一种基于多角度光谱测量的短波通滤光膜制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于多角度光谱测量的短波通滤光膜制备方法，属于光学薄膜技术领域，解决了现有技术膜层厚度控制误差的修正比较困难的问题。该方法包括如下步骤：在光学基板上N次交替镀制低折射率膜层、高折射率膜层；对镀制后结构进行多角度光谱测试，获得光谱曲线，所述光谱曲线为各入射角度下入射光波长与镀制后结构光谱透射率的关系曲线；根据所述光谱曲线反演获得每次镀制的低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差；根据上述低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差，在光学基板上进行重新交替镀制低折射率膜层、高折射率膜层，直至获得光谱曲线平坦变化的短波通滤光膜。该方法操作容易，易于推广使用。

A preparation method of short-wave through filter film based on multi-angle spectral measurement

【技术实现步骤摘要】
一种基于多角度光谱测量的短波通滤光膜制备方法
本专利技术涉及光学薄膜
，尤其涉及一种基于多角度光谱测量的短波通滤光膜制备方法。
技术介绍
满足短波区高透射、长波区高反射光学特性的滤光膜，称为短波通滤光膜。军用光电装备中，光学系统常会用到可见光、微光、近红外、短波红外、红外等多光谱，而短波通滤光膜以其特有的光学特性，可用于对多光谱进行区分选择，便于实现多光路设计，因此具有广泛的应用。短波通滤光膜在实际制备中，在高透射区域处经常会出现反射次峰，其波长约为高反射区域波长的一半，称为半波孔“扎坑”现象。半波孔“扎坑”曲线误差的出现使得光谱透射率大幅度降低，影像出现色差，视场背景失真，更严重时，甚至会产生杂散光，使得光学系统的整体性能下降。针对产生半波孔“扎坑”的原因，国内外许多专家都进行了研究，普遍认为半波孔“扎坑”是由于镀膜材料的非均匀性、膜层材料相互渗透及膜层厚度控制误差引起的，其中，膜层厚度控制误差是主要原因。当短波通滤光膜的膜层厚度匹配系数α偏离预设匹配系数时，不论偏大、还是偏小，光谱曲线都会出现半波孔“扎坑”现象，导致实际制备中膜层厚度控制误差的修正比较困难，因此迫切需要寻找一种便捷的方法进行误差修正的判定。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种基于多角度光谱测量的短波通滤光膜制备方法，用以解决现有技术膜层厚度控制误差的修正比较困难的问题。一方面，本专利技术实施例提供了一种基于多角度光谱测量的短波通滤光膜制备方法，包括如下步骤：在光学基板上N次交替镀制低折射率膜层、高折射率膜层；对镀制后结构进行多角度光谱测试，获得光谱曲线，所述光谱曲线为各入射角度下入射光波长与镀制后结构光谱透射率的关系曲线；根据所述光谱曲线反演获得每次镀制的低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差；根据上述低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差，在光学基板上进行重新交替镀制低折射率膜层、高折射率膜层，直至获得光谱曲线平坦变化的短波通滤光膜。上述技术方案的有益效果如下：针对影响短波通滤光膜光谱曲线平坦变化的膜层厚度控制误差进行了修正和判定，能够制备光谱曲线平坦变化的短波通滤光膜，操作容易，易于推广。薄膜材料选择高、低折射率交替。基于上述方法的进一步改进，所述光学基板，采用光学玻璃基板；所述低折射率膜层，采用SiO2；所述高折射率膜层，采用TiO2、Ta2O5、Nb2O5中的至少一种；所述N≥15。上述进一步改进方案的有益效果是：TiO2由于光谱透明区域宽、折射率高，与其他高折射率材料相比，相同层数可以达到更低的截止区透射率、更宽的截止区带宽。选择两种膜料折射率差异越高，截止区越宽，N越大，截止区透射率越低，滤光性能越好。进一步，所述低折射率膜层，第1次镀制的厚度为α0λ0/8nL，第2～N次镀制的厚度均为α0λ0/4nL；其中，α0表示膜层厚度理论匹配系数，λ0表示设计波长，nL表示低折射率膜层的折射率；所述高折射率膜层，第1～N次镀制的厚度均为α0λ0/4nH；其中，nH表示高折射率膜层的折射率。上述进一步改进方案的有益效果是：上述限定了镀制的初始膜层厚度，对镀制初始膜层厚度获得的镀制后结构进行检测，可发现实测光谱曲线与理论光谱曲线具有差异，为得到膜层厚度控制误差(膜层厚度误差)提供依据。进一步，所述根据光谱曲线反演获得每次镀制的低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差，包括如下步骤：根据光谱曲线，获得各入射角度对应的通带区半波孔扎坑位置的最小透射率；根据上述获得的各入射角度对应的通带区半波孔扎坑位置的最小透射率，估算镀制后结构的实际膜层匹配系数；根据估算的镀制后结构的实际膜层匹配系数，结合镀制后结构的各低折射率膜层、高折射率膜层的厚度，获得每次镀制的低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差。上述进一步改进方案的有益效果是：通过一次工艺试验周期，可以获得膜层厚度控制误差(即上述每次镀制的低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差)，而不用进行多次工艺试验调整，逐步接近修正误差，大幅度降低了加工短波通滤光膜的工艺试验周期与成本。进一步，所述多角度光谱测试采用3角度光谱测试，所述镀制后结构的实际膜层匹配系数α1由下式计算得到式中，θ1、θ2、θ3表示依次选取的3个入射角度，t1、t2、t3表示各入射角度对应的通带区半波孔扎坑位置的最小透射率，α0表示膜层厚度理论匹配系数,θH表示低折射率膜层折射角，θL表示高折射率膜层折射角。上述进一步改进方案的有益效果是：通过上述计算，可以获得膜层实际匹配系数，为修正膜层厚度误差提供理论依据。进一步，第i次镀制获得的低折射率膜层的实际厚度误差高折射率膜层的实际厚度误差分别由下式计算得到式中，λ0表示设计波长，λ1表示镀制后结构拟合波长，T1i表示第i次镀制低折射率膜层的厚度，T2i表示第i次镀制高折射率膜层的厚度，所述镀制后结构拟合波长根据所述光谱曲线获得。上述进一步改进方案的有益效果是：通过上述计算，可以方便地获得膜层厚度控制误差的修正大小(即低折射率膜层的实际厚度误差、高折射率膜层的实际厚度误差)。进一步，重新镀制的第i次低折射率膜层厚度T3i、高折射率膜层厚度T4i分别为上述进一步改进方案的有益效果是：通过上述方法能够有效修正厚度误差，补偿设备精度引起的镀制厚度偏离现象，使得短波通滤光膜性能提高。进一步，所述镀制采用双离子溅射镀制工艺或离子源辅助热蒸发镀制工艺。上述进一步改进方案的有益效果是：双离子束溅射镀制工艺或离子源辅助热蒸发镀制工艺，可以大幅度提升膜层聚集密度、膜层机械强度，并大幅度降低在空气中长期使用所发生的光谱波段漂移及光学透过率降低等的发生概率。进一步，当镀制采用双离子溅射镀制工艺时，在光学基板上交替镀制低折射率膜层、高折射率膜层N次之前，还包括如下步骤：将光学基板装载入双离子束溅射镀膜机，抽真空；当双离子束溅射镀膜机真空度达到6×10-2～9×10-2Pa时，对光学玻璃基板进行100～120℃的烘烤，恒温30～40min，继续抽真空；当双离子束溅射镀膜机真空度达到2×10-3～3×10-3Pa时，通过16cm离子源对低折射率膜层、高折射率膜层材料进行清洗，通过12cm离子源对光学基板进行清洗；清洗结束后，在光学基板上准备交替镀制低折射率膜层、高折射率膜层。上述进一步改进方案的有益效果是：高真空度可以避免残余气体分子与膜料原子在镀制过程中发生碰撞，提升膜层牢固度，加热基板、清洗基板、靶材有助于减少膜层表面结石疵病。进一步，所述多角度光谱测试选择45°附近的测试角度；将镀制后结构置于全自动光谱仪测量平台上，旋转角度圆盘在[40°，50°]角度范围内进行连续变化测量，获得各入射角度的光谱曲线。上述进一步改进方案的有益效果是：在设计角度附近的小角度范围内测量，有助于消除光谱仪测试的光折射偏离探测器引起的测量误差。本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多角度光谱测量的短波通滤光膜制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在光学基板上N次交替镀制低折射率膜层、高折射率膜层；对镀制后结构进行多角度光谱测试，获得光谱曲线，所述光谱曲线为各入射角度下入射光波长与镀制后结构光谱透射率的关系曲线；根据所述光谱曲线反演获得每次镀制的低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差；根据上述低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差，在光学基板上进行重新交替镀制低折射率膜层、高折射率膜层，直至获得光谱曲线平坦变化的短波通滤光膜。

【技术特征摘要】
1.一种基于多角度光谱测量的短波通滤光膜制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在光学基板上N次交替镀制低折射率膜层、高折射率膜层；对镀制后结构进行多角度光谱测试，获得光谱曲线，所述光谱曲线为各入射角度下入射光波长与镀制后结构光谱透射率的关系曲线；根据所述光谱曲线反演获得每次镀制的低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差；根据上述低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差，在光学基板上进行重新交替镀制低折射率膜层、高折射率膜层，直至获得光谱曲线平坦变化的短波通滤光膜。2.根据权利要求1所述的基于多角度光谱测量的短波通滤光膜制备方法，其特征在于，所述光学基板，采用光学玻璃基板；所述低折射率膜层，采用SiO2；所述高折射率膜层，采用TiO2、Ta2O5、Nb2O5中的至少一种；所述N≥15。3.根据权利要求1或2所述的基于多角度光谱测量的短波通滤光膜制备方法，其特征在于，所述低折射率膜层，第1次镀制的厚度为α0λ0/8nL，第2～N次镀制的厚度均为α0λ0/4nL；其中，α0表示膜层厚度理论匹配系数，λ0表示设计波长，nL表示低折射率膜层的折射率；所述高折射率膜层，第1～N次镀制的厚度均为α0λ0/4nH；其中，nH表示高折射率膜层的折射率。4.根据权利要求3所述的基于多角度光谱测量的短波通滤光膜制备方法，其特征在于，所述根据光谱曲线反演获得每次镀制的低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差，包括如下步骤：根据光谱曲线，获得各入射角度对应的通带区半波孔扎坑位置的最小透射率；根据上述获得的各入射角度对应的通带区半波孔扎坑位置的最小透射率，估算镀制后结构的实际膜层匹配系数；根据估算的镀制后结构的实际膜层匹配系数，结合镀制后结构的各低折射率膜层、高折射率膜层的厚度，获得每次镀制的低折射率膜层、高折射率膜层的实际厚度误差。5.根据权利要求4所述的基于多角度光谱测量的短波通滤光膜制备方法，其特征在于，所述多角度光谱测试采用3角度光谱测试，所述镀制后结构的实际膜层匹配系数α1由下式计算得到式中，θ1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金豹，耿浩，史成浡，孙亚威，刘明涛，张恒华，王明慧，田军，孟凌霄，
申请(专利权)人：河南平原光电有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41