一种高截止深度滤光片及其制备方法与应用与流程

1.本发明涉及滤光片技术领域，尤其是涉及一种高截止深度滤光片及其制备方法与应用。


背景技术：

2.滤光片是用以改变入射光的光谱强度分布或偏振特性的光学元件。在照相摄影设备、光谱仪器、光纤通信、光学传感、空间遥感、激光系统、光电显示等多个领域，滤光片发挥着重要的作用。光学薄膜滤光片是指利用膜层厚度与波长相当的多层薄膜使特定波谱范围内光通过而不需要的波长进行滤除的光学元件，根据抑制、透射波长范围的不同，又可分为带通滤光片、长波通滤光片、短波通滤光片等。
3.现有的生物医学检测仪器用的滤光片的通光波段透过率低(约80％)，影响成像清晰度；截止波段的截止深度不够，透过率在0.1％左右，不能有效地滤除杂散光，进而对ccd/cmos成像产生干扰；通光波段的半带宽过于宽，带宽在20nm左右，会有更多的杂散光通过，进而影响成像的分辨率和色彩还原性；角度效应大，0
°
～30
°
时，波长偏移严重，约偏移30nm；隔离度低、出光功率衰减严重，功率衰减在20％以上；抗激光损伤的能力低，滤光片膜层经2j/cm2激光能量辐照后易烧伤，使用寿命短。
4.因此，需要提供一种具有高透过率、高截止深度、角度效应小、高抗激光损伤阈值的滤光片。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高截止深度滤光片，该高截止深度滤光片具有高的透过率、高的截止深度、小的角度效应、高的抗激光损伤能力。
6.本发明还提供上述高截止深度滤光片的制备方法。
7.本发明还提供上述高截止深度滤光片的应用。
8.术语“窄带滤光膜”指对其他波段的光截止，仅对某一特定波长的光通过的单波长滤光膜。
9.术语“高隔离度截止膜”指能够高效率阻挡、过滤截止波段的光的滤光膜。
10.根据本发明的第一方面实施例的高截止深度滤光片，从上往下依次包括：
11.窄带滤光膜，基片和高隔离度截止膜；
12.所述窄带滤光膜包括由第一sio2膜层和第一ta2o5膜层依次交替层叠在所述基片的一侧表面形成，其中：交替次数为22～26次；直接附着于所述基片上的所述第一sio2膜层的光学厚度为0.5a～0.6a，其余所述第一sio2膜层的光学厚度为1a～6a；离所述基片最近的所述第一ta2o5膜层的厚度为0.7a-0.8a，其余所述第一ta2o5膜层的光学厚度为1a～3a；
13.所述高隔离度截止膜包括在所述基片的另一侧表面依次形成的第二ta2o5膜层和第二sio2膜层，其中：交替次数为160～164次；直接附着于所述基片上的第二ta2o5膜层的光
学厚度为0.2a～0.3a，其余第二ta2o5膜层的光学厚度为0.4a～1.2a；所述第二sio2膜层的厚度为0.5a～1.2a；
14.其中，a表示1/4设计波长。
[0015]“交替次数”指：第一sio2膜层和第一ta2o5膜层(或第二ta2o5膜层与第二sio2膜层)交替层叠1次对应交替次数为1次。
[0016]
根据本发明实施例的高截止深度滤光片，至少具有如下有益效果：
[0017]
实施例的高截止深度滤光片对通光波段的透过率高，透过率大于95％，成像清晰度高；截止波段的截止率深，透过率＜0.001％，能有效地滤除杂散光，ccd/cmos成像不受杂散光的干扰；通光波段的半带宽窄，带宽在8nm～10nm，能够有效通过特定波长，成像的分辨率高，色彩还原性好；角度效应小，0
°
～30
°
时，波长偏移小于15nm；隔离度高、出光功率高，功率衰减小于5％；抗激光损伤阈值高，大于5j/cm2以上激光能量辐照，膜层无损伤、无破坏，膜层使用寿命达到3年以上。实施例的高截止深度滤光片性能稳定可靠、实用性强，可广泛应用于生物医学检测仪器、激光雷达等。
[0018]
根据本发明的一些实施例，所述窄带滤光膜的结构为：air/hlhl h2lh lhlhlhl3hl h4lh 3lhlhl hl3hl h6lh 3lhlhlhlhl h2lh lhl0.7806h0.5284l/sub；
[0019]
所述高隔离度截止膜的结构为：sub/0.52(0.5hl0.5h)^20,0.65(0.5hl0.5h)^20,0.8(0.5hl0.5h)^20,1.15(0.5lh0.5l)^20/air；
[0020]
其中，air表示空气；sub表示基片；h表示光学厚度为1/4设计波长厚度的ta2o5膜层；l表示光学厚度为1/4设计波长厚度的sio2膜层；h或l前的数字为对应膜层的光学厚度比例系数，^20表示括号内的膜层结构的重复次数。
[0021]
根据本发明的一些实施例，所述设计波长为905nm。通光范围为905
±
10nm。
[0022]
根据本发明的一些实施例，所述高截止深度滤光片的峰值透射率大于95％。
[0023]
根据本发明的一些实施例，所述高截止深度滤光片的半带宽不超过10nm。
[0024]
根据本发明的一些实施例，所述高截止深度滤光片在截止区400nm～895nm和915nm～1100nm的透射率小于2％。
[0025]
根据本发明的一些实施例，所述高截止深度滤光片在截止区400nm～894nm和916nm～1100nm的透射率小于1％。
[0026]
根据本发明的一些实施例，所述高截止深度滤光片在截止区400nm～890nm和921nm～1100nm的透射率小于0.1％。
[0027]
根据本发明的一些实施例，所述高截止深度滤光片在截止区400nm～875nm和939nm～1100nm的透射率小于0.001％。
[0028]
根据本发明的一些实施例，所述基片包括光学玻璃。
[0029]
根据本发明的一些实施例，所述基片的厚度为1mm～3mm。
[0030]
根据本发明的一些实施例，所述基片的厚度为1mm。
[0031]
根据本发明的一些实施例，所述窄带滤光膜的厚度为9μm～15μm。
[0032]
根据本发明的一些实施例，所述窄带滤光膜的厚度为9μm～11μm。
[0033]
根据本发明的一些实施例，所述窄带滤光膜的厚度为10μm。
[0034]
根据本发明的一些实施例，所述高隔离度截止膜的厚度为15μm～20μm。
[0035]
根据本发明的一些实施例，所述高隔离度截止膜的厚度为15μm～17μm。
[0036]
根据本发明的一些实施例，所述高截止深度滤光片对所述设计波长
±
10nm外的光线透射率小于2％。
[0037]
根据本发明的一些实施例，所述高截止深度滤光片的半带宽为8nm～15nm。
[0038]
根据本发明的一些实施例，所述高截止深度滤光片的半带宽为8nm～12nm。
[0039]
根据本发明的一些实施例，所述高截止深度滤光片在0
°
～30
°
范围内时，波长偏移小于15nm。
[0040]
根据本发明的第二方面实施例的制备方法，包括以下步骤：使用电子束蒸发与离子源辅助沉积法在所述基片的一侧表面交替镀第一sio2膜层和第一ta2o5膜层，得所述窄带滤光膜；在所述基片的另一侧表面交替镀第二ta2o5膜层、第二sio2膜层，得所述高隔离度截止膜。利用使rf离子源辅助，使得高截止深度滤光片的膜层填充密度大，膜层牢固、温漂效应小。
[0041]
根据本发明的一些实施例，所述镀制的条件中，工作温度为180℃～200℃。如果工作温度不在该范围内，会使得材料的填充密度降低，膜层附着力降低，从而导致膜层硬度降低。
[0042]
根据本发明的一些实施例，所述镀制的条件中，工作温度为200℃。
[0043]
根据本发明的一些实施例，所述镀制的条件中，工作压强为7.0
×
10-4
pa～9.0
×
10-4
pa。由此，环境中杂质、残余气体少，利于提高高截止深度滤光片的表面光洁度以及膜层致密度。
[0044]
根据本发明的一些实施例，所述镀制的条件中，工作压强为8.0
×
10-4
pa。
[0045]
根据本发明的一些实施例，所述镀制的条件中，工作气体为氧气。
[0046]
根据本发明的一些实施例，所述镀制的条件中，气体流量为55sccm～75sccm。如果气体流量不在该范围内，会使得材料分子失氧，引起膜层吸收，导致高截止深度滤光片的透过率降低。
[0047]
根据本发明的一些实施例，所述镀制的条件中，气体流量为65sccm。
[0048]
根据本发明的一些实施例，所述镀制的条件中，所述ta2o5蒸发速率：0.20nm/秒～0.30nm/秒。如果蒸发速率不在该范围内，会引起材料的飞溅，导致高截止深度滤光片表面光洁度变差，表面出现麻点。
[0049]
根据本发明的一些实施例，所述镀制的条件中，所述ta2o5蒸发速率：0.25nm/秒。
[0050]
根据本发明的一些实施例，所述镀制的条件中，所述sio2蒸发速率：0.6nm/秒～1nm/秒。如果蒸发速率不在该范围内，会引起材料的飞溅，导致高截止深度滤光片表面光洁度变差，表面出现麻点。
[0051]
根据本发明的一些实施例，所述镀制的条件中，所述sio2蒸发速率：0.8nm/秒。
[0052]
根据本发明的第三方面实施例的应用，具体为第一方面实施例的高截止深度滤光片在生物医学检测仪器、光学仪器、激光雷达或光学探测中的应用。由于采用了上述实施例的高截止深度滤光片的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。
[0053]
根据本发明的一些实施例，所述生物医学检测仪器包括血氧仪。
[0054]
根据本发明的一些实施例，所述光学仪器包括红外探测器。
[0055]
根据本发明的一些实施例，所述高截止深度滤光片在激光雷达中的应用具体包括
在激光雷达传感器中的应用。
[0056]
根据本发明的一些实施例，所述高截止深度滤光片在光学探测中的应用具体包括在车载激光雷达、机器人、无人机中的应用。
[0057]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
[0058]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0059]
图1是本发明实施例的高截止深度滤光片的结构示意图；
[0060]
图2是本发明实施例的高截止深度滤光片的透射率光谱图；
[0061]
图3是本发明实施例的高截止深度滤光片的透射率光谱局部放大图；
[0062]
图4是本发明实施例的高截止深度滤光片在0
°
和30
°
的透射率光谱对比图。
[0063]
附图标记：
[0064]
基片101、窄带滤光膜102、高隔离度截止膜103。
具体实施方式
[0065]
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
[0066]
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0067]
在本发明的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0068]
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0069]
实施例1
[0070]
本实施例提供一种高截止深度滤光片，从上往下依次包括：窄带滤光膜102、基片101和高隔离度截止膜103。如图1所示。具体如下：
[0071]
基片101为光学玻璃，厚度为1.0mm；
[0072]
窄带滤光膜102的结构为：air/hlhl h2lh lhlhlhl3hl h4lh 3lhlhl hl3hl h6lh3lhlhlhlhl h2lh lhl0.7806h0.5284l/sub，共计48层，厚度为10μm；
[0073]
高隔离度截止膜103的结构为：sub/0.52(0.5hl0.5h)^20,0.65(0.5hl0.5h)^20,0.8(0.5hl0.5h)^20,1.15(0.5lh0.5l)^20/air，共计162层，厚度为16μm；
[0074]
其中，air表示空气；sub表示基片；h表示1/4设计波长厚度的五氧化二钽(ta2o5)膜
层；l表示1/4设计波长厚度的二氧化硅(sio2)膜层；h或l前的数字为对应膜层的光学厚度比例系数，^20表示括号内的膜层结构的重复次数。
[0075]
高隔离度截止膜103的结构中，两层相邻ta2o5膜层可视为一层ta2o5膜层，这样是为了表示方便。sio2膜层同理。
[0076]
上述高截止深度滤光片的设计波长为905nm。
[0077]
具体厚度设计如表1和表2所示。
[0078]
表1.窄带滤光膜结构
[0079]
层数材料光学厚度物理厚度(nm)层数材料光学厚度物理厚度(nm)1ta2o51/4λ108.6125ta2o51/4λ108.612sio21/4λ155.1726sio21/4λ155.173ta2o51/4λ108.6127ta2o53/4λ325.824sio21/4λ155.1728sio21/4λ155.175ta2o51/4λ108.6129ta2o51/4λ108.616sio21/2λ310.3430sio21.5λ931.027ta2o51/4λ108.6131ta2o51/4λ108.618sio21/4λ155.1732sio23/4λ465.519ta2o51/4λ108.6133ta2o51/4λ108.6110sio21/4λ155.1734sio21/4λ155.1711ta2o51/4λ108.6135ta2o51/4λ108.6112sio21/4λ155.1736sio21/4λ155.1713ta2o51/4λ108.6137ta2o51/4λ108.6114sio21/4λ155.1738sio21/4λ155.1715ta2o53/4λ325.8239ta2o51/4λ108.6116sio21/4λ155.1740sio21/4λ155.1717ta2o51/4λ108.6141ta2o51/4λ108.6118sio2λ620.6842sio21/2λ310.3419ta2o51/4λ108.6143ta2o51/4λ108.6120sio23/4λ465.5144sio21/4λ155.1721ta2o51/4λ108.6145ta2o51/4λ108.6122sio21/4λ155.1746sio21/4λ155.1723ta2o51/4λ108.6147ta2o50.195λ84.7824sio21/4λ155.1748sio20.132λ81.99
[0080]
表2.高隔离度截止膜结构
[0081]
[0082]
[0083]
[0084][0085]
注：λ指设计波长。光学厚度的误差为
±
0.1λ，物理厚度的误差为
±
500nm。
[0086]
上述高截止深度滤光片的制备方法包括以下步骤：
[0087]
采用光学镀膜设备，利用高能量的rf(射频)离子源辅助镀膜，工作温度为200℃，工作气体为氧气，气体流量为65sccm，工作压强为8.0
×
10-4
pa，通过电子束的热能将五氧化二钽材料和二氧化硅材料融化，使两种材料交替蒸发，依照如表1和表2所示的物理厚度在光学玻璃两侧分别镀制窄带滤光膜和高隔离度截止膜。
[0088]
其中，五氧化二钽蒸发速率：0.25nm/秒；二氧化硅蒸发速率：0.8nm/秒。
[0089]
检测例
[0090]
1、检测实施例1的高截止深度滤光片的透射率光谱图。如图1和2所示。波长870nm～950nm内的透射率数据具体见表3。
[0091]
表3.实施例1的高截止深度滤光片在876nm～935nm处的透射率
[0092]
[0093][0094]
设计波长905nm，实施例1的高截止深度滤光片对波长900nm～910nm范围内的透射率大于50％，峰值透射率大于95％，对波长在896nm～914nm范围外的光线的透射率小于2％，对波长在876nm～938nm范围外的光线的透射率小于0.001％。使得光线在经过实施例1的高截止深度滤光片后，绝大部分杂散光被滤除。
[0095]
2、检测实施例1的高截止深度滤光片在入射角度0
°
和30
°
的透射率光谱图。0
°
时，实施例1的高截止深度滤光片对波长900nm～910nm范围内的透射率大于50％；30
°
时，实施例1的高截止深度滤光片对波长887nm～897nm范围内的透射率大于50％。如图3所示。
[0096]
实施例1的高截止深度滤光片在0
°
～30
°
范围内时，波长偏移小于15nm。
[0097]
3、实施例1的高截止深度滤光片经激光能量(脉冲激光，脉冲带宽20ns，功率5j/
cm2)辐照60min后，膜层无损伤、无破坏。
[0098]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。