CN106443853B - 一种可见光近红外透射中长波红外反射的宽光谱分色片 - Google Patents
一种可见光近红外透射中长波红外反射的宽光谱分色片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可见光近红外透射中长波红外反射的宽光谱分色片。该分色片由光学基片及基片一侧依次镀制的匹配膜层、诱导透射膜层构成。该分色片通过在基片与诱导透射膜层之间增加匹配膜层，来展宽分色片通带的宽度以及提高光谱过渡区的陡度。匹配膜层为多层非规整介质膜系结构，诱导透射膜层为两层介质膜之间加金属膜的组合结构。本发明分色片具有可见光近红外波段通带宽，中长波红外波段反射率高，光谱过渡区陡度大等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜技术。具体指一种透射可见光近红外波段，反射中长波红外波段的宽光谱分色片。
技术背景
宽光谱分色片是一种能够把可见光近红外和中远红外光谱能量分开的光学器件，它在航空航天遥感领域有着重要应用。为了得到丰富的遥感信息，许多空间光学遥感仪器都采用了多光谱通道的方式，光谱通道分布在从可见光到长波红外(0.4～15μm)的宽光谱范围，并且有着向光谱范围更宽，光谱通道更多，光谱更加密集的方向发展之趋势。为了将不同的光谱分配到不同的光路和探测焦面上，需要研制(超)宽光谱分色片，要求分色片的光谱覆盖所有光谱通道，反射或透射的光学能量高，反射区和透射区之间的光谱过渡迅速。因此，如何得到高光学效率的宽光谱分色片，同时实现透射区到反射区的迅速过渡，充分利用光谱信道资源，对于整个仪器非常重要，有时甚至是决定仪器成功与否的决定性因素。
目前在光学遥感仪器宽光谱分色片的研制中，要实现可见-红外宽光谱分色，分色膜中需要有金属膜层参与，以便在可见区域诱导透射，在红外区域依靠金属膜层的金属特性实现反射。这类分色片的优势是光谱覆盖范围宽，反射区可以展开到长波红外，甚至更远的地方。但这种单一的诱导透射结构分色片也存在一些不足，主要表现在：①当透射区的光谱较宽时，金属膜层需要非常薄，金属性表现不充分，导致可见光近红外波段透过率以及红外波段反射率降低，分色片的性能下降；②光谱过渡比较缓慢，过渡区的光谱资源不能得到充分利用；③金属膜层非常薄，膜层的光学厚度难以控制，工艺重复性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽光谱分色片，透射可见光近红外波段，反射中长波红外波段，解决了空间遥感用宽光谱分色片可见近红外通带宽，中长波红外反射率高，光谱过渡区陡度大等指标要求不能同时实现的技术难题。
本发明的技术方案是：一种可见光近红外透射中长波红外反射的宽光谱分色片结构如附图1所示，在光学基片1的一侧依次制备匹配膜层2和诱导透射膜层3。
宽光谱分色片的膜系结构为：
基片1/匹配膜层2/诱导透射膜层3/空气
所述的匹配膜层2为高、低折射率材料交叠的多层介质膜层，其膜系结构为：
当匹配膜层2的膜层数为奇数时，膜系为：
a1H a2L a3H…an-1L anH；
当匹配膜层2的膜层数为偶数时，膜系为：
a1H a2L a3H…an-1H anL
其中：H代表光学厚度为λ0/4的高折射率材料膜层，所述的高折射率材料为Ta2O5、Nb2O5或TiO2；L代表光学厚度为λ0/4的低折射率材料膜层，所述的低折射率材料为SiO2；λ0为中心波长；a1，a2，a3，…，an-1，an代表匹配膜层2各膜层的光学厚度的系数，其值均为大于零的正数；n代表匹配膜层2的总层数，其值为6～12之间的整数；
所述的诱导透射膜层3采用两层相同的介质膜之间加金属膜的组合结构，即在匹配膜层2上依次镀制介质层4、金属层5与介质层4；介质层4)硫化锌(ZnS)膜层，厚度为45～80nm；金属层5为银膜层，厚度为5～9nm。
本发明的宽光谱分色片具有以下几个方面的优点：
1)本发明所述的分色片采用优化后的全介质匹配膜层+诱导透射膜层结构设计，展宽了可见光近红外波段通带，中长波红外波段保持了较高反射率，并且缩短了透射区与反射区之间的过渡带。
2)本发明所述的分色片结构简单，工艺重复性好，便于制备。
附图说明
图1为可见光近红外透射中长波红外反射的宽光谱分色片的结构示意图。
图2为实施实例1给出的宽光谱分色片在0.45～2.5μm增加匹配膜层前后透过率设计曲线。其中，曲线a为增加匹配膜层前透过率曲线，曲线b为增加匹配膜层后透过率曲线。
图3为实施实例1给出的宽光谱分色片在2～14μm增加匹配膜层前后反射率设计曲线。其中，曲线a为增加匹配膜层前反射率曲线，曲线b为增加匹配膜层后反射率曲线。
图4为实施实例2给出的宽光谱分色片在0.5～2.5μm增加匹配膜层前后透过率设计曲线。其中，曲线a为增加匹配膜层前透过率曲线，曲线b为增加匹配膜层后透过率曲线。
图5为实施实例2给出的宽光谱分色片在2～14μm增加匹配膜层前后反射率设计曲线。其中，曲线a为增加匹配膜层前反射率曲线，曲线b为增加匹配膜层后反射率曲线。
图6为实施实例3给出的宽光谱分色片在0.35～2.5μm增加匹配膜层前后透过率设计曲线。其中，曲线a为增加匹配膜层前透过率曲线，曲线b为增加匹配膜层后透过率曲线。
图7为实施实例3给出的宽光谱分色片在2～14μm增加匹配膜层前后反射率设计曲线。其中，曲线a为增加匹配膜层前反射率曲线，曲线b为增加匹配膜层后反射率曲线。
图8为实施实例4给出的宽光谱分色片在0.4～2.5μm增加匹配膜层前后透过率设计曲线。其中，曲线a为增加匹配膜层前透过率曲线，曲线b为增加匹配膜层后透过率曲线。
图9为实施实例4给出的宽光谱分色片在1.8～14μm增加匹配膜层前后反射率设计曲线。其中，曲线a为增加匹配膜层前反射率曲线，曲线b为增加匹配膜层后反射率曲线。
具体实施方式
本专利提出的一种可见光近红外透射中长波红外反射的宽光谱分色片结构如附图1所示，其特点是由光学基片1以及基片一侧依次制备的匹配膜层2和诱导透射膜层3构成。下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
实施例1：本实施例的具体技术指标要求为：
分色片工作角度为45°，透射区波段：0.45～1.6μm，T≥75％；反射区波段：2.3～4μm，R≥70％；4～8μm，R≥82％，8～14μm，R≥90％。
根据技术要求，以JGS-1石英玻璃作为基片，选择氧化钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)分别作为匹配膜层的高折射率材料和低折射率材料；硫化锌(ZnS)和银(Ag)分别作为诱导透射膜层的介质材料和金属材料。分色片采用单一的诱导透射膜层时，即膜系为Glass/60nm ZnS/6nm Ag/60nm ZnS/Air，由图2中曲线a的透过率曲线以及图3中曲线a的反射率曲线可知，光谱性能均不能达到技术指标要求。为了展宽可见光近红外波段通带，缩短透射区与反射区之间的过渡带，提高分色片在2.3～4μm波段的反射率，需要在基片与诱导透射膜层之间增加介质匹配膜层。选择设计波长为600nm，使用光学薄膜软件Film Wizard对膜系进行设计优化计算，最终得到总膜层数为12层的膜系。
其中，匹配膜层的层数为9层，膜层厚度分布如表1所示：
表1
诱导透射膜层的层数为3层，膜层厚度分布如表2所示。
| 膜层序号 | 膜层材料 | 膜层物理厚度(nm) |
| 1 | ZnS | 60 |
| 2 | Ag | 6 |
| 3 | ZnS | 60 |
表2
图2中的曲线b是宽光谱分色片在0.45～2.5μm增加匹配膜层后的透过率设计曲线，图3中的曲线b是宽光谱分色片在2～14μm增加匹配膜层后的反射率设计曲线。从图中可以看出，增加了介质匹配膜层后，0.45～1.61μm透射率大于75％，展宽了可见光近红外波段通带；2.3～4μm反射率大于70％，反射率得到了明显的提高，并且缩短了透射区与反射区之间的过渡带；4～8μm反射率大于82％，8～14μm反射率大于90％，使得中长波红外波段保持了较高反射率。
实施例2：本实施例的具体技术指标要求为：
分色片工作角度为45°，透射区波段：0.50～1.70μm，T≥75％；反射区波段：2.6～4μm，R≥70％；4～8μm，R≥80％；8～14μm，R≥90％。
根据技术要求，以JGS-1石英玻璃作为基片，选择氧化钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)分别作为匹配膜层的高折射率材料和低折射率材料；硫化锌(ZnS)和银(Ag)分别作为诱导透射膜层的介质材料和金属材料。分色片采用单一的诱导透射膜层时，即膜系为Glass/80nm ZnS/6nm Ag/80nm ZnS/Air，由图4中曲线a的透过率曲线以及图5中曲线a的反射率曲线可知，光谱性能均不能达到技术指标要求。选择设计波长为600nm，使用光学薄膜软件Film Wizard对膜系进行设计优化计算，最终得到总膜层数为15层的膜系。
其中，匹配膜层的层数为12层，膜层厚度分布如表3所示：
表3
透射诱导膜层的层数为3层，膜层厚度分布如表4所示：
| 膜层序号 | 膜层材料 | 膜层物理厚度(nm) |
| 1 | ZnS | 80 |
| 2 | Ag | 6 |
| 3 | ZnS | 80 |
表4
图4中的曲线b是宽光谱分色片在0.5～2.5μm增加匹配膜层后的透过率设计曲线，图5中的曲线b是宽光谱分色片在2～14μm增加匹配膜层后的反射率设计曲线。从图中可以看出，增加了介质匹配膜层后，0.5～1.73μm透射率大于75％；2.54～4μm反射率大于70％，4～8μm反射率大于80％，8～14μm反射率大于90％，分色片满足技术指标要求。
实施例3：本实施例的具体技术指标要求为：
分色片工作角度为45°，透射区波段：0.35～1.6μm，T≥75％；反射区波段：2.4～4μm，R≥70％；4～8μm，R≥80％；8～14μm，R≥88％。
根据技术要求，以JGS-1石英玻璃作为基片，选择氧化钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)分别作为匹配膜层的高折射率材料和低折射率材料；硫化锌(ZnS)和银(Ag)分别作为诱导透射膜层的介质材料和金属材料。分色片采用单一的诱导透射膜层时，即膜系为Glass/45nm ZnS/5nm Ag/45nm ZnS/Air，由图6中曲线a的透过率曲线以及图7中曲线a的反射率曲线可知，光谱性能均不能达到技术指标要求。选择设计波长为600nm，使用光学薄膜软件Film Wizard对膜系进行设计优化计算，最终得到总膜层数为14层的膜系。
其中，匹配膜层的层数为11层，膜层厚度分布如表5所示：
表5
匹配膜层的层数为3层，膜层厚度分布如表6所示：
| 膜层序号 | 膜层材料 | 膜层物理厚度(nm) |
| 1 | ZnS | 45 |
| 2 | Ag | 5 |
| 3 | ZnS | 45 |
表6
图6中的曲线b是宽光谱分色片在0.35～2.5μm增加匹配膜层后的透过率设计曲线，图7中的曲线b是宽光谱分色片在2～14μm增加匹配膜层后的反射率设计曲线。从图中可以看出，增加了介质匹配膜层后，0.35～1.6μm透射率大于75％；2.4～4μm反射率大于70％；4～8μm反射率大于80％，8～14μm反射率大于88％，分色片满足了技术指标要求。
实施例4：本实施例的具体技术指标要求为：
分色片工作角度为45°，透射区波段：0.40～1.20μm，T≥75％；反射区波段：1.8～4μm，R≥80％；4～8μm，R≥88％；8～14μm，R≥94％。
根据技术要求，以JGS-1石英玻璃作为基片，选择氧化铌(Nb2O5)和二氧化硅(SiO2)分别作为匹配膜层的高折射率材料和低折射率材料；硫化锌(ZnS)和银(Ag)分别作为诱导透射膜层的介质材料和金属材料。分色片采用单一的诱导透射膜层时，即膜系为Glass/56nm ZnS/9nm Ag/56nm ZnS/Air，由图8中曲线a的透过率曲线以及图9中曲线a的反射率曲线可知，光谱性能均不能达到技术指标要求。选择设计波长为600nm，使用光学薄膜软件Film Wizard对膜系进行设计优化计算，最终得到总膜层数为9层的膜系。
其中，匹配膜层的层数为6层，膜层厚度分布如表7所示：
表7
诱导透射膜层的层数为3层，膜层厚度分布如表8所示：
| 膜层序号 | 膜层材料 | 膜层物理厚度(nm) |
| 1 | ZnS | 56 |
| 2 | Ag | 9 |
| 3 | ZnS | 56 |
表8
图8中的曲线b是宽光谱分色片在0.40～2.5μm增加匹配膜层后的透过率设计曲线，图9中的曲线b是宽光谱分色片在1.8～14μm增加匹配膜层后的反射率设计曲线。从图中可以看出，增加了介质匹配膜层后，0.40～1.20μm透射率大于75％；1.8～4μm反射率大于80％，4～8μm反射率大于88％，8～14μm反射率大于94％，分色片满足了技术指标要求。
综合以上的实例论证，本发明提出的可见光近红外透射中长波红外反射的宽光谱分色片设计方法是切实有效可行的。实例表明在基片与诱导透射膜层之间增加匹配膜层，可以使分色片展宽可见光近红外波段通带，缩短透射区与反射区过渡带，以及使中长波红外波段保持较高反射率。该方法优良的设计灵活性使得本发明提出的可见光近红外透射中长波红外反射的宽光谱分色片在多光谱遥感应用领域具有重要的实用前景。
Claims (1)
1.一种可见光近红外透射中长波红外反射的宽光谱分色片，由光学基片(1)及基片一侧依次镀制的匹配膜层(2)、诱导透射膜层(3)构成，其特征在于：所述的宽光谱分色片的膜系结构为：
基片(1)/匹配膜层(2)/诱导透射膜层(3)/空气
所述的匹配膜层(2)为高、低折射率材料交叠的多层介质膜层，其膜系结构为：
当匹配膜层(2)的膜层数为奇数时，膜系为：
a1H a2L a3H…an-1L anH；
当匹配膜层(2)的膜层数为偶数时，膜系为：
a1H a2L a3H…an-1H anL
其中：H代表光学厚度为λ0/4的高折射率材料膜层，所述的高折射率材料为Ta2O5、Nb2O5或TiO2；L代表光学厚度为λ0/4的低折射率材料膜层，所述的低折射率材料为SiO2；λ0为中心波长；a1，a2，a3，…，an-1，an代表匹配膜层(2)各膜层的光学厚度的系数，其值均为大于零的正数；n代表匹配膜层(2)的总层数，其值为6～12之间的整数；
所述的诱导透射膜层(3)采用两层相同的介质膜之间加金属膜的组合结构，即在匹配膜层(2)上依次镀制介质层(4)、金属层(5)与介质层(4)；介质层(4)为硫化锌(ZnS)膜层，厚度为45～80nm；金属层(5)为银膜层，厚度为5～9nm。
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