專利名稱：具有經(jīng)涂覆的光學(xué)透鏡的紅外成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于紅外成像設(shè)備的經(jīng)涂覆的光學(xué)透鏡。
背景技術(shù)：
包含電氣和/或機械設(shè)備和結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的熱圖像可以用于監(jiān)控和/或分析其性能。這種系統(tǒng)對于設(shè)計、開發(fā)以及在操作服務(wù)期間(例如出于檢查和維護的目的)是有用的。熱和紅外圖像可以被紅外(IR)成像系統(tǒng)(例如具有光學(xué)透鏡的頂相機)捕獲和顯示。鍺透鏡在頂相機中廣泛使用。這些透鏡包括接近100%的多晶或結(jié)晶鍺，具有量可以忽略的鍺氧化物、氮化物或其他鍺化合物。透鏡的暴露表面通常涂覆有類金剛石碳膜以保護透鏡免受惡劣環(huán)境的影響，例如高吹沙、下雨、以及鹽水，并且用作抗反涂層。不幸的是，雖然鍺透鏡在低溫時具有好的透射特性，但在較高溫時由于吸收系數(shù)的增加使其透射下降并且在頂波段的光學(xué)性能開始退化。透射在大約57攝氏度時開始明顯的劣化，在大約200攝氏度時開始迅速衰減。鍺的折射率同樣非常依賴于溫度，僅僅幾度的溫度變化就會使透鏡散焦。因此，使用用于透鏡的暴露表面的替代材料來代替鍺透鏡。這些材料包括硒化鋅 (a^e)、硫化鋅(ZnS)以及硫?qū)倩?例如AMTIR-I，AMTIR-3，AMTIR-4，AMTIR-I和優(yōu)美科公司的GASIR)。雖然由這些材料中的一些制成的透鏡沒有與鍺材料相關(guān)的不透明和色散問題，但是例如DLC之類的保護涂層卻無法與這些材料很好地粘附。對于大體不能粘附，申請人指的是涂層不能通過MIL-PRF-13830，C. 4. 5. 12所規(guī)定的粘附測試，從而當玻璃紙帶被壓到經(jīng)涂覆的表面并被緩慢去除時所述涂層有被去除的跡象。其他的涂層已經(jīng)研發(fā)以粘附到這些替代的透鏡材料，包括包含磷酸硼的保護涂層。但是，磷酸硼自身明顯的減弱了經(jīng)涂覆的透鏡的透射值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供了一種涂覆有保護涂層和/或AR涂層的非鍺透鏡，以及提供該涂層的工藝與設(shè)備。對于“非鍺透鏡”，申請人所指的是不由接近100%的多晶或結(jié)晶鍺構(gòu)成并包含多于可忽略的量的其他元素，或鍺氧化物、氮化物或其他鍺化合物。非鍺透鏡的例子包括硒化鋅、硫化鋅以及硫?qū)倩铩Ｔ谝恍嵤├?，非鍺透鏡具有涂層，該涂層具有第一層和位于第一層上的第二層。第一層適于與非鍺透鏡很好地粘附并向第二層提供良好的粘附表面，第二層自身大體不能與非鍺透鏡材料粘附。因此，本發(fā)明的實施例允許非鍺透鏡涂覆有不會很好直接粘附到非鍺透鏡的保護涂層和AR涂層。因而，本發(fā)明的實施例允許在透鏡上使用所需涂層，所述透鏡可以在相對高的溫度下使用而沒有顯著的透射率劣化并且可用于被絕熱的紅外成像設(shè)備。在一些實施例中，第一層包括14族元素(正如目前國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會 (IUPAC)表示法所標定的)和/或它們的化合物(例如氮化硅)且第二層包括類金剛石碳 (DLC)。所述元素與非鍺光學(xué)玻璃透鏡很好地粘附，所述透鏡包括，基本或全部由硒化鋅、硫化鋅或一種或多種硫?qū)倩?例如，AMTIR-I，AMTIR-3，AMTIR-4, AMTIR-5，和/或優(yōu)美科公司的GASIR)構(gòu)成。進一步，上述元素也為第二層(例如，DLC層)提供了良好的粘附層。


圖1提供了根據(jù)本發(fā)明實施例的示例性圖像形成系統(tǒng)的示意圖。
圖2提供了根據(jù)本發(fā)明實施例的經(jīng)涂覆的透鏡的頂視平面圖。
圖3提供了圖2的截線A-A的截面圖。
圖4A提供了根據(jù)本發(fā)明實施例的透鏡支座的頂視平面圖。
圖4B提供了圖4A的透鏡支座的側(cè)視平面圖。
圖4C提供了圖4A的截線A-A的截面圖。
圖5A提供了根據(jù)本發(fā)明實施例的備選換透鏡支座的頂視平面圖。
圖5B提供了圖5A所示的透鏡支座的側(cè)視平面圖。
圖6A提供了根據(jù)本發(fā)明實施例的另一備選透鏡支座的頂視平面圖。
圖6B提供了圖6A的透鏡支座的側(cè)視平面圖。
圖6C提供了圖6A的截線A-A的截面圖。
圖7是經(jīng)涂覆的透鏡的例子在多個波長處的實驗和理論透射值的例子的圖表。
圖8是經(jīng)涂覆的透鏡的例子在多個波長處的實驗和理論透射值的附加例的圖表。
具體實施例方式圖1是根據(jù)本發(fā)明的圖像形成系統(tǒng)100的一個示例性實施例的簡化方框圖。所示的示例性系統(tǒng)100包括透鏡系統(tǒng)110、檢測器120、信號處理單元125以及顯示單元130。 入射到透鏡系統(tǒng)110上的準直光105可被檢測器120探測。通常，檢測器120將入射到其上的光轉(zhuǎn)化為電脈沖。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說多種檢測器構(gòu)造是已知的。在一個實施例中，例如，檢測器120可以構(gòu)造成微輻射熱測量計。由檢測器120提供的電脈沖可以耦合到信號處理單元125。在已知的方式中，信號處理單元125可以將電脈沖轉(zhuǎn)化為表示物體圖像的數(shù)據(jù)，所述物體產(chǎn)生或反射由透鏡110 接收到的光。所述數(shù)據(jù)可以耦合到顯示圖像的顯示單元。所述系統(tǒng)可以被構(gòu)造成對各種波長進行成像。在一些實施例中，所述系統(tǒng)被構(gòu)造成對在近波或短波頂?shù)牟ㄩL(如這里所使用的，該波段大約為0.9到2.5微米)進行成像。 在其他實施例中，該系統(tǒng)被構(gòu)造成對中波^(MWIR)進行成像。進一步的實施例被構(gòu)造成對遠波^(LWIR)進行成像。這里所提到的“MWIR”波段或光譜指的是從約3微米到約5微米的波長，“UWR”波段或光譜指的是從約7微米到約14微米的波長。在其他實施例中，所述系統(tǒng)被構(gòu)造成同時將MWR和UWR波段的光成像到共同的聚焦平面上。在一些實施例中，透鏡系統(tǒng)110包括如圖2所示的透鏡200。所述透鏡200可以被提供有涂層210從而使其具備更好的特性，例如增強的耐久性和/或抗反射特性。這些特性增強了在環(huán)境中系統(tǒng)的性能。在特定實施例中，透鏡由非鍺材料制成，并且當透鏡置于頂成像設(shè)備中時該透鏡具有面向周圍環(huán)境的第一表面220。在一些實施例中，基底材料包括，基本上或全部由硒化鋅(ZnSe)光學(xué)玻璃、硫化鋅( 和/或硫?qū)倩锊Ａ?例如， AMTIR-I (Ge33As12Se55)，AMTIR-3, AMTIR-4, AMTIR-5 和 / 或優(yōu)美科公司的 GASIR)構(gòu)成。值得注意的是，一些硫?qū)倩锇ㄦN化合物，且這些材料同上述的鍺透鏡的性能基本上不同。 根據(jù)本發(fā)明該透鏡可以設(shè)置成任意形狀和厚度。在一些實施例中，所述透鏡包括大體圓形的形狀以及約Imm至約15mm的厚度(例如，約2mm到約IOmm)。涂層210可以被提供在透鏡200的第一表面220。在所述實施例中，當透鏡被置于成像系統(tǒng)中時所述涂層將暴露于周邊環(huán)境。在一些實施例中，所述涂層包括層堆疊，從第一表面向外移動，其包括第一層230和第二層M0。該實施例如圖3所示。第一層和第二層可以包括被選擇用于為透鏡提供有益特性且與透鏡粘附良好的材料。在一些實施例中，第一和第二層中的一者或兩者是同質(zhì)的(homogonous)。在一些實施例中，涂層包括適于與透鏡良好粘附且提供第二層能夠與之粘附的表面的第一層。在一些實施例中，第一層包括14族元素(正如目前IUPAC表示法所標定的， 碳、硅、鍺、錫、以及鉛)和/或它們的化合物(包括氧化物、氮化物、以及氮氧化物)。在其他實施例中，第一層基本上由14族元素或14族元素的化合物構(gòu)成。在另一些實施例中，第一層由14族元素或14族元素的化合物構(gòu)成。進一步地，在本發(fā)明的一些實施例中，第一層包含14族元素且基本上不含磷酸硼。第一層的實施例通常與非鍺材料很好地粘附并提供表面使得第二層能夠粘附而不會在高溫下經(jīng)歷透射劣化。在一些實施例中，第一層包括鍺。在另一些實施例中，第一層基本上由鍺或者鍺化合物構(gòu)成。在又一實施例中，第一層由鍺或者鍺的化合物構(gòu)成。在本發(fā)明的一些實施例中， 第一層包括鍺并且大體上不含(例如完全不含)磷酸硼。第一層可以被設(shè)定為任意期望的厚度。通常，第一層的厚度足以覆蓋透鏡的第一表面，同時為第二層提供堅固的沉積位置。進一步地，第一層可被設(shè)定為一厚度使得可以忽略任何溫度相關(guān)的透射變化，甚至高溫下。例如，當?shù)谝粚影ㄦN，鍺層可以被設(shè)定為一厚度從而使得在高溫下增加的不透明度可以被忽略。在一些實施例中，第一層具有約1.0微米到約30. 0微米之間的厚度(例如，大約1. 5微米到12微米)。第一層也可以設(shè)有任意所需的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，第一層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)不被控制，且它以多晶結(jié)構(gòu)沉積。第二層可包括任何能夠為透鏡賦予期望特性的材料，例如加強的耐久性和/或抗反射特性。在一些實施例中，第二層是耐久層，適于保護透鏡使其甚至在高溫下也能免受外界環(huán)境影響。在其他實施例中，第二層是適于減小透鏡反射率的抗反射層。在一些實施例中，單個耐久且抗反射的第二層被提供。在特定實施例中，第一層附著到透鏡上，第二層附著到第一層上。進一步地，在一些實施例中，涂層僅由第一層和第二層構(gòu)成，從而在第一層和透鏡之間沒有其他層，在第一層和第二層之間沒有其他層，在第二層之外也沒有其他層。在一些實施例中，第二層包括，基本上或全部由類金剛石碳(DLC)(例如同質(zhì)的 DLC層)構(gòu)成。該第二層用于為涂層提供抗反射性和耐久性，且與上述的第一層很好地粘附。在特定實施例中，第一層(例如，包含14族元素)附著到透鏡，且DLC層附著到第一層。 進一步地，在某些實施例中，涂層僅由第一層和DLC層構(gòu)成，從而在第一層和透鏡之間沒有其他層，在第一層和DLC層之間沒有其他層，在DLC層之外也沒有其他層。第二層可以被設(shè)定為任意期望的厚度。通常，第二層的厚度足以覆蓋涂層的第一層并提供期望的特性(例如，耐久性和/或抗反射性)。在一些實施例中，第二層具有約1.0 至約15. 0微米的厚度(例如約1. 5至約10微米)。
因此，本發(fā)明的實施例允許耐久性和將AR涂層設(shè)置在大范圍溫度變化下(例如，巧4攝氏度至+90攝氏度)可操作而沒有透射率或圖像質(zhì)量劣化的高透射透鏡上。在一些實施例中，該系統(tǒng)在高于約100攝氏度的溫度下可操作且沒有顯著的透射率劣化。在其他實施例中，系統(tǒng)在大于約150攝氏度的溫度下可操作且沒有顯著的透射率或圖像質(zhì)量下降。本發(fā)明的實施例也包括在相對高溫和大的溫度變化下配置和使用任何在此所述的系統(tǒng)的方法。本發(fā)明的實施例也包括沉積任意所述涂層的方法。在一些實施例中，該方法包括提供透鏡、為透鏡涂覆第一層、以及為透鏡涂覆第二層以提供經(jīng)涂覆的透鏡的步驟。涂層的第一層和第二層可以通過任意合適的方法沉積。在一些實施例中，第一和 /或第二層通過濺射沉積(例如，磁控濺射)、離子輔助沉積(IAD)(例如，離子輔助蒸發(fā)沉積，IAED)、化學(xué)氣相沉積(例如，等離子體增強化學(xué)氣相沉積，PECVD)以及上述的組合。這些涂覆方法對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說易于理解。在一些實施例中，第一層通過來自130攝氏度的電子束槍，或來自室溫下具有離子輔助沉積的電子束槍，或DC磁控濺射的蒸發(fā)來沉積。在一些實施例中，第二層通過PECVD 沉積。第二層可以在室溫下沉積在第一層之上。為了在感興趣的光譜區(qū)域透射，涂層的厚度可以被優(yōu)化。本發(fā)明的實施例也包括適于促進透鏡上涂層沉積的工具。這些工具適于在涂覆過程中牢固地夾持透鏡，且有助于透鏡在涂覆位置(station)之間的傳送。圖4A-C中示出透鏡支座400的第一實施例。圖4A示出透鏡支座和透鏡的頂視平面圖，圖4B示出側(cè)視平面圖。圖4C示出圖4A沿截線A-A的側(cè)視截面圖。在該實施例中， 基座410用于支撐將要被涂覆的透鏡200。如圖所示，基座可以包括大體環(huán)形的結(jié)構(gòu)。在透鏡被置于基座上后，插入部分420可以插入在透鏡的外沿之上以相對于基座保持透鏡。如圖所示，插入件可以限定環(huán)形的中心孔徑，該中心孔徑允許透鏡的第一表面220與涂覆源涂覆連通(in coating communication)(即朝向涂覆源定位并大體暴露于涂覆源)。透鏡支座500的第二備選實施例如圖5A-B所示。圖5A示出透鏡支座和透鏡的頂視平面圖，而圖5B示出側(cè)視平面圖。在該實施例中，提供基座510以為要涂覆的透鏡200 提供支撐。如圖所示，基座可以包括大體環(huán)形的結(jié)構(gòu)。在該實施例中，彈簧夾持機構(gòu)520用于保持透鏡。在透鏡置于基座上后，可以操作一個或多個緊固元件530(例如，螺絲)以使彈簧夾(spring clamp)緊固進而保持透鏡。如圖所示，彈簧夾限定了環(huán)形中心孔徑，其允許透鏡的第一表面220與涂覆環(huán)境涂覆連通。透鏡支座600的第三備選實施例如圖6A-C所示。圖6A示出透鏡支座和透鏡的頂視平面圖，圖6B示出側(cè)視平面圖。圖6C示出圖6A沿截線A-A的側(cè)視截面圖。在本實施例中，透鏡支座包括多件夾(multiple piece clamp) 610 (例如，三件夾)。該夾可被組裝到透鏡200的周圍，且彈簧元件620可被用于保持夾中的透鏡。當組裝后，所述夾限定環(huán)形中心孔，其允許透鏡200的第一表面220與涂覆環(huán)境涂覆連通。本發(fā)明的實施例還包括利用透鏡支座沉積涂層，包括在此所述的任何透鏡支座。 在這些實施例中，方法包括如下步驟在透鏡支座中固定透鏡，當透鏡保持在透鏡支座中時除覆透鏡，以及將經(jīng)涂覆的透鏡從透鏡支座中去除。例子
以下例子用于闡明本發(fā)明的實施例，而并不旨在對權(quán)利要求的范圍構(gòu)成限制。例1 透射經(jīng)涂覆的透鏡的實際和理論的透射值在各種波長處被確定。在該示例中，ZMe和 AMTIR-I透鏡被裝載在前面所描述的工具中，且使用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)在130攝氏度下沉積一層鍺。透鏡被冷卻至室溫且被傳送至RF磁控濺射系統(tǒng)，在室溫條件下使用PECVD工藝將 DLC層沉積在鍺膜之上。鍺和DLC層的厚度被優(yōu)化成在8. 0到12. 0微米范圍內(nèi)達到最高透射。對于這些例子，第一層的厚度為大約1.148微米，第二層的厚度為大約1.225微米。所有的測量均在室溫下完成。圖7是在7和14微米之間的透射值的圖表。圖7中的實線是理論值，虛線是測量值。如圖所示，經(jīng)涂覆的透鏡從8. 0到12. 0微米具有大于86. 5%的透射值。圖8示出在0. 5至14微米之間的透射率數(shù)據(jù)。注意圖8中的實線在1. 064微米具有可忽略的透射，而虛線在1. 064微米具有高透射。例2 耐久性測試例1中的和AMTIR-I的經(jīng)涂覆的樣品的耐久性。樣品經(jīng)受按照 MILPRF-13830進行的鹽溶性、嚴重磨損、24小時濕度和粘附測試，以及按照RSRE規(guī)范TS 1888，5. 4. 3節(jié)進行的風擋刮水器測試，如下所述。鹽溶性按照MIL-PRF-13830，C. 4. 5. 7測試樣品的鹽溶性。樣品通過了鹽溶性測試。濕度按照MIL-PRF-13830，C. 4. 5. 8對樣品進行濕度測試。樣品通過了該測試。鹽噴霧/霧按照MIL-PRF-13830，C. 4. 5. 9評估樣品的抗鹽噴霧/霧性，除了使用ASTM-G85， 附件4酸化鹽霧暴露48小時以外。樣品通過了該測試，且沒有劣化(例如剝落、起皮、破裂以及起泡)的證據(jù)。嚴重磨損按照MIL-PRF-13830，C. 4. 5. 10，對樣品進行了嚴重磨損測試。樣品通過了該測試， 當如C. 4. 5. 10中所規(guī)定的那樣采用涂層、橡皮擦耐磨試驗機研磨時，經(jīng)涂覆的表面沒有可見的損傷。粘附性樣品也被按照MIL-PRF-13830，C. 4. 5. 12進行了粘附性測試。該測試要求當玻璃紙帶被壓在經(jīng)涂覆的表面上并緩慢移動時涂層不顯示移動的跡象。樣品通過了該測試。風擋刮水器測試樣品還按照RSRE規(guī)范TS1888，5. 4. 3節(jié)進行了風擋刮水器測試。該測試要求當暴露于5000轉(zhuǎn)的刮水器葉片在40克的負載下時，涂層的任何部分都沒有去除的跡象，所述負載使用的沙子和水的混合物滿足在10毫升水中有1立方厘米的DEF STAN07-55, C類沙 (或其等同物)。樣品通過了該測試。雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的實施例，但應(yīng)當理解的是在不背離本發(fā)明的精神和所附的權(quán)利要求的范圍的前提下可以進行各種改變、修改和變形。
權(quán)利要求
1.一種用于頂成像設(shè)備的透鏡，包括透鏡，該透鏡由非鍺材料制成，當所述透鏡定位在頂成像設(shè)備中時該透鏡具有面向周圍環(huán)境的第一表面；以及由透鏡承載的涂層，從所述第一表面向外移動，所述涂層包括 沉積在所述第一表面之上的第一層；以及沉積在所述第一層之上的第二層，該第二層能夠粘附于所述第一層且基本上不能粘附于所述透鏡的所述非鍺材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡包括&ι%、ZnS或硫?qū)倩铩?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述透鏡實質(zhì)上由a^e、ZnS、或硫?qū)倩飿?gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層包含14族元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層實質(zhì)上由14族元素或14族元素的化合物構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層由14族元素或14族元素的化合物構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層包含14族元素且基本上不包含磷酸硼。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層包含鍺。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層實質(zhì)上由鍺構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層由鍺構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層包含鍺且基本上不包含磷酸硼。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層附著到所述透鏡，且所述第二層附著到所述第一層，所述涂層僅由所述第一層和所述第二層構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層實質(zhì)上由14族元素或14族元素的化合物構(gòu)成且附著到所述透鏡，所述第二層實質(zhì)上由DLC層構(gòu)成且附著到所述第一層，且所述涂層僅由所述第一層和所述第二層構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層是同質(zhì)的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層是多晶的。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第一層的厚度在約1微米至約30微米之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第二層包括DLC。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第二層實質(zhì)上由DLC構(gòu)成。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述第二層由DLC構(gòu)成。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述DLC層是同質(zhì)的。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡，其中所述DLC層的厚度在約1微米至約15微米之間。
22.一種用于頂成像設(shè)備的透鏡，包括透鏡，該透鏡由a^e、ZnS或硫?qū)倩锊牧现瞥桑斔鐾哥R定位在頂成像設(shè)備中時該透鏡具有面向周圍環(huán)境的第一表面；以及由所述透鏡承載的涂層，從所述第一表面向外移動，所述涂層包括 沉積在所述第一表面之上的包含14族元素的第一層；以及沉積在所述第一層之上的包含類金剛石碳的第二層。
23. 一種涂覆用于頂成像設(shè)備的透鏡的方法，包括以下步驟 提供由非鍺材料制成的透鏡，當所述透鏡定位在IR成像設(shè)備中時該透鏡具有面向周圍環(huán)境的第一表面；將第一層沉積于所述第一表面之上；以及將第二層沉積于所述第一層之上，所述第二層粘附于所述第一層且基本上不能粘附于所述透鏡的所述非鍺材料。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于IR成像設(shè)備的經(jīng)涂覆的非鍺透鏡。涂層可具有第一層和第二層。第一層適于與非鍺透鏡很好地粘附且為第二層提供粘附良好的表面，第二層基本上不能粘附于非鍺透鏡。
文檔編號G01J5/08GK102375232SQ20111027587
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者K·M·卡居里瓦拉 申請人:弗盧克公司