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关闭窗口 李正中
* 亞立桑那大學光學博士
* 中央大學光電研究所教授
一、前言
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。
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
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
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
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。第二次世界大戰後，由於飛彈的開發，各種
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
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
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。
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
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
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。
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
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
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
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 :保護窗、目鏡、物鏡及任何透鏡的兩面都會鍍上抗反射膜。
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
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
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%，
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
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。
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
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)
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
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
情形。
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
的設計原理及製做則請參考相關文獻(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)，望遠鏡(指反射式望遠鏡，有牛頓式，格國式，
卡西式等，可用在地面也可用於太空中)，飛彈彈頭尋標器 (事實上是
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
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
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
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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，
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
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
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
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就是本節所討論的濾光片。R則下節要談的光網。
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
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
用的愛國者飛彈就可歸類於上述的地對空飛彈。
五、光網
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
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
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。
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
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。
六、結論
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
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
缺的一環。
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