一、牛顿环的定义与形成原理
定义
牛顿环（Newton's rings）是一种由薄膜干涉现象形成的明暗相间的同心圆环状干涉图样。
其名称来源于物理学家牛顿的首次观测，但牛顿本人因坚持微粒说未能正确解释这一现象，直到19世纪托马斯·杨基于波动理论才给出合理解释。
形成原理
牛顿环的产生源于光在两个相邻透明介质表面反射后的干涉效应，具体条件如下：
基本结构
实验中，牛顿环通常由曲率半径较大的平凸透镜与平面玻璃接触构成，两者之间形成一层厚度不均匀的空气薄膜。
当单色光（如钠黄光，波长589.3 nm）垂直入射时，空气膜的上表面（凸透镜下表面）和下表面（平面玻璃上表面）分别反射两束光，这两束光因光程差发生干涉。
干涉条件
1. 光程差：空气膜厚度为 d 处，两束反射光的光程差为 2d + 入/2（其中 入/2是由于光在光密介质表面反射时的半波损失）。
2. 明暗条纹条件：当光程差满足 2d = k入（暗纹）或 2d = (2k+1)入（明纹）时，形成明暗交替的圆环。
中心接触点因空气膜厚度为零且存在半波损失，呈现暗斑。
条纹特征
1. 同心圆环：条纹间距由内向外逐渐变密，因空气膜厚度随半径平方增加。
2. 白光下的彩色环：白光包含多种波长，不同波长的光干涉极大值位置不同，形成彩色条纹。
二、牛顿环的消除方法
物理结构优化
避免薄膜接触
在扫描仪或显示设备中，牛顿环常因透明介质（如玻璃）与胶片或ITO（氧化铟锡）膜接触形成空气膜。
通过设计非接触式结构可消除干涉。例如：
1. 双平台技术：MICROTEK扫描仪采用独立透射平台，避免光通过玻璃，直接照射胶片。
2. 光学元件倾斜：在摄影中，将相机平面略微倾斜可破坏薄膜平行性，消除干涉条纹（需注意光轴偏移对成像的影响）。
表面粗糙化处理
在液晶显示器背光模块中，棱镜片表面通过复合结构设计（如快速工具伺服与喷砂工艺结合）增加雾度（15% – 22%）和粗糙度（0.42 – 0.45 μm），破坏光干涉条件。
此方法可抑制反射式牛顿环，同时避免辉度损失超过5%。
光学元件改进
抗反射镀膜
在光学元件表面镀增透膜，减少反射光强度，降低干涉效应。例如，使用多层介质膜抵消特定波长的反射。
复合结构光学片材
通过模具压印技术，在基板上形成多尺度凸起结构（如微透镜与纳米级粗糙度结合），同时优化辉度与抗牛顿环性能。
软件校正
在图像采集后，利用平场校正算法（Flat-field correction）消除牛顿环。例如，天文摄影中通过叠加多张图像，由软件自动去除干涉条纹。
三、牛顿环在光学量测设备中的负面影响
降低成像质量
1. 色彩失真：在扫描仪或显示器中，牛顿环导致局部区域出现彩色光环，破坏图像色彩一致性。
2. 对比度下降：干涉条纹覆盖区域的光强分布不均，降低显示对比度，尤其在医疗影像或精密检测中影响诊断或测量精度。
干扰光学测量
1. 曲率半径测量误差：牛顿环实验本身用于测量透镜曲率半径，但若待测元件存在额外干涉（如ITO膜变形），会导致数据偏差。
2. 表面缺陷误判：在光学元件检测中，牛顿环可能被误认为表面划痕或污染，增加质检难度。
增加生产成本
1. 工艺复杂性：在液晶显示器生产中，需严格控制ITO玻璃的间隙（通常小于10 μm）和支撑粒子分布，任何微小形变或污染都会引发牛顿环，提高洁净室要求和良品率成本。
2. 材料损耗：为消除干涉，需额外增加表面处理步骤（如喷砂），导致辉度损失和材料浪费。
四、典型应用与案例分析
工业生产中的质量控制
在触摸屏制造中，ITO薄膜的平整度直接影响牛顿环的产生。
通过调节压合工艺参数（如外框支撑间隙）和引入自动检测系统，可减少因薄膜凹陷导致的干涉缺陷。
天文摄影中的挑战
日珥摄影中，相机传感器与滤镜间的空气膜易产生牛顿环。解决方案包括使用靶平面调节环（Tilting adapter）或大气色散矫正器（ADC），以微小倾斜角破坏薄膜平行性，同时避免像质畸变。
五、总结
牛顿环作为薄膜干涉的典型现象，既是光学研究的重要工具，也是工业生产的常见问题。
其消除需结合物理结构设计、材料工程与软件算法，而对光学量测设备的负面影响则体现在成像质量、测量精度和成本控制等多个维度。
未来，随着纳米加工技术和计算光学的发展，更高效的抗干涉方案将进一步提升光学设备的性能与可靠性。
