滤波片设计与制作

一．应用

（1）窄带滤光片的作用只是让某一波段范围的光通过，而其余波长的光不能通过。各种数码、电子产品视窗、太阳能电池、IC 封装等可以通过它减小杂色光或光害的影响，可以测量恒星表面温度，可以分色曝光以消除色差的影响，可以减弱太阳月亮火星等的亮度得到更清晰的细节，可以防止红外、紫外线对CCD 曝光或伤害眼睛等等。。。。。。

（2）窄带滤光片在还在摄影创作、印刷制版、彩色摄影及放大和各种科技摄影中被广泛利用。 尤其在黑白摄影上，它能对各种色光光线起着有通过、限制和阻止的三个作用，色光通过的量多，在照片上色调就淡；通过量少，色调就深，如果光线完全被阻止，其结色色调就全黑色，所以在黑白摄影上窄带滤光片实际就是起着校正物体颜色反差的高低，使各种物体的颜色变成合乎自己反差，影调理想的要求。

（3）除此之外窄带滤光片还在数码成像（数码像机、数码录像机、监控用摄像机、电脑摄像头、手机摄像、可视电话、电子玩具等）红外探测器、医疗器械激光器、 LED 液晶显示、感应识别系统、舞台灯光色片、装饰性薄膜、防水保护薄膜有着广泛用途。

二．简介

带通滤光片是指在一定的波段内，只有中间一小段是高透过率的通带，而在通带的两侧，是高反射率的截止带，表征滤光片特性的主要参数有：

0λ———中心波长或称峰值波长；

max T ———中心波长的透射率，也即峰值透射率；

02λ∆———透射率为峰值透射率一半的波长宽度，也即通半宽度，或用02/λλ∆表示相对半宽度。

我们可以把带通滤光片分为两种结构形式，一种是由一个长波通膜系和一个短波通膜系的重叠通带波段形成带通滤光片的通带。这种结构得到的光谱特性是：可以获得较宽的截止带和较深的截止度，但不容易获得很窄的通带，所以常用于获得宽带通滤光片。第二种是法---珀干涉仪形式的镀光膜系，这种结构得到的光谱特性是：可以获得很窄的通带，但截止带宽度通常也比较窄，截止度也不深，所以大多数情况下都需要配合使用截止滤光片来拓宽截止带和增加截止深度。由于金属反射膜的吸收较大，限制了滤光片性能的提高，因此此次实验使用多层介质反射膜代替金属反射膜，大大提高了法---珀滤光片的性能。

三．工作原理

利用法---珀干涉仪的多光束干涉原理可以制作窄带干涉滤光片，其作用是让光源中某一窄带光谱范围的光波以尽可能高的透过率通过，而使其它光谱范围的光波衰减，以获得单色性良好的准单色光。

干涉滤光片原理可以用多光束干涉强度极大值条件来解释：

当相干光束数目很大时，对于确定的n.d.i 值，光源中只有严格满足上述条件的波长成分才能基本无衰减地透过，微小偏离上述条件的波长成分将由于近似相消干涉而衰减，于是实现了窄带滤波。当入射角i=0时，投射波长可表示为：

干涉滤光片按其结构可分为两类：第一类为全介质膜干涉滤光片，它是在保护玻璃G 和G ’上分别镀上一组高反射多层介质膜H 和H ’，组合在一起，并让两组膜系之间形成厚度为d 的间隔层L 。另一类是金属反射膜干涉滤光片，它是在保护玻璃G 上镀一层高反射银膜S ，在S 膜上镀一层光学厚度为nd 的介质薄

042(0,1,2,...)M N N πϕπλ∆==2N nd N

λ=

膜F ，然后再镀一层银膜S ’，加上保护玻璃G ’。

表征干涉滤光片光学性能 参数主要有透射中心波长N λ，透射光谱半宽度N δλ和峰值透射率M T 。

（1）透射中心波长N λ：

透射中心波长N λ由公式 确定，当干涉滤光片的间隔层光学厚度nd 确定时，透射中心波长N λ可能不只一个。为了滤掉不需要的透射中心波长，得到窄带的准单色光，一个方法是减小间隔层的光学厚度nd ，使可见光范围内只有一个透射中心波长，另一个方法是将保护玻璃G 和G ’换成有色玻璃，也可以达到同样的目的。

（2）透射光谱半宽度N δλ

干涉滤光片的光谱透射曲线其透射光谱半宽度N δλ用透射率下降到峰值的一半时对应的两波长差来表示。以N λ为中心的透射光谱半宽度为：

上式表明，透射光谱半宽度N δλ随反射率ρ的增大而减少。当入射角i 增大时，透射中心波长N λ将变短，透射半宽度N δλ将变宽。

图1 干涉滤光片的结构示意图

2N nd N

λ

=22N N dn λδλπ⎛⎫=

（3）峰值透射率M T

M T 的定义是中心波长透过的最大光强度TM I 与入射光强度o I 的比值，即

M T =TM I /o I 。由前面对法---珀干涉仪的分析可知，中心波长N λ的透过强度极

大值TM I =o I ，所以干涉滤光片峰值透过率的理论值M T =1。但实际上由于各层

介质的吸收和散射损失，使得M T 远小于1.

四．技术指标

（1）入射介质0n ＝1；

（2）出射介质g n ＝1.52；

（3）入射角0θ＝︒0；

（4）中心波长0λ＝550nm ，中心波长透过率大于93%，透射光谱的半宽度小于5nm 。使用nH ＝2.3（TiO2）， nL ＝1.45（SiO2）。

五．计算机模拟仿真

（一）①膜系结构：HLHL2HLHLH

②膜层：9层

（二）①膜系结构：HLH2LHLHLHLH2LHLH

②膜层：15层

六．制作工艺

（1）制作环境

光学薄膜可以采用物理气相法沉积法和化学液相沉积法两种工艺来制作。但由于化学液相沉积法不能精确控制，膜系强度差，较难获得多层膜，还存在废水废气污染，因此本次制作采用物理气相法沉积法。

在物理气相法沉积法中，根据膜料汽化方式的不同，又分为热蒸发、溅射、离子镀及离子辅助镀技术。考虑到各种因素，所以本次制作采用离子辅助镀的方法进行镀膜。

（2）制作设备

本次制作采用光学真空镀膜机，其主要是热蒸发真空镀膜设备，由真空系统、热蒸发系统、膜层厚度控制系统组成。

制作设备装置图

①真空系统

真空系统是由“高真空低温冷凝泵+低真空机械泵”组成的。一般情况下，