CN217238431U - 具有隐形效果的光学设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种具有隐形效果的膜系结构和光学设备。具有隐形效果的膜系结构，包括交替层叠设置的高折射率材料层、中折射率材料层和低折射率材料层；所述高折射率材料层包括氢化非晶硅，所述中折射率材料层包括氮化硅，所述低折射率材料层包括二氧化硅。具有隐形效果的光学设备，包括基材以及设置在所述基材的表面的所述的具有隐形效果的膜系结构。本申请提供的具有隐形效果的膜系结构和光学设备，在可见光波段具有低反射率和低透过率，具有非常优异的近红外光学性能，同时对近红外感应设备和可见光感应设备具有隐形效果。

Description

具有隐形效果的光学设备

技术领域

本申请涉及光学领域，尤其涉及一种具有隐形效果的光学设备。

背景技术

红外技术最初主要用于军事领域，后来随着科技的发展，红外在大气探测、航天、甚至很多民用领域也逐渐扮演重要角色。在红外光学***中，红外光能量的透过率决定了该***性能的好坏。减少光学元件表面的反射，从而增加光学***在工作波段内的透过率对于生产实践有着重大的意义。因而，通过在光学元件表面镀制增透膜来降低其表面反射损失，从而提高整个光学***性能已成为研究重点。随着现代光学的发展，红外光学***的应用日益增多，越来越多的光学器件要求工作波段在红外区，这就使得高性能的红外增透膜的研究成为光学研究中得重要部分。

任何光学仪器(包括我们肉眼)想要获得物体的影像，首先就要吸收从物体上反射或者发散出来的光线，而物体吸收光线，在视觉上表现为黑色，要做到隐形，要做到的就是不反射光和不发散光。

如何使用较少的膜层结构使得光学设备获得可见光和近红外低反射率，对可见光和近红外感应设备有一定的隐形效果，成为研究的重点。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种在可见光和近红外波段具有一定隐形效果的膜系结构和光学设备，以解决上述问题。

为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：

一种具有隐形效果的膜系结构，包括交替层叠设置的高折射率材料层、中折射率材料层和低折射率材料层。

优选地，所述高折射率材料层为氢化非晶硅，所述中折射率材料层为氮化硅，所述低折射率材料层为二氧化硅。

优选地，所述中折射率材料层的厚度占所述膜系结构的总厚度的 10％-35％。

优选地，所述膜系结构的总厚度为300nm-3000nm，所述膜系结构的膜层数为15-100层。

本申请还提供一种具有隐形效果的光学设备，包括基材以及设置在所述基材的表面的所述的具有隐形效果的膜系结构。

优选地，所述基材包括光学玻璃或蓝宝石。

优选地，所述具有隐形效果的膜系结构设置在所述基材的一个或多个表面。

优选地，所述具有隐形效果的膜系结构设置在所述基材的外表面，所述光学设备的内表面的最外层设置有氧化铟锡层。

优选地，所述氧化铟锡层与电极连接。

优选地，所述具有隐形效果的膜系结构设置在所述基材的内外两个表面，所述光学设备的外表面设置有AF膜。

与现有技术相比，本申请的有益效果包括：

本申请提供的具有隐形效果的膜系结构和光学设备，通过交替层叠设置的高折射率材料层、中折射率材料层和低折射率材料层，利用各层搭配，获得具有在近红外波段(850nm～1000nm)广角度超高透过率(入射角0°， T>96％；入射角30°，T>95.8％；入射角60°，T>89％；入射角70°，T>82％)；广角度超低反射(890～950波段，入射角0°，R<0.3％；入射角30°，R<0.5％；入射角60°，R<5％，入射角70°，R<10％)；在可见光波段具有低反射率和低透过率(300nm～700nm波段，T<0.5％，R<3％)的膜系结构；该膜系结构具有非常优异的近红外光学性能，同时对近红外感应设备和可见光感应设备具有隐形效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。

图1为实施例1提供的膜系结构的正面膜系的示意图；

图2为实施例1提供的膜系结构的背面膜系的示意图；

图3为实施例1所得镜头的0度入射角反射率曲线；

图4为实施例1所得镜头的0度入射角透过率曲线；

图5为实施例1所得镜头的70度入射角透过率曲线；

图6为对比例1所得镜头的背面膜堆表达式示意图；

图7为对比例1所得镜头的入射角70度透过率曲线；

图8为对比例1所得镜头的入射角0度反射率曲线；

图9为对比例1所得镜头的入射角0度透过率曲线。

附图标记：

1-氮化硅层；2-氢化非晶硅层；3-二氧化硅层；4-氧化铟锡层。

具体实施方式

如本文所用之术语：

“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。

“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说 A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和 B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK(K为任意数，表示倍数因子)。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。

“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A 和/或B包括(A和B)和(A或B)。

一种具有隐形效果的膜系结构，包括交替层叠设置的高折射率材料层、中折射率材料层和低折射率材料层。

在一个可选的实施方式中，所述高折射率材料层为氢化非晶硅，所述中折射率材料层为氮化硅，所述低折射率材料层为二氧化硅。

氢化非晶硅在紫外和可见光波段(300～700nm)对光具有高吸收性能(k 值0.01～3)，在近红外波段(850～2000nm)的吸收很小(k值0～0.0003) 的特性，与氮化硅和二氧化硅搭配，获得非常优异的近红外光学性能，同时对近红外感应设备和可见光感应设备具有隐形效果。

难点在于大角度低反射，一般高低折射率材料配合，可以在0～30度范围做到较好的低反射，而本申请中利用氢化非晶硅超高折射率(氢化非晶硅折射率3.5左右，其他高折射率材料一般2～2.5)，在加上中折射率材料 (折射率1.97左右)氮化硅和低折射率材料(折射率1.46左右)SiO₂，利用光电磁波的干涉和衍射原理从而达到在0～70大范围角度入射光均有较低的反射。

在一个可选的实施方式中，所述中折射率材料层的厚度占所述膜系结构的总厚度的10％-35％。

可选的，所述中折射率材料层的厚度占所述膜系结构的总厚度的比例可以是10％、15％、20％、25％、30％、35％或者10％-35％之间的任一值。

氮化硅材料膜厚占比在10％～35％之间能有较好的大角度光学效果。

在一个可选的实施方式中，所述膜系结构的总厚度为300nm-3000nm，所述膜系结构的膜层数为15-100层。

从实际应用角度来讲，膜层数太少达不到所要求的光学效果，膜层数过多，变量多，且对光学效果无实际意义。

本申请的膜系结构总厚度相对较薄，且光学性能优异，其具体为规整膜系的膜厚3000nm以下，因此本申请的膜厚相对现有技术中的具有隐形效果的膜系结构要薄许多，主要原因是氢化非晶硅在可见光的高吸收而在近红外的低吸收，以及高中低折射率材料之间的光学干涉/衍射，从而在可见光下具有低反射、低透过的特性。

可选的，所述膜系结构的总厚度可以为300nm、500nm、1000nm、 1500nm、2000nm、2500nm、3000nm或者300nm-3000nm之间的任一值，所述膜系结构的膜层数可以为15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、 65、70、75、80、85、90、95、100或者15-100层之间的任一值。

本申请还提供一种具有隐形效果的光学设备，包括基材以及设置在所述基材的表面的所述的具有隐形效果的膜系结构。

在一个可选的实施方式中，所述基材包括光学玻璃或蓝宝石。

在一个可选的实施方式中，所述具有隐形效果的膜系结构设置在所述基材的一个或多个表面。

在一个可选的实施方式中，所述具有隐形效果的膜系结构设置在所述基材的外表面，所述光学设备的内表面的最外层设置有氧化铟锡层。

ITO(氧化铟锡)具有可见光和近红外高透低吸收的特性，而现有技术使用的导电层一般为金属，吸收大，透光性能差。

在一个可选的实施方式中，所述氧化铟锡层与电极连接。

电极通电后加热，使得光学设备具有防雾功能。

在一个可选的实施方式中，所述具有隐形效果的膜系结构设置在所述基材的内外两个表面，所述光学设备的外表面设置有AF膜。

设置AF膜(防***)，使得光学设备具有一定的防污功能。

下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

如图1和图2所示(图仅做示意，不能理解为对厚度和宽度尺寸的限定)，本实施例提供一种具有隐形效果的膜系结构，具体包括正面膜系和背面膜系，正面膜系结构如下表1所示，包括叠置的氮化硅层1、氢化非晶硅层2、二氧化硅层3；背面膜系如下表2所示，包括叠置的氮化硅层1、氢化非晶硅层2、二氧化硅层3和氧化铟锡层4；

表1正面膜系结构

表2背面膜系结构

本实施例还提供一种具有黑色外观可见光和近红外低反射、室外防雾光学薄膜以及隐形效果的光学镜头，包括光学玻璃基材和上述膜系结构；其中，正面膜系设置在镜头外表面，背面膜系设置在镜头的内表面。膜层序号均按照由内向外依次排序。

该镜头的制备方法包括：

1.准备加工好的光学玻璃基材，采用全自动十二槽超声波清洗机清洗后，贴板准备镀膜；

2.将贴好板的产品放入光驰磁控溅射镀膜机，镀膜步骤如下：

2.1.将贴好板的产品放入光驰磁溅射控镀膜机过渡腔体，抽真空至 8.0*10^-3Pa；

2.2.磁控溅射镀膜机的旋转载具传入镀膜腔，抽真空至4.0*10^-4Pa后开始运行；

2.2.1.等离子体清洁，参数如下表3所示：

表3等离子体清洁参数

3.按照上表1和表2膜系结构设置靶材。靶材参数设置如下：

Ar为高纯氩气(99.99％)，ArH为氩气和氢气混合气体，其中氢气含量为3％～20％(此配比氩氢混合气制备的SI：H(氢化非晶硅)在可见光具有较高吸收率，而在近红外波段具有很低的吸收率，且相对其他配比更稳定)。N₂为高纯氩气(99.99％)，靶材参数可根据具体机台和产品要求作调整，本案例以光驰1650机台作示范，参数如表4所示：

表4靶材参数

4.将完成镀膜的样品在背面丝印导电银浆线路，通过银浆线路作为电极接入电源，从而具有加热防雾的功能。

5.通过以上方法可以得到本申请具有具有黑色外观可见光和近红外低反射、室外防雾产品。

所得镜头的0度入射角反射率曲线如图3所示，0度入射角透过率曲线如图4所示；由图3和图4可知，所得产品400～700nm反射率小于1％，透过率小于0.5％，从而满足了近红外镜头可见光截至的要求，而反射率小于1％，从而在0度角具有一定的光学隐身效果，而近红外波段900～1000nm 反射率接近0％，透过率达到94％以上，再通过表面ITO膜层的温度控制，从而具有防雾和近红外一定的光学隐形效果；70度入射角透过率曲线如图 5所示，400～700nm透过率小于1％，890～950nm波段透过率大于80％，大角度仍具有优异的近红外光学性能。

对产品进行镀层信耐性检查，具体结果如下表5所示：

表5信耐性结果

由上表5可知，本申请获得的产品具有良好的信耐性。

实施例2

本实施例提供一种具有隐形效果的膜系结构，具体包括正面膜系和背面膜系，正面膜系结构如下表6所示，背面膜系如下表7所示：

表6正面膜系结构

膜层序号	材料	厚度/nm
			1	氮化硅	96.35
2	氢化非晶硅	30.76
			3	二氧化硅	25.32
4	氢化非晶硅	46.05
			5	氮化硅	22.72
6	氢化非晶硅	11.59
			7	氮化硅	72.96
8	二氧化硅	183.72
			9	氮化硅	29.71
10	氢化非晶硅	6.21
			11	氮化硅	46.57
12	氢化非晶硅	8.74
			13	氮化硅	36.41
14	二氧化硅	142.59

表7背面膜系结构

具体实施方法与实施例1相同，得到镜头的0度入射角400～700nm反射率小于1％，透过率小于0.5％，而近红外波段900～1000nm反射率接近 0％，透过率达到94％以上，70度入射角400～700nm透过率小于1％， 890～950nm波段透过率大于80％，其效果与实施例1相当。

对比例1

本对比例以TiO₂作为高折射率材料，以SiO₂作为低折射率材料，设计近红外高透低反规整膜系(850～1000nm波段透过率大于94％，反射率小于0.3％)。背面膜层数60层，正面膜系7层，具体如下表8所示：

表8正面膜系

1	2	3	4	5	6	7
							SiO<sub>2</sub>	TiO<sub>2</sub>	SiO<sub>2</sub>	TiO<sub>2</sub>	SiO<sub>2</sub>	TiO<sub>2</sub>	SiO<sub>2</sub>
187.7	11.65	108.84	71.19	19.59	119.03	169.89

该膜总厚度约为5400nm。其背面膜堆表达式如图6所示，0.51 (0.5HL0.5H)^10，0.51为系数即倍数，0.5为0.5个光学厚度，H为高折射率材料TiO₂，L为低折射率材料SiO₂，^10表示此结构叠加10次，所以一共60层。

入射角70度透过率曲线如图7所示，入射角0度反射率曲线如图8 所示，入射角0度透过率曲线如图9所示，由图9可知，400～700nm可见光波段反射率超高(入射角0度反射接近100％)，而可见光波段因为材料无吸收(氢化非晶硅在可见光波段吸收较大，而近红外基本无吸收)，而近红外镜头需可见光截至，只能通过将可见光波段的光反射掉从而截至透过，从而非常显眼，不具有隐形效果。从光谱曲线(图9)可直接看出可见光波段，本对比例得到的为高反截止，从而在可见光波段不具有隐形效果，而实施例中低反截止，具有隐形效果。

对比例1与实施例1对比，总膜厚明显偏厚(对比例1总膜厚5400nm 左右，实施例1总膜厚2400nm左右；0度入射角反射曲线对比400～700nm 波段，对比例1高反射率(反射率99.5％以上)，可见光目视/光学探测明显，而实施例1低反射率(平均反射5％以下，还可以更低)，可见光目视/光学探测具有一定的隐形效果；大角度对比例1反射与透过曲线变形严重，可见光波段透过率增大明显，会干扰红外探测，而大角度实施例1曲线变形较小，可见光仍有效截止，且近红外探测有效波段也能较好的保证。

对比例2

具体实施方法与实施例1相同，差异在膜系结构(如表9所示)。

表9膜系结构

此膜系结构只有2种材料，大角度光学效果会差一些，P光(P光是偏振光中的一种，为45°的偏振光)70度反射在20％，与高、中、低三种材料配合设计的膜系，70度反射做到10％以下甚至5％存在不小的差异。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种具有隐形效果的光学设备，其特征在于，包括基材以及设置在所述基材的表面的具有隐形效果的膜系结构；所述具有隐形效果的膜系结构包括交替层叠设置的高折射率材料层、中折射率材料层和低折射率材料层；

所述具有隐形效果的膜系结构设置在所述基材的外表面，所述光学设备的内表面的最外层设置有氧化铟锡层。

2.根据权利要求1所述的具有隐形效果的光学设备，其特征在于，所述高折射率材料层为氢化非晶硅，所述中折射率材料层为氮化硅，所述低折射率材料层为二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的具有隐形效果的光学设备，其特征在于，所述中折射率材料层的厚度占所述膜系结构的总厚度的10％-35％。

4.根据权利要求1所述的具有隐形效果的光学设备，其特征在于，所述膜系结构的总厚度为300nm-3000nm，所述膜系结构的膜层数为15-100层。

5.根据权利要求1所述的具有隐形效果的光学设备，其特征在于，所述基材包括光学玻璃或蓝宝石。

6.根据权利要求1所述的具有隐形效果的光学设备，其特征在于，所述具有隐形效果的膜系结构设置在所述基材的一个或多个表面。

7.根据权利要求1所述的具有隐形效果的光学设备，其特征在于，所述氧化铟锡层与电极连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的具有隐形效果的光学设备，其特征在于，所述具有隐形效果的膜系结构设置在所述基材的内外两个表面，所述光学设备的外表面设置有AF膜。

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