CN111665577A - 一种可以直观识别雪地伪装的检验镜及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可以直观识别雪地伪装的检验镜及制备方法，可以识别颜色与雪地背景相同而光谱与雪地不同的人工白色材料。本发明以ZWB2滤光玻璃作为基底材料,在ZWB2滤光玻璃的两个表面镀减反增透膜;所述减反增透膜为高折射率镀膜材料和低折射率镀膜材料多次交替镀膜而成。高折射率镀膜材料为高纯度氧化锆ZrO2，低折射率镀膜材料为高纯度MgF。与现有技术相比，本发明使用简单，任何作战人员佩戴上本发明的伪装白色检验镜，只要稍加培训，就可以直观识别判断出敌方经一般人工白色材料伪装的目标；任何工程伪装人员，可以直观识别判断所实施伪装的效果。本发明一经装备后，平时检测及使用过程中基本不再发生费用，效费比高。
Description
技术领域
本发明涉及一种可形成特定透射光谱的用于识别雪地伪装的检验镜及其制膜方法。本发明是一种可以直观识别雪地伪装及其伪装程度的非常便利的设备，更进一步说，本发明可以识别颜色与雪地背景相同而光谱与雪地不同的人工白色材料。
背景技术
常规的白色伪装材料的检测手段主要是采用紫外/可见/近红外分光光度计，在室内环境下测试材料的光谱反射特性曲线，通过计算可得到材料的白度，需要专业人员来进行测试和分析结果数据；而在野外环境下可以采用带有紫外波段的野外瞬态光谱仪测试材料的光谱反射特性，测试结果受太阳辐照、测试角度、距离等影响较大，也需要专业人员操作测试和分析结果。相比较而言，室内和室外两种测试都存在花费时间长、成本高，无法直观对伪装效果做出判断。也有采用光电倍增管、紫外滤光片等搭建紫外成像系统，通过拍摄紫外成像系统显示屏的可见光照片评估紫外伪装效果的，但由于受光电倍增管灵敏度等的影响，其成像效果差，也需要专业人员进行操作和分析评判。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以识别颜色与雪地背景相同而光谱不同的人工白色材料的检验镜。
本发明的目的还在于提供上述检验镜及其表面减反增透膜（AR膜）的制备方法。
本发明的技术构思是：光学伪装的实质是模拟背景的光谱反射特性，对于冬季白色雪地背景，最重要是模拟雪地的光谱反射特性，而通常人工白色材料与典型雪地背景具有不同的光谱反射曲线，见图1和图2，横坐标为波长（单位nm），纵坐标为光谱反射系数（%）。图1是典型雪地背景的光谱反射曲线，其中1为细雪的光谱反射曲线，2为中等颗粒雪的光谱反射曲线，3为粗糙颗粒雪的光谱反射曲线。图2是各种人工白色材料的光谱曲线，其中A曲线所示为紫外伪装效果比较理想的人工白色材料；B曲线所示为普通人工白色材料，不能用于紫外伪装；C曲线所示为紫外伪装效果介于两者之间的人工白色材料。从图1中可以看出：在可见光近红外波段（380～1200nm），雪地背景的光谱反射系数很高，都在80%左右，基本呈现一条直线；在近紫外波段（300～380nm），从380nm向300nm波长方向，先略有升高再缓缓向下，到300nm处反射系数仍大于70%。从图2中看出，普通人工白色材料一般从400nm附近，光谱反射系数便开始迅速减小。正是由于雪地背景的固有光谱特性，对模拟雪地背景的人工白色材料的光谱也提出了紫外波段（如350nm处反射系数不小于70%、白度高于90）的相应要求。
本发明的技术方案是：利用雪地背景和普通人工白色材料在紫光（近紫外）波段的光谱反射差异，通过加工特殊的滤光片放大这个差异，达到通过人眼观察就能区分出该差异的目的。本发明以ZWB2滤光玻璃作为基底材料, 在ZWB2滤光玻璃的两个表面镀减反增透膜（AR膜）;所述减反增透膜（AR膜）为高折射率镀膜材料和低折射率镀膜材料多次交替镀膜而成；高折射率镀膜材料为高纯度氧化锆ZrO2，低折射率镀膜材料为高纯度MgF。
本发明所述ZWB2滤光玻璃为黑色的有色玻璃，通过在ZWB2滤光玻璃两个表面镀减反增透膜（AR膜），实现了在短波的蓝光波段（380nm～410nm）和长波的红光波段（690nm～760nm）增加了透射率。
本发明所述ZWB2滤光玻璃的厚度为1—2 mm ，最佳厚度为1.5mm，ZWB2滤光玻璃两个表面所镀减反增透膜（AR膜）厚度为2.5μm～2.8μm。
本发明ZWB2滤光玻璃能大量透过可见光谱两端的紫光、近紫外线和红光、近红外线，可见光的其他波段则几乎不能透过，积雪在这种检验镜观察下呈紫色，类雪的高紫外反射的白色材料亦呈与雪类似的紫色。紫色光和紫外反射低的白色材料则呈红色或暗红色；而紫外反射较低的白色材料呈现紫红或深浅不同的兰紫色(与紫色的差别可以区分出来)。
本发明选用ZWB2滤光玻璃作为基底材料，通过双面镀减反增透膜（AR膜），在短波的蓝光波段（380nm～410nm左右）以及长波的红光波段（690nm～760nm左右）增加透射率，其膜系结构为：
（0.5HL0.5H）S，取中心波长λ0≈532nm
其中：H---高折射率镀膜材料，其光学厚度为中心波长的四分之一；L---低折射率镀膜材料，其光学厚度为中心波长的四分之一；S---循环次数，λ0---中心波长。(0.5HL0.5H是指镀膜时膜系周期为：先是0.5λ0厚度的高折射率材料，然后是1个λ0厚度的低折射率材料，然后又是0.5λ0厚度的高折射率材料）。
其中高折射率镀膜材料是高纯度氧化锆ZrO2 和低折射率镀膜材料是高纯度氟化镁MgF，S=6，这意味着这个减反增透滤光膜（AR膜）总共有13层。
本发明所述高折射率镀膜材料和低折射率镀膜材料多次交替镀膜为其中高折射率镀膜材料镀6-7层，低折射率镀膜材料镀6-7层，高折射率镀膜材料和低折射率镀膜材料共镀12-14层，形成的减反增透膜（AR膜）共12-14层。
本发明的可以直观识别雪地伪装的检验镜的制备方法，采用真空蒸发镀膜的方法，包括以下工序:
a.将ZWB2滤光玻璃在超声波清洗机被清洗干净，之后放于工件架上，放入真空镀膜机真空室内，并关闭室门、对真空室抽真空；
b.在真空度达到3×10-1Pa时，对ZWB2滤光玻璃加温，温度设定为200℃～220℃，并继续抽真空；
c.在真空度达到5×10-3Pa时，开始对高折射率镀膜材料ZrO2 和低折射率镀膜材料MgF分别预熔,两种镀膜材料分别在电子枪的不同坩埚内；
d.预熔结束后，待真空室的真空度达2×10-3Pa时，可开始镀膜；由于ZrO2是氧化物在汽化成膜时容易“脱氧”，故需向真空室内充入氧气并保证真空度不低于1×10-3Pa ～2×10- 3Pa；在真空镀膜机上配有质量流量计与压强控制仪以便来控制充入氧气的量以及真空室内的真空度；在镀膜时还要控制好ZrO2 与MgF这两种镀膜材料的成膜速率；ZrO2通常的成膜速率为：0.35nm/S ～0.40nm/S，而MgF通常的成膜速率为：0.7nm/S ～0.9nm/ S；
e.对于ZWB2滤光玻璃的两面均需镀AR膜系，高折射率镀膜材料ZrO2 与低折射率镀膜材料MgF两种材料共13层左右；
f.工序e）成完后（镀膜结束后），关闭电子枪、烘烤加热器、高真空阀门等，待真空室温度降到低于80℃后，对真空室充大气到常压，打开真空室门取出已镀好膜的滤光镜片，用该滤光镜片制备可以直观识别雪地伪装的检验镜。
本发明所述高折射率镀膜材料ZrO2纯度99.5% ，低折射率镀膜材料MgF纯度为99.8%。
本发明识别白色伪装材料的原理是：从白色检验镜检验白色材料光谱反射差异的异谱同色原理和色度分析，实质上就是改变光源的光谱功率分布，使两种异谱白色的同色条件发生显著变化而产生色彩差异：一种光照条件下同色的两种白色，在另一种光照条件下变得不同色并以这种色彩差异来推断两种白色的异谱程度。
为了评估白色人工材料用于雪地背景伪装的效果，一般采用野外瞬态光谱仪同步采集雪地背景和白色材料光谱反射曲线，通过对比计算只能看出数据上的差别，依靠专业人员对伪装效果进行评价，不能直观看到实际的伪装效果。而采用光电倍增管紫外成像系统拍照，成像质量太差，分辨率低，造成伪装效果评判困难。以上两种方法都需要专用设备和专业人员才能完成。
本发明使用简单，任何作战人员佩戴上本发明的伪装白色检验镜，只要稍加培训，就可以直观识别判断出敌方经一般人工白色材料伪装的目标；任何工程伪装人员，可以直观识别判断所实施伪装的效果。该白色检验镜一经装备后，平时检测及使用过程中基本不再发生费用，效费比高。
附图说明
图1是典型的雪地背景光谱反射曲线；
图2是三种人工白色材料的光谱反射曲线；
图3 是ZWB2滤光玻璃的光谱透过率曲线；
图4是本发明的ZWB2滤光玻璃镀AR膜后的光谱透过率曲线。
具体实施方式
图1所示， 1为细雪的光谱反射曲线， 2为中等颗粒雪的光谱反射曲线， 3为粗糙颗粒雪的光谱反射曲线。
图2所示3种人工白色材料的光谱反射曲线，A曲线所示为紫外伪装效果比较理想的白色材料；B曲线所示为不能用于紫外伪装的白色材料；C曲线所示为紫外伪装效果介于两者之间的白色材料。
图3中，厚度为1.5mm的ZWB2滤光玻璃，其光谱透过率曲线如图所示,其在410nm～690nm范围内几乎不透。在短波方向，在410nm处开始透过，并直线上升，至380nm处已将近50%；在长波方向，在690nm处开始透过，到745nm达到峰值将近20%。所以在410nm～690nm 之间的透过率无需再镀膜纠正，只要后续的镀膜加工不影响其本来的性能就可以，这样就大大简化镀膜设计方案和加工难度。为了增强观察效果，需要适当增大380nm～410nm波段的透过率，尽可能增大690nm～760nm的透过率。通过多层镀膜的方式，在ZWB2滤光玻璃两个表面镀减反增透膜（AR膜）。
图4是ZWB2滤光玻璃镀AR膜后的光谱透过率曲线。
对比图3和图4可以看出，ZWB2滤光玻璃镀AR膜后在380nm～410nm波段和690nm～760nm波段的透过率明显增大。
实施例
本发明以ZWB2滤光玻璃作为基底材料, 对ZWB2滤光玻璃的两个表面镀减反增透膜（AR膜）。本实施例的光学薄膜镀制采用的工艺是真空蒸发。
本实施例设备：真空镀膜机。真空镀膜机必要具备：真空系统、蒸发源（电子枪或阻蒸）、工件架（包括“工件”旋转）、烘烤系统（可分上、下烘烤，对“工件”进行加温）、膜厚与蒸发速率控制系统、充气系统（充入氧气或其他其它）、离子源等。
本实施例镀膜材料，高折射率镀膜材料ZrO2和低折射率镀膜材料MgF。这两种薄膜在“应力”上有良好的匹配性，形成了多层薄膜后，不会出现“龟裂”、和“剥落”现象，这两种镀膜材料在高温蒸发时放气量小，不飞溅。所选的高、低折射率材料纯度要高，高折射率镀膜材料ZrO2 要达99.5%，低折射率镀膜材料MgF要达99.8%。这两种材料通常有专业的供应商来提供。
具体的镀膜工艺如下：
a.将ZWB2滤光玻璃在超声波清洗机被清洗干净，之后放于工件架上，放入真空镀膜机真空室内，并关闭室门、对真空室抽真空；
b.在真空度达到3×10-1Pa时，对ZWB2滤光玻璃加温，温度设定为200℃～220℃，并继续抽真空；
c.在真空度达到5×10-3Pa时，开始对这两种高、低折射率的镀膜材料ZrO2 和MgF分别预熔（两种镀膜材料分别在电子枪的不同坩埚内）。
d.预熔结束后，待真空室的真空度达2×10-3Pa时，可开始镀膜。由于ZrO2是氧化物在汽化成膜时容易“脱氧”，故需向真空室内充入氧气并保证真空度不低于1×10-3Pa ～2×10-3Pa。在真空镀膜机上配有质量流量计与压强控制仪以便来控制充入氧气的量以及真空室内的真空度；在镀膜时还要控制好ZrO2 与MgF这两种镀膜材料的成膜速率。ZrO2通常的成膜速率为：0.35nm/S ～0.40nm/S，而MgF通常的成膜速率为：0.7nm/S ～0.9nm/ S。
e.对于ZWB2滤光玻璃的两面均需镀AR膜系，高折射率镀膜材料ZrO2 与低折射率镀膜材料MgF两种材料共13层左右。
f.工序e）成完后（镀膜结束后），关闭电子枪、烘烤加热器、高真空阀门等，待真空室温度降到低于80℃后，对真空室充大气到常压，打开真空室门取出已镀好膜的有色玻璃。
本发明的ZWB2 滤光片对紫外、可见、红外区特定波长有选择吸收和透过性能，按照光谱特性分为选择性吸收型、截止型和中性灰3类，GB/T 115488-1995《滤光玻璃》对各种型号的滤光玻璃都给出了具体的性能说明。鉴于本发明光谱透射率的特殊要求，市场上的多种牌号的有色玻璃：ZWB1与ZWB3光学性能均不能满足要求，本发明的基底材料ZWB2滤光玻璃能大量透过可见光谱两端的紫光、近紫外线和红光、近红外线，可见光的其他波段则几乎不能透过，其光谱透射曲线呈槽形(图3)，图中纵坐标为光谱透射系数，横坐标为波长。本发明的ZWB2滤光玻璃在紫光、近紫外区和红光、近红外区具有非常明显的选择性，能透过波长690nm以上的红光和近红外线，也能透过波长410nm以下的紫光和近紫外线，而在其他可见光波段几乎不透。
如以P(λ)表示白昼条件下自然光光谱功率分布的相对值，ρ1(λ)表示图1中雪地背景的光谱反射系数，ρ2(λ)表示图2中普通人工白色材料的光谱反射系数，则按色度学定义，这两种白色可分别以下式表示:
式中:
X1、Y1、Z1——雪地背景的三刺激值；
X2、Y2、Z2——普通人工白色材料的三刺激值；
K——调整因数。
在以正常人眼直接观察这两种光谱反射特性不同的白色时，如果引起相同(或接近相同)的颜色感，则表明这两种白色是在白昼光源P(λ)和标准观察者
λ、
λ、
λ条件下异谱同色的白色，二者的三刺激值一定接近相等，即：
X1=X2
Y1=Y2
Z1=Z2
当以光谱透射率为τλ的本发明的检验镜观察时，两种白色透过镜片的光谱功率分别为P(λ)ρ1(λ)τλ和P(λ)ρ2(λ)τλ，其中以P(λ)τλ＝P*(λ)，则表明光源的光谱功率分布已由P(λ)改变为P*(λ)，在这种情况下，两种白色的三刺激值
、
、
、
、
、
分别变为：
= K
dλ
= K
dλ
此时，由于照明光源的光谱功率发生显著改变，两种异谐同色白色的同色条件将被破坏，颜色感觉将产生显著的差异，即：
人眼和本发明的检验镜下观察两种白色的色度坐标x，y、z可按下式计算：x =
y =
z =
以X1、Y1、Z1、X2、Y2、Z2、
、
、
、
、
、
之值分别求出其色度坐标(x1，y1)、(x2，y2)、(
，
)、(
，
)，则人眼观察两种白色时的色度点(x1，y1)、(x2，y2)落于色度图的白色区且相互重叠或靠近；而用本发明的检验镜观察时，雪地背景的色度点(
，
)位于紫色区，而普通人工白色材料的色度点(
，
)的位置落于红色区或紫红区或蓝紫色区。
本发明的检验镜透光率较低，要求最低检验照度为400勒克斯，且在观察检验时要有一定的适应时间(约1分钟)，为了提高检验白色的准确率，使用检验镜人员应经短期的辩色训练。
本发明选用厚度为1.5mm的ZWB2滤光玻璃，其光谱透过率曲线如图3,其在410nm～690nm范围内几乎不透。在短波方向，在410nm处开始透过，并直线上升，至380nm处已将近50%；在长波方向，在690nm处开始透过，到745nm达到峰值将近20%。所以在410nm～690nm 之间的透过率无需再镀膜纠正，只要后续的镀膜加工不影响其本来的性能就可以，这样就大大简化镀膜设计方案和加工难度。为了增强观察效果，需要适当增大380nm～410nm波段的透过率，尽可能增大690nm～760nm的透过率。通过多层镀膜的方式，双面镀减反增透膜，实现透过率曲线的加工制作。本发明以ZWB2滤光玻璃作为基底材料，通过双面镀减反增透膜（AR膜），在短波的蓝光波段（380nm～410nm左右）以及长波的红光波段（690nm～760nm左右）增加透射率（透过率曲线见图4），并取得较为满意的结果。
膜系结构为：
（0.5HL0.5H）S，取中心波长λ0≈532nm
其中：H---高折射率镀膜材料，其光学厚度为中心波长的四分之一；L---低折射率镀膜材料，其光学厚度为中心波长的四分之一；S---循环次数，λ0---中心波长。
其中高折射率镀膜材料和低折射率镀膜材料的厚度之和为中心波长的一半。
Claims (7)
1.一种可以直观识别雪地伪装的检验镜，其特征在于：以ZWB2滤光玻璃作为基底材料,在ZWB2滤光玻璃的两个表面镀减反增透膜;所述减反增透膜为高折射率镀膜材料和低折射率镀膜材料多次交替镀膜而成；高折射率镀膜材料为高纯度氧化锆ZrO2，低折射率镀膜材料为高纯度MgF。
2.根据权利要求1所述的可以直观识别雪地伪装的检验镜，其特征在于:所述ZWB2滤光玻璃为黑色的有色玻璃，通过在ZWB2滤光玻璃两个表面镀减反增透膜，实现了在短波的蓝光波段（380nm～410nm）和长波的红光波段（690nm～760nm）增加了透射率。
3.根据权利要求1所述的可以直观识别雪地伪装的检验镜，其特征在于:所述ZWB2滤光玻璃的厚度为1—2 mm ，最佳厚度为1.5mm，ZWB2滤光玻璃两个表面所镀减反增透膜厚度为2.5μm～2.8μm。
4.根据权利要求1所述的可以直观识别雪地伪装的检验镜，其特征在于:所述ZWB2滤光玻璃表面镀膜的膜系结构为：
（0.5HL0.5H）S，取中心波长λ0≈532nm
其中：H---高折射率镀膜材料，其光学厚度为中心波长的四分之一；L---低折射率镀膜材料，其光学厚度为中心波长的四分之一； S---循环次数，λ0---中心波长；其中高折射率镀膜材料是高纯度氧化锆ZrO2 和低折射率镀膜材料是高纯度氟化镁MgF；S=6。
5.根据权利要求1或4所述的可以直观识别雪地伪装的检验镜，其特征在于:所述高折射率镀膜材料和低折射率镀膜材料多次交替镀膜为其中高折射率镀膜材料镀6-7层，低折射率镀膜材料镀6-7层，高折射率镀膜材料和低折射率镀膜材料共镀12-14层，形成的减反增透膜（AR膜）共12-14层。
6.一种权利要求1所述的可以直观识别雪地伪装的检验镜的制备方法，其特征在于包括以下工序:
a.将ZWB2滤光玻璃在超声波清洗机被清洗干净，之后放于工件架上，放入真空镀膜机真空室内，并关闭室门、对真空室抽真空；
b.在真空度达到3×10-1Pa时，对ZWB2滤光玻璃加温，温度设定为200℃～220℃，并继续抽真空；
c.在真空度达到5×10-3Pa时，开始对高折射率镀膜材料ZrO2 和低折射率镀膜材料MgF分别预熔,两种镀膜材料分别在电子枪的不同坩埚内；
d.预熔结束后，待真空室的真空度达2×10-3Pa时，可开始镀膜；由于ZrO2是氧化物在汽化成膜时容易“脱氧”，故需向真空室内充入氧气并保证真空度不低于1×10-3Pa ～2×10- 3Pa；在真空镀膜机上配有质量流量计与压强控制仪以便来控制充入氧气的量以及真空室内的真空度；在镀膜时还要控制好高折射率镀膜材料ZrO2 与低折射率镀膜材料MgF这两种镀膜材料的成膜速率；高折射率镀膜材料ZrO2通常的成膜速率为：0.35nm/S ～0.40nm/S，而低折射率镀膜材料MgF通常的成膜速率为：0.7nm/S ～0.9nm/ S；
e.对于ZWB2滤光玻璃的两面均需镀AR膜系，高折射率镀膜材料ZrO2 与低折射率镀膜材料MgF两种材料共12-14层；
f.工序e）成完后，关闭电子枪、烘烤加热器、高真空阀门，待真空室温度降到低于80℃后，对真空室充大气到常压，打开真空室门取出已镀好膜的滤光镜片，用该滤光镜片制备可以直观识别雪地伪装的检验镜。
7.根据权利要求6所述的可以直观识别白色伪装的检验镜的制备方法，其特征在于所述高折射率镀膜材料ZrO2纯度99.5% ，低折射率镀膜材料MgF纯度为99.8%。
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2020
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