CN100345001C - 一种具有低透射率、反射率和发射率的表面涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时具有低的表观透射率、反射率和发射率的表面涂层，该涂层为含有谐振腔的高反多层膜结构，其膜系为：(LH)mxL(HL)m，L为低折射率膜层，H为高折射率膜层，每一膜层的厚度是随机涨落的层厚，m为L与H的交替叠层次数，m≥3，xL为谐振腔层，x为腔厚系数。在谐振腔层的中间有一层通过匀胶或喷涂方法形成的稀疏金属纳米小球强吸收散射体。本发明的优点在于：采用特殊的非均匀结构设计，使得该结构同时具有低的表观透射率T、反射率R和发射率ε，是性能非常好的表面涂层，可以满足抑制背景杂散光、而且自身发射率ε又低的表面涂层的应用需求，而其制备方法与传统光学薄膜的制备方法完全兼容，没有特殊要求。
Description
技术领域
本发明涉及表面涂层，具体是指一种在光学系统的光路中从表观效果上形成同时具有低透射率、反射率和发射率的表面涂层。
背景技术
由于诸如成像仪等光学元件或仪器在信噪比和温度分辨率方面都有较高要求，从而使得对背景杂散光的抑制成为一个非常重要的问题，尤其是在红外波段，即使外来的杂散光可以得到较好的抑制，光学元件或仪器本身辐射出的红外杂散光也难以解决。对以上背景杂散光的抑制通常采用表面涂层加以解决，最理想的表面涂层材料应该是同时具有低的透射率T、反射率R和发射率ε，但由于通常的均匀材料在基本物理学原理上具有吸收率α＝1-T-R，如果透射率T和反射率R都低的话，势必吸收率α就高，而吸收率α与发射率ε成正比，这样发射率ε也高，因此，通常情况下的均匀材料是不可能同时具有低的透射率、反射率和发射率的，无法同时满足这三个要求。
发明内容
本发明针对以上矛盾，规避了均匀材料体系，提出一种含非均匀强吸收散射体的特殊膜系结构设计，可以使得该特殊结构能够不受均匀材料中基本物理学原理的限制，在功能上实现同时具有低的表观透射率T、反射率R和发射率ε，以达到抑制背景杂散光、而且自身发射率ε又低的表面涂层。
本发明的表面涂层为含有谐振腔的高反多层膜结构，其膜系为：
(LH)mxL(HL)m，
其中(LH)m为下层膜系，xL为谐振腔层，(HL)m为上层膜系，L为低折射率膜层，H为高折射率膜层，每一膜层的厚度是随机涨落后的层厚，m为L与H的交替叠层次数，m≥3，xL为谐振腔层，x为腔厚系数，取值为2k+1＜x≤2k+3，k＝0，1…，。在谐振腔层的中间有一层通过匀胶或喷涂方法形成的稀疏金属纳米小球强吸收散射体，其面密度为0.5～5％。
本发明的涂层与传统规整膜系涂层的最大区别是在谐振腔层中引入稀疏分布的强吸收金属纳米小球散射体，强吸收散射体的作用是将进入到谐振腔层的大部分光吸收和散射掉，降低整个结构的表观反射率和透射率，同时保持低的表观发射率。由于采用非规整的高反膜系设计，虽然大部分入射光都不能透过整个膜系传播出去，但仍然能够进入到谐振腔层，产生剧烈的谐振作用，而在谐振腔层引入的强吸收散射体不断地将大部分原本会被反射回去的入射光吸收和散射到对系统光路没有影响的区域，使得该结构的反射率大大降低；同时由于膜系的基本高反结构未变，仍然保持低的透射率；另外，虽然大部分入射光都被强吸收散射体吸收或散射掉，但由于强吸收散射体分布很稀疏，因此整体上在光学系统的光路收集区域内表观的吸收率仍然很低，从而保证了该结构具有低的表观发射率，最终在表观上达到同时具有低的透射率、反射率和发射率的目的。
本发明的优点在于：突破了传统的均匀结构设计途径和由此带来的物理学原理上的限制，采用特殊的非均匀结构设计，使得该结构同时具有低的表观透射率T、反射率R和发射率ε，是性能非常好的表面涂层，可以满足抑制背景杂散光、而且自身发射率ε又低的表面涂层的应用需求，而其制备方法与传统光学薄膜的制备方法完全兼容，没有特殊要求。
附图说明
图1为本发明的同时具有低的表观透射率、反射率和发射率表面涂层的结构示意图；
图2为本实施例所设计的波段内不同波长的光在膜系结构中的场强分布；
图3为本实施例所设计的表面涂层正入射时的透射率、反射率和发射率图谱，实线、虚线和点线分别为透射率、反射率和发射率谱。
具体实施方式
下面以3.9～4.7μm波段为实施例结合附图对本发明的具体设计方案作详细说明：
1.膜系设计
首先以λ0＝2.8μm为设计波长，采用规整膜系设计出一个窄带通滤光膜系：
(LH)mxL(HL)m，
其中(LH)m为下层膜系，xL为谐振腔层，(HL)m为上层膜系，L为低折射率膜层，H为高折射率膜层，在本实施例中分别选择一氧化硅和锗，L和H膜层的光学厚度为λ0/4，然后对每层膜层的光学厚度作一个随机涨落的变化，其产生方法请见中国专利号：01139082.4，最后形成如表1所示的一氧化硅和锗经过随机涨落后的层厚。m为L与H的交替叠层次数，x为腔厚系数，在本实施例中m和x分别取5和3.2，此时的非规整膜系带通峰位λ为4.2μm。该膜系的带通峰位由谐振腔层的厚度即腔厚系数决定，x在取值范围内越大则对应的带通峰位越大，x为2的整数倍时所对应的带通峰位为设计波长λ0。
2.涂层的制备
首先，采用常规的光学薄膜镀制方法在金属、陶瓷、玻璃或塑料等需要表面涂涂层的样品上镀制下层膜系1和二分之一谐振腔层2，即按表1所示的膜层厚度从膜层序号1开始镀到10，再镀膜层序号11的二分之一厚度；然后将此半成品取出，在谐振腔层的表面上通过匀胶、喷涂等方法稀疏地涂敷一层强吸收金属纳米小球散射体4，其面密度为0.5～5％；接着在此基础上把另一半谐振腔层2，即再镀膜层序号11的二分之一厚度，和剩余的上层膜系3镀完。上层膜系3即为表1所示的膜层序号12到21。这样既把强吸收散射体嵌埋在谐振腔层内，同时又完成了整个结构的制备，工艺过程非常简单。同理，可以设计制备出其他波段同时具有低的表观透射率、反射率和发射率的表面涂层。
不同波长的光在膜系结构中的场强分布如图2所示，除了与带通峰位波长相同(4.2μm)的光在整个结构内都有很强的电场而且可以传播出膜系外，其他波长的光(3.9～4.7μm)基本上都不能传播出整个膜系，但可以传播到谐振腔层内。
本实施例中为金纳米小球，粒径为60nm，强吸收散射体在平面内分布的面密度为0.5～5％。这样，进入到谐振腔层中的光会产生剧烈的谐振作用，被其中的强吸收散射体不断地吸收和散射掉而不能被反射回去，从而使得该结构的反射率大大降低；同时由于膜系的基本高反结构未变，仍然保持低的透射率；另外，虽然大部分入射光都被强吸收散射体吸收或散射掉，但由于强吸收散射体分布很稀疏，因此整体上的吸收率仍然很低，从而保证了该结构的低发射率，最终达到同时具有低的表观透射率、反射率和发射率的目的。本发明所设计表面涂层正入射时的透射率、反射率和发射率谱如图3所示，图中的实线、虚线和点线分别为透射率、反射率和发射率谱，从图上可以看出，本发明所设计结构的表观透射率、反射率和发射率都很低，在3.9～4.7μm波段透射率＜0.7％，反射率＜1.7％，发射率＜0.09。
表1
| 膜层序号 | 材料 | 折射率 | 消光系数 | 随机涨落的厚度(nm) |
| 1 | 一氧化硅 | 1.75 | 0.0001 | 461.5 |
| 2 | 锗 | 4.05 | 0.001 | 418.7 |
| 3 | 一氧化硅 | 1.75 | 0.0001 | 461.5 |
| 4 | 锗 | 4.05 | 0.001 | 199.7 |
| 5 | 一氧化硅 | 1.75 | 0.0001 | 461.5 |
| 6 | 锗 | 4.05 | 0.001 | 179.4 |
| 7 | 一氧化硅 | 1.75 | 0.0001 | 461.5 |
| 8 | 锗 | 4.05 | 0.001 | 195.4 |
| 9 | 一氧化硅 | 1.75 | 0.0001 | 461.5 |
| 10 | 锗 | 4.05 | 0.001 | 193.2 |
| 11 | 一氧化硅 | 1.75 | 0.0001 | 1475.8 |
| 12 | 锗 | 4.05 | 0.001 | 199.9 |
| 13 | 一氧化硅 | 1.75 | 0.0001 | 461.5 |
| 14 | 锗 | 4.05 | 0.001 | 202.8 |
| 15 | 一氧化硅 | 1.75 | 0.0001 | 461.5 |
| 16 | 锗 | 4.05 | 0.001 | 269.5 |
| 17 | 一氧化硅 | 1.75 | 0.0001 | 461.5 |
| 18 | 锗 | 4.05 | 0.001 | 266.9 |
| 19 | 一氧化硅 | 1.75 | 0.0001 | 461.5 |
| 20 | 锗 | 4.05 | 0.001 | 241.1 |
| 21 | 一氧化硅 | 1.75 | 0.0001 | 461.5 |
Claims (1)
1.一种具有低透射率、反射率和发射率的表面涂层，该涂层为含有谐振腔的高反多层膜结构，其特征在于膜系为：
(LH)mxL(HL)m，
其中(LH)m为下层膜系，xL为谐振腔层，(HL)m为上层膜系，L为低折射率膜层，H为高折射率膜层，每一膜层的厚度是随机涨落后的层厚，m为L与H的交替叠层次数，m≥3，x为腔厚系数，取值为2k+1＜x≤2k+3，k＝0，1...，在谐振腔层的中间有一层通过匀胶或喷涂方法形成的稀疏金属纳米小球强吸收散射体，其面密度为0.5～5％。
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