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专利名称：具有经涂覆的光学透镜的红外成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于红外成像设备的经涂覆的光学透镜。
背景技术：
包含电气和/或机械设备和结构的系统的热图像可以用于监控和/或分析其性能。这种系统对于设计、开发以及在操作服务期间(例如出于检查和维护的目的)是有用的。热和红外图像可以被红外(IR)成像系统(例如具有光学透镜的顶相机)捕获和显示。锗透镜在顶相机中广泛使用。这些透镜包括接近100%的多晶或结晶锗，具有量可以忽略的锗氧化物、氮化物或其他锗化合物。透镜的暴露表面通常涂覆有类金刚石碳膜以保护透镜免受恶劣环境的影响，例如高吹沙、下雨、以及盐水，并且用作抗反涂层。不幸的是，虽然锗透镜在低温时具有好的透射特性，但在较高温时由于吸收系数的增加使其透射下降并且在顶波段的光学性能开始退化。透射在大约57摄氏度时开始明显的劣化，在大约200摄氏度时开始迅速衰减。锗的折射率同样非常依赖于温度，仅仅几度的温度变化就会使透镜散焦。因此，使用用于透镜的暴露表面的替代材料来代替锗透镜。这些材料包括硒化锌 (a^e)、硫化锌(ZnS)以及硫属化物(例如AMTIR-I，AMTIR-3，AMTIR-4，AMTIR-I和优美科公司的GASIR)。虽然由这些材料中的一些制成的透镜没有与锗材料相关的不透明和色散问题，但是例如DLC之类的保护涂层却无法与这些材料很好地粘附。对于大体不能粘附，申请人指的是涂层不能通过MIL-PRF-13830，C. 4. 5. 12所规定的粘附测试，从而当玻璃纸带被压到经涂覆的表面并被缓慢去除时所述涂层有被去除的迹象。其他的涂层已经研发以粘附到这些替代的透镜材料，包括包含磷酸硼的保护涂层。但是，磷酸硼自身明显的减弱了经涂覆的透镜的透射值。

发明内容
本发明的实施例提供了一种涂覆有保护涂层和/或AR涂层的非锗透镜，以及提供该涂层的工艺与设备。对于“非锗透镜”，申请人所指的是不由接近100%的多晶或结晶锗构成并包含多于可忽略的量的其他元素，或锗氧化物、氮化物或其他锗化合物。非锗透镜的例子包括硒化锌、硫化锌以及硫属化物。在一些实施例中，非锗透镜具有涂层，该涂层具有第一层和位于第一层上的第二层。第一层适于与非锗透镜很好地粘附并向第二层提供良好的粘附表面，第二层自身大体不能与非锗透镜材料粘附。因此，本发明的实施例允许非锗透镜涂覆有不会很好直接粘附到非锗透镜的保护涂层和AR涂层。因而，本发明的实施例允许在透镜上使用所需涂层，所述透镜可以在相对高的温度下使用而没有显著的透射率劣化并且可用于被绝热的红外成像设备。在一些实施例中，第一层包括14族元素(正如目前国际理论和应用化学联合会 (IUPAC)表示法所标定的)和/或它们的化合物(例如氮化硅)且第二层包括类金刚石碳 (DLC)。所述元素与非锗光学玻璃透镜很好地粘附，所述透镜包括，基本或全部由硒化锌、硫化锌或一种或多种硫属化物(例如，AMTIR-I，AMTIR-3，AMTIR-4, AMTIR-5，和/或优美科公司的GASIR)构成。进一步，上述元素也为第二层(例如，DLC层)提供了良好的粘附层。


图1提供了根据本发明实施例的示例性图像形成系统的示意图。
图2提供了根据本发明实施例的经涂覆的透镜的顶视平面图。
图3提供了图2的截线A-A的截面图。
图4A提供了根据本发明实施例的透镜支座的顶视平面图。
图4B提供了图4A的透镜支座的侧视平面图。
图4C提供了图4A的截线A-A的截面图。
图5A提供了根据本发明实施例的备选换透镜支座的顶视平面图。
图5B提供了图5A所示的透镜支座的侧视平面图。
图6A提供了根据本发明实施例的另一备选透镜支座的顶视平面图。
图6B提供了图6A的透镜支座的侧视平面图。
图6C提供了图6A的截线A-A的截面图。
图7是经涂覆的透镜的例子在多个波长处的实验和理论透射值的例子的图表。
图8是经涂覆的透镜的例子在多个波长处的实验和理论透射值的附加例的图表。
具体实施例方式图1是根据本发明的图像形成系统100的一个示例性实施例的简化方框图。所示的示例性系统100包括透镜系统110、检测器120、信号处理单元125以及显示单元130。 入射到透镜系统110上的准直光105可被检测器120探测。通常，检测器120将入射到其上的光转化为电脉冲。对于本领域技术人员来说多种检测器构造是已知的。在一个实施例中，例如，检测器120可以构造成微辐射热测量计。由检测器120提供的电脉冲可以耦合到信号处理单元125。在已知的方式中，信号处理单元125可以将电脉冲转化为表示物体图像的数据，所述物体产生或反射由透镜110 接收到的光。所述数据可以耦合到显示图像的显示单元。所述系统可以被构造成对各种波长进行成像。在一些实施例中，所述系统被构造成对在近波或短波顶的波长(如这里所使用的，该波段大约为0.9到2.5微米)进行成像。 在其他实施例中，该系统被构造成对中波^(MWIR)进行成像。进一步的实施例被构造成对远波^(LWIR)进行成像。这里所提到的“MWIR”波段或光谱指的是从约3微米到约5微米的波长，“UWR”波段或光谱指的是从约7微米到约14微米的波长。在其他实施例中，所述系统被构造成同时将MWR和UWR波段的光成像到共同的聚焦平面上。在一些实施例中，透镜系统110包括如图2所示的透镜200。所述透镜200可以被提供有涂层210从而使其具备更好的特性，例如增强的耐久性和/或抗反射特性。这些特性增强了在环境中系统的性能。在特定实施例中，透镜由非锗材料制成，并且当透镜置于顶成像设备中时该透镜具有面向周围环境的第一表面220。在一些实施例中，基底材料包括，基本上或全部由硒化锌(ZnSe)光学玻璃、硫化锌( 和/或硫属化物玻璃(例如， AMTIR-I (Ge33As12Se55)，AMTIR-3, AMTIR-4, AMTIR-5 和 / 或优美科公司的 GASIR)构成。值得注意的是，一些硫属化物包括锗化合物，且这些材料同上述的锗透镜的性能基本上不同。 根据本发明该透镜可以设置成任意形状和厚度。在一些实施例中，所述透镜包括大体圆形的形状以及约Imm至约15mm的厚度(例如，约2mm到约IOmm)。涂层210可以被提供在透镜200的第一表面220。在所述实施例中，当透镜被置于成像系统中时所述涂层将暴露于周边环境。在一些实施例中，所述涂层包括层堆叠，从第一表面向外移动，其包括第一层230和第二层M0。该实施例如图3所示。第一层和第二层可以包括被选择用于为透镜提供有益特性且与透镜粘附良好的材料。在一些实施例中，第一和第二层中的一者或两者是同质的(homogonous)。在一些实施例中，涂层包括适于与透镜良好粘附且提供第二层能够与之粘附的表面的第一层。在一些实施例中，第一层包括14族元素(正如目前IUPAC表示法所标定的， 碳、硅、锗、锡、以及铅)和/或它们的化合物(包括氧化物、氮化物、以及氮氧化物)。在其他实施例中，第一层基本上由14族元素或14族元素的化合物构成。在另一些实施例中，第一层由14族元素或14族元素的化合物构成。进一步地，在本发明的一些实施例中，第一层包含14族元素且基本上不含磷酸硼。第一层的实施例通常与非锗材料很好地粘附并提供表面使得第二层能够粘附而不会在高温下经历透射劣化。在一些实施例中，第一层包括锗。在另一些实施例中，第一层基本上由锗或者锗化合物构成。在又一实施例中，第一层由锗或者锗的化合物构成。在本发明的一些实施例中， 第一层包括锗并且大体上不含(例如完全不含)磷酸硼。第一层可以被设定为任意期望的厚度。通常，第一层的厚度足以覆盖透镜的第一表面，同时为第二层提供坚固的沉积位置。进一步地，第一层可被设定为一厚度使得可以忽略任何温度相关的透射变化，甚至高温下。例如，当第一层包括锗，锗层可以被设定为一厚度从而使得在高温下增加的不透明度可以被忽略。在一些实施例中，第一层具有约1.0微米到约30. 0微米之间的厚度(例如，大约1. 5微米到12微米)。第一层也可以设有任意所需的结晶结构。在一些实施例中，第一层的结晶结构不被控制，且它以多晶结构沉积。第二层可包括任何能够为透镜赋予期望特性的材料，例如加强的耐久性和/或抗反射特性。在一些实施例中，第二层是耐久层，适于保护透镜使其甚至在高温下也能免受外界环境影响。在其他实施例中，第二层是适于减小透镜反射率的抗反射层。在一些实施例中，单个耐久且抗反射的第二层被提供。在特定实施例中，第一层附着到透镜上，第二层附着到第一层上。进一步地，在一些实施例中，涂层仅由第一层和第二层构成，从而在第一层和透镜之间没有其他层，在第一层和第二层之间没有其他层，在第二层之外也没有其他层。在一些实施例中，第二层包括，基本上或全部由类金刚石碳(DLC)(例如同质的 DLC层)构成。该第二层用于为涂层提供抗反射性和耐久性，且与上述的第一层很好地粘附。在特定实施例中，第一层(例如，包含14族元素)附着到透镜，且DLC层附着到第一层。 进一步地，在某些实施例中，涂层仅由第一层和DLC层构成，从而在第一层和透镜之间没有其他层，在第一层和DLC层之间没有其他层，在DLC层之外也没有其他层。第二层可以被设定为任意期望的厚度。通常，第二层的厚度足以覆盖涂层的第一层并提供期望的特性(例如，耐久性和/或抗反射性)。在一些实施例中，第二层具有约1.0 至约15. 0微米的厚度(例如约1. 5至约10微米)。
因此，本发明的实施例允许耐久性和将AR涂层设置在大范围温度变化下(例如，巧4摄氏度至+90摄氏度)可操作而没有透射率或图像质量劣化的高透射透镜上。在一些实施例中，该系统在高于约100摄氏度的温度下可操作且没有显著的透射率劣化。在其他实施例中，系统在大于约150摄氏度的温度下可操作且没有显著的透射率或图像质量下降。本发明的实施例也包括在相对高温和大的温度变化下配置和使用任何在此所述的系统的方法。本发明的实施例也包括沉积任意所述涂层的方法。在一些实施例中，该方法包括提供透镜、为透镜涂覆第一层、以及为透镜涂覆第二层以提供经涂覆的透镜的步骤。涂层的第一层和第二层可以通过任意合适的方法沉积。在一些实施例中，第一和 /或第二层通过溅射沉积(例如，磁控溅射)、离子辅助沉积(IAD)(例如，离子辅助蒸发沉积，IAED)、化学气相沉积(例如，等离子体增强化学气相沉积，PECVD)以及上述的组合。这些涂覆方法对于本领域技术人员来说易于理解。在一些实施例中，第一层通过来自130摄氏度的电子束枪，或来自室温下具有离子辅助沉积的电子束枪，或DC磁控溅射的蒸发来沉积。在一些实施例中，第二层通过PECVD 沉积。第二层可以在室温下沉积在第一层之上。为了在感兴趣的光谱区域透射，涂层的厚度可以被优化。本发明的实施例也包括适于促进透镜上涂层沉积的工具。这些工具适于在涂覆过程中牢固地夹持透镜，且有助于透镜在涂覆位置(station)之间的传送。图4A-C中示出透镜支座400的第一实施例。图4A示出透镜支座和透镜的顶视平面图，图4B示出侧视平面图。图4C示出图4A沿截线A-A的侧视截面图。在该实施例中， 基座410用于支撑将要被涂覆的透镜200。如图所示，基座可以包括大体环形的结构。在透镜被置于基座上后，插入部分420可以插入在透镜的外沿之上以相对于基座保持透镜。如图所示，插入件可以限定环形的中心孔径，该中心孔径允许透镜的第一表面220与涂覆源涂覆连通(in coating communication)(即朝向涂覆源定位并大体暴露于涂覆源)。透镜支座500的第二备选实施例如图5A-B所示。图5A示出透镜支座和透镜的顶视平面图，而图5B示出侧视平面图。在该实施例中，提供基座510以为要涂覆的透镜200 提供支撑。如图所示，基座可以包括大体环形的结构。在该实施例中，弹簧夹持机构520用于保持透镜。在透镜置于基座上后，可以操作一个或多个紧固元件530(例如，螺丝)以使弹簧夹(spring clamp)紧固进而保持透镜。如图所示，弹簧夹限定了环形中心孔径，其允许透镜的第一表面220与涂覆环境涂覆连通。透镜支座600的第三备选实施例如图6A-C所示。图6A示出透镜支座和透镜的顶视平面图，图6B示出侧视平面图。图6C示出图6A沿截线A-A的侧视截面图。在本实施例中，透镜支座包括多件夹(multiple piece clamp) 610 (例如，三件夹)。该夹可被组装到透镜200的周围，且弹簧元件620可被用于保持夹中的透镜。当组装后，所述夹限定环形中心孔，其允许透镜200的第一表面220与涂覆环境涂覆连通。本发明的实施例还包括利用透镜支座沉积涂层，包括在此所述的任何透镜支座。 在这些实施例中，方法包括如下步骤在透镜支座中固定透镜，当透镜保持在透镜支座中时除覆透镜，以及将经涂覆的透镜从透镜支座中去除。例子
以下例子用于阐明本发明的实施例，而并不旨在对权利要求的范围构成限制。例1 透射经涂覆的透镜的实际和理论的透射值在各种波长处被确定。在该示例中，ZMe和 AMTIR-I透镜被装载在前面所描述的工具中，且使用电子束蒸发系统在130摄氏度下沉积一层锗。透镜被冷却至室温且被传送至RF磁控溅射系统，在室温条件下使用PECVD工艺将 DLC层沉积在锗膜之上。锗和DLC层的厚度被优化成在8. 0到12. 0微米范围内达到最高透射。对于这些例子，第一层的厚度为大约1.148微米，第二层的厚度为大约1.225微米。所有的测量均在室温下完成。图7是在7和14微米之间的透射值的图表。图7中的实线是理论值，虚线是测量值。如图所示，经涂覆的透镜从8. 0到12. 0微米具有大于86. 5%的透射值。图8示出在0. 5至14微米之间的透射率数据。注意图8中的实线在1. 064微米具有可忽略的透射，而虚线在1. 064微米具有高透射。例2 耐久性测试例1中的和AMTIR-I的经涂覆的样品的耐久性。样品经受按照 MILPRF-13830进行的盐溶性、严重磨损、24小时湿度和粘附测试，以及按照RSRE规范TS 1888，5. 4. 3节进行的风挡刮水器测试，如下所述。盐溶性按照MIL-PRF-13830，C. 4. 5. 7测试样品的盐溶性。样品通过了盐溶性测试。湿度按照MIL-PRF-13830，C. 4. 5. 8对样品进行湿度测试。样品通过了该测试。盐喷雾/雾按照MIL-PRF-13830，C. 4. 5. 9评估样品的抗盐喷雾/雾性，除了使用ASTM-G85， 附件4酸化盐雾暴露48小时以外。样品通过了该测试，且没有劣化(例如剥落、起皮、破裂以及起泡)的证据。严重磨损按照MIL-PRF-13830，C. 4. 5. 10，对样品进行了严重磨损测试。样品通过了该测试， 当如C. 4. 5. 10中所规定的那样采用涂层、橡皮擦耐磨试验机研磨时，经涂覆的表面没有可见的损伤。粘附性样品也被按照MIL-PRF-13830，C. 4. 5. 12进行了粘附性测试。该测试要求当玻璃纸带被压在经涂覆的表面上并缓慢移动时涂层不显示移动的迹象。样品通过了该测试。风挡刮水器测试样品还按照RSRE规范TS1888，5. 4. 3节进行了风挡刮水器测试。该测试要求当暴露于5000转的刮水器叶片在40克的负载下时，涂层的任何部分都没有去除的迹象，所述负载使用的沙子和水的混合物满足在10毫升水中有1立方厘米的DEF STAN07-55, C类沙 (或其等同物)。样品通过了该测试。虽然已经描述了本发明的实施例，但应当理解的是在不背离本发明的精神和所附的权利要求的范围的前提下可以进行各种改变、修改和变形。
权利要求
1.一种用于顶成像设备的透镜，包括透镜，该透镜由非锗材料制成，当所述透镜定位在顶成像设备中时该透镜具有面向周围环境的第一表面；以及由透镜承载的涂层，从所述第一表面向外移动，所述涂层包括 沉积在所述第一表面之上的第一层；以及沉积在所述第一层之上的第二层，该第二层能够粘附于所述第一层且基本上不能粘附于所述透镜的所述非锗材料。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中所述透镜包括&ι%、ZnS或硫属化物。
3.根据权利要求1所述的透镜，其中所述透镜实质上由a^e、ZnS、或硫属化物构成。
4.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层包含14族元素。
5.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层实质上由14族元素或14族元素的化合物构成。
6.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层由14族元素或14族元素的化合物构成。
7.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层包含14族元素且基本上不包含磷酸硼。
8.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层包含锗。
9.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层实质上由锗构成。
10.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层由锗构成。
11.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层包含锗且基本上不包含磷酸硼。
12.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层附着到所述透镜，且所述第二层附着到所述第一层，所述涂层仅由所述第一层和所述第二层构成。
13.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层实质上由14族元素或14族元素的化合物构成且附着到所述透镜，所述第二层实质上由DLC层构成且附着到所述第一层，且所述涂层仅由所述第一层和所述第二层构成。
14.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层是同质的。
15.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层是多晶的。
16.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第一层的厚度在约1微米至约30微米之间。
17.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第二层包括DLC。
18.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第二层实质上由DLC构成。
19.根据权利要求1所述的透镜，其中所述第二层由DLC构成。
20.根据权利要求1所述的透镜，其中所述DLC层是同质的。
21.根据权利要求1所述的透镜，其中所述DLC层的厚度在约1微米至约15微米之间。
22.一种用于顶成像设备的透镜，包括透镜，该透镜由a^e、ZnS或硫属化物材料制成，当所述透镜定位在顶成像设备中时该透镜具有面向周围环境的第一表面；以及由所述透镜承载的涂层，从所述第一表面向外移动，所述涂层包括 沉积在所述第一表面之上的包含14族元素的第一层；以及沉积在所述第一层之上的包含类金刚石碳的第二层。
23. 一种涂覆用于顶成像设备的透镜的方法，包括以下步骤 提供由非锗材料制成的透镜，当所述透镜定位在IR成像设备中时该透镜具有面向周围环境的第一表面；将第一层沉积于所述第一表面之上；以及将第二层沉积于所述第一层之上，所述第二层粘附于所述第一层且基本上不能粘附于所述透镜的所述非锗材料。
全文摘要
本发明描述了一种用于IR成像设备的经涂覆的非锗透镜。涂层可具有第一层和第二层。第一层适于与非锗透镜很好地粘附且为第二层提供粘附良好的表面，第二层基本上不能粘附于非锗透镜。
文档编号G01J5/08GK102375232SQ20111027587
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月10日 优先权日2010年8月10日
发明者K·M·卡居里瓦拉 申请人:弗卢克公司