[發(fā)明專利]一種可見/紅外寬光譜分色片的膜系結構

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810033432.7
• 申請日: 2008-02-01
• 公開（公告）號: CN101226244A
• 公開（公告）日: 2008-07-23
• 發(fā)明（設計）人: 趙培;劉定權;王仍;張鳳山
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G02B1/10
• 分類號: G02B1/10
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 郭英

技術領域

本發(fā)明涉及光學薄膜技術，具體是指一種可見/紅外寬光譜分色片的膜系結構。

技術背景

可見/紅外寬光譜分色片是一種能夠把可見近紅外和中遠紅外光譜能量分開的光學器件，它在多光譜和寬光譜儀器中有著重要應用。目前，可見/紅外寬光譜分色片采用由John?C.C.Fan所提出的介質/金屬/介質三層薄膜結構。

在0.4μm～2μm的可見近紅外波段，根據誘導透射原理，利用介質層降低金屬層的反射，增加入射光波的透射率；在2μm～15μm的中遠紅外波段，利用金屬高反射的性質反射入射光波，從而在寬光譜范圍內實現可見近紅外與中遠紅外光譜的分離。

所有的金屬材料中，Ag的消光系數與折射率的比值最大，在可見光區(qū)的吸收最小，且偏振效應最小。所以，通常選擇Ag膜作為寬光譜分色片中的金屬層。寬光譜分色片的使用波段覆蓋了從0.4μm到15μm的波長范圍，因此要求在使用波段內材料有低的吸收。ZnS薄膜從可見到紅外都有低的吸收，并且性能穩(wěn)定，致密度較高，是寬光譜分色片中常用的介質材料。

隨著科學技術的飛速發(fā)展，多光譜儀器的空間分辨率和光譜分辨率越來越高。例如在超高光譜儀器中，0.4～14μm的光譜范圍內，光譜通道數多達1000～10000個。這些新的發(fā)展對可見/紅外寬光譜分色片的通帶寬度提出了更高的要求。

目前，對于介質/金屬/介質三層薄膜結構的可見/紅外寬光譜分色片的通帶寬度，通常根據誘導透射理論，采用減小Ag層的厚度的方法展寬寬光譜分色片的帶寬。但是，隨著Ag層厚度的減小，紅外波段的反射率降低，并且可見近紅外波段的吸收增大，導致分色片的性能下降。因此，這種方法具有一定的局限性。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種可見/紅外寬光譜分色片的膜系結構來解決在保證紅外反射率不變前提下展寬通帶寬度的技術問題。

本發(fā)明可見/紅外寬光譜分色片的膜系結構如圖1所示，它由4層膜層組成，分色片的襯底1通常選擇JGS-1石英玻璃或K9玻璃，厚度根據要求確定，一般要在1mm～10mm之間；第一層膜2和第三層膜4為高折射率介質層，要求在0.4μm～15μm內有低吸收，通常選擇ZnS材料；第二層膜3為金屬層，要求在使用波段范圍內消光系數與折射率的比值盡可能大，通常選擇金屬Ag材料；第四層膜5為低折射率層，要求在0.4μm～15μm內有低吸收和低折射率，材料通常選擇氟化物，例如YF₃，Na₃AlF₆，YbF₃等。

在確定膜系結構的具體參數時，首先要考慮滿足中遠紅外反射率的要求。因為3μm～15μm的中遠紅外波段的反射率只有依靠Ag膜反射這一個方法，沒有其它手段對反射率進行調節(jié)。Ag膜在中遠紅外反射率會隨其厚度降低而減小。所以設計寬光譜分色片時必須先確定Ag膜的最小厚度，以保證中遠紅外有足夠高的反射來滿足指標要求。

對于通帶的寬度，由于Ag層的厚度已經確定，所以不可能通過減薄Ag層的方法加以展寬。

根據誘導透射原理，膜系的實際透射率和前置膜堆有關。合理的設計前置膜堆可以減小膜系的反射率，增加膜系的透射率。因此，可以利用配置前置膜堆的方法增加通帶的寬度。

但是，前置膜堆的總厚度不宜過厚，否則材料的吸收會降低膜系在紅外波段的反射率。經過計算，利用一層低折射率材料作為最外層就可以增大通帶兩側的透射率，從而增加了通帶寬度。

根據以上分析，總結出膜系結構的一般設計方法：

1.根據分色片技術指標中的中遠紅外的反射率確定第二層膜3所需Ag層厚度。

2.根據分色片技術指標所要求的通帶位置確定第一層膜2和第二層膜4的ZnS層的厚度。

3.如果帶寬過窄，不滿足要求，可以調節(jié)氟化物低折射率層的厚度增加通帶的寬度。其厚度可以根據經驗選擇一個初始值，一般可以在30nm～130nm范圍內選擇。

4.將設計好的初始膜系輸入計算機，利用光學薄膜軟件(例如Film?Wizard)優(yōu)化設計。

附圖說明

圖1為分色片的膜系結構；

圖中：1——分色片襯底；

2——第一層膜；

3——第二層膜；

4——第三層膜；

5——第四層膜。

圖2為增加低折射率層前后的400～2500nm透射率曲線；

圖中：1——增加低折射率層前的透射率曲線；