一種雙色濾光片的制作方法
【專利摘要】本專利公開了一種雙色濾光片，該濾光片是在基片的兩側(cè)都分別設(shè)計(jì)一個(gè)帶有增透帶的單帶通膜系，基片某一側(cè)單帶通膜系中的增透帶正好覆蓋了另一側(cè)的單帶通的通帶波段范圍，它們?cè)诨膬蓚?cè)共同組成了雙色濾光片。構(gòu)成這種帶有增透帶的單帶通膜系的基礎(chǔ)膜系是法布里-珀珞帶通膜系，運(yùn)用TFCalc或FilmWizard光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)軟件，通過設(shè)定具體的優(yōu)化目標(biāo)和合適的優(yōu)化層對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最終得到沉積于基片兩側(cè)的帶有增透帶的單帶通膜系，它們結(jié)合到一起便組成了雙色濾光片。本專利的雙色濾光片兩個(gè)通帶的相對(duì)位置可以連續(xù)調(diào)整，并且膜系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)雙色濾光片的4個(gè)通帶邊緣陡度都在2％以內(nèi)時(shí)，所需的總膜層數(shù)僅為38層，工藝的可實(shí)施性好。
【專利說明】—種雙色濾光片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本專利涉及光學(xué)薄膜技術(shù)，具體涉及一種雙色濾光片。

【背景技術(shù)】
[0002]帶通濾光片在遙感探測(cè)，光譜學(xué)及光電子領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。在空間遙感探測(cè)領(lǐng)域，探測(cè)目標(biāo)通常會(huì)輻射多個(gè)特征波段，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)特征波段的同時(shí)探測(cè)，遙感設(shè)備內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)通常會(huì)采用一個(gè)或多個(gè)分色器件來分離特征波段信號(hào)，分色器件不僅降低了各個(gè)波段信號(hào)的能量，而且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
[0003]為了適應(yīng)空間遙感儀器集成化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，多波段探測(cè)技術(shù)成為現(xiàn)代遙感技術(shù)的一條重要技術(shù)路徑。多波段探測(cè)技術(shù)可以使多個(gè)光學(xué)信號(hào)波段在同一條光路實(shí)現(xiàn)探測(cè)接收，在簡(jiǎn)化了探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，又提高了目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別的靈敏度和分辨率。為了實(shí)現(xiàn)雙波段探測(cè)，系統(tǒng)中除了常規(guī)的光、電子器件外，還需包含雙色探測(cè)器、雙色濾光片等新型元器件。雙色濾光片可以在相同的通光路徑(或通光面積)上同時(shí)通過兩個(gè)設(shè)定的工作光譜波段，并且有效攔截工作光譜波段以外光線。本專利提出了一種雙色濾光片的設(shè)計(jì)方法。
[0004]對(duì)于帶寬和中心波長(zhǎng)任意的雙色濾光片，首先想到的設(shè)計(jì)方案是“負(fù)濾光片膜系加寬帶增透膜系”的設(shè)計(jì)方案，其方案示意圖如圖2所示。雖然該方法理論上可以實(shí)現(xiàn)帶寬和中心波長(zhǎng)任意的雙帶通濾光片的設(shè)計(jì)，但是負(fù)濾光片的設(shè)計(jì)涉及到理想膜層的等效以及入射和出射煤質(zhì)的導(dǎo)納匹配過程(參見文獻(xiàn)[I])，膜系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常需要設(shè)計(jì)上百層的膜層，且所需的膜層材料多于兩種，加大了鍍制工藝難度，所以采用這種方案進(jìn)行實(shí)際的濾光片研制難度相當(dāng)大。
[0005]多個(gè)復(fù)雜法布里-珀珞膜系的疊加也可以產(chǎn)生雙色或者多色濾光膜，其基本結(jié)構(gòu)可以用[M0C1M1-C具⑴]k來表示(參見文獻(xiàn)[2])，其中M表示鏡面反射層，如果用H，L來表示1/4參考波長(zhǎng)的高低折射率介質(zhì)材料，M的結(jié)構(gòu)可以是HL、HLHL, HLHLHL, LH、LHLH、LHLHLH、LHL、LHLHL, LHLHLHL、HLH、HLHLH、HLHLHLH 等，C 是間隔層，厚度通常是 1/4 參考波長(zhǎng)的偶數(shù)倍，T代表匹配層，i和k都是不小于2的整數(shù)。這種基本結(jié)構(gòu)的k次重復(fù)可以產(chǎn)生多帶通的濾光片，多個(gè)通帶之間的截至深度隨著k的增加而變深。不同的基本結(jié)構(gòu)的排列組合對(duì)應(yīng)的各個(gè)通帶的帶寬及相對(duì)位置也不同，但是各個(gè)通帶之間的相對(duì)位置并不是任意的，雖然這種排列組合的方式數(shù)目龐大，但不同通帶間的相對(duì)距離卻始終是一些離散的值，不能做連續(xù)調(diào)整。
[0006][I]唐晉發(fā)、顧培夫、劉旭，等《現(xiàn)代光學(xué)薄膜技術(shù)》
[0007][2]上川尚《多帶通濾波器》CN1719283A


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本專利提出了一種雙色濾光片，它是可以得到兩個(gè)通道波段之間相對(duì)位置連續(xù)可調(diào)的雙色濾光片。
[0009]本專利提出的一種雙色濾光片是由分布在基片兩測(cè)的帶有增透帶的單帶通膜系組合而成，基片兩側(cè)的單帶通膜系為法布里-珀珞帶通膜系；基片一側(cè)的單帶通膜系的光譜附帶一個(gè)能夠覆蓋另一側(cè)單帶通通帶范圍的增透帶，基片兩側(cè)的帶有增透帶的單帶通膜系組合在一起構(gòu)成雙色濾光片。
[0010]其設(shè)計(jì)方案示意圖如圖3所示。這種單帶通膜系是基于多腔串置的法布里-珀珞帶通膜系，其基本結(jié)構(gòu)為[反射層I間隔層I反射層]k。主要有以下兩種形式(其中H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，k是大于I的整數(shù)，代表諧振腔數(shù)目，m是不小于2的偶數(shù)):
[0011][…HLHI mL I HLH…]k (I)
[0012]或[…[LHLI mH | LHL-Jk (2)
[0013]本專利提出的一種雙色濾光片的具體實(shí)施步驟如下所述:
[0014]I)根據(jù)雙色濾光片中2個(gè)通帶的指標(biāo)要求，設(shè)置2個(gè)多腔串置的法布里-珀珞帶通膜系作為分布在基片兩側(cè)的初始膜系結(jié)構(gòu)。
[0015]具體表述為:根據(jù)雙色濾光片中每個(gè)通帶的帶寬要求，來設(shè)置相應(yīng)的間隔層材料、間隔層厚度以及反射層的結(jié)構(gòu)；根據(jù)通帶邊緣陡度要求，設(shè)置法布里-珀珞膜系的諧振腔數(shù)目；根據(jù)雙色濾光片中每個(gè)通道的位置，設(shè)置相應(yīng)的中心波長(zhǎng)。
[0016]2)借助TFCalc或Fi ImWizard光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)軟件對(duì)基片兩側(cè)的初始膜系進(jìn)行輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)，使基片每一側(cè)的法布里-珀珞單帶通初始膜系的光譜增加一個(gè)能夠覆蓋另一側(cè)單帶通通帶范圍的增透帶，并且在優(yōu)化過后，原先的單帶通的通帶透過率得到提高，通帶波紋被壓縮。
[0017]具體表述為:首先為基片每一側(cè)的膜系添加優(yōu)化目標(biāo)，每一側(cè)膜系的優(yōu)化目標(biāo)包括4部分:(I)兩個(gè)通帶范圍之外的截止目標(biāo)；(2)單通帶的通帶高透過目標(biāo)；(3)兩個(gè)通帶之間的截止目標(biāo)；(4)增透帶高透過目標(biāo)?；恳粋?cè)膜系的優(yōu)化目標(biāo)(I)、(2)按照具體指標(biāo)的要求來制定；優(yōu)化目標(biāo)(3)只需能夠覆蓋兩個(gè)通帶之間的截止區(qū)范圍的一半即可；優(yōu)化目標(biāo)(4)的范圍只需能夠剛好覆蓋另一側(cè)單通帶的通帶范圍即可。
[0018]然后選取合適的優(yōu)化層。根據(jù)需要，膜系的每一層都可以作為優(yōu)化層來進(jìn)行優(yōu)化，為了改善膜層與入、出射介質(zhì)導(dǎo)納的匹配，甚至可以增加膜層來進(jìn)行優(yōu)化。選取的優(yōu)化層越多，通帶波紋越平坦。為了保持較好的光譜矩形度，通帶帶波紋振幅在滿足要求的情況下，可盡量少的設(shè)置優(yōu)化層。
[0019]調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化方法會(huì)得到不同的優(yōu)化結(jié)果，經(jīng)過多次的優(yōu)化嘗試，得到理想的優(yōu)化效果，最終在基片的每一側(cè)得到一個(gè)帶有增透帶的單帶通膜系，這種單帶通膜系中的增透帶正好覆蓋了另一側(cè)的單帶通的通帶波段范圍。
[0020]3)將基片兩側(cè)的帶有增透帶的單帶通膜系組合到一起，最終得到符合要求的雙色濾光片。
[0021]由于兩個(gè)單帶通膜系分布在基片的兩側(cè)，它們彼此相互獨(dú)立，和普通的單帶通濾光片一樣，其中心波長(zhǎng)位置可以簡(jiǎn)單地單獨(dú)確定，因此本專利的提出的雙色濾光片的兩個(gè)通帶的相對(duì)位置可以連續(xù)調(diào)整，并且采用這種方法設(shè)計(jì)的雙帶通濾光片的膜系結(jié)構(gòu)基于經(jīng)典的法布里-珀珞帶通膜系，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)雙色濾光片的4個(gè)通帶邊緣陡度都在2%以內(nèi)時(shí)，所需的總膜層數(shù)僅為38層，工藝的可實(shí)施性好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為基片兩面分別鍍制帶有增透帶的法布里-珀珞單帶通膜系。
[0023]圖2負(fù)濾光片膜系加寬帶增透膜系的設(shè)計(jì)方案示意圖。
[0024]圖3基片兩側(cè)帶有增透帶的單帶通膜系組成雙色濾光片的設(shè)計(jì)方案示意圖。
[0025]圖4含有4個(gè)諧振腔膜系的通帶中心波長(zhǎng)較短側(cè)的優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化結(jié)果。
[0026]圖5含有4個(gè)諧振腔膜系的通帶中心波長(zhǎng)較長(zhǎng)側(cè)的優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化結(jié)果。
[0027]圖6含有4個(gè)諧振腔膜系的雙色濾光片的最終設(shè)計(jì)光譜曲線。
[0028]圖7含有5個(gè)諧振腔膜系的通帶中心波長(zhǎng)較短側(cè)的優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化結(jié)果。
[0029]圖8含有5個(gè)諧振腔膜系的通帶中心波長(zhǎng)較長(zhǎng)側(cè)的優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化結(jié)果。
[0030]圖9含有5個(gè)諧振腔膜系的雙色濾光片的最終設(shè)計(jì)光譜曲線。
[0031]圖10含有3個(gè)諧振腔，5層反射層膜系的通帶中心波長(zhǎng)較短側(cè)的優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化結(jié)果。
[0032]圖11含有3個(gè)諧振腔，5層反射層膜系的通帶中心波長(zhǎng)較長(zhǎng)側(cè)的優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化結(jié)果。
[0033]圖12含有3個(gè)諧振腔，5層反射層膜系的雙色濾光片的最終設(shè)計(jì)光譜曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0034]下面根據(jù)實(shí)例，來說明本專利的【具體實(shí)施方式】。
[0035]首先以兩個(gè)通帶中心波長(zhǎng)位置比例約為1.6，兩個(gè)通帶帶寬都是通帶中心波長(zhǎng)的9%的雙色濾光片為例，具體說明一種雙色濾光片的設(shè)計(jì)過程。
[0036]濾光片的光譜性能和薄膜材料的光學(xué)常數(shù)相關(guān)，需要涉及到薄膜材料的具體折射率值，假設(shè)濾光片工作在紅外波段，選取寶石(Al2O3)作為基底，鍺(Ge)作為高折射率材料，一氧化硅(S1)作為低折射率材料，其折射率分別為1.76,4.25與1.8 (材料折射率因材料供應(yīng)商及薄膜沉積工藝不同而不同，此處為設(shè)定值)。下面是膜系設(shè)計(jì)的具體步驟。
[0037]選取法布里-珀珞帶通結(jié)構(gòu)膜系為基礎(chǔ)膜系，來設(shè)計(jì)基片兩側(cè)的帶有增透帶的單帶通膜系。首先選取合適的反射層和間隔層結(jié)構(gòu)，當(dāng)雙色濾光片的兩個(gè)通帶的帶寬都是通帶所處中心波長(zhǎng)的9%時(shí)，基片兩側(cè)的初始膜系結(jié)構(gòu)都可設(shè)定為L(zhǎng)HL 2H LHL 4H LHL 4HLHL 2H LHL，并且基片一側(cè)的膜系中心波長(zhǎng)是另一側(cè)的1.6倍。
[0038]基片兩側(cè)的初始膜系已經(jīng)分別具備了單個(gè)通帶結(jié)構(gòu)，還需對(duì)它們進(jìn)行膜層優(yōu)化，來壓縮通帶波紋，并使基片兩側(cè)的初始膜系同時(shí)都具備一個(gè)增透帶，基片一側(cè)包含的增透帶需要正好覆蓋另一側(cè)的單帶通的通帶波段范圍。優(yōu)化過程需要借助TFCalc或FilmWizard光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)軟件。設(shè)定合理的優(yōu)化目標(biāo)是優(yōu)化過程的關(guān)鍵步驟。通帶中心波長(zhǎng)較短側(cè)的優(yōu)化目標(biāo)如圖2中的4條粗線所示，通帶中心波長(zhǎng)較長(zhǎng)側(cè)的優(yōu)化目標(biāo)如圖3中的4條粗線所示。圖2中的優(yōu)化目標(biāo)(4)應(yīng)該正好覆蓋圖3中的優(yōu)化目標(biāo)(3);圖3中的優(yōu)化目標(biāo)⑴應(yīng)該正好覆蓋圖2中的優(yōu)化目標(biāo)(2)，并且圖2中的優(yōu)化目標(biāo)⑶和圖3中的優(yōu)化目標(biāo)(2)的疊加應(yīng)該保證兩個(gè)通帶之間的光譜被完全截止。
[0039]設(shè)定好優(yōu)化目標(biāo)后，對(duì)基底側(cè)和表面?zhèn)鹊?層膜以及所有的反射層進(jìn)行優(yōu)化，即對(duì)除膜系結(jié)構(gòu)中兩個(gè)光學(xué)厚度為4H的間隔層外的所有膜層進(jìn)行優(yōu)化，最終得到總膜層數(shù)為38層的膜系:
[0040]中心波長(zhǎng)較短側(cè)膜系:0.56L 0.49H 0.53L 2.66H 0.48L 0.85H 1.06L 4H 1.23L
0.54H 1.39L 4H 0.73L 1.43H 0.38L 2.62H 0.47L 0.34H 0.66L
[0041]中心波長(zhǎng)較長(zhǎng)側(cè)膜系:0.69L 0.31H 1.42L 2H 0.82L 1.19H 0.94L 4H 0.97L
1.09H 1.20L 4H 0.81L 0.93H 1.12L 2H 0.85L 1.34H 0.95L
[0042]通帶中心波長(zhǎng)較短側(cè)和較長(zhǎng)側(cè)優(yōu)化后的光譜曲線如圖4、5所示，最終濾光片的光譜曲線如圖6所示。
[0043]通過增加法布里-珀珞諧振腔的串置數(shù)目可以改善通帶的陡度，例如將雙色濾光片兩個(gè)通道膜系的諧振腔數(shù)目都從4個(gè)增加到5個(gè):LHL 2H LHL 4H LHL 4H LHL 4H LHL2H LHL0
[0044]優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)定和之前4個(gè)諧振腔的設(shè)定基本一致:圖7中的優(yōu)化目標(biāo)(4)應(yīng)該正好覆蓋圖8中的優(yōu)化目標(biāo)(3);圖8中的優(yōu)化目標(biāo)(I)應(yīng)該正好覆蓋圖7中的優(yōu)化目標(biāo)
(2)，并且圖7中的優(yōu)化目標(biāo)(3)和圖8中的優(yōu)化目標(biāo)(2)的疊加應(yīng)該保證兩個(gè)通帶之間的光譜被完全截止。由于諧振腔數(shù)目增加，通帶波紋的振動(dòng)會(huì)明顯增大，待優(yōu)化膜層的選定會(huì)略有不同:在中心波長(zhǎng)較短側(cè)膜系中，對(duì)基底側(cè)和表面?zhèn)鹊?層膜以及所有的反射層進(jìn)行優(yōu)化；而在在中心波長(zhǎng)較長(zhǎng)側(cè)膜系中，除了對(duì)基底側(cè)和表面?zhèn)鹊?層膜以及所有的反射層進(jìn)行優(yōu)化外，還需在表面?zhèn)仍黾?層匹配膜。
[0045]最終得到總膜層數(shù)為48層的膜系:
[0046]中心波長(zhǎng)較短側(cè)膜系:0.2L 0.22H 0.84L 4.4H 0.58L 0.69H 1.46L 4H 0.84L
0.72H 1.12L 4H 1.18L 0.63H 0.94L 4H 1.46L 0.72H 0.39L 5.03H 0.28L 2.79H 1.35L
[0047]中心波長(zhǎng)較長(zhǎng)側(cè)膜系:0.5L 2.62H 0.4L 2.62H 0.71L 2.62H 1.68L 4H 0.48L
1.24H 1.08L 4H 0.84L 1.29H 0.54L 4H 1.14L 1.29H 1.64L 2.86H 0.38L 0.42H 0.24L1.53H 0.53L
[0048]通帶中心波長(zhǎng)較短側(cè)和較長(zhǎng)側(cè)優(yōu)化后的光譜曲線如圖7、8所示，最終濾光片的光譜曲線如圖9所示。
[0049]若定義陡度的表達(dá)式為λ δ/λ。= (0.1Τρ-0.8Τρ)/λ。(其中Tp為峰值透過率，入。為中心波長(zhǎng))，則雙色濾光片的兩個(gè)通帶的4個(gè)邊緣的陡度值分別從1.5 %、2.0 %、1.3 %、1.5%，減少到0.8%、1.3%、1.0%、1.1 %，陡度特性明顯改善。
[0050]通過調(diào)整法布里-珀珞諧振腔內(nèi)間隔層的厚度以及反射層的層數(shù)，可以調(diào)整法布里-珀珞帶通膜系的帶寬。例如若將反射層層數(shù)從3層增加到5層，通帶寬度會(huì)明顯減小，例如設(shè)置初始膜系為:LHL 4H LHLHL 4H LHLHL 4H LHL。
[0051]優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)定為:圖10中的優(yōu)化目標(biāo)⑷應(yīng)該正好覆蓋圖11中的優(yōu)化目標(biāo)
(3);圖11中的優(yōu)化目標(biāo)(I)應(yīng)該正好覆蓋圖10中的優(yōu)化目標(biāo)(2)，并且圖10中的優(yōu)化目標(biāo)(3)和圖11中的優(yōu)化目標(biāo)(2)的疊加應(yīng)該保證兩個(gè)通帶之間的光譜被完全截止。選擇所有的反射層為待優(yōu)化膜層。
[0052]最終得到總膜層數(shù)為38層的膜系:
[0053]中心波長(zhǎng)較短側(cè)膜系:0.6L 0.63H 0.66L 4H 1.65L 0.73H 0.83L 0.99H 1.04L4H 1.09L 1.02H 0.73L 0.71H 1.65L 4H 0.21L 1.76H 1.67L
[0054]中心波長(zhǎng)較長(zhǎng)側(cè)膜系:0.87L 1.38H 1.68L 4H 0.13L 1.21H 0.83L 1.08H 1.1L4H 0.91L 1.0lH 0.83L 1.1H 0.69L 4H 1.44L 2.47H 0.59L
[0055]通帶中心波長(zhǎng)較短側(cè)和較長(zhǎng)側(cè)優(yōu)化后的光譜曲線如圖10、11所示，最終濾光片的光譜曲線如圖12所示。
[0056]在進(jìn)行實(shí)際的雙色濾光片設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定基片每一側(cè)的法布里-珀珞初始膜系，其過程和單帶通膜系的設(shè)計(jì)一致，設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵是對(duì)初始膜系的優(yōu)化，上述幾個(gè)實(shí)施例所包含的優(yōu)化過程是個(gè)別雙色濾光片膜系設(shè)計(jì)的演示，實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，不必拘泥于此，例如膜系設(shè)計(jì)者除了可以在膜系的基片側(cè)、表面?zhèn)仍鰷p膜層，進(jìn)行優(yōu)化匹配，也可以在反射層中增減膜層來進(jìn)行優(yōu)化，還可以進(jìn)一步將間隔層進(jìn)行優(yōu)化，以期獲取更好的優(yōu)化匹配，減少通帶波紋，增加通帶的透過率。優(yōu)化結(jié)果也會(huì)因?yàn)閮?yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化方法的改變而發(fā)生變化，優(yōu)化過程中應(yīng)該多做嘗試，以得到理想的效果?？傊?，具體的設(shè)計(jì)和優(yōu)化可以根據(jù)實(shí)際情況做廣泛的調(diào)整，而運(yùn)用本專利的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行的膜系設(shè)計(jì)均屬于本專利的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種雙色濾光片，它由基片及基片兩側(cè)的帶有增透帶的單帶通膜系組成，其特征在于: (1)所述的基片兩側(cè)的帶有增透帶的單帶通膜系為多腔串置的法布里-珀珞帶通膜系; (2)基片每一側(cè)的單帶通膜系的光譜增加一個(gè)能夠覆蓋另一側(cè)單帶通通帶范圍的增透帶，基片兩側(cè)的帶有增透帶的單帶通膜系組合在一起構(gòu)成雙色濾光片，并且基片每一側(cè)的單帶通濾光片的截至帶疊加到一起構(gòu)成雙色濾光片的截止帶。
【文檔編號(hào)】G02B5/20GK204086594SQ201420462980
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】蔡淵, 周晟, 劉定權(quán) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所