专利名称：一种超宽波段截止长波通滤光膜及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种超宽波段截止长波通滤光膜及其制造方法，是在有色玻璃、红外晶体等光学元器件表面镀制的可见光与近红外超宽波段截止长波通滤光膜，可广泛应用于精密光学仪器、光电探测、天文导航等光电子技术领域，属于光学薄膜技术领域。
背景技术：
干涉截止滤光片在提高光电系统信噪比和消除非工作波段杂散光干扰等方面具有无可替代的优点，因而广泛应用于光通信、光电探测与成像、天文导航等技术领域中。其中，天文导航中星敏感探测器的工作原理是利用恒星发光光谱强度在近红外某一有限波段上强于天空背景杂散光的特点而进行星体识别与定位，属于典型的弱信号被动提取方式。因此，需要开发出一种超宽波段截止长波通滤光膜，将天空杂散光尽可能过滤掉，但同时在近红外主探测波段具有良好的透过率。国外文献报道的一种同类型滤光片技术要求为:400-1200nm波段透过率小于0.5%，1260_1700nm波段透过率大于92%，且膜层经得起温度冲击、恒定湿热、中度磨擦试验和附着力测试。目前常用的截止滤光片的制造方法可分为两类:一类为重金属离子参杂而直接形成的有色玻璃，一类则是全介质型干涉截止滤光膜。其中，前者成本低廉，吸收截止宽，但光学性能不好，过渡区不陡，稳定性差；后者的缺点是截止带宽有限(一般不超过0.25um)，膜系结构较复杂，但可以通过膜系设计与制造工艺确保滤光膜具有良好的光学性能。因此，若要实现上述天文导航用超宽波段长波通滤光膜，主要困难有三个方面:一是截止波段超宽且通带透过率要求高，采用有色玻璃一般只能深度截止至SOOnm左右，而单纯采用介质型滤光膜则膜系结构极为复杂(至少65层以上)，镀制周期长且工艺难度大，尤其是膜厚监控精度要求高；二是过渡区斜率要求高(不超过7%)，考虑到实际制造因素及成品率问题，必须将该值控制在5%以内，即过渡波段不超过70nm，这要求膜层总数至少在35层以上且滤光膜中心波长定位精确；三是要求膜层致密，内部缺陷小，具备良好的抗恶劣环境的机械化学稳定性。需要指出的是，上述方面的困难往往是相互交织，互为影响，需要综合予以考虑。基于此，针对天文导航用超宽带截止长波通滤光膜的制造，有必要开发出一种新的制造方法，以克服上述诸多困难并实现工程化应用。
发明内容
本发明的目的是:提供一种超宽波段截止长波通滤光膜及其制造方法，该超宽波段截止长波通滤光膜光学性能优良，吸收截止宽、透过率高、稳定性高、膜层与基底间具有良好的附着力，能提升探测器性能指标；膜系结构简单，容易制造，成本低；镀制方法易于借鉴与移植，能适应大尺寸光学元件滤光膜批量化镀膜生产。本发明的一种超宽波段截止长波通滤光膜的技术方案是:
一种超宽波段截止长波通滤光膜，它包括基片，该基片为光学元件，其正反两面分别镀制有过渡粘接层，在该过渡粘接层上交替镀有若干层不同中心波长的长波通滤光膜，构成两个长波通滤光膜系:一个为基片正面长波通滤光膜系，另一个为基片反面长波通滤光模系，该两个长波通滤光膜系均由高折射率层和低折射率层组成；高折射率层由高折射率材料镀制而成，低折射率层由低折射率材料镀制而成。进一步的技术方案是:
所述的超宽波段截止长波通滤光膜，其基片材料主要选自于有色玻璃或红外晶体；过渡粘接层材料为SiO2、或SiO、或Al2O3,高折射率材料为TiO2、或Ta2O5,低折射率材料为Si02。所述的超宽波段截止长波通滤光膜，其两个长波通滤光膜系的截止波段完全串接，且有10 50nm的截止重叠区；其中，中心波长较小的长波通滤光膜的短波截止点小于光学元件的本征吸收截止上限。所述的超宽波段截止长波通滤光膜，其长波通滤光膜最终成膜后的光学元件具有从400-1400nm波段深度截止且1500-1700nm波段透过率不低于92%的光学特性。本发明的一种超宽波段截止长波通滤光膜制造方法的技术方案是:
一种权利要求1所述超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其制造步骤包括:基片清洗，基片表面等离子体刻蚀处理，过渡粘接层镀制，高折射率层镀制，低折射率层镀制，镀膜完成后的处理；所述高折射率层镀制和低折射率层镀制是用基于监控片更换策略的间接光学膜厚实时监控方法在基片正反两面分别镀制不同中心波长的长波通滤光膜，构成两个长波通滤光膜系，一个为基片正面长波通滤光膜系，另一个为基片反面长波通滤光膜系。进一步的技术方案是:
所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，所述的基片清洗是:将双面抛光后的平面镜片首先用抛光液粗略擦一遍，再用无水混合有机溶液清洗，然后用哈气法检查是否符合规定的光洁度标准，合格后放入镀膜机蒸发室中，最后抽真空并加热镜片。所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，所述的基片表面等离子体刻蚀处理是:当基片清洗完后在镀膜机蒸发室中本底真空达到时，即开启离子源对基片表面进行离子轰击；所述离子轰击的工作气体为纯氩气(4N)，其工艺参数包括:偏压100 220V，放电电流30 60A，持续时间3 8分钟；刻蚀厚度30 lOOnm。所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其离子轰击的工艺参数是针对不同基片材料选定:
a、当基片为有色玻璃时:偏压150 220V，放电电流30 60A，持续时间3 8分钟，刻蚀厚度30 lOOnm，充入辅助氧气流量3 IOsccm ；
b、当基片为红外晶体时:偏压100 150V，放电电流30 50A，持续时间3 5分钟，刻蚀厚度30 80nm。所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，所述的过渡粘接层镀制是:选用SiO2,或SiO，或Al2O3,采用电子束蒸发与离子辅助沉积；膜厚监控方式为晶振膜厚监控，沉积速率为0.2-0.7nm/s，氧气流量为0-5sCCm ;离子辅助沉积偏压为110-150V，放电电流为30-60A。所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其高折射率层镀制采用的电子束蒸发，沉积速率为0.2-0.5nm/s,氧气流量为5-20sCCm，离子辅助沉积参数为:偏压120-160V，放电电流 30-60A。
所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，所述的低折射率层镀制采用电子束蒸发，其速率为0.3-0.1xm/S,氧气流量为0-5SCCm，离子辅助沉积参数为:偏压120-150V，放电电流 30-60A。所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其基片正面长波通滤光膜系和基片反面长波通滤光膜系均由高折射率材料和低折射率材料交替镀制而成，在镀制时的沉积过程中采用基于监控片更换策略的间接光学膜厚监控法实时监控并进行停镀点判据:首先，将基片正面长波通滤光膜系和基片反面长波通滤光膜系转换成各自监控片膜系，然后通过优化选定监控波长，使得各膜层停镀点过正控制量在反馈信号光变化最大幅度的
2.0% 10%范围内，且至少出现一个极值，同时，针对不同过正控制量进行监控片更换策略的全局沉积仿真，获取评价函数最小的一种即为最优监控片更换策略。本发明显著的技术效果主要有:
1、采用等离子体定向刻蚀基片表面，有效地去除基片表面有机污染物并活化表面分子或原子，消除了基片表面残留的缺陷种子，进而有效地提升了膜层在基片上的附着力及成膜品质量。采用了一种间接光学膜厚实时监控以及监控片更换策略，通过膜厚沉积过程的实时监控，直观地发现问题的所在从而有针对性地改进膜系结构，同时可实现各膜层停镀点判据。通过优化选定监控波长，使得各膜层停镀点(即过正控制量)在反馈信号光变化最大幅度的2% 10%范围内。同时，在设定硬件相关停镀点随机误差及更换新的监控片导致的经验误差的条件下，针对不同过正控制量进行监控片更换策略的全局沉积仿真，获取评价函数最小的一种即为最优监控片更换策略。通过该方法，可以充分利用膜厚补偿效应，同时有效消除膜厚累积误差，从而确保膜最终成膜后滤光片的光学性能。2、采用光学元件正反两面分别镀制不同中心波长滤光膜，分解了单面镀膜的膜系设计与制造难度。事实上，对于普通的光学镀膜机，膜层数30层以上的膜系在镀制过程中膜厚累积误差往往容易导致最终成膜后光学性能变异。另一方面，对于总膜厚较大的膜系，在镀制过程的后阶段，蒸发膜料的空间分布会较之早期发生较明显地变化，这导致镜片上实际沉积的膜厚偏离监控值并最终影响成膜光学性能。与此同时，蒸发环境也随之明显地变脏，这也直接影响成膜质量，甚至不合格。通过该方法确保了成膜品质和成品率。3、利用有色玻璃参杂截止或红外晶体本征截止，实现了可见光及部分红外波段深度截止，有效地降低了干涉截止滤光膜膜系的复杂度。4、本制造方法依托于普通镀膜设备和常规镀膜工艺，所涉及的工艺方法易于移植，在其它高精度滤光膜的制造中具有广泛的指导意义。
图1为本发明的一种超宽波段截止长波通滤光膜结构示意 图2为本发明的一种超宽波段截止长波通滤光膜制造方法程序方框 图3为本发明的硅晶体上可见光与近红外超宽波段截止长波通滤光膜的实测透过率曲线(基于普通膜厚监控方式)；
图4为本发明的硅晶体上镀制可见光与近红外超宽波段截止长波通滤光膜后的实测透过率曲线(基于间接光学膜厚监控与监控片更换策略)；
图5为本发明的硅晶体上镀制可见光与近红外超宽波段截止长波通滤光膜后的实测透过率曲线(高、低温和恒定湿热环境试验后)。图中附图标记名称为:1 一基片，2—基片正面过渡粘接层，2’一基片反面过渡粘接层，3 —基片正面高折射率层，3’ -基片反面高折射率层，4 一基片正面低折射率层，4’ -基片反面低折射率层，η —基片正面长波通滤光膜系，η’ 一基片反面长波通滤光膜系。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明一种超宽波段截止长波通滤光膜及其制造方法作进一步说明:
实施例1:如图1所示，是本发明的一种超宽波段截止长波通滤光膜的基本实施例。一种超宽波段截止长波通滤光膜，它包括基片1，该基片I为光学元件，其正反两面分别镀制有过渡粘接层2，在该过渡粘接层2上交替镀有若干层不同中心波长的长波通滤光膜，构成两个长波通滤光膜系:一个为基片正面长波通滤光膜系η，另一个为基片反面长波通滤光模系η’，该两个长波通滤光膜系均由高折射率层和低折射率层组成，图1中:基片正面长波通滤光膜系η由高折射率层3和低折射率层4组成，基片反面长波通滤光模系η’由高折射率层3’和低折射率层4’组成；高折射率层3、3’由高折射率材料镀制而成，低折射率层4、4’由低折射率材料镀制而成。实施例2:与上述实施例1不同的是:所述的基片I材料主要选自于有色玻璃或红外晶体；过渡粘接层材料为SiO2、或SiO、或Al2O3,高折射率材料为TiO2、或Ta2O5，低折射率材料为Si02。所述的两个长波通滤光膜系η、η’的截止波段完全串接，且有10 50nm的截止重叠区；其中，中心波长较小的长波通滤光膜的短波截止点小于光学元件的本征吸收截止上限。长波通滤光膜最终成膜后的光学元件具有从400-1400nm波段深度截止且1500-1700nm波段透过率不低于92%的光学特性。实施例3:如图2所示，是本发明的一种超宽波段截止长波通滤光膜制造方法的基本实施例。本发明的所述超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其制造步骤包括:A、基片清洗，B、基片表面等离子体刻蚀处理，C、过渡粘接层镀制，D、高折射率层镀制，E、低折射率层镀制，F、镀膜完成后的处理；所述高折射率层镀制和低折射率层镀制是用基于监控片更换策略的间接光学膜厚实时监控方法在基片正反两面分别镀制不同中心波长的长波通滤光膜，构成两个长波通滤光膜系，一个为基片正面长波通滤光膜系n，另一个为基片反面长波通滤光膜系η’ ；所述的监控片更换策略是指监控片的更换位置和数量的优选方案。实施例4:为本发明制造方法的一个优选的实施例。与上述实施例3不同的是:所述的基片清洗是:将双面抛光后的平面镜片首先用抛光液粗略擦一遍，再用无水混合有机溶液清洗，然后用哈气法检查是否符合规定的光洁度标准，合格后放入镀膜机蒸发室中，最后抽真空并加热镜片。所述的基片表面等离子体刻蚀处理是:当基片清洗完后在镀膜机蒸发室中本底真空达到时，即开启离子源对基片表面进行离子轰击；所述离子轰击的工作气体为纯氩气(4Ν)，其工艺参数包括:偏压100 220V，放电电流30 60Α，持续时间3 8分钟；刻蚀厚度30 lOOnm。所述的离子轰击的工艺参数是针对不同基片材料选定:a、当基片为有色玻璃时:偏压150 220V，放电电流30 60A，持续时间3 8分钟，刻蚀厚度30 lOOnm，充入辅助氧气流量3 IOsccm ;b、当基片为红外晶体时:偏压100 150V，放电电流30 50A，持续时间3 5分钟，刻蚀厚度30 80nm。所述的过渡粘接层镀制是:选用SiO2，或SiO，或Al2O3，采用电子束蒸发与离子辅助沉积；膜厚监控方式为晶振膜厚监控，沉积速率为0.2-0.7nm/s，氧气流量为0-5sCCm ;离子辅助沉积偏压为110-150V，放电电流为30-60A。所述的高折射率层镀制采用的电子束蒸发，沉积速率为0.2-0.5nm/s，氧气流量为5-20SCCm，离子辅助沉积参数为:偏压120-160V，放电电流30-60A。所述的低折射率层镀制采用电子束蒸发，其速率为0.3-0.7nm/s,氧气流量为0-5sCCm，离子辅助沉积参数为:偏压120-150V，放电电流30-60A。所述的基片正面长波通滤光膜系和基片反面长波通滤光膜系均由高折射率材料和低折射率材料交替镀制而成，在镀制时的沉积过程中采用基于监控片更换策略的间接光学膜厚监控法实时监控并进行停镀点判据:首先，将基片正面长波通滤光膜系和基片反面长波通滤光膜系转换成各自监控片膜系，然后通过优化选定监控波长，使得各膜层停镀点过正控制量在反馈信号光变化最大幅度的2.0% 10%范围内，且至少出现一个极值，同时，针对不同过正控制量进行监控片更换策略的全局沉积仿真，获取评价函数最小的一种即为最优监控片更换策略。实施例5:为本发明制造方法的又一个优选的实施例。与上述实施例4不同的是:所述的离子轰击的工艺参数是针对不同基片材料选定:a、当基片为有色玻璃时:偏压150 220V，放电电流30 60A，持续时间3 8分钟，刻蚀厚度30 lOOnm，充入辅助氧气流量3 IOsccm ;b、当基片为红外晶体时:偏压100 150V，放电电流30 50A，持续时间3 5分钟，刻蚀厚度30 80nm。实施例6:为本发明一种超宽波段截止长波通滤光膜及其制造方法优选的实施例，是在莱宝SYRUSpiOlllO型真空镀膜机上实现的。该设备配置有先进的APS离子源、Polycold冷阱、IC5晶振膜厚监控系统与0MS5000光学膜厚监控系统等。本发明一种可见光与近红外波段超宽波段截止长波通滤光膜，应用于天文导航
权利要求
1.一种超宽波段截止长波通滤光膜，其特征在于，它包括基片，该基片为光学元件，其正反两面分别镀制有过渡粘接层，在该过渡粘接层上交替镀有若干层不同中心波长的长波通滤光膜，构成两个长波通滤光膜系:一个为基片正面长波通滤光膜系，另一个为基片反面长波通滤光模系，该两个长波通滤光膜系均由高折射率层和低折射率层组成；高折射率层由高折射率材料镀制而成，低折射率层由低折射率材料镀制而成。
2.根据权利要求1所述的超宽波段截止长波通滤光膜，其特征在于，基片(I)材料主要选自于有色玻璃或红外晶体；过渡粘接层材料为SiO2、或SiO、或Al2O3，高折射率材料为TiO2、或Ta2O5，低折射率材料为SiO2。
3.根据权利要求1所述的超宽波段截止长波通滤光膜，其特征在于，两个长波通滤光膜系的截止波段完全串接，且有10 50nm的截止重叠区；其中，中心波长较小的长波通滤光膜的短波截止点小于光学元件的本征吸收截止上限。
4.根据权利要求1所述的超宽波段截止长波通滤光膜，其特征在于，长波通滤光膜最终成膜后的光学元件具有从400-1400nm波段深度截止且1500-1700nm波段透过率不低于92%的光学特性。
5.一种权利要求1所述超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其特征在于，制造步骤包括:基片清洗，基片表面等离子体刻蚀处理，过渡粘接层镀制，高折射率层镀制，低折射率层镀制，镀膜完成后的处理；所述高折射率层镀制和低折射率层镀制是用基于监控片更换策略的间接光学膜厚实时监控方法在基片正反两面分别镀制不同中心波长的长波通滤光膜，构成两个长波通滤光膜系，一个为基片正面长波通滤光膜系，另一个为基片反面长波通滤光膜系。
6.根据权利要求5所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其特征在于，所述的基片清洗是:将双面抛光后的平面镜片首先用抛光液粗略擦一遍，再用无水混合有机溶液清洗，然后用哈气法检 查是否符合规定的光洁度标准，合格后放入镀膜机蒸发室中，最后抽真空并加热镜片。
7.根据权利要求5所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其特征在于，所述的基片表面等离子体刻蚀处理是:当基片清洗完后在镀膜机蒸发室中本底真空达到时，即开启离子源对基片表面进行离子轰击；所述离子轰击的工作气体为纯氩气(4N)，其工艺参数包括:偏压100 220V，放电电流30 60A，持续时间3 8分钟；刻蚀厚度30 lOOnm。
8.根据权利要求5所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其特征在于，离子轰击的工艺参数是针对不同基片材料选定: a、当基片为有色玻璃时:偏压150 220V，放电电流30 60A，持续时间3 8分钟，刻蚀厚度30 lOOnm，充入辅助氧气流量3 IOsccm ； b、当基片为红外晶体时:偏压100 150V，放电电流30 50A，持续时间3 5分钟，刻蚀厚度30 80nm。
9.根据权利要求5所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其特征在于，所述的过渡粘接层镀制是:选用SiO2，或SiO，或Al2O3，采用电子束蒸发与离子辅助沉积；膜厚监控方式为晶振膜厚监控，沉积速率为0.2-0.7nm/s，氧气流量为0-5sCCm ;离子辅助沉积偏压为110-150V，放电电流为30-60A。
10.根据权利要求5所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其特征在于，高折射率层镀制采用的电子束蒸发，沉积速率为0.2-0.5nm/s，氧气流量为5-20Sccm，离子辅助沉积参数为:偏压120-160V，放电电流30-60A。
11.根据权利要求5所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其特征在于，所述的低折射率层镀制采用电子束蒸发，其速率为0.3-0.1xm/s,氧气流量为0-5sCCm，离子辅助沉积参数为:偏压120-150V，放电电流30-60A。
12.根据权利要求5所述的超宽波段截止长波通滤光膜的制造方法，其特征在于，基片正面长波通滤光膜系和基片反面长波通滤光膜系均由高折射率材料和低折射率材料交替镀制而成，在镀制时的沉积过程中采用基于监控片更换策略的间接光学膜厚监控法实时监控并进行停镀点判据:首先，将基片正面长波通滤光膜系和基片反面长波通滤光膜系转换成各自监控片膜 系，然后通过优化选定监控波长，使得各膜层停镀点过正控制量在反馈信号光变化最大幅度的2.0% 10%范围内，且至少出现一个极值，同时，针对不同过正控制量进行监控片更换策略的全局沉积仿真，获取评价函数最小的一种即为最优监控片更换策略。
全文摘要
本发明涉及一种超宽波段截止长波通滤光膜及其制造方法，滤光膜包括基片，其正反两面分别镀制有过渡粘接层，在该过渡粘接层上交替镀有若干层不同中心波长的长波通滤光膜，构成两个长波通滤光膜系一个为基片正面长波通滤光膜系，另一个为基片反面长波通滤光模系，该两个长波通滤光膜系均由高折射率层和低折射率层组成。制造步骤包括基片清洗，基片表面处理，过渡粘接层镀制，高、低折射率层镀制等。本发明优点是滤光膜透过率高、光学性能优良、膜层与基底间具有良好的附着力，镀制方法易于借鉴与移植、能适应大尺寸光学元件滤光膜批量化镀膜生产，能提升探测器性能指标，可广泛应用于精密光学仪器、光电探测、天文导航等光电子技术领域。
文档编号G02B5/20GK103207424SQ20131011042
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者姚细林, 熊长新, 何光宗, 杨放 申请人:中国船舶重工集团公司第七一七研究所