[发明专利]一种可见/红外宽光谱分色片的膜系结构

说明书

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术，具体是指一种可见/红外宽光谱分色片的膜系结构。

技术背景

可见/红外宽光谱分色片是一种能够把可见近红外和中远红外光谱能量分开的光学器件，它在多光谱和宽光谱仪器中有着重要应用。目前，可见/红外宽光谱分色片采用由John C.C.Fan所提出的介质/金属/介质三层薄膜结构。

在0.4μm～2μm的可见近红外波段，根据诱导透射原理，利用介质层降低金属层的反射，增加入射光波的透射率；在2μm～15μm的中远红外波段，利用金属高反射的性质反射入射光波，从而在宽光谱范围内实现可见近红外与中远红外光谱的分离。

所有的金属材料中，Ag的消光系数与折射率的比值最大，在可见光区的吸收最小，且偏振效应最小。所以，通常选择Ag膜作为宽光谱分色片中的金属层。宽光谱分色片的使用波段覆盖了从0.4μm到15μm的波长范围，因此要求在使用波段内材料有低的吸收。ZnS薄膜从可见到红外都有低的吸收，并且性能稳定，致密度较高，是宽光谱分色片中常用的介质材料。

随着科学技术的飞速发展，多光谱仪器的空间分辨率和光谱分辨率越来越高。例如在超高光谱仪器中，0.4～14μm的光谱范围内，光谱通道数多达1000～10000个。这些新的发展对可见/红外宽光谱分色片的通带宽度提出了更高的要求。

目前，对于介质/金属/介质三层薄膜结构的可见/红外宽光谱分色片的通带宽度，通常根据诱导透射理论，采用减小Ag层的厚度的方法展宽宽光谱分色片的带宽。但是，随着Ag层厚度的减小，红外波段的反射率降低，并且可见近红外波段的吸收增大，导致分色片的性能下降。因此，这种方法具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种可见/红外宽光谱分色片的膜系结构来解决在保证红外反射率不变前提下展宽通带宽度的技术问题。

本发明可见/红外宽光谱分色片的膜系结构如图1所示，它由4层膜层组成，分色片的衬底1通常选择JGS-1石英玻璃或K9玻璃，厚度根据要求确定，一般要在1mm～10mm之间；第一层膜2和第三层膜4为高折射率介质层，要求在0.4μm～15μm内有低吸收，通常选择ZnS材料；第二层膜3为金属层，要求在使用波段范围内消光系数与折射率的比值尽可能大，通常选择金属Ag材料；第四层膜5为低折射率层，要求在0.4μm～15μm内有低吸收和低折射率，材料通常选择氟化物，例如YF₃，Na₃AlF₆，YbF₃等。

在确定膜系结构的具体参数时，首先要考虑满足中远红外反射率的要求。因为3μm～15μm的中远红外波段的反射率只有依靠Ag膜反射这一个方法，没有其它手段对反射率进行调节。Ag膜在中远红外反射率会随其厚度降低而减小。所以设计宽光谱分色片时必须先确定Ag膜的最小厚度，以保证中远红外有足够高的反射来满足指标要求。

对于通带的宽度，由于Ag层的厚度已经确定，所以不可能通过减薄Ag层的方法加以展宽。

根据诱导透射原理，膜系的实际透射率和前置膜堆有关。合理的设计前置膜堆可以减小膜系的反射率，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带的宽度。

但是，前置膜堆的总厚度不宜过厚，否则材料的吸收会降低膜系在红外波段的反射率。经过计算，利用一层低折射率材料作为最外层就可以增大通带两侧的透射率，从而增加了通带宽度。

根据以上分析，总结出膜系结构的一般设计方法：

1.根据分色片技术指标中的中远红外的反射率确定第二层膜3所需Ag层厚度。

2.根据分色片技术指标所要求的通带位置确定第一层膜2和第二层膜4的ZnS层的厚度。

3.如果带宽过窄，不满足要求，可以调节氟化物低折射率层的厚度增加通带的宽度。其厚度可以根据经验选择一个初始值，一般可以在30nm～130nm范围内选择。

4.将设计好的初始膜系输入计算机，利用光学薄膜软件(例如Film Wizard)优化设计。

附图说明

图1为分色片的膜系结构；

图中：1——分色片衬底；

2——第一层膜；

3——第二层膜；

4——第三层膜；

5——第四层膜。

图2为增加低折射率层前后的400～2500nm透射率曲线；

图中：1——增加低折射率层前的透射率曲线；