可见光变角度带通滤光膜研制

岳 威,曹景华,苑利钢,韩永昶,张 阔,刘连泽

(1.固体激光技术重点实验室,北京 100015;2.华北光电技术研究所，北京 100015)

1 引 言

地形相机已经在月表、火星勘测、环境感知和空间成像等多个领域内具有了广泛的应用。目前在400～700 nm范围内为了实现稳定地移动成像,可以实时、可靠、较高精度地获取未知图像信息,采用多维变角度的光学系统成为了通用设计方式[1]。

光学薄膜对于此类光学系统至关重要,不仅每种透镜和反射镜都需要镀膜,以达到特定的性能指标,而且为了提升图像质量,需要在可变角使用情况下对于可见光能量降低信噪比,提升响应度,以达到更好的输出,这就对于光学薄膜提出了很高的技术要求,同时薄膜的吸收、附着力以及斜入射变化量也成为了光学系统性能的关键所在。本文主要探讨可见光0°至33°入射情况下的带通滤光膜。

2 工作原理

带通滤光膜是指在特定波长范围内,光学元件表面用以抑制部分波段透过光能量,同时降低其余波段反射光能量的介质涂层。其特性如图1所示，同时，由下列参数确定。

(1)透射曲线开始上升(或下降)时的波长以及许可斜率。

(2)透射带的光谱宽度、平均透射率以及在此透射范围内许可的最小透射率。

(3)具有低透射率的抑制带的光谱宽度以及在此范围内所许可的最大透射率[2]。

图1 带通滤光膜特性参数示意图

该类型的滤光片在通带区域具有非常高的透过率,但是在带通区域的两边,被阻挡的光谱范围较窄。可以增加另外一个挡光元件来弥补这个缺点,根据对滤光片的要求,可以是全介质型或金属-介质型。虽然这个额外的挡光元件会滤除带通外的所有不需要的带外辐射,但它也会减少滤光片的整体透过率。所以,对波前有严格要求的成像等应用,通常考虑使用优质带通滤光片。

3 薄膜设计与制备

带通滤光片的设计本质上是通过真空沉积形成的薄膜法布里-珀罗干涉型,它由均匀间隔层分隔的两个反射介质层堆叠组成。这些反射介质膜堆叠由反射率超过99.99%的高、低折射率交替的材料组成。通过改变间隔层的厚度或反射层的数量,就可以改变滤光片的中心波长和带宽。

本文所涉及的可见光变角度带通滤光膜具体指标要求如表1所示。

表1 可见光变角度带通滤光膜技术指标要求

对于变角度带通滤光膜,膜系设计是在给定入射角度范围内(0°～33°)和基底材料(JGS1)的前提下,尽可能通过最少的膜层数,实现尽可能高的通带抑制分离度,其中主要的难点在于随着入射角度的增大,通带波形会向短波变化,同时振幅加大,为了满足400～670 nm平均大于80%的透过能量,需要非规整优化的层数很多。另外,还要考虑镀膜材料之间及其与基底材料之间的匹配,避免应力的集中,保证膜层与基底之间结合的牢固性。用高、低折射率交替的,介质多层膜能够得到更高的反射率,当膜系所有界面上的反射光束回到前表面时具有相同位相,从而产生相长干涉。在折射率为ng的基片上镀以光学厚度为λ0/4的高折射率(n1)膜层后,由于空气/膜层和膜层/基片界面的反射光同位相,使得反射率大大增加[3]。设计曲线如图2和图3所示。

图2 0°入射情况设计曲线

图3 33°入射情况设计曲线

在薄膜材料不确定的情况下,改变材料及层数,可以得到满足匹配条件的解。在薄膜材料确定的情况下,改变膜层的层厚和层数,可得到不同的等效折射率E和等效相位Γ,使其近似满足匹配条件[4]。初始膜系为G/(HL)^S(mHmL)^S /A的典型结构,高折射率材料选取Ti3O5,低折射率材料选取SiO2,利用长短波两个截止带通结合,逐步增加反射膜对,它们由光学厚度为设计波长的四分之一、折射率分别为nH和nL的单层膜叠加而成,以H、L表示,S代表了HL的重复次数,即反射周期,m代表两个反射带相对的中心波长比,最后以非等厚周期方法进行优化处理,注意修正了反射带平坦度[5],得到设计结构为:SUB .149H 0.350L 1.757H 1.653L 1.588H 1.501L 1.530H 1.515L 1.502H 1.509L 1.496H 1.497L 1.501H 1.504L 1.482H 1.519L 1.491H 1.537L 1.514H 1.515L 1.519H 1.582L 1.547H 1.582L 1.614H 1.641L 1.682H 1.754L 1.786H 1.829L 1.833H 1.846L 1.861H 1.860L 1.866H 1.873L 1.853H 1.875L 1.862H 1.870L 1.864H 1.879L 1.858H 1.871L 1.864H 1.856L 1.851H 1.852L 1.825H 1.816L 1.802H 0.898L AIR。值得注意的是,对于多个角度同时优化计算的时候,必须针对33°最大偏移量进行均衡考虑。实测曲线如图4和图5所示。

图4 0°入射实测曲线

图5 Measured spectral curve of 33°

样品膜层在具有扩散泵系统、光学直控装置和APS 离子源的德国LEYBOLD设备中镀制,采用电子枪蒸发材料,石英晶体控制蒸发速率。制备完成后以Varian(扫描范围紫外至175 nm 中波波至3300 nm,分辨率0.1 nm)进行光谱特性测试。薄膜样品基底材料选用JGS1石英,光学加工指标N=3,ΔN=0.3,rms=0.3 nm,镀膜前用超声波清洗。

4 变角度滤光膜测试方法

滤光膜的透过率测试通常是在光度计中利用角度附件,在校准光路后进行能量参比计算,但是在27°至33°情况下,如果测试精度和指标要求比较临界,容差小,那么由于测试系统中的光源以及所采用的反射镜、透镜等共同产生测试能量的椭偏性影响就会突显,即在正交的两个方向上,光路测试能量并非是相等的[6]。如果直接测试薄膜样品,就会产生偏移量误差,难以与设计值拟合的情况。33°偏振光对比和系统椭偏导致的测试误差如图6和图7所示。

图6 33°偏振光对比

图7 系统椭偏导致的测试误差示意图

因此,为了准确测试膜层性能,界定工艺和测试误差因素,在27°至33°光谱偏移量较大的范围内,采用了加起偏器分别对于正交的偏振能量P光和S光进行测试,然后将两个方向矢量进行能量合并,此测试方法能够很好地避免测试误差,从而在研制过程中指导拟合修正。P光和S光测试如图8和图9所示。

图8 P光透过率实测曲线

图9 S光透过率实测曲线

5 实验验证

图10 滤光片实物照片

6 结 论

通过分析可见光变角度带通滤光膜的原理、设计和测试方法,得出以下结论:

(1)设计结构、优化算法和工艺方式对于薄膜变角度使用有着明显的影响。

(2)离子束辅助能量存在着临界参数使薄膜性能取得最优。

(3)测试系统的椭偏影响需采用正交起偏的测试耦合方式加以处理。