一种扩展带阻区的带通滤光膜及其调控方法

1.本发明属于光学薄膜的技术领域，具体涉及一种扩展带阻区的带通滤光膜及其调控方法。


背景技术：

2.窄带滤光片是一种透过特定工作波段，阻止(反射或吸收)非工作波长透射的精密光谱过滤元件。常用的窄带滤光片由前表面的法布里帕罗带通滤光膜以及后表面的截止膜系组成。法布里帕罗带通滤光膜结构有金属-介质谐振腔型和介质谐振腔型。金属-介质法布里帕罗谐振腔具有可见到红外的宽截止范围，但其带通波形多为金字塔型，难于实现矩形度好的带通波形，另外由于金属的吸收导致了通道峰值透过率难于提升，一般低于90％。介质法布里帕罗谐振腔型采用无吸收的高低折射率膜层叠加，可以实现99％以上的峰值透过率，且采用多谐振腔膜系可以实现高矩形度的透射谱形。受到膜层材料高低折射率的比值限制，介质滤光膜很难实现很宽的带阻区。因此，介质窄带滤光片需要在法布里帕罗谐振腔镀制完成后，在基片背面镀制很厚的截止膜系，这给滤光片带来很大应力，导致了滤光片的可靠性问题，有时甚至会影响滤光膜的带通光谱特性。为了防止过厚的膜系结构累积应力，需要将部分截止膜系结构在带通滤光膜面完成，这既可以平衡基片两面应力分布，也可以拓宽带通滤光膜的带阻区，方便与光学系统的其他元件进行光谱匹配。
3.窄带滤光膜对光谱波形要求高，需要研制膜系时后续膜层间能补偿前面膜层的累积误差，因此通常需要采用直接光学监控来完成。为了拓宽带阻区，传统设计上需要在窄带滤光膜的基础上继续叠加前截止或后截止膜系，而这些截止膜系通常为非规整膜系，不能继续采用直接光学监控来完成，难于形成有效的研制误差补偿，最终可能对完成的窄带滤光片造成带通区谱形变差或带阻区出现次峰问题，从而会影响到滤光膜研制的成品率或性能表现。
4.多通道空间遥感仪器需要在同一焦平面实现多个谱段的同时探测，多通道集成滤光片是其中的关键光学元件。为了避免杂散光和通道串扰光的产生，现在往往要求采用单片式多通道集成滤光片，其要求在同一个光学基片上不同区域实现不同的带通滤光膜的研制，但具备共同的带阻区以便匹配其他公共的光谱元件。由于成品率及性能控制的瓶颈问题，传统的扩展带阻区的窄带滤光膜的设计及研制已经影响了通道数量的进一步集成，进而限制了多通道遥感仪器的发展。寻找具有扩展带阻区的窄带滤光膜的设计及研制新技术方案以提高成品率及光谱性能已成为发展多光谱、高光谱遥感技术的迫切需求，也是未来窄带滤光片研制技术的重要发展方向。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服传统带通滤光膜带阻区窄，而含扩展带阻区的带通滤光膜存在大量不规整膜系，不利于全程直接光学监控及膜厚误差补偿的缺点，提供一种易于直接光学监控的扩展带阻区的带通滤光膜及其调控方法，可作为集成滤光片的研制新方案，方
便实现多个通道公共带阻区的调整及光谱匹配。
6.本发明的技术方案是：
7.采用宽带通滤光膜堆结合窄带通滤光膜堆构成膜系主体，在功能设计上，窄带滤光膜堆用来获取目标的带通光谱形状以及一定范围的带阻区，而宽带通滤光膜堆可以带来更宽的可调控的带阻区，同时其带通区完全覆盖窄带滤光膜堆的带通区，不会影响最终光谱性能。
8.具体的膜系结构为：在透明基片1之上依次镀制导纳匹配膜堆2、宽带通滤光膜堆3、窄带通滤光膜堆4和波纹优化膜堆5；
9.所述基片1采用对工作波段透明的材料；
10.所述导纳匹配膜堆2为0至2层高低折射率膜层的堆叠，用于实现基片与导纳匹配膜堆的界面等效导纳值与低折射率膜接近；
11.所述宽带通滤光膜堆3至少包含一种宽带通滤光膜结构，该宽带通滤光膜结构为一至多个法布里-帕罗谐振腔的叠加，其结构可为：(2hal)
x
、(4hal)
x
、(6hal)
x
、(h2lhal)
x
、(h4lhal)
x
、(h6lhal)
x
、(hl2hlhal)
x
、(hl4hlhal)
x
、(hl6hlhal)
x
、(hlh2lhlhal)
x
、(hlh4lhlhal)
x
、(hlh6lhlhal)
x
中单个或多个多半波谐振腔的组合，其中，h为四分之一参考波长光学厚度的高折射率膜层，l为四分之一参考波长光学厚度的低折射率膜层，a表示厚度的比例系数，范围为0.5～1.7，x为5-14的周期数；
12.所述窄带通滤光膜堆4为常规多半波的法布里-帕罗带通滤光膜，带宽小于所述宽带通滤光膜堆3的带宽，其结构可以为：[(hl)
t
(2h)v(lh)
t l]y、[(hl)
t
(2l)v(lh)
t l]y等多半波谐振腔及组合，t、v、y为整数，表示重复周期数；
[0013]
所述波纹优化膜堆5为2-3层非规整厚度的高低折射率膜层堆叠，用于减小带通光谱波纹。
[0014]
本发明采用的带阻区调控方法为：
[0015]
调节所述宽带通滤光膜堆3结构中参数a的值，在0.5～1.7范围内取不同值以改变宽带滤光膜堆的带阻区范围，经膜系设计软件查看具体带阻区范围而确定a值，实现调节整体膜系带阻区光谱位置的作用。
[0016]
在所述导纳匹配膜堆2的作用下，基片1与导纳匹配膜堆2的等效界面导纳与l层折射率相同，因此参数a的变化不会影响中心波长透过率值及相应的监控曲线，方便直接光学监控的实施，确保了膜系研制的误差补偿，提升了成品率。
[0017]
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0018]
1、采用宽带通滤光膜堆与窄带通滤光膜堆的结合作为膜系主体，扩展了带阻区的范围；
[0019]
2、膜系主体为单一参考波长的规整膜系，可以采用直接监控，方便误差补偿，提升成品率；
[0020]
3、通过所述宽带通滤光膜堆3结构中参数a的变化，可保持最终的膜系带通光谱形状几乎不发生变化，但实现整体膜系结构带阻区的调整。
附图说明
[0021]
图1为本发明的膜系结构示意图。
[0022]
图2为本发明实施例一，扩展带阻区的滤光膜透射光谱。
[0023]
图3为本发明实施例一，相同带通区调控带阻区位置的滤光膜透射光谱。
[0024]
图4为本发明实施例二，不同带通区共同带阻区的滤光膜透射光谱。
[0025]
图5为本发明实施例三，与铟镓砷探测器响应谱段匹配的滤光膜透射光谱。
具体实施方式
[0026]
下面结合具体实例对本发明作进一步说明
[0027]
实施例一
[0028]
本实施例中，我们对比传统窄带滤光膜与本发明窄带滤光膜的透射光谱进行对比。选择以蓝宝石为基底，中心波长为550nm，带宽为14nm的三腔窄带滤光膜为例，镀膜材料选择tio2和sio2作为高低折射率值。
[0029]
为了直观描述本发明的优点，我们进行了三个膜系的设计，仅对宽带滤光膜堆进行增减进行比较。三个膜系的结构如下：
[0030]
膜系一：0.437l 0.108h(1h 1l 1h 1l 2h 1l 1h 1l 1h 1l)
3 0.194h 1.46l膜系二：0.437l 0.108h(1h 2l 1h 1l)6(1h 1l 1h 1l 2h 1l 1h 1l 1h 1l)30.194h 1.46l
[0031]
膜系三：0.437l 0.108h(2h 1l)
10
(1h 2l 1h 1l)6(1h 1l 1h 1l 2h 1l 1h 1l 1h1l)
3 0.194h 1.46l
[0032]
为了对比更明确，三个膜系中我们均对基片进行了导纳匹配膜堆的镀制，即膜系中0.437l 0.108h两层，而最后两层0.194h 1.46l起到波纹优化的作用。三个膜系的透射光谱如图2所示。从三个膜系中，我们可以看到膜系一为传统的窄带滤光膜的主峰膜系设计，其带阻区范围很窄。通过膜系二和膜系三的实施，我们增加了不同的宽带滤光膜，将带阻区大大扩展了，这将简化后期截止膜系的镀制难度。同时我们也可以看到宽带滤光膜的膜系结构均为规整厚度，非常有利于采用直接光学监控及其误差补偿的实施，提高成品率。
[0033]
为了和其他光学薄膜的光谱实现截止匹配，有时我们需要对带阻区的位置进行调整。在此，我们以膜系三为基础，演示具体的调控方法，调节宽带滤光膜堆的参数a，可以分别获得膜系四和膜系五，如下：
[0034]
膜系四：0.437l 0.108h(2h 0.5l)
10
(1h 2l 1h 0.5l)6(1h 1l 1h 1l 2h 1l 1h 1l1h 1l)
3 0.194h 1.46l
[0035]
膜系五：0.437l 0.108h(2h 1.7l)
10
(1h 2l 1h 1.7l)6(1h 1l 1h 1l 2h 1l 1h 1l1h 1l)
3 0.194h 1.46l
[0036]
由于导纳匹配膜堆0.437l 0.108h的存在，调整参数a不会影响主峰的形状。获得的带阻区调控效果如图3所示，可以自由地调控带阻区在波长维度的分布。
[0037]
实施例二
[0038]
本实施例中，我们以多通道遥感应用的集成滤光片的研制为例，对本发明的实施进行说明。多通道集成滤光片需要在滤光片不同位置上镀制不同中心波长的带通滤光膜，这些多通道滤光膜需要具有公共带阻区，以便与系统中其他光学元件实现光谱匹配。以rgb三原色带通滤光膜的设计为例，考虑455nm、550nm、632nm作为三个通道的中心波长，带宽分别为18nm，25nm，29nm，基片采用熔石英，以ta2o5和sio2作为高低折射率材料。分别以各自的中心波长作为参考波长，按照本发明的技术方案，设计的膜系结构为：
[0039]
膜系六：(2h 1.4l)
14
(1h 2l 1h 1.4l)8(1h 1l 1h 1l 2h 1l 1h 1l 1h 1l)
3 0.262h1.448l,@455nm
[0040]
膜系七：(2h 1l)
14
(1h 2l 1h 1l)8(1h 1l 1h 1l 2h 1l 1h 1l 1h 1l)
3 0.262h1.448l,@550nm
[0041]
膜系八：(2h 0.7l)
14
(1h 2l 1h 0.7l)8(1h 1l 1h 1l 2h 1l 1h 1l 1h 1l)
3 0.262h1.448l,@632nm
[0042]
膜系的主体结构基本一致，只是中心波长做了更换，然后对宽带滤光膜堆的参数a做了合适的选择，这非常有利于不同通道镀膜的实施。与膜系一到五略有不同的是，由于基片采用的石英玻璃，其折射率已经与低折射率膜sio2相同，无需再作匹配膜堆的设计。从结果来看，如图4所示，虽然三个通道具有不同带通中心，但都具有420～840nm的公共带阻区，这有利于后期与光学系统的光谱匹配，从而实现非带通波段的全波段带阻效果。
[0043]
实施例三
[0044]
在近红外波段光学探测中，铟镓砷探测器是非常重要的光电探测器，其典型响应光谱区为800-1700nm。为了实现目标特征光谱信号的探测，需要探测器仅对该特征光谱有响应。因此，采用的滤光片需要实现除特征光谱外，800-1700nm波段的带阻特性。以中心波长为1300nm，带宽为20nm的滤光片的设计为例，传统的设计需要采用窄带滤光膜加前后截止膜系的多次镀膜方式来完成，结构复杂，研制困难。而采用本发明的技术方案，则可以通过简单一次镀膜实现所需的功能。在本实施例中，我们采用硅基片，从而保证800-1100nm不透光，镀膜材料选择tio2和sio2分别作为高低折射率层，设计的膜系结构为：
[0045]
膜系九：h(1h 2l 1h 1l)9[(1h 1l)
3 2h(1l 1h)
3 1l]
3 0.485l 0.155h 1.386l,@1300nm
[0046]
在该设计中，导纳匹配膜堆2只需要单层高折射率膜即可，而为了获得更小的带通波纹，经过优化设计后，波纹优化膜堆5为3层膜结构。从结果上来看，如图5所示，小于1100nm波长的透射次峰在经过硅基片后不能透过，而铟镓砷探测器对大于1700nm波长的透射光不产生光电响应，从而实现了仅对1300nm窄带光谱的光电响应，实现预期目标。

技术特征：
1.一种扩展带阻区的带通滤光膜，其特征在于：所述的扩展带阻区的带通滤光膜结构为：在透明基片(1)之上依次镀制导纳匹配膜堆(2)、宽带通滤光膜堆(3)、窄带通滤光膜堆(4)和波纹优化膜堆(5)；所述基片(1)采用对工作波段透明的材料；所述导纳匹配膜堆(2)为0至2层高低折射率膜层的堆叠；所述宽带通滤光膜堆(3)至少包含一种宽带通滤光膜结构，该宽带通滤光膜结构为一至多个法布里-帕罗谐振腔的叠加，其结构为：(2hal)
x
、(4hal)
x
、(6hal)
x
、(h2lhal)
x
、(h4lhal)
x
、(h6lhal)
x
、(hl2hlhal)
x
、(hl4hlhal)
x
、(hl6hlhal)
x
、(hlh2lhlhal)
x
、(hlh4lhlhal)
x
、(hlh6lhlhal)
x
中单个或多个多半波谐振腔的组合，其中，h为四分之一参考波长光学厚度的高折射率膜层，l为四分之一参考波长光学厚度的低折射率膜层，a表示厚度的比例系数，范围为0.5～1.7，x为5-14的周期数；所述波纹优化膜堆(5)为2-3层非规整厚度的高低折射率膜层堆叠。2.根据权利要求1所述的扩展带阻区的带通滤光膜，其特征在于：所述宽带通滤光膜堆(3)结构中所述的参数a值的确定方法为：在0.5～1.7范围内取不同值以改变宽带滤光膜堆的带阻区范围，经膜系设计软件查看具体带阻区范围而确定a值。

技术总结
本发明公开了一种扩展带阻区的带通滤光膜及其调控方法。该带通滤光膜由基片、导纳匹配膜堆、宽带滤光膜堆、窄带滤光膜堆以及波纹优化膜堆构成。在功能设计上，导纳匹配膜堆用于将基片与导纳匹配膜堆的中心波长等效界面导纳调整到与低折射率膜相同，宽带滤光膜堆用于扩展及调整带阻区，窄带滤光膜堆用于设计带通光谱形状，波纹优化膜堆用于优化带通区的波纹表现。所述扩展带阻区调控方法为通过调节宽带滤光膜堆的谐振腔之间过渡层的厚度，实现带阻区移动。本发明的优点在于膜系主体采用了规整厚度膜系，可采用直接光学监控，膜系易于研制，实现了带阻区的有效扩展及自由调整，适用于多通道遥感系统的集成滤光片的研制。于多通道遥感系统的集成滤光片的研制。于多通道遥感系统的集成滤光片的研制。


技术研发人员：蔡清元 刘保剑 段微波 刘定权 罗海瀚 胡二涛 于天燕 李大琪 余德明 马冲
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/12