固體濾光片簡(jiǎn)介

固體濾光片

solid filter

正確的說(shuō)法是固體玻璃濾光片。系一般攝影用的濾光片。針對(duì)鏡頭口徑可選擇的品咱很多（49毫米，52毫米等）。與醋酸濾光片和明膠濾光片相對(duì)地大多是指玻璃濾光片。

濾光片產(chǎn)品主要按光譜波段、光譜特性、膜層材料、應(yīng)用特點(diǎn)等方式分類(lèi)。

光譜波段：紫外濾光片、可見(jiàn)濾光片、紅外濾光片；

光譜特性：帶通濾光片、截止濾光片、分光濾光片、中性密度濾光片、反射濾光片；

膜層材料：軟膜濾光片、硬膜濾光片；

硬膜濾光片不僅指薄膜硬度方面，更重要的是它的激光損傷閾值，所以它廣泛應(yīng)用于激光系統(tǒng)當(dāng)中，面軟膜濾光片則主要用于生化分析儀當(dāng)中。

帶通型： 選定波段的光通過(guò)，通帶以外的光截止。其光學(xué)指標(biāo)主要是中心波長(zhǎng)（CWL），半帶寬（FWHM)。分為窄帶和寬帶。比如窄帶808濾光片NBF-808。

短波通型(又叫低波通)：短于選定波長(zhǎng)的光通過(guò)，長(zhǎng)于該波長(zhǎng)的光截止。 比如紅外截止濾光片，IBG-650。

長(zhǎng)波通型(又叫高波通)：長(zhǎng)于選定波長(zhǎng)的光通過(guò)，短于該波長(zhǎng)的光截止 比如紅外透過(guò)濾光片，IPG-800。

寬帶濾光片通常可以用短波通和長(zhǎng)波通濾光片組合而成?？紤]到膜層吸收特性，某些短波通或長(zhǎng)波通濾光片其本身就可以當(dāng)作寬帶濾光片。截止濾光片膜系可以鍍?cè)诓煌幕?，若干不同截止波長(zhǎng)的截止濾光片可組成一套具有不同半寬度和峰值波長(zhǎng)的寬帶濾光片，一般情況下，這樣組成的寬帶濾光片，不適用于成像系統(tǒng)，因?yàn)槟は抵g的多次反射可能會(huì)造成鬼像。為了消除鬼像，必須把整個(gè)薄膜濾光片都鍍?cè)诨椎耐粋?cè)，最有效的設(shè)計(jì)方法仍然是采用對(duì)稱(chēng)周期膜系。

采用對(duì)稱(chēng)周期膜系時(shí)，可用等效單層膜來(lái)表示短波通膜系和長(zhǎng)波通膜系，這樣有三個(gè)需要匹配的界面，假如用A和B表示兩個(gè)等效膜，其中B靠近基片，則在基片和B，B和A及A和入射介質(zhì)之間都需要考慮匹配膜層，用簡(jiǎn)單的

某些多半波濾光片膜系(即含有多個(gè)半波層的膜系)也可以構(gòu)成寬帶濾光片，例如全介質(zhì)四半波濾光片：

用電子束(EB)蒸發(fā)的TiO₂和SiO₂薄膜系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用。但是用常規(guī)的蒸發(fā)技術(shù)，即使基板的溫度高達(dá)300℃以上，薄膜仍呈現(xiàn)出明顯的柱狀結(jié)構(gòu)特性。這種柱狀結(jié)構(gòu)的薄膜，由于膜層中包含著大量的空隙，因此隨著薄膜濾光片吸潮，膜層折射率升高，濾光片的中心波長(zhǎng)就會(huì)產(chǎn)生明顯的漂移。為了表征這種結(jié)構(gòu)特性，人們提出了聚集密度P，它被定義為薄膜中固體部分的體積與總體積之比。所以它是一個(gè)描述薄膜疏松程度的物理量。

隨著離子鍍膜技術(shù)的發(fā)展，諸如離子輔助淀積(IAD)，反應(yīng)離子鍍(RIP)和離子束濺射(IBS)等，薄膜的聚集密度得到了顯著的提高，甚至已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)報(bào)道，有些薄膜的聚集密度大于1。這意味著薄膜的密度比自然界中的大塊材料的密度還要高，原因是在高聚集密度的薄膜中，常常呈現(xiàn)出較大的壓應(yīng)力，致使薄膜具有更高的聚集密度。但是，即使薄膜的聚集密度大于1，濾光片中心波長(zhǎng)仍會(huì)出現(xiàn)漂移。已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，影響薄膜濾光片中心波長(zhǎng)漂移的不僅是聚集密度，而且還有薄膜與基板的溫度折射率系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。所以濾光片的中心波長(zhǎng)漂移可以簡(jiǎn)單地表示為Δλ=薄膜空隙吸潮引起的漂移 溫度折射率變化引起的漂移 熱膨脹引起的漂移。

顯然，當(dāng)采用離子技術(shù)使聚集密度提高到1時(shí)，吸潮引起的中心波長(zhǎng)漂移已可忽略不計(jì)，而其他兩種因素上升為主要因素。本文僅從一般工藝出發(fā)，著重考察一下TiO₂/SiO₂組成的三腔濾光片的光學(xué)穩(wěn)定性與上述三種因素的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在可見(jiàn)光區(qū)域，對(duì)于聚集密度約為0.92的膜系，這三種因素中，吸潮引起的中心波長(zhǎng)最大，數(shù)量級(jí)在10 nm左右。對(duì)于膠合的膜系來(lái)說(shuō)，膜系空隙中水汽折射率隨溫度的上升而下降引起的中心波長(zhǎng)短移大約在1×10^-2nm/℃量級(jí)。而熱膨脹引起的漂移大約在1×10^-3nm/℃量級(jí)。

吸潮引起的漂移

由于薄膜是柱狀結(jié)構(gòu)，柱狀結(jié)構(gòu)間存在空隙，吸潮前空隙內(nèi)空氣的折射率為1，吸潮后空隙被水汽填充，折射率變?yōu)?.333，因而膜層的折射率，進(jìn)而光學(xué)厚度和光譜特性均引起變化，這就是吸潮引起的光學(xué)不穩(wěn)定性。

將我們制備的膜系結(jié)構(gòu)(HLH2LHLHL)³以及相應(yīng)的折射率代入，并且根據(jù)我們的工藝條件，TiO₂和SiO₂的聚集密度大約在0.92左右，由此對(duì)于不同中心波長(zhǎng)的紅、綠、藍(lán)濾光片，可以計(jì)算出相應(yīng)的吸潮引起的中心波長(zhǎng)漂移。在f=1(即完全吸潮)的情況下，針對(duì)TiO₂和SiO₂的不同聚集密度，計(jì)算出的一系列中心波長(zhǎng)漂移見(jiàn)表1。

從表中可以看出，吸潮情況下低折射率材料SiO₂的聚集密度對(duì)中心波長(zhǎng)的漂移起著主要作用。高折射率材料聚集密度的不同引起的中心波長(zhǎng)漂移差別只有1 nm左右，而低折射率材料卻有大約3 nm的變化。原因在于低折射率材料吸潮后，折射率上升相對(duì)于原來(lái)折射率的比例很高，相當(dāng)于光學(xué)厚度增加的比例大，導(dǎo)致漂移大。更重要的是，SiO₂是作為膜系的間隔層，而間隔層對(duì)中心波長(zhǎng)漂移的影響是最大的。

綜上所述，用溫度升高薄膜內(nèi)原來(lái)占據(jù)空隙的水汽被蒸發(fā)導(dǎo)致中心波長(zhǎng)短移的理論可以較好地解釋我們實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，并且可以由此推導(dǎo)出我們制備的SiO₂的聚集密度大約在0.92～0.95之間。理論分析和工藝條件的分析相吻合。

溫度引起的漂移

除了吸潮引起的中心波長(zhǎng)漂移以外，溫度升高引起的膜層折射率的變化，以及膜系熱膨脹引起的厚度變化也會(huì)引起膜層光學(xué)厚度的變化，從而導(dǎo)致中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。不僅如此，由于基板的熱膨脹系數(shù)與膜系的熱膨脹系數(shù)不同，在受熱的情況下，膜系會(huì)受到基板應(yīng)力的作用發(fā)生彈性形變，從而聚集密度發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。理論可以用來(lái)定量地分析溫度上升所引起的中心波長(zhǎng)漂移。其中主要的因素就是材料的折射率溫度系數(shù)、基板的線性熱膨脹系數(shù)、材料的泊松比、膜系的線性熱膨脹系數(shù)、膜層的聚集密度等。關(guān)于各種材料的折射率隨溫度變化的數(shù)據(jù)非常缺乏，尤其是薄膜形態(tài)材料的數(shù)據(jù).據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，不同材料的折射率溫度的變化差異很大，比如碲化物呈現(xiàn)出負(fù)的數(shù)值，而一般材料折射率都隨溫度的上升而增大。在我們的膜系中，由于是SiO₂作為間隔層，因此SiO₂的折射率溫度系數(shù)起主要的作用。文獻(xiàn)中有晶體石英在可見(jiàn)光范圍內(nèi)o光和e光的折射率，見(jiàn)表2。也有熔融石英在紅外的折射率溫度系數(shù)，在1550 nm時(shí)約為 1.1×10^-5/℃，但是很難查到在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，我們可以推斷可見(jiàn)光區(qū)SiO₂薄膜的折射率溫度系數(shù)大概為 0.5×10^-5/℃左右。基板的熱膨脹系數(shù)，對(duì)K9玻璃在-30～70℃范圍內(nèi)為74×10^-7/℃，在100～300℃范圍內(nèi)為86×10^-7/℃。膜系的熱膨脹系數(shù)在5.5×10^-7/℃左右，泊松比取0.1。

根據(jù)以上的理論分析和參量設(shè)定，計(jì)算得到在70℃以下，綠色濾光片的中心波長(zhǎng)的溫度漂移為-0.00088 nm/℃，在100℃以上，中心波長(zhǎng)的溫度漂移為-0.001459 nm/℃，對(duì)于不同顏色的濾光片，數(shù)值略有不同，但量級(jí)都在-1×10^-3 nm/℃，10℃的溫度變化也只會(huì)引起-10^-2nm量級(jí)的漂移，而實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的漂移無(wú)論對(duì)單片還是膠合樣品都在1 nm的量級(jí)，所以上述計(jì)算的結(jié)果并不是主要因素。

對(duì)于雙片膠合的樣品而言，聚集密度不等于1時(shí)，其中的空隙多由水汽所填充，膠合以后，這些水分子仍然存在，不能蒸發(fā)脫離出薄膜。根據(jù)文獻(xiàn)顯示，水的折射率溫度變化相對(duì)薄膜材料是比較大的，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。它的量級(jí)在10^-4/℃，比SiO₂高一個(gè)量級(jí)，并且隨著溫度的上升，折射率下降速度加快。對(duì)于聚集密度0.9而言，水分子折射率溫度系數(shù)的作用跟膜層材料的作用已經(jīng)可比擬，甚至更大。

從表中我們看到，水的折射率從20℃到80℃下降了大約0.01，按照0.9的聚集密度來(lái)計(jì)算，由膜層中的水折射率下降引起膜層折射率溫度系數(shù)-2×10^-5/℃，可見(jiàn)它完全可以抵消SiO₂折射率隨溫度的上升，使整個(gè)膜系呈現(xiàn)負(fù)的折射率溫度系數(shù)，此時(shí)膜系的折射率系數(shù)變?yōu)?1.5×10^-5 nm/℃，室溫到70℃的溫度漂移是-0.6 nm，跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果0～-2 nm處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于70℃以上的情況，沒(méi)有水的折射率變化的數(shù)據(jù)，但考慮到100℃以后水從液態(tài)逐漸變?yōu)闅鈶B(tài)，折射率的下降會(huì)更快，所以從這個(gè)角度能夠合理解釋膠合濾光片中心波長(zhǎng)隨溫度的短移。

我們認(rèn)為，對(duì)于未膠合單片的濾光片，室溫下薄膜柱狀結(jié)構(gòu)中的空隙幾乎完全被水分子所填充，在溫度上升到70℃時(shí)，柱狀結(jié)構(gòu)中80%～90%左右的水分子被蒸發(fā)脫離出薄膜，而在70℃到120℃的時(shí)候，剩余的10～20%左右的水分子也被蒸發(fā)脫離出薄膜。因此導(dǎo)致了在70℃到120℃的中心波長(zhǎng)漂移。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中這種漂移的數(shù)值在1～2.5 nm之間，確實(shí)是室溫到70℃漂移值的1/5左右。實(shí)驗(yàn)還反映，100℃到120℃的漂移小于70℃到100℃范圍的漂移，這也符合我們的分析。

研究結(jié)論

通過(guò)對(duì)紅、綠、藍(lán)三種帶通濾光片在溫度影響下中心波長(zhǎng)漂移的實(shí)驗(yàn)，我們分析了造成這種漂移的原因。這其中有三種因素起著作用。對(duì)于未膠合濾光片，薄膜柱狀結(jié)構(gòu)空隙中原本填充的水分子隨溫度升高被蒸發(fā)而引起的折射率下降是主要因素，它造成了中心波長(zhǎng)的短移。這種短移隨薄膜的聚集密度而變化。對(duì)于聚集密度為0.92的膜系，短移的數(shù)值在10 nm的量級(jí)。這種解吸潮的過(guò)程在室溫到70℃的范圍內(nèi)最明顯，有80%到90%的水被蒸發(fā)出來(lái)，而在70℃以上，殘余的10%～20%的水分也被蒸發(fā)出來(lái)。對(duì)于膠合的濾光片，造成中心波長(zhǎng)短移的原因在于填充薄膜空隙的水汽的折射率隨溫度上升而下降，而且這種下降的速度遠(yuǎn)大于薄膜材料折射率隨溫度上升和幾何厚度熱膨脹引起的增量的速度，因此引起光學(xué)厚度下降、中心波長(zhǎng)短移。這種短移的量級(jí)大約在-1×10^-2 nm/℃。最后，對(duì)于聚集密度很高的膜系而言，材料的折射率溫度系數(shù)、基板的熱膨脹系數(shù)是決定中心波長(zhǎng)漂移的重要因素。通過(guò)計(jì)算，對(duì)于可見(jiàn)光的范圍，這種漂移的量級(jí)在1×10^-3nm/℃左右，方向由基板的熱膨脹系數(shù)決定。

根據(jù)以上的分析，可以制定改善膜系溫度穩(wěn)定性的措施。首先，提高膜系的聚集密度是一個(gè)最重要的手段。聚集密度的提高減少了吸潮的影響，而吸潮是對(duì)穩(wěn)定性影響最大的因素。把薄膜膠合在玻璃基片之間也是一個(gè)很好的措施，它可以使漂移下降到10^-2nm/℃量級(jí)。除了提高薄膜的聚集密度以外，選擇折射率溫度系數(shù)小的材料、或是折射率溫度系數(shù)正負(fù)相反的材料來(lái)制備膜系，同時(shí)選擇適當(dāng)熱膨脹系數(shù)的基板也是措施之一，這在紅外并且聚集密度接近一的情況下尤為重要。