能够增强电荷耦合元件紫外响应能力的光学薄膜及制备

摘要

本发明提供了一种能够增强电荷耦合元件紫外响应能力的光学薄膜，包括：镀在电荷耦合元件的紫外接收面上的底部反射镜、镀在底部反射镜表面的荧光材料层、以及镀在荧光材料层表面的顶部反射镜，其中，顶部反射镜从荧光材料层向外依次由九层高折射率材料层和八层低折射率材料层交替重叠构成，底部反射镜依次由六层高折射率材料层和五层低折射率材料层交替重叠组成。本发明还提供了该光学薄膜的制备方法。本发明所提供的光学薄膜能够增强CCD的紫外响应能力，并且能够消弱荧光材料层的自吸收，增加荧光材料层的发光效率和CCD接收的有效发光能量，且该光学薄膜的制备方法较为简单，成本较低，易于实现批量生产，适合工业应用。

说明书

技术领域

发明涉及一种能够增强电荷耦合元件紫外响应能力的光学薄膜及其制备方法。

背景技术

电荷耦合元件(Charge-coupled Device)简称CCD。CCD因环境适应能力极强、性能稳定可靠、且具有极高的分辨率而广泛应用于太空观测、刑侦检测等多个领域。但传统的CCD由于在400nm以下波长的量子效率过低，从而导致探测的光谱范围无法延伸至紫外波段，因此常需采用一定的紫外增强技术来增强CCD的紫外响应能力。

常用的增强CCD紫外响应能力的技术为镀膜法。镀膜法是在电荷耦合元件表面上附着一层荧光物质，如路马进(Lumogen)，形成荧光薄膜，在紫外光照射下可以发出普通CCD容易响应的525nm波段的可见光。此种方法虽然一定程度上提高了荧光物质的发光效率，但由于荧光薄膜层的自吸收限制了荧光物质的发光效率和CCD接收的有效发光能量，使光谱信号减弱，从而导致系统分辨率降低，成像效果较差。另外，荧光薄膜制备过程繁琐，还需掺杂的价格昂贵的其他材料。

发明内容

本发明的的目的是提供一种能够增强电荷耦合元件紫外响应能力的光学薄膜以及该光学薄膜的制备方法，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种能够增强电荷耦合元件紫外响应能力的光学薄膜，其特征在于，包括：

镀在电荷耦合元件的紫外接收面上的底部反射镜、镀在底部反射镜表面的荧光材料层、以及镀在荧光材料层表面的顶部反射镜。

其中，顶部反射镜从荧光材料层向外依次包括厚度为59.0nm±5nm的高折射率材料层、厚度为88.3nm±5nm的低折射率材料层、厚度为62.4nm±5nm的高折射率材料层、厚度为90.9nm±5nm的低折射率材料层、厚度为62.1nm±5nm的高折射率材料层、厚度为91.2nm±5nm的低折射率材料层、厚度为63.3nm±5nm的高折射率材料层、厚度为91.4nm±5nm的低折射率材料层、厚度为63.1nm±5nm的高折射率材料层、厚度为93.3nm±5nm的低折射率材料层、厚度为62.6nm±5nm的高折射率材料层、厚度为92.2nm±5nm的低折射率材料层、厚度为64.4nm±5nm的高折射率材料层、厚度为86.2nm±5nm的低折射率材料层、厚度为38.2nm±5nm的高折射率材料层、厚度为15.0nm±5nm的低折射率材料层、以及厚度为9.3nm±5nm的高折射率材料层。

底部反射镜依次由六层高折射率材料层和五层低折射率材料层交替重叠组成，该高折射率材料层的厚度均为61.7nm±5nm，该低折射率材料层的厚度均为88.7nm±5nm。

高折射率材料层由高折射率材料制成，低折射率材料层由低折射率材料制成，荧光材料层由荧光材料制成，厚度为120nm～180nm之间的任意数值。

本发明的技术方案的进一步特征在于：顶部反射镜从荧光材料层向外依次由厚度为59.0nm的高折射率材料层、厚度为88.3nm的低折射率材料层、厚度为62.4nm的高折射率材料层、厚度为90.9nm的低折射率材料层、厚度为62.1nm的高折射率材料层、厚度为91.2nm的低折射率材料层、厚度为63.3nm的高折射率材料层、厚度为91.4nm的低折射率材料层、厚度为63.1nm的高折射率材料层、厚度为93.3nm的低折射率材料层、厚度为62.6nm的高折射率材料层、厚度为92.2nm的低折射率材料层、厚度为64.4nm的高折射率材料层、厚度为86.2nm的低折射率材料层、厚度为38.2nm的高折射率材料层、厚度为15.0nm的低折射率材料层、以及厚度为9.3nm的高折射率材料层构成，

底部反射镜从电荷耦合元件表面向外依次由高折射率材料层、低折射率材料层、高折射率材料层、低折射率材料层、高折射率材料层、低折射率材料层、高折射率材料层、低折射率材料层、高折射率材料层、低折射率材料层、以及高折射率材料层构成，该高折射率材料层的厚度均为61.7nm，低折射率材料层的厚度均为88.7nm。

本发明的技术方案的进一步特征在于：荧光材料层的厚度为140nm。

本发明的技术方案的进一步特征在于：高折射率材料为二氧化铪或二氧化锆，低折射率材料为氟化镁或二氧化硅。

本发明的技术方案的进一步特征在于：荧光材料为路马进或晕苯中的任意一种或二者的混合物。

并且，本发明还提供了上述光学薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：取电荷耦合元件，在不小于1*10E-3pa真空度的镀膜机内，镀膜机内设有两个以电子束为蒸发源的电子枪，将高折射率材料和低折射率材料分别放置于两个蒸发源内，在一定温度下，在电荷耦合元件的紫外光接受面上交替镀制高折射率材料和低折射率材料，镀制完毕后冷却，得到镀有底部反射镜的中间体一，一定温度为150℃～230℃之间的任意数值；

步骤二：取荧光材料均匀的放置在热钨舟之中，在不小于1*10E-3pa真空度、特定温度下，向中间体一的底部反射镜的表面镀上荧光材料，镀制完毕后冷却，得到镀有荧光材料层的中间体二，该特定温度为60～80℃之间的任意数值；

步骤三：取中间体二，在不小于1*10E-3pa真空度的镀膜机内、在特定温度下，在荧光材料层的镀上交替镀制高折射率材料和低折射率材料，镀制完毕后冷却，在电荷耦合元件的表面形成能够增强电荷耦合元件紫外响应能力的光学薄膜，该特定温度为60～80℃之间的任意数值。

上述制备方法的进一步技术特征在于：步骤一中的一定温度为200℃，步骤二中的特定温度为60℃，步骤三中的特定温度为60℃。

发明的作用与效果

根据本发明所提供的增强电荷耦合元件紫外响应能力的光学薄膜，由于荧光材料层两侧分别镀有底部反射镜和顶部反射镜，且底部反射镜和顶部反射镜均有一定厚度的高折射率材料层和低折射率材料层交替重叠构成，因此，可以改变光子态密度，进而对荧光材料自发辐射速率有增强作用，从而达到增强紫外响应能力的目的。

另外，底部反射镜、荧光材料层以及顶部反射镜构成的微腔结构具有谐振腔特性，从而能够控制发射波长对荧光材料的诱导作用，从而消弱荧光材料层的自吸收，增加荧光材料层的发光效率和CCD接收的有效发光能量，使得电荷耦合元件对紫外信号的探测器能力和灵敏度得到极大提高。

另外，本发明所提供的光学薄膜的制备方法较为简单，成本较低，易于实现批量生产，适合工业应用。

附图说明

图1为本发明所涉及的光学薄膜在实施例中的结构示意图；

图2为本发明所涉及的光学薄膜在实施例中的详细结构图；以及

图3为实施例中单层光学薄膜与本发明的光学薄膜的发射光谱示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所涉及的能够增强电荷耦合元件紫外响应能力的光学薄膜及其制备方法做进一步的描述。

<实施例>

图1为本发明所涉及的光学薄膜在实施例中的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的光学薄膜10包括镀在电荷耦合元件11的紫外接收面上的底部反射镜12、镀在底部反射镜12表面的荧光材料层13、以及镀在荧光材料层13表面的顶部反射镜14。

图2为本发明所涉及的光学薄膜在实施例中的详细结构图。

如图2所示，底部反射镜12从电荷耦合元件11表面向外依次由高折射率材料层、低折射率材料层、高折射率材料层、低折射率材料层、高折射率材料层、低折射率材料层、高折射率材料层、低折射率材料层、高折射率材料层、低折射率材料层、以及高折射率材料层构成，其中高折射率材料层的厚度均为61.7nm，低折射率材料层的厚度均为88.7nm，在图2中，高折射率材料层用黑色表示，低折射率材料层用白色表示。

荧光材料层13的厚度为140nm。

顶部反射镜14从荧光材料层13向外依次由厚度为59.0nm的高折射率材料层、厚度为88.3nm的低折射率材料层、厚度为62.4nm的高折射率材料层、厚度为90.9nm的低折射率材料层、厚度为62.1nm的高折射率材料层、厚度为91.2nm的低折射率材料层、厚度为63.3nm的高折射率材料层、厚度为91.4nm的低折射率材料层、厚度为63.1nm的高折射率材料层、厚度为93.3nm的低折射率材料层、厚度为62.6nm的高折射率材料层、厚度为92.2nm的低折射率材料层、厚度为64.4nm的高折射率材料层、厚度为86.2nm的低折射率材料层、厚度为38.2nm的高折射率材料层、厚度为15.0nm的低折射率材料层、以及厚度为9.3nm的高折射率材料层构成。在图2中，高折射率材料层用黑色表示，低折射率材料层用白色表示。

在本实施例中，高折射率材料层由二氧化锆制成，低折射率材料层由二氧化硅制成，荧光材料层由路马进制成。

本实施例所提供的光学薄膜的制备方法包括以下步骤：

步骤一：取电荷耦合元件，采用optorun公司制造的全自动镀膜机进行镀膜，真空室内有两个以电子束为蒸发源的电子枪，分别将二氧化锆和二氧化硅放置于两个蒸发源内，在200℃条件下，按照底部反射镜12设计的层数与每层的厚度控制两个蒸发源交替进行镀制，即首先利用放置二氧化锆的蒸发源镀制第一层，按设计厚度(61.7nm)镀制完毕后关闭，再利用放置二氧化硅的蒸发源镀制第二层，以此类推。其中二氧化锆的蒸发速率为0.3nm/s，二氧化硅的蒸发速率为1nm/s，两种材料镀制的时候向室内充氧将压强控制在1.2*10-3pa到1.5*10-3pa范围内，采用光学监控方式监控各层膜厚，直到整个底部反射镜12镀制完毕，等待真空室冷却到100℃以下，打开舱门，得到镀有底部反射镜12的中间体一。

步骤二：将路马进均匀放置在热钨舟中，采用向热钨舟的两端加-7000V的高压对路马进进行蒸镀，在1*10E-3pa真空度下，真空室温控制在60℃，镀制过程中不充氧气，蒸发速率控制在2nm/s，采用晶振控制方法监控膜厚，达到设计厚度(140nm)后关闭蒸发源，待真空室温度冷却到100℃以下，打开舱门，得到镀有荧光材料层13的中间体二。

步骤三：取中间体二，在不小于1*10E-3pa真空度的镀膜机内、在60℃条件下，在荧光材料层13的镀上交替镀制二氧化锆和二氧化硅，镀制完毕后冷却，

得到镀有本实施例所提供的光学薄膜10的CCD。

图3为实施例中单层光学薄膜与本发明的光学薄膜的发射光谱示意图。

对上述获得的光学薄膜进行荧光效率测试：在230nm的激发波长下，对比在CCD表面镀有单层路马进的光学薄膜和本实施例制备的光学薄膜的发射光谱，结果如图3所示，由图3可知，本实施例制备的光学薄膜对路马进的发光效率显著提高。

实施例的作用与效果

根据本实施例所提供的增强电荷耦合元件紫外响应能力的光学薄膜，由于荧光材料层两侧分别镀有底部反射镜和顶部反射镜，且底部反射镜和顶部反射镜均有一定厚度的高折射率材料层和低折射率材料层交替重叠构成，因此，可以改变光子态密度，进而对荧光材料在525nm处自发辐射速率有增强作用，从而达到增强紫外响应能力的目的。

另外，底部反射镜、荧光材料层以及顶部反射镜构成的微腔结构具有谐振腔特性，从而能够控制发射波长对荧光材料的诱导作用，从而消弱荧光材料层的自吸收，增加荧光材料层的发光效率和CCD接收的有效发光能量，使得电荷耦合元件对紫外信号的探测器能力和灵敏度得到极大提高。

另外，本实施例所提供的光学薄膜的制备方法较为简单，成本较低，易于实现批量生产，适合工业应用。

当然，本发明所涉及的能够增强电荷耦合元件紫外响应能力的光学薄膜及其制备并不仅仅限定于上述实施例中的内容。以上内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。

另外，本发明所涉及的每一层高折射率材料层和低折射率材料层的厚度与实施例中的厚度相比，可以有±5nm的误差。

另外，上述实施例中荧光材料层的厚度为140nm，本发明所涉及的荧光材料层的厚度可以选自120nm～180nm之间的任意数值。

另外，上述实施例中，高折射率材料层由二氧化锆制成，低折射率材料层由二氧化硅制成，荧光材料层由路马进制成，本发明所涉及的高折射率材料层还可以由二氧化铪制成，低折射率材料层还可以由氟化镁制成，荧光材料层还可以由晕苯或晕苯与路马进的混合物制成。

另外，上述实施例所涉及的所述光学薄膜的制备方法中，步骤一中的一定温度为200℃，步骤二中的特定温度为60℃，步骤三中的特定温度为60℃，本发明的技术方案，步骤一中的一定温度可以为150℃～230℃中的任意数值，步骤二中的特定温度可以为60～80℃之间的任意数值，步骤三中的特定温度可以为60～80℃之间的任意数值。