在光學系統中，幾乎所有的光學零件都需要使用光學薄膜改變其透射或反射特性。儘管光學薄膜無處不在，但許多光學系統的設計者並不熟悉在薄膜設計或使用中的一些權衡，或者不了解各種薄膜沉積技術的特點，因此，在實際設計過程中經常對光學薄膜提出過高的要求。本文綜述一些比較重要的薄膜設計及相關的薄膜沉積的因素，希望能給大家一些幫助。
增透膜（AR）
增透膜（AR）的性能通常由單個波長或某個波段範圍的平均透過率來指定，當然也可以通過設計者所允許的最大剩餘反射來衡量。對於特定的光學材料來講，材料的吸收係數是固定的，對於一些特殊場合，可能採用所允許的最大剩餘反射來衡量更合理一些。對單波長，單入射角的AR薄膜，其可以獲得非常高的性能，譬如，在光學玻璃表面，在可見光波段，每個表面的剩餘反射低於0.1%的情況是很普遍的。
上圖為單層AR膜與多層AR膜的比較，可以看到，隨著膜層層數的增加，表面的剩餘反射減小（透過率增大），但光譜寬度範圍也在減小。隨著光譜帶寬或者入射角的增加，AR膜的高性能越來越難維持。所以，作為光學設計者必須清楚，在整個光譜範圍或者入射角度範圍，指定的性能是峰值的透過率（剩餘反射率）還是平均的透過率（剩餘反射率），否則可能出現失之毫釐，謬以千裡的情況。
對於非零度角，特別是30°以上的AR膜來說，入射光的偏振狀態對塗層的設計與性能有明顯的影響，確定入射光的偏振狀態至關重要。在所有非零入射角的情況下，S極化比P極化在介質表面的反射率高，因此，如果系統中存在傾斜組件並要求透過率比較高時，光學設計師應採用相應的光學結構，使該光學組件遇到P偏振光。
隨著入射角的增大，AR膜的性能向更短的波長移動，如，一種設計在正常入射時產生最小反射率的AR塗層，在入射角45°時在更短波長上提供最小的反射率。在一個半徑較小的透鏡上，中心的入射角為0°，而邊緣的入射角可能為70°，光學系統即使使用單一波長，AR膜也必須在寬光譜範圍中具有高的性能，即使隨著入射角的增加，膜層響應發生偏移的情況下，其仍能在標稱波長上表現良好。實際上，對於半徑較小的光學表面可能需要特殊的手段或工具來保持性能的一致性。因此，在薄膜的複雜性、成本及性能之間需要一些權衡。
多波段AR膜在軍用光學系統中非常的常見的。與實現整個寬波段的高透過率而言，實現幾個特定波長高透過率就變得相對容易，成本也會降低。另外，設計中可以分析系統對每個波段的具體要求，指定一個波長的相對高性能，放鬆其他波段的要求，也能起到事半功倍的效果。由於能夠同時在可見光與紅外傳輸的材料數量有限，設計與鍍制同時在可見與紅外波段同時工作的AR膜極具挑戰性。
高反膜
高反膜可以通過三種途徑實現，金屬膜、金屬/介質膜、介質膜。金屬膜的優點是在很寬的光譜範圍內均具有良好的性能，如，鋁反射膜在400nm到10μm範圍內的反射率均大於85%，金反射膜在2μm到遠紅外的反射率均大於99%。所有的介質膜幾乎不可能達到這樣的水平。此外，金屬反射膜在S極化與P極化之間的反射率差異通常比介質膜小得多。
然而，金屬反射膜的峰值反射率要小於介質膜的峰值反射率，即使在紅外波段具有99.5%反射率的金反射膜，也無法與介質膜相比，介質膜可以在單一波長上提供99.99%甚至更高的反射率。金屬薄膜的少量吸收限制了其峰值反射率，這造成了金屬膜的一個重要使用限制，雷射損傷能力不及介質膜。
典型的窄帶高反膜（中心波長1000nm）
金屬膜的物理耐久性（耐磨性、溼熱、鹽暴露性）也不如介質膜。如銀反射率，為了防止其氧化，必須再其表面覆蓋另一種材料，這也會降低其反射率。
對於所有介質膜的高反射元件，當指定極高（>99.995%）反射率是，元件的表面質量必須考慮，因為表面散射成為限制性能的主要因素，光學表面的粗糙度必須指定，超光滑表面也需要使用專門的拋光與測試技術，相應的成本也會上升。
分光膜
分光膜的性能在很大程度上依賴分光元件的結構，分光元件的結構一般有兩種，立方體型或者平板型。對於非偏振光來說，立方體的結構是優選的，這種結構在本質上比平板型歲輸入偏振不敏感。
相反地，偏振光分光器可以利用S偏振和P偏振在反射的內在差異來實現非常高的性能。平板偏振器總是配置為通過P偏正而反射S偏振，通常在布魯斯特角（P偏振反射係數降至為0）時工作的最好，對於可見光波長和光學玻璃基片，這個角度大於為56°。
立方體偏振光分束器的傳輸透過率
極化塗層最大限度地增加了反射率的差異，S和P極化實現高的消光比
對於平板型或者立方體型的偏振光分束器，透射光束中消除S偏振光要比使P偏振光遠離反射光束容易的多，也就是說，對於可見光而言，傳輸消光比10000:1是可以實現的，而大於100:1的反射消光比是很困難的，在系統設計過程中應牢記這些性能特徵。
在光束分光器中，有幾個因素會導致膜層的複雜性。例如，隨著入射角的增加，S偏振和P偏振反射率的差異越來越大，這就使得提供對這兩種偏振態都具有相同性能的反射鏡變得很困難。所以，在這種情況下只處理單一極化是有利的。如果非偏振光不可避免，則最好設計一個分束器在較小的入射角工作的光學系統，儘量減少分束的影響。光譜範圍（光譜帶寬）也是一個重要因素，最左偏振不敏感的膜層，其光譜範圍超過中心波長的±10%（例如550nm±50nm）是個巨大的挑戰。
同樣重要的是分束器的公差是如何指定的。譬如，必須在45°±5°入射範圍內保持其標稱性能的分束器與必須在相同的範圍內達到標稱性能的分束器，這兩者之間是有很大區別的。在第一種情況下，分束器性能必須滿足所有角度超過40°到50°的入射角範圍；第二種情況下，分束器性能只在40°到50°的範圍內滿足，用戶將分束器組件放入他們的系統並對其進行傾斜調整，已達到所需的性能。第一種情況下的分束器的要求要比第二種情況下的苛刻的多。
立方體分束器是稜鏡通過粘接膠合而成的，這可能會引入波前誤差，從而影響性能，另外，在膠粘劑中的吸收會導致散射，顯著降低雷射損傷的閾值。（目前一些廠家利用激活共價鍵技術(ACB)來避免膠粘劑的影響）軍用膜層的需求
軍用需求所需的特定功能經常對膜層提出嚴峻的挑戰。如，某些光電系統通常都工作在多光譜波段，這些波段涵蓋可見光（400nm～600nm）、人眼安全雷射（1.54μm）以及中波紅外（3μm～5μm）等等，這些膜層也經常指定在較大入射角度範圍內發揮作用，並且具有偏振不敏感性。
為了使系統的尺寸和重量最小化，特別是在可攜式和機載系統中，光學工程師可能會壓縮光學組件的直徑，從而導致雷射束功率密度的增加，因此，雷射損傷閾值也是需要關注的問題之一。
為了實現先進的功能，光學薄膜或許需要引入更多的層，這也會導致相對厚的薄膜，可能會表現出較高的機械應力。為了減輕重量，系統中可能存在厚徑比比較小的零件，膜層應力會使這些零件變形，從而增加整個系統的波前畸變。
軍用系統必須要承受溫度、溫度的大波動，以及鹽霧、煙霧及空氣中其他汙染物的侵蝕。有些膜層會吸水，再加上溫度的變化，膜層的性能可能會發生改變。由此可見，膜層的性能穩定性和耐用性也是需要考慮的因素。光學薄膜沉積方案
鍍制光學薄膜的沉積技術很很多種，不同的鍍制工藝會對膜層的穩定性、耐久性、雷射損傷閾值、內應力等方面的影響也不同。光學工程師應對這些沉積技術的特點、優點和局限性有個基本的了解。下表比較了最常用的鍍膜方法，即熱蒸發、離子輔助沉積（IAD）和離子束濺射（IBS）。*精確控制沉積層的能力，可以可靠地滿足膜層的性能指標
熱蒸發法（利用電阻加熱或電子束加熱）是迄今為止應用最廣泛的方法，其優勢為該法工作範圍廣（從紫外到遠紅外），成本低。該法的最大缺點是產生多孔膜層，容易吸收水分，從而改變膜層的有效折射率，使其在暴露於環境溫度和溼度變化時難以保持所需的膜層性能。此外，多孔膜層容易含有導致表面質量下降的缺陷，熱蒸發膜層在所有沉積技術中的機械耐久性最差。離子輔助沉積（IAD）是熱蒸發沉積的一種升級，它使用帶電離子在壓縮每一層的沉積，IAD提供了更緻密的光學薄膜。IAD沉積技術實現了耐久性與性能之間的最佳平衡，尤其在3μm～5μm中波紅外波段範圍內。
了解光學薄膜的設計與膜層沉積技術的基礎知識可以幫助光學工程師更好地、更經濟地對光學膜層提出合理的要求，以滿足系統的性能指標。
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