可見光變角度帶通濾光膜研制

岳 威,曹景華,苑利鋼,韓永昶,張 闊,劉連澤

(1.固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100015;2.華北光電技術(shù)研究所，北京 100015)

1 引 言

地形相機(jī)已經(jīng)在月表、火星勘測(cè)、環(huán)境感知和空間成像等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)具有了廣泛的應(yīng)用。目前在400～700 nm范圍內(nèi)為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地移動(dòng)成像,可以實(shí)時(shí)、可靠、較高精度地獲取未知圖像信息,采用多維變角度的光學(xué)系統(tǒng)成為了通用設(shè)計(jì)方式[1]。

光學(xué)薄膜對(duì)于此類光學(xué)系統(tǒng)至關(guān)重要,不僅每種透鏡和反射鏡都需要鍍膜,以達(dá)到特定的性能指標(biāo),而且為了提升圖像質(zhì)量,需要在可變角使用情況下對(duì)于可見光能量降低信噪比,提升響應(yīng)度,以達(dá)到更好的輸出,這就對(duì)于光學(xué)薄膜提出了很高的技術(shù)要求,同時(shí)薄膜的吸收、附著力以及斜入射變化量也成為了光學(xué)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。本文主要探討可見光0°至33°入射情況下的帶通濾光膜。

2 工作原理

帶通濾光膜是指在特定波長范圍內(nèi),光學(xué)元件表面用以抑制部分波段透過光能量,同時(shí)降低其余波段反射光能量的介質(zhì)涂層。其特性如圖1所示，同時(shí)，由下列參數(shù)確定。

(1)透射曲線開始上升(或下降)時(shí)的波長以及許可斜率。

(2)透射帶的光譜寬度、平均透射率以及在此透射范圍內(nèi)許可的最小透射率。

(3)具有低透射率的抑制帶的光譜寬度以及在此范圍內(nèi)所許可的最大透射率[2]。

圖1 帶通濾光膜特性參數(shù)示意圖

該類型的濾光片在通帶區(qū)域具有非常高的透過率,但是在帶通區(qū)域的兩邊,被阻擋的光譜范圍較窄?？梢栽黾恿硗庖粋€(gè)擋光元件來彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn),根據(jù)對(duì)濾光片的要求,可以是全介質(zhì)型或金屬-介質(zhì)型。雖然這個(gè)額外的擋光元件會(huì)濾除帶通外的所有不需要的帶外輻射,但它也會(huì)減少濾光片的整體透過率。所以,對(duì)波前有嚴(yán)格要求的成像等應(yīng)用,通?？紤]使用優(yōu)質(zhì)帶通濾光片。

3 薄膜設(shè)計(jì)與制備

帶通濾光片的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是通過真空沉積形成的薄膜法布里-珀羅干涉型,它由均勻間隔層分隔的兩個(gè)反射介質(zhì)層堆疊組成。這些反射介質(zhì)膜堆疊由反射率超過99.99%的高、低折射率交替的材料組成。通過改變間隔層的厚度或反射層的數(shù)量,就可以改變?yōu)V光片的中心波長和帶寬。

本文所涉及的可見光變角度帶通濾光膜具體指標(biāo)要求如表1所示。

表1 可見光變角度帶通濾光膜技術(shù)指標(biāo)要求

對(duì)于變角度帶通濾光膜,膜系設(shè)計(jì)是在給定入射角度范圍內(nèi)(0°～33°)和基底材料(JGS1)的前提下,盡可能通過最少的膜層數(shù),實(shí)現(xiàn)盡可能高的通帶抑制分離度,其中主要的難點(diǎn)在于隨著入射角度的增大,通帶波形會(huì)向短波變化,同時(shí)振幅加大,為了滿足400～670 nm平均大于80%的透過能量,需要非規(guī)整優(yōu)化的層數(shù)很多。另外,還要考慮鍍膜材料之間及其與基底材料之間的匹配,避免應(yīng)力的集中,保證膜層與基底之間結(jié)合的牢固性。用高、低折射率交替的,介質(zhì)多層膜能夠得到更高的反射率,當(dāng)膜系所有界面上的反射光束回到前表面時(shí)具有相同位相,從而產(chǎn)生相長干涉。在折射率為ng的基片上鍍以光學(xué)厚度為λ0/4的高折射率(n1)膜層后,由于空氣/膜層和膜層/基片界面的反射光同位相,使得反射率大大增加[3]。設(shè)計(jì)曲線如圖2和圖3所示。

圖2 0°入射情況設(shè)計(jì)曲線

圖3 33°入射情況設(shè)計(jì)曲線

在薄膜材料不確定的情況下,改變材料及層數(shù),可以得到滿足匹配條件的解。在薄膜材料確定的情況下,改變膜層的層厚和層數(shù),可得到不同的等效折射率E和等效相位Γ,使其近似滿足匹配條件[4]。初始膜系為G/(HL)^S(mHmL)^S /A的典型結(jié)構(gòu),高折射率材料選取Ti3O5,低折射率材料選取SiO2,利用長短波兩個(gè)截止帶通結(jié)合,逐步增加反射膜對(duì),它們由光學(xué)厚度為設(shè)計(jì)波長的四分之一、折射率分別為nH和nL的單層膜疊加而成,以H、L表示,S代表了HL的重復(fù)次數(shù),即反射周期,m代表兩個(gè)反射帶相對(duì)的中心波長比,最后以非等厚周期方法進(jìn)行優(yōu)化處理,注意修正了反射帶平坦度[5],得到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為:SUB

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