CN104181625A

CN104181625A - 一种双色滤光片及设计方法

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Publication number: CN104181625A
Application number: CN201410403432.7A
Authority: CN
Inventors: 蔡渊; 周晟; 刘定权
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2014-08-15
Filing date: 2014-08-15
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2034-08-15
Also published as: CN104181625B

Abstract

本发明公开了一种双色滤光片及设计方法，该滤光片是在基片的两侧都分别设计一个带有增透带的单带通膜系，基片某一侧单带通膜系中的增透带正好覆盖了另一侧的单带通的通带波段范围，它们在基片的两侧共同组成了双色滤光片。构成这种带有增透带的单带通膜系的基础膜系是法布里-珀珞带通膜系，运用TFCalc或FilmWizard光学薄膜设计软件，通过设定具体的优化目标和合适的优化层对其进行优化，最终得到沉积于基片两侧的带有增透带的单带通膜系，它们结合到一起便组成了双色滤光片。本发明的双色滤光片两个通带的相对位置可以连续调整，并且膜系的结构简单，当双色滤光片的4个通带边缘陡度都在2％以内时，所需的总膜层数仅为38层，工艺的可实施性好。

Description

一种双色滤光片及设计方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术，具体涉及一种双色滤光片及设计方法。

背景技术

带通滤光片在遥感探测，光谱学及光电子领域有着非常广泛的应用。在空间遥感探测领域，探测目标通常会辐射多个特征波段，为了实现对多个特征波段的同时探测，遥感设备内的光学系统通常会采用一个或多个分色器件来分离特征波段信号，分色器件不仅降低了各个波段信号的能量，而且增加了系统的复杂程度。

为了适应空间遥感仪器集成化，轻量化的发展趋势，多波段探测技术成为现代遥感技术的一条重要技术路径。多波段探测技术可以使多个光学信号波段在同一条光路实现探测接收，在简化了探测系统结构的同时，又提高了目标探测、识别的灵敏度和分辨率。为了实现双波段探测，系统中除了常规的光、电子器件外，还需包含双色探测器、双色滤光片等新型元器件。双色滤光片可以在相同的通光路径(或通光面积)上同时通过两个设定的工作光谱波段，并且有效拦截工作光谱波段以外光线。本发明提出了一种双色滤光片的设计方法。

对于带宽和中心波长任意的双色滤光片，首先想到的设计方案是“负滤光片膜系加宽带增透膜系”的设计方案，其方案示意图如图2所示。虽然该方法理论上可以实现带宽和中心波长任意的双带通滤光片的设计，但是负滤光片的设计涉及到理想膜层的等效以及入射和出射煤质的导纳匹配过程(参见文献[1])，膜系结构复杂，通常需要设计上百层的膜层，且所需的膜层材料多于两种，加大了镀制工艺难度，所以采用这种方案进行实际的滤光片研制难度相当大。

多个复杂法布里-珀珞膜系的叠加也可以产生双色或者多色滤光膜，其基本结构可以用[M₀C₁M₁…C_iM_i(T)]^k来表示(参见文献[2])，其中M表示镜面反射层，如果用H，L来表示1/4参考波长的高低折射率介质材料，M的结构可以是HL、HLHL、HLHLHL、LH、LHLH、LHLHLH、LHL、LHLHL、LHLHLHL、HLH、HLHLH、HLHLHLH等，C是间隔层，厚度通常是1/4参考波长的偶数倍，T代表匹配层，i和k都是不小于2的整数。这种基本结构的k次重复可以产生多带通的滤光片，多个通带之间的截至深度随着k的增加而变深。不同的基本结构的排列组合对应的各个通带的带宽及相对位置也不同，但是各个通带之间的相对位置并不是任意的，虽然这种排列组合的方式数目庞大，但不同通带间的相对距离却始终是一些离散的值，不能做连续调整。

[1]唐晋发、顾培夫、刘旭，等《现代光学薄膜技术》

[2]上川尚《多带通滤波器》CN1719283A

发明内容

本发明提出了一种双色滤光片及设计方法，使用这种方法可以得到两个通道波段之间相对位置连续可调的双色滤光片。

本发明提出的一种双色滤光片是由分布在基片两测的带有增透带的单带通膜系组合而成，基片两侧的单带通膜系为法布里-珀珞带通膜系；基片一侧的单带通膜系的光谱附带一个能够覆盖另一侧单带通通带范围的增透带，基片两侧的带有增透带的单带通膜系组合在一起构成双色滤光片。

其设计方案示意图如图3所示。这种单带通膜系是基于多腔串置的法布里-珀珞带通膜系，其基本结构为[反射层│间隔层│反射层]^k。主要有以下两种形式(其中H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，k是大于1的整数，代表谐振腔数目，m是不小于2的偶数)：

[…HLH│mL│HLH…]^k (1)

或[…[LHL│mH│LHL…]^k (2)

本发明提出的一种双色滤光片的具体实施步骤如下所述：

1)根据双色滤光片中2个通带的指标要求，设置2个多腔串置的法布里-珀珞带通膜系作为分布在基片两侧的初始膜系结构。

具体表述为：根据双色滤光片中每个通带的带宽要求，来设置相应的间隔层材料、间隔层厚度以及反射层的结构；根据通带边缘陡度要求，设置法布里-珀珞膜系的谐振腔数目；根据双色滤光片中每个通道的位置，设置相应的中心波长。

2)借助TFCalc或FilmWizard光学薄膜设计软件对基片两侧的初始膜系进行辅助优化设计，使基片每一侧的法布里-珀珞单带通初始膜系的光谱增加一个能够覆盖另一侧单带通通带范围的增透带，并且在优化过后，原先的单带通的通带透过率得到提高，通带波纹被压缩。

具体表述为：首先为基片每一侧的膜系添加优化目标，每一侧膜系的优化目标包括4部分：(1)两个通带范围之外的截止目标；(2)单通带的通带高透过目标；(3)两个通带之间的截止目标；(4)增透带高透过目标。基片每一侧膜系的优化目标(1)、(2)按照具体指标的要求来制定；优化目标(3)只需能够覆盖两个通带之间的截止区范围的一半即可；优化目标(4)的范围只需能够刚好覆盖另一侧单通带的通带范围即可。

然后选取合适的优化层。根据需要，膜系的每一层都可以作为优化层来进行优化，为了改善膜层与入、出射介质导纳的匹配，甚至可以增加膜层来进行优化。选取的优化层越多，通带波纹越平坦。为了保持较好的光谱矩形度，通带带波纹振幅在满足要求的情况下，可尽量少的设置优化层。

调整优化目标和优化方法会得到不同的优化结果，经过多次的优化尝试，得到理想的优化效果，最终在基片的每一侧得到一个带有增透带的单带通膜系，这种单带通膜系中的增透带正好覆盖了另一侧的单带通的通带波段范围。

3)将基片两侧的带有增透带的单带通膜系组合到一起，最终得到符合要求的双色滤光片。

由于两个单带通膜系分布在基片的两侧，它们彼此相互独立，和普通的单带通滤光片一样，其中心波长位置可以简单地单独确定，因此本发明的提出的双色滤光片的两个通带的相对位置可以连续调整，并且采用这种方法设计的双带通滤光片的膜系结构基于经典的法布里-珀珞带通膜系，结构简单，当双色滤光片的4个通带边缘陡度都在2％以内时，所需的总膜层数仅为38层，工艺的可实施性好。

附图说明

图1为基片两面分别镀制带有增透带的法布里-珀珞单带通膜系。

图2负滤光片膜系加宽带增透膜系的设计方案示意图。

图3基片两侧带有增透带的单带通膜系组成双色滤光片的设计方案示意图。

图4含有4个谐振腔膜系的通带中心波长较短侧的优化目标及优化结果。

图5含有4个谐振腔膜系的通带中心波长较长侧的优化目标及优化结果。

图6含有4个谐振腔膜系的双色滤光片的最终设计光谱曲线。

图7含有5个谐振腔膜系的通带中心波长较短侧的优化目标及优化结果。

图8含有5个谐振腔膜系的通带中心波长较长侧的优化目标及优化结果。

图9含有5个谐振腔膜系的双色滤光片的最终设计光谱曲线。

图10含有3个谐振腔，5层反射层膜系的通带中心波长较短侧的优化目标及优化结果。

图11含有3个谐振腔，5层反射层膜系的通带中心波长较长侧的优化目标及优化结果。

图12含有3个谐振腔，5层反射层膜系的双色滤光片的最终设计光谱曲线。

具体实施方式

下面根据实例，来说明本发明的具体实施方式。

首先以两个通带中心波长位置比例约为1.6，两个通带带宽都是通带中心波长的9％的双色滤光片为例，具体说明一种双色滤光片的设计过程。

滤光片的光谱性能和薄膜材料的光学常数相关，需要涉及到薄膜材料的具体折射率值，假设滤光片工作在红外波段，选取宝石(Al₂O₃)作为基底，锗(Ge)作为高折射率材料，一氧化硅(SiO)作为低折射率材料，其折射率分别为1.76、4.25与1.8(材料折射率因材料供应商及薄膜沉积工艺不同而不同，此处为设定值)。下面是膜系设计的具体步骤。

选取法布里-珀珞带通结构膜系为基础膜系，来设计基片两侧的带有增透带的单带通膜系。首先选取合适的反射层和间隔层结构，当双色滤光片的两个通带的带宽都是通带所处中心波长的9％时，基片两侧的初始膜系结构都可设定为LHL 2H LHL 4H LHL 4H LHL 2H LHL，并且基片一侧的膜系中心波长是另一侧的1.6倍。

基片两侧的初始膜系已经分别具备了单个通带结构，还需对它们进行膜层优化，来压缩通带波纹，并使基片两侧的初始膜系同时都具备一个增透带，基片一侧包含的增透带需要正好覆盖另一侧的单带通的通带波段范围。优化过程需要借助TFCalc或FilmWizard光学薄膜设计软件。设定合理的优化目标是优化过程的关键步骤。通带中心波长较短侧的优化目标如图2中的4条粗线所示，通带中心波长较长侧的优化目标如图3中的4条粗线所示。图2中的优化目标(4)应该正好覆盖图3中的优化目标(3)；图3中的优化目标(1)应该正好覆盖图2中的优化目标(2)，并且图2中的优化目标(3)和图3中的优化目标(2)的叠加应该保证两个通带之间的光谱被完全截止。

设定好优化目标后，对基底侧和表面侧的4层膜以及所有的反射层进行优化，即对除膜系结构中两个光学厚度为4H的间隔层外的所有膜层进行优化，最终得到总膜层数为38层的膜系：

中心波长较短侧膜系：0.56L 0.49H 0.53L 2.66H 0.48L 0.85H 1.06L 4H1.23L 0.54H 1.39L 4H 0.73L 1.43H 0.38L 2.62H 0.47L 0.34H 0.66L

中心波长较长侧膜系：0.69L 0.31H 1.42L 2H 0.82L 1.19H 0.94L 4H 0.97L1.09H 1.20L 4H 0.81L 0.93H 1.12L 2H 0.85L 1.34H 0.95L

通带中心波长较短侧和较长侧优化后的光谱曲线如图4、5所示，最终滤光片的光谱曲线如图6所示。

通过增加法布里-珀珞谐振腔的串置数目可以改善通带的陡度，例如将双色滤光片两个通道膜系的谐振腔数目都从4个增加到5个：LHL 2H LHL 4HLHL 4H LHL 4H LHL 2H LHL。

优化目标的设定和之前4个谐振腔的设定基本一致：图7中的优化目标(4)应该正好覆盖图8中的优化目标(3)；图8中的优化目标(1)应该正好覆盖图7中的优化目标(2)，并且图7中的优化目标(3)和图8中的优化目标(2)的叠加应该保证两个通带之间的光谱被完全截止。由于谐振腔数目增加，通带波纹的振动会明显增大，待优化膜层的选定会略有不同：在中心波长较短侧膜系中，对基底侧和表面侧的4层膜以及所有的反射层进行优化；而在在中心波长较长侧膜系中，除了对基底侧和表面侧的4层膜以及所有的反射层进行优化外，还需在表面侧增加2层匹配膜。

最终得到总膜层数为48层的膜系：

中心波长较短侧膜系：0.2L 0.22H 0.84L 4.4H 0.58L 0.69H 1.46L 4H 0.84L0.72H 1.12L 4H 1.18L 0.63H 0.94L 4H 1.46L 0.72H 0.39L 5.03H 0.28L 2.79H1.35L

中心波长较长侧膜系：0.5L 2.62H 0.4L 2.62H 0.71L 2.62H 1.68L 4H 0.48L1.24H 1.08L 4H 0.84L 1.29H 0.54L 4H 1.14L 1.29H 1.64L 2.86H 0.38L 0.42H0.24L 1.53H 0.53L

通带中心波长较短侧和较长侧优化后的光谱曲线如图7、8所示，最终滤光片的光谱曲线如图9所示。

若定义陡度的表达式为λ_δ/λ₀＝(0.1Tp-0.8Tp)/λ₀(其中Tp为峰值透过率，λ₀为中心波长)，则双色滤光片的两个通带的4个边缘的陡度值分别从1.5％、2.0％、1.3％、1.5％，减少到0.8％、1.3％、1.0％、1.1％，陡度特性明显改善。

通过调整法布里-珀珞谐振腔内间隔层的厚度以及反射层的层数，可以调整法布里-珀珞带通膜系的带宽。例如若将反射层层数从3层增加到5层，通带宽度会明显减小，例如设置初始膜系为：LHL 4H LHLHL 4H LHLHL 4HLHL。

优化目标的设定为：图10中的优化目标(4)应该正好覆盖图11中的优化目标(3)；图11中的优化目标(1)应该正好覆盖图10中的优化目标(2)，并且图10中的优化目标(3)和图11中的优化目标(2)的叠加应该保证两个通带之间的光谱被完全截止。选择所有的反射层为待优化膜层。

最终得到总膜层数为38层的膜系：

中心波长较短侧膜系：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

中心波长较长侧膜系：0.87L 1.38H 1.68L 4H 0.13L 1.21H 0.83L 1.08H 1.1L4H 0.91L 1.01H 0.83L 1.1H 0.69L 4H 1.44L 2.47H 0.59L

通带中心波长较短侧和较长侧优化后的光谱曲线如图10、11所示，最终滤光片的光谱曲线如图12所示。

在进行实际的双色滤光片设计时，首先要确定基片每一侧的法布里-珀珞初始膜系，其过程和单带通膜系的设计一致，设计过程的关键是对初始膜系的优化，上述几个实施例所包含的优化过程是个别双色滤光片膜系设计的演示，实际的设计过程中，不必拘泥于此，例如膜系设计者除了可以在膜系的基片侧、表面侧增减膜层，进行优化匹配，也可以在反射层中增减膜层来进行优化，还可以进一步将间隔层进行优化，以期获取更好的优化匹配，减少通带波纹，增加通带的透过率。优化结果也会因为优化目标及优化方法的改变而发生变化，优化过程中应该多做尝试，以得到理想的效果。总之，具体的设计和优化可以根据实际情况做广泛的调整，而运用本专利的设计思路进行的膜系设计均属于本专利的保护范围。

Claims

1.一种双色滤光片，它由基片及基片两侧的带有增透带的单带通膜系组成，其特征在于：

(1)所述的基片两侧的带有增透带的单带通膜系为多腔串置的法布里-珀珞带通膜系；

(2)基片每一侧的单带通膜系的光谱增加一个能够覆盖另一侧单带通通带范围的增透带，基片两侧的带有增透带的单带通膜系组合在一起构成双色滤光片，并且基片每一侧的单带通滤光片的截至带叠加到一起构成双色滤光片的截止带。

2.一种如权利要求1所述的一种双色滤光片的设计方法，其特征在于方法如下：所述的基片两侧的带有增透带的单带通膜系中每一侧的带有增透带的单带通膜系是互不干扰，独立设计的；通过优化多腔串置的法布里-珀珞带通膜系中的反射层，以及在基底侧和表面侧上设置并优化匹配层而得到所需的膜系结构。