CN112255721A - 双带通滤光片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双带通滤光片及其制作方法，其中，双带通滤光片包括膜系结构为满足λ/4周期对称的膜系(0.5HL0.5H)S和(0.5LH0.5L)S，其中，λ为中心波长，H为锗的λ/4层，L为硫化锌的λ/4层，S为周期数。本发明的双带通滤光片，通过膜系结构为满足λ/4周期对称的膜系(0.5HL0.5H)S和(0.5LH0.5L)S，选用锗和硫化锌为镀膜材料构成双带通滤光片，从而可以只用一片滤光片，就能实现两个特定波段的高透过，其余波段截止，在气体红外探测系统中可同时探测同种气体的两个吸收峰或不同种气体的吸收峰，有效提升系统的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于光学镀膜技术领域，具体涉及一种双带通滤光片及其制作方法。
背景技术
随着红外探测技术的发展，气体红外热成像探测技术在气体探测领域的应用越来越广泛。而红外滤光片是气体红外探测系统的核心元件之一，其滤光性能对探测系统起到巨大的作用，是决定探测效果的关键。
但是，在气体红外热成像探测领域中，现有的甲烷气体红外热成像探测系统仅能探测甲烷单个红外特征吸收峰，同时还存在其他气体吸收峰的干扰。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种双带通滤光片，可以只用一片滤光片，就能实现两个特定波段的高透过，其余波段截止，在气体红外探测系统中可同时探测同种气体的两个吸收峰或不同种气体的吸收峰，有效提升系统的灵敏度。
本发明的另一目的是提供一种双带通滤光片的制作方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种双带通滤光片，膜系结构为满足λ/4周期对称的膜系(0.5HL0.5H)S和(0.5LH0.5L)S，其中，λ为中心波长，H为锗的λ/4层，L为硫化锌的λ/4层，S为周期数。
优选地，所述前表面膜层的膜系采用：
G/0.63(0.5HL0.5H)12(0.5HL0.5H)123.08(0.5LH0.5L)12/Air；
其中，G为单晶硅，H为锗的λ/4层，L为硫化锌的λ/4层，Air为空气。
优选地，所述后表面膜层的膜系采用：
G/4H(0.5HL0.5H)18/Air；
其中，G为单晶硅，H为锗的λ/4层，L为硫化锌的λ/4层，Air为空气。
优选地，包括基片、前表面膜层和后表面膜层，所述基片位于所述前表面膜层和所述后表面膜层之间，所述前表面膜层和所述后表面膜层均以锗和硫化锌为镀膜材料；
与所述基片相邻的膜层为第一层，所述前表面膜层中第一层为硫化锌膜层，最后一层为硫化锌膜层，偶数层均为锗膜层，奇数层均为硫化锌膜层；所述后表面膜层中第一层为硫化锌膜层，最后一层为硫化锌膜层，所述偶数层均为锗膜层，奇数层均为硫化锌膜层。
优选地，所述基片为单晶硅、锗和氟化钙中的一种。
优选地，所述中心波长包括中波红外波段和远波红外波段的组合波段。
本发明的另一个技术方案是这样实现的：
一种基于所述的双带通滤光片的制作方法，包括如下步骤：
S1、采用超声波清洁基片；
S2、将所述基片以及锗膜料颗粒和硫化锌膜料颗粒放入真空腔体内抽真空，镀膜全程不开烘烤；
S3、真空抽至8.0×10-3Pa，对所述锗膜料颗粒和硫化锌膜料颗粒进行预熔处理，得到预熔后的锗和硫化锌；
S4、真空抽至1.5×10-3Pa，采用离子源对所述基片表面进行轰击20-30min，得到轰击后的基片；
S5、在真空度为1.0×10-2Pa的条件下，采用硫化锌离子源辅助沉积技术在所述S4得到的轰击后的基片的前表面上镀制第一硫化锌膜层，得到前表面含有第一硫化锌膜层的基片；
S6、在真空度为1.0×10-2Pa的条件下，采用锗离子源辅助沉积技术在所述S5得到的前表面含有第一硫化锌膜层的基片的前表面上镀制第二锗膜层，得到前表面含有第二锗膜层的基片；
S7、依次重复S5和S6，镀制前表面的第3-73膜层；
S8、将镀制完前表面的73膜层的滤光片在真空室冷却1-2h后取出；
S9、重复S1-S6完成对后表面膜层的49层膜层的镀制；
S10、镀制完冷却1-2h后取出。
优选地，在所述S3-S6中，所述离子辅助沉积具体为：在采用电子枪对膜料轰击的同时，通过离子束轰击基片表面的沉积离子；采用石英晶体监控的方法确定膜层的厚度。
优选地，还包括：将镀制完成的所述双带通滤光片进行附着性验证。
优选地，所述双带通滤光片的附着性验证包括：百格拉膜试验，首先水煮2h，然后浸水72h，然后再进行冷热循环试验和盐雾试验，若所述双带通滤光片均未出现脱膜，则表示膜层无损伤。
与现有技术相比，本发明的双带通滤光片，通过膜系结构为满足λ/4周期对称的膜系(0.5HL0.5H)S和(0.5LH0.5L)S，选用锗和硫化锌为镀膜材料，构成双带通滤光片，从而可以只用一片滤光片，就能实现两个特定波段的高透过，其余波段截止，在气体红外探测系统中可同时探测同种气体的两个吸收峰或不同种气体的吸收峰，有效提升系统的灵敏度，还能用于安全监控，机器视觉检测，智能交通，无人机监测等领域。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种双带通滤光片的结构示意图；
图2是本发明实施例2提供的一种双带通滤光片的制作方法的前表面膜层的光谱透过率曲线；
图3是本发明实施例2提供的一种双带通滤光片的制作方法的后表面膜层的光谱透过率曲线；
图4是本发明实施例2提供的一种双带通滤光片的制作方法的3.43μm和6.53μm的双带通滤光片的光谱透过率曲线。
附图标记说明
1-基片，2-前表面膜层，3-后表面膜层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明实施例1提供一种双带通滤光片，如图1所示，膜系结构为满足λ/4周期对称的膜系(0.5HL0.5H)S和(0.5LH0.5L)S，其中，λ为中心波长，H为锗的λ/4层，L为硫化锌的λ/4层，S为周期数；
包括基片1、前表面膜层2和后表面膜层3，所述基片1位于所述前表面膜层2和所述后表面膜层3之间，所述前表面膜层2和所述后表面膜层3均以锗和硫化锌为镀膜材料；
与所述基片1相邻的膜层为第一层，所述前表面膜层2中第一层为硫化锌膜层，最后一层为硫化锌膜层，偶数层均为锗膜层，奇数层均为硫化锌膜层；所述后表面膜层3中第一层为硫化锌膜层，最后一层为硫化锌膜层，所述偶数层均为锗膜层，奇数层均为硫化锌膜层。
这样，通过膜系结构为满足λ/4周期对称的膜系(0.5HL0.5H)S和(0.5LH0.5L)S，选用锗和硫化锌为镀膜材料，由基片、前表面膜层和后表面膜层组成双带通滤光片，从而可以只用一片滤光片，就能实现两个特定波段的高透过，其余波段截止，在气体红外探测系统中可同时探测同种气体的两个吸收峰或不同种气体的吸收峰，有效提升系统的灵敏度。本发明的双带通滤光片中心波长为3.43μm和6.53μm，峰值透过率Tp≥75％，带宽为120±20nm及200±30nm，0.4-10μm(除通带外)，Tavg＜0.5％，能够用于甲烷气体检测。
所述前表面膜层2的膜系采用：
G/0.63(0.5HL0.5H)12(0.5HL0.5H)123.08(0.5LH0.5L)12/Air；
其中，G为单晶硅，H为锗的λ/4层，L为硫化锌的λ/4层，Air为空气。
所述后表面膜层3的膜系采用：
G/4H(0.5HL0.5H)18/Air；
其中，G为单晶硅，H为锗的λ/4层，L为硫化锌的λ/4层，Air为空气。
这样，前表面膜层2中：第1层几何厚度为68.48nm；第2层几何厚度为92.97nm；第3层几何厚度为164.33nm；第4层几何厚度为93.92nm；第5层几何厚度为168.10nm；第6层几何厚度为92.77nm；第7层几何厚度为200.12nm；第8层几何厚度为121.37nm；第9层几何厚度为212.30nm；第10层几何厚度为107.92nm；第11层几何厚度为179.02nm；第12层几何厚度为92.12nm；第13层几何厚度为197.03nm；第14层几何厚度为97.88nm；第15层几何厚度为168.42nm；第16层几何厚度为91.63nm；第17层几何厚度为165.82nm；第18层几何厚度为79.72nm；第19层几何厚度为84.95nm；第20层几何厚度为73.26nm；第21层几何厚度为171.68nm；第22层几何厚度为84.81nm；第23层几何厚度为174.39nm；第24层几何厚度为92.08nm；第25层几何厚度为307.10nm；第26层几何厚度为112.44nm；第27层几何厚度为335.21nm；第28层几何厚度为130.75nm；第29层几何厚度为327.00nm；第30层几何厚度为124.56nm；第31层几何厚度为368.34nm；第32层几何厚度为120.72nm；第33层几何厚度为318.15nm；第34层几何厚度为164.69nm；第35层几何厚度为252.14nm；第36层几何厚度为168.23nm；第37层几何厚度为273.59nm；第38层几何厚度为171.40nm；第39层几何厚度为242.18nm；第40层几何厚度为170.80nm；第41层几何厚度为318.57nm；第42层几何厚度为117.98nm；第43层几何厚度为343.60nm；第44层几何厚度为174.50nm；第45层几何厚度为190.48nm；第46层几何厚度为187.36nm；第47层几何厚度为377.83nm；第48层几何厚度为76.91nm；第49层几何厚度为348.34nm；第50层几何厚度为551.26nm；第51层几何厚度为1030.47nm；第52层几何厚度为488.13nm；第53层几何厚度为938.66nm；第54层几何厚度为466.81nm；第55层几何厚度为949.02nm；第56层几何厚度为469.07nm；第57层几何厚度为914.17nm；第58层几何厚度为461.29nm；第59层几何厚度为939.91nm；第60层几何厚度为460.47nm；第61层几何厚度为914.50nm；第62层几何厚度为464.38nm；第63层几何厚度为932.68nm；第64层几何厚度为457.36nm；第65层几何厚度为922.48nm；第66层几何厚度为466.21nm；第67层几何厚度为924.05nm；第68层几何厚度为459.13nm；第69层几何厚度为944.74nm；第70层几何厚度为475.38nm；第71层几何厚度为927.16nm；第72层几何厚度为456.90nm；第73层几何厚度为461.03nm；
后表面膜层3中：第1层几何厚度为319.4nm；第2层几何厚度为42.65nm；第3层几何厚度为216.63nm；第4层几何厚度为119.8nm；第5层几何厚度为614.87nm；第6层几何厚度为306.83nm；第7层几何厚度为430.48nm；第8层几何厚度为80.47nm；第9层几何厚度为73.89nm；第10层几何厚度为174.16nm；第11层几何厚度为631.13nm；第12层几何厚度为276.38nm；第13层几何厚度为578.9nm；第14层几何厚度为253.26nm；第15层几何厚度为600.66nm；第16层几何厚度为281.39nm；第17层几何厚度为564.86nm；第18层几何厚度为273.54nm；第19层几何厚度为572.56nm；第20层几何厚度为195.12nm；第21层几何厚度为167.25nm；第22层几何厚度为84.08nm；第23层几何厚度为266.29nm；第24层几何厚度为103.13nm；第25层几何厚度为193.41nm；第26层几何厚度为265.39nm；第27层几何厚度为560.06nm；第28层几何厚度为272.58nm；第29层几何厚度为460.27nm；第30层几何厚度为142.35nm；第31层几何厚度为159.92nm；第32层几何厚度为63.16nm；第33层几何厚度为1014.38nm；第34层几何厚度为231.47nm；第35层几何厚度为251.62nm；第36层几何厚度为81.56nm；第37层几何厚度为187.74nm；第38层几何厚度为134.68nm；第39层几何厚度为388.56nm；第40层几何厚度为36.21nm；第41层几何厚度为551.35nm；第42层几何厚度为386.51nm；第43层几何厚度为258.19nm；第44层几何厚度为123.45nm；第45层几何厚度为310.28nm；第46层几何厚度为31.96nm；第47层几何厚度为977.54nm；第48层几何厚度为240.51nm；第49层几何厚度为1010.8nm；
本发明所使用的设备主要有：镀膜机配置如下：2套电子枪，VEECO MarkⅡ离子源，真空测量系统INFICON，6点式水晶膜厚控制，IC6，配置冷泵等；傅里叶变换红外光谱仪；超声波清洗机；显微镜等。
所述基片1为单晶硅、锗和氟化钙中的一种。
这样，基片1为单晶硅、锗和氟化钙中的一种，均可以用于作为双带通滤光片的基片。
所述中心波长包括中波红外波段和远波红外波段的组合波段。
这样，通过中心波长包括中波红外波段和远波红外波段的组合波段，可以适用于多种不同的波段组合，适用范围较广。
所述中心波长分别为3.43μm和6.53μm，或者所述中心波长分别为3.31μm和7.66μm，半带宽为120nm和200nm，或者所述中心波长分别为3.1μm和4.01μm，或者所述中心波长分别为10μm和10.56μm。
本发明的双带通滤光片，通过膜系结构为满足λ/4周期对称的膜系(0.5HL0.5H)S和(0.5LH0.5L)S，选用锗和硫化锌为镀膜材料，由基片、前表面膜层和后表面膜层组成双带通滤光片，从而可以只用一片滤光片，就能实现两个特定波段的高透过，其余波段截止，在气体红外探测系统中可同时探测同种气体的两个吸收峰或不同种气体的吸收峰，有效提升系统的灵敏度。
实施例2
如图2-4所示，本发明实施例2提供一种基于所述的双带通滤光片的制作方法，包括如下步骤：
S1、采用超声波清洁基片；
S2、将所述基片以及锗膜料颗粒和硫化锌膜料颗粒放入真空腔体内抽真空，镀膜全程不开烘烤(即采用冷镀方式)；
S3、真空抽至8.0×10-3Pa，对所述锗膜料颗粒和硫化锌膜料颗粒进行预熔处理，得到预熔后的锗和硫化锌，预熔目的是去除膜料表面的杂质及减少膜料的放气；
S4、真空抽至1.5×10-3Pa，采用离子源对所述基片表面进行轰击20-30min，得到轰击后的基片，轰击目的是清洁所述基片表面及加热所述基片增强与第一层膜的附着性；
S5、镀制第1层膜层，真空度为1.0×10-2Pa，电子枪蒸发镀膜，蒸发速率为15A/S，离子源辅助沉积，采用石英晶体监控的方法确定第一层ZnS膜的厚度；
S6、镀制第2层膜层，真空度为1.0×10-2Pa，电子枪蒸发镀膜，蒸发速率为6A/S，离子源辅助沉积，采用石英晶体监控的方法确定第二层锗膜的厚度；
S7、依次重复S5和S6，镀制前表面的第3-73膜层；
S8、将镀制完前表面的73膜层的滤光片在真空室冷却1-2h后取出；
S9、重复S1-S6完成对后表面膜层的49层膜层的镀制；
S10、镀制完冷却1-2h后取出。
这样，采用直径为25μm、厚度为0.625μm的单晶硅材料经超声波清洗后作为基板，在基板上高真空蒸镀多层介质膜，镀层介质膜材料选用Ge和ZnS，前表面膜层2的膜系采用：G/0.63(0.5HL0.5H)12(0.5HL0.5H)123.08(0.5LH0.5L)12/Air，在该实施方案中对膜系中各个膜层厚度进行优化，使其实现以下功能：滤光片的2个峰值透过率Tp≥75％，带宽为120±20nm及200±30nm，0.4-10μm(除通带外)，Tavg＜0.5％。其中，所述镀膜采用真空热蒸发薄膜沉积方法。
其中，因为镀膜机腔体内都配置有加热系统，温度在0-300℃，一般会根据产品及镀膜材料的不同设置不同的烘烤温度。硫化锌膜料属于升华材料，温度过高会分解为氧化锌或氢氧化锌杂质，影响膜层表面质量，所以本申请采用的是不加温的冷镀方式镀膜。
在所述S3-S6中，所述离子辅助沉积具体为：在采用电子枪对膜料轰击的同时，通过离子束轰击基片表面的沉积离子；采用石英晶体监控的方法确定膜层的厚度。
这样，通过离子辅助沉积：在采用电子枪对膜料轰击的同时，通过离子束轰击基片表面的沉积离子，提高膜层的致密度。
还包括：将镀制完成的所述双带通滤光片进行附着性验证，所述双带通滤光片的附着性验证包括：百格拉膜试验，首先水煮2h，然后浸水72h，然后再进行冷热循环试验和盐雾试验，若所述双带通滤光片均未出现脱膜，则表示膜层无损伤。
这样，通过百格拉膜试验的附着性验证检测双带通滤光片的可靠性。
本发明的双带通滤光片的制作方法，通过膜系结构为满足λ/4周期对称的膜系(0.5HL0.5H)S和(0.5LH0.5L)S，选用锗和硫化锌为镀膜材料，由基片、前表面膜层和后表面膜层组成双带通滤光片，从而可以只用一片滤光片，就能实现两个特定波段的高透过，其余波段截止，在气体红外探测系统中可同时探测同种气体的两个吸收峰或不同种气体的吸收峰，有效提升系统的灵敏度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种双带通滤光片，其特征在于，其膜系结构为满足λ/4周期对称的膜系(0.5HL0.5H)S和(0.5LH0.5L)S，其中，λ为中心波长，H为锗的λ/4层，L为硫化锌的λ/4层，S为周期数。
2.根据权利要求1所述的双带通滤光片，其特征在于，所述前表面膜层(2)的膜系采用：
G/0.63(0.5HL0.5H)12(0.5HL0.5H)123.08(0.5LH0.5L)12/Air；
其中，G为单晶硅，H为锗的λ/4层，L为硫化锌的λ/4层，Air为空气。
3.根据权利要求1或2所述的双带通滤光片，其特征在于，所述后表面膜层(3)的膜系采用：
G/4H(0.5HL0.5H)18/Air；
其中，G为单晶硅，H为锗的λ/4层，L为硫化锌的λ/4层，Air为空气。
4.根据权利要求1所述的双带通滤光片，其特征在于，包括基片(1)、前表面膜层(2)和后表面膜层(3)，所述基片(1)位于所述前表面膜层(2)和所述后表面膜层(3)之间，所述前表面膜层(2)和所述后表面膜层(3)均以锗和硫化锌为镀膜材料；
与所述基片(1)相邻的膜层为第一层，所述前表面膜层(2)中第一层为硫化锌膜层，最后一层为硫化锌膜层，偶数层均为锗膜层，奇数层均为硫化锌膜层；所述后表面膜层(3)中第一层为硫化锌膜层，最后一层为硫化锌膜层，所述偶数层均为锗膜层，奇数层均为硫化锌膜层。
5.根据权利要求4所述的双带通滤光片，其特征在于，所述基片(1)为单晶硅、锗和氟化钙中的一种。
6.根据权利要求1所述的双带通滤光片，其特征在于，所述中心波长包括中波红外波段和远波红外波段的组合波段。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的双带通滤光片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用超声波清洁基片；
S2、将所述基片以及锗膜料颗粒和硫化锌膜料颗粒放入真空腔体内抽真空，镀膜全程不开烘烤；
S3、真空抽至8.0×10-3Pa，对所述锗膜料颗粒和硫化锌膜料颗粒进行预熔处理，得到预熔后的锗和硫化锌；
S4、真空抽至1.5×10-3Pa，采用离子源对所述基片表面进行轰击20-30min，得到轰击后的基片；
S5、在真空度为1.0×10-2Pa的条件下，采用硫化锌离子源辅助沉积技术在所述S4得到的轰击后的基片的前表面上镀制第一硫化锌膜层，得到前表面含有第一硫化锌膜层的基片；
S6、在真空度为1.0×10-2Pa的条件下，采用锗离子源辅助沉积技术在所述S5得到的前表面含有第一硫化锌膜层的基片的前表面上镀制第二锗膜层，得到前表面含有第二锗膜层的基片；
S7、依次重复S5和S6，镀制前表面的第3-73膜层；
S8、将镀制完前表面的73膜层的滤光片在真空室冷却1-2h后取出；
S9、重复S1-S6完成对后表面膜层的49层膜层的镀制；
S10、镀制完冷却1-2h后取出。
8.根据权利要求7所述的双带通滤光片的制作方法，其特征在于，在所述S3-S6中，所述离子辅助沉积具体为：在采用电子枪对膜料轰击的同时，通过离子束轰击基片表面的沉积离子；采用石英晶体监控的方法确定膜层的厚度。
9.根据权利要求8所述的双带通滤光片的制作方法，其特征在于，还包括：将镀制完成的所述双带通滤光片进行附着性验证。
10.根据权利要求9所述的双带通滤光片的制作方法，其特征在于，所述双带通滤光片的附着性验证包括：百格拉膜试验，首先水煮2h，然后浸水72h，然后再进行冷热循环试验和盐雾试验，若所述双带通滤光片均未出现脱膜，则表示膜层无损伤。
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