CN112114394B - 具有温度补偿效应的滤光片和传感器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有温度补偿效应的滤光片和传感器系统，滤光片包括基板以及镀制在基板表面的滤光膜层，滤光膜层包括多个高折射率层和多个低折射率层；其中，由Si∶H材料制成的高射折率层在波长范围为800 nm到1800 nm的折射率均大于3，由Ge∶H材料制成的高射折率层在波长范围为800 nm到1800 nm的折射率均大于4；低折射率层在波长范围为800 nm到1800 nm的折射率均小于3；本方案还公开了基于滤光片的传感器系统，本方案在拓宽传感器工作温度范围的同时，可以维持较小的滤光片带宽，有利于提高系统的信噪比。另外，本方案的关键在于，通过设计合适的膜层材料及配比和设计合适的基板材料，使得滤光片获得和对应激光光源接近的温漂系数，从而实现温度补偿的效果。
Description
技术领域
本发明涉及滤光片领域，尤其涉及可应用于环境监测、红外成像、3D识别、激光雷达或其他成像领域应用的具有温度补偿效应的滤光片。
背景技术
随着3D传感，汽车激光雷达等领域的爆发，半导体激光器从光通信领域走向消费电子领域。特别是以垂直腔面发射激光器(VCSEL)代表的半导体激光器，有阈值电流低、发散角小、易调制、易集成等优点，在红外传感领域获得了广泛的应用。
除了发射端的半导体激光器外，接收端的滤光片也是传感器系统的重要组件。滤光片通过激光光源的光(即信号光)，阻止激光光源之外的光(即噪声)，对系统的信噪比有决定性作用。滤光片的关键指标之一是带宽。滤光片带宽越宽，激光光源的光越容易透过，但同时透过的噪声也越多；若滤光片带宽过窄，虽然噪声可以有效过滤，但有可能激光被部分阻隔。因此，滤光片带宽的选取，需要基于光源特点、光路设计、滤光片加工能力等因素综合考虑。
相比于固体激光器或气体激光器，半导体激光器的一个显著特点是其输出波长具有较明显的温度漂移。因此，对于要求一定温度范围内都能正常工作的传感器系统，其系统设计必须要考虑高温或低温工作极限的情况。
现有的传感器系统的应对方法有：1)对激光光源进行控温，使激光器可以稳定在某个温度附近工作；2)膜系设计采用特定材料的结构，使滤光片性能对温度变化尽可能不敏感；3)增加滤光片的带宽，使滤光片的通带可以覆盖激光器在高温、低温工作极限时的工作波长。其中，方法1)显著提高了传感器系统的成本和功耗；方法2)是当前的主流方法，也显著提高了滤光片制造工艺的复杂度和成本；方法3)不会提高成本，但使得滤光片的带宽更宽，在常温工作时会透过更多的非信号光，牺牲了传感器常温工作时的信噪比和性能。
发明内容
针对现有技术的情况，本发明对现有应用的滤光片进行了技术改进，其目的在于提供一种对激光光源温度漂移进行温度补偿的功能的具有温度补偿效应的滤光片和传感器系统。
为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：
具有温度补偿效应的滤光片，其具有800nm到1800nm波长范围部分重叠的通带，其包括基板以及镀制在基板表面的滤光膜层，所述的滤光膜层包括多个高折射率层和多个低折射率层；制成高折射率层的材料至少包括Si∶H或Ge∶H，其中，由Si∶H材料制成的高射折率层在波长范围为800nm到1800nm的折射率均大于3，由Ge∶H材料制成的高射折率层在波长范围为800nm到1800nm的折射率均大于4；低折射率层在波长范围为800nm到1800nm的折射率均小于3；
所述滤光片的通带具有中心波长，当工作环境温度范围为-40摄氏度到120摄氏度温度范围部分重叠时，其中心波长的温度漂移系数大于0.04nm/摄氏度且小于0.4nm/摄氏度。
进一步，所述基板的材料热膨胀系数为正数且不大于30ppm/摄氏度。
进一步，所述的基板为硅材料、熔融石英、基于SiO2的玻璃、钢化玻璃、有色玻璃、蓝宝石、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯制成。
进一步，所述的低折射率层为TiO2、Nb2O5、Ta2O5、SiO2、MgF2或SixNy中的至少一种制成。
进一步，所述的滤光片为干涉滤光片。
进一步，所述的干涉滤光片为多腔式带通滤光片且其腔的数目为3个以上。
一种传感器系统，其包括：
上述所述的滤光片，其通带包含光源的中心波长；
半导体激光器，其发光波长位于800nm～1800nm波长范围内，其发射光谱具有中心波长且中心波长的温度漂移系数大于0.04nm/摄氏度并小于0.4nm/摄氏度；
探测器，用于接收半导体激光器发出的光，探测器在光路中的位置位于滤光片之后。
进一步，所述滤光片中心波长的温度漂移系数和所述半导体激光器中心波长的温度漂移系数的差值小于0.05nm/摄氏度。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案在拓宽传感器工作温度范围的同时，可以维持较小的滤光片带宽，有利于提高系统的信噪比。另外，本发明的关键在于，通过设计合适的膜层材料及配比，和设计合适的基板材料，使得滤光片获得和对应激光光源接近的温漂系数，从而实现温度补偿的效果。
附图说明
下面将结合附图和具体实施方式做本发明方案进行详细说明。
图1为本发明方案滤光片的简要示意图；
图2为本发明方案的膜层归一化折射率温度系数和滤光片中心波长温漂系数关系的示意图；
图3为常规镀膜材料和Si:H、Ge:H材料的折射率温度系数典型值的列表；
图4为本发明基板材料热膨胀系数和滤光片中心波长温漂系数关系的示意图；
图5为某示例的VCSEL激光器的发射波长规格；
图6为匹配图5中的激光器的常规滤光片和根据本发明的滤光片进行的比较列表；
图7为匹配图5中的激光器的常规滤光片的透射光谱，及激光器归一化光谱图；
图8为匹配图5中的激光器的本发明的滤光片的透射光谱，及激光器归一化光谱图；
图9是基于本发明的传感器系统的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明具有温度补偿效应的滤光片101，其具有800nm到1800nm波长范围部分重叠的通带，其包括基板102以及镀制在基板102表面的滤光膜层103，所述的滤光膜层103包括多个高折射率层和多个低折射率层堆叠而成；本实施例中的滤光片膜层103包含的总层数为n，具体分别为103-1层、103-2层、103-3层直至103-n层，这些膜层包含了多个高折射率层和多个低折射率层。其中，制成高折射率层的材料至少包括Si∶H或Ge∶H，其中，由Si∶H材料制成的高射折率层在波长范围为800nm到1800nm的折射率均大于3，由Ge∶H材料制成的高射折率层在波长范围为800nm到1800nm的折射率均大于4；低折射率层在波长范围为800nm到1800nm的折射率均小于3。本实施例中滤光片101基于光学干涉原理，通过多层膜的堆叠，实现对特定波长选择性的透过，对其他波长进行阻隔的目的。基板材料102可以使用对光源波段透过性良好的光学玻璃如BK7、K9、D263T等，也可以是硅材料、熔融石英、钢化玻璃、有色玻璃、蓝宝石、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯等。图1示意性的将滤光片膜层放置在了基板材料102的一个面上，但实际上基板材料102的前后两个表面都可以镀制滤光膜层。
本发明通过设计合适的膜层材料及配比，和设计合适的基板材料，使得滤光片获得和对应激光光源接近的温漂系数，从而实现温度补偿的效果。其中，膜层材料包含Si:H或Ge:H材料，是本发明实现温度补偿的关键。
以下就本发明的实现方式和工作原理进行说明。
基于干涉原理的带通滤光片，其中心波长受环境温度影响，其具体机理在于温度变化影响了滤光片的：
1)膜层材料的堆积密度变化
2)膜层材料的折射率变化
3)由膜层材料热膨胀/收缩导致的膜层体积变化
4)膜层材料内部孔洞中的水汽的释放和吸附
5)基板材料的体积变化，主要表现为在平面方向的收缩和延伸
6)基片-膜层界面应力(substrate-induced stress)变化，进一步导致膜层受基板抑制而产生形变(volumetric distortion)
目前业内的滤光片沉积工艺一般为离子辅助沉积或溅射工艺，这类工艺本身的成膜堆积密度较高(接近块状材料)，性能几乎不会受到水汽吸附或释放的影响。对于目前常规的滤光片，温度影响中主要为2)、5)、6)三项。目前主流的滤光片，其温度特性优化主要集中在于抑制温度对中心波长的影响，而本发明的滤光片，基于合理的材料设计，可实现和半导体激光器十分接近的温度漂移特性，从而实现温度补偿的效果。更具体的，图2给出了膜层归一化折射率温度系数和滤光片中心波长温漂系数关系的示意图。由于膜层由多种材料叠加组成，材料配比对归一化折射率温度系数也产生影响，当膜层由高折射率材料H、低折射率材料L两种材料构成时，膜层归一化折射率温度系数由如下方程描述：
δ＝(aδH+bδL)/(a+b)
其中δ为膜层归一化折射率温度系数，δH、δL分别为高折射率材料、低折射率材料的折射率温度系数，a、b为两种材料的配比权重。在其他条件不变的情况下，膜层材料的折射率温度系数越高，滤光片中心波长对于温度越敏感；经计算，若获得温漂系数在0.04nm/摄氏度到0.4nm/摄氏度的滤光片，其镀膜材料必须远大于现有常规镀膜材料。图3为常规镀膜材料和Si:H、Ge:H材料的折射率温度系数典型值的列表，可以看出，Si:H和Ge:H比常规镀膜材料如Ta2O5、SiO2、Nb2O5、Si3N4、TiO2的折射率温度系数大一到两个数量级，适合用于0.04nm/摄氏度到0.4nm/摄氏度温漂系数的滤光片的膜系设计。更进一步的，若匹配VCSEL激光器(典型温漂系数0.07nm/摄氏度)，膜系设计优选使用Si:H；若匹配高功率二极管及阵列(典型温漂系数0.3nm/摄氏度)，膜系设计优选使用Ge:H。
基板材料的热膨胀系数对滤光片的温漂系数也有重要影响。在温度变化过程中，基板材料的形状变化会带动膜层材料的伸展或收缩，并引起基片-膜层界面应力的变化。图4给出了基板材料热膨胀系数和滤光片中心波长温漂系数关系的示意图。选用低膨胀系数的基板材料，有利于获得较大的滤光片温漂系数。需要注意的是，当温度高于一定水平(如大于200摄氏度)，会产生基片-膜层界面应力的不可逆的释放过程，导致滤光片中心波长有不可逆的变化。但在常规传感器系统工作环境中(一般小于100度)，这种情况发生的可能性很小。
以下以某VCSEL规格为示例，对本发明的实施例进行比较说明。图5为某示例的VCSEL激光器的发射波长规格。该激光器为典型的用于3D人脸识别的光源，受限于制程的一致性，其中心波长一致性为940±8nm(20摄氏度时)，典型的光谱宽度为2nm，激光器中心波长温度漂移系数为0.07nm/摄氏度，设计工作温度为-20摄氏度到80摄氏度。基于以上规格，该激光器在-20摄氏度工作时的波长范围为：
该激光器在80摄氏度工作时的波长范围为：
基于以上光谱范围，开展滤光片的规格分析和设计。图6为匹配图5中的激光器的常规滤光片和根据本发明的滤光片进行的比较列表。示例常规滤光片以抑制滤光片本身温度漂移为目的，选用折射率对温度最不敏感的Ta2O5、SiO2作为镀膜材料，并选用较大热膨胀系数的WMS-15材料作为基板材料，该材料组合设计的滤光片，通过膜系设计优化，
可以认为温漂系数约等于0。示例常规滤光片的90％T通带波长需要覆盖图5的激光器的输出波长范围，即最小值928.2nm、最大值953.2nm，滤光片带宽设计为25nm。
利用本发明的示例滤光片，设计Si:H和SiO2作为镀膜材料，并设计普通热膨胀系数的BK7材料作为基板材料，通过膜系设计优化膜料配比，实现中心波长温漂系数为0.045nm/摄氏度。该温漂系数与激光器的温漂系数接近，温漂系数的差值为：
考虑到激光器中心波长的温漂大部分都被滤光片温漂补偿，利用本发明的示例滤光片，其带宽可以明显收窄，在20摄氏度时的设计通带范围为：
图7为匹配图5中的激光器的常规滤光片的透射光谱，及激光器归一化光谱图；图8为匹配图5中的激光器的本发明的滤光片的透射光谱，及激光器归一化光谱图。示例的常规滤光片，滤光片中心波长对温度极不敏感，设计带宽为25nm；滤光片的90％T起始波长接近激光器低温时的工作波长，90％T终止波长接近激光器高温时的工作波长。而利用本发明的示例滤光片，滤光片具有温度补偿效应，设计带宽可收窄至20.5nm；当温度升高时，滤光片和激光器的中心波长同时向长波漂移；当温度下降时，滤光片和激光器的中心波长同时向短波漂移；在极限工作温度时，滤光片的通带仍能覆盖该温度时的激光器输出波长。由于滤光片带宽和传感器系统的噪声呈正比关系，采用本发明的滤光片，信噪比提升了18％，具有明显的改善效果。在实际生产时，滤光片带宽还需要考虑制程公差、滤光片过渡带抖度等多个因素，但在同样制程工艺能力情况下，采用本发明的滤光片仍具有明显的温度补偿效果，获得更好的传感系统信噪比。
如前所述，本发明的滤光片可以提升传感器系统的性能。
本发明还提供了一种传感器系统，图9为基于本发明的传感器系统的示意图，其中601为本发明的传感器系统。602为半导体激光器，位于传感器的发射端，其发光波长位于800-1800nm波长范围内，其发射光谱具有中心波长，且中心波长的温度漂移系数大于0.04nm/摄氏度，小于0.4nm/摄氏度。此外，发射端还包含光束整形器件604，用于发射光束的准直、聚焦、或光斑pattern的形成等。半导体激光器602发出的激光，经光束整形器件604后照射到被探测物607上。反射光返回经过镜片组605、和基于本发明的滤光片606，到达探测器603。探测器603在光路中位于本发明的滤光片606之后。在实际应用时，滤光片606在光路中可以在镜片组605之前，也可以在镜片组605之后。作为优选的，滤光片606中心波长的温度漂移系数，和半导体激光器602中心波长的温度漂移系数的差值小于0.05nm/摄氏度，滤光片具有良好的温度补偿效果。
以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种传感器系统，其包括半导体激光器、探测器和具有温度补偿效应的滤光片，滤光片具有800 nm到1800 nm波长范围部分重叠的通带，滤光片包括基板以及镀制在基板表面的滤光膜层，所述的滤光膜层包括多个高折射率层和多个低折射率层；制成高折射率层的材料至少包括Si∶H或Ge∶H，其中，由Si∶H材料制成的高射折率层在波长范围为800 nm到1800 nm的折射率均大于3，由Ge∶H材料制成的高射折率层在波长范围为800 nm到1800 nm的折射率均大于4；低折射率层在波长范围为800 nm到1800 nm的折射率均小于3；
其特征在于：所述滤光片的通带具有中心波长且包含光源的中心波长，当工作环境温度范围为-40摄氏度到120摄氏度温度范围部分重叠时，其中心波长的温度漂移系数大于0.04 nm/摄氏度且小于0.4 nm/摄氏度；
半导体激光器发光波长位于800 nm～1800 nm波长范围内，其发射光谱具有中心波长且中心波长的温度漂移系数大于0.04 nm/摄氏度并小于0.4 nm/摄氏度；探测器用于接收半导体激光器发出的光，探测器在光路中的位置位于滤光片之后；
所述滤光片中心波长的温度漂移系数和所述半导体激光器中心波长的温度漂移系数的差值小于0.05 nm/摄氏度。
2.根据权利要求1所述的一种传感器系统，其特征在于：所述基板的材料热膨胀系数为正数且不大于30 ppm/摄氏度。
3.根据权利要求1所述的一种传感器系统，其特征在于：所述的基板为硅材料、熔融石英、基于SiO2的玻璃、钢化玻璃、有色玻璃、蓝宝石、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯制成。
4.根据权利要求1所述的一种传感器系统，其特征在于：所述的低折射率层为TiO2、Nb2O5、Ta2O5、SiO2、MgF2或SixNy中的至少一种制成。
5.根据权利要求1所述的一种传感器系统，其特征在于：所述的滤光片为干涉滤光片。
6.根据权利要求5所述的一种传感器系统，其特征在于：所述的干涉滤光片为多腔式带通滤光片且其腔的数目为3个以上。
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