CN114063280B - 一种用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构及设计方法 - Google Patents
一种用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构及设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供一种用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构及设计方法，其中用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构为：其中Sub代表基底材料，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，m1和m2为厚度修正系数，n1、n2代表膜层周期数，0.5和1为1/4光学厚度倍数。通过调整m1和m2以及n1和n2使得所述滤光薄膜在宽角谱下的透过率高于指定阈值。由所述高折射率和所述低折射率材料组成，通过调整其光学厚度，形成了在宽角谱下满足透过率的滤光薄膜，防止了在宽角谱下，通带位置偏移导致的特定波段的透过率无法满足要求的情况。
Description
技术领域
本申请涉及光学薄膜技术领域，具体涉及一种用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构及设计方法。
背景技术
在光学探测系统中，带通滤光器只允许特定波段的信号通过，而阻断所需波段之外的信号。带通滤光器件作为选择谱线的光学元件，可以消除背景噪声对整个探测系统的影响，降低虚警率，在激光技术、信号探测与遥感侦察等领域均有着十分广泛且重要的应用，目前已成为光电探测系统中不可或缺的组成部分。
带通滤光器件通常由透镜基底上沉积带通滤光薄膜来获得。从光学系统的设计角度出发，将滤光薄膜沉积在非平面透镜上可以简化光学系统结构，降低系统损耗，提高成像性能。但在实际中，随着光学系统中光线入射角以及入瞳直径的增大，传统带通滤光片在宽角谱下将出现严重的通带位置偏移现象。特别对于大陡度透镜，由于其中心膜层厚度与边缘膜层厚度差异较大，其通带位置偏移现象将更加严重，导致透过的特定波段的透过率低，严重时将导致薄膜滤光性能失效，对光学系统造成十分严重的危害。
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用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构及设计方法。
第一方面，本申请提出一种用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构，所述滤光薄膜结构为：
其中Sub代表基底材料，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，m1和m2为厚度修正系数，n1、n2代表膜层周期数，0.5和1为1/4光学厚度倍数。
通过调整m1和m2以及n1和n2使得所述非平面透镜在宽角谱下的透过率高于指定阈值。
根据本申请实施例提供的技术方案，n1与n2均在5与15之间，m1与m2均在0.5与1.5之间。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述高折射率薄膜材料为TiO2，所述低折射率薄膜材料为SiO2。
根据本申请实施例提供的技术方案，利用双离子束溅射技术制备滤光薄膜。
第二方面，本申请提出一种以上所述的用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构的设计方法，包括以下步骤：
网格划分非平面透镜为多个微曲面；
设定所述宽角谱的参考波长；
获取每个所述微曲面的入射角集合；
构建初始膜系结构：
其中αi、βi、γi、αj、βj及γj为1/4光学厚度倍数，n1、n2代表膜层周期数，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，Sub代表基底材料；
计算每个所述微曲面的所述初始膜系结构的实际沉积厚度；
设定所述非平面透镜的工作区域；
获取所述工作区域内的所有所述微曲面的光谱集合；
获取所述光谱集合中通带截止光谱对应的截止阈值微曲面；
调整所述初始膜系结构的光学厚度及膜层周期数，使得所述参考波长在所述截止阈值微曲面的通带内，获得第一优化膜系结构；
设定第一阈值；
计算所述第一优化膜系结构的光学厚度及膜层周期数，使得所述光谱集合对于所述参考波长的透过率都大于所述第一阈值，获得第二优化膜系结构，；
设定目标截止带和第二阈值；
计算所述第二优化膜系结构的光学厚度及膜层周期数，使得所述目标截止带内波段的光的透过率小于所述第二阈值，获得第三优化膜系结构；
获得最终膜系结构。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述截止阈值微曲面包括入射角度最小且所述实际沉积厚度最大的第一微曲面以及入射角度最大且所述实际沉积厚度最小的第二微曲面。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述初始膜系结构的实际沉积厚度＝所述非平面透镜中心位置膜层厚度×厚度比，其中所述非平面透镜中心位置膜层厚度为所述初始膜系结构的物理厚度。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述厚度比＝每个所述微曲面的所述非平面透镜的厚度/所述非平面透镜的中心厚度。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一阈值为90％。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述第二阈值为1％。
综上所述，本申请提出用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构，由高折射率和低折射率材料组成，通过调整膜系结构的光学厚度和膜层周期数，获得优化后的滤光薄膜，使得镀制有滤光薄膜的非平面透镜的透过率满足大于指定阈值的要求，形成了在宽角谱下满足透过率的滤光薄膜，防止了在宽角谱下，通带位置偏移导致的特定波段的透过率无法满足要求的情况。
通过将非平面透镜划分为无数微面，并对各个微面的透镜性能进行分析，获得初始膜系结构，在宽角谱下通过对初始膜系结构的各个微面的膜层厚度和入射角度分析获得通带和截止带的滤光性能，并根据设计要求的通带和截止带的设计，优化初始膜系的厚度和层数，从而得到可满足通带和截止带滤光要求的滤光薄膜，此方法获得的滤光薄膜在宽角谱下可避免滤光性能失效的问题。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构的设计方法的流程图；
图2为两种极端情况微曲面的光谱图
图3为镀制所述滤光薄膜的非平面透镜的正入射测试结果。
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，本申请提出了一种用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构，所述滤光薄膜的结构为：
其中Sub代表基底材料，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，m1和m2为厚度修正系数，n1和n2为膜层周期数，0.5和1为1/4光学厚度倍数；
通过调整m1和m2以及n1和n2使得所述非平面透镜在宽角谱下的透过率高于指定阈值。
其中，m1、m2与单位1/4光学厚度倍数的乘积为薄膜材料的1/4光学厚度倍数，基于数值优化算法，根据目标波段的透过率要求，可计算获得所述光学厚度和膜层周期数，进而获得宽角谱下满足透过率的膜系结构。所述薄膜结构由所述高折射率和所述低折射率材料组成，通过调整薄膜结构的光学厚度和膜层周期数，获得优化后的滤光薄膜，使得镀制有滤光薄膜的非平面透镜的透过率满足大于指定阈值的要求，形成了在宽角谱下满足透过率的滤光薄膜，防止了在宽角谱下，通带位置偏移导致的特定波段的透过率无法满足要求的情况。
进一步地，所述n1、n2均在5和15之间，m1和m2均在0.5和1.5之间，所述滤光薄膜的结构需要在一定范围内进行优化，m和n决定的是通带和截止带的位置且决定所述滤光薄膜的制备难度，若m和n的值选取太大，膜系整体的光学性能对单一膜层厚度的敏感性提升，会产生指标不稳定的现象，进而导致滤光薄膜实际工作性能将与预期设计结果产生偏差，故优选地，选择n1、n2均在5和15之间，m1和m2均在0.5和1.5之间。
进一步地，所述高折射率薄膜材料为TiO2，所述低折射率薄膜材料为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，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，且TiO2和SiO2的组合较为稳定，可有效地延长使用寿命。
进一步地，利用双离子束溅射技术制备滤光薄膜。所述双离子束是指离子源辅助沉积离子束溅射的方法，具有制备薄膜的致密度更高的优势，本实施例中在于沉积之后的薄膜与基板之间的牢固度更强，薄膜使用寿命更长。
实施例2
在实施例1的基础上，本申请提出一种用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构的设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
网格划分所述非平面透镜为多个微曲面；本实施例中，优选所述非平面透镜为K9玻璃，所述K9玻璃的曲率半径为32mm，所述口径为Φ34mm。将所述K9玻璃的非平面划分为0.1mm×0.1mm的微曲面。由于所述非平面透镜自身特性，所述非平面透镜的中心厚度最大，其它位置的厚度相对较薄，根据所述非平面透镜的曲率半径和口径，计算得出每个所述微曲面的非平面透镜的厚度，通过厚度比＝每个所述微曲面所述非平面透镜的厚度/所述非平面透镜的中心厚度。本实施例中，通过计算得出所述非平面透镜的厚度比为0.847～1，其中1为所述非平面透镜的中心厚度比。
设定所述宽角谱的参考波长；本实施例中，所述宽角谱为-26°～+26°，所述参考波长为1064nm。
获取所述微曲面的入射角集合；通过所述宽角谱角度范围，可获得每个微曲面的入射角，覆膜后，每个所述微曲面的入射角不变。
构建初始膜系结构，
其中αi、βi、γi、αj、βj及γj代表1/4光学厚度倍数，n1、n2代表膜层周期数，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，Sub代表基底材料；本实施例中Sub代表所述K9玻璃，H代表高折射率薄膜材料TiO2，L为低折射率薄膜材料SiO2，本实施例中，其初始膜系结构为：
其中m1、m2为厚度比例因子，0.5、1为1/4光学厚度倍数。所述光学厚度决定通带和截止带的位置，首先通过调整m1、m2使得所述参考波长在通带内。通过调整，优选地，设定n1为10，n2为11，m1为1.38，m2为0.84，故初始膜系的结构为Sub|(0.69L 1.38H 0.69L)10(0.42H0.84L 0.42H)11|Air。
计算每个所述微曲面的所述初始膜系结构的实际沉积厚度；由所述初始膜系结构可获得所述初始膜系结构中高折射率材料和低折射率材料单层膜的1/4光学厚度倍数，以下公式代表了膜层的物理厚度d和1/4光学厚度δ的关系：
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。通过公式(1)可获得所述基本膜系结构的物理厚度，将所述基本膜系结构的薄膜镀制于所述非平面透镜后，所述中心位置的膜层的沉积厚度为所述基本膜系结构的物理厚度，其它位置的实际沉积厚度较小。
进一步地，每个所述微曲面所述初始膜系结构的实际沉积厚度＝所述非平面透镜中心位置膜层厚度×厚度比，从而计算得出每个微曲面的所述基本膜系结构的沉积厚度，其中所述非平面透镜中心位置膜层厚度为所述初始膜系结构的物理厚度，即Sub|(0.69L1.38H 0.69L)10(0.42H 0.84L 0.42H)11|Air的物理厚度。
设定所述非平面透镜的工作区域；本实施例中所述非平面透镜的口径为Φ34mm，优选地，工作区域在以非平面透镜中心为圆心，直径32.4mm的圆内。
获取所述工作区域内的所有所述微曲面的在所述宽角谱下的光谱集合；所述光谱集合包括所有所述微曲面的光谱，所述光谱包括通带和截止带，以及所述通带和截止带的相应波段的光的透过率。
获取所述光谱集合中通带截止光谱对应的截止阈值微曲面，所述截止阈值微曲面包括入射角度最小且所述沉积厚度最大的第一微曲面以及入射角度最大且所述沉积厚度最小的第二微曲面。所述第一微曲面和所述第二微曲面也为两种极端情况，如图2所示，为两种极端情况下的光谱图，其横坐标为波长，纵坐标为相应波长的透过率。
计算优化所述初始膜系结构的光学厚度及膜层周期数，使得所述参考波长在所述截止阈值面的通带内，获得第一优化膜系结构；本实施例中，所述初始膜系结构为Sub|m1(0.5L 1H 0.5L)n1 m2(0.5H L 0.5H)n2|Air，调整所述厚度，可通过调整m1、m2的值来实现，增大m1可以使通带向长波方向移动，减小m2可以使通带向短波方向移动。使得所述参考波长在所述截止阈值面的通带内，即所述参考波长1064nm在两种极端情况下的通带内。本实施例中，初始膜系结构满足此条件，故初始膜系结构不变，为Sub|(0.69L 1.38H 0.69L)10(0.42H 0.84L 0.42H)11|Air，即为第一优化膜系结构。
设定第一阈值；此阈值为所述参考波长在通带内的透过率，优选地，所述第一阈值为90％。
计算所述第一优化膜系结构的光学厚度及膜层周期数，使得所述光谱集合对于所述参考波长的透光率都大于所述第一阈值，获得第二优化膜系结构；基于数值优化算法，根据所述参考波长的透过率要求，改变所述第一优化膜系结构中的所述光学厚度及膜层周期数，得到所有所述微曲面的所述参考波长1064nm的透过率都大于90％的所述第二优化膜系结构；
设定目标截止带和第二阈值；本实施例中所述目标截止带为330nm～900nm以及1300nm～1600nm，设定所述第二阈值为1％；
计算所述第二优化膜系结构的光学厚度及膜层周期数，使得所述目标截止带内波段的光的透光率小于所述第二阈值，获得第三优化膜系结构；基于数值优化算法，所述目标截止带透过率要求，改变所述第二优化膜系结构中的光学厚度及膜层周期数，得到所有所述微曲面的所述目标截止带透光率小于1％的第三优化膜系结构。
获得最终膜系结构，所述最终膜系结构满足所述参考波长在两种极端情况下的所述微曲面的通带内，且所有所述微曲面的所述参考波长的透过率都大于90％，且所有所述微曲面的所述目标截止带的透过率都小于1％，基于优化算法，得到最终的膜系结构为Sub|0.33L 1.75H 1.52L(1.38H 1.38L)71.38H 2L 0.85H 1.31L 0.56H 0.65L 1H 0.78L(0.84H0.84L)70.84H 0.61L 1.02H 1.11L 0.18H|Air。如图3所示，为镀制有所述宽角谱带通滤光薄膜的非平面透镜正入射时的透射率光谱，其横坐标为波长，纵坐标为相应波长的透过率。
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 (3)
1.一种用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构的设计方法，其特征在于，所述滤光薄膜的结构为：
其中Sub代表基底材料，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，m1和m2为厚度修正系数，n1、n2代表膜层周期数，0.5和1为1/4光学厚度倍数；
通过调整m1和m2以及n1和n2使得所述非平面透镜在宽角谱下的透过率高于指定阈值；所述n1、n2均在5和15之间，m1和m2均在0.5和1.5之间；所述设计方法包括以下步骤：
网格划分非平面透镜为多个微曲面；
设定所述宽角谱的参考波长；
获取每个所述微曲面的入射角集合；
构建初始膜系结构，通过调整m1和m2使得参考波长在通带内，调整后初始膜系结构为：
其中αi、βi、γi、αj、βj及γj为1/4光学厚度倍数，n1、n2代表膜层周期数，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，Sub代表基底材料；
计算每个所述微曲面的所述初始膜系结构的实际沉积厚度；
设定所述非平面透镜的工作区域；
获取所述工作区域内的所有所述微曲面的光谱集合；
获取所述光谱集合中通带截止光谱对应的截止阈值微曲面；
计算优化所述初始膜系结构的光学厚度及膜层周期数，使得所述参考波长在所述截止阈值微曲面的通带内，获得第一优化膜系结构；
设定第一阈值；
计算优化所述第一优化膜系结构的光学厚度及膜层周期数，使得所述光谱集合对于所述参考波长的透过率都大于所述第一阈值，获得第二优化膜系结构；
设定目标截止带和第二阈值；
计算所述第二优化膜系结构的光学厚度及膜层周期数，使得所述目标截止带内波段的光的透过率小于所述第二阈值，获得第三优化膜系结构；
获得最终膜系结构；
所述初始膜系结构的实际沉积厚度＝所述非平面透镜中心位置膜层厚度×厚度比，其中所述非平面透镜中心位置膜层厚度为所述初始膜系结构的物理厚度；
所述厚度比＝每个所述微曲面的所述非平面透镜的厚度/所述非平面透镜的中心厚度；
所述截止阈值微曲面包括入射角度最小且所述实际沉积厚度最大的第一微曲面以及入射角度最大且所述实际沉积厚度最小的第二微曲面。
2.根据权利要求1所述的用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构的设计方法，其特征在于：所述第一阈值为90％。
3.根据权利要求1所述的用于非平面透镜的宽角谱带通滤光薄膜结构的设计方法，其特征在于：所述第二阈值为1％。
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