的鏡面反射率。由于增強(qiáng)型鏡面反射膜的厚度極薄(一般為65微米)，因此，在常規(guī)絕對(duì)鏡面反射附件的垂直樣品架上測(cè)量增強(qiáng)型鏡面反射膜的難度極大。要想在專為玻璃和濾光片設(shè)計(jì)的樣品架上妥當(dāng)?shù)墓潭ǔ≡鰪?qiáng)型鏡面反射膜并使樣品面對(duì)入射光束的那個(gè)表面保持絕對(duì)平整，這幾乎是不可能的。如果增強(qiáng)型鏡面反射膜面對(duì)入射光束的那個(gè)表面無(wú)法保持絕對(duì)平整，那么無(wú)論在任何入射角和偏振狀態(tài)之下的測(cè)量結(jié)果都將存在誤差。
通用反射附件由LAMBDA系列產(chǎn)品專用的UVWinlab™ V7軟件控制，允許用戶自行確定角度序列與測(cè)量光斑大小。一旦建立測(cè)量方法，設(shè)備將自動(dòng)執(zhí)行測(cè)量程序。UVWinlab中通用反射附件的設(shè)置如圖7所示。
圖7.UVWinlab中通用反射附件的設(shè)置界面。可微調(diào)測(cè)量角度與光斑大小。
可在圖中所示的UVWinlab界面輸入一個(gè)測(cè)量角度，或者在樣品表內(nèi)輸入一系列的測(cè)量角度。注意，可在該界面控制測(cè)量口處照射樣品的束斑大小，控制范圍為0.1 × 0.1 mm至5.0 × 5.0 mm，控制增量為0.1 mm。這個(gè)范圍可輕松容納難以測(cè)量的小樣品。
除了安裝通用反射附件外，LAMBDA™ 1050+的樣品室內(nèi)還配有自動(dòng)偏振驅(qū)動(dòng)附件(如圖8所示)。
圖8.偏振器驅(qū)動(dòng)附件(左)與安裝在LAMBDA™ 1050+樣品室的驅(qū)動(dòng)附件(右)。此電動(dòng)附件可實(shí)現(xiàn)偏振角的自動(dòng)編程。
當(dāng)與格蘭泰勒或格蘭湯普森偏振器(由方解石晶體制成)一起安裝時(shí)，上述偏振器驅(qū)動(dòng)附件可以實(shí)現(xiàn)樣品光束的偏振態(tài)在0—360°范圍內(nèi)的變更。如在UVWinlab軟件中“樣品表”的設(shè)置為顯示偏振器樣品(見(jiàn)圖8標(biāo)簽1)，則可以方便地將偏振角輸入樣品表序列且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)定。
使用LAMBDA 1050+測(cè)量增強(qiáng)型鏡面反射膜
LAMBDA 1050+通過(guò)UVWinlab V7軟件實(shí)現(xiàn)操作。這種易于使用的軟件采用了一種現(xiàn)代、先進(jìn)的工作流設(shè)計(jì)，可與Windows® 10和11兼容。該軟件可設(shè)計(jì)一種將通用反射附件和偏振附件集成至樣品序列的方法。
在第一批測(cè)量中，使用通用反射附件和主光束消偏振器(用于采集消偏振光)分五個(gè)角度(8°、15°、30°、45°和60°)對(duì)1200—350 nm范圍內(nèi)的增強(qiáng)型鏡面反射膜樣品進(jìn)行掃描。已創(chuàng)建的樣品表如下圖所示。圖中顯示的是通用反射附件測(cè)量光束的寬度和長(zhǎng)度(實(shí)際使用的是4.0 × 4.0 mm光束)以及通用反射附件角度的輸入框。
圖9.樣品表示例
一旦定義樣品表，系統(tǒng)將自動(dòng)輸入通用反射附件測(cè)量的角度并進(jìn)行測(cè)定。圖10顯示的是所有測(cè)量的重疊數(shù)據(jù)。對(duì)于多層薄膜而言，輕微的干涉圖案是正常的。
圖10.通過(guò)LAMBDA™ 1050+及其通用反射附件在1200—350 nm處采集到的增強(qiáng)型鏡面反射膜樣品的絕對(duì)反射光譜。此過(guò)程使用的通用反射附件角度為8°、15°、30°、45°和60°，束斑大小為4.0 ×4.0 mm，光線為消偏振光。此光譜的局部放大圖如圖11所示。
圖11.光譜(見(jiàn)圖10)的展開(kāi)圖。
在本例中，UVWinlab軟件通過(guò)數(shù)據(jù)處理公式計(jì)算的可見(jiàn)光范圍內(nèi)平均反射率為98%或以上(見(jiàn)圖12)。
圖12.表中顯示的計(jì)算平均值
注意：增強(qiáng)型鏡面反射膜的輕微表面磨損和薄膜表面上的微小顆粒會(huì)影響反射率。通用反射附件只收集鏡面反射，不收集散射。因此，如果觀察到曲線在向短波長(zhǎng)方向下降，那么這很可能是由于散射損耗引起的。
在第二批增強(qiáng)型鏡面反射膜樣品的測(cè)量中，通過(guò)配有偏振器驅(qū)動(dòng)配件和格蘭泰勒偏振器(由方解石晶體制成)的LAMBDA™ 1050+及其通用反射附件研究偏振光與入射角的影響。使用通用反射附件分四個(gè)角度(15°、30°、45°和60°)對(duì)1200—350 nm范圍內(nèi)的增強(qiáng)型鏡面反射膜樣品進(jìn)行掃描，其中采用的偏振角為0°、30°、45°和90°。理論上，若增強(qiáng)型鏡面反射膜狀態(tài)良好，則無(wú)論入射角或偏振角多大，增強(qiáng)型鏡面反射膜對(duì)可見(jiàn)光的反射率都應(yīng)極高。
在上述測(cè)量中，應(yīng)如圖13所示方式創(chuàng)建UVWinlab軟件的樣品表。圖中顯示了通用反射附件測(cè)量光束的寬度和長(zhǎng)度(實(shí)際使用的是4.5 × 4.5 mm光束)、通用反射附件角度以及偏振角的輸入框。
圖13.用于增強(qiáng)型鏡面反射膜測(cè)量的樣品表。所述測(cè)量將驗(yàn)證增強(qiáng)型鏡面反射膜的反射率與入射角和極化角之間的關(guān)系。
第二批測(cè)量所得數(shù)據(jù)如圖14所示?？梢杂^察到，無(wú)論入射角或偏振態(tài)如何，增強(qiáng)型鏡面反射膜對(duì)可見(jiàn)光的反射率始終很高。
圖14.使用通用反射附件分四個(gè)入射角度(15°、30°、45°和60°)對(duì)增強(qiáng)型鏡面反射膜樣品進(jìn)行的測(cè)量。每個(gè)入射角度分別對(duì)應(yīng)的偏振角為0°、30°、45°和90°。測(cè)量結(jié)果顯示，增強(qiáng)型鏡面反射膜樣品的性能符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，即，無(wú)論入射角或偏振態(tài)如何，增強(qiáng)型鏡面反射膜對(duì)可見(jiàn)光的反射率始終很高。
結(jié)論
裝有通用反射附件和自動(dòng)偏振驅(qū)動(dòng)附件的LAMBDA 1050+是完備的研究增強(qiáng)型鏡面反射膜性能的理想工具。無(wú)論入射角或偏振態(tài)如何，增強(qiáng)型鏡面反射膜對(duì)可見(jiàn)光的反射率始終很高。由于增強(qiáng)型鏡面反射膜的反射率極高(> 98%)且厚度極薄，因此，常規(guī)的分光光度計(jì)系統(tǒng)和附件無(wú)法對(duì)增強(qiáng)型鏡面反射膜進(jìn)行測(cè)量。要想對(duì)增強(qiáng)型鏡面反射膜進(jìn)行精確鏡面反射測(cè)量，需要可變角度的絕對(duì)鏡面反射附件和能夠驗(yàn)證偏振反應(yīng)的偏振器附件。
如本文所述，在LAMBDA 1050+中安裝馬達(dá)驅(qū)動(dòng)變角的通用反射附件和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的偏振器附件，可輕松實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型鏡面反射膜性能的自動(dòng)驗(yàn)證。由于增強(qiáng)型鏡面反射膜的厚度極薄且柔軟，因此，要想在常規(guī)分光光度計(jì)系統(tǒng)和附件中專為硬質(zhì)濾光片和玻璃設(shè)計(jì)的垂直樣品架上妥當(dāng)?shù)毓潭ǔ≡鰪?qiáng)型鏡面反射膜的難度極大。通用反射附件的獨(dú)特設(shè)計(jì)(即，無(wú)樣品架設(shè)計(jì)，樣品只需平放在頂板的測(cè)樣口上)能夠確保精確地測(cè)量增強(qiáng)型鏡面反射膜的鏡面反射率。
參考文獻(xiàn)
1. Weber, M., Stover, C., Gilbert, L., Nevitt, T., Ouderkirk, J., “Giant Birefringent Optics in Multilayer Polymer Mirrors”, Science, Vol. 287, March 31, 2000
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