CN107132603B - 一种从紫外到短波红外的宽光谱低偏振灵敏度分色片 - Google Patents
一种从紫外到短波红外的宽光谱低偏振灵敏度分色片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种从紫外到短波红外的宽光谱低偏振灵敏度分色片，该分色片以石英为基底，膜系以Nb2O5和Ta2O5为高折射率材料、以SiO2为低折射率材料。在石英基底一面依次添加中心波长从近红外至紫外逐渐递减的长波通反射膜Ⅰ、反射膜Ⅱ、反射膜Ⅲ和反射膜Ⅳ，在反射膜Ⅰ与基底之间插入匹配层Ⅰ，在反射膜Ⅳ与空气之间添加匹配层Ⅱ，最后保持全部高折射率膜层厚度不变，将低折射率膜层厚度作为唯一优化参数对初始膜系进行优化从而获得最终分色膜系。本发明分色片光谱覆盖范围宽、偏振灵敏度低，能够有效地将波段相近的近红外光谱进行分离，适合于多光谱低偏振灵敏度航天海洋遥感仪器的分色使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学薄膜分色片，具体指一种基于石英基底的从紫外到短波红外的宽光谱低偏振灵敏度分色片。
背景技术
分色片作为光学系统中重要的分光器件，在多光谱和宽光谱航天遥感成像仪器及通信系统中有着广泛的应用。由于分色片通常是在倾斜条件下使用，由此会带来光的偏振光谱分离。对于海洋遥感光学系统来说，若入射光存在偏振状态变化，会引起系统接收的光电信号改变，形成探测值和数据反演的误差，因而海洋遥感载荷对系统和光学元件提出了低偏振灵敏度控制的要求。紫外、可见、近红外/短波红外分色片是将紫外、可见、近红外与短波红外光进行光谱分离。分色片通常按膜料可分为介质分色片和金属诱导分色片两大类。目前的低偏振灵敏度介质分色片大都集中为将紫外与可见光的光谱进行分离，或者将可见与近红外进行光谱分离，或者将近红外与短波红外波段光谱分离，其波段覆盖范围均较窄；低偏振灵敏度金属诱导滤光片产品虽然能够覆盖较宽的波段范围，但它只能应用于透射可见光与近红外光而反射红外光的光路系统中。在一些海洋遥感光学系统光路中需要反射紫外、可见和近红外光而透射短波红外光，且保持反射波段和透射波段内均具有低的偏振灵敏度。目前还没有能够满足这一光谱要求的宽光谱低偏振灵敏度分色片的可用产品。
对于所探讨的分色片，其透射波段内偏振灵敏度定义为透射的P光与S光的透射率差值的绝对值除以P光与S光的透射率之和；同样地分色片反射波段内偏振灵敏度定义为反射的P光与S光的反射率差值的绝对值除以P光与S光的反射率之和。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于石英基底的反射紫外、可见与近红外而透射短波红外的低偏振灵敏度分色片，满足需反射紫外、可见和近红外而透射短波红外的海洋遥感低偏振灵敏度光学系统的需求。
本发明的技术方案是：在石英基底一面依次镀制中心波长从近红外至紫外逐渐递减的长波通反射膜Ⅰ、反射膜Ⅱ、反射膜Ⅲ和反射膜Ⅳ，在反射膜Ⅰ与石英基底之间插入匹配层Ⅰ，以实现基底与反射膜层间的折射率匹配，在反射膜Ⅳ与空气之间添加匹配层Ⅱ，以实现反射膜层与空气之间的折射率匹配。最后保持全部高折射率膜层厚度不变，将低折射率膜层厚度作为唯一优化参数对初始膜系进行优化从而获得最终分色膜系。这样使得各个反射堆之间折射率更好地匹配，并且减小了透射带波纹、降低了透射带偏振灵敏度。
受到紫外波段容易产生吸收而导致反射率降低的限制，为降低吸收、保证尽可能高的紫外反射率，所选材料在紫外区域的吸收要尽可能小。同时由于分色片反射带宽较宽，还要兼顾高低折射率材料的折射率比值尽可能大、以展宽反射带宽、提高反射率并尽可能地减少反射膜层数。因此最终选择靠近基底的匹配层Ⅰ、反射膜Ⅰ和反射膜Ⅱ采用Nb2O5和SiO2分别作为高低折射率材料，而靠近空气的反射膜Ⅲ、反射膜Ⅳ和匹配层Ⅱ采用Ta2O5和SiO2分别作为高低折射率材料，以减小紫外区域的吸收。考虑到可靠性问题，避免应力积累导致膜层不牢，尽可能地减少反射膜堆数和反射膜层周期数。
反射膜Ⅳ和反射膜Ⅲ的中心波长分别为紫外和可见波段，可将入射在分色片表面的紫外、可见光直接反射而不入射到紫外吸收较大的Nb2O5膜层。尽管Ta2O5材料在紫外的吸收相对较小，但其合适的工艺控制对紫外吸收的降低也起着关键性作用。
在石英基底的另一面镀制短波红外减反膜。
根据以上分析，该分色片的实现包括以下步骤：
1.膜系的构建
基底分色面的初始膜系为：
基底/(0.20L1.15N2.97L) 2.25(0.5NL0.5N)9 1.68(0.5NL0.5N)9
1.26(0.5HL0.5H)10 (0.5HL0.5H)10 (0.15H3.89L)/空气
保持该初始膜系中N、H膜层厚度不变，将L膜层厚度作为唯一优化参数对膜系进行优化获得最终分色膜系。
基底另一面短波红外减反膜膜系为：
基底/0.69H1.11L5.55H2.79L/Air
N表示光学厚度为λ0/4的Nb2O5膜层、H表示光学厚度为λ0/4的Ta2O5膜层、L表示光学厚度为λ0/4的SiO2膜层；λ0为408nm中心波长；N、H、L前的数字与括号前数字的乘积为λ0/4光学厚度的比例系数乘数。
2.减小膜层材料在紫外波段吸收的工艺控制
分色膜系和减反膜系的各膜层均采用离子束辅助镀膜工艺镀制，参数为：阳极电压140V，阴极电流12A，充氧量18sccm，Nb2O5、Ta2O5和SiO2的沉积速率分别为0.23nm/s、0.12nm/s和0.9nm/s，沉积温度为250℃。
本发明的有益效果如下：
1.本发明提供了一种基于石英基底的紫外/可见/近红外、短波红外宽光谱低偏振灵敏度分色片，反射区的反射光谱带宽范围宽，且反射率高，满足了光学系统的光谱能量传递需求。
2.本发明分色片能够有效地将波段相近的920nm和1010nm进行反射与透射分光。
3.本发明对不同材料组成的反射膜位置布局，避免了Nb2O5材料在紫外区域的吸收，保证了紫外波段的高反射率和低偏振灵敏度。
附图说明
图1是分色片膜层结构示意图，其中：
1——分色片基底；
2——匹配层I；
3——反射膜I；
4——反射膜Ⅱ；
5——反射膜Ⅲ；
6——反射膜Ⅳ；
7——匹配层Ⅱ；
8——短波红外减反膜。
图2是分色片实测紫外/可见/近红外波段反射率曲线(入射角为32°)；9为S光的反射率，10为P光的反射率，11为S光和P光的平均反射率。
图3是分色片实测短波红外波段透射率曲线(入射角为32°)；12为S光的透射率，13为P光的透射率，14为S光和P光的平均透射率。
图4为分色片在各个工作波段范围内的实测偏振灵敏度曲线(入射角为32°)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明实施例的具体技术指标要求为：
基底材料为石英，分色片的工作角度为32°。
根据技术要求，以石英材料作为基底，要实现反射紫外、可见、近红外波段而透射短波红外波段，且要求在反射波段和透射波段均具有低偏振灵敏度。膜系设计上首先要考虑到反射带宽较宽，因此需要多个具有不同中心波长反射膜堆的相互叠加。其次考虑到基底与膜层间的折射率匹配，因此在反射堆与基底之间加入匹配层。然后考虑到材料在紫外区域的吸收要尽可能小，且要兼顾高低折射率材料的折射率比值尽可能大、以展宽反射带宽、提高反射率并尽可能地减少反射膜层数，因此最终选择靠近基底的匹配层Ⅰ、反射膜Ⅰ和反射膜Ⅱ采用Nb2O5和SiO2分别作为高低折射率材料，而靠近空气的反射膜Ⅲ、反射膜Ⅳ和匹配层Ⅱ采用Ta2O5和SiO2分别作为高低折射率材料。反射膜Ⅳ和反射膜Ⅲ的中心波长分别采用紫外和可见波段，将入射在分色片表面的紫外/可见光经反射直接进入系统反射光路。给出初始分色膜系为：
基底/(0.20L1.15N2.97L) 2.25(0.5NL0.5N)9 1.68(0.5NL0.5N)9
1.26(0.5HL0.5H)10 (0.5HL0.5H)10 (0.15H3.89L)/空气
然后采用膜系设计软件，保持全部高折射率膜层厚度不变、将低折射率膜层厚度作为唯一优化参数对初始膜系进行优化，使得各个反射堆之间折射率更好地匹配，并减小透射带波纹、降低透射带偏振灵敏度。从而获得最终分色膜系如下：
匹配层Ⅰ2的膜层结构为：
0.2L1.15N2.97L；
反射膜Ⅰ3的膜层结构为：
2.25(0.5N1.05LN0.91LNLN0.89LN0.96L2.25NLN1.09LN0.85LN0.90L0.5N)；
反射膜Ⅱ4的膜层结构为：
1.68(0.5N1.35LN0.61LN1.15LN1.13LN0.95LN0.92LNLN1.01LN0.78L0.5N)；
反射膜Ⅲ5的膜层结构为：
1.26(0.5H1.04LHLH1.46LH0.9LH0.89LH1.42LH0.98LH0.87LH0.79LH1.66L0.5H)；
反射膜反射膜Ⅳ6的膜层结构为：
0.5H0.88LH1.23LH1.21LH0.97LH1.36LH0.98LH1.26LH1.20LH0.71LH1.26L0.5H；
匹配层Ⅱ7的膜层结构为：
0.15H3.89L；
最终分色膜系的各膜层材料及物理厚度见表1。
基底背面短波红外减反膜膜系为：
基底/0.69H1.11L5.55H2.79L/空气；
为消除Ta2O5膜料在紫外区域的吸收并提高膜层的牢固度，全部膜层采用离子束辅助镀膜，参数为：阳极电压140V，阴极电流12A，充氧量18sccm，Nb2O5、Ta2O5和SiO2的沉积速率分别为0.23nm/s、0.12nm/s和0.9nm/s，沉积温度为250℃。
表1是最终分色膜系的各膜层材料及物理厚度分布情况
从图2、3、4可以看出，本发明所研制的分色片在32°条件下测得：反射区375-920nm内平均反射率Rave>91.5％、偏振灵敏度LPS<1.5％；四个短波红外透射通道1010-1050nm、1235-1255nm、1620-1660nm和2110-2160nm波段范围内，透射波段内平均透射率Tave>95％、LPS<1.5％。且本发明分色片产品性能稳定。因此本发明所研制的分色片达到了多光谱航天海洋遥感仪器的分色使用要求。
Claims (1)
1.一种从紫外到短波红外的宽光谱低偏振灵敏度分色片，由石英基底(1)、匹配层Ⅰ(2)、反射膜Ⅰ(3)、反射膜Ⅱ(4)、反射膜Ⅲ(5)、反射膜Ⅳ(6)、匹配层Ⅱ(7)和减反膜(8)构成，其特征在于：
所述的分色片在石英基底(1)的一面依次镀制匹配层Ⅰ(2)、反射膜Ⅰ(3)、反射膜Ⅱ(4)、反射膜Ⅲ(5)、反射膜Ⅳ(6)和匹配层Ⅱ(7)，形成分色膜系，在石英基底(1)的另一面镀制短波红外减反膜(8)；
所述的匹配层Ⅰ(2)的膜层结构为：
0.2L1.15N2.97L；
所述的反射膜Ⅰ(3)的膜层结构为：
2.25(0.5N1.05LN0.91LNLN0.89LN0.96L2.25NLN1.09LN0.85LN0.90L0.5N)；
所述的反射膜Ⅱ(4)的膜层结构为：
1.68(0.5N1.35LN0.61LN1.15LN1.13LN0.95LN0.92LNLN1.01LN0.78L0.5N)；
所述的反射膜Ⅲ(5)的膜层结构为：
1.26(0.5H1.04LHLH1.46LH0.9LH0.89LH1.42LH0.98LH0.87LH0.79LH1.66L0.5H)；
所述的反射膜Ⅳ(6)的膜层结构为：
0.5H0.88LH1.23LH1.21LH0.97LH1.36LH0.98LH1.26LH1.20LH0.71LH1.26L0.5H；
所述的匹配层Ⅱ(7)的膜层结构为：
0.15H3.89L；
所述的短波红外减反膜(8)，其膜层结构为：
基底/0.69H1.11L5.55H2.79L/空气；
上述膜系中：N表示光学厚度为λ0/4的Nb2O5膜层、H表示光学厚度为λ0/4的Ta2O5膜层、L表示光学厚度为λ0/4的SiO2膜层；λ0为408nm中心波长；N、H、L前的数字与括号前数字的乘积为λ0/4光学厚度的比例系数乘数。
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