CN104297834A - 基于循环嵌套模型的多通带滤光片 - Google Patents

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Abstract

本发明属光学滤光片领域，具体是指针对多色荧光检测的基于循环嵌套模型的多通带滤光片，包括基片上镀制的基础膜系，其基本结构为：[(aHbL)^m αH(bLaH)^m βL]^n(aHbL)^m αH(bLaH)^m或[(aHbLaH)^m αL(aHbLaH)^m βL]^n(aHbLaH)^m αL(aHbLaH)^m；其中：H为高折射率材料；L为低折射率材料；α为间隔层系数，β为匹配层系数，共同决定通带的个数以及其相对位置；a、b为折射率匹配系数，m为反射膜堆的循环次数，a、b、m的匹配共决通带的半宽调整；n为膜系的总体循环个数，决定膜系的截止深度。本发明具有通带个数任意可调，各个通带集中存在于可见区域内，通带位置及通带半宽在截止内连续可调等特点。

Description

基于循环嵌套模型的多通带滤光片
技术领域
本发明属光学滤光片领域，具体是指针对多色荧光检测的基于循环嵌套模型的多通带滤光片。
背景技术
由于多带通滤光片可以对多色染料进行同时检测，不仅可以提高检测效率，而且避免了切换滤色模块时候引起的配准误差，保证观测图像，清晰、锐利。在高端荧光检测设备中有着十分重要的意义。
根据应用领用，荧光用多通带滤光片需要满足以下几个特点：各通带独立性强；半波带宽差异小；各通带相对位置和半宽大小连续可调；截止区截止背景深。
目前，现有的多通带滤光片的设计方法有三种。
1、一维晶体缺陷层模型，参见【王济洲，兰州物理研究所，一维光子晶体缺陷模的滤波特性及应用研究】，其基本形式如下。
(HL)^mαH(LH)^m或(HLH)^mαL(HLH)^m
基于基本形式的多级串联结构。
(HL)^mαH(LH)^mL(HL)^mαH(LH)^mL(HL)^mαH(LH)^m
其中H为高折射率材料，L为低折射率材料，m为反射膜堆的循环次数，α为峰位因子，调节其大小，可以任意通带的位置和数目。但由于通带的位置和数目只有这一个相关系数，所以一旦峰位因子大小确认，通带数目和各通带的位置就确定了，各通带相互影响，独立性差。参见图1所示。
2、双对称结构,参见【吴永刚，同济大学，相对位置可调谐的二维通带通道滤光片，专利号：CN1932558A】,其基本形式如下：
(HL)^2cH(LH)^2L(HL)^2cH(LH)^2dL(HL)^2cH(LH)^2L(HL)^2cH(LH)^2
其中H为高折射率材料，L为低折射率材料，c、d、为峰位因子，调节峰位因子的大小，可以相应地改变其相应通带的位置。由于其不同的峰位因子所对应的反射膜堆的厚度有巨大差异，不同级次的峰位因子对应的通带的半波带宽差异较大，不能完全有针对性的通带设计，极大地限制了其应用范围。参见图2所示。
3、分型结构模型【上海技术物理研究所，王少伟，基于分形结构的多通道位置独立可调滤光片，专利号：CN1811494A】，其主要形式如下。
双通带。
(HL)^mαH(LH)^mβL(HL)^mαH(LH)^m
或(HLH)^mαL(HLH)^mβL(HLH)^mαL(HLH)^m；
三通带。
(HL)^mαH(LH)^mβL(HL)^mαH(LH)^mγL(HL)^m
αH(LH)^mβL(HL)^mαH(LH)^m；
或。
(HLH)^mαL(HLH)^mβL(HLH)^mαL(HLH)^mγL(HLH)^m
αL(HLH)^mβL(HLH)^mαL(HLH)^m
其中H为高折射率材料，L为低折射率材料，m为反射膜堆的循环次数，α、β、γ为峰位因子，调节各个峰位因子的大小，可以相应地改变其相应通带的位置。与方法二的相同的原因，其不同的峰位因子所对应的反射膜堆的厚度有巨大差异，不同级次的峰位因子对应的通带的半波带宽差异较大，随着通带个数的增加，半宽的衰减越明显，参见图3所示。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种通带个数任意可调，各个通带集中存在于可见区域内，通带位置及通带半宽在截止内连续可调的基于循环嵌套模型的多通带滤光片。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
基于循环嵌套模型的多通带滤光片，其包括基片上镀制的基础膜系，其基本结构为。
[(aHbL)^mαH(bLaH)^mβL]^n(aHbL)^mαH(bLaH)^m或
[(aHbLaH)^mαL(aHbLaH)^mβL]^n(aHbLaH)^mαL(aHbLaH)^m；
其中：H为高折射率材料；L为低折射率材料；α为间隔层系数，β为匹配层系数，共同决定通带的个数以及其相对位置；a、b为折射率匹配系数，m为反射膜堆的循环次数，a、b、m的匹配共决通带的半宽调整；n为膜系的总体循环个数，决定膜系的截止深度。
作为一种优选方案，本发明所述H与L的厚度均为光学厚度为λ0/4的膜层。
进一步地，本发明所述H与L采用TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2或Nb2O5/SiO2光学薄膜材料。
本发明基于Fabry-Perot设计模型，可以根据荧光检测需要不同试剂进行有针对性的膜系设计。本发明具备通带个数，通带位置，通带半宽连续可调的优点，可很好地满足现有检测设备的需要。
本发明具有如下特点。
1、通带个数任意可调(根据荧光检测需要一般为2～4个)。
2、各个通带集中存在于可见区域内。
3、通带位置连续可调。
4、通带半宽在截止内连续可调。
5、各通带间截止深度＞OD6。(1OD＝-LogT)。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为现有一维晶体缺陷层模型图。
图2为现有双对称结构图。
图3为现有分型结构模型图。
图4为本发明循环嵌套模型图。
图5为本发明三腔膜系设计透射率曲线图。
图6为本发明三腔膜系设计背景曲线图。
具体实施方式
如图所示，基于循环嵌套模型的多通带滤光片，其包括基片上镀制的基础膜系，其基本结构为。
[(aHbL)^mαH(bLaH)^mβL]^n(aHbL)^mαH(bLaH)^m或
[(aHbLaH)^mαL(aHbLaH)^mβL]^n(aHbLaH)^mαL(aHbLaH)^m；
其中：H为高折射率材料；L为低折射率材料；α为间隔层系数，β为匹配层系数，共同决定通带的个数以及其相对位置；a、b为折射率匹配系数，m为反射膜堆的循环次数，a、b、m的匹配共决通带的半宽调整；n为膜系的总体循环个数，决定膜系的截止深度。
本发明所述H与L的厚度均为光学厚度为λ0/4的膜层。本发明所述H与L采用TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2或Nb2O5/SiO2光学薄膜材料。
参见图4所示，本发明系对传统的Fabry-Perot模型给出新的理解方式，即循环嵌套模型。将一个多腔F-B膜系的匹配层看做是以单个F-B腔为反射膜堆的“间隔层”。这样，尽管图中所示的匹配层两侧的反射膜堆不对称，但任意一个匹配层两侧膜层的位相厚度是一致的，这就使得其干涉透射峰会集中在同一个位置，且彼此加强。
根据上述的嵌套模型，以初始膜系为出发点，通过对膜系中相关系数的计算匹配，可以很容易的实现了多通带间波长位置和通带半宽的连续可调。基本膜系有以下两种形式。
[(aHbL)^mαH(bLaH)^mβL]^n(aHbL)^mαH(bLaH)^m或
[(aHbLaH)^mαL(aHbLaH)^mβL]^n(aHbLaH)^mαL(aHbLaH)^m其中符号含义如下。
1、H为高折射率材料，L为低折射率材料，其厚度均为光学厚度为λ0/4的膜层。
2、α为间隔层系数，β为匹配层系数，共同决定通带的个数以及其相对位置。
3、a、b为折射率匹配系数，m为反射膜堆的循环次数，a、b、m的匹配共决通带的半宽调整。
4、n为膜系的总体循环个数，决定膜系的截止深度。
本发明将一个多腔带通膜系的间隔层和匹配层分别看成不同多腔膜系的间隔层，利用改变间隔层厚度可以出现多级透射峰的原理，合理匹配α、β的关系，确定各通带的相对位置。由于其反射膜堆厚度差异只存在于内外层的F-B结构之间，通带半宽也差异不大，且可以根据需要调整各独立F-B腔的反射膜堆结构，实现半宽的粗调。此外，该循环膜系存在两个峰位因子，也保证了至少两个透射峰的位置独立，只要通过合理匹配，即可得到满意设计结果。
本发明将循环嵌套模型和等效折射率的结合，实现不同通带半波带宽的连续调整。在带通膜系中引入了a、b系数，通过合理匹配高低折射率的系数，不仅在粗调的基础上实现半宽的连续调整，而且可以调整每个F-B腔截止带的宽度，使得多通带间的距离调节更加完善。
本发明循环结构实现了内、外层F-B腔反射膜堆的共用，使得通带外的截止深度叠加共用，可用较少的层数实现复杂膜系功能。例如：三腔膜系，领域背景OD6，75层左右实现。如图5、图6。
以荧光检测常用的三通带滤光片为例：
光谱要求：BP1：446-468-22nm；
BP2：520-540-20nm；
BP3：614-642-28nm；
透射带透射率：T>90％；
领域截止背景：>OD6。
1、根据三个通带不同的位置、半宽和截止背景深度初步确定初始膜系，即m＝2；n＝7；α＝3；β＝2。
2、精确调整内层间隔层系数α，确认当α＝3.04时一、三通带位置基本满足要求，且两通带的截止距离与要求偏差不大，故可以取a＝1、b＝1。
3、精确调整外层膜系的间隔层系数β，确认当β＝2.0475时中间透射带的位置能够满足要求。
4、最终确认膜系为：(HLHL3.04HLHLH2.0475L)^7 HLHL3.04HLHLH。
5、通过优化，可以得到较为平整的通带形状。如图5、图6。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于循环嵌套模型的多通带滤光片，其特征在于，包括基片上镀制的基础膜系，其基本结构为：
[(aHbL)^mαH(bLaH)^mβL]^n(aHbL)^mαH(bLaH)^m或
[(aHbLaH)^mαL(aHbLaH)^mβL]^n(aHbLaH)^mαL(aHbLaH)^m；
其中：H为高折射率材料；L为低折射率材料；α为间隔层系数，β为匹配层系数，共同决定通带的个数以及其相对位置；a、b为折射率匹配系数，m为反射膜堆的循环次数，a、b、m的匹配共决通带的半宽调整；n为膜系的总体循环个数，决定膜系的截止深度。
2.根据权利要求1所述的基于循环嵌套模型的多通带滤光片，其特征在于：所述H与L的厚度均为光学厚度为λ0/4的膜层。
3.根据权利要求2所述的基于循环嵌套模型的多通带滤光片，其特征在于：所述H与L采用TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2或Nb2O5/SiO2光学薄膜材料。
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