打印本文 
關(guān)閉窗口 李正中
* 亞立桑那大學(xué)光學(xué)博士
* 中央大學(xué)光電研究所教授
一、前言
光學(xué)薄膜與國防科技的關(guān)係頗為密切。事實(shí)上光學(xué)薄膜所以會(huì)這
麼樣的蓬勃發(fā)展是由於它在軍事上有不可缺少的需要而被開發(fā)出來
的。
首先是抗反射膜的應(yīng)用。它增加了光學(xué)元件的透射率，使雙筒望
遠(yuǎn)鏡能看得更清楚，使進(jìn)入偵器的光信號強(qiáng)度增加。這在紅外線光學(xué)
系統(tǒng)中表現(xiàn)得更為明顯。其次是金屬反射膜的應(yīng)用。它使反射式望遠(yuǎn)
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
觀測敵情變成非常簡單。第二次世界大戰(zhàn)後，由於飛彈的開發(fā)，各種
光網(wǎng)及紅外光濾光膜的研製變得非常重要，不但薄膜設(shè)計(jì)上有了很大
的進(jìn)展，薄膜材料的開發(fā)上也有很大的進(jìn)步。待雷射發(fā)明後，軍事上
對光學(xué)薄膜的需求更是有增無減，而且品質(zhì)要求更高，種類也更多。
也可以說，光學(xué)薄膜再次助長了武器的功力。今日波斯灣戰(zhàn)事正說明
了這一點(diǎn)，美軍飛機(jī)在沙伊空中那麼 "神氣活現(xiàn)"，愛國者號飛彈像
有雙明亮的”眼睛”能準(zhǔn)確的飛撞飛毛腿飛彈，光學(xué)薄膜在這上扮演
著決定性的角色。將來星際戰(zhàn)爭若發(fā)生，光學(xué)薄膜一樣有著它決定性
的需要。
以下我們將依光學(xué)薄膜的作用原理舉幾個(gè)例子來說明它在國防科
技上的應(yīng)用。
二、抗反射膜
所謂抗反射膜是在光學(xué)元件表面鍍上一層或數(shù)層的光學(xué)薄膜，造
成一些界面，使得經(jīng)由各個(gè)界面反射回來的光波與光波之間產(chǎn)生破壞
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
光或紅外光) 或發(fā)射光信號的地方一定要做抗反射膜處理。最常見到
的譬如 :保護(hù)窗、目鏡、物鏡及任何透鏡的兩面都會(huì)鍍上抗反射膜。
鍍抗反射膜的用意有二，其一是藉著減少反射而增加整個(gè)光學(xué)系
統(tǒng)的透射率。圖一指出數(shù)片基板在沒有鍍抗反射膜，整個(gè)透射率隨著
基板數(shù)目及基板折射率變化的情形。很明顯的可以看當(dāng)基板的折射
率愈大及片數(shù)愈多時(shí)，透射率就會(huì)愈低，以鍺 (Ge) 來說，其折射率
為4，若系統(tǒng)中有兩片鍺基板而不鍍抗反射膜時(shí)透射率就會(huì)小於22%，
也就是說至少78%的能量會(huì)散失掉。矽 (Si)的折射率為3.4，由圖
中可以看出，能量的損耗也很嚴(yán)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。
鍍抗反射膜的原因之二是可以使光學(xué)系統(tǒng)所成的影像的明晰度增
高，這是因?yàn)槿魶]有鍍抗反射膜則基板的反射光束來回於系統(tǒng)中會(huì)使
影像的背景變差，對比度降低。圖二以光線在保護(hù)窗(a)及目鏡(b)
中行走的情形做個(gè)簡單的說明，原來影像近旁會(huì)有個(gè)相似的影像存
在，俗稱鬼影。而圖三說明了明晰度隨著光學(xué)元件片數(shù)增多而降低的
情形。
後面我們會(huì)再舉軍事儀器為例做更具體的說明。而有關(guān)抗反射膜
的設(shè)計(jì)原理及製做則請參考相關(guān)文獻(xiàn)(1)、(2)。
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(zhì)膜
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(yuǎn)鏡(指反射式望遠(yuǎn)鏡，有牛頓式，格國式，
卡西式等，可用在地面也可用於太空中)，飛彈彈頭尋標(biāo)器 (事實(shí)上是
一個(gè)小型的卡西式望遠(yuǎn)鏡) 等。這些反射鏡大多以鍍上一層金屬鋁膜
外加保護(hù)膜而成。也有人鍍以金膜，特別是用在紅外光波域上，因
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(dāng)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(zhì)膜做成比較多。因?yàn)榻橘|(zhì)膜做成的反射鏡其反射率較
高，吸收較少而比較不會(huì)被光輻射打壞掉。
雷射系統(tǒng)用的反射鏡主要是用在高能雷射武器上。圖四是用途之
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
了一個(gè)大型的反射鏡，他可以把雷射光反射到來襲的敵人飛機(jī)或飛彈
上而達(dá)到攔截的效果。當(dāng)然若雷射光能量夠強(qiáng)你也可把反射光直接打
到敵人的軍事目標(biāo)上�？梢韵胂竦玫侥敲嬖诟呖罩械拇笮头瓷溏R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(huì)被自己的雷射光燒壞。
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(zhǔn)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(zhǔn)器來瞄準(zhǔn)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
露自己而只讓紅外光發(fā)射出去照亮敵人。夜間航空偵察機(jī)進(jìn)行空中偵
察也是使用這種紅外光探照燈。
另一個(gè)使用濾光膜的例子是砲兵用的雷射測距儀。它以YAG雷
射光射向目標(biāo)並接收反射回來的信號，然後由時(shí)間差算出目標(biāo)物的距
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(hù)眼睛。
另一是放在偵測器前面，如圖五中的NBF。這個(gè)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(dāng)潛水艇
在遠(yuǎn)方海底偵測到某事件時(shí)如何把消息快速傳回來?其中之一是在海
底投射一光訊，經(jīng)由人造衛(wèi)星反射到本國或母艦上，反之本國送信號
給潛艇也可經(jīng)此相反路徑。由於信號很弱，而且又在海底，因此必需
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
光膜很難做，因?yàn)樗赏ㄟ^的波寬非常窄，而且對角度變化不能太敏
感。
最後一個(gè)例子讓我們來看看濾光膜與飛彈的關(guān)係。原來紅外光感
應(yīng)飛彈前面有個(gè)可辨識(shí)敵機(jī)的 "眼睛”。這顆眼睛裡面裝有一濾光膜，
它只讓目標(biāo)物的輻射光，通常為飛機(jī)尾後噴出的火光，通過，而對其
它光沒有感應(yīng)，因此這飛彈可以鎖定敵機(jī)如圖六所示那樣直接追擊。
這顆”眼睛”的結(jié)構(gòu)大概如圖七所示。由圖中可知這顆眼睛的每一部
份都要用到光學(xué)薄膜。它的外罩D，中繼透鏡RL及校正透鏡CL
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
膜，圖中之F就是本節(jié)所討論的濾光片。R則下節(jié)要談的光網(wǎng)。
這顆眼睛其實(shí)並不聰明，敵機(jī)若拋出一個(gè)火焰，然後高速急轉(zhuǎn)彎
飛開是可以欺騙這顆飛彈誘它飛往火焰。但是我們?nèi)裟芗友b雙波段濾
光膜，配合下節(jié)所談的光網(wǎng)同時(shí)追認(rèn)紅外光及機(jī)身之反光，則可辨別
何者是飛機(jī)，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(biāo)器，配以雷達(dá)做長距離導(dǎo)引則不論地對空、空對空、
海對空或空對海都可百發(fā)百中，打下目標(biāo)。例如波斯灣戰(zhàn)爭中美軍所
用的愛國者飛彈就可歸類於上述的地對空飛彈。
五、光網(wǎng)
光網(wǎng) (圖七中的R) 的作用就像是個(gè)篩子。它可把各種背景、雲(yún)
層的輻射篩掉而只讓目標(biāo)信號進(jìn)入偵測器CD。它的結(jié)構(gòu)基本上是把
基板鍍成明暗交互的區(qū)域，而形成一些透明區(qū)與不透明區(qū)，在基板面
作有規(guī)律的排列組合，如圖八那樣(4)(5)。
由於目標(biāo)遠(yuǎn)在十幾公里外，呈現(xiàn)在光網(wǎng)上的像很小、，因此當(dāng)光網(wǎng)
轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的紅外光輻射時(shí)而可進(jìn)入偵測器時(shí)而不能，因此構(gòu)成為一
交流信號。與此相反的，背景如雲(yún)層，它的影像很大，光網(wǎng)上的不透
明區(qū)無法完全遮住它，因此光網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)得到的是一個(gè)近乎直流的信
號。經(jīng)由電子電路的處理，就可把雲(yún)層等雜訊濾掉，而達(dá)到篩選的作
用。
目標(biāo)的篩選有時(shí)不一定要轉(zhuǎn)動(dòng)光網(wǎng)，(光網(wǎng)太小不易裝架)，而改
轉(zhuǎn)動(dòng)次反射鏡，結(jié)果一樣可使目標(biāo)物影像在光網(wǎng)上飛轉(zhuǎn)而達(dá)到篩選的
目的。這種裝法同時(shí)還可有判斷目標(biāo)物方位的作用，不過這已超出本
文題意範(fàn)圍，因此不詳細(xì)敘述。
六、結(jié)論
以上所列並沒有道盡光學(xué)薄膜在軍事上的應(yīng)用。但舉出那四類光
學(xué)薄膜做例子來說明它與軍事上的關(guān)係，已足以表達(dá)光學(xué)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(xué)薄膜是此中不可或
缺的一環(huán)。
打印本文 關(guān)閉窗口