CN101424759A - 超宽截止区的短波通截止滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽截止区的短波通截止滤光片，滤光片由交替的半导体透明导电材料ITO(掺锡氧化铟)和氧化物多层膜组成，其中氧化物材料为TiO2和SiO2。通过选取各层膜的厚度，就可实现超宽截止区的短波通截止滤光片。这种滤光片在空气中光线以0°至45°角入射时，均可在波长400－800nm的光谱区实现高透射，而波长大于1000nm的光谱区直至远红外(甚至微波和毫米波)为截止区，截止宽度至少可达10μm以上，从而克服了因该波段短波通有色玻璃截止滤光片缺乏而带来的困难，不仅为超宽截止区的各种短波通截止滤光片和带通滤光片提供了可行性，而且为光电子器件提供了一个有效的电极。
Description
技术领域
本发明涉及短波通截止滤光片，尤其涉及一种超宽截止区的短波通截止滤光片，属滤光片制造领域。
背景技术
截止滤光片广泛应用于光学、光谱学、激光光电子学等各个领域。截止滤光片有两大类，第一类叫干涉截止滤光片，从结构上它又有长波通截止滤光片和短波通截止滤光片之分。由于这类滤光片的基本原理都是基于光在多层膜中的干涉，因而在某个波段干涉抵消而使透射增强的同时，可使相邻波段干涉加强而达到截止的目的。但是很遗憾，这类滤光片都有一个截止带太窄的致命弱点，在可见和近红外区，最宽的截止区宽度不过0.25μm。为此，有时必须选择第二类有色玻璃截止滤光片，即吸收型截止滤光片。这类滤光片由于截止区较宽，所以常在截止滤光片和带通滤光片中以0°入射角使用来获得宽截止性能。迄今，这种吸收型的长波通截止滤波器基本上已能滿足使用要求，但短波通截止滤波器仍因存在透射率低、过渡不陡、稳定性差和截止不宽等缺点而难以被采用。正因为这样，研究人员一直致力于这种超宽截止的短波通截止滤波器的研究。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种超宽截止区的短波通截止滤光片。
本发明提出采用另外一种结构的超宽截止区的短波通截止滤光片，滤光片由交替的半导体透明导电材料ITO(掺锡氧化铟，比例为91：9)和氧化物多层膜组成。其中ITO薄膜采用电子束蒸发，并测量其光学常数作为设计参数；氧化物材料为TiO2和SiO2，它们在波长1000nm的折射率分别为2.3和1.45。通过计算机优化，合理选取各层膜的厚度就可实现超宽截止区的短波通截止滤光片。
本发明的这种短波通截止滤光片同时兼有干涉和吸收效应，因为ITO材料具有可见和近红外的介质透光特性，即具有强的干涉效应；而在红外区，它又具有类似于金属的特性，即弱的干涉效应和强的反射、吸收特性，且波长越长，金属性越强，因而既产生长波的截止性，又产生导电性。这种半导体膜通过与氧化物介质膜匹配，当光线在空气中以0°至45°的角度入射时，可以在波长400-800nm的光谱区实现高透射，而波长大于1000nm的光谱区直至远红外(甚至微波和毫米波)为截止区，截止宽度至少可达10μm以上，从而克服了因该波段短波通有色玻璃截止滤光片缺乏而带来的困难，不仅为超宽截止区的各种短波通截止滤光片和带通滤光片提供了可行性，而且为光电子器件提供了一个有效的电极。
技术方案：超宽截止区的短波通截止滤光片，它包括基底1，位于基底1上的半导体透明导电膜和多层氧化物膜交替的多层膜叠加构成。
滤光片由交替的半导体透明导电膜ITO和氧化物多层膜组成，如图1所示。基底材料可以用玻璃和塑料等可见区和近红外区透明的材料，入射媒质为空气。ITO薄膜采用电子束蒸发，并实验测量其光学常数作为设计参数，如表1所列。氧化物材料为TiO2和SiO2。通过计算机优化，合理选取各层膜的厚度就可实现超宽截止区的短波通截止滤光片。本发明的这种短波通截止滤光片同时兼有干涉和吸收效应，因为ITO材料具有可见和近红外的介质透光特性，即具有强的干涉效应；而在红外区，它又具有类似于金属的特性，即弱的干涉效应和强的反射、吸收特性，且波长越长，金属性越强，因而既产生长波的截止性，又产生导电性。这种半导体膜通过与氧化物介质膜匹配，当光线在空气中以0°至45°的角度入射时，可以在波长400-800nm的光谱区实现高透射，而波长大于1000nm的光谱区直至远红外(甚至微波和毫米波)为截止区，截止宽度至少可达10μm以上，从而克服了因该波段短波通有色玻璃截止滤光片缺乏而带来的困难，不仅为超宽截止区的各种短波通截止滤光片和带通滤光片提供了可行性，而且为光电子器件提供了一个有效的电极。
表1.实验测量的ITO薄膜的光学常数
| 波长/nm | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | 1100 | 1200 |
| 折射率n | 2.03 | 1.89 | 1.83 | 1.76 | 1.67 | 1.55 | 1.41 | 1.23 | 1.05 |
| 消光系数k | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.01 | 0.03 | 0.05 | 0.08 |
| 波长/nm | 1300 | 1400 | 1500 | 1600 | 1700 | 1800 | 1900 | 2000 |
| 折射率n | 0.81 | 0.46 | 0.31 | 0.27 | 0.26 | 0.26 | 0.26 | 0.26 |
| 消光系数k | 0.11 | 0.15 | 0.27 | 0.50 | 0.85 | 1.13 | 1.37 | 1.56 |
附图说明
图1为超宽截止区的短波通截止滤光片示意图，图中：基底1、ITO膜2、高折射率的TiO2膜3、低折射率的SiO2膜4、入射媒质5；
图2为本发明的空气中0°入射角下超宽截止区的短波通截止滤光片的透射光谱特性曲线；
图3为图2所示的超宽截止区的短波通截止滤光片在空气中0°、30°和45°(依次自右至左)入射时的透射光谱曲线；
图4为传统干涉截止滤光片在空气中0°、30°和45°(依次自右至左)入射时的透射光谱曲线；
图5为本发明在空气中45°入射角时的透射光谱特性曲线，图中同时给出了s-和p-偏振的分离特性及平均值Av。
具体实施方式
实施例1：参照附图1～5。超宽截止区的短波通截止滤光片，它包括基底1，基底材料1可以用玻璃和塑料等可见区和近红外区透明的材料，入射媒质5为空气；由位于基底1上的半导体透明导电膜和多层氧化物膜交替的多层膜叠加构成；氧化物膜由高折射率的TiO2膜3和低折射率的SiO2膜4组成；所述的半导体透明导电膜为ITO，即掺锡氧化铟，半导体透明导电膜ITO(2)中至少有一层较厚的膜层；所述的氧化物材料为TiO2和SiO2，其中高折射率的TiO2膜3被置于半导体透明导电膜2之间，而低折射率的SiO2膜4被置于外层，两边最外面分别是基底1和空气5；通过选取各层膜的厚度，可以实现超宽截止区的短波通截止滤光片。光线在空气中以0°至45°的角度入射时，可以在波长400-800nm的光谱区实现高透射，而波长大于1000nm的光谱区直至远红外为截止区，截止宽度达10μm以上。
如图1所示，用于一种超宽截止区的短波通截止滤光片，其特征在于滤光片由交替的半导体透明导电材料ITO(掺锡氧化铟)和氧化物多层膜组成。在基底1上依次交替地用电子束蒸镀ITO膜2和高折射率的TiO2膜3，最后蒸镀低折射率的SiO2膜4，入射媒质为空气5，其中ITO薄膜的光学常数由实验测量，并直接作为设计参数；氧化物材料可在TiO2和SiO2中任意选取。通过选取各层膜的厚度，就可实现超宽截止区的短波通截止滤光片。
作为例子，图2表示本发明对空气中0°入射角设计的超宽截止区的短波通截止滤光片的透射光谱特性曲线，其膜系结构列于表2。
表2 空气中0°入射角的超宽截止短波通截止滤光片的膜系结构
| 材料 | 基底 | ITO | TiO2 | ITO | TiO2 | ITO | TiO2 | ITO | TiO2 | SiO2 | 空气 |
| 复折射率(在1μm) | 1.5 | 1.41-i0.03 | 2.3 | 1.41-i0.03 | 2.3 | 1.41-i0.03 | 2.3 | 1.41-i0.03 | 2.3 | 1.45 | 1.0 |
| 几何厚度/nm | 3883.7 | 115.4 | 149.6 | 117.6 | 151.0 | 118.7 | 153.6 | 116.4 | 93.1 |
图3表示图2所示的超宽截止区的短波通截止滤光片在空气中0°、30°和45°(依次自右至左)入射时的透射光谱曲线。为比较起见，图4给出了传统干涉截止滤光片在空气中0°、30°和45°(依次自右至左)入射时的透射光谱曲线，显然本发明的滤光片随着入射角变化不仅截止过渡波长向短波移动量很少，而且波形变化也很少。图5为本发明在空气中45°入射角时的透射光谱特性曲线，图中同时给出了s-和p-偏振的分离特性及平均值Av。可以看出，本发明的滤光片s-和p-两者的偏振分离很小。这些都说明本发明的设计可应用于0°-45°的宽入射角范围。
需要指出的是：为使曲线细节更清楚，图中只示出400-2000nm的透射率曲线。因为ITO膜在长波的金属性增强，所以实际计算波长直至12μm均为截止区，且截止度随波长增加越来越深。更长的波长区由于缺乏光学常数而未作计算，但根据ITO膜的截止机理，截止范围一直可延伸到微波和毫米波。
本发明的一种超宽截止区的短波通截止滤光片，当光线在空气中以0°至45°的角度入射时，可以在波长400-800nm的光谱区实现高透射，而波长大于1000nm的光谱区直至远红外(甚至微波和毫米波)为截止区，截止宽度至少可达10μm以上，从而克服了因该波段短波通有色玻璃截止滤光片缺乏而带来的困难，不仅为超宽截止区的各种短波通截止滤光片和带通滤光片提供了可行性，而且为光电子器件提供了一个有效的电极。
需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1、一种超宽截止区的短波通截止滤光片，它包括基底，其特征是：位于基底上的半导体透明导电膜和多层氧化物膜交替的多层膜叠加构成。
2、根据权利要求1所述的超宽截止区的短波通截止滤光片，其特征是：氧化物膜由高折射率的TiO2膜和低折射率的SiO2膜组成。
3、根据权利要求1所述的超宽截止区的短波通截止滤光片，其特征是：所述的半导体透明导电膜为ITO，即掺锡氧化铟。
4、根据权利要求3所述的超宽截止区的短波通截止滤光片，其特征是：半导体透明导电膜ITO中至少有一层较厚的膜层。
5、根据权利要求1或2所述的超宽截止区的短波通截止滤光片，其特征是：所述的氧化物材料为TiO2和SiO2，其中高折射率的TiO2膜被置于半导体透明导电膜之间，而低折射率的SiO2膜被置于外层，两边最外面分别是基底和空气。
6、根据权利要求1所述的超宽截止区的短波通截止滤光片，其特征在于：通过选取各层膜的厚度，可以实现超宽截止区的短波通截止滤光片。
7、根据权利要求1所述的超宽截止区的短波通截止滤光片，其特征是：所述的基底材料可以用玻璃和塑料等可见区和近红外区透明的材料，入射媒质为空气。
8、根据权利要求1所述的超宽截止区的短波通截止滤光片，其特征是：光线在空气中以0°至45°的角度入射时，可以在波长400-800nm的光谱区实现高透射，而波长大于1000nm的光谱区直至远红外为截止区，截止宽度达10μm以上。
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2008
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