CN116299820A - 一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺及其分析方法 - Google Patents

一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺及其分析方法 Download PDF

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薛军明
王英剑
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Abstract

本发明公开了一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺，包括如下步骤：（1）将((2n+1)HL)^S作为滤光片基础膜堆，其中n=1，2，3……，H表示高折射率材料的基本厚度，L表示低折射率材料的基本厚度，S表示基本膜堆的周期数；（2）以((2n+1)HL)^S作为基础膜堆在滤光片基板上进行光学镀膜。通过提高高折射率材料的物理厚度，使高低材料厚度之比达到一定的比值，在不改变选取镀膜高低折射率材料的情况下，使得在过渡区里，对称膜堆的等效折射率大幅提高，实现大入射角度下，波长偏移较小的结果，对指导二向色镜光学滤光片的设计有重要的参考价值和指导意义。

Description

一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺及其分析 方法
技术领域
本发明涉及了一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺及其分析方法，属于滤光片技术领域。
背景技术
我们知道，常规的光学滤光片，大都是由高、低两种折射率材料组成的，其厚度经不同的排列组合而达到特定的光谱性能，基本的膜堆就是(HL)^S，但这个标准组合，高折射率材料和低折射率材料的总厚度比比较低，一般在0.61-0.72之间（高折射率材料指在可见波段乃至更长波段，折射率值不低于2.0，低折射率材料指在可见波段乃至更长波段，折射率在1.48以下），在特定角度偏移下，如45±8°乃至更大的范围内，光谱的偏移比较大，常常超过30nm（在600nm波段），导致宽角度宽光谱的性能无法有效实现。当然，如果更换更高的折射率材料，也是可以达到减小角度偏移的效果，但在实际生产中，在特定波段（如可见波段的二向色镜），TiO2是目前能用的最高折射率材料了，基于此，我们给出了新的膜系设计方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺及其分析方法，在不改变选取镀膜高低折射率材料的情况下，从光学滤光片的设计上提供了一个新颖方案，使得在过渡区里，对称膜堆的等效折射率大幅提高，实现大入射角度下，波长偏移较小的结果，给二向色镜等截止滤光片的设计带来新的解决方案。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺，包括如下步骤：
（1）将((2n+1)HL)^S作为滤光片基础膜堆，其中n=1，2，3……，H表示高折射率材料的基本厚度，L表示低折射率材料的基本厚度，S表示基本膜堆的周期数；
（2）以((2n+1)HL)^S作为基础膜堆在滤光片基板上进行光学镀膜。
前述的一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺，其特征在于：所述高折射率材料的折射率大于1.95，为TiO2，Ta2O5，H4，ZrO2，HfO2中的一种。
前述的一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺，其特征在于所述低折射率材料的折射率小于1.48，为SiO2或MgF2中的一种。
前述的一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺，其特征在于：所述光学镀膜的沉积方法是电子束蒸发镀膜、离子源辅助电子束蒸发或溅射镀膜中的一种。
一种特定角度下减少光谱偏移的滤光片的分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
（a）基本膜堆(HL)^S，对应的参考波长是固定的λ，那么根据干涉的基本原理，nd=1/4λ，可知高低折射率材料的物理厚度之比和他们的折射率之比成反比，即dH/dL=nL/nH，由于nL<nH，所以dH/dL小于1，一般不低于0.6左右，其中，dH表示高折射率材料的物料厚度，dL表示低折射率材料的物料厚度，nL表示低折射率材料的折射率，nH表示高折射率材料的折射率；
（b）基于等效折射率的概念，(HL)^S的基本周期可以用（HLH）L替代，((2n+1)HL)^S可以用[（2n+1）HL（2n+1）H] L替代，（HLH）和[（2n+1）HL（2n+1）H]都是对称结构，所以引入等效折射率的概念，在中心波长，（HLH）和[（2n+1）HL（2n+1）H]的等效折射率是相同的，但在中心波长的两边，尤其是截止带与透射带的过渡区域，两者等效折射率的差别就非常大，通带相差2-3倍，甚至更多，意味着在这个过渡带里，[（2n+1）HL（2n+1）H]是一个非常高的折射材料，和L组合，就能够实现特定角度下的较小偏移效果。
前述的一种特定角度下减少光谱偏移的滤光片的分析方法，其特征在于：取n=1时，利用高折射率材料满足干涉的高级次条件：nd=3*(1/4λ)=3/4λ，这样在光学性能不变的情况下，增加了高折射率材料的物理厚度，dH/dL=3*(nL/nH))，一般情况下，这个比值已经大远大于1，在1.8以上；高折射率材料选用TiO2，低折射率材料选用SiO2，高折材料物理厚度dH=5071.39nm，低折材料物理厚度dL=2810.61nm，dH/dL=1.804，和上面的理论计算值非常吻合。
本发明的有益效果是： 通过提高高折射率材料的物理厚度，使高低材料厚度之比达到一定的比值，在不改变选取镀膜高低折射率材料的情况下，使得在过渡区里，对称膜堆的等效折射率大幅提高，实现大入射角度下，波长偏移较小的结果，对指导二向色镜光学滤光片的设计有重要的参考价值和指导意义。
附图说明
图1是本发明一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺膜系结构示意图；
图2是用(HL)^S做初始膜堆而设计的滤光片的谱曲线；
图3是用(3HL)^S做初始膜堆而设计的滤光片的谱曲线；
图4是用(HL)^S做初始膜堆而设计的滤光片的总厚度分布图；
图5是用(3HL)^S做初始膜堆而设计的滤光片的总厚度分布图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。
如图1-图5所示，一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺，包括如下步骤：
（1）将((2n+1)HL)^S作为滤光片基础膜堆，其中n=1，2，3……，H表示高折射率材料的基本厚度，L表示低折射率材料的基本厚度，S表示基本膜堆的周期数；
（2）以((2n+1)HL)^S作为基础膜堆在滤光片基板上进行光学镀膜。
所述高折射率材料的折射率大于1.95，为TiO2，Ta2O5，H4，ZrO2，HfO2中的一种，所述低折射率材料的折射率小于1.48，为SiO2或MgF2中的一种。
以此膜堆为初始膜系结构，进行相关的膜系设计，很容易得到所需的光谱曲线，图2和图3分别是用(HL)^S 和(3HL)^S 做初始膜堆而设计的滤光片的光谱曲线。高折射率材料选用TiO2，低折射率材料选用SiO2。从光谱曲线分析，可知图2，在37°-53°（45°±8°）时，透过率50%的位置移动了30nm，而图3显示，同样的角度差下，透过率50%的位置移动了23nm，与前相比缩减了7nm，意味着有7nm空间可被利用。
所述光学镀膜的沉积方法是电子束蒸发镀膜、离子源辅助电子束蒸发或溅射镀膜中的一种。
一种特定角度下减少光谱偏移的滤光片的分析方法，包括如下步骤：
（a）基本膜堆(HL)^S，对应的参考波长是固定的λ，那么根据干涉的基本原理，nd=1/4λ，可知高低折射率材料的物理厚度之比和他们的折射率之比成反比，即dH/dL=nL/nH，由于nL<nH，所以dH/dL小于1，一般不低于0.6左右，其中，dH表示高折射率材料的物料厚度，dL表示低折射率材料的物料厚度，nL表示低折射率材料的折射率，nH表示高折射率材料的折射率；
（b）基于等效折射率的概念，(HL)^S的基本周期可以用（HLH）L替代，((2n+1)HL)^S可以用[（2n+1）HL（2n+1）H] L替代，（HLH）和[（2n+1）HL（2n+1）H]都是对称结构，所以引入等效折射率的概念，在中心波长，（HLH）和[（2n+1）HL（2n+1）H]的等效折射率是相同的，但在中心波长的两边，尤其是截止带与透射带的过渡区域，两者等效折射率的差别就非常大，通带相差2-3倍，甚至更多，意味着在这个过渡带里，[（2n+1）HL（2n+1）H]是一个非常高的折射材料，和L组合，就能够实现特定角度下的较小偏移效果。
取n=1时，利用高折射率材料满足干涉的高级次条件：nd=3*(1/4λ)=3/4λ，这样在光学性能不变的情况下，增加了高折射率材料的物理厚度，dH/dL=3*(nL/nH))，一般情况下，这个比值已经大远大于1，在1.8以上；高折射率材料选用TiO2，低折射率材料选用SiO2，图4和图5分别是(HL)^S 和(3HL)^S两种膜系的总厚度分布图。图4中，高折材料物理厚度dH=1501.32nm，低折材料物理厚度dL=2265.10nm，dH/dL=0.663。图5对应的膜系，高折材料物理厚度dH=5071.39nm，低折材料物理厚度dL=2810.61nm，dH/dL=1.804，和上面的理论计算值非常吻合。
由此可知，通过堆成膜堆[（2n+1）HL（2n+1）H]的选用，适当选取n值，提高高折材料的物理厚度，使高低材料厚度之比达到一定的比值，就能实现宽入射角度时，波长较小偏移的效果，对指导二向色镜光学滤光片的设计有重要的参考价值和指导意义。
综上所述，本发明提供了一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺及其分析方法，在不改变选取镀膜高低折射率材料的情况下，从光学滤光片的设计上提供了一个新颖方案，使得在过渡区里，对称膜堆的等效折射率大幅提高，实现大入射角度下，波长偏移较小的结果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (6)

1.一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：
（1）将((2n+1)HL)^S作为滤光片基础膜堆，其中n=1，2，3……，H表示高折射率材料的基本厚度，L表示低折射率材料的基本厚度，S表示基本膜堆的周期数；
（2）以((2n+1)HL)^S作为基础膜堆在滤光片基板上进行光学镀膜。
2.根据权利要求1所述的一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺，其特征在于：所述高折射率材料的折射率大于1.95，为TiO2，Ta2O5，H4，ZrO2，HfO2中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺，其特征在于所述低折射率材料的折射率小于1.48，为SiO2或MgF2中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种在特定角度下减少光谱偏移的滤光片制备工艺，其特征在于：所述光学镀膜的沉积方法是电子束蒸发镀膜、离子源辅助电子束蒸发或溅射镀膜中的一种。
5.一种特定角度下减少光谱偏移的滤光片的分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
（a）基本膜堆(HL)^S，对应的参考波长是固定的λ，那么根据干涉的基本原理，nd=1/4λ，可知高低折射率材料的物理厚度之比和他们的折射率之比成反比，即dH/dL=nL/nH，由于nL<nH，所以dH/dL小于1，一般不低于0.6左右，其中，dH表示高折射率材料的物料厚度，dL表示低折射率材料的物料厚度，nL表示低折射率材料的折射率，nH表示高折射率材料的折射率；
（b）基于等效折射率的概念，(HL)^S的基本周期可以用（HLH）L替代，((2n+1)HL)^S可以用[（2n+1）HL（2n+1）H] L替代，（HLH）和[（2n+1）HL（2n+1）H]都是对称结构，所以引入等效折射率的概念，在中心波长，（HLH）和[（2n+1）HL（2n+1）H]的等效折射率是相同的，但在中心波长的两边，尤其是截止带与透射带的过渡区域，两者等效折射率的差别就非常大，通带相差2-3倍，甚至更多，意味着在这个过渡带里，[（2n+1）HL（2n+1）H]是一个非常高的折射材料，和L组合，就能够实现特定角度下的较小偏移效果。
6.根据权利要求5所述的一种特定角度下减少光谱偏移的滤光片的分析方法，其特征在于：取n=1时，利用高折射率材料满足干涉的高级次条件：nd=3*(1/4λ)=3/4λ，这样在光学性能不变的情况下，增加了高折射率材料的物理厚度，dH/dL=3*(nL/nH))，一般情况下，这个比值已经大远大于1，在1.8以上；高折射率材料选用TiO2，低折射率材料选用SiO2，高折材料物理厚度dH=5071.39nm，低折材料物理厚度dL=2810.61nm，dH/dL=1.804，和上面的理论计算值非常吻合。
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