专利名称：一种红外双波段窗口保护膜及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种红外双波段窗口保护膜及其制造方法，属于光学薄膜技术领 域，特别适用于共窗口光学系统。
背景技术：
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随着光学系统设备和装置所处应用环境的变化，特别是高精光电系统正朝着
多波段一体化方向发展，例如野外作业，特别是军事等领城， 一些共窗口光学系 统的应用越来越多，其中中波红外(3 5uni)与长波红外(8 12liin)共窗口的光 学系统在制导、跟踪、警戒等领域的应用前景最为广阔。与单波段红外系统相比， 双波段红外系统更容易区别近处小目标(如小鸟)与远处大目标，可防止激光器致 盲，并显著提高红外系统在不同应用场合环境下的作用距离。
红外窗口是红外光学系统中唯一与外部恶劣环境相接触的光学零件，野外作 业的光学窗口长期工作在高速或风砂、盐雾、海水等恶劣环境中，提高窗口抗恶 劣环境损伤的能力是保证红外系统正常工作关键环节之一。常用的红外窗口材料 锗、硅、硫化锌、硒化锌等均较软，抗恶劣环境损伤的能力差，如不镀膜，锗窗
口在海洋环境下使用一个月后即可使系统的透过率降至o，使系统无法工作。此外，
红外窗口材料的折射率较大，如不镀膜，外表面的反射损失将直接降低系统的技 术指标。因此，在红外窗口表面镀制具有减反射效果的保护膜非常关键。常见的 单波红外层保护膜是类金刚石膜(DLC),类金刚石膜的折射率约为2，只能用于单 波段红外窗口中，对于双波段红外窗口必须寻找另一种或几种不同折射率的保护 膜材料，并将其与类金刚石膜组合使用，从而制成双波段红外窗口。 在已有的红外双波段窗口保护膜技术中，主要有以下几类 1)红外减反射膜(AR)+类金刚石(DLC)结构这种红外双波段窗口保护膜直接 在双波段红外减反射膜外加镀一层类金刚石膜，在制备过程中，先使用电子束蒸 发设备镀制减反射膜(AR)，然后再使用化学气相沉积(CVD)或溅射(Sputtering)设备镀制厚度在lOOmn以下的类金刚石膜。这种红外双波段窗口保护膜的优点是透 过率较高，缺点是
① 保护效果差由于只镀制了厚度小于100咖的硬膜(类金刚石膜)，膜的硬 度不高，抗恶劣环境损伤的能力差；
② 工艺流程复杂工艺中需至少使用两种设备来镀制，工艺流程复杂。
2) 磷化硼(BP)+类金刚石(DLC)结构这种红外窗口保护膜采用化学气相法先 在基体上沉积一层折射率为3左右的磷化硼(BP)膜，然后，在BP外表面沉积一层 折射率为2左右的类金刚石膜。这种红外双波段窗口保护膜的优点是保护效果极 佳，缺点是
① 透过率低在中波红外和长波红外的平均透过率只能到80%;
② 成本高、环保性差BP膜在镀制过程中需使用硼垸和磷烷两种剧毒气体， 处理不当会造成环境污染，设备固定投资和维护成本高。
3) 碳化锗(GeC) +类金刚石(01^)结构这种红外窗口保护膜利用碳化锗膜折 射率可变的特点进行膜系设计，采用化学气相沉积在窗口表面镀制高低折射率交 替的碳化锗膜，然后在最后一层镀制类金刚石膜。这种保护膜的优点是透过率 较高，保护效果也较好。现有技术的缺点是-
① 工艺重复性差碳化锗膜采用化学气相沉积时，折射率控制稳定性差，从 而直接影响工艺重复性；低折射率碳化锗膜采用溅射法镀制时，易导致因靶中毒 太深而使碳化锗膜工艺失控；
② 成本高、环保性差碳化锗膜在镀制过程中需使用锗烷这种剧毒气体，处 理不当时会造成环境污染，设备投资和维护成本高。
发明内容
本发明的目的在于，解决已有技术中存在的相关问题并满足实际需求，提供 了一种膜的硬度高、抗恶劣环境损伤的能力强、透光率高、及制造工艺简单、对 环境无污染、成本低的一种红外双波段窗口保护膜及其制造方法。
本发明的一种红外双波段窗口保护膜的技术方案它是一个由基体和在基体
上依次附着至少一组中间保护组合膜及一个最外层保护膜组成的膜系；所述的中
间保护组合膜由底层膜为碳化锗膜而上层膜为类金刚石膜组成，或由底层为类金刚石膜而上层膜为碳化锗膜组成；所述的最外层保护膜为类金刚石膜，它是在中 间保护组合膜最上层膜上再叠加的类金刚石膜，或即是中间保护组合膜最上层的 类金刚石上层膜。
所述的基体材料为锗；中间保护组合膜为1 6组，每组底层膜为碳化锗膜而 上层膜为类金刚石膜，或每组底层膜为类金刚石膜而上层膜为碳化锗膜。
所述的基体材料为锗，中间保护组合膜为2组，每组底层膜为类金刚石膜而 上层膜为碳化锗膜。
所述的基体材料为锗，中间保护组合膜为6组，每组底层膜为碳化锗膜而上 层膜为类金刚石膜。
所述的基体材料为硫化锌或硒化锌；中间保护组合膜为1 6组，每组底层膜 为碳化锗膜而上层膜为类金刚石膜。
所述的基体材料为硫化锌；中间保护组合膜为2组，每组底层膜为碳化锗膜 而上层膜为类金刚石膜。
所述的基体材料为硒化锌；中间保护组合膜为6组，每组底层膜为碳化锗膜而 上层膜为类金刚石膜。
所述的碳化锗膜折射率为3. 0 3. 9。
所述的中间保护组合膜中的类金刚石膜为底层膜或上层膜，其厚度为10 2000nm:最外层保护膜厚度为100 2000mn 。
本发明的一种红外双波段窗口保护膜的制造方法的技术方案它包括下述步
骤
A、 确定基体的材料选自锗，或硫化锌或硒化锌；
B、 选择底层膜和上层膜材料
基体材料为锗时中间保护组合膜的每组底层膜为碳化锗膜而上层膜为类金 刚石膜，或每组底层膜为类金刚石膜而上层膜为碳化锗膜；
基体材料为硫化锌或硒化锌时；中间保护组合膜的每组底层膜为碳化锗膜而 上层膜为类金刚石膜；
C、 选择最外层保护膜材料为类金刚石膜；
D、 膜系优化对膜系层数和厚度进行优化，中间保护组合膜为1 6组，合 计为2 12层；最外层保护膜为一层类金刚石膜；E、 确定膜厚度；
F、 镀制中间保护组合膜按上述B、 D、 E步骤中所确定的底层膜和上层膜层 数及厚度，然后进行常规镀制；
G、 镀制最外层保护膜它是在中间保护组合膜最上层膜上再叠加类金刚石膜， 或即是中间保护组合膜最上层的类金刚石上层膜。
本发明的突出优点在于-
1、 透光率高。按本发明得到的红外双波段窗口保护膜，在3 51im、 8 12 ixm两个波段同时具备良好的减反射效果，锗、硫化锌、洒化锌窗口一面镀红外双 波段窗口保护膜另一面不镀膜时，在3.7 3. 8um和8 11.5iiin范围内的平均 透过率分别达到61%和59%;
2、 可抗风砂、海水、高速、盐雾等恶劣环境因素的损伤
3、 本发明有中间保护组合膜，即以碳化锗和类金刚石两种材料组成，其中， 采用一种具有较高折射率(3. 0 3. 9)的碳化锗膜，避免了已有技术中低折射率碳 化锗膜镀制工艺不易控制的不足，从而提高了工艺的可控制性，工艺重复性好；
4、 采用高折射率、应力小、弹性模量大的碳化锗膜和低折射率、应力大、硬 度高的类金刚石膜相互交替累加的结构构成中间保护组合膜，膜系的层数多，且 最外层保护膜为类金刚石膜，提高膜系的抗冲击能力，并增加膜系整体硬度。
图l为本发明基体l材料为锗，中间保护组合膜2为2组，每组底层膜2. l为 类金刚石膜而上层膜2.2为碳化锗膜的一种红外双波段窗口保护膜的结构示意图。
图2为锗基体单面镀红外双波段窗口保护膜的透过率曲线图。 图中1—基体，2—中间保护组合膜，2.1—底膜，2.2 —上膜，3 —最外层保 护膜。
具体实施例方式
1、结合附图和实施例对本发明的一种红外双波段窗口保护膜作进一步说明如
下
实施例1:如图1所示， 一种红外双波段窗口保护膜，它是一个由基体l和在基体l上 依次附着至少一组中间保护组合膜2及一个最外层保护膜3组成的膜系；所述的 中间保护组合膜2由底层膜2. 1为碳化锗膜而上层膜2. 2为类金刚石膜组成，或 由底层膜2. 1为类金刚石膜而上层膜2. 2为碳化锗膜组成；所述的最外层保护膜3 为类金刚石膜，它是在中间保护组合膜2最上层膜上再叠加的类金刚石膜，或即 是中间保护组合膜2最上层的类金刚石上层膜2.2。所述的碳化锗膜折射率为 3. 0 3. 9;所述的中间保护组合膜2中的类金刚石膜为底层膜2. 1或上层膜2. 2， 其厚度为10 2000nin:最外层保护膜3厚度为100 2000nm ;具体地说本实施 例所述的基体1材料为锗；中间保护组合膜2为1 6组，每组底层膜2. 1为碳化 锗膜而上层膜2.2为类金刚石膜，或每组底层膜2. 1为类金刚石膜而上层膜2.2 为碳化锗膜，图1中本实施例选择为2组，第1组底层膜2. 1选择厚度为64. 4rim 的类金刚石膜，而上层膜2.2为厚度805.8mn的碳化锗膜；第2组底层膜2. 1选 择厚度为339.5mn的类金刚石膜，而上层膜2. 2为厚度99. 7nm的碳化锗膜，最外 层保护膜3为类金刚石膜，厚度为799.4nm,碳化锗膜折射率为3. 6。
实施例2:与上述实施例l不同的是，所述的基体l材料为锗，中间保护组 合膜2为6组，第1组到第6组上层膜(类金刚石膜)的厚度分别为43. 89nm、59nin、 30nin、 802nm、 293nm和2000nm。最上层的类金刚石膜同时为最外层保护膜3;碳 化锗膜折射率为3.9。
实施例3:与上述实施例l、 2不同的是，所述的基体l材料为硫化锌；中间 保护组合膜2为1 6组，每组底层膜2. 1为碳化锗膜而上层膜2. 2为类金刚石膜 10 2000nm，本实施例中间保护组合膜2为2组，第1组底层膜2. 1为碳化锗膜 而上层膜2. 2为类金刚石膜其厚度为1563mn，第2组底层膜2. 1为碳化锗膜而上 层膜2. 2同时为最外层保护膜3的类金刚石膜其厚度为100nm。碳化锗膜折射率为 3. 5。
实施例4:与上述实施例3不同的是，所述的基体l材料为硒化锌；中间保护 组合膜2为6组，每组底层膜2. 1为碳化锗膜而上层膜2. 2为类金刚石膜；最上层 膜同时为最外层保护膜3，第1组到第6组上层膜(类金刚石膜)的厚度分别为 1894. 89nm、 69咖、561. 4nm、 78. 6nm、 101nm和1248nm。碳化锗膜折射率为3。
2、结合附图和实施例对本发明的一种红外双波段窗口保护膜的制造方法作进一步说明，制造步骤如下
A、 确定基体l的材料选自锗，或硫化锌或硒化锌
B、 选择底层膜2. 1和上层膜2. 2材料
基体1材料为锗时；中间保护组合膜2的每组底层膜2. 1为碳化锗膜而上层 膜2. 2为类金刚石膜，或每组底层膜2. 1为类金刚石膜而上层膜2. 2为碳化锗膜;
基体1材料为硫化锌或晒化锌时；中间保护组合膜2的每组底层膜2. 1为碳 化锗膜而上层膜2. 2为类金刚石膜；
C、 选择最外层保护膜3材料为类金刚石膜
D、 膜系优化对膜系层数和厚度进行优化，中间保护组合膜2为1 6组， 合计为2 12层；最外层保护膜3为一层类金刚石膜；
E、 确定膜厚度各具体膜层厚度值由膜系优化结果给出，但必须符合以下条 件中间保护组合膜2中的类金刚石膜为底层膜2. 1或上层膜2. 2，其厚度为10 2000nm:最外层保护膜3厚度为100 2000nm ;
F、镀制中间保护组合膜2:按上述B、 D、 E步骤中所确定的底层膜2.1和 上层膜2.2层数及厚度，然后进行常规镀制，厚度误差为确定厚度的20%;
G、镀制最外层保护膜3:它是在中间保护组合膜2最上层膜2.2上再叠加类 金刚石膜，或即是中间保护组合膜2最上层的类金刚石上层膜2. 2。
3、以下对基体1材料为锗时的红外双波段窗口保护膜的镀制方法作进一步举 例说明如下
1) 本实施例采用反应溅射法对膜系进行镀制，基体1材料为锗；中间保护 组合膜2为两组4层，每组底层膜2.1为类金刚膜而上层膜2.2为碳化锗膜，最 外层保护膜3为类金刚石膜。其中类金刚石膜的折射率为2. 2,碳化锗膜的折射率 为3. 6，确定得到的各膜层厚度为64. 4mn、 805. 8nm、 339. 5nm、 99. 7 nm和799. 4nm， 各膜层实际镀制厚度为65nm、 810. 2nm、 342. 5n加、98. 4 nm和797. lnm,各膜层的 厚度误差均小于20%。
2) 锗基体红外双波段保护膜性能测试结果 锗基体红外双波段窗口保护膜所能达到的性能指标如下
a)红外透过率锗基体单面镀制红外双波段窗口保护膜后，得到如附图2所 示，实测光谱曲线，在3.7 4.8um和8 11.5um范围内的平均透过率分别达到62%和60%。
b) 耐恶劣环境性能，上述实施例中红外双波段窗口保护膜依次通过了下列试 验，膜层无明显开裂、脱膜等现象，膜层光学性能不下降
① 高低温试验在-62lC和70"下各保持2h。
② 湿热试验在相对湿度为95 100%、温度为50"C士2"C的条件下，保持24h。
③ 盐雾试验在盐度为5%、温度为35°C±2°C、 PH值为6.5 7. 2的NaCl 盐雾下，连续喷雾24h。
盐溶试验在室温下，在盐度为5W的NaCl溶液中浸泡24h。 ⑤热水浸泡试验在温度为7(TC的热水中浸泡8h。 ◎盐水浸泡在盐水中浸泡l个月。
⑦ 酸蚀试验分别用浓盐酸、浓硫酸、浓硝酸腐蚀24小时。
⑧ 碱蚀试验采用5%的氢氧化钠溶液连续浸泡24小时。
◎摩擦试验采用膜层强度试验机，对膜层施加9.8牛顿的力，沿同一轨迹
摩擦io万次。
c) 均匀性膜表面无干涉圆环，厚度不均匀性在小200mm范围内低于5免。 本发明专利权保护范围不限于上述实施例。
权利要求
1、一种红外双波段窗口保护膜，其特征在于，它是一个由基体(1)和在基体(1)上依次附着至少一组中间保护组合膜(2)及一个最外层保护膜(3)组成的膜系；所述的中间保护组合膜(2)由底层膜(2.1)为碳化锗膜而上层膜(2.2)为类金刚石膜组成，或由底层膜(2.1)为类金刚石膜而上层膜(2.2)为碳化锗膜组成；所述的最外层保护膜(3)为类金刚石膜，它是在中间保护组合膜(2)最上层膜(2.2)上再叠加的类金刚石膜，或是中间保护组合膜(2)最上层的类金刚石上层膜(2.2)。
2、 按照权利要求1所述的红外双波段窗口保护膜，其特征在于，所述的基体 (1)材料为锗；中间保护组合膜(2)为1 6组，每组底层膜(2.1)为碳化锗膜而上层膜(2.2)为类金刚石膜，或每组底层膜(2.1)为类金刚石膜而上层膜 (2.2)为碳化锗膜。
3、 按照权利要求2所述的红外双波段窗口保护膜，其特征在于，所述的中间 保护组合膜(2)为2组，底层膜(2.1)为类金刚石膜而上层膜(2.2)为碳化锗 膜。
4、 按照权利要求2所述的红外双波段窗口保护膜，其特征在于，所述的中间 保护组合膜(2)为6组，每组底层膜(2.1)为碳化锗膜而上层膜(2.2)为类金 刚石膜。
5、 按照权利要求l所述的红外双波段窗口保护膜，其特征在于，所述的基体 (1)材料为硫化锌或硒化锌；中间保护组合膜(2)为1 6组，每组底层膜(2. 1)为碳化锗膜而上层膜(2.2)为类金刚石膜。
6、 按照权利要求5所述的红外双波段窗口保护膜，其特征在于，所述的基体 (1)材料为硫化锌；中间保护组合膜(2)为2组，每组底层膜(2.1)为碳化锗膜而上层膜(2.2)为类金刚石膜。
7、 按照权利要求5所述的红外双波段窗口保护膜，其特征在于，所述的基体 (1)材料为硒化锌；中间保护组合膜(2)为6组，每组底层膜(2.1)为碳化锗膜而上层膜(2.2)为类金刚石膜。
8、 按照权利要求1至7任何一个权利要求所述的红外双波段窗口保护膜，其特征在于，所述的碳化锗膜折射率为3.0 3.9。
9、 按照权利要求1至7任何一个权利要求所述的红外双波段窗口保护膜，其 特征在于，所述的中间保护组合膜(2)中的类金刚石膜为底层膜(2.1)或上层 膜(2.2)，其厚度为10 2000nm;最外层保护膜(3)厚度为100 2000nm 。
10、 一种红外双波段窗口保护膜的制造方法，其特征在于，它包括下述步骤-A、 确定基体(1)的材料选自锗，或硫化锌或硒化锌；B、 选择底层膜(2.1)和上层膜(2.2)材料基体(1)材料为锗时中间保护组合膜(2)的每组底层膜(2.1)为 碳化锗膜而上层膜(2.2)为类金刚石膜，或每组底层膜(2.1)为类 金刚石膜而上层膜(2.2)为碳化锗膜；基体(1)材料为硫化锌或硒化锌时中间保护组合膜(2)的每组底 层膜(2.1)为碳化锗膜而上层膜上层膜(2.2)为类金刚石膜；C、 选择最外层保护膜(3)材料为类金刚石膜；D、 膜系优化对膜系层数和厚度进行优化，中间保护组合膜(2)为1 6组，合计为2 12层；最外层保护膜(3)为一层类金刚石膜；E、 确定膜厚度；F、 镀制中间保护组合膜(2):按上述B、 D、 E步骤中所确定的底层膜(2. 1)和上层膜(2.2)层数及厚度，然后进行常规镀制；G、 镀制最外层保护膜3:它是在中间保护组合膜(2)最上层膜(2.2)上再叠加类金刚石膜，或即是中间保护组合膜(2)最上层的类金刚石 上层膜(2.2)。
全文摘要
本发明涉及一种红外双波段窗口保护膜及其制造方法。它是一个由基体和在基体上依次附着中间保护组合膜及一个最外层保护膜组成的膜系；中间保护组合膜由底层膜为碳化锗膜而上层膜为类金刚石膜组成，或由底层膜为类金刚石膜而上层膜为碳化锗膜组成；最外层保护膜为类金刚石膜。制造方法包括确定基体、选择底层膜和上层膜及最外层保护膜材料、膜系优化等步骤。优点是透光率高，可抗风砂、海水、高速、盐雾等恶劣环境因素的损伤，抗冲击能力强，并增加膜系整体硬度。工艺的可控制性及工艺重复性好。
文档编号G02B1/10GK101414017SQ20081019795
公开日2009年4月22日 申请日期2008年12月1日 优先权日2008年12月1日
发明者何光宗, 吴小丽, 谧 朱, 李钱陶, 杨林峰, 熊长新 申请人:中国船舶重工集团公司第七一七研究所