用于觀察瞄準鏡的截止濾光片設計和制備

龐夢林，周 順，郭 峰，杭良毅，肖相國

（1.陜西省薄膜技術與光學檢測重點實驗室 西安工業(yè)大學，陜西 西安 710021；2.西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

引言

觀察瞄準鏡被廣泛裝備于軍事部隊、武警、公安等單位，在執(zhí)行反恐、邊境作戰(zhàn)等特殊環(huán)境的任務中[1]得到了大量的應用。同時，對瞄準鏡性能提升產(chǎn)生了迫切需求。瞄準鏡光學系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接決定了瞄準鏡本身的性能[2-3]。簡單的瞄準鏡光學系統(tǒng)包含組合光學鏡頭、接收和成像組件。在組合光學鏡頭中，截止濾光片的作用是提高工作波段的透過率，同時抑制干擾光。目前，瞄準鏡光學系統(tǒng)的優(yōu)化方向是更高的成像質量和更小的視差調節(jié)[4]。

目前常見的短波通濾光片大多以空氣為入射介質進行膜系設計，即在基片兩面分別鍍制短波通濾光膜系和減反射膜。這樣鍍制的短波通濾光片不僅在刑偵檢測[5]，指紋識別[6-8]，紫外光通信[9]等領域有廣泛應用，而且在可見-近紅外波段均能達到較高的光譜性能。如王慶[10]通過制備400 nm～640 nm 范圍的短波通濾光片，針對多層膜的鍍制工藝問題給出了分析。在可見近紅外領域，西安應用光學研究所的趙興梅等[11]，設計并制備了光譜范圍在 600 nm～1 150 nm 的短波通濾光片，給出了鍍制該膜系需要考慮的工藝特點。在中遠紅外波段，吳博琦等人[12]設計并制備了用于公共電視天線傳輸系統(tǒng)的短波通濾光片，在1 110 nm～1 360 nm 波段上的反射率低于1%，在1 490 nm±20 nm波段上的透射率低于0.08%，降低了信號的傳輸噪聲。但上述短波通濾光片的應用并未考慮到類似瞄準鏡目鏡成像系統(tǒng)的膠合需求。

在透鏡的凸面鍍短波通濾光膜作為瞄準目鏡的一部分使用，相比于短波通濾光片與瞄準鏡目鏡光學成像系統(tǒng)裝配的組合的設計，具有兩個優(yōu)勢：一是可以優(yōu)化光學系統(tǒng)的結構，提升目鏡組的像質；二是在制造和裝配過程中，減少了鏡片的數(shù)量，提高了系統(tǒng)裝配的質量。

本文研究在瞄準鏡目鏡成像的膠合場景下（膠合應用如圖1所示，透鏡的材料為成都光明的HZK11 型號的玻璃），通過實例對短波通濾光膜的設計原理、材料選擇以及鍍膜工藝做了詳細分析，并給出了設計該膜系的關鍵工藝及結果。

1 膜系設計

1.1 基本原理

短波通濾光片的設計指標是：在400 nm～630 nm上為高透射帶，在650 nm～800 nm 上為截止帶。該膜系的下降寬度僅20 nm，從薄膜的制備與工藝穩(wěn)定性來說，可以通過增加膜系的周期性來降低短波通濾光膜的下降寬度。短波通濾光片的基礎膜系結構為G|（0.5LH0.5L）S|A，G 表示基底為玻璃，A 表示入射介質為空氣，S 表示膜系的周期數(shù)，L 代表低折射率層，H 代表高折射率層。該膜系是一個典型的對稱膜系，其特征矩陣為單層特征矩陣的連乘積。

Mpqp為pqp 型無吸收介質薄膜特征矩陣，由（1）式推知：

當M22=M11時，引入等效折射率的概念，基礎對稱膜系的特征矩陣與單層膜特征矩陣類似，因而可以將對稱膜系pqp 等效為單層膜矩陣進行分析：

式中：Γ表示等效位相厚度，通常選取最接近（ 2δp+ δq）的值；E表示等效折射率。設多層膜pqp 是由s個對稱周期組成，故該膜系的特征矩陣為

由（4）式多層膜的特征矩陣可分析得，該對稱膜系中存在一個等效折射率，該折射率不隨基本周期的疊加而變化，且等效位相厚度是基本周期的S倍。反射率可以表示為

結合本膜系在考慮反射率時，式中的η0=ηg，ηg為入射介質H-ZK11 型的光學導納。

因此，在進行多層周期膜系的分析中，只需考慮基本周期膜系的等效折射率E和等效位相厚度Γ。若多層膜的等效折射率E與基底以及入射介質匹配良好時，周期數(shù)所引起等效位相厚度 Γ的變化有限。鑒于此特點，簡化了對多層對稱膜系透射帶中光學特性的分析。

1.2 膜料選擇

一般對鍍膜材料的選擇主要集中在透明度、折射率和機械牢固度等方面進行考慮。本文中濾光片的工作波段范圍為400 nm～800 nm，結合膜料的折射率和穩(wěn)定性等因素[15]，選擇 SiO2作為低折射材料，它具有較寬的光譜范圍，形成的膜結構精細，呈現(xiàn)網(wǎng)絡狀玻璃態(tài)，不僅散射小，而且保護能力極強。

SiO2產(chǎn)生的是壓應力，應選擇產(chǎn)生張應力或者應力較小的高折射率材料與之匹配。高折射材料TiO2與Ta2O5均有壓應力產(chǎn)生，可以與SiO2匹配。選擇TiO2作為高折射率材料時，高低折射率差更大而且成本更低。在截止濾光片的生產(chǎn)試驗中，也多采用SiO2/TiO2組合[6，7，16]，但TiO2在熱蒸發(fā)過程中，容易分解失氧，生成高吸收的亞氧化鈦薄膜（TinO2n-1），對鍍制方法和溫度的敏感度較高，鍍制過程中需要通入適量的O2同時保持溫度的穩(wěn)定。

因此結合上述分析，本課題最終采用SiO2/TiO2組合，進行短波通濾光片的設計研制工作。

1.3 短波通膜系

短波通膜系需要與具有減反射膜的光學元件膠合，入射介質為固化后的光學粘結劑NOA61，該光學粘結劑的折射率與H-ZK11 折射率較為接近（見表1）。設計時，近似采用H-ZK11 玻璃作為膜系的入射介質。

表1 材料的主要參量Table 1 Main parameters of materials

選擇G| 0.5LH0.5L |SG（其中G 為H-ZK11 玻璃基底，H 為TiO2，L 為SiO2）作為初始基礎膜系設計，中心波長706 nm。在短波通濾光片的設計和制備的過程中，在通帶上會出現(xiàn)一個反射峰值，即半波孔。

依據(jù)G| 0.5LH0.5L |SG，設計得到短波通膜系G| 0.5L(HL)16H0.5L |G，短波通膜系在350 nm 左右出現(xiàn)透射率小于50%的半波孔，如圖2所示。

馬小鳳等人[17]認為半波孔出現(xiàn)的主要原因是膜層的膜厚累積誤差和敏感層厚度誤差，同時也和膜系周期性結構有關。黃偉[18]等認為是鍍膜材料的折射率非均勻性、色散及其鍍制過程中膜厚控制誤差累積造成的，在蒸發(fā)源上方設計了一種遮擋板，用以改善蒸發(fā)源蒸汽分布，達到消除半波孔的目的。薛建軍等[19]人認為膜層滲透比例較大時會出現(xiàn)半波孔。根據(jù)半波孔的上述成因分析，依據(jù)馬小鳳等人的研究，可以破壞膜系的周期性結構，嘗試對半波孔進行消除，此時將原基礎膜系調整結構后為：G|0.5L(0.95H1.05L)16H0.5L |G，結果如圖3所示，在350 nm 處的半波孔已經(jīng)大幅度減小。

在此基礎上對該膜系進行優(yōu)化，結果如圖4所示。從圖4 中可看出，曲線,優(yōu)化后400 nm～600 nm的高透射帶在2 個極值之間震蕩。這是由于將對稱膜系等效為單層膜分析時，由于等效層的等效折射率與周圍介質匹配不好，出現(xiàn)這種透射帶的波紋。

關于通帶波紋的壓縮，一種常用的方法是在所設計的多層膜的兩側加鍍匹配層[16，20]。若在多層膜與基片之間插入有效折射率E0的λ/4層，在多層膜與入射介質之間插入折射率E00的λ/4層，可以降低通帶波紋的抖動幅度，其中：

基于上述原理，對多層膜加鍍匹配層，膜系為：G|0.3H0.5L(0.95H1.05L)16 H0.5L0.3H|G。優(yōu)化后的非規(guī)整膜系為：G|0.137H 0.247L 1.239H 1.189L 1.070H 1.092L 1.022H 1.070L 1.003H 1.059L 0.996H 1.052L 0.993H 1.049L 0.988H 1.050L 0.984H 1.051L 0.984H 1.049L 0.987H 1.050L 0.986H 1.051L 0.992H 1.052L 0.994H 1.060L 1.003H 1.070L 1.017H 1.094L 1.064H 1.187L 1.250H 0.256L 0.129H|G，相應的優(yōu)化曲線如圖5所示。

2 實驗

薄膜的研制試生產(chǎn)均在Leybold 的SYRUS·C1110 型鍍膜機完成，使用OMS5000 光學膜厚控制儀與ICXTC 石英晶體膜厚控制儀進行光學厚度與物理厚度的控制。H-ZK11 玻璃基底，直徑φ25 mm ，鍍膜材料選用SiO2和TiO2。

鍍膜前，先將基片表面用無水乙醇清洗，烘干后裝入工件盤抽真空，烘烤溫度250 ℃，恒溫50 min，真空度達到1.5×10?5mbar 時，開始蒸鍍。SiO2的沉積速率為0.5 nm/s，TiO2的沉積速率為0.2 nm/s。鍍制開始時，需對SiO2與TiO2進行預熔，對鍍膜材料進行除氣。由于SiO2與TiO2在鍍膜過程中容易失氧，在鍍制過程中通入適量的O2，保證較高的TiO2化學計量比。

鍍膜后，采用紫外固化光學膠NOA61 覆涂于減反射樣片B 一側，將覆涂膠一側與鍍膜樣品A 進行在紫外光照射下粘合，即可得到固化樣片C（膠合過程參照圖1）。

3 實驗結果與分析

使用Lambda950 分光光度計，搭載透射附件，對減反射樣片B、鍍制樣片A 中心分別進行測量，光譜測量曲線如圖6所示。

膠合樣片C 的光譜曲線和優(yōu)化膜系曲線對比如圖7所示。實驗樣片膠合后峰值透過率達97.2%，400 nm～630 nm 的平均透過率為95.76%；在655 nm～800 nm 的平均透過率為0.06%，滿足指標要求。

為了保證薄膜在使用過程中的可靠性，還需對鍍膜樣片A 進行非光學性能測試。依照國標GB/T 2423.17 進行鹽霧測試，膜層表面沒有明顯變化；按照國標GB/T 26332.4-2015 對薄膜機械牢固度測試，采用NICHIBAN CT-18 膠帶緊貼膜面垂直方向迅速拉起，重復5 次，表面不存在脫膜現(xiàn)象。

對比膠合樣片C 和設計的優(yōu)化膜系曲線，結果如圖7所示，可看出滿足截止濾光片的應用要求，但膠合樣片C 和設計膜系曲線有差別。結合文獻[21-26]與本課題的結果進行分析，認為膜厚和折射率誤差是導致透過率變化的主要原因，誤差來源主要有3 點：1）設計的匹配膜層敏感度高且厚度??；2）采用光控極值法監(jiān)控膜厚，在非規(guī)整膜系的鍍制過程中，容易產(chǎn)生累積誤差；3）薄膜材料的折射率受制備工藝參數(shù)的影響，導致實際制備的折射率與設計值出現(xiàn)偏差。

4 結論

本文研制了400 nm～800 nm 的短波通濾光片，使用膜系設計軟件對短波通濾光片進行了設計和優(yōu)化，優(yōu)化后設計的短波通膜系在400 nm～630 nm 的平均透射率為99.70%，在655 nm～800 nm的平均透過率為0.025%。采用離子束輔助沉積技術進行了多層膜的制備，對鍍制樣片透過率及相關非光學性能進行了測試。對鍍制樣片膠合得到膠合樣片，膠合樣片在400 nm～630 nm 的平均透過率為95.76%，在655 nm～800 nm 的平均透過率為0.06%，同時分析了膠合樣片與理論設計曲線存在差異的原因。