薄膜光學與鍍膜技術

李正中

現職：中央大學榮譽講座教授

學歷：成功大學物理系學士(1969) 碩士(1974)；

.美國亞歷桑那大學光學中心 博士(1983)

PhD. Optical Sciences Center, U. of A., USA, 1983

經歷：國立中央大學 光電講座教授;

國立中央大學 理學院 院長(2010~2016);

中興大學 薄膜講座教授(2009~2019); 逢甲大學 特約講座教授(2015~2019); 中央大學光電所 第五屆所長(1993~1996); 中央大學光電科學與工程學系 籌備系主任； 第一屆系主任(2006~2009); 中央大學薄膜技術中心 籌備主任；第一屆中心主任(2004~2016); 國家科學委員會工程處光電學門 召集人(2005~2008); 光電協進會PIDA常務董事; 中華民國光學工程學會第十屆 理事長; 中華民國光電學會第一屆 理事長(2007 ~2013); 中華民國真空學會第六屆 理事長(1996~1998)； 巴黎第13大學雷射物理實驗室 客座教授(2009, 2010)；日本ULVAC千葉超材料研究所 教授研究員(2001 ~2003)； 上海交大國家重點複合材料實驗室 客座教授(2010); 工業技術研究院(ITRI) 光電所、材料所、電子所、機械所、國家實驗研究院(NARL) 太空中心、精密儀科中心及台、美、日數家鍍膜公司與鍍膜機製造商之顧問; 國際大型光學會議ODF’08 & OPTIC 2013主席;

.Chair of SPIE Fellow Committee 2011 & 2012；SPIE & OSA台灣分會 會長;

.Applied Optics, Optics Letters等二十多種國際著名學術期刊之審查學者;

指導碩士生、博士生畢業220人以上；開授校外短期密集課程85次以上。

獎項：經濟部技術處2007年大學產業經濟貢獻獎(產業深耕獎);

國科會2009年傑出研究獎;國科會2009年傑出技術移轉獎;中央大學傑出技轉獎;

中華民國光電學2014年光電工程獎;台灣鍍膜科技協會2014年卓越貢獻獎;

國際光學工程學會(SPIE) Fellow；美國光學學會(OSA) Fellow;

國際光學工程學會2016年度 教育家獎 (2016 The SPIE Educator Award);

美國光學學會2018年度 Sang Soo Lee獎 (2018 The OSA Sang Soo Lee Award)。

著作：1. “Ion beam sputtering”, 1995, Chapter of “Thin Films for Optical System”, ed. by F. R. Flory, Marcel Dekker Inc.

2. “光學薄膜と成膜技術”, 2002年, ULVAC 譯 (日文), 2008年四刷。

3. “光電科技概論”總編輯, 2010年第二版,中央大學光電系教授群合著書。

4. “Thin Film and Coatings”, 2009, Chapter of “Handbook of Optical Metrology- Principle and Application, ed. By Toru Yoshizawa, CRC.

5. “Optical Admittance Loci Monitoring for Thin Film Deposition", 2012, ed. by C. C. Lee, K. Wu and T. L. Ni, LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co.

6. “Coatings for display and lighting” 2013, Chap. of “Optical thin film and coatings”

ed. by A. Piegariand and F. Flory, Woodhead Publishing Limited.

7. “The Current Trends of Optics & Photonics” 總編輯, 2014, Springer, 2016二刷。

8. 國際學術期刊論文215篇以上; 會議論文430篇以上; 專利25項以上。

專長：薄膜光學、鍍膜技術、薄膜特性之測量、干涉光學、光學工程、薄膜色彩。

網頁：http://www.dop.ncu.edu.tw/cclee/

國際光學獎 提醒 教育是永不休止的志業

滴水涓涓難成渠 愚公移山志不移

師友相助三十載 終使荒漠湧甘泉

但見關鍵在根基 退而不休續耕耘

只因世人愛幻花 才叫夕陽照晚春

退休後榮獲二個國際光學獎項(2016 SPIE Educator Award 及 2018 OSA /OSK Sang Soo Lee Award)是為晚春塗抹胭脂，在晚霞畫過一道餘暉，以回報師友們的照顧，以及培育我成長的學校、國科會、中科院、業界、社會環境與家人等等。

兩個國際光學學會記載得獎理由如下:

* The SPIE Educator Award, 2016: “In recognition of his outstanding contributions to the growth of the Institute of Optical Sciences and the Department of Optics and Photonics at the National Central University in Taiwan, advances in the science and engineering of optical thin films and coatings by mentoring students and industry personnel, and inspiring high school students to study optics and photonics.”

*The OSA/OSK Sang Soo Lee Award, 2018: “for guiding, educating, developing and inspiring the optical coating industry in Taiwan for over 30 years and serving as a key figure in its growth and success.”

九版序
科學如詩歌 工程廣為它演唱 不分時代

科技無需讚揚 你已在生活中與它 熱情共舞

父母的慈愛 拂我以夏風冬陽 不分晝夜

親情不用言語 你卻能時時感受到 她的溫馨

只是 勿因出生就有而沉溺浪費 勿因一有機會就恣意妄為

畢竟 繁華時起時落性空無實體 純真超越時空是創新之源

光學薄膜與鍍膜技術是光電科技發展的關鍵科技，作者希望我國光學薄膜的科學能確實生根，工程技術能紮實建立，使我國光學薄膜的科技的發展及其在產業上的應用能與世界同步，共創人類的科技文明。因此三十多年來，除積極參與國際學術會議，並邀請大師來訪、舉辦國際研討會、在各學校系所開設薄膜光學外，也經常為校外人士講課、到各公司指導工程師，融合科學原理與工程實務，將不涉及機密之經驗，及一些創新的想法寫下而完成此書。

技巧(skill)與技術(technology)不同，前者是個人經由不斷嘗試的經驗累積而獲得的功夫，不能專利也不容易傳承，後者是依據科學(science)而建立的實現方法(engineering)，可以建立系統有規劃的逐步完成，並可以依序傳授，因此其技術可以專利，一般公司會將之列為機密。本書即依此原則來傳達薄膜的科學理論基礎，以及可以實現的工程技術，因此從第2章到第9章以陳述科學理論為主工程技術為輔，然後在第10章以後各章在略微陳述科學理論後即著重於工程技術的說明。本版除了新增加第19章外，並將各章節更新以應時代需求。

本書自1999年初版至本版，受到很多師友及學生的幫忙，沒有他們的協助本書各版無法順利完成，特別要感謝Prof. Angus H. Macleod的指導、陳昇暉教授對公式的討論，撰寫第19章時，感謝任貽均教授、欒丕綱教授提供的意見，李孟錡博士與張雅真等同學在繪圖與編輯上的協助。內人洪素華承擔家務，不厭煩有個常趴在書桌的呆丈夫，而鼓勵從事學術研究與教育，使本書能夠完成。

薄膜光學涵蓋很廣，本書無意也無法將之全部寫入，只盡量提供原理及重點，擇要陳述，並附參考資料，有興趣者可依此深入研究。雖然如此，亦必有失漏之處，尚祈各界先進與同好不吝指教。

於 中央大學(NCU)光電系(DOP)

薄膜技術中心(TFTC)

 
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目次
符號說明 xii

1. 引言 1

2. 基本理論 9

電磁波 9

單界面之反射與透射 20

單層膜之反射與透射 41

多層膜之反射與透射 60

多層膜矩陣的一些特性 65

非相干性之反射與透射 68

金屬薄膜之光學特性 76

3. 光學薄膜設計之圖示法 90

向量法 90

導納軌跡法 100

計算機程式之應用 132

4. 分光鏡 138

中性分光鏡 138

雙色分光鏡 145

偏振光分光鏡 147

5. 高反射鏡 152

金屬膜反射鏡 152

全介電質膜高反射鏡 168

全介電質膜高反射帶之拓寬 173

膜層損耗對四分之一波膜堆的影響 176

量子點在薄膜中的應用 181

6. 截止濾光片 188

非干涉型截止濾光片 188

干涉型截止濾光片 189

7. 帶止濾光片 212

高低折射率膜堆法 212

折射率漸變膜及非均勻膜法 214

8. 帶通濾光片 223

寬帶濾光片 223

窄帶濾光片 224

多腔窄帶濾光片 239

誘導透射濾光片 256

9. 斜向入射薄膜 265

斜向入射時薄膜折射率之修正 265

斜向入射時光學導納之修正 267

消偏振鍍膜 273

斜向入射效應之應用 284

金屬鍍保護膜後之斜向反射率 286

10. 光學薄膜的製鍍方法 289

液體成膜法 289

氣體成膜法 292

增能助鍍及其他方法 319

11. 光學薄膜之特性與製鍍技術的改進 321

各種改進膜質的製鍍方法 332

混合式改進法 349

以單一材料製鍍多層膜 355

膜微觀結構與雙折射特性 358

12. 薄膜厚度之均勻性及鍍膜厚度之監控 366

膜分佈之理論分析 366

實作基板支撐架及膜厚監控的選擇 377

13. 光學薄膜特性的量測 400

薄膜光學常數的量測 400

薄膜透射率、反射率、吸收與散射量測 416

薄膜堆積密度之量測 428

薄膜表面輪廓及粗糙度的量測 429

薄膜微硬度、抗擦性、附著性及環境溫溼變化之量測 433

薄膜應力之量測 439

薄膜微觀結構之分析 446

薄膜成份之分析 448

雷射輻射對薄膜損傷承受值的量測 449

14. 光學薄膜材料 456

光學薄膜之基本要求 456

常用光學薄膜之製鍍與特性 463

兩種材料混合的折射率 470

毒性 472

15. 紫外光及X-光波域之光學薄膜 474

紫外光光學薄膜 476

X-光光學薄膜 480

16. 光學濾光片製鍍範例 491

濾光片的設計 491

基板的準備 512

鍍膜與膜厚之監控 514

光學成效檢驗 516

非光學特性之檢驗 517

鍍膜機的清理 517

17. 光學薄膜與色彩 519

CIEＸＹＺ色度座標 519

光度學 526

光源 528

光學薄膜的色彩與應用 529

18. 塑膠及軟性基板的鍍膜 543

塑膠基板的光學鍍膜 544

疏水膜與親水膜 550

軟性基板的阻氣膜 556

19. 超穎薄膜 568

電磁波的的傳遞與負折射率材料 569

介電質-金屬介面的表面電漿 573

介電質與金屬組合之膜堆 577

對入射角變化不敏感的濾光片 577

廣波域近乎完全吸收膜 585

突破繞射極限的濾光片 588

附錄一 光波之相干性與干涉 601

附錄二 CIE 1931配色函數與光譜光視效函數 618

附錄三 光學薄膜材料特性 621

附錄四 有關薄膜光學原理、製作及檢測之參考書與會議 626

索引 630