光学薄膜与国防科技

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前言
) ?. }& H9 \2 X" J' T2 j    光學薄膜與國防科技的關係頗為密切。事實上光學薄膜所以會這
麼樣的蓬勃發展是由於它在軍事上有不可缺少的需要而被開發出來
的。
: ^$ _, r3 s+ p    首先是抗反射膜的應用。它增加了光學元件的透射率，使雙筒望
) n: w: ^1 j. d1 }: a遠鏡能看得更清楚，使進入偵器的光信號強度增加。這在紅外線光學
& Y; D  l& f/ f1 c系統中表現得更為明顯。其次是金屬反射膜的應用。它使反射式望遠
* p8 N7 k- i7 d, V0 d" R' y5 B( J7 ~8 \鏡變得非常易行有用。它在改變光的路徑，如潛望鏡，它使在隱藏中
! n  {# V# V( e( `% a' x6 {觀測敵情變成非常簡單。第二次世界大戰後，由於飛彈的開發，各種
8 W# a; [+ o5 a2 u7 r- E* b光網及紅外光濾光膜的研製變得非常重要，不但薄膜設計上有了很大
2 P9 V$ A# |8 S, {1 h* p! r的進展，薄膜材料的開發上也有很大的進步。待雷射發明後，軍事上
% f6 H9 M- g8 n對光學薄膜的需求更是有增無減，而且品質要求更高，種類也更多。
6 q/ F5 u7 c3 o3 f+ m也可以說，光學薄膜再次助長了武器的功力。今日波斯灣戰事正說明
+ T5 b% Z1 j' x了這一點，美軍飛機在沙伊空中那麼 "神氣活現"，愛國者號飛彈像
有雙明亮的”眼睛”能準確的飛撞飛毛腿飛彈，光學薄膜在這上扮演
5 U; c5 N4 {; E著決定性的角色。將來星際戰爭若發生，光學薄膜一樣有著它決定性
的需要。
3 [# q+ ]7 Y7 _3 j/ R    以下我們將依光學薄膜的作用原理舉幾個例子來說明它在國防科
) D! z) ~  l. `' }技上的應用。
二、抗反射膜
    所謂抗反射膜是在光學元件表面鍍上一層或數層的光學薄膜，造
8 S  G8 }- O7 x9 i* v8 ?' k成一些界面，使得經由各個界面反射回來的光波與光波之間產生破壞
/ `9 \* Q2 a8 {' C! x! ~2 ]0 {2 f性的干涉，而終至見不到反射光。
    軍事上用到抗反射膜的地方很多，只要有接受光信號 (不論可見
+ P0 p! D$ w: o$ Q( d* p光或紅外光) 或發射光信號的地方一定要做抗反射膜處理。最常見到
+ {& }! w6 i2 c5 Q4 u8 t的譬如 :保護窗、目鏡、物鏡及任何透鏡的兩面都會鍍上抗反射膜。
+ m" S( J! B  R$ @    鍍抗反射膜的用意有二，其一是藉著減少反射而增加整個光學系
統的透射率。圖一指出數片基板在沒有鍍抗反射膜，整個透射率隨著
8 s& g1 b) Y- @# }/ A, L基板數目及基板折射率變化的情形。很明顯的可以看當基板的折射
& n8 L& j# L2 c+ ^, d& s  F率愈大及片數愈多時，透射率就會愈低，以鍺 (Ge) 來說，其折射率
為4，若系統中有兩片鍺基板而不鍍抗反射膜時透射率就會小於22%，
+ Q1 M; {' l- S. I也就是說至少78%的能量會散失掉。矽 (Si)的折射率為3.4，由圖
- y) O1 {0 ~. E1 K: f0 _6 j# k& `中可以看出，能量的損耗也很嚴重，而鍺鍺及矽是軍事上很重要的
材料，可見抗反射膜在軍事上是不可缺少的。
  h' G0 r3 `5 ?+ b" }! J* O7 b    鍍抗反射膜的原因之二是可以使光學系統所成的影像的明晰度增
+ v& @# H7 z- x高，這是因為若沒有鍍抗反射膜則基板的反射光束來回於系統中會使
影像的背景變差，對比度降低。圖二以光線在保護窗(a)及目鏡(b)
3 }! E7 v7 S0 B7 I( V- X中行走的情形做個簡單的說明，原來影像近旁會有個相似的影像存
8 E) I. O0 {) @9 T- W& o$ N在，俗稱鬼影。而圖三說明了明晰度隨著光學元件片數增多而降低的
$ G+ R& C) K! E- k; V% x情形。
( S6 V. Z7 c& F) Y) [7 X& e    後面我們會再舉軍事儀器為例做更具體的說明。而有關抗反射膜
, }1 |4 j5 b' t' X1 B2 o的設計原理及製做則請參考相關文獻(1)、(2)。
0 u' a. S8 i- h+ e$ l1 R" V    反射鏡一般所指有兩種，一種是金屬膜反射鏡，另一種是介質膜
& Y, N7 d$ J) R) L( m1 {) p反射鏡。前者用在改變光線的路徑及接收光信號上，如潛望鏡 (用在
坦克車，潛水艇等)，望遠鏡(指反射式望遠鏡，有牛頓式，格國式，
# L. I: }! ]5 r# }卡西式等，可用在地面也可用於太空中)，飛彈彈頭尋標器 (事實上是
+ t, s3 R4 Y1 i! v一個小型的卡西式望遠鏡) 等。這些反射鏡大多以鍍上一層金屬鋁膜
  ], B/ @4 ?6 q5 @+ ?3 @# b外加保護膜而成。也有人鍍以金膜，特別是用在紅外光波域上，因
. F& R4 c8 R, R: f+ h; n# Y& D為金膜在紅外光波域的反射率很高。也因如此，金膜反射鏡也可被
用來當做紅外光雷射的共振腔反射鏡，如二氧化碳雷射鏡。不過一般
雷射鏡是用介質膜做成比較多。因為介質膜做成的反射鏡其反射率較
  ]" ~$ [' T0 y3 M  L高，吸收較少而比較不會被光輻射打壞掉。
    雷射系統用的反射鏡主要是用在高能雷射武器上。圖四是用途之
# W7 H  K; X  T# u8 L' Z一的示意圖 :雷射器本身需要一對以上很好的反射鏡外，在高空也擺
- J' g* W$ o4 s/ a# w7 u- ]4 G了一個大型的反射鏡，他可以把雷射光反射到來襲的敵人飛機或飛彈
上而達到攔截的效果。當然若雷射光能量夠強你也可把反射光直接打
9 T( t" q/ w( B9 u0 n6 f. ?7 T* b到敵人的軍事目標上。可以想像得到那面在高空中的大型反射鏡的反
射率也要很高才能充分利用雷射光的能量。而它也不能有太大的吸收
否則自己也會被自己的雷射光燒壞。
  ~: Q7 N4 K: Z: \! x6 C7 ^: d7 y四、濾光膜
    濾光膜的作用是將某一部份波長的光濾掉而只讓另一部份有用的
光通過。這種具有選光功能的濾光膜在軍事上有很大的用處。例如紅
外光探照磴 : 坦克車或具有紅外光瞄準器的槍砲，在夜間可以用紅外
光探照燈來 "照亮" 敵人，以便以紅外光瞄準器來瞄準射擊。這種紅
外光探照光就是在燈前加上一片紅外光濾光膜，把可見光濾掉以免暴
9 x1 ~" y0 @- W* r+ b! H7 I露自己而只讓紅外光發射出去照亮敵人。夜間航空偵察機進行空中偵
0 v+ _/ f; N  ^+ A- r) A  J* l/ h察也是使用這種紅外光探照燈。
    另一個使用濾光膜的例子是砲兵用的雷射測距儀。它以YAG雷
( D1 ?+ o6 n* E4 I射光射向目標並接收反射回來的信號，然後由時間差算出目標物的距
5 {9 @4 X, _7 g  E( C  m3 d# Y離。這種測距儀至少需使用兩種濾光膜。一是放在目鏡前面，如圖五
中的BSF，其作用是只讓可見光通過而不讓雷射光通過以保護眼睛。
另一是放在偵測器前面，如圖五中的NBF。這個濾光膜則只讓雷射
光通過而把其它光濾掉，以增加信號的訊雜比。
    後面這種NBF的濾光膜在潛水艇偵測器上也很重要。當潛水艇
在遠方海底偵測到某事件時如何把消息快速傳回來?其中之一是在海
底投射一光訊，經由人造衛星反射到本國或母艦上，反之本國送信號
給潛艇也可經此相反路徑。由於信號很弱，而且又在海底，因此必需
) I9 K$ A) D/ d濾掉所有不必要的雜光信號，只讓某一特別波長的信號通過。這種濾
+ X- ^9 }8 \  O  p8 |% x& O: m光膜很難做，因為它可通過的波寬非常窄，而且對角度變化不能太敏
感。
    最後一個例子讓我們來看看濾光膜與飛彈的關係。原來紅外光感
. P, N8 L0 B# e' z1 j應飛彈前面有個可辨識敵機的 "眼睛”。這顆眼睛裡面裝有一濾光膜，
& y/ S: b: d0 ^5 k  E它只讓目標物的輻射光，通常為飛機尾後噴出的火光，通過，而對其
4 j/ O5 w3 X6 i2 n% ~它光沒有感應，因此這飛彈可以鎖定敵機如圖六所示那樣直接追擊。
這顆”眼睛”的結構大概如圖七所示。由圖中可知這顆眼睛的每一部
' g5 Z# g- C' n/ k: z% H' t份都要用到光學薄膜。它的外罩D，中繼透鏡RL及校正透鏡CL
1 S) U/ ^7 I) a6 y要做抗反射膜處理。它的主反射鏡P及次反射鏡S要鍍高反射金屬
8 y' W% L# Y; s2 {( y/ Z9 r- a膜，圖中之F就是本節所討論的濾光片。R則下節要談的光網。
+ }- l, ]: x% {' k: p    這顆眼睛其實並不聰明，敵機若拋出一個火焰，然後高速急轉彎
飛開是可以欺騙這顆飛彈誘它飛往火焰。但是我們若能加裝雙波段濾
光膜，配合下節所談的光網同時追認紅外光及機身之反光，則可辨別
3 C& N+ N' _+ {0 O, Y$ n何者是飛機，何者是欺騙用的火焰。很多種飛彈在裝上這顆”眼睛”
－－紅外光尋標器，配以雷達做長距離導引則不論地對空、空對空、
海對空或空對海都可百發百中，打下目標。例如波斯灣戰爭中美軍所
1 i, U9 x# M: ?3 N1 @( f用的愛國者飛彈就可歸類於上述的地對空飛彈。
0 U7 B" h; E8 p! ^五、光網
/ b. p7 k8 Z( L- P   光網 (圖七中的R) 的作用就像是個篩子。它可把各種背景、雲
層的輻射篩掉而只讓目標信號進入偵測器CD。它的結構基本上是把
基板鍍成明暗交互的區域，而形成一些透明區與不透明區，在基板面
- C1 l: E& i* x! N作有規律的排列組合，如圖八那樣(4)(5)。
    由於目標遠在十幾公里外，呈現在光網上的像很小、，因此當光網
轉動時，它的紅外光輻射時而可進入偵測器時而不能，因此構成為一
交流信號。與此相反的，背景如雲層，它的影像很大，光網上的不透
明區無法完全遮住它，因此光網轉動時得到的是一個近乎直流的信
0 I& e! G! h9 u; R5 `- Z! m) Z號。經由電子電路的處理，就可把雲層等雜訊濾掉，而達到篩選的作
用。
7 {' h% x( ^& K1 b5 m3 ]7 `/ Q    目標的篩選有時不一定要轉動光網，(光網太小不易裝架)，而改
+ w" C/ P: G3 `+ ^; j( C$ I轉動次反射鏡，結果一樣可使目標物影像在光網上飛轉而達到篩選的
目的。這種裝法同時還可有判斷目標物方位的作用，不過這已超出本
文題意範圍，因此不詳細敘述。
6 s" D" X& E& v0 \- j- C六、結論
' O5 m$ v- `8 L' E    以上所列並沒有道盡光學薄膜在軍事上的應用。但舉出那四類光
. S) w3 J' i) d0 }4 O0 l學薄膜做例子來說明它與軍事上的關係，已足以表達光學薄膜在國防
科技的重要性。高科技是今日國防所必需，而光學薄膜是此中不可或
! b7 v( f% j) k9 _* n缺的一環。

自由风

光学薄膜应用非常广泛