CN1302916A - 关于红外截止滤光片光学介质膜厚度的监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外截止滤光片光学介质膜厚度的监控方法,该方法是:将监控片和样品一起放入真空镀膜室中,同时进行镀膜,在镀膜的过程中,用一单色光作监控光,由红外探测器接收,利用显示纪录仪观察监控片反射级次的变化,进行介质膜层的厚度控制。其特征是监控光的监控波长采用λ₀/3或λ₀/5,监控波长选在吸收限波段内,利用这两者间的制约和补偿,完成一层介质膜λ₀/4厚度的镀制,整个膜系用一块监控片完成镀制。从而得到与理论设计接近的高性能红外截止滤光片。

Description

关于红外截止滤光片光学介质膜厚度的监控方法

本发明涉及红外光学元件，具体涉及红外截止滤光片的光学介质膜厚度的监控方法。

在红外截止滤光片的制备过程中，要制备出合格的光学介质膜器件，必须进行光学介质膜参数的监控，而监控方法会影响光学介质膜器件的性能及成品率。从已公开的多种监控方法中，较普遍的是极值法，即在蒸镀每层介质膜时，当介质膜厚度达λ₀/4(λ₀为监控波长)的整数倍时，在λ₀波长处的透过率或反射率会达到一个极大值或极小值。这种利用光电系统输出信号出现极值点这一性质来监控四分之一波长整数倍光学介质膜厚度的方法称之为“极值法”。极值法监控介质膜厚度具有简单、易行的优点，膜层与膜层间有良好的补偿。但极值法的明显缺点是监控精度欠佳。极值法测量和控制的量是监控信号对于膜厚的变化，即 $\frac{\∂R_i}{\∂\left(n_i{d}_i\right)}$ ，R_i为反射率，n_id_i为膜层的光学厚度，在极值处 $\frac{\∂R_i}{\∂\left(n_i{d}_i\right)}=0$ ，而在极值附近其变化率很缓慢，这就给极值点判断准确性带来困难，从而限制了极值法的精度。

为了提高极值法的精度，往往采用高级次监控，若一级次极值法反射率的判断误差引入的位相厚度误差为φ，而采用高级次(n级次)监控时，引入的位相厚度误差仅为φ/n了。在实际应用时，n一般为偶数，即采用偶级次监控法，这是因为长波通或短波通滤光片的基本膜系结构是 ${\left(\frac{L}{2}H\frac{L}{2}\right)}^m$ 或 ${\left(\frac{H}{2}L\frac{H}{2}\right)}^m$ ，采用偶级次监控，可以解决镀制L/2或H/2膜层的麻烦。见参考文献“薄膜光学与技术”著者：唐晋发，顾培夫，1999版；“光学薄膜论文集”华北光电技术研究所编，1983年9月出版。

由于红外截止滤光片介质膜层常选用的高折射率材料，例如碲化铅(PbTe)，它具有较长的本征吸收限，为3.6μm，采用偶级次监控，若监控波长选在本征吸收波段内，会造成监控信号衰减甚至反向变化，这无疑降低了膜层监控精度并增加了膜层的镀制误差，所以滤光片往往难以获得接近理论设计的光谱特性。

本发明的目的是：提出一种能使红外截止滤光片的性能及成品率得到较大提高的光学介质薄膜厚度的监控方法。

本发明的红外截止滤光片的制备系统包括：真空镀膜室和红外光电膜厚监控系统。红外光电膜厚监控系统包括光源1，沿着光源1前进的方向依次置有调制器2、入射窗口3、监控片5、出射窗口6、分光仪7、红外探测器8、锁相放大器9、显示记录仪10，见图1。具体步骤是：将监控片5和准备镀制的滤光片样品4一起放入真空镀膜室11中，同时进行镀膜，镀制的膜堆 ${\left(\frac{L}{2}H\frac{L}{2}\right)}^m$ 或 ${\left(\frac{H}{2}L\frac{H}{2}\right)}^m$ 由基本膜层为HLHL......H高反堆构成，H为高折射率膜料，L为低折射率膜料。在镀膜的过程中，将光源1经调制器2调制后通过真空镀膜室的入射窗口3入射到监控片5上，经监控片反射的光通过真空镀膜室的出射窗口6进入分光仪7，经分光仪分光从中获取一束单色光作为监控光，由红外探测器8接收，锁相放大器9放大，显示记录仪10显示记录。利用显示记录仪观察监控片随着蒸镀膜层厚度的变化，所产生的反射极值级次的变化，来进行介质膜层的厚度控制。所说的监控片为单面磨毛的硅片。所说的光源为硅碳棒或钨卤素灯。所说的高折射率膜料为碲化铅或锗，低折射率膜料为硒化锌或硫化锌。所说的监控光的监控波长为λ₀/n,λ₀为滤光片的中心波长，n为高奇级次数，如3、5…，若n取3为3级次或n取5为5级次，也就是说若滤光片的中心波长为λ₀,3级次的监控波长为λ₀/3,5级次监控波长则为λ₀/5。在蒸发每层介质膜时，当显示记录系统出现高奇次极值如第3个极值或第5个极值时结束蒸发，完成一层介质膜λ₀/4厚度的镀制。整个膜系用一块监控片完成镀制。

本发明的原理是：随着介质膜层的增加其反射率会逐层增大，而监控波长选在高折射率材料吸收限波段内，因其具有较大的吸收系数，膜层监控信号会衰减。利用这两者间的制约和补偿，见图3，可以顺利采用高奇级次监控，如n=3或5完成整个膜系的镀制，膜层间可获得良好补偿，从而得到与理论设计接近的高性能红外截止滤光片。

本发明的有益效果如下：

1 由于本发明采用高奇级次，如3级次或5级次监控，整个膜系用一块监控片就可完成镀制，膜层间可获得良好的误差补偿。

2 由于本发明采用高奇级次，如3级次或5级次监控，每层介质膜的判断精度将比一级次监控提高3倍或5倍。

3 由于本发明监控波长选在较短吸收限波段处，监控信号增大，使每层介质膜厚度判断准确性得到了进一步提高，从而提高了红外截止滤光片的光谱性能及成品率。

附图说明如下：

图1为滤光片介质膜蒸发厚度监控系统；

图2为滤光片介质膜系理论计算光谱曲线；

图3为滤光片3级次反射监控法监控曲线；

图4为3级次监控法制备的8μm前截止滤光片实测光谱曲线。

实施例：

本发明人提供8μm红外前截止滤光片实施例，具体操作步骤同上。

1．监控片为单面磨毛的Si片；

2．滤光片样品的衬底材料为锗；

3．滤光片样品的中心波长λ₀为6μm，采用3级次监控法，监控波长为λ₀/3，即为2μm；

4．滤光片样品膜系结构为 $\frac{L}{2}\mathrm{HLHL}......H2L$ 膜层，H为碲化铅，L为硒化锌；

5．对于膜系设计中出现的L/2膜层，采用遮蔽板技术来实现镀制。制备好的样品经测试获得如图4所示的曲线，与图1滤光片膜系理论设计光谱曲线基本接近。

Claims (3)

1．一种红外截止滤光片光学介质膜厚度的监控方法，其特征在于具体步骤为：

将监控片(5)和准备镀制的滤光片样品(4)一起放入真空镀膜室(11)中，同时进行镀膜；在镀膜的过程中，将光源(1)经调制器(2)调制后通过真空镀膜室的入射窗口(3)入射到监控片(5)上，经监控片反射的光通过真空镀膜室的出射窗口(6)进入分光仪(7)，经分光仪分光从中获取一束单色光作为监控光，由红外探测器(8)接收，锁相放大器(9)放大，显示记录仪(10)显示记录；

a．所说的监控片为单面磨毛的硅片；

b．所说的监控光的监控波长为λ₀/n，λ₀为滤光片的中心波长，n为高奇级次数，如3、5…：

c．所说的滤光片样品镀制的膜堆 由基本膜层为HLHL......H高反堆构成，H为高折射率膜料，L为低折射率膜料；

d．在蒸发每层介质膜时，当显示记录仪显示出高奇次极值如3或5或…时结束蒸发，完成一层介质膜λ₀/4厚度的镀制，整个膜系用一块监控片完成镀制。

2．根据权利要求1一种红外截止滤光片光学介质膜厚度的监控方法，其特征在于：所说的高折射率膜料为碲化铅或锗，低折射率膜料为硒化锌或硫化锌。

3．根据权利要求1一种红外截止滤光片光学介质膜厚度的监控方法，其特征在于：所说的光源为硅碳棒或钨卤素灯。

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