CN113960709A - 一种大口径宽角谱滤光片及其制备方法 - Google Patents

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白金林
刘华松
姜玉刚
徐颖
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李子杨
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Abstract

本申请提供一种大口径宽角谱滤光片及其制备方法，基于双面薄膜等应力的设计思想，在大口径基板双面分别进行长波通滤光薄膜和短波通滤光薄膜应力匹配设计，把应力作为评价光学薄膜的一项性能指标，提出光力一体化的设计方法制备薄膜，避免了滤光片大视场下光通量弱和应力过大造成元件面形超差两个问题。

Description

一种大口径宽角谱滤光片及其制备方法
技术领域
本申请涉及光学薄膜技术领域，具体涉及一种大口径宽角谱滤光片及其制备方法。
背景技术
随着光学技术和计算机技术的快速发展，滤光片的使用越来越广泛，几乎涉及到任何一个领域，大到航天器，小到手机都要利用光学对物体进行探测和分析。滤光片尤如电路网络中的滤波器，可将特定频率范围内的信号传输过去，而阻断这个频率范围以外的信号，以达到选择性传输的目的，起到波分复用的功能。
对于滤光片首要的是光学特性，也就是分光特性，对不同波段的光信号分配是不是满足使用要求，这是检验滤光片质量的核心关键。但是随着光学系统中光线入射角以及入瞳直径的增大，传统滤光片在较大的入射角下出现严重的通带位置偏移现象，在大视场附近位置处出现无法感应、画面均匀性、信噪比高等问题。而且滤光片为了实现高质量光谱调制，所需膜层较厚，应力较大，这会造成大口径基板变形严重，导致传输光束发生波前畸变，进而影响光学系统的成像质量，给光电装备带来抗干扰能力差、信噪比高、成像质量低等缺点。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种大口径宽角谱滤光片及其制备方法。
第一方面，本申请提出一种大口径宽角谱滤光片，在大口径基板双面分别制备长波通滤光薄膜和短波通滤光薄膜。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述长波通滤光薄膜的基本膜系结构为：
Sub|(0.5H 1L0.5H)m|Air(6≤m≤30)；
其中Sub代表大口径基板，H代表高折射率薄膜材料，L代表低折射率薄膜材料，Air为空气，m为膜系层数，0.5和1为光学厚度。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述短波通滤光薄膜的基本膜系结构为：
Sub|(0.5L 1H 0.5L)n|Air(6≤n≤30)；
其中Sub代表大口径基板，H代表高折射率薄膜材料，L代表低折射率薄膜材料，Air为空气，n为膜系层数，0.5和1为光学厚度。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述长波通滤光薄膜和所述短波通滤光薄膜的应力相同。
第二方面，本申请提出一种大口径宽角谱滤光片的制备方法，包括以下步骤：
选定高折射率材料和低折射率材料；
设定所述宽角谱下的目标波段；
获得由所述高折射率材料形成的第一单层膜的第一光学常数和第一物理厚度；
获得由所述低折射率材料形成的第二单层膜的第二光学常数和第二物理厚度；
计算得出所述第一单层膜和所述第二单层膜的第一应力；
构建短波通滤光薄膜的第一基本膜系结构；
Sub|(0.5L 1H 0.5L)n|Air(6≤n≤30)
其中Sub代表大口径基板，H代表高折射率薄膜材料，L代表低折射率薄膜材料，Air为空气，n为膜系层数，0.5和1为1/4波长光学厚度倍数；
计算优化所述第一基本膜系结构在所述目标波段下的透过率，获得第一优化膜系结构；
计算所述第一优化膜系结构的第二应力；
构建长波通滤光薄膜的第二基本膜系结构：
Sub|(0.5H 1L 0.5H)m|Air(6≤m≤30)；
其中Sub代表大口径基板，H代表高折射率薄膜材料，L代表低折射率薄膜材料，Air为空气，m为膜系层数，0.5和1为1/4波长光学厚度倍数；
计算优化所述长第二基本膜系结构在所述第二应力和所述目标波段下的透过率，获得第二优化膜系结构；
在所述大口径基板双面别制备具有第一优化膜系结构的短波通滤光薄膜和具有所述第二优化膜系结构的长波通滤光薄膜，获得最终大口径宽角谱滤光片。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一光学常数和所述第二光学常数以及所述第一物理厚度和第二物理厚度以透过率光谱和椭偏参数为反演目标，采用Cauchy光学色散模型，通过使用非线性约束优化算法获取。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述折射率光谱通过分光光度计获取，所述椭偏参数通过椭圆偏振仪获取。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一应力通过Stoney应力计算公式得出：
Figure BDA0003363330280000031
其中，Es为所述基板杨氏模量，Vs为所述基板泊松比，ds为所述基板厚度，df为薄膜物理厚度，R1为镀膜前所述基板的曲率半径，R2为镀膜后所述基板曲率半径。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述曲率半径通过激光干涉仪获得。
综上所述，本申请提出一种大口径宽角谱滤光片，采用短波截止滤光膜系和长波截止滤光膜系相结合的方法，在所述大口径基板双面镀制长波通滤光薄膜和短波通滤光薄膜，形成指定工作波段的光谱通带，避免了通带位置偏移，宽角谱下出现无法感应、画面均匀性、信噪比高等问题；另外，引入力学同步设计，使得所述长波通滤光薄膜和短波通滤光薄膜的应力相同，避免了因应力产生的传输光束发生波前畸变的情况，提高了光学系统成像的稳定性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种大口径宽角谱滤光片结构示意图；
图2为本申请实施例提供的TiO2和SiO2单层膜的光学常数曲线和应力值。
图3为本申请实施例提供的1064nm的短波通理论设计透过率曲线和应力值；
图4为本申请实施例提供的1064nm的长波通理论设计透过率曲线和应力值；
图5为本申请实施例提供的滤光片工作角度为0°时实际测试透过率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
诚如背景技术中提到的，针对现有技术中的问题，本申请提出了一种一种大口径宽角谱滤光片，如图1所示，在大口径基板双面分别制备长波通滤光薄膜和短波通滤光薄膜。
采用短波截止滤光膜系和长波截止滤光膜系相结合的方法，在大口径基板双面镀制长波通滤光薄膜和短波通滤光薄膜，形成指定工作波段的光谱通带，避免了通带位置偏移，宽角谱下出现无法感应、画面均匀性、信噪比高等问题。
进一步地，所述长波通滤光薄膜的基本膜系结构为：
Sub|(0.5H 1L 0.5H)m|Air(6≤m≤30)；
其中Sub代表大口径基板，H代表高折射率薄膜材料，L代表低折射率薄膜材料，Air为空气，m为膜系层数，0.5和1为光学厚度。
本实施例中所述大口径基板选择有色玻璃基板，其口径为φ100mm，所述高折射率薄膜材料选择TiO2，所述低折射率薄膜材料选择SiO2，所述高折射率薄膜材料和所述低折射率薄膜材料不固定，在此基本膜系结构中，所述大口径基板上先制备一层所述高折射率薄膜材料，在所述高折射率薄膜材料上再制备一层所述低折射率薄膜材料，再在所述低折射率薄膜材料上制备一层高折射率薄膜材料。由于TiO2和SiO2的光学常数的计算和沉积速率的把控较为准确，TiO2有很好的机械特性和理论上良好的光学特性，且TiO2和SiO2的组合较为稳定，可有效地提高所述长拨通滤光薄膜的结合牢固度。
进一步地，所述短波通滤光薄膜的基本膜系结构为：
Sub|(0.5L 1H 0.5L)n|Air(6≤n≤30)；
其中Sub代表大口径基板，H代表高折射率薄膜材料，L代表低折射率薄膜材料，Air为空气，n为膜系层数，0.5和1为1/4波长光学厚度倍数。
优选地，所述短波通滤光薄膜的所述高折射率薄膜材料和低折射薄膜材料也选用TiO2和SiO2，在此基本膜系中，在所述大口径基板上先制备一层低折射率薄膜材料，再在所述低折射率薄膜材料上制备一层高折射率玻膜材料，再制备一层所述低折射率薄膜材料。
进一步地，所述长波通滤光薄膜和所述短波通滤光薄膜的应力相同。传统技术中，若滤光薄膜在基板上产生较大的压缩应力，会使得基板变形，甚至会超过万nm量级，导致传输光束发生波前畸变，进而影响光学系统的成像质量，给光电设备带来抗干扰能力差、信噪比高、成像质量低等缺点，本申请提出的所述滤光片，引入力学同步设计，将所述长波通滤光薄膜和所述短波通滤光薄膜的应力进行匹配设计来避免上述因应力导致的问题。
实施例2
在实施例1的基础上，本申请提出一种以上所述的大口径宽角谱滤光片的制备方法，包括以下步骤：
选定高折射率材料和低折射率材料；本实施例中选择高折射率薄膜材料为TiO2，选择低折射率薄膜材料为SiO2。
设定所述宽角谱下的目标波段；本实施例中设定所述宽角谱为±26°，所述目标波段设为400nm～2000nm。
获得由所述高折射率材料形成的第一单层膜的第一光学常数和第一物理厚度；获得由所述低折射率材料形成的第二单层膜的第二光学常数和第二物理厚度；
优选地，所述第一光学常数和所述第二光学常数以及所述第一物理厚度和第二物理厚度以透过率光谱和椭偏参数为反演目标，采用Cauchy光学色散模型，通过使用非线性约束优化算法获取，目标优化函数如下：
Figure BDA0003363330280000061
其中，MSE是测量值与理论模型计算值的均方差，N为测量波长的数目，M为变量个数，T为透过率，R为反射率，Ti exp、
Figure BDA0003363330280000062
分别为第i个波长的测量值，Ti mod、
Figure BDA0003363330280000063
分别为第i个波长的计算值，
Figure BDA0003363330280000064
分别为第i个波长的测量误差。公式(2)将光学常数和物理厚度设为变量，将所述透光率光谱和所述椭偏参数为反演目标，通过优化算法寻求理论值和实际值的最小偏差，最终获得光学常数和物理厚度，其中光学常数为折射率，通过公式(2)获得透过率T和反射率R计算得出。
其中，所述折射率光谱通过分光光度计获取，所述椭偏参数通过椭圆偏振仪获取。具体的，所述单层膜的折射率光谱通过分光光度计获取，所述椭偏参数通过椭圆偏振仪获取；优选地，选择Lambda900分光光度计来获得所述透过率光谱，由所述透光率光谱得到不同波段的透过率集合，从而获得公式(2)中Ti exp；选择J.Woolanm公司W.VASE32椭圆偏振仪获得椭偏参数Psi和Delta，由所述椭偏参数得到反射率集合，从而获得公式(2)中
Figure BDA0003363330280000065
计算得出所述第一单层膜和所述第二单层膜的第一应力；具体地，所述第一应力通过以下公式得出：
Figure BDA0003363330280000066
其中，Es为所述基板杨氏模量，Vs为所述基板泊松比，ds为所述基板厚度，df为薄膜物理厚度，R1为镀膜前所述基板的曲率半径，R2为镀膜后所述基板曲率半径，本实施例中，df为通过公式(2)获得的所述第一物理厚度和所述第二物理厚度，所述Es、Vs为所述基板的自身特性，如图2所示，其中图2的横坐标为波段，纵坐标为折射率。
优选地，所述曲率半径通过激光干涉仪获得，即公式(3)中的R1、R2可通过所述激光干涉仪获得。
构建短波通滤光薄膜的第一基本膜系结构；
Sub|(0.5L 1H 0.5L)n|Air(6≤n≤30)
其中Sub代表大口径基板，H代表高折射率薄膜材料，L代表低折射率薄膜材料，Air为空气，n为膜系层数，0.5和1为1/4波长光学厚度倍数；本实施例中，所述高折射率材料为TiO2，所述低折射率材料为SiO2，本实施例中，设定所述n为12，则所述第一基本膜系结构为：Sub|(0.5L 1H 0.5L)12|Air。
计算优化所述基本膜系在所述目标波段下的透过率，获得第一优化膜系结构；其中，所述目标波段为400nm～2000nm，设定此波段的透过率，将所述第一基本膜系结构的前5层和后5层基于数值优化算法进行优化，获得第一优化膜系结构为：Sub/0.78L 1.18H1.17L 0.92H 1.11L(HL)10H 1.10L0.94H 0.96L 1.34H 0.11L/Air。所述一优化膜系结构在1064nm波段时的透过率曲线如图3所示，其中图3的横坐标为波段，纵坐标为折射率。
计算所述第一优化膜系结构的第二应力；通过所述第一优化膜系结构可获得每层所述高折射率材料和每层所述低折射率材料的1/4波长光学厚度倍数，通过以下公式可获得所述第一优化膜系结构的每层薄膜的物理厚度：
Figure BDA0003363330280000071
其中，δ为膜层在波长λ下的1/4光学厚度，n为膜层材料在所述波长下的折射率，d为膜层物理厚度。令所述第一优化膜系中的每层膜的物理厚度为第二物理厚度，而所述在所述第一物理厚度下的应力为所述第一应力，通过比例计算获得所述第一优化膜系结构每层膜的应力，将所述第一优化膜系结构中包含的所有单层膜的所述应力值相加，获得所述第一优化膜系结构的第二应力，经计算获得所述第一优化膜系结构的应力为-0.253GPa。
构建长波通滤光薄膜的第二基本膜系结构：
Sub|(0.5H 1L 0.5H)m|Air(6≤m≤30)；
其中Sub代表大口径基板，H代表高折射率薄膜材料，L代表低折射率薄膜材料，Air为空气，m为膜系层数，0.5和1为1/4波长光学厚度倍数；本实施例中，所述高折射率材料为TiO2，所述低折射率材料为SiO2，设定m为17，则所述第二基本膜系结构为Sub|(0.5H 1L0.5H)17|Air。
计算优化所述长第二基本膜系结构在所述第二应力和所述目标波段下的透过率，获得第二优化膜系结构；其中，所述目标波段为400nm～2000nm，设定此波段的透过率和所述第一应力为目标，将所述第二基本膜系结构中的前6层和后6层设为变量进行优化，通过调控膜系结构中薄膜的物理厚度实现长波通多层膜应力为-0.253GPa，最终具体的膜系结构为：Sub/0.56H85L 0.74H 1.16L 1.08H 0.76L(HL)110.73H 0.90L 1.44H 1.17L 0.16H2.43L/Air，多层膜应力为-0.253GPa，1064nm的长波通设计透过率曲线如图4所示，其中图4的横坐标为波段，纵坐标为折射率。
在所述大口径基板双面别制备具有第一优化膜系结构的短波通滤光薄膜和具有所述第二优化膜系结构的长波通滤光薄膜，获得最终大口径宽角谱滤光片。采用离子束溅射技术制备滤光片并测试其透过率光谱和面形误差。滤光片在工作角度为0°时透过率曲线如图5所示，其中图5的横坐标为波段，纵坐标为折射率，工作角度0±26°，λ＝1064±2nm，T＞95％，350nm-950nm和1230nm-1300nm截止度小于OD3；最终滤光片可达到的面形误差为Pv＝0.14λ，Rms＝0.016λ@632.8nm。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种大口径宽角谱滤光片，其特征在于：在大口径基板双面分别制备长波通滤光薄膜和短波通滤光薄膜。
2.根据权利要求1所述的大口径宽角谱滤光片，其特征在于：所述长波通滤光薄膜的基本膜系结构为：
Sub|(0.5H 1L 0.5H)m|Air (6≤m≤30)；
其中Sub代表大口径基板，H代表高折射率薄膜材料，L代表低折射率薄膜材料，Air为空气，m为膜系层数，0.5和1为1/4波长光学厚度倍数。
3.根据权利要求1所述的大口径宽角谱滤光片，其特征在于：所述短波通滤光薄膜的基本膜系结构为：
Sub|(0.5L 1H 0.5L)n|Air (6≤n≤30)；
其中Sub代表大口径基板，H代表高折射率薄膜材料，L代表低折射率薄膜材料，Air为空气，n为膜系层数，0.5和1为1/4波长光学厚度倍数。
4.根据权利要求1所述的大口径宽角谱滤光片，其特征在于：所述长波通滤光薄膜和所述短波通滤光薄膜的应力相同。
5.一种权利要求1-4任一项所述的大口径宽角谱滤光片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选定高折射率材料和低折射率材料；
设定所述宽角谱下的目标波段；
获得由所述高折射率材料形成的第一单层膜的第一光学常数和第一物理厚度；
获得由所述低折射率材料形成的第二单层膜的第二光学常数和第二物理厚度；
计算得出所述第一单层膜和所述第二单层膜的第一应力；
构建短波通滤光薄膜的第一基本膜系结构；
Sub|(0.5L 1H 0.5L)n|Air (6≤n≤30)
其中Sub代表大口径基板，H代表高折射率薄膜材料，L代表低折射率薄膜材料，Air为空气，n为膜系层数，0.5和1为1/4波长光学厚度倍数；
计算优化所述第一基本膜系结构在所述目标波段下的透过率，获得第一优化膜系结构；
计算所述第一优化膜系结构的第二应力；
构建长波通滤光薄膜的第二基本膜系结构：
Sub|(0.5H 1L 0.5H)m|Air (6≤m≤30)；
其中Sub代表大口径基板，H代表高折射率薄膜材料，L代表低折射率薄膜材料，Air为空气，m为膜系层数，0.5和1为1/4波长学厚度倍数；
计算优化所述长第二基本膜系结构在所述第二应力和所述目标波段下的透过率，获得第二优化膜系结构；
在所述大口径基板双面别制备具有第一优化膜系结构的短波通滤光薄膜和具有所述第二优化膜系结构的长波通滤光薄膜，获得最终大口径宽角谱滤光片。
6.根据权利要求5所述的大口径宽角谱滤光片的制备方法，其特征在于：所述第一光学常数和所述第二光学常数以及所述第一物理厚度和第二物理厚度以透过率光谱和椭偏参数为反演目标，采用Cauchy光学色散模型，通过使用非线性约束优化算法获取。
7.根据权利要求6所述的大口径宽角谱滤光片的制备方法，其特征在于：所述折射率光谱通过分光光度计获取，所述椭偏参数通过椭圆偏振仪获取。
8.根据权利要求5所述的大口径宽角谱滤光片的制备方法，其特征在于：所述第一应力通过Stoney应力计算公式得出：
Figure FDA0003363330270000021
其中，Es为所述基板杨氏模量，Vs为所述基板泊松比，ds为所述基板厚度，df为薄膜物理厚度，R1为镀膜前所述基板的曲率半径，R2为镀膜后所述基板曲率半径。
9.根据权利要求8所述的大口径宽角谱滤光片的制备方法，其特征在于：所述曲率半径通过激光干涉仪获得。
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