用于观察瞄准镜的截止滤光片设计和制备

庞梦林，周 顺，郭 峰，杭良毅，肖相国

（1.陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室 西安工业大学，陕西 西安 710021；2.西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

引言

观察瞄准镜被广泛装备于军事部队、武警、公安等单位，在执行反恐、边境作战等特殊环境的任务中[1]得到了大量的应用。同时，对瞄准镜性能提升产生了迫切需求。瞄准镜光学系统性能的优劣直接决定了瞄准镜本身的性能[2-3]。简单的瞄准镜光学系统包含组合光学镜头、接收和成像组件。在组合光学镜头中，截止滤光片的作用是提高工作波段的透过率，同时抑制干扰光。目前，瞄准镜光学系统的优化方向是更高的成像质量和更小的视差调节[4]。

目前常见的短波通滤光片大多以空气为入射介质进行膜系设计，即在基片两面分别镀制短波通滤光膜系和减反射膜。这样镀制的短波通滤光片不仅在刑侦检测[5]，指纹识别[6-8]，紫外光通信[9]等领域有广泛应用，而且在可见-近红外波段均能达到较高的光谱性能。如王庆[10]通过制备400 nm～640 nm 范围的短波通滤光片，针对多层膜的镀制工艺问题给出了分析。在可见近红外领域，西安应用光学研究所的赵兴梅等[11]，设计并制备了光谱范围在 600 nm～1 150 nm 的短波通滤光片，给出了镀制该膜系需要考虑的工艺特点。在中远红外波段，吴博琦等人[12]设计并制备了用于公共电视天线传输系统的短波通滤光片，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%，降低了信号的传输噪声。但上述短波通滤光片的应用并未考虑到类似瞄准镜目镜成像系统的胶合需求。

在透镜的凸面镀短波通滤光膜作为瞄准目镜的一部分使用，相比于短波通滤光片与瞄准镜目镜光学成像系统装配的组合的设计，具有两个优势：一是可以优化光学系统的结构，提升目镜组的像质；二是在制造和装配过程中，减少了镜片的数量，提高了系统装配的质量。

本文研究在瞄准镜目镜成像的胶合场景下（胶合应用如图1所示，透镜的材料为成都光明的HZK11 型号的玻璃），通过实例对短波通滤光膜的设计原理、材料选择以及镀膜工艺做了详细分析，并给出了设计该膜系的关键工艺及结果。

1 膜系设计

1.1 基本原理

短波通滤光片的设计指标是：在400 nm～630 nm上为高透射带，在650 nm～800 nm 上为截止带。该膜系的下降宽度仅20 nm，从薄膜的制备与工艺稳定性来说，可以通过增加膜系的周期性来降低短波通滤光膜的下降宽度。短波通滤光片的基础膜系结构为G|（0.5LH0.5L）S|A，G 表示基底为玻璃，A 表示入射介质为空气，S 表示膜系的周期数，L 代表低折射率层，H 代表高折射率层。该膜系是一个典型的对称膜系，其特征矩阵为单层特征矩阵的连乘积。

Mpqp为pqp 型无吸收介质薄膜特征矩阵，由（1）式推知：

当M22=M11时，引入等效折射率的概念，基础对称膜系的特征矩阵与单层膜特征矩阵类似，因而可以将对称膜系pqp 等效为单层膜矩阵进行分析：

式中：Γ表示等效位相厚度，通常选取最接近（ 2δp+ δq）的值；E表示等效折射率。设多层膜pqp 是由s个对称周期组成，故该膜系的特征矩阵为

由（4）式多层膜的特征矩阵可分析得，该对称膜系中存在一个等效折射率，该折射率不随基本周期的叠加而变化，且等效位相厚度是基本周期的S倍。反射率可以表示为

结合本膜系在考虑反射率时，式中的η0=ηg，ηg为入射介质H-ZK11 型的光学导纳。

因此，在进行多层周期膜系的分析中，只需考虑基本周期膜系的等效折射率E和等效位相厚度Γ。若多层膜的等效折射率E与基底以及入射介质匹配良好时，周期数所引起等效位相厚度 Γ的变化有限。鉴于此特点，简化了对多层对称膜系透射带中光学特性的分析。

1.2 膜料选择

一般对镀膜材料的选择主要集中在透明度、折射率和机械牢固度等方面进行考虑。本文中滤光片的工作波段范围为400 nm～800 nm，结合膜料的折射率和稳定性等因素[15]，选择 SiO2作为低折射材料，它具有较宽的光谱范围，形成的膜结构精细，呈现网络状玻璃态，不仅散射小，而且保护能力极强。

SiO2产生的是压应力，应选择产生张应力或者应力较小的高折射率材料与之匹配。高折射材料TiO2与Ta2O5均有压应力产生，可以与SiO2匹配。选择TiO2作为高折射率材料时，高低折射率差更大而且成本更低。在截止滤光片的生产试验中，也多采用SiO2/TiO2组合[6，7，16]，但TiO2在热蒸发过程中，容易分解失氧，生成高吸收的亚氧化钛薄膜（TinO2n-1），对镀制方法和温度的敏感度较高，镀制过程中需要通入适量的O2同时保持温度的稳定。

因此结合上述分析，本课题最终采用SiO2/TiO2组合，进行短波通滤光片的设计研制工作。

1.3 短波通膜系

短波通膜系需要与具有减反射膜的光学元件胶合，入射介质为固化后的光学粘结剂NOA61，该光学粘结剂的折射率与H-ZK11 折射率较为接近（见表1）。设计时，近似采用H-ZK11 玻璃作为膜系的入射介质。

表1 材料的主要参量Table 1 Main parameters of materials

选择G| 0.5LH0.5L |SG（其中G 为H-ZK11 玻璃基底，H 为TiO2，L 为SiO2）作为初始基础膜系设计，中心波长706 nm。在短波通滤光片的设计和制备的过程中，在通带上会出现一个反射峰值，即半波孔。

依据G| 0.5LH0.5L |SG，设计得到短波通膜系G| 0.5L(HL)16H0.5L |G，短波通膜系在350 nm 左右出现透射率小于50%的半波孔，如图2所示。

马小凤等人[17]认为半波孔出现的主要原因是膜层的膜厚累积误差和敏感层厚度误差，同时也和膜系周期性结构有关。黄伟[18]等认为是镀膜材料的折射率非均匀性、色散及其镀制过程中膜厚控制误差累积造成的，在蒸发源上方设计了一种遮挡板，用以改善蒸发源蒸汽分布，达到消除半波孔的目的。薛建军等[19]人认为膜层渗透比例较大时会出现半波孔。根据半波孔的上述成因分析，依据马小凤等人的研究，可以破坏膜系的周期性结构，尝试对半波孔进行消除，此时将原基础膜系调整结构后为：G|0.5L(0.95H1.05L)16H0.5L |G，结果如图3所示，在350 nm 处的半波孔已经大幅度减小。

在此基础上对该膜系进行优化，结果如图4所示。从图4 中可看出，曲线,优化后400 nm～600 nm的高透射带在2 个极值之间震荡。这是由于将对称膜系等效为单层膜分析时，由于等效层的等效折射率与周围介质匹配不好，出现这种透射带的波纹。

关于通带波纹的压缩，一种常用的方法是在所设计的多层膜的两侧加镀匹配层[16，20]。若在多层膜与基片之间插入有效折射率E0的λ/4层，在多层膜与入射介质之间插入折射率E00的λ/4层，可以降低通带波纹的抖动幅度，其中：

基于上述原理，对多层膜加镀匹配层，膜系为：G|0.3H0.5L(0.95H1.05L)16 H0.5L0.3H|G。优化后的非规整膜系为：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，相应的优化曲线如图5所示。

2 实验

薄膜的研制试生产均在Leybold 的SYRUS·C1110 型镀膜机完成，使用OMS5000 光学膜厚控制仪与ICXTC 石英晶体膜厚控制仪进行光学厚度与物理厚度的控制。H-ZK11 玻璃基底，直径φ25 mm ，镀膜材料选用SiO2和TiO2。

镀膜前，先将基片表面用无水乙醇清洗，烘干后装入工件盘抽真空，烘烤温度250 ℃，恒温50 min，真空度达到1.5×10−5mbar 时，开始蒸镀。SiO2的沉积速率为0.5 nm/s，TiO2的沉积速率为0.2 nm/s。镀制开始时，需对SiO2与TiO2进行预熔，对镀膜材料进行除气。由于SiO2与TiO2在镀膜过程中容易失氧，在镀制过程中通入适量的O2，保证较高的TiO2化学计量比。

镀膜后，采用紫外固化光学胶NOA61 覆涂于减反射样片B 一侧，将覆涂胶一侧与镀膜样品A 进行在紫外光照射下粘合，即可得到固化样片C（胶合过程参照图1）。

3 实验结果与分析

使用Lambda950 分光光度计，搭载透射附件，对减反射样片B、镀制样片A 中心分别进行测量，光谱测量曲线如图6所示。

胶合样片C 的光谱曲线和优化膜系曲线对比如图7所示。实验样片胶合后峰值透过率达97.2%，400 nm～630 nm 的平均透过率为95.76%；在655 nm～800 nm 的平均透过率为0.06%，满足指标要求。

为了保证薄膜在使用过程中的可靠性，还需对镀膜样片A 进行非光学性能测试。依照国标GB/T 2423.17 进行盐雾测试，膜层表面没有明显变化；按照国标GB/T 26332.4-2015 对薄膜机械牢固度测试，采用NICHIBAN CT-18 胶带紧贴膜面垂直方向迅速拉起，重复5 次，表面不存在脱膜现象。

对比胶合样片C 和设计的优化膜系曲线，结果如图7所示，可看出满足截止滤光片的应用要求，但胶合样片C 和设计膜系曲线有差别。结合文献[21-26]与本课题的结果进行分析，认为膜厚和折射率误差是导致透过率变化的主要原因，误差来源主要有3 点：1）设计的匹配膜层敏感度高且厚度薄；2）采用光控极值法监控膜厚，在非规整膜系的镀制过程中，容易产生累积误差；3）薄膜材料的折射率受制备工艺参数的影响，导致实际制备的折射率与设计值出现偏差。

4 结论

本文研制了400 nm～800 nm 的短波通滤光片，使用膜系设计软件对短波通滤光片进行了设计和优化，优化后设计的短波通膜系在400 nm～630 nm 的平均透射率为99.70%，在655 nm～800 nm的平均透过率为0.025%。采用离子束辅助沉积技术进行了多层膜的制备，对镀制样片透过率及相关非光学性能进行了测试。对镀制样片胶合得到胶合样片，胶合样片在400 nm～630 nm 的平均透过率为95.76%，在655 nm～800 nm 的平均透过率为0.06%，同时分析了胶合样片与理论设计曲线存在差异的原因。