双带通截止型复合滤光膜、滤光片及其制备方法与流程

本发明涉及光学膜技术领域，尤其涉及一种双带通截止型复合滤光膜、滤光片及其制备方法。

背景技术：

飞行员在夜间飞行时，为了使其视觉不受座舱照明和座舱内仪表的影响，需要佩戴夜视镜。C类NVIS(夜视系统)双带通截止型复合滤光膜可以实现飞机座舱照明不干扰飞行员对外观察，同时也不影响其对座舱内仪表的裸眼观察，实现夜视兼容。因此，该类夜视镜可用于现役飞行器的夜视兼容改装，或为飞行员配置，以提高飞行员的夜间飞行器控制水平。但是，现有的C类NVIS双带通截止型复合滤光膜的膜系结构复杂，导致其制备工艺困难，使得制成的滤光膜的功能不稳定。可见，现有的双带通截止型复合滤光片存在膜系结构不合理，制备困难的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供双带通截止型复合滤光膜，能够有效过滤机舱内照明光波，以防止飞机座舱照明对眼睛的影响；同时能够使飞行器的夜视系统产生的光线透过。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

双带通截止型复合滤光膜，膜系结构为满足λ/4周期性的膜堆(LH)^S，

其中，L为二氧化硅膜层；H为五氧化三钛膜层，S为周期数，取值为21-23；与基片相邻的膜层为第1层，采用五氧化三钛膜层，所述第1层的几何厚度 为177-178nm；最外层为S层，采用二氧化硅膜层，所述第S层的几何厚度为178-179nm；第2-S层中，偶数层均为二氧化硅膜层，偶数层的几何厚度为50-101nm，奇数层均为五氧化三钛膜层，奇数层的几何厚度为30-50nm。

优选地，S取值为22。

本发明制成的滤光膜，在波段540-585nm内透过率最大值低于2％，在653-671nm处任意波长的透过率有一点要达到50％，671-725nm波段的透过率至少大于50％。725-950nm波段的透过率至少大于92％，透过率平均大于97％，红外波段几乎能透过。

在一种优选的实施方式中，第1层的几何厚度为177.05nm；第2层的几何厚度为75.76nm；

第3层的几何厚度为37.27nm；第4层的几何厚度为78.89nm；

第5层的几何厚度为47.18nm；第6层的几何厚度为53.49nm；

第7层的几何厚度为38.58nm；第8层的几何厚度为82.23nm；

第9层的几何厚度为46.44nm；第10层的几何厚度为88.18nm；

第11层的几何厚度为51.41nm；第12层的几何厚度为92.54nm；

第13层的几何厚度为51.8nm；第14层的几何厚度为83.65nm；

第15层的几何厚度为38.36nm；第16层的几何厚度为59.64nm；

第17层的几何厚度为35.24nm；第18层的几何厚度为75.89nm；

第19层的几何厚度为49.73nm；第20层的几何厚度为94.78nm；

第21层的几何厚度为53.36nm；第22层的几何厚度为94.84nm；

第23层的几何厚度为53.07nm；第24层的几何厚度为93.91nm；

第25层的几何厚度为49.13nm；第26层的几何厚度为77.24nm；

第27层的几何厚度为30.12nm；第28层的几何厚度为55.92nm；

第29层的几何厚度为42.28nm；第30层的几何厚度为85.93nm；

第31层的几何厚度为51.6nm；第32层的几何厚度为97.17nm；

第33层的几何厚度为54.09nm；第34层的几何厚度为97.98nm；

第35层的几何厚度为53.76nm；第36层的几何厚度为95.61nm；

第37层的几何厚度为53.04nm；第38层的几何厚度为100.15nm；

第39层的几何厚度为53.93nm；第40层的几何厚度为92.96nm；

第41层的几何厚度为51.64nm；第42层的几何厚度为88.44nm；

第43层的几何厚度为48.43nm；第44层的几何厚度为178.8nm。

在该实施方式中对膜系中各个膜层的厚度进行优化，使其实现以下功能：在波段450-520nm，565-585nm透过率的最大值低于0.5％；在波段540-550nm内透过率最大值低于2％；在653-671nm波段中任意一点的波长透过率达到50％；在671-725nm处的透过率至少高于50％，透过率平均大于85％；在725-950nm波段的透过率至少高于92％，透过率平均大于97％。

波段450-520nm以及565-585nm为机舱内照明光源的波段，因此在膜系设计时，需要对该波段的光源进行过滤。通过本发明中的膜系能够有效过滤，透过率仅为0.5％，避免了机舱内部照明光源的影响。540-550nm是绿光波段，为视觉的敏感波段，主要用于舱内指示灯、信号灯、背光源，透过率仅为2％，既能降低其对夜视系统的影响，又能保证视力注意到其存在。飞机座舱内的信息显示器件在近红外波段都有较高的辐射能量，这些辐射进入夜视成像设备，会激活其自动增益控制系统，导致夜视仪的灵敏度降低，不能看清舱外的景物，从而丧失了夜视功能。653-671nm任意点的波段透过率达到50％，降低飞机座舱内的信息显示器件的辐射能，但也部分能进入滤光膜，保证飞行员能够观察到仪表等信息显示器。725-950nm波段为长波段，几乎都能通过本 发明的膜系过滤，使本发明通过连接外部设备利用光电图像转换原理来实现红外观察。

本发明提供一种双带通截止型复合滤光片，采用上述的膜系，还包括光学玻璃基片，在所述基片上覆盖上述膜系中的第1层膜层。

本发明还提供双带通截止型复合滤光片的制备方法，包括以下步骤：

步骤S101，清洁基片；

步骤S102，将基片放入真空室内，抽真空至2×10^-2Pa，加热所述基片至170℃-200℃；

步骤S103，镀制第1层膜层，对五氧化三钛膜料颗粒进行预熔，用预熔后的五氧化三钛膜料对基片进行离子轰击，真空度为2×10^-2Pa，离子轰击电压600V-1kV负高压，离击时间为15min-20min，使五氧化三钛膜料离子沉积在基片上，采用石英晶体监控以及光学监控的方法确定第1层膜层的厚度；

步骤S104，镀制第2层膜层，对二氧化硅膜料颗粒进行预熔，用预熔后的二氧化硅膜料对基片进行离子轰击，真空度为2×10^-1Pa，离子轰击电压400V-800V负高压，离击时间为10min-15min，使二氧化硅膜料离子沉积在基片上，采用石英晶体监控以及光学监控的方法确定第2层膜层的厚度；

步骤S105，镀制第3层膜层，对五氧化三钛膜料颗粒进行预熔，用预熔后的五氧化三钛膜料对基片进行离子轰击，真空度为2×10^-1Pa，离子轰击电压200V-600V负高压，离击时间为10min-15min，使五氧化三钛膜料离子沉积在基片上，采用石英晶体监控以及光学监控的方法确定第3层膜层的厚度；

步骤S106，依次重复步骤S104和步骤S105，镀制第4～43层膜层；

步骤S107，镀制第44层膜层，对二氧化硅膜料颗粒进行预熔，用预熔后的二氧化硅膜料对基片进行离子轰击，真空度为2×10^-2Pa，离子轰击电压 600V-1kV负高压，离击时间为15min-20min，使二氧化硅膜料离子沉积在基片上，采用石英晶体监控以及光学监控的方法确定第44层膜层的厚度；

步骤S108，将镀制完成44层膜层的滤光片放置在真空室内200℃的温度中保温2小时，自然冷却至室温后取出。

一种优选的实施方式中，在步骤S103-步骤S107中还包括：离子辅助沉淀；在采用膜料对基片进行离子轰击的同时，通过离子束轰击在基片表面的淀积离子。通过离子束的动能转移，使淀积离子获得更大的动能，从而提高膜层的致密度。

一种优选的实施方式中，在步骤S108中包括：

步骤S1081，将镀制完成44层膜层的滤光片放置在真空室内200℃的温度中保温2小时，待真空室温度降至100℃以下，打开放气阀向真空室内充气，使真空室内气压与大气压相等，并放置2小时；

步骤S1082，在大气压环境下对滤光片进行烘烤，在200℃温度中烘烤2小时。通过在大气压中进行烘烤，对滤光片进行老化处理，防止镀制完成后波长飘移。

制作完的滤光片离开真空室并曝露在大气中，膜层由于吸收空气中的水气使滤光片的中心波长变长。这是因为吸收水气造成了膜层的有效折射率改变，有效的光学厚度也发生变化，导致波长飘移。本步骤中，通过在大气中烘烤滤光片，使进入膜层中的水气蒸发，同时提高滤光片上膜层的聚集密度，防止镀制完成后波长飘移。

本发明的有益效果为：

本发明中，滤光膜由二氧化硅膜层与五氧化三钛膜层交互叠加形成的(LH)^S膜系，对各个膜层的厚度都进行严格控制，使其在波段450-585nm的 透过率最大值低于0.5％，在653-671nm处任意波长的透过率至少一点达到50％，671-725nm波段的透过率至少大于50％。725-950nm波段的透过率至少大于92％，透过率平均大于97％，能够实现飞机座舱照明不干扰夜视镜对外观察，同时也不影响对座舱内仪表的裸眼观察，提高飞行员的夜间观察能力。

将本发明的滤光膜镀制在光学玻璃的表面，形成滤光镜，能够作为滤光片，可使用在夜视镜中。

本发明提供的滤光片的制备方法，采用离子轰击镀膜，并根据膜层厚度同时通过石英晶体监控以及光学监控的方法，得到较为精确的厚度控制结果和良好的膜层应力匹配性，最终保证了整个膜系的物理和光学性能。同时，采用离子源辅助沉淀镀膜和老化处理，防止镀制完成后波长飘移。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为滤光片的实测光谱曲线；

图2为540nm-550nm局部实测光谱曲线；

图3为635nm-950nm局部实测光谱曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中提供一种双带通截止型复合滤光片，包括44层膜层和光线玻璃基片。上述的44层膜层的膜系结构满足λ/4周期性的膜堆(LH)^S。其中， L为二氧化硅膜层；H为五氧化三钛膜层，S为周期数，取值为22。在第1-44层膜层中，奇数层均为五氧化三钛膜层，偶数层均为二氧化硅膜层，每一层的几何厚度具体如表1。

在该实施方式中对膜系中各个膜层的厚度进行优化，使其实现以下功能：在波段540-585nm内透过率最大值低于2％；在653-671nm波段中至少有一点的波长透过率能够达到50％；在671-725nm处的透过率至少高于50％，透过率平均大于85％；在725-950nm波段的透过率至少高于92％，透过率平均大于97％。

表1

波段450-520nm以及565-585nm为机舱内照明光源的波段。通过本发明中的膜系能够有效过滤，透过率仅为0.5％，避免了机舱内部照明光源的影响。 540-550nm是绿光波段，为视觉的敏感波段，主要用于舱内指示灯、信号灯、背光源，透过率仅为2％，既能降低其对夜视系统的影响，又能保证视力能够注意到其存在。飞机座舱内的信息显示器件在近红外波段都有较高的辐射能量，这些辐射波段在653-671nm之间。本实例中，653-671nm任意点的波段透过率仅为50％，降低其辐射能，但部分也能进入滤光膜，保证飞行员能够观察到仪表等信息显示器。725-950nm波段为长波段，几乎都能通过本发明的膜系过滤，可以通过本实施例结合其他部件实现红外观察。

上述实施例的双带通截止型复合滤光片的制备方法，包括以下步骤：

步骤S101，清洁基片，并将清洁好的基片放入夹具中。

步骤S102，将基片放入真空室内，打开真空阀门，使真空室内的真空度为2×10^-2Pa，打开烘烧开关，加热基片至170℃-200℃。

步骤S103，镀制第1层膜层，对五氧化三钛膜料颗粒进行预熔，使膜料吸附的气体放出，以减少杂质。用预熔后的五氧化三钛膜料对基片进行离子轰击，真空度为2×10^-2Pa，离子轰击电压600V-1kV负高压，离击时间为15min-20min，使五氧化三钛膜料离子沉积在基片上。在离子沉积过程中同时采用石英晶体监控以及光学监控的方法来确定第1层膜层的厚度。石英晶体监控膜层厚度只能显示其几何厚度，而无法知道镀制过程中膜层的折射率。但是其在监控时输出为电信号，呈线性变化，可以记录膜料的蒸发速率，并用来控制镀膜过程。光学监控方法能够测量膜层的光学厚度，从而可获取镀制过程中膜层的反射率和透射率，但是其信号呈正弦变化，难以监控淀积速率。本步骤中，采用两种方式结合来监控，实现在镀制过程中，能够同时监测膜层的厚度以及折射率，从而实现有效的控制镀膜过程中的膜层厚度。

步骤S104，镀制第2层膜层，对二氧化硅膜料颗粒进行预熔，用预熔后 的二氧化硅膜料对基片进行离子轰击，真空度为2×10^-1Pa，离子轰击电压400V-800V负高压，离击时间为10min-15min，使二氧化硅膜料离子沉积在基片上，采用石英晶体监控以及光学监控的方法确定第2层膜层的厚度。由于第2层膜层的厚度远远小于第1层的厚度，因此其离子轰击电压以及时间小于第1层膜相应的镀制参数。一方面降低单位时间内离子从膜料中分离的数量，即减少分离密度；另一方面通过缩短离击时间来减少单位时间内淀积的离子数量。

步骤S105，镀制第3层膜层，对五氧化三钛膜料颗粒进行预熔，用预熔后的五氧化三钛膜料对基片进行离子轰击，真空度为2×10^-1Pa，离子轰击电压200V-600V负高压，离击时间为10min-15min，使五氧化三钛膜料离子沉积在基片上，采用石英晶体监控以及光学监控的方法确定第3层膜层的厚度；在膜系的第2-43层中，奇数膜层的厚度薄于偶数膜层，因此，第3层膜层镀制中，离子轰击电压低于第2层膜层的轰击电压，以降低其离子从膜料分离的密度。

步骤S106，依次重复步骤S104和步骤S105，镀制第4～43层膜层；

步骤S107，镀制第44层膜层，对二氧化硅膜料颗粒进行预熔，用预熔后的二氧化硅膜料对基片进行离子轰击，真空度为2×10^-2Pa，离子轰击电压600V-1kV负高压，离击时间为15min-20min，使二氧化硅膜料离子沉积在基片上，采用石英晶体监控以及光学监控的方法确定第44层膜层的厚度。

同时，在步骤S103-步骤S107中还包括：离子辅助沉淀；在采用膜料对基片进行离子轰击的同时，通过离子束轰击在基片表面的淀积离子。通过离子束的动能转移，使淀积离子获得更大的动能，从而提高膜层的致密度，以减少波长飘移。

步骤S108，将镀制完成44层膜层的滤光片放置在真空室内200℃的温度中保温2小时，自然冷却至室温后取出。

为了防止镀制后的滤光片产生波长飘移，在一种实施方式中，在步骤S108中加入了老花处理。具体包括以下步骤：

步骤S1081，将镀制完成44层膜层的滤光片放置在真空室内200℃的温度中保温2小时，待真空室温度降至100℃以下，打开放气阀向真空室内充气，使真空室内气压与大气压相等，并放置2小时。在高温环境下，将滤光片放置在大气中，使滤光片中的滤光膜充分与大气中的水分接触，实现加速老化。

步骤S1082，在大气压环境下对滤光片进行烘烤，在200℃温度中烘烤2小时。通过在大气压中进行烘烤，进行老化处理，使进入膜层中的水气蒸发，同时提高滤光片上膜层的聚集密度，防止镀制完成后波长飘移。

对本实施例制成的滤光片通过分光光度计测试器光谱特性，测试结果如图1-3。在图1-3中，X轴均表示波长(nm)，Y轴均表示透过率(％)。图1为滤光片的实测光谱曲线，图2为540nm-550nm局部实测光谱曲线，图3为635nm-950nm局部实测光谱曲线。从上述三个图可知，本实施例制成的滤光片中，在波段450-520nm，565-585nm透过率最大值低于0.5％。在540-585nm间的透过率低于2％，在653-671nm波段中任意一点的波长透过率至少达到50％；在671-950nm波段的透过率至少高于92％，透过率平均大于97％。可见，本发明制成的滤光片能够达到符合本发明目的中需要的透光率，满足光学膜系的设计要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因 此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。