專利名稱：一種紅外雙波段窗口保護膜及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外雙波段窗口保護膜及其制造方法，屬于光學薄膜技術(shù)領(lǐng) 域，特別適用于共窗口光學系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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隨著光學系統(tǒng)設(shè)備和裝置所處應用環(huán)境的變化，特別是高精光電系統(tǒng)正朝著
多波段一體化方向發(fā)展，例如野外作業(yè)，特別是軍事等領(lǐng)城， 一些共窗口光學系 統(tǒng)的應用越來越多，其中中波紅外(3 5uni)與長波紅外(8 12liin)共窗口的光 學系統(tǒng)在制導、跟蹤、警戒等領(lǐng)域的應用前景最為廣闊。與單波段紅外系統(tǒng)相比， 雙波段紅外系統(tǒng)更容易區(qū)別近處小目標(如小鳥)與遠處大目標，可防止激光器致 盲，并顯著提高紅外系統(tǒng)在不同應用場合環(huán)境下的作用距離。
紅外窗口是紅外光學系統(tǒng)中唯一與外部惡劣環(huán)境相接觸的光學零件，野外作 業(yè)的光學窗口長期工作在高速或風砂、鹽霧、海水等惡劣環(huán)境中，提高窗口抗惡 劣環(huán)境損傷的能力是保證紅外系統(tǒng)正常工作關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。常用的紅外窗口材料 鍺、硅、硫化鋅、硒化鋅等均較軟，抗惡劣環(huán)境損傷的能力差，如不鍍膜，鍺窗
口在海洋環(huán)境下使用一個月后即可使系統(tǒng)的透過率降至o，使系統(tǒng)無法工作。此外，
紅外窗口材料的折射率較大，如不鍍膜，外表面的反射損失將直接降低系統(tǒng)的技 術(shù)指標。因此，在紅外窗口表面鍍制具有減反射效果的保護膜非常關(guān)鍵。常見的 單波紅外層保護膜是類金剛石膜(DLC),類金剛石膜的折射率約為2，只能用于單 波段紅外窗口中，對于雙波段紅外窗口必須尋找另一種或幾種不同折射率的保護 膜材料，并將其與類金剛石膜組合使用，從而制成雙波段紅外窗口。 在已有的紅外雙波段窗口保護膜技術(shù)中，主要有以下幾類 1)紅外減反射膜(AR)+類金剛石(DLC)結(jié)構(gòu)這種紅外雙波段窗口保護膜直接 在雙波段紅外減反射膜外加鍍一層類金剛石膜，在制備過程中，先使用電子束蒸 發(fā)設(shè)備鍍制減反射膜(AR)，然后再使用化學氣相沉積(CVD)或濺射(Sputtering)設(shè)備鍍制厚度在lOOmn以下的類金剛石膜。這種紅外雙波段窗口保護膜的優(yōu)點是透 過率較高，缺點是
① 保護效果差由于只鍍制了厚度小于100咖的硬膜(類金剛石膜)，膜的硬 度不高，抗惡劣環(huán)境損傷的能力差；
② 工藝流程復雜工藝中需至少使用兩種設(shè)備來鍍制，工藝流程復雜。
2) 磷化硼(BP)+類金剛石(DLC)結(jié)構(gòu)這種紅外窗口保護膜采用化學氣相法先 在基體上沉積一層折射率為3左右的磷化硼(BP)膜，然后，在BP外表面沉積一層 折射率為2左右的類金剛石膜。這種紅外雙波段窗口保護膜的優(yōu)點是保護效果極 佳，缺點是
① 透過率低在中波紅外和長波紅外的平均透過率只能到80%;
② 成本高、環(huán)保性差BP膜在鍍制過程中需使用硼垸和磷烷兩種劇毒氣體， 處理不當會造成環(huán)境污染，設(shè)備固定投資和維護成本高。
3) 碳化鍺(GeC) +類金剛石(01^)結(jié)構(gòu)這種紅外窗口保護膜利用碳化鍺膜折 射率可變的特點進行膜系設(shè)計，采用化學氣相沉積在窗口表面鍍制高低折射率交 替的碳化鍺膜，然后在最后一層鍍制類金剛石膜。這種保護膜的優(yōu)點是透過率 較高，保護效果也較好?，F(xiàn)有技術(shù)的缺點是-
① 工藝重復性差碳化鍺膜采用化學氣相沉積時，折射率控制穩(wěn)定性差，從 而直接影響工藝重復性；低折射率碳化鍺膜采用濺射法鍍制時，易導致因靶中毒 太深而使碳化鍺膜工藝失控；
② 成本高、環(huán)保性差碳化鍺膜在鍍制過程中需使用鍺烷這種劇毒氣體，處 理不當時會造成環(huán)境污染，設(shè)備投資和維護成本高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，解決已有技術(shù)中存在的相關(guān)問題并滿足實際需求，提供 了一種膜的硬度高、抗惡劣環(huán)境損傷的能力強、透光率高、及制造工藝簡單、對 環(huán)境無污染、成本低的一種紅外雙波段窗口保護膜及其制造方法。
本發(fā)明的一種紅外雙波段窗口保護膜的技術(shù)方案它是一個由基體和在基體
上依次附著至少一組中間保護組合膜及一個最外層保護膜組成的膜系；所述的中
間保護組合膜由底層膜為碳化鍺膜而上層膜為類金剛石膜組成，或由底層為類金剛石膜而上層膜為碳化鍺膜組成；所述的最外層保護膜為類金剛石膜，它是在中 間保護組合膜最上層膜上再疊加的類金剛石膜，或即是中間保護組合膜最上層的 類金剛石上層膜。
所述的基體材料為鍺；中間保護組合膜為1 6組，每組底層膜為碳化鍺膜而 上層膜為類金剛石膜，或每組底層膜為類金剛石膜而上層膜為碳化鍺膜。
所述的基體材料為鍺，中間保護組合膜為2組，每組底層膜為類金剛石膜而 上層膜為碳化鍺膜。
所述的基體材料為鍺，中間保護組合膜為6組，每組底層膜為碳化鍺膜而上 層膜為類金剛石膜。
所述的基體材料為硫化鋅或硒化鋅；中間保護組合膜為1 6組，每組底層膜 為碳化鍺膜而上層膜為類金剛石膜。
所述的基體材料為硫化鋅；中間保護組合膜為2組，每組底層膜為碳化鍺膜 而上層膜為類金剛石膜。
所述的基體材料為硒化鋅；中間保護組合膜為6組，每組底層膜為碳化鍺膜而 上層膜為類金剛石膜。
所述的碳化鍺膜折射率為3. 0 3. 9。
所述的中間保護組合膜中的類金剛石膜為底層膜或上層膜，其厚度為10 2000nm:最外層保護膜厚度為100 2000mn 。
本發(fā)明的一種紅外雙波段窗口保護膜的制造方法的技術(shù)方案它包括下述步
驟
A、 確定基體的材料選自鍺，或硫化鋅或硒化鋅；
B、 選擇底層膜和上層膜材料
基體材料為鍺時中間保護組合膜的每組底層膜為碳化鍺膜而上層膜為類金 剛石膜，或每組底層膜為類金剛石膜而上層膜為碳化鍺膜；
基體材料為硫化鋅或硒化鋅時；中間保護組合膜的每組底層膜為碳化鍺膜而 上層膜為類金剛石膜；
C、 選擇最外層保護膜材料為類金剛石膜；
D、 膜系優(yōu)化對膜系層數(shù)和厚度進行優(yōu)化，中間保護組合膜為1 6組，合 計為2 12層；最外層保護膜為一層類金剛石膜；E、 確定膜厚度；
F、 鍍制中間保護組合膜按上述B、 D、 E步驟中所確定的底層膜和上層膜層 數(shù)及厚度，然后進行常規(guī)鍍制；
G、 鍍制最外層保護膜它是在中間保護組合膜最上層膜上再疊加類金剛石膜， 或即是中間保護組合膜最上層的類金剛石上層膜。
本發(fā)明的突出優(yōu)點在于-
1、 透光率高。按本發(fā)明得到的紅外雙波段窗口保護膜，在3 51im、 8 12 ixm兩個波段同時具備良好的減反射效果，鍺、硫化鋅、灑化鋅窗口一面鍍紅外雙 波段窗口保護膜另一面不鍍膜時，在3.7 3. 8um和8 11.5iiin范圍內(nèi)的平均 透過率分別達到61%和59%;
2、 可抗風砂、海水、高速、鹽霧等惡劣環(huán)境因素的損傷
3、 本發(fā)明有中間保護組合膜，即以碳化鍺和類金剛石兩種材料組成，其中， 采用一種具有較高折射率(3. 0 3. 9)的碳化鍺膜，避免了已有技術(shù)中低折射率碳 化鍺膜鍍制工藝不易控制的不足，從而提高了工藝的可控制性，工藝重復性好；
4、 采用高折射率、應力小、彈性模量大的碳化鍺膜和低折射率、應力大、硬 度高的類金剛石膜相互交替累加的結(jié)構(gòu)構(gòu)成中間保護組合膜，膜系的層數(shù)多，且 最外層保護膜為類金剛石膜，提高膜系的抗沖擊能力，并增加膜系整體硬度。
圖l為本發(fā)明基體l材料為鍺，中間保護組合膜2為2組，每組底層膜2. l為 類金剛石膜而上層膜2.2為碳化鍺膜的一種紅外雙波段窗口保護膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為鍺基體單面鍍紅外雙波段窗口保護膜的透過率曲線圖。 圖中1—基體，2—中間保護組合膜，2.1—底膜，2.2 —上膜，3 —最外層保 護膜。
具體實施例方式
1、結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的一種紅外雙波段窗口保護膜作進一步說明如
下
實施例1:如圖1所示， 一種紅外雙波段窗口保護膜，它是一個由基體l和在基體l上 依次附著至少一組中間保護組合膜2及一個最外層保護膜3組成的膜系；所述的 中間保護組合膜2由底層膜2. 1為碳化鍺膜而上層膜2. 2為類金剛石膜組成，或 由底層膜2. 1為類金剛石膜而上層膜2. 2為碳化鍺膜組成；所述的最外層保護膜3 為類金剛石膜，它是在中間保護組合膜2最上層膜上再疊加的類金剛石膜，或即 是中間保護組合膜2最上層的類金剛石上層膜2.2。所述的碳化鍺膜折射率為 3. 0 3. 9;所述的中間保護組合膜2中的類金剛石膜為底層膜2. 1或上層膜2. 2， 其厚度為10 2000nin:最外層保護膜3厚度為100 2000nm ;具體地說本實施 例所述的基體1材料為鍺；中間保護組合膜2為1 6組，每組底層膜2. 1為碳化 鍺膜而上層膜2.2為類金剛石膜，或每組底層膜2. 1為類金剛石膜而上層膜2.2 為碳化鍺膜，圖1中本實施例選擇為2組，第1組底層膜2. 1選擇厚度為64. 4rim 的類金剛石膜，而上層膜2.2為厚度805.8mn的碳化鍺膜；第2組底層膜2. 1選 擇厚度為339.5mn的類金剛石膜，而上層膜2. 2為厚度99. 7nm的碳化鍺膜，最外 層保護膜3為類金剛石膜，厚度為799.4nm,碳化鍺膜折射率為3. 6。
實施例2:與上述實施例l不同的是，所述的基體l材料為鍺，中間保護組 合膜2為6組，第1組到第6組上層膜(類金剛石膜)的厚度分別為43. 89nm、59nin、 30nin、 802nm、 293nm和2000nm。最上層的類金剛石膜同時為最外層保護膜3;碳 化鍺膜折射率為3.9。
實施例3:與上述實施例l、 2不同的是，所述的基體l材料為硫化鋅；中間 保護組合膜2為1 6組，每組底層膜2. 1為碳化鍺膜而上層膜2. 2為類金剛石膜 10 2000nm，本實施例中間保護組合膜2為2組，第1組底層膜2. 1為碳化鍺膜 而上層膜2. 2為類金剛石膜其厚度為1563mn，第2組底層膜2. 1為碳化鍺膜而上 層膜2. 2同時為最外層保護膜3的類金剛石膜其厚度為100nm。碳化鍺膜折射率為 3. 5。
實施例4:與上述實施例3不同的是，所述的基體l材料為硒化鋅；中間保護 組合膜2為6組，每組底層膜2. 1為碳化鍺膜而上層膜2. 2為類金剛石膜；最上層 膜同時為最外層保護膜3，第1組到第6組上層膜(類金剛石膜)的厚度分別為 1894. 89nm、 69咖、561. 4nm、 78. 6nm、 101nm和1248nm。碳化鍺膜折射率為3。
2、結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的一種紅外雙波段窗口保護膜的制造方法作進一步說明，制造步驟如下
A、 確定基體l的材料選自鍺，或硫化鋅或硒化鋅
B、 選擇底層膜2. 1和上層膜2. 2材料
基體1材料為鍺時；中間保護組合膜2的每組底層膜2. 1為碳化鍺膜而上層 膜2. 2為類金剛石膜，或每組底層膜2. 1為類金剛石膜而上層膜2. 2為碳化鍺膜;
基體1材料為硫化鋅或曬化鋅時；中間保護組合膜2的每組底層膜2. 1為碳 化鍺膜而上層膜2. 2為類金剛石膜；
C、 選擇最外層保護膜3材料為類金剛石膜
D、 膜系優(yōu)化對膜系層數(shù)和厚度進行優(yōu)化，中間保護組合膜2為1 6組， 合計為2 12層；最外層保護膜3為一層類金剛石膜；
E、 確定膜厚度各具體膜層厚度值由膜系優(yōu)化結(jié)果給出，但必須符合以下條 件中間保護組合膜2中的類金剛石膜為底層膜2. 1或上層膜2. 2，其厚度為10 2000nm:最外層保護膜3厚度為100 2000nm ;
F、鍍制中間保護組合膜2:按上述B、 D、 E步驟中所確定的底層膜2.1和 上層膜2.2層數(shù)及厚度，然后進行常規(guī)鍍制，厚度誤差為確定厚度的20%;
G、鍍制最外層保護膜3:它是在中間保護組合膜2最上層膜2.2上再疊加類 金剛石膜，或即是中間保護組合膜2最上層的類金剛石上層膜2. 2。
3、以下對基體1材料為鍺時的紅外雙波段窗口保護膜的鍍制方法作進一步舉 例說明如下
1) 本實施例采用反應濺射法對膜系進行鍍制，基體1材料為鍺；中間保護 組合膜2為兩組4層，每組底層膜2.1為類金剛膜而上層膜2.2為碳化鍺膜，最 外層保護膜3為類金剛石膜。其中類金剛石膜的折射率為2. 2,碳化鍺膜的折射率 為3. 6，確定得到的各膜層厚度為64. 4mn、 805. 8nm、 339. 5nm、 99. 7 nm和799. 4nm， 各膜層實際鍍制厚度為65nm、 810. 2nm、 342. 5n加、98. 4 nm和797. lnm,各膜層的 厚度誤差均小于20%。
2) 鍺基體紅外雙波段保護膜性能測試結(jié)果 鍺基體紅外雙波段窗口保護膜所能達到的性能指標如下
a)紅外透過率鍺基體單面鍍制紅外雙波段窗口保護膜后，得到如附圖2所 示，實測光譜曲線，在3.7 4.8um和8 11.5um范圍內(nèi)的平均透過率分別達到62%和60%。
b) 耐惡劣環(huán)境性能，上述實施例中紅外雙波段窗口保護膜依次通過了下列試 驗，膜層無明顯開裂、脫膜等現(xiàn)象，膜層光學性能不下降
① 高低溫試驗在-62lC和70"下各保持2h。
② 濕熱試驗在相對濕度為95 100%、溫度為50"C士2"C的條件下，保持24h。
③ 鹽霧試驗在鹽度為5%、溫度為35°C±2°C、 PH值為6.5 7. 2的NaCl 鹽霧下，連續(xù)噴霧24h。
鹽溶試驗在室溫下，在鹽度為5W的NaCl溶液中浸泡24h。 ⑤熱水浸泡試驗在溫度為7(TC的熱水中浸泡8h。 ◎鹽水浸泡在鹽水中浸泡l個月。
⑦ 酸蝕試驗分別用濃鹽酸、濃硫酸、濃硝酸腐蝕24小時。
⑧ 堿蝕試驗采用5%的氫氧化鈉溶液連續(xù)浸泡24小時。
◎摩擦試驗采用膜層強度試驗機，對膜層施加9.8牛頓的力，沿同一軌跡
摩擦io萬次。
c) 均勻性膜表面無干涉圓環(huán)，厚度不均勻性在小200mm范圍內(nèi)低于5免。 本發(fā)明專利權(quán)保護范圍不限于上述實施例。
權(quán)利要求
1、一種紅外雙波段窗口保護膜，其特征在于，它是一個由基體(1)和在基體(1)上依次附著至少一組中間保護組合膜(2)及一個最外層保護膜(3)組成的膜系；所述的中間保護組合膜(2)由底層膜(2.1)為碳化鍺膜而上層膜(2.2)為類金剛石膜組成，或由底層膜(2.1)為類金剛石膜而上層膜(2.2)為碳化鍺膜組成；所述的最外層保護膜(3)為類金剛石膜，它是在中間保護組合膜(2)最上層膜(2.2)上再疊加的類金剛石膜，或是中間保護組合膜(2)最上層的類金剛石上層膜(2.2)。
2、 按照權(quán)利要求1所述的紅外雙波段窗口保護膜，其特征在于，所述的基體 (1)材料為鍺；中間保護組合膜(2)為1 6組，每組底層膜(2.1)為碳化鍺膜而上層膜(2.2)為類金剛石膜，或每組底層膜(2.1)為類金剛石膜而上層膜 (2.2)為碳化鍺膜。
3、 按照權(quán)利要求2所述的紅外雙波段窗口保護膜，其特征在于，所述的中間 保護組合膜(2)為2組，底層膜(2.1)為類金剛石膜而上層膜(2.2)為碳化鍺 膜。
4、 按照權(quán)利要求2所述的紅外雙波段窗口保護膜，其特征在于，所述的中間 保護組合膜(2)為6組，每組底層膜(2.1)為碳化鍺膜而上層膜(2.2)為類金 剛石膜。
5、 按照權(quán)利要求l所述的紅外雙波段窗口保護膜，其特征在于，所述的基體 (1)材料為硫化鋅或硒化鋅；中間保護組合膜(2)為1 6組，每組底層膜(2. 1)為碳化鍺膜而上層膜(2.2)為類金剛石膜。
6、 按照權(quán)利要求5所述的紅外雙波段窗口保護膜，其特征在于，所述的基體 (1)材料為硫化鋅；中間保護組合膜(2)為2組，每組底層膜(2.1)為碳化鍺膜而上層膜(2.2)為類金剛石膜。
7、 按照權(quán)利要求5所述的紅外雙波段窗口保護膜，其特征在于，所述的基體 (1)材料為硒化鋅；中間保護組合膜(2)為6組，每組底層膜(2.1)為碳化鍺膜而上層膜(2.2)為類金剛石膜。
8、 按照權(quán)利要求1至7任何一個權(quán)利要求所述的紅外雙波段窗口保護膜，其特征在于，所述的碳化鍺膜折射率為3.0 3.9。
9、 按照權(quán)利要求1至7任何一個權(quán)利要求所述的紅外雙波段窗口保護膜，其 特征在于，所述的中間保護組合膜(2)中的類金剛石膜為底層膜(2.1)或上層 膜(2.2)，其厚度為10 2000nm;最外層保護膜(3)厚度為100 2000nm 。
10、 一種紅外雙波段窗口保護膜的制造方法，其特征在于，它包括下述步驟-A、 確定基體(1)的材料選自鍺，或硫化鋅或硒化鋅；B、 選擇底層膜(2.1)和上層膜(2.2)材料基體(1)材料為鍺時中間保護組合膜(2)的每組底層膜(2.1)為 碳化鍺膜而上層膜(2.2)為類金剛石膜，或每組底層膜(2.1)為類 金剛石膜而上層膜(2.2)為碳化鍺膜；基體(1)材料為硫化鋅或硒化鋅時中間保護組合膜(2)的每組底 層膜(2.1)為碳化鍺膜而上層膜上層膜(2.2)為類金剛石膜；C、 選擇最外層保護膜(3)材料為類金剛石膜；D、 膜系優(yōu)化對膜系層數(shù)和厚度進行優(yōu)化，中間保護組合膜(2)為1 6組，合計為2 12層；最外層保護膜(3)為一層類金剛石膜；E、 確定膜厚度；F、 鍍制中間保護組合膜(2):按上述B、 D、 E步驟中所確定的底層膜(2. 1)和上層膜(2.2)層數(shù)及厚度，然后進行常規(guī)鍍制；G、 鍍制最外層保護膜3:它是在中間保護組合膜(2)最上層膜(2.2)上再疊加類金剛石膜，或即是中間保護組合膜(2)最上層的類金剛石 上層膜(2.2)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種紅外雙波段窗口保護膜及其制造方法。它是一個由基體和在基體上依次附著中間保護組合膜及一個最外層保護膜組成的膜系；中間保護組合膜由底層膜為碳化鍺膜而上層膜為類金剛石膜組成，或由底層膜為類金剛石膜而上層膜為碳化鍺膜組成；最外層保護膜為類金剛石膜。制造方法包括確定基體、選擇底層膜和上層膜及最外層保護膜材料、膜系優(yōu)化等步驟。優(yōu)點是透光率高，可抗風砂、海水、高速、鹽霧等惡劣環(huán)境因素的損傷，抗沖擊能力強，并增加膜系整體硬度。工藝的可控制性及工藝重復性好。
文檔編號G02B1/10GK101414017SQ20081019795
公開日2009年4月22日 申請日期2008年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日
發(fā)明者何光宗, 吳小麗, 謐 朱, 李錢陶, 楊林峰, 熊長新 申請人:中國船舶重工集團公司第七一七研究所