CN1828345A - 一种滤光装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种滤光装置，其包括一基底、顺序叠加在该基底表面的多个第一滤光腔以及多个第二滤光腔，所述第一和第二滤光腔均由高折射率材料膜层及低折射率材料膜层交替叠加而成，而且各膜层厚度经过厚度系数优化。本发明还提供上述滤光装置的制造方法。本发明所提供的滤光装置通过厚度系数来优化滤光腔中各膜层厚度，可改善滤光装置的透射谱图形状，获得具有微小波纹且边缘坡度陡直的方形光谱。此外，该滤光装置能精确截止紫外和红外光，而让可见光透过，从而既能实现散热又能保护人眼及皮肤不受伤害。

Description

一种滤光装置及其制造方法
【技术领域】
本发明是关于一种滤光装置，特别涉及一种能过滤紫外和红外光而让可见光透过的滤光装置。
【背景技术】
滤光片是一种较为简单、带通较宽的分光装置，其作用在于把不需要的光滤掉，让需要的光带透过去。如应用于汽车的隔热玻璃，即采用能过滤紫外或红外光的滤光片，可消除不必要光线，降低阳光进入车内的能量，从而降低车内温度。最简单薄膜窄带滤光片是根据法布里-珀珞(Fabry-Perot)多光束干涉仪制成的干涉膜。如图1所示，其基本架构为两个高反射四分之一波膜层堆1，中间夹一层空间层2(Spacer)，如此形成的滤光片为单腔型(SingleCavity)窄带滤光片，其光谱图趋近于三角形，与窄带滤光所需求的通带定位精度及边缘陡度相差甚远，因此需要使用其它方法。目前，通常在该单腔型窄带滤光片加镀相同中心波长的多个窄带滤光片，叠成多腔窄带滤光装置，可提高通带边缘陡度，从而使预定范围内波长透射，而把通带边缘外的波长范围高度反射。
王利等人在《光学精密工程》，2003，V 11(6)，643-646，“基于Fabry-Perot结构的多信道滤光片的设计”一文中介绍了多层膜滤光片的理论基础及其设计方法。文中的多层膜滤光片理论基础表明：滤光片采用交替沉积的高折射率和低折射率的薄膜，组成多层组合膜滤光装置。当选定某种材料膜层，该膜层两侧的合振幅透过率、反射率及两反射膜层的反射相移不变时，此时能改变的量是选定膜层的有效位相厚度。因而，关于滤光装置的设计方法，该文提出通过改变间隔层的结构，即中间膜层的厚度，从而改变信道间波通带的宽度。但是，其所获得光谱图中波通带宽度较大时，其波形中波纹较大，边缘坡度也不够陡直。
为提高该种多腔滤光装置的光谱性能，有些设计出与传统对称性多层膜不同结构的滤光装置，如2005年2月1日公告的美国第6,850,366号专利提供一种具有预定中心波长的多腔滤光器，如通带滤光器或者一种交错器(Interleaver)。该滤光器包括多个腔，每个腔包括两个部分反射膜，并通过一层介质材料彼此分开。两个部分反射层由具有交替的高与低折射率的材料层形成。每个介质材料层具有中心波长半波长整数倍的厚度。该滤光器将不对称性引入到滤光器结构中，使从滤光器一侧的反射色散相对于另一侧的反射色散减小，而对于光学薄膜的厚度及性能并未有所改进。而且该滤光器光谱效果图上波带很窄，如仅在1549.8nm～1550.2nm间的光才可透过，难以实现宽波通带的滤光效果。
另外，1998年2月1日公告的美国第5,719,989号专利提供一种多层薄膜带通滤光器，通过将1/4波长厚度的滤光腔多次重复，藉以达到形成方形谱带，且减少波纹的目的。如图2所示，该滤光器10包括一透明基板6；第一外部滤光腔10a，其具有n(n≥3)层结构，某些层的厚度为三倍1/4波长；多个低反射率层12；一系列中心滤光腔10b，每个都具有n+4层结构；第二外部滤光腔10c，其具有n(n≥3)层结构，某些层的厚度为三倍1/4波长。其中，多个低反射率层12分别介于相邻的第一外部滤光腔10a与系列滤片中心腔10b之间。滤光腔10a、10b、10c分别包括交替叠加1/4波长的高折射率(H)及低折射率材料(L)。滤光腔10a的第一层材料为高折射率材料，接着为低折射率材料，具体排列如HLLH，为提高光谱图的边缘坡度，高折射率材料层可变更为HHH层，LL层可变更为LLLL层；为减少由于添加半波长而产生光谱图的波纹，中心滤光腔10b可重复多次。通过上述结构设计，其波通带宽度较大，如在1270nm～1330nm间的光线可透过。但是该滤光器的光谱图中波纹较小时，两侧边缘坡度较缓直；而能控制边缘坡度较陡直时，波纹却较大；即不能获得波纹小且边缘坡度陡直的波通带谱图。
有鉴于此，有必要提供一种具有微小波纹且陡直边缘坡度的滤光波通带，并能精确截止紫外和红外光通过，仅让可见光透过的滤光装置。
【发明内容】
以下，将以若干实施例说明一种具有微小波纹且陡直边缘坡度的滤光波通带，并能精确截止紫外和红外光通过，仅让可见光透过的滤光装置。
以及通过这些实施例说明一种滤光装置的制造方法。
为实现上述内容，提供一种滤光装置，其包括：一基底；多个第一滤光腔，其顺序叠加在所述基底表面；及多个第二滤光腔，其顺序叠加在所述第一滤光腔表面；所述第一滤光腔和第二滤光腔分别由高折射率材料膜层及低折射率材料膜层交替叠加而成，并通过一厚度系数来优化该多个第一滤光腔及第二滤光腔各膜层的厚度。
其中，所述第一滤光腔厚度系数为0.5，其高折射率材料膜层采用经过相应的厚度系数优化的λ/8波长膜层，低折射率材料膜层采用经过相应的厚度系数优化的λ/4波长膜层。
所述第二滤光腔厚度系数选自1.666、1.4、1.6、1.8，其低折射率材料膜层采用经过相应的厚度系数优化的λ/8波长膜层，高折射率材料膜层采用经过相应的厚度系数优化的λ/4波长膜层。
所述高折射率材料选自五氧化二钽或氧化钛；低折射率材料选自氧化钛或氧化铝。
所述高折射率材料选自纳米级五氧化二钽或氧化钛；低折射率材料选自纳米级氧化钛或氧化铝。
所述滤光装置的短波截止波长为410±10，长波截止波长为680±20。
所述滤光装置中膜层总数为30～60层。
所述滤光装置可用于车辆窗户玻璃中作为过滤紫外和红外光的滤光装置。
以及，一种滤光装置的制造方法，其包括以下步骤：
提供一基底；
在基底表面交替沉积经厚度系数优化的高折射率材料膜层及低折射率材料膜层，以形成多个第一滤光腔；及
在第一滤光腔表面交替沉积经厚度系数优化的低折射率材料膜层及高折射率材料膜层，以形成多个第二滤光腔。
其中，所述沉积采用电子束蒸镀方式，且沉积的同时采用离子束或等离子体为辅助镀源。
与现有技术的滤光装置相较，本技术方案提供的滤光装置利用厚度系数来优化滤光腔中各膜层厚度，通过对薄膜厚度的优化，使各层均达到良好滤光效果，从而在整体上改善滤光装置的透射光谱，以获得具有微小波纹且边缘坡度陡直的方形光谱。此外，该滤光装置能精确截止紫外和红外光通过，仅让可见光透过，从而即能实现散热又能保护人眼和皮肤等不受伤害。
【附图说明】
图1是法布里-珀珞干涉膜基本结构示意图。
图2是现有技术的滤光装置膜层结构示意图。
图3是本发明技术方案的滤光装置示意图。
图4是本发明技术方案的滤光装置的透射谱图。
图5是本发明第一具体实施方式的滤光装置示意图。
图6是本发明案第二具体实施方式的滤光装置示意图。
图7是本发明技术方案的滤光装置制造方法流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图3，为本发明技术方案的滤光装置200结构示意图。滤光装置200包括一基底210以及顺序叠加其上的多个第一滤光腔220及多个第二滤光腔230。可先依次堆叠第一滤光腔220，然后在第一滤光腔220上依次堆叠第二滤光腔230，也可交替堆叠第一滤光腔220及第二滤光腔230。
第一滤光腔220形成在基底210一表面上，其由多层薄膜(如N层)组成，包括交替叠加的高折射率材料膜层221和低折射率材料膜层222。该第一滤光腔220中多层薄膜采用厚度系数来优化λ/8波长厚度的高折射率材料膜层221及λ/4波长厚度的低折射率材料膜层222，即其实际厚度为λ/8波长或λ/4波长与厚度系数的乘积。如该厚度系数为0.5，则对于一高折射率材料膜层厚度实际为0.5×λ/4。
第二滤光腔230叠加形成在第一滤光腔220上，其由多层薄膜(如M层)组成，包括交替叠加的低折射率材料膜层232及高折射率材料膜层231。与第一滤光腔相同，低折射率材料膜层232及高折射率材料膜层231分别采用λ/8波长厚度及λ/4波长厚度的薄膜，并采用厚度系数来优化各膜层的厚度，该厚度系数可选自1.666、1.4、1.6、1.8等。同样，各膜层的实际厚度为λ/8波长或λ/4波长与厚度系数的乘积。
本发明技术方案的高低折射率材料及其折射率可参考以下材料选择：氟化镁(1.38)、氟化钍(1.47)、冰晶石(1.35)、二氧化硅(1.47)、氧化铝(1.63)、氧化铪(1.85)、五氧化二钽(2.2)、氧化铌(2.19)、硫化锌(2.27)、氧化钛(2.33)、硅(3.5)、锗(4.0)以及碲化铅(5.0)。其中，优选高折射率材料为五氧化二钽或氧化钛；低折射率材料为二氧化硅或氧化铝，还可采用上述的纳米级氧化物。当高低折射率材料分别采用纳米氧化钛及纳米氧化铝时，则该滤光装置具有杀菌及自洁功能。
请参阅图4，为本发明技术方案的滤光装置的透射谱图。通过上述优化，该滤光装置波通带的波长范围约为400nm～700nm，即其短波截止波长为410±10，长波截止波长为680±20。即让可见光通过，而将波长约在200nm～400nm间的红外光及约在700nm～1200nm间的紫外光反射，且紫外和红外光透过率低于2％，最佳时可低于1％。滤光装置的透射谱图波纹微小，边缘坡度陡直，如该滤光装置在长波段达到半透射率时，其截止波长为650±10(如图中B点所示)。当阳光直射该滤光装置时，紫外和红外光线将被反射(参见图3中箭头U及I所示)，而可见光(参见图3中箭头V所示)可透过。
请参阅图5，为依照本发明的第一具体实施方式的滤光装置示意图。该滤光装置300包括一玻璃基底310以及形成在其上表面的多个第一滤光腔320及多个第二滤光腔330。该多个第一滤光腔320及该多个第二滤光腔330所具有薄膜总层数为54，高折射率材料选用五氧化二钽，低折射率材料选择二氧化硅。
该第一滤光腔320具有两个，其依次叠加形成在玻璃基底310上表面。每个第一滤光腔320均包括交替叠加的高折射率材料膜层321及低折射率材料膜层322。该两第一滤光腔320具有相同厚度系数0.5以及膜层结构，其膜层排列结构均为0.5HL0.5H，如前述计算方式，可获得相应实际膜层厚度。
该第二滤光腔330分成滤光腔330a、330b、330c、430d四组，每个均包括交替叠加的低折射率材料膜层332及高折射率材料膜层331。每组膜层基本排列结构相同，均为0.5LH0.5L，但分别具有独立的厚度系数，滤光腔330a、330b、330c、330d四组厚度系数分别为1.666、1.4、1.6、1.8。通过这些厚度系数即可计算出相应滤光腔实际膜层厚度，则各膜层均达到厚度优化的目的，使各层均达到良好滤光效果，从而在整体上改善滤光装置的透射光谱，获得具有微小波纹且边缘坡度陡直的方形光谱。
请参阅图6，为依照本发明的第二具体实施方式的滤光装置示意图。该滤光装置400包括一玻璃基底410以及形成在其上表面的多个第一滤光腔420及多个第二滤光腔430。这些第一滤光腔420及第二滤光腔430所具有的薄膜总层数为38，高折射率材料选用五氧化二钽，低折射率材料选择二氧化硅。与第一实施方式的厚度系数相同。第一滤光腔420的厚度系数均为0.5，而且具有五个膜层，中间第三层较厚，可均分成两层(如图中虚线所示)，从而形成一对高折射率材料膜层(图中深色层)夹一低折射率材料膜层(图中白色层)的结构。根据其厚度系数，计算出膜层厚度依次为：28.2nm，89.3nm，56.3nm，89.3nm，28.2nm。第二滤光腔430中各组滤光腔430a、430b、430c、430d各膜层的厚度系数同样可选自1.666、1.4、1.6、1.8。其中，滤光腔430a具有两低折射率材料膜层夹一高材料折射膜层的层状结构，其厚度系数取1.666，则可计算出各膜层厚度依次为：148.8nm，187.7nm，273.8nm。滤光腔430b具有11层结构，起始膜层为高折射率材料膜层，尔后依次交替叠加低折射率材料膜层及高折射率材料膜层。其厚度系数取1.4，则可计算出各膜层厚度依次为：157.7nm，250.0nm，157.7nm，250.0nm，157.7nm，250.0nm，157.7nm，250.0nm，157.7nm，250.0nm，157.7nm。滤光腔430c具有两低折射率材料膜层夹一高材料折射膜层的层状结构，其厚度系数取1.6，则可计算出各膜层厚度依次为：268.4nm，181.4nm，304.5nm。滤光腔430d具有16层结构，起始膜层为高折射率材料膜层，尔后依次交替叠加低折射率材料膜层及高折射率材料膜层，各低折射率材料膜层及高折射率材料膜层具有相同厚度，直至最后一层高折射率材料膜层厚度较薄。其厚度系数取1.8，则可计算出各膜层厚度依次为：202.8nm，321.4nm，202.8nm，321.4nm，202.8nm，321.4nm，202.8nm，321.4nm，202.8nm，321.4nm，202.8nm，321.4nm，202.8nm，321.4nm，202.8nm，160.7nm。如此，则各膜层均达到厚度优化的目的，使各层均达到良好滤光效果，从而在整体上改善滤光装置的透射光谱，获得具有微小波纹且边缘坡度陡直的方形光谱。
请参阅图7，为本发明技术方案的滤光装置的制造方法，包括以下步骤：
(1)提供一基底。该基底可为透明基底，如玻璃基底，并将基底表面抛光。
(2)在基底表面顺序沉积第一滤光腔。其采用电子束蒸镀技术，在基底表面交替沉积λ/8波长的高折射率材料膜层及λ/4波长的低折射率材料膜层，各膜层的沉积厚度为经过厚度系数优化的λ/8波长或λ/4波长的基层厚度，该厚度系数为0.5。并在电子束蒸镀同时，以离子束或等离子体为辅助镀源，以提高氧化膜层间粘合力。
(3)在第一滤光腔上顺序沉积第二滤光腔。该第二滤光腔各膜层的沉积采用与步骤(2)相同方法形成。其中，高折射率材料膜层采用λ/4波长的膜层，低折射率材料膜层采用λ/8波长的膜层，然后再通过相应厚度系数优化的λ/8波长或λ/4波长的膜层厚度，该厚度系数可选自1.666、1.4、1.6、1.8。
通过上述步骤，即可获得本发明技术方案的滤光装置。
由于本发明技术方案的滤光装置采用厚度系数来优化滤光腔中各膜层厚度，可获得具有微小波纹且边缘坡度陡直的方形光谱。并设计成过滤紫外和红外光线的多层膜结构，其可应用于各种车辆窗户的滤光装置，以阻止紫外和红外光线进入车内，而让人体可接受的可见光进入，即能减少阳光直射入车内热能，降低车辆暴露与阳光下时车内温度，又不损害人眼及皮肤等。另外，该滤光装置截止紫外和红外光后，可减少电子噪音(Electronic Noise)及热致电子噪音(Thermal-Induced Electronic Noise)，从而降低仪器的信噪比(Sign-Noise-Ratio，SNR)，同时还可增加车内电子仪器的使用寿命。

Claims (13)

1.一种滤光装置，其包括：
一基底；
多个第一滤光腔，其顺序叠加在所述基底表面；及
多个第二滤光腔，其顺序叠加在所述第一滤光腔表面；
所述多个第一滤光腔由高折射率材料膜层及低折射率材料膜层交替叠加而成，所述多个第二滤光腔分别由低折射率材料膜层及高折射率材料膜层交替叠加而成，其特征在于：所述第一滤光腔和第二滤光腔中各膜层的厚度经过相应的厚度系数优化。
2.如权利要求1所述的滤光装置，其特征在于：所述第一滤光腔的厚度系数为0.5。
3.如权利要求1或2所述的滤光装置，其特征在于：所述第一滤光腔的高折射率材料膜层采用经过相应厚度系数优化的λ/8波长膜层，低折射率材料膜层采用经过相应厚度系数优化的λ/4波长膜层。
4.如权利要求1所述的滤光装置，其特征在于：所述第二滤光腔厚度系数选自1.666、1.4、1.6、1.8。
5.如权利要求1或4所述的滤光装置，其特征在于：所述第二滤光腔的低折射率材料膜层采用经过相应厚度系数优化的λ/8波长膜层，高折射率材料膜层采用经过相应厚度系数优化的λ/4波长膜层。
6.如权利要求1所述的滤光装置，其特征在于：所述高折射率材料选自五氧化二钽、氧化钛、纳米五氧化二钽或纳米氧化钛。
7.如权利要求1所述的滤光装置，其特征在于：所述低折射率材料选自二氧化硅、氧化铝、纳米二氧化硅或纳米氧化铝。
8.如权利要求1所述的滤光装置，其特征在于：所述滤光装置的短波截止波长为410±10，长波截止波长为680±20。
9.如权利要求1所述的滤光装置，其特征在于：所述滤光装置中膜层总数为30～60层。
10.如权利要求1所述的滤光装置，其特征在于：所述滤光装置用于车辆窗户玻璃中作为过滤紫外和红外光的滤光装置。
11.一种滤光装置的制造方法，其包括以下步骤：
提供一基底；
在基底表面交替沉积经厚度系数优化的高折射率材料膜层及低折射率材料膜层，以形成多个第一滤光腔；及
在第一滤光腔表面交替沉积经厚度系数优化的低折射率材料膜层及高折射率材料膜层，以形成多个第二滤光腔。
12.如权利要求11所述的滤光装置的制造方法，其特征在于：所述沉积采用电子束蒸镀方式。
13.如权利要求11所述的滤光装置的制造方法，其特征在于：所述沉积的同时采用离子束或等离子体为辅助镀源。
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