用于高反射镜子的增强、耐用银涂层堆叠的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请根据35U.S.C. §120,要求2013年3月15日提交的美国申请系列第 13/834230号的优先权，其根据35U.S.C. § 119,要求2013年2月28日提交的美国临时申 请系列第61/770548号的优先权，上述申请的内容是本申请的基础并通过参考完整地结合 于此。
技术领域
[0002] 本发明设及用于高度反射镜子的增强、耐用、创新含银（"邸IS")涂层堆叠，W及 此类堆叠的制造方法。
【背景技术】
[0003] 在智能监视侦察（ISR)监测技术中存在持续改进，例如，增加波长监测范围、降低 检测器足迹和降低像素尺寸，它们都能够实现系统尺寸和重量的下降。运些改进产生了 对于ISR宽-多波段光学系统需求的增加，特别是包括高清可见光波段（VIS，0. 34ym至 约0.75^111)和近红外奶私0.74-1.4^111)、短波红外6胖化1.4-3^111)、中波红外（丽瓜 3-8ym)W及长波红外（LWIR，8-15ym)波段的那些。此类系统的一个关键组件是在其上具 有银涂层的反射光学件，其使得系统能够实现该频谱性能。但是，历史上来说，银涂层是系 统故障的来源，运是由于银涂层随时间的"分解"或"腐蚀"性质导致的。可能无法保护未 来的系统完全免受它们会在其中进行运行的部分苛刻环境，特别是热、潮湿和含盐的环境。 因此，希望具有一种系统，该系统具有高度耐用的宽波段银涂覆的光学件。
[0004] 存在数种用于评估薄膜涂覆的光学组件的耐用性能的测试方法。例子包括军用 规范文件，例如MIkC-48497、MIkF-48616和MIkPRF-13830B，其包括设及暴露于潮湿、盐 雾、盐溶液、溫度循环、磨损的测试，W及其他测试过程。运些测试中最苛刻的是"24小时盐 雾"测试。虽然目前存在两组声称由具体工艺制造的高度反射镜子堆叠能够通过24小时盐 雾测试（量子涂料有限公司（如antumCoatingInc),采用丹顿真空工艺（未描述）和劳 伦斯?利弗莫尔实验室(XawrenceLivermoreL油oratories),采用美国专利第7, 838, 134 号所述工艺），但是运些堆叠都不符合完整ISR光谱要求，特别是它们不符合LWIR范围。量 子/丹顿银涂层被双方称作"X-1银";公开信息显示0. 4-0. 7ym范围的性能（2000真空学 会，涂覆机505/856-7188 ;第43届年度技术会议录（2000)ISSN0737-5921)，对于该涂层，没 有给出进入红外超出LWIR范围的更长波长的信息。该制品还暗示使用离子束辅助沉积和 基材加热可能进一步改善性能。但是，当采用一些金属基材（例如，6061-A1基材）时，基材 加热是不合乎希望的，因为如果溫度过高，基材的机械强度和抗腐蚀性下降。因此，优选将 基材溫度保持在低于6061-A1基材的热处理（约415°C)和应力释放（约350°C)溫度。
[0005] 但是，尽管存在上述现有技术，仍然希望进一步提升银镜子的反射性，包括进入 LWIR的波长范围，W及镜子耐用性。
【发明内容】
[0006] 本发明设及高反射多波段镜子，其在VIS-NIR-SWIR-MWIR-LWIR波段是反射性的， 所述镜子是完全薄膜堆叠，其是由基材上的五（5)种类型的层或六（6)种类型的层构成的。 多波段镜子比现有的设计用于类似应用的轻量化金属基材（例如，6061-A1)上的镜子更为 耐用。在每种层类型中，采用方法和材料来加工每种层，从而实现所需的层特性，运有助于 增加堆叠的耐用性能。虽然任意给定层可能改善堆叠的耐用性，但是运五种层类型的组合 导致本发明的镜子所展现出来的更高、增强水平的性能。表1显示运6种类型的层，它们是 阻隔层、第一界面层、反射层、第二界面层、调整和保护层，并且限定了它们的性质。在一个 实施方式中，可W结合保护层和调整层。多种材料可用于符合不同层类型中的每一种的特 性要求。
[0007] 表1 :涂层设计和材料
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[0010] 因此，从基材到最后层的顺序，镜子由（a)基材、（b)阻隔层、（C)第一界面层、（d) 反射层、（e)第二界面层、（f)调整层和（g)保护层构成。在一些实施方式中，采用单种涂层 材料将调整层和保护层结合成单层。
[0011] 附隔房
[0012] 阻隔层的厚度可W是100皿至50Jim。在一个实施方式中，阻隔层的厚度是500皿 至10ym。在另一个实施方式中，阻隔层的厚度是1-5ym。确定阻隔的厚度一个标准是制 品将要耐受盐雾测试的小时数。盐雾测试的持续时间越长，阻隔层应该越厚，W保护免受腐 蚀。对于24小时的盐雾测试，发现IOym的阻隔层是足够的。在许多应用中，如果阻隔层 过厚，则会导致完成的部件随着溫度变化而变形，但是由于通常在规范中给出了运行溫度， 可W调整阻隔层的厚度W防止变形。阻隔层和基材的热膨胀系数差异会导致对于变化的 AT(溫度变化）的光学图形、功率和不规则性。在一些实施方式中，阻隔层足够厚，从而它 会覆盖任意高且不规则的基材峰谷变化或者使其平滑。使得此类变化的平滑有助于表面抛 光W优化表面质量。表面质量对于促进整个表面上的粘合W及使得可能由于峰谷变化引起 的局部缺陷点位最小化是重要的。
[001引第一巧第二界而房，化疏作"粘附房"
[0014] 运些层的厚度取决于如下因素，包括：用于层的材料，层是否是第一粘附或粘合层 (其上沉积反射层的层，也称作背镜面表面）或者第二界面或粘附层（其沉积在反射层的表 面上，也称作前镜面表面）。当Ni、化和Ti材料用作界面层时，仅使用数埃"A"的材料薄 层。对于前表面镜面（反射层的顶部上的界面层），即第二界面层，其需要足够厚W促进粘 附，但是也需要足够薄，从而不会吸收任意反射的福射。通常来说，背镜面表面上的第一界 面层的厚度为2-250A化2-25nm)。对于金属界面层，例如Ni和化，厚度为2A至<25A(0. 2皿 至<2. 5nm)。在一个实施方式中，金属第一界面层厚度为2-10A(0. 2-lnm)。当金属氧化物 或硫化物（例如，Al2〇3或化巧用作第一界面层时，厚度大于25A(〉2. 5nm)。在一个实施方 式中，第一界面层是金属氧化物或硫化物，厚度是50-250A (5-25nm)。在另一个实施方式中， 第一界面层厚度是10-20皿。
[0015] 反射层下面使用的界面-粘附层，即第一界面层，仅存在来促进粘附，因此不需要 对光学考虑（例如，吸收反射福射）进行考虑。因此，第一界面或粘附层的厚度取决于粘 附而不是光学考虑。作为结果，第一界面层可W是提供粘附的最小厚度，但是没有最大厚 度，因为不存在吸收或光学考量。但是，需要小屯、地控制第二界面层的厚度，从而使得反射 损失最小化。对于第二界面层，厚度为5-20nm。在一个实施方式中，第二界面层的厚度为 8-15nm。在当反射制品旨在用于9. 5-15Jim的波长范围的另一个实施方式中，第二界面层 的厚度为8-12ym，W使得最终反射制品的反射率最大化。
[0016] 巧射房
[0017] 对于反射金属层，厚度必须足W提供最佳反射属性。如果反射层太薄，则膜不是连 续和/或透射的，如果其太厚，则运会产生耐用性考虑。反射层的厚度为75-350nm。在一个 实施方式中，反射层的厚度为80-150nm。在另一个实施方式中，反射层的厚度为90-120nm。
[0018] 除了使用Ag作为反射材料，也可W使用其他反射材料（例如，Au、Al、化Xu、Pt和 Ni)作为反射层，W提供增强耐用的化学和机械性能、但是光谱范围和反射强度变化。
[001引调蒋巧保护房:
[0020] 运些层的厚度取决于实现所需光谱性能所必需的优化，同时对通过所需测试（例 如，盐雾和潮湿测试）所必需的保护进行优化。取决于应用和使用的材料，运些层的厚度可 W明显改变。
[0021] 采用表1所述的方案和材料W及具有Ag作为反射层制备的镜子会具有如下优点 1 -5 O
[0022]1.对于0-45度W及在一些情况下〉45度的入射角（AOI)，在所有所需的波长波 段（VIS-NIR-SWIR-MWIR-LWIR)，会符合高反射性规格。如本文所述的用于制备Ag镜子的 材料和厚度导致LWIR区域中的最小吸收，而其他堆叠和现有技术在该范围内具有吸收问 题。用作本发明中的调整层的材料包括孔Fs、YF3、化S、Bi2〇3、G化，它们在限定的LWIR波 段（8-15ym)不具有吸收带。
[0023] 2.证实孔Fs和YF3对于盐雾环境具有高抗性，并且通过规格适中的磨损测试，所 W它们是可用作保护包覆层的替代材料。
[0024] 3.用作界面-粘附层的Al2〇3、Bi2〇3、ZnS和Ti化透明材料可W在前端界面上较厚； 从而相比于化或Ni(或者相关合金）的超薄层，更容易控制沉积过程期间的层终止。相比 于通常用于该目的的金属（例如Ni和化），运些材料（Al2〇3、ZnS和Ti〇2)在所有波段具有 小得多的吸收。
[00巧]4.厚的阻隔层增加了整体堆叠对于盐雾和延长的潮湿环境的抗性。成功用于实现 该抗性的材料是SIsNa、Si〇2、SixNyOz、DLC(钻石状碳）、Ti〇2、CrN、SixNyOz、TiAlN或TiAlSiN 或者类似复合膜。此外，如果需要优化电相容性，可W构造任选的多层阻隔并用作金属/基 材表面的非传导层，外加厚的传导层（例如，Si化-化脚。例如，化N是非常好的阻隔层，运 是由于其对于碱的抗性和低应力，W及易于沉积过程（控制和沉积速率），但是CrN与Al或 金属合金的电相容性不是最佳的，因为它是传导性的。采用较薄的介电层，如Si〇2或Si3N4， 其具有高的内在应力，会将化N与