CN117434634A - 一种高截止高透过直控双通滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高截止高透过直控双通滤光片，包括，所述双通滤光片的膜系结构采用直接控制的方式镀膜且具有两个固定通带位置；所述双通滤光片的膜系结构包括依次交替叠加设置的若干公用反射壁结构、耦合层虚设滤光片结构及法布里‑伯罗滤光片结构；最后一层法布里‑珀罗滤光片结构之后设置有增透膜结构；所述法布里‑珀罗滤光片结构、耦合层公用反射壁结构耦合层虚设滤光片结构均采用规整层结构。通过上述技术方案，本发明能够采用直接控制技术的双窄带特性的滤光片。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种高截止高透过直控双通滤光片。
背景技术
双通滤光片通常应用于信息采集上，可以简化摄像头转换滤光片的结构；可以过滤背景信号，提高光谱分析判断的准确性。可以运用在多色荧光检测，其采集的信息是所选试剂的激发、发射特性光谱。可以运用在激光通讯上，起到简化光学系统的作用。
综上双通滤光片的作用是抑制背景信号、隔离干扰信号、实现被探测光谱的通过，其需要作用多个目标光谱。
双通滤光片的膜系设计方法有多种，如：
1、自动优化设计
运用计算机优异的计算能力。设计者设计一系列目标，并提供一个评价函数。这个评价函数F的经典构造为：
其中ωj＞0是对各个波长位置j的指标权重、为曲线反射率、/>为目标反射率。F值越小说明膜系离目标值越接近。
下面是用Needle算法设计膜系，膜系不需要初始结构，给出相对厚的一层膜即可，这边设置为30000nmSIO2，优化以后膜层结构为：SUB|1.028H 0.996L 1.025H 3.633L0.900H 0.748L 0.514H 0.752L 0.903H 0.932L 0.944H 0.964L 1.017H 1.212L 1.179H1.018L 1.006H 1.071L 1.210H 4.341L 0.896H 0.910L 0.913H 0.921L 0.923H 3.616L0.930H 0.925L 0.916H 2.522L 0.419H 0.803L 0.889H 4.500L 0.861H 9.176L 0.384H5.913L 2.036H 4.198L 0.803H 5.875L 0.643H 5.608L 2.177H 9.583L 0.464H 6.103L2.143H|AIR
其中H为TA2O5膜料，L为SIO2膜料。
该设计方案的优点在于对于设计师的设计水平要求不高。缺点在于这样设计出来的膜系薄厚差异较大、截止带与通带内的ripple较大、这类型膜系很敏感不适合量产。
2、组合多通滤光片
在一个面镀宽带宽带通膜系，在另一面镀制负滤光片的膜系。
这个思路的优点在于两个面的薄膜都相对简单，对于一些指标简单的双通滤光片可适用；缺点在于生产时不容易确保两个面的指标都在理论位置。在镀制一些FWHM较小或者FWHM有固定要求的高精度产品时往往会因为宽带滤光片与负滤光片的指标不匹配而降低成品率，甚至无法实现。
如果将宽带滤光片+负滤光片放在镀膜的同一面，双通滤光片的FWHM会相对稳定一些。但镀膜层数会增多许多，控制难度也会上升。目前一些荧光滤光片需要多通带多截止带，且对通带、截止带的带宽与位置要求严格，需要在同一面用到宽带滤光片+负滤光片的组合设计膜系。要求高一些的膜系需要优化到200多层，对于膜系的实现来说难度不小，该系列滤片价格也就昂贵。
3、Fabry-Perot(法布里-伯罗)的分型
理论依据主要来源于对法布里-伯罗干涉薄膜的运用。Fabry-Perot滤光片的原理同Fabry-Perot标准具一样，由两个反射壁(两个反射壁的反射率R1、R2；反射相移δ1、δ2；透射率T1、T2)与一个中间介质层构成。
Fabry-Perot滤光片透射率方程为：
透射率的极大值位置由下式确定：
其中θ为膜系在相应波长的相位；k为整数，表示满足这个等式的波长位置为极大值。
通过将耦合层看做是另一个中间介质层的方法调整次级透射所在的位置。
设置基本膜系的形式有：[(aHbL)^mαH(bLaH)^mβL']^n(aHbL)^mαH(bLaH)^m以及[(aHbL)^maHαLaH(bLaH)^mβL']^n(aHbL)^maHαLaH(bLaH)^m；
其中α、β为峰位因子，共同决定带通个数及相对位置；a、b为带宽匹配系数，m为反射膜堆的循环次数，a、b、m的匹配共同实现通带带宽的调整；n为膜系的循环个数，决定了膜系的截止深度；
这种方法可以修饰多个带宽的多通带荧光滤光片多用于多色荧光检测。
这样膜系的优势在于在至λ0的波长范围内可以出现多个较为陡峭的截止带。但本质上还是用优化函数优化指标，较多的不规则层带来了镀膜过程中的误差，结果往往不稳定，因此滤光片成本较高。
以上的方案都为间接控制镀膜，光学镀膜直控和间控是指在光学滤光片制备过程中，对滤光特性的控制方式的不同。
光学镀膜直控控制完整膜系的各个层厚度，镀膜过程中个别层的控制误差、膜层的折射率误差会被下一层薄膜所弥补，因此在层数比较多且指标要求比较严格的情况下镀膜工艺应该趋向直接控制的方+案镀膜。
光学镀膜间控是一种通过晶振或间接光控的方式实现对滤光特性的调节方法。这种方法在高精度多膜层的膜系里往往会因为每层的控制误差最终导致成品指标不合格。
综上所述，光学镀膜直控和间控是两种不同的滤光片制备和调控方法，对于高精度光学指标的镀膜控制应该趋向直接控制的方案。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在的传统双通滤光片控制难度较大、截止度偏低、通道FWHM不固定的缺点问题，本发明提供一种规整层直接控制双通窄带滤光片的设计方案，能够采用直接控制技术，形成规整层结构和双窄带特性的滤光片。
为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：一种高截止高透过直控双通滤光片，所述双通滤光片的膜系结构采用直接控制的方式镀膜且具有两个固定通带位置；
所述双通滤光片的膜系结构包括依次交替叠加设置的若干公用反射壁结构、耦合层虚设滤光片结构及法布里-伯罗滤光片结构；最后一层法布里-珀罗滤光片结构之后设置有增透膜结构；
所述法布里-珀罗滤光片结构、耦合层公用反射壁结构耦合层虚设滤光片结构均采用规整层结构。
可选的，所述直接控制过程包括：根据设置的两个固定通带位置及截止位置的截止率，生成双通滤光片的膜系结构总级数；基于双通滤光片的膜系结构总级数，根据两个固定通带位置的半峰全宽指标进行不同结构的级数分配。
可选的，所述两个固定通带位置为1064nm及980nm。
可选的，所述公用反射壁结构包括第一反射壁结构、第二反射壁结构、第三反射壁结构、第四反射壁结构、第五反射壁结构；
其中第一反射壁结构的膜系结构为H3L、第二反射壁结构的膜系结构为HLHLH3L、第三反射壁结构的膜系结构为HLHLH3L、第四反射壁结构的膜系结构为HLHLHLH3L、第五反射壁结构的膜系结构为HLHLH3L。
可选的，所述耦合层虚设滤光片结构包括第一耦合层虚设滤光片结构、第二耦合层虚设滤光片结构、第三耦合层虚设滤光片结构、第四耦合层虚设滤光片结构、第五耦合层虚设滤光片结构，分别叠加于第一反射壁结构、第二反射壁结构、第三反射壁结构、第四反射壁结构、第五反射壁结构之后；
第一耦合层虚设滤光片结构的膜系结构为3HL4HLH2L、第二耦合层虚设滤光片结构的膜系结构为HL4HLH2L、第三耦合层虚设滤光片结构的膜系结构为HL4HLH2L、第四耦合层虚设滤光片结构的膜系结构为HL4HLH2L、第五耦合层虚设滤光片结构的膜系结构为3HL4HLH2L。
可选的，法布里-伯罗滤光片结构包括第一法布里-伯罗滤光片结构、第二法布里-伯罗滤光片结构、第三法布里-伯罗滤光片结构、第四法布里-伯罗滤光片结构、第五法布里-伯罗滤光片结构，分别叠加于第一耦合层虚设滤光片结构、第二耦合层虚设滤光片结构、第三耦合层虚设滤光片结构、第四耦合层虚设滤光片结构、第五耦合层虚设滤光片结构之后；
第一法布里-伯罗滤光片结构的膜系结构为HL2HLHL、第二法布里-伯罗滤光片结构的膜系结构为HL2HLHL、第三法布里-伯罗滤光片结构的膜系结构为HL2HLHL、第四法布里-伯罗滤光片结构的膜系结构为HL2HLHL、第五法布里-伯罗滤光片结构的膜系结构为HL2HL。
可选的，所述增透膜的膜系结构为0.9712H0.9465L0.9511H0.5113L。
可选的，所述双通滤光片的规整层结构采用薄膜沉积技术进行制备。
本发明具有如下技术效果：
1.规整层结构：滤光片采用规整光学厚度的结构，其中每一层的厚度和材料均被精确设计，以实现所需的光学性能，每一层控制膜厚时最终停镀点都是相位为kπ(k＝0、1、2......)的极值点。
2.直接控制技术：采用直接控制技术，每层光学薄膜的光学厚度都为整数，整体镀膜下来的局部误差都被后面的层所抵消。
3.双通窄带特性：滤光片设计为双通窄带滤光片，即能够选择性地透过两个特定的波长范围、反射其他波长范围，从而实现更加精确的光谱分析和光学调控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的双通膜系理论通带指标与理论相位关系示意图；
图2为本发明实施例提供的双通膜系DB形式的指标模拟示意图；
图3为本发明实施例提供的双通膜系1064nm光为控制光源的直接控制镀膜曲线示意图；
图4为本发明实施例提供的双通膜系实际镀膜值曲线示意图；
图5为本发明实施例提供的膜堆结构1对应的光谱曲线图；
图6为本发明实施例提供的膜堆结构1与膜堆结构2的相对光谱曲线对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本设计方案可以用直接控制的光学镀膜方式实现镀膜，过程中产生的镀膜误差可以实时补偿，发明由光学薄膜干涉原理出发搭建第一通带、第二通带。不管镀膜过程控制如何，最终一定形成第一通带、第二通带位置(定义1/4λ为一个光学厚度，λ为第一通带位置)间隔相对应，且具有固定FWHM(Full width at half maximum，半峰全宽)的指标。
本发明提供一种高截止高透过直控双通滤光片设计方案，双通滤光片的指标具有两个固定通带，其余部分截止；滤光片的膜系结构用直接控制的方式镀膜，每一层的误差都会被后面层抵消；膜系结构分为4个结构：公用反射壁结构、耦合层虚设Fabry-Perot滤光片结构、Fabry-Perot滤光片结构、增透膜结构；
本发明所说明的指标特征，调整膜系结构可以实现不同间距通道，实现不同方案的指标；
本发明所说明的直接控制的方式镀膜是这个方案的优势所在，它降低了镀膜难度；
本发明所说明的公用反射壁结构，其作用是调整透射率、提升截止区域反射率、调整第二通带指标位置；
本发明所说明的耦合层虚设Fabry-Perot滤光片结构即耦合层虚设滤光片结构，其作用是调整第一、第二通带间隔、透射率与FWHM；
本发明所说明的Fabry-Perot滤光片结构其作用是调整第一通带透射率、FWHM；
增透膜结构其作用是调整第一、第二通带透射率。
本发明具体采用的技术方案如下：
1.设计规整层结构：根据所需的光学性能，计算和设计滤光片的规整层结构，包括每一层的厚度和材料。
Fabry-Perot滤光片透射率方程为：
其中为中间介质层的相位关系；
其中d为膜层的物理厚度；n为膜层的折射率；θ为膜层的入射角度；λ为入射膜波长。
透射率的极大值位置由下式确定：
双通滤光片的理论依据是在单通带滤片的条件下插入虚设的偶数极值层数。虚设层对单通主体位置的透过没有影响偶数极值层数更变了除主体通带位置的其余波长相位。
光学薄膜的特征可以用一个矩阵概括全部信息，矩阵表示为：
其中i表示虚数
光学薄膜各层干涉后形成的指标可以表示为：
其中j表示层数，ηj表示第j层的折射率，ηg表示基底玻璃的折射率。
所谓虚设层指δ＝kπ(k＝0,1,2,3......)
此时虚设层薄膜的特征矩阵M为：
对该中心波长位置的透过没有作用。
计算1064nm为第一通带位置，980nm为第二通带位置；要使这两个位置为通带的位置，膜系总结构对1064、980要呈现虚设的作用，对于两个波长而言膜系总级数为偶数层；
以0°入射为例，首要步骤设计一个总级数同时满足第一通带与第二通带位置相位为kπ(k＝0、1、2......)的级数，这里的总级数由第一、第二通带位置，截止位置的截止率决定。定值以后分配总层数与结构，这里的级数分配与两通带的FWHM有关。
总层数的确定过程包括：
以1064为中心波长用λ0表示，膜层的设计的时候考虑以中心波长为1/4厚度的膜层为一个光学厚度，其中一个光学厚度的膜层相位表示为：
n表示为膜层折射率，d表示为膜层物理厚度，令第二通道的位置为λ1，对λ0呈现规整厚度的膜层相位需要依据波长的改变设置替换参数。
位相厚度系数表示为：
其中xj表示第j层的位相厚度系数；nj0表示第j层的膜料在波长λ0时的折射率；nj1表示第j层的膜料在波长λ1时的折射率；
对于λ1位置而言，膜系中的每层的位相厚度δj可以表示为：
间隔层两侧的位相厚度表示为：
其中s，t为两侧反射膜堆中膜层层数
存在λ1为通带的条件是：
其中\为求余数，为以λ0为中心波长的在λ1为透射峰的位相厚度。
根据上述的相关内容，通过膜堆结构进行举例说明，如以膜堆结构1：H3L3HL4HLH2L HL2HLHL为例
其中H为TA2O5材料的代替符号，L为SIO2的代替符号。该结构对λ0、λ1位置的相位计算如下表。通过改变级数使得λ1位置的相位趋近被π整除。该膜系对应的光谱曲线如图5所示，其中横轴为波长；左侧纵轴为透过率。
膜堆结构1的位相计算如下表1所示，表1为膜堆结构1位相级数展示表；
表1
间隔层两侧的反射率与通带FWHM之间的关系为：
级数决定通带位置，通带的半高宽FWHM与截止度由中间间隔层两侧的反射率决定，半高宽FWHM表示为：
其中为反射率的相关参数；/>为两侧反射率的参数。等式随着/>的增大而减小。
以膜堆结构1：H3L3HL4HLH2L HL2HLHL与膜堆结构2：H3L3HL4HLH2LHL2HLHLHL为例相对比。
膜堆结构2的位相计算如下表2所示，表2为膜堆结构2位相级数展示表：
表2
膜堆结构1与膜堆结构2的光谱曲线见图6；图6中，横坐标为波长；左侧纵坐标为透射率；粗线为膜堆结构1的理论光谱；细线为膜堆结构2的理论光谱。
膜堆结构2添加了一个HL膜堆，反射率提升，位相在980位置依旧趋近被π整除。光谱曲线上膜堆结构2的高透过位置与膜堆结构1相同。光谱曲线上膜堆结构2的FWHM比膜堆结构1更窄。
上述膜堆结构的比对是脱离技术方案的举例说明，表述改设计方案对滤光片设计的灵活性。
膜系的主体部分由Fabry-Perot滤光片结构构成，通过公用反射壁、耦合层插入虚设层的方式分配层数。
下例中的A、D、G、Z、M区为公用的反射壁，起到调整透射的作用；
下例中的B、E、H、K、N区为Fabry-Perot滤光片耦合层插入虚设层的结构，起到调整第二通带透射位置与FWHM的作用；
下例中的C、F、I、L、O区为主体Fabry-Perot滤光片结构，起到调整第一通带透射位置与FWHM的作用；
下例中的P区为增透膜部分为非规整膜层，用间接控制实现，起到调整第一通带与第二通带透射率的作用。
双通膜系设计如下：
SUB|
(A区膜系结构)H3L
(B区膜系结构)3HL4HLH2L
(C区膜系结构)HL2HLHL
(D区膜系结构)HLHLH3L
(E区膜系结构)HL4HLH2L
(F区膜系结构)HL2HLHL
(D区膜系结构)HLHLH3L
(H区膜系结构)HL4HLH2L
(I区膜系结构)HL2HLHL
(Z区膜系结构)HLHLHLH3L
(K区膜系结构)HL4HLH2L
(L区膜系结构)HL2HLHL
(M区膜系结构)HLHLH3L
(N区膜系结构)3HL4HLH2L
(O区膜系结构)HL2HL
(P区膜系结构)0.9712H0.9465L0.9511H0.5113L
|AIR
中心波长为1064，H表示为1/4波长厚度的高折射率膜层，其材料为TA2O5膜料、L为1/4波长厚度的低折射率膜层，其材料为SIO2膜料。
如图1所示，在双通膜系中，加粗曲线为光谱曲线，细线为0度情况下的膜层相位关系；
膜层总层数为92层，两个固定通带为980±10nm、1064±10nm。图1中，横坐标为波长；左侧纵坐标为透过率；右侧纵坐标为相位。
图2为在双通膜系中，DB形式的指标模拟结果，从图2中可看出，膜系具有较高的截止率。图2中，横坐标为波长；左侧纵坐标为DB形式的透过率。
图3为在双通膜系中，1064nm光为控制光源的直接控制镀膜曲线示意图(1-20层)，根据层数的不断增加，局部的控制误差会被后面的层抵消。图3中，横坐标为物理厚度；左侧纵坐标为对应物理厚度的透射率。
2.制备规整层结构：采用薄膜沉积技术，按照设计的规整层结构制备滤光片的各个层次。
如图4所示，实际镀膜值如下，FWHM与理论趋近，整体透过比理论下降了4％，通带边缘变得比较圆润，分析是镀膜过程中误差层互补造成的。图4中，横坐标为波长；左侧纵坐标为透射率。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种高截止高透过直控双通滤光片，其特征在于，
所述双通滤光片的膜系结构采用直接控制的方式镀膜且具有两个固定通带位置；
所述双通滤光片的膜系结构包括依次交替叠加设置的若干公用反射壁结构、耦合层虚设滤光片结构及法布里-伯罗滤光片结构；最后一层法布里-珀罗滤光片结构之后设置有增透膜结构；
所述法布里-珀罗滤光片结构、耦合层公用反射壁结构耦合层虚设滤光片结构均采用规整层结构。
2.根据权利要求1所述的高截止高透过直控双通滤光片，其特征在于：
所述直接控制过程包括：根据设置的两个固定通带位置及截止位置的截止率，生成双通滤光片的膜系结构总级数；基于双通滤光片的膜系结构总级数，根据两个固定通带位置的半峰全宽指标进行不同结构的级数分配。
3.根据权利要求1所述的高截止高透过直控双通滤光片，其特征在于：
所述两个固定通带位置为1064nm及980nm。
4.根据权利要求1所述的高截止高透过直控双通滤光片，其特征在于：
所述公用反射壁结构包括第一反射壁结构、第二反射壁结构、第三反射壁结构、第四反射壁结构、第五反射壁结构；
其中第一反射壁结构的膜系结构为H3L、第二反射壁结构的膜系结构为HLHLH3L、第三反射壁结构的膜系结构为HLHLH3L、第四反射壁结构的膜系结构为HLHLHLH3L、第五反射壁结构的膜系结构为HLHLH3L。
5.根据权利要求1所述的高截止高透过直控双通滤光片，其特征在于：
所述耦合层虚设滤光片结构包括第一耦合层虚设滤光片结构、第二耦合层虚设滤光片结构、第三耦合层虚设滤光片结构、第四耦合层虚设滤光片结构、第五耦合层虚设滤光片结构，分别叠加于第一反射壁结构、第二反射壁结构、第三反射壁结构、第四反射壁结构、第五反射壁结构之后；
第一耦合层虚设滤光片结构的膜系结构为3HL4HLH2L、第二耦合层虚设滤光片结构的膜系结构为HL4HLH2L、第三耦合层虚设滤光片结构的膜系结构为HL4HLH2L、第四耦合层虚设滤光片结构的膜系结构为HL4HLH2L、第五耦合层虚设滤光片结构的膜系结构为3HL4HLH2L。
6.根据权利要求1所述的高截止高透过直控双通滤光片，其特征在于：
法布里-伯罗滤光片结构包括第一法布里-伯罗滤光片结构、第二法布里-伯罗滤光片结构、第三法布里-伯罗滤光片结构、第四法布里-伯罗滤光片结构、第五法布里-伯罗滤光片结构，分别叠加于第一耦合层虚设滤光片结构、第二耦合层虚设滤光片结构、第三耦合层虚设滤光片结构、第四耦合层虚设滤光片结构、第五耦合层虚设滤光片结构之后；
第一法布里-伯罗滤光片结构的膜系结构为HL2HLHL、第二法布里-伯罗滤光片结构的膜系结构为HL2HLHL、第三法布里-伯罗滤光片结构的膜系结构为HL2HLHL、第四法布里-伯罗滤光片结构的膜系结构为HL2HLHL、第五法布里-伯罗滤光片结构的膜系结构为HL2HL。
7.根据权利要求1所述的高截止高透过直控双通滤光片，其特征在于：
所述增透膜的膜系结构为0.9712H0.9465L0.9511H0.5113L。
8.根据权利要求1所述的高截止高透过直控双通滤光片，其特征在于：
所述双通滤光片的规整层结构采用薄膜沉积技术进行制备。
Priority Applications (1)
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| CN202311471214.2A CN117434634A (zh) | 2023-11-07 | 2023-11-07 | 一种高截止高透过直控双通滤光片 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311471214.2A CN117434634A (zh) | 2023-11-07 | 2023-11-07 | 一种高截止高透过直控双通滤光片 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117434634A true CN117434634A (zh) | 2024-01-23 |
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Family Applications (1)
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| CN202311471214.2A Pending CN117434634A (zh) | 2023-11-07 | 2023-11-07 | 一种高截止高透过直控双通滤光片 |
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- 2023-11-07 CN CN202311471214.2A patent/CN117434634A/zh active Pending
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