CN103091759B

CN103091759B - 一种窄带干涉滤光片

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Publication number: CN103091759B
Application number: CN 201310045733
Authority: CN
Inventors: 李金宗; 朱兵; 李冬冬; 周东平
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-02-05
Also published as: CN103091759A

Abstract

本发明公开了一种窄带干涉滤光片，它包括由石英玻璃材料制成的基片，在该基片的上、下表面上分别镀制主峰膜系、截次峰膜系，其中：该主峰膜系为四半波膜系；该截次峰膜系为截次峰膜堆。本发明窄带干涉滤光片的光学性能好，具有通带透过率高、止带截止深、通带逼近矩形、斜入射漂移小等优点，稳定性高，可靠性高，与主动标志器配合使用，可有效消除阳光及其它杂散光对主动标志器识别带来的干扰，标识精度高。

Description

一种窄带干涉滤光片

技术领域

本发明涉及一种滤光片，尤指一种窄带干涉滤光片。

背景技术

干涉滤光片（薄膜干涉滤光片）的设计与研制，一般根据性能要求选择基片材质和膜层材料，用真空镀膜法在基片侧面交替形成具有一定厚度的高折射率或低折射率的金属膜—介质—金属膜，或全介质膜，以构成一种多级串联实心法布里—珀罗干涉仪。

目前，在设计窄带干涉滤光片时，通常主要考虑的是通带中心波长、通带宽度和通带透过率，而提高通带透过率一般会降低止带截止深度，反之亦然。一般情况下，若通带透过率高于90%，则止带截止深度一般≤1％。可见，目前很难得到一种既具有高通带透过率，又具有优良止带截止深度的窄带干涉滤光片。

另外，窄带干涉滤光片存在斜入射效应，光束斜入射时会导致通带短移、通带透过率降低以及波形变差，而目前在设计与研制窄带干涉滤光片时，大多很少考虑降低斜入射漂移影响的问题，也未涉及漂移补偿的设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种窄带干涉滤光片，该窄带干涉滤光片具有通带透过率高、止带截止深、通带逼近矩形、斜入射漂移小等优点，与主动标志器配合使用，可有效消除阳光等无用杂散光对主动标志器识别带来的干扰。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种窄带干涉滤光片，其特征在于：它包括由石英玻璃材料制成的基片，在该基片的上、下表面上分别镀制主峰膜系、截次峰膜系，其中：

该主峰膜系为四半波膜系，其中：该主峰膜系为二氧化硅膜层、五氧化二铌膜层交替层叠而成，该主峰膜系由至少48层膜层构成，每层该二氧化硅膜层的层厚与该窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值介于0.5至1.5之间，每层该五氧化二铌膜层的层厚与该窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值介于0.5至3.0之间；

该截次峰膜系为截次峰膜堆，其中：该截次峰膜系为二氧化硅膜层、五氧化二铌膜层交替层叠而成，该截次峰膜系由至少118层膜层构成，每层该二氧化硅膜层的层厚与该窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值介于0.2至2.0之间，每层该五氧化二铌膜层的层厚与该窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值介于0.1至2.0之间。

本发明的优点是：

本发明窄带干涉滤光片的光学性能好，具有通带透过率高、止带截止深、通带逼近矩形、斜入射漂移小等优点，稳定性高，可靠性高，可广泛应用于光电敏感器、光电通信、医学成像、汽车夜视成像、焊缝自动跟踪等系统中，用于光学滤波与杂散光抑制。

在实际中，本发明窄带干涉滤光片置于摄像装置的镜头前，与主动标志器配合使用，入射本发明滤光片的光束通过本发明滤光片过滤后被摄像装置采集，在经由成像处理设备进行相应处理后得到的图象中，有效消除了阳光及其它杂散光对主动标志器识别带来的干扰，能很好地完成对主动标志器的识别，且标识精度高，继而完成相对位姿参数测量、寻的跟踪等功能。

附图说明

图1是本发明窄带干涉滤光片的组成示意图；

图2是本发明窄带干涉滤光片第一实施例的主峰膜系的光学透过率特性曲线图；

图3是本发明窄带干涉滤光片第一实施例的截次峰膜系的光学透过率特性曲线图；

图4是本发明窄带干涉滤光片第一实施例的光学透过率特性曲线图；

图5是阳光光束以3.6°斜入射本发明滤光片时，成像处理设备处理后得到的图象；

图6是阳光光束入射本发明滤光片的斜入射角大于摄像装置的视场角时，成像处理设备处理后得到的图象。

具体实施方式

如图1所示，本发明窄带干涉滤光片包括由石英玻璃（JGS1）材料制成的基片10，在该基片10的上、下表面上分别镀制主峰膜系20、截次峰膜系30，其中：该主峰膜系20为四半波膜系，该四半波膜系是指采用四个谐振腔串联的膜系，可改善本发明窄带干涉滤光片的矩形系数和止带截止深度；该截次峰膜系30为截次峰膜堆，该截次峰膜堆是指截止的膜系形成的周期结构。

该主峰膜系20为低折射率的二氧化硅膜层（由SiO₂材料制成）、高折射率的五氧化二铌膜层（由Nb₂O₅材料制成）交替层叠而成，主峰膜系20由至少48层膜层构成，且在主峰膜系20中，距离基片10最近的膜层为二氧化硅膜层或五氧化二铌膜层，距离基片10最远的膜层为二氧化硅膜层或五氧化二铌膜层，每层该二氧化硅膜层的层厚与本发明窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长（λ₀/4）的比值介于0.5至1.5之间，例如比值可取0.5、1.0、1.5，每层该五氧化二铌膜层的层厚与本发明窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长（λ₀/4）的比值介于0.5至3.0之间，例如比值可取0.5、2.0、3.0。在实际设计中，主峰膜系220的各层二氧化硅膜层的层厚可各不相同，各层五氧化二铌膜层的层厚可各不相同，可通过相应算法对主峰膜系20的各层二氧化硅膜层的层厚以及各层五氧化二铌膜层的层厚进行进一步地厚度优化，以更好地消除通带波纹，使矩形系数小于等于1.5。

该截次峰膜系30为低折射率的二氧化硅膜层、高折射率的五氧化二铌膜层交替层叠而成，截次峰膜系30由至少118层膜层构成，且在截次峰膜系30中，距离基片10最近的膜层为二氧化硅膜层或五氧化二铌膜层，距离基片10最远的膜层为二氧化硅膜层或五氧化二铌膜层，每层该二氧化硅膜层的层厚与本发明窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长（λ₀/4）的比值介于0.2至2.0之间，例如比值可取0.2、1.0、2.0，每层该五氧化二铌膜层的层厚与本发明窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长（λ₀/4）的比值介于0.1至2.0之间，例如比值可取0.1、1.0、2.0。在实际设计中，截次峰膜系230的各层二氧化硅膜层的层厚可各不相同，各层五氧化二铌膜层的层厚可各不相同，可通过相应算法对截次峰膜系30的各层二氧化硅膜层的层厚以及各层五氧化二铌膜层的层厚进行进一步地厚度优化，以消除透射区和截止区高透射率尖峰，使止带截止深度在0.01%以下，投射区的透过率大于95%。

而在实际中，本发明窄带干涉滤光片的通带中心波长λ₀一般在780nm～1100nm范围内。

在本发明中，本发明选用了Nb₂O₅材料，虽然TiO₂材料的折射率比Nb₂O₅更高，但是，TiO₂材料的化学稳定性较差，在强辐照条件下，其折射率会发生变化，不能直接用于航天等对稳定性要求高的空间环境中，因而，本发明采用了Nb₂O₅材料。而Nb₂O₅与SiO₂这两种材料的折射率差大，且它们的化学稳定性和辐照稳定性都很好，所以选用了这两种材料交替层叠的结构设计。而这种交替层叠的结构设计可以有效地降低斜入射时的角度效应，保证波长位置、矩形系数和透过率。

在实际设计中，对基片10的厚度没有限制，一般为毫米量级，如在0.3mm～5mm范围内，应根据实际应用条件来确定。基片10的上、下表面在分别镀制主峰膜系20、截次峰膜系30之前，基片10应进行抛光处理。

在实际设计中，主峰膜系20、截次峰膜系30的镀制优选采用离子源镀膜工艺（此工艺为公知技术，但工艺中的参数是通过大量实验总结得到的，需要花费创造性的劳动），从而保证五氧化二铌膜层的吸收性和二氧化硅膜层的致密度，保障二氧化硅膜层与五氧化二铌膜层交替层叠后的应力，实现本发明滤光片通带中心波长无漂移，长期的高稳定性和高可靠性。在离子源镀膜工艺中，使用的烘烤温度为200℃～300℃，离子源的参数为：阳极电压220～270V，阳极电流5～8A，以使得本发明滤光片的通带中心波长漂移可减小到1nm以下。通过对二氧化硅膜层和五氧化二铌膜层的修正板调整，可使通带中心波长的均匀性在1nm以内。另外，二氧化硅膜层、五氧化二铌膜层之间优选采用离子辅助沉积技术（公知技术）实现结合，离子辅助沉积技术可大大提高膜层间的结合力，使膜层的牢固度大大提高。

为了防止光谱的散射，在本发明窄带干涉滤光片的四周侧壁（非工作面）上应涂敷黑色消光漆（例如采用S956消光漆）40，该消光漆40通过环氧树脂胶（例如采用环氧树脂胶E51（618））与本发明窄带干涉滤光片的四周侧壁粘接。当消光漆40涂覆上后，在120℃的温度下进行60分钟的固化，以解决消光漆40与基片10结合力不强的问题。另外，可保证本发明窄带干涉滤光片的四周侧壁不会有杂散光进入，提高滤光片的滤光效果。

综上，通过大量实验证实，本发明所得到的光学性能好，具有通带透过率高（T_ou≥95%）、止带截止深（止带截止深度J_s小于0.01%）、通带逼近矩形（通带矩形系数μ_ju≤1.5）、斜入射漂移小（通带中心波长λ₀的漂移不大于12nm）等优点，且稳定性高，可靠性高。

举例：

本发明窄带干涉滤光片第一实施例由基片以及镀制在该基片上、下表面上的主峰膜系、截次峰膜系构成，其中：

对于主峰膜系，从距离基片最近的膜层开始，主峰膜系的各膜层为：

0.947L；0.801H；0.967L；0.974H；0.976L；2.004H；1.016L；1.065H；1.092L；1.081H；1.023L；0.849H；0.828L；0.783H；0.933L；0.944H；1.011L；2.081H；1.019L；1.012H；0.999L；0.984H；1.028L；1.096H；1.068L；1.009H；1.019L；0.994H；1.003L；1.999H；1.005L；1.014H；1.009L；0.974H；0.925L；0.673H；1.049L；1.072H；1.048L；0.994H；0.991L；1.943H；0.998L；1.047H；1.043L；1.154H；1.205L；0.86H；1.074L，其中：

L代表二氧化硅膜层，H代表五氧化二铌膜层，H前的数字是指该膜层的层厚与窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值，同样，L前的数字是指该膜层的层厚与窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值，例如，0.947L表示该膜层为二氧化硅膜层，该膜层的层厚为λ₀/4乘以0.947，λ₀为窄带干涉滤光片将要得到的通带中心波长。

通过上述的结构设计，主峰膜系的通带透过率可达到95%以上，通带矩形系数小于1.5，在±12°斜入射时，通带中心波长λ₀的漂移小于7nm，主峰膜系的光学透过率特性如图2所示。

对于截次峰膜系，从距离基片最近的膜层开始，截次峰膜系的各膜层为：

1.027L；0.481H；1.671L；0.190H；1.576L；0.617H；1.156L；1.246H；0.838L；1.042H；0.777L；1.186H；1.033L；0.948H；0.945L；1.257H；1.152L；0.81H；0.678L；1.195H；1.470L；1.086H；0.663L；1.235H；0.841L；1.011H；1.035L；1.038H；1.033L；0.916H；0.919L；1.083H；0.897L；1.074H；0.749L；1.188H；0.779L；1.001H；0.655L；0.798H；0.794L；0.690H；0.783L；0.956H；0.828L；1.034H；0.836L；0.712H；0.833L；0.855H；0.668L；0.752H；0.939L；0.810H；0.829L；0.723H；0.688L；0.749H；0.804L；0.794H；0.886L；0.717H；0.619L；0.534H；0.685L；0.774H；0.806L；0.968H；0.595L；0.525H；0.612L；0.578H；0.588L；0.583H；0.643L；0.610H；0.614L；0.402H；0.437L；0.588H；0.667L；0.551H；0.536L；0.561H；0.593L；0.536H；0.581L；0.717H；0.775L；0.575H；0.526L；0.593H；0.790L；0.735H；0.616L；0.833H；0.508L；0.520H；0.613L；0.547H；0.555L；0.729H；0.642L；0.507H；0.372L；0.437H；0.445L；0.305H；0.570L；0.595H；0.357L；0.264H；0.476L；0.43H；0.578L；0.525H；0.491L；0.460H；1.088L，其中：

L代表二氧化硅膜层，H代表五氧化二铌膜层，H前的数字是指该膜层的层厚与窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值，同样，L前的数字是指该膜层的层厚与窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值，例如，0.481H表示该膜层为五氧化二铌膜层，该膜层的层厚为λ₀/4乘以0.481，λ₀为窄带干涉滤光片将要得到的通带中心波长。

通过上述的结构设计，截次峰膜系的通带透过率可达到95%以上，止带截止深度J_s小于0.01%，止带区域在200nm～850nm之内，截次峰膜系的光学透过率特性曲线如图3所示。

而通过上述对主峰膜系和截次峰膜系的设计，本发明第一实施例的光学透过率特性曲线如图4所示（图4中窄带干涉滤光片的通带透过率λ₀=943nm），得到如下主要特性：

1、通带透过率T_ou（即通带中心波长透光率）高，实际可达到T_ou≥92%。在实际中应尽量提高T_ou，以便减少接收光束能量的损失，提高接收信杂比。

2、通带宽度Δλ_0.5（即50%T_ou带宽）为23nm～28nm。反阳光效应的理论分析和实验结果表明，为了有利于提高接收信杂比，同时考虑实现可能性，窄带干涉滤光片的Δλ_0.5应尽可能窄，要求Δλ_0.5应接近20nm，可根据应用要求进行调整。

3、通带矩形系数μ_ju为1.3～1.5。通带的矩形系数μ_ju定义为Δλ_0.1与Δλ_0.9的比值，Δλ_0.9为90%T_ou带宽，Δλ_0.1为10%T_ou带宽，为了有利于提高接收信杂比，Δλ_0.9应尽量宽，Δλ_0.1应尽量窄。显然，μ_ju＞1.0，μ_ju越接近1，通带越接近矩形，效果就越好。

4、止带谱段：要求截止宽度大于接收设备响应波段范围，例如，若使用一种CCD摄像机时，则为200nm～1100nm，其中通带除外。

5、止带截止深度J_s小于0.06%。止带截止深度J_s直接影响对阳光及其它杂散光的抑制程度，截止越深，干扰抑制越干净，所以应尽量减小止带截止深度，以便很好地抑制干扰，有利于提高接收信杂比。

6、在光束斜入射（如斜入射角在0°～16°内变化）时，通带中心波长λ₀的漂移不大于8nm～12nm。为了有利于保持与入射光谱的最佳适配，应尽量减少斜入射时通带中心波长λ₀的漂移。

在实际中，本发明窄带干涉滤光片与主动标志器配合使用。主动标志器是一种作为合作目标、自己主动发光的设备，其所辐射的光波为一种单峰、均匀、对称、高亮度的圆锥形光波。由于主动标志器的辐射强度/功率是有限的，无法与阳光及其它杂散光的辐射强度相比，因此，需要通过本发明滤光片来消除阳光及其它杂散光带来的干扰，将主动标志器从具有阳光及其它杂散光干扰的背景中准确标识出来。

在使用中，将本发明窄带干涉滤光片置于摄像装置的镜头前，使主动标志器辐射近红外光，该近红外光的光束和阳光及其它杂散光的光束入射至本发明滤光片（准直入射或斜入射），通过本发明窄带干涉滤光片进行过滤后被摄像装置的镜头采集，然后，相连接的成像处理设备对摄像装置传送来的光波信号进行常规的光电转换、标志识别等处理（公知技术），从而将主动标志器的像斑与其它发光物体的像斑区分开，消除阳光及其它杂散光对主动标志器识别带来的干扰，准确识别出主动标志器。

在实际使用中，若不使用本发明窄带干涉滤光片，则成像处理设备处理后得到的图象为白茫茫一片，根本无法进行主动标志器的识别。

例如，主动标志器处于阳光背景中，令阳光光束以3.6°的斜入射角（最小临界入射角，入射本发明滤光片的光束的斜入射角是指光束与本发明滤光片工作面法线的夹角。）入射本发明滤光片，则被摄像装置采集、成像处理设备处理后得到的图象如图5所示。在图5中，较大白色区域为阳光干涉区域，其被限制在一个较小的局部区域内，大约为整个视场区域的二十分之一。图5中的较小白色区域为主动标志器的像斑，实验表明，只要主动标志器辐射的光束的入射角偏离一定的角度，就可使主动标志器的像斑与阳光干涉区域区分开。并且实验还表明，3.6°是使用本发明滤光片后能够分辨主动标志器像斑所允许的阳光最小临界入射角。

而当阳光光束入射本发明滤光片的斜入射角大于摄像装置的视场角时，阳光的干扰可以被完全消除，如图6所示，图6中的白色区域为主动标志器的像斑。

而在夜间时，本发明滤光片便可完全消除月光和星光的干扰，只保留主动标志器的像斑。

本发明的优点是：

在实际中，本发明窄带干涉滤光片置于摄像装置的镜头前，与主动标志器配合使用，入射本发明滤光片的光束通过本发明滤光片过滤后被摄像装置采集，在经由成像处理设备进行相应处理后得到的图象中，主动标志器与其它发光物体可被清晰区分开，从而有效消除了阳光及其它杂散光对主动标志器识别带来的干扰，能很好地完成对主动标志器的识别，且标识精度高，继而可使主动标志器完成相对位姿参数测量、寻的跟踪等功能。

上述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims

1.一种窄带干涉滤光片，其特征在于：它包括由石英玻璃材料制成的基片，在该基片的上、下表面上分别镀制主峰膜系、截次峰膜系，其中：

2.如权利要求1所述的窄带干涉滤光片，其特征在于：

对于所述主峰膜系，从距离所述基片最近的膜层开始，所述主峰膜系的各膜层为：

0.947L；0.801H；0.967L；0.974H；0.976L；2.004H；1.016L；1.065H；1.092L；1.081H；1.023L；0.849H；0.828L；0.783H；0.933L；0.944H；1.011L；2.081H；1.019L；1.012H；0.999L；0.984H；1.028L；1.096H；1.068L；1.009H；1.019L；0.994H；1.003L；1.999H；1.005L；1.014H；1.009L；0.974H；0.925L；0.673H；1.049L；1.072H；1.048L；0.994H；0.991L；1.943H；0.998L；1.047H；1.043L；1.154H；1.205L；0.86H；1.074L；

对于所述截次峰膜系，从距离所述基片最近的膜层开始，所述截次峰膜系的各膜层为：

1.027L；0.481H；1.671L；0.190H；1.576L；0.617H；1.156L；1.246H；0.838L；1.042H；0.777L；1.186H；1.033L；0.948H；0.945L；1.257H；1.152L；0.81H；0.678L；1.195H；1.470L；1.086H；0.663L；1.235H；0.841L；1.011H；1.035L；1.038H；1.033L；0.916H；0.919L；1.083H；0.897L；1.074H；0.749L；1.188H；0.779L；1.001H；0.655L；0.798H；0.794L；0.690H；0.783L；0.956H；0.828L；1.034H；0.836L；0.712H；0.833L；0.855H；0.668L；0.752H；0.939L；0.810H；0.829L；0.723H；0.688L；0.749H；0.804L；0.794H；0.886L；0.717H；0.619L；0.534H；0.685L；0.774H；0.806L；0.968H；0.595L；0.525H；0.612L；0.578H；0.588L；0.583H；0.643L；0.610H；0.614L；0.402H；0.437L；0.588H；0.667L；0.551H；0.536L；0.561H；0.593L；0.536H；0.581L；0.717H；0.775L；0.575H；0.526L；0.593H；0.790L；0.735H；0.616L；0.833H；0.508L；0.520H；0.613L；0.547H；0.555L；0.729H；0.642L；0.507H；0.372L；0.437H；0.445L；0.305H；0.570L；0.595H；0.357L；0.264H；0.476L；0.43H；0.578L；0.525H；0.491L；0.460H；1.088L；

其中：

L代表二氧化硅膜层，H代表五氧化二铌膜层，H前的数字是指该膜层的层厚与所述窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值，L前的数字是指该膜层的层厚与所述窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值。

3.如权利要求1或2所述的窄带干涉滤光片，其特征在于：

在所述窄带干涉滤光片的四周侧壁上涂敷黑色消光漆。

4.如权利要求1或2所述的窄带干涉滤光片，其特征在于：

所述主峰膜系、截次峰膜系的镀制采用离子源镀膜工艺。

5.如权利要求4所述的窄带干涉滤光片，其特征在于：

所述离子源镀膜工艺中使用的烘烤温度为200℃～300℃，离子源的参数为：阳极电压220～270V，阳极电流5～8A。