一种光学镜片防尘膜材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及光学镜片防尘膜，属于一种光学镜片防尘膜材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、光学零件通光面上的灰尘和其他脏污会严重影响光学零件成像品质。就像没有擦干净的眼镜片，只能得到模糊的影像。但是对于使用高能激光的光学零件来说，情况会更为严重，镜片通光面上的异物可能将激光中的部分能量作用在镜头上，导致镜头报废。

2、对于设备内部的镜头来说，由于不存在人或其他物体接触，通光面的污染主要来源于空气中飞散的灰尘。由于镜头本身是一种电绝缘材料，在镜头使用过程中，常常因各种原因，导致其表面有聚集的静电电荷。这些静电电荷会吸引附近的灰尘，导致通光面被污染。这些污染会导致设备内部的的光学信息和能量传递损耗，出现功能下降甚至设备损耗的后果。特别是对于聚合物零件来说，这个问题更加严重。因此将光学零件表面的静电电荷导出去除对于改善各类光学设备使用寿命和减轻维护难度具有重要意义。

3、目前对于光学零件消除静电的方式主要有两类：

4、1.使用电离设备，将空气部分电离成带电离子，这些带电离子可以被异性的静电荷吸引，并和静电荷发生中和反应以消除静电。这是一种通过带电空气中和的方式消除静电的方法，优点是除静电效率高，速度块。但是缺点也很明显，需要使用专用设备需要更多的能量和空间，成本较高，且只能消除外表面的静电。这种方法目前主要应用于在进行光学零件或光学仪器生产，清洁，测试，组装维修的时候。一般是在工厂或实验室等有较大空间的环境下进行，以防止在工作过程中发生灰尘吸附。

5、2.通过在材料表面制备一层透明导电材料，零件表面积累的静电电荷会被导入到导电层中，被传导到镜头的其他部分消散或者被其他部分的静电荷中和。这时一种被动的消除静电方式，可以在无需外接能源和密封的情况下持续工作。

6、但存在以下几个缺点：

7、1、透明导电层通常都会对光学零件的光学性能会造成一定影响，一般来说会存在2％-5％的吸收，这造成了零件的透过率指标下降，如果系统中零件较多，这种下降对系统影响还是比较大的。

8、2、对于有些高能量类的应用，如激光膜，这种程度的介面损耗下降是不可接受的。这会造成薄膜破裂，损坏光学零件。

9、3、透明导电膜一般使用氧化铟锡，这种材料价格较高，同时附加的镀膜过程也会带来相应的成本上升。

10、4、透明导电材料由于折射率较高，如果将导电膜放在光学零件最外层，就会影响零件表面增透膜的光学指标，因此透明导电膜一般会被放在增透膜和基板之间。由于增透膜本身是绝缘材料组成，因此当静电在增透膜外层累积的时候，由于增透膜的阻隔静电透过透明导电层消散的速度较慢。

11、如果使用可以低电阻的镀膜材料来制作光学零件表面的光学薄膜，那么就可以不必使用氧化铟锡一类的透明导电材料了，而且由于镀膜层在光学零件表面，直接接触外界空气，电荷更容易消散。

12、组成光学薄膜的材料通常分为两类，一个是氧化钛，氧化钽，氧化锆这一类的高折射材料。另一类是氟化镁，二氧化硅这一类的低折射率材料。在光学薄膜设计中，使用多层不同厚度，不同折射率材料进行组合搭配形成不同膜系，可以对光线的反射率和透过率进行控制，以达到增加透过，或者选择性透过反射等等效果。在各类光学薄膜应用中，以增透膜(ar)最为常见。制备光学薄膜的这类材料都是稳定物质，一般情况下电导率很低，无法起到导出静电的效果。虽然这些材料中有一部分在缺氧或高温的情况下也能导电，但是在电导率较高的情况下往往会产生很大的吸收，无法继续作为光学材料使用。因此使用这类镀膜材料制成光学薄膜的电导率一般在在107～109欧姆/cm2以上，基本上不能导电，无法导出零件表面积聚的静电荷并使之消散。

技术实现思路

1、本发明的目的提供一种光学镜片防尘膜材料及其制备方法和应用，以解决背景技术中的问题，本发明通过改变配方和工艺，使用不同元素掺杂配方，并结合合理的热处理工艺，制备了一种光学镜片防尘膜材料，这种材料在制备成ar薄膜后均能呈现较低电阻的特性。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种光学镜片防尘膜材料的制备方法，包括以下步骤：

4、s1：按重量组分计，将70-80％tio2、5-15％ti、0-10％三价金属氧化物、10-20％五价金属氧化物混合使用不大于0.5mm的筛子过筛，然后使用球磨机混合研磨4-6小时；

5、s2：将混合研磨后的粉体放入模具，使用液压机压制成材料块；

6、s3：将所述材料块使用造粒机破碎，并过筛，制成颗粒状材料；

7、s4：将所述颗粒状材料放入坩埚内，再将坩埚放入真空烧结炉内，进行高温处理，得到光学镜片防尘膜材料。

8、优选地，所述三价金属氧化物为bi2o3、ga2o3和in2o3中的一种。

9、优选地，所述五价金属氧化物为ta2o5和nb2o5中的一种。

10、优选地，步骤s4的具体过程为，将所述颗粒状材料放入石墨坩埚内，并将石墨坩埚放入真空烧结炉内；

11、将石墨遮挡环放入坩埚外，偏上部并固定，关上炉门，抽真空，待真空达到预设值，开始以10℃/min的速度将温度升高到900℃；再以3℃/min的速度将材料加热到约1400℃；待真空稳定后并以1℃/min的速率升温至1520℃后恒温，待反应完成后停止加热，自然冷却至室温，得到光学镜片防尘膜材料。

12、优选地，步骤s4的具体过程为，将所所述颗粒状材料放入钼坩埚内，振实后将坩埚放入真空熔炼炉内，

13、在所述钼坩埚外填充耐高温锆砂，盖住所述钼坩埚的上盖，并用锆砂将所述坩埚的上盖除观察窗外的位置完全覆盖，

14、关上炉门，抽真空，待真空达到预设值，开始以10℃/min的速度将温度升高到900℃；再以3℃/min的速度将材料加热到约1700℃；待真空稳定后并以1℃/min的速率升温至1820℃后恒温,待反应完成后即可停止加热，自然冷却至室温；得到光学镜片防尘膜材料。

15、优选地，步骤s1的配方组分按重量组分计为，76％wttio2、8％wtti、1％wtin2o3和15％wt nb2o5。

16、一种光学镜片防尘膜材料，采用上述制备方法制得，将所述光学镜片防尘膜材料通过真空蒸发的镀膜手段制得的透明低电阻光学薄膜，折射率为2.1-2.2，电阻率为90-200ω/cm2。

17、进一步地，光学镜片防尘膜材料应用于ar膜、hr膜、滤光膜和分光膜的制备。

18、本发明的原理：

19、通常tio2材料形成薄膜后会以晶体形式存在，完美的晶体结构的氧化钛为绝缘体。其中一个钛原子会同时和四个氧原子相连，每个氧原子同时又和两个钛原子相连，这些ti-o离子会形成一种四面体结构互相相连，形成一个重复的网状结构。当材料为纯的tio2时，材料内部缺陷较少，每个原子都被牢牢束缚在自己的位置上。由于tio2结构稳定，且不存在自由电子，因此这种材料是一种绝缘体，具有很高的电阻。但是当价态不一样的材料如+5价的nb和+3价的in被掺杂到tio2结构中后，情况发生了变化，由于nb可以同时提供5个电子，因此需要和5个氧原子相连，而in只能提供3个电子因而只能和3个氧原子相连，当均匀的掺入tio2的四面体结构中后，nb离子相比ti离子会需要多一个氧原子链接，掺杂到ti-o四面体结构中后，由于周围没有相应的o离子，nb离子提供的电子无法被o离子接受，这个多余的电子就可能受到电场作用而移动。由于电子本身带有电荷，因此这种空位的移动会产生电流。这种材料本身相比纯的tio2结构就会更容易导电。同时in掺杂也有类似作用，in离子能和三个o离子形成化学键，当进入四面体ti-o结构中时，会造成一个o离子无法得到电子，形成电子空位缺陷。同时in由于其核外电子更容易接受辐射产生激发，这种电子空位缺陷容易受到自然光线照射而激发和跃迁，导致材料载流子浓度上升，电阻下降。本发明经过合理调节配方和蒸发工艺，最终可以得到高电导率且光学性能接近tio2膜层的高折射率透明材料。

20、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

21、1、本发明制备的光学镜片防尘膜材料，使用其制备的各类光学薄膜，具有防止静电积累，可以明显减少因静电吸附造成的灰尘聚集，降低光学系统维护的难度和成本。

22、2、本发明通过+5价的nb离子和+3价的in离子对tio2双掺杂，以影响tio2成膜后的结构，人为造成结构中大量缺陷，以提高材料导电性能，且本发明制备的薄膜，透过率与tio2接近。