用于摄影镜头截止滤光片的研究

长春理工大学本科毕业设计编号 本科生毕业设计用于摄影镜头截止滤光片的研究Research for the Cut-off Filter of Camera Lens学 生 姓 名郭贵新专 业光电信息工程学 号100212613指 导 教 师付秀华学 院光电工程学院二一四年六月 毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）用于摄影镜头截止滤光片的研究，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月日长春理工大学本科毕业设计摘要目前截止滤光片是数码产品不可或缺的重要组成部分,它的性能直接影响数码成像的质量。本文通过介绍截止滤光片在数码影像产品中的作用及工作原理引出了研究用于摄影镜头截止滤光片的目的及意义，结合薄膜的基本原理，通过相关理论，根据材料的特性及薄膜的应用条件而选择合适的材料，研究了现有的设备工艺参数,对截止滤光片进行了膜系设计。设计并制备了400-600nm波段高透射，780-1100nm波段高截止的滤光片。关键词：膜系设计 截止滤光片 制备工艺 AbstractThe cutoff filter is indispensably important part of digital produce. And its capability affect the quality of digital image straightway. From introducing its function in digital figure produces and theory,this paper fetch out researchful intention and significance about the cutoff filter that used in the camera lens .Combined with the basic principles of the film, through the related theories, selected suitable material according to the property of material and the application condition of film,studied the existing actual production conditions, conduced a cutoff filter coating design. Designed and manufactured the filter in the 400-600nm-band is a high transmission, in the780-1100nm-band is high end.Keywords: Coating design ;Cutoff filter ;Preparation29目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1光学薄膜发展及应用11.2课题研究的目的及意义11.3研究内容2第2章 薄膜的基本理论32.1薄膜反射率的计算32.1.1单层薄膜的反射率32.1.2多层薄膜的特性计算42.2对称膜系的等效层52.3通带波纹的压缩72.4截止带宽度及其展宽8第3章 截止滤光片的膜系设计103.1膜料的研究103.2 工艺参数及光学常数的确定103.2.1 工艺参数的确定113.2.2 利用光度法测定材料的光学常数113.3膜系设计12第4章 截止滤光片的镀制214.1 真空系统214.2蒸发技术214.3离子辅助沉积技术224.4薄膜厚度监控224.5 截止滤光片镀制工艺参数234.6工艺流程图24第5章 实验测试结果及分析255.1 实验测试结果255.2 原因分析25结论27参考文献28致谢29第1章 绪论1.1光学薄膜发展及应用光学薄膜是通过在光学玻璃、光学塑料、光纤晶体等各种材料的表面镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应得到各种各样的光学特性。它可以减少表面的反射以增加光学系统的透射率和对比度；或者增加表面反射以减少光的损失；或者在一个波段内给出高的反射、低的透射，而在相邻波段则有低的反射、高的透射，以实现分色、合色的目的。也可以使不同偏振状态的光束具有不同的传播特性，以达到偏振分束、偏振转换的功能等等。在某一波段范围的光束高透射，而偏离这一波段的光束转变为高反射的干涉截止滤光片有着广泛的应用，根据工作波段的不同，通常我们将截止滤光片分为两类：长波通滤光片和短波通滤光片。1995年刘卫国研究了截止滤光片通带波纹的失调修正，针对典型的短波通膜系提出了采用非等厚的匹配层来修正通带波纹，即等厚失调修正方法1。1999年黄伟和张云洞研究了消除短波通截止滤光片半波孔的方法，分析了产生半波孔的主要原因，并且找到了一种有效的消除方法，即设计了一种挡板放在蒸发源的上方，通过调整它来改善蒸气分布，从而消除半波孔2。2005年陈卫斌和顾培夫针对用于投影显示的分色合色膜系进行了消偏振设计，新的设计方法采用了宽带法布里-珀罗薄膜干涉滤光片中心波长两侧的干涉带作为长波通或短波通截止滤光片，可以实现S-偏振分量和P-偏振分量的分离几乎为零3。2011年付秀华和牟鑫对刑侦检测光学系统中的干涉滤光片进行了设计与制备，制备出低成本高质量的450-520nm波段高透射矩形波4。2013年刘冬梅和付秀华针对空间光通信系统，研制出了一种近红外宽截止窄带滤光膜，着重解决了中心波长透过率提高的问题5。1.2课题研究的目的及意义在光学薄膜中，短波通截止滤光片是经常用到的一种膜系，它要求在长波处截止、短波透过，在实际应用中有着广泛的前景。例如热反射镜是反射红外光、透射可见光的短波通滤光片；望远镜红膜也是十分典型的短波通滤光片。红外滤光片在高温计和辐射计，红外摄像机、光谱仪、单色仪、望远镜和红外显微镜，连续过程分析仪及红外搜索、跟踪系统上的运用，使得红外滤光片、探测器及相关器件的研制得到迅猛发展，更加高级的红外截止滤光片或许会成为数码相机中的重要元件6-7。现代数码产品使用的是CMOS或CCD器件，其感光范围包括可见光和红外区域8。红外光会造成像的锐度下降和色温偏差。同时，在使用CMOS或CCD图像传感器拍摄彩色景物时，因为其对颜色的反应与人眼有所不同，故为调整可见光范围内对颜色的反应，呈现出色彩符合人眼感觉的影像，必须在CCD和镜头模块之间安装红外截止滤光片。红外截止滤光片还可用于红外镜头增加红外成像的分辨率和对比度。以红外截止滤光片双滤光片切换器广泛应用于红外摄像机。当白天光线充足时，红外截止滤光片工作，CCD或CMOS还原出真实彩色，当夜晚可见光线不足时，红外截止滤光片自动移开全透光谱滤光片开始工作，让CCD充分利用到所有的光线，让夜视监控画面更清晰。1.3研究内容本课题主要研究内容是用于摄影镜头的截止滤光片，主要研究内容有四个方面：1、在膜料的选取上，根据查阅的相关文献，高折射率材料多采用TiO2和H4，低折射率材料多选择SiO2，本文将对这几种材料进行研究。2、 设计膜系，针对课题要求，以短波通基础膜系为参考，采用膜堆叠加的方法设计膜系，根据所选材料设计多种方案，比较各种方案的特性，选取最优方案。在元件的另一侧设计增透膜。3、 在制备工艺上，使用实验室的TXX700-型箱式真空镀膜机进行镀制，研究其工艺参数以及监控方法。4、测试元件的光谱特性，机械特性和化学特性并对测试结果进行分析。第2章 薄膜的基本理论本课题研究的是截止滤光片，截止滤光片应用到的基本理论包括计算薄膜的反射率，对称膜系的等效层理论，通带波纹的压缩，计算截止带宽度并展宽截止带9。下面来介绍这些理论。2.1薄膜反射率的计算2.1.1单层薄膜的反射率在单一界面上应用边界条件可写出 (2-1) (2-2)单层薄膜的两个界面可以用一个等效界面来表示，膜层和基底组合的等效导纳为Y，则由上述两式可以推倒出图2-1单层薄膜的等效界面则单层膜的反射系数为只要确定了组合导纳Y就可以计算单层膜的反射和透射特性。因此要求出入 射界面上与的比值。应用矩阵式表示与为= = (2-3)又因为则式(2-3)可写为= (2-4)故令=矩阵定义为薄膜和基片组合的特征矩阵。其中，称为薄膜的特征矩阵。它包含薄膜全部有用的参数。其中；对分量，而对分量，。对以后分析薄膜特性时非常有用。由可得 (2-5)2.1.2多层薄膜的特性计算单层膜的讨论可以推广到多层膜，任意光学多层膜都可用等效界面来代替，而且等效界面的导纳。假设有层的多层膜，则矩阵方程式可写为 =由于，且在基底中只有正向波，,所以=故而，膜系的特征矩阵是= (2-6)多层膜和基片的组合导纳是。 (2-7) (2-8)反射相位变化为 (2-9)2.2对称膜系的等效层 以中间层为中心，两边对称放置多层膜，但却具有单层膜特征矩阵的特点，这在数学上存在着一个等效层，下面我们就以最简单的对称膜系(pqp)为例，说明等效层的概念。这个对称膜系的特征矩阵为 作矩阵的乘法运算，我们求得 (2-10)正是由于最后一个关系式成立，才有可能引入等效层的概念，由于对称膜系的特征矩阵和单层膜的特征矩阵有相同的性质，可假定以相似形式来表示 = (2-11)因此，我们可以将对称膜系看做为一个特殊的单层膜，这个特殊的单层膜的折射率E(等效折射率)和位相厚度(等效位相厚度)可以由下面关系式决定=因为 =， =所以 又根据式(2-10)，有 (2-12)= (2-13)显然，上式中位相厚度的解并不是唯一的，通常选择近似值中最接近对称膜系实际位相厚度的一个。容易证明，这个结果可以推广到由任意多层膜组成的对称膜系。首先规定多层膜的中心三层，它们形成一个对称组合，这样就可以用一个等效单层膜来替代。然后这个等效层连同两侧的两层膜，又被取作第二个对称三层组合，依然用一个等效单层膜来替换。重复这个过程，直到所有的膜层均被代换，最终形成一个等效单层膜。从和的表达式(2-10)中可看到，在某些波长范围内，必然会出现=1的情况，即这些波段内的等效位相厚度是虚数又由式-=1可知，这时和的值符号相反。因而在这些波段内，等效折射率也是虚数。这就说明，在这些波段内等效折射率的概念将不复存在。这些波段相应于对称膜系的截止带，在截止带中光学特性的计算，完全依靠于它的特征矩阵的连乘积。在和为实数的波段，相应于对称膜系的透射带，在透射带中，只要求出和就可以得到它全部的光学特性。而相应于=1，也就是，为或偶数倍的那些波长，也就是对称膜系截止波长处，等效折射率趋向于零或无限大。应该指出，虽然是趋向于零或无限大，但由于趋向于或其偶数倍，所以反射率值仍是不确定的(不是趋向于1)，随着周期数的增加而增加。在数学上，任何对称膜系都存在着等效相位厚度和等效折射率，即可以用一等效的单层膜来代换，这一发现既可以使多层膜的光学特性容易得到解释(单层膜的特性比多层膜直观得多)，又可以将单个周期的结果推广到多个周期组成的多层膜。若令一个周期性对称膜系的基本周期的特征矩阵为那么周期性对称膜系的特征矩阵应为各基本周期特征矩阵的乘积，即可证明 (2-14)上式表示一个周期性对称膜系，在它的透射带中仍存在一个等效折射率，它和基本周期的等效折射率完全相同，并且它的等效位相厚度是基本周期的等效位相厚度的倍。这说明在考虑周期性对称膜系透射带中的透射率问题时，只要考虑它的基本周期的性质就可以了。特别是在基本周期的等效折射率和基片以及入射介质的折射率匹配优良的情况下，即使周期数的变动很大，位相厚度的变化只会引起透射率的微小波动而不会造成更多的影响。这样就极大地简化了周期性对称膜系透射带中光学特性的计算工作。正是由于周期性对称膜系的这一重要特点，所以被广泛地运用在滤光片的设计中。2.3通带波纹的压缩压缩通带波纹有许多不同途径，最简单的是选取一个对称组合，使其通带内的等效折射率与基片折射率相接近，也即使与接近。如果基片表面的反射损失不太大，这是一种效果非常好的方法。具有良好的短波通滤光片特性的一个组合膜系为。但是对于不同的基片材料，实际用的薄膜材料并不一定具有合适的等效折射率，因而必须选取其它压缩波纹的方案。一种简单的方法是通过改变基本周期内的膜层厚度，使其等效折射率变的更接近预期值。在可见光区，玻璃是十分满意的基片材料，但是这种方法不能直接应用于红外区，因为红外区使用的基片其折射率通常都较高，近似于基片折射率的等效折射率不能达到入射介质的匹配要求，会造成较大的反射损失。更常用的方法是在多层膜的每一侧加镀匹配层，使它同基片以及入射介质匹配。如果在多层膜与基片之间插入一个有效折射率是的层，而在多层膜与入射介质之间插入一个折射率是的层，则只要 和 (2-15)得到满足，就可以把插入层单纯地当作多层膜边界的减反射膜。只要计算多层膜系在某些特定波长的特性，便可迅速地检验膜系是否具有要求的性能。在这些特定的波长处，多层膜的等效厚度或者为的奇数倍，或者为偶数倍。多层膜表现如同一个层的那些波长处，膜系的组合导纳恰好是 (2-16)所以反射率是 (2-17)当= (2-18)反射率R将为零。当对称膜系表现如同一个层时，它是虚设的，其反射率是 (2-19)若= (2-20)那么反射率R也将为零。解(2-18)和(2-20)式便得到匹配层预期的导纳值(2-15)。2.4截止带宽度及其展宽结合2.2中所介绍的内容，将膜系用等效单层膜来代替，特征矩阵为截止带的边界由=确定，由式(2-10)可得-=令=，=，可得-=因，截止带边界为 (2-21)则截止带宽度为 (2-22)单个多层膜的高反射区是有限的。对于本课题要求的截止滤光片，要求高反射区域是-，因而需要展宽其高反射带的宽度。展宽截止带最常用的方法是在一个多层膜上，叠加另一个中心波长不同的多层膜，或者用中心波长不同的两个对称周期膜堆叠加成为单一的膜系，这样也可以扩展高反射区，而不会在两个中心波长的平均值处产生透射次峰。这种对称周期膜堆的最外两层的厚度为，其余均是厚度。这有效地抑制了反射率的值。第3章 截止滤光片的膜系设计本课题研究用于摄影镜头的截止滤光片，在设计过程中，主要是膜料的选取，工艺参数及光学常数的确定及膜系结构的设计。主要的技术要求如表3-1所示。表3-1 截止滤光片技术要求波段（nm）T%38010T=50%400600T90%65020T=50%7801100T5%3.1膜料的研究滤光片主要工作在可见波段及红外波段，高折射率材料有H4和TiO2，材料H4不会放气和喷溅。镀制后不会轻易受到外界物质的污染或者影响，镀层特性相当稳定，即使在变化的加工条件下，氧压，沉积速率和蒸发次数对镀层透过率，一致性和膜厚均匀性等的影响都微乎其微，并且具有耐腐蚀性，耐高温性，易清洗，持久的韧性和延伸性并且是水容环保材料，自身不氧化。材料TiO2在整个可见区和红外光谱区都是透明的，具有稳定的牢固度并且耐腐蚀。对于TiO2，镀制过程中必须充分预熔，同时控制电子枪束流，以免束流过大或者材料局部温度过高造成材料喷溅；并且TiO2易失氧，所以在镀制过程中必须充氧。低折射率材料SiO2表现为压应力低、光吸收小、膜层牢固和抗腐蚀能力强。对于SiO2最好要提前预熔，去除杂质。基底采用的是K9玻璃，K9玻璃的稳定性强、透光度高、硬度好是可见光区域中最常见的基板在要求波段的透明区内，TiO2和SiO2材料有高的透明度和小的消光系数10，除了两者材料的折射率相差比较大外，这两种材料还具有耐腐蚀，膜层牢固稳定等特性；同时从减少膜层层数的角度去考虑，薄膜的折射率比值越高，其截止带宽就会越宽，层数就会越少，这样就越有利于提高滤光片的可靠性和环境稳定性。因此选取这两种材料来作为高低折射率膜料。3.2 工艺参数及光学常数的确定对于光学薄膜而言，最重要的是材料的光学性质。一般材料的光学常数（折射率和几何厚度）是基底温度、真空度和沉积速率等工艺参数的函数，即同一材料在不用工艺条件下的光学常数也是不同的。所以，在膜系设计之前，必须准确确定镀膜材料的光学常数以及工艺参数。3.2.1 工艺参数的确定在镀制过程中TiO2材料容易因分解而失氧，需充入适量的氧气以减少吸收。而选择适当的蒸发速率可以改善薄膜的致密性，提高膜料的折射率11。根据多次试验，最后确定TiO2的沉积速率为0.3nm/s，充氧量为12sccm（sccm：标准毫升每分钟），真空度维持在，确定SiO2的沉积速率为0.7nm/s，真空度维持在。同时为改善膜层的聚集密度和机械牢固度，将基底温度设置为 2003.2.2 利用光度法测定材料的光学常数计算材料的折射率，通过在2mm厚的K9玻璃上沉积整数倍光学厚度的TiO2和SiO2，分别测试其透射率曲线。将K9玻璃的光谱透过率曲线和镀膜后的透射曲线导入Macleod膜系设计软件，并选择测试波长范围内的透射率曲线的峰谷值点，得到TiO2和SiO2的色散曲线分别如图3-1和图3-2所示。图3-1 SiO2的色散曲线图3-2 TiO2的色散曲线3.3膜系设计因为截止带很宽，故需要展宽截止带，应用2.4中介绍的内容对设计膜系进行截止带的展宽，如下所示图3-3 膜系为的理论曲线图3-4 膜系为1.24的理论曲线图3-5 叠加后的理论曲线由图3-3可看出一个膜堆的截止带宽度有限，不能满足课题要求中的780-1100nm宽的截止带，故根据之前所学内容和查阅的文献资料采用膜堆叠加法，应用两个中心波长不同的膜堆进行叠加。由图3-5可以看出，叠加后有效地展宽了截止带宽度使其满足课题要求。在做设计时，共做出三种方案，第一种是应用H4和SiO2作为高低折射率材料，K9玻璃为基底，采用全晶控方式监控。第二种是TiO2和SiO2作为高低折射率材料，K9玻璃为基底，采用晶控与光控结合的方式监控。第三种是TiO2和SiO2作为高低折射率材料，K9玻璃为基底，采用全晶控方式监控。截止滤光片相对其他光学薄膜，膜层较多，根据理论内容设计出如下结果第一种方案： 膜料：H4 ，SiO2 基底K9；基础膜系：G|(0.5LH0.5L)14 1.29(0.5LH0.5L)13|A。应用TFCalc膜系设计软件，优化后所得的理论膜系如表3-2示及理论曲线如图3-6示：表3-2 截止滤光片优化后的膜系Layer No.膜层物质物理厚度（nm）光学厚度()1H4105.751.13387352SiO2132.101.03847353H495.741.02657354SiO2118.540.93817355H495.981.02917356SiO2109.510.86097357H498.761.05897358SiO2106.350.83607359H498.251.053473510SiO2108.970.856673511H495.891.028273512SiO2115.780.910173513H492.430.991073514SiO2120.690.948773515H489.890.963773516SiO2127.030.998673517H490.630.971773518SiO2133.491.049373519H495.461.023573520SiO2141.391.111473521H4101.121.084273522SiO2145.891.146873523H4102.701.101273524SiO2147.331.158273525H4107.941.157473526SiO2158.171.243473527H4113.411.216073528SiO2156.341.228973529H4106.361.140373530SiO2149.341.173973531H4104.821.123973532SiO2148.921.170773533H4106.111.137673534SiO2152.751.200873535H4113.231.214073536SiO2167.281.315073537H4120.521.292273538SiO2168.621.325573539H4122.861.317373540SiO2177.421.394773541H4129.891.392473542SiO2184.841.450373543H4133.861.435273544SiO2185.641.459373545H4135.531.453173546SiO2186.941.469573547H4135.011.482573548SiO2188.591.482573549H4133.371.430073550SiO2185.851.461073551H4132.021.415573552SiO2167.801.319073553H494.891.012473554SiO271.260.5601735图3-6 TFCalc软件模拟优化的理论曲线第二种方案：膜料：SiO2 ，TiO2 基底K9；基础膜系：G|(0.5LH0.5L)8 1.3(0.5LH0.5L)7|A。应用TFCalc膜系设计软件，优化后所得的理论膜系如表3-3所示及理论曲线如图3-7所示：表3-3 截止滤光片优化后的膜系Layer No.膜层物质物理厚度（nm）光学厚度()1TiO290.221.11737502SiO2145.611.12127503TiO277.260.95687504SiO2134.051.03227505TiO276.850.95177506SiO2132.401.01957507TiO276.740.95037508SiO2131.701.01417509TiO275.280.932375010SiO2131.131.009775011TiO280.751.000075012SiO2129.871.000075013TiO280.751.000075014SiO2129.871.000075015TiO280.751.000075016SiO2149.351.150075017TiO2104.971.300075018SiO2168.831.300075019TiO2104.971.300075020SiO2168.831.300075021TiO299.131.227675022SiO2166.621.282975023TiO2102.631.271075024SiO2175.801.353775025TiO2108.651.345575026SiO2180.721.391575027TiO2107.671.333375028SiO2175.121.348475029TiO2104.391.292875030SiO284.790.6529750图3-7 TFCalc软件模拟优化的理论曲线第三种方案：膜料：SiO2 ，TiO2 基底K9；基础膜系： G|(0.5LH0.5L)8 1.24(0.5LH0.5L)7|A。应用TFCalc膜系设计软件，优化后所得的理论膜系如表3-4示及理论曲线如图3-8示：表3-4 截止滤光片优化后的膜系Layer No.膜层物质物理厚度（nm）光学厚度()1TiO288.851.10807452SiO2140.401.00857453TiO277.570.96737454SiO2132.991.03117455TiO276.220.95057456SiO2131.001.01567457TiO276.070.94877458SiO2130.611.01267459TiO276.490.953974510SiO2131.461.019274511TiO277.850.970874512SiO2134.461.041574513TiO281.331.014274514SiO2143.981.116374515TiO293.361.164274516SiO2169.941.317574517TiO2105.171.311674518SiO2174.951.356374519TiO2104.521.303474520SiO2167.861.301474521TiO298.061.222874522SiO2166.321.289574523TiO2103.941.296274524SiO2176.261.366574525TiO2107.681.342774526SiO2178.511.384074527TiO2107.471.340274528SiO2174.751.354874529TiO2105.441.314974530SiO286.710.6722745图3-8 TFCalc软件模拟优化的理论曲线表3-5 三种方案比较第一种方案第二种方案第三种方案高折射率介质厚度(nm)2952.421371.011380.03低折射率介质厚度(nm)3956.842204.702240.19总厚度(nm)6909.263575.723620.22最薄层第54层（71.26nm）第9层（75.28）第7层（76.07）最厚层第48层（188.59nm）第26层（180.72）第26层（178.51）总层数54层30层30层监控方式全晶控晶控与光控结合全晶控通过表3-5对三种方案的比较，可见三种方案的理论曲线都满足要求，但是第一种方案要镀制的层数相比于其他方案要多很多，这会直接导致膜层吸收增加，控制难度加大，机械性能及光学性能变差从而增加了镀制难度。第二种方案和第三种方案主要区别于镀制工艺部分。第二种方案采用晶控与光控结合的方式，理论曲线较第二种较差。第三种方案采用全晶控的方式理论曲线很好，在镀制过程中镀膜机的晶控效果很好，故选用第三种方案。因为元件背面有4%的反射，为了进一步提高该波段的透射率，我们将在滤光片的另一侧加镀增透膜，选取Al2O3作为粘结层，ZrO2为高折射率材料 ，MgF2为低折射率材料。应用TFCalc膜系设计软件，优化后所得的理论膜系如表3-6所示及理论曲线如图3-9所示：表3-6增透膜优化后的膜系Layer No.膜层物质物理厚度（nm）光学厚度()1Al2O373.820.95845002ZrO2120.531.91885003MgF286.720.9608500图3-9 TFCalc软件模拟优化的理论曲线应用TFCalc膜系设计软件，得到两面镀膜的理论曲线如图3-10所示：图3-10 两面镀膜的理论曲线第4章 截止滤光片的镀制薄膜制备技术包括的内容有很多，首先，真空是镀膜的必备条件，其次要了解实验所采用的蒸发技术及其原理，离子辅助沉积技术以及采用何种离子源和监控方式。掌握在实际镀制过程中的工艺参数以及镀制过程中的注意事项。4.1 真空系统为了减少蒸发分子和残余气体分子的碰撞和抑制它们之间的反应，镀膜需要在一定的真空条件下才可完成。真空系统包括真空获得设备和真空测量设备。我们采用TXX700-型箱式真空镀膜机，其真空系统由机械泵、扩散泵、电阻真空计、电离真空计组成。对真空室进行抽真空时，先用低阀和机械泵抽低真空，当真空度到5Pa时，再关闭低阀，开预阀、高阀，抽高真空至510-3Pa。截放阀是用来在关闭机械泵时平衡压力差的。电阻真空计、电离真空计是用来监测真空气压和高真空度的真空测量装备12-13。本次实验中熔料时的真空度为5.010-3Pa，蒸镀时的真空度3.010-3Pa，镀膜时的真空度维持在1.510-2 Pa4.2蒸发技术光学薄膜的制备方法包括热蒸发、溅射和离子镀，本实验采用的是电子束加热蒸发，电子束热蒸发镀膜就是将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，直接利用电子束加热，使蒸发材料气化蒸发后凝结在基板表面形成膜14。它的原理是，当金属在高温状态时，其内部的一部分电子因为获得足够的能量而逸出表面，这就是热电子发射。发射的电流密度与金属温度有下面关系：式中，是发射电流密度，是常数，对钨约为75，是金属的绝对温度，是逸出功，对钨为，是波兹曼常数。如果施加一定的电场，则电子在电场中将向阳极方向运动，电场电压越大，电子运动速度越快。若不考虑发射电子的初速度，则电子动能与它所处的电功率相等，即式中，是电子质量，是电荷量，是电子所处的电位。因此得出电子运动速度假如，则电子速度达到。这样高速运动的电子流在一定的电磁场作用下，使它聚成细束并轰击被镀材料表面，使动能变成热能，材料迅速升温而蒸发。本实验使用的是最常用的磁偏转“”形枪。这种电子枪的电子轨迹成“”字形而得名，又被称为磁偏转电子枪。它是由钨丝阴极、聚焦极、磁铁和无氧铜水冷坩埚组成。形枪可以有效的抑制二次电子，并且通过改变磁场大小，使电子束在整个材料表面进行扫描，从而避免材料“挖坑”现象。4.3离子辅助沉积技术离子辅助沉积技术(IAD)是以真空热蒸发为基础的一种辅助沉积方法。由离子源产生的荷能离子，轰击蒸发的材料，通过动量转移，使沉积粒子获得较大的动能，使沉淀粒子的迁移率得到提高，改变薄膜的生长方式，呈现出致密的柱状结构，改善薄膜性能，获得具有高折射率、强附着力和低损耗、无漂移的薄膜15。目前IAD已经成为生产高质量膜的首选方法。离子源的种类很多，本实验采用了克夫曼离子源。其原理是气体被引入到可以发射电子的热阴极放电室内，阴极周围围绕着一个圆柱形阳极，永久磁铁的磁场加在横截电子的运动方向上，以提高电离效率。阴极发射的电子碰撞气体分子并将它们电离，产生的一部分离子到达放电室的表面复合，而另一部分的离子通过屏栅形成离子束，再由加速栅引入中和器中和后直接轰击基板16-19。克夫曼离子源是一种非常有效的离子源，它的离子能量高，参数调节范围宽，而且便于直接显示，操作方便。4.4薄膜厚度监控在光学薄膜技术中，有三种厚度表示，一是膜层的物理厚度，称为几何厚度；二是膜层折射率与几何厚度的乘积为光学厚度；三是质量厚度，即膜层单位面积上的质量。光学薄膜的厚度是薄膜光学性能的主要参数之一。本实验采用石英晶体监控，它是利用石英晶体的压电效应。除了石英的几何尺寸、切割类型以外，晶体厚度也决定了它的固有频率，即式中，是石英晶体的频率常数。 为了求出镀膜时的晶体频率变化，把上式微分可得即厚度为的石英晶体厚度改变，则振动频率变化。负号表示频率随厚度增加而减少。利用式可以把石英晶体厚度增量换成膜层厚度增量，是晶体受镀面积，是膜层密度，是石英密度。整理后可得其中为石英晶体的基频，而已知那么是常数，从而建立了和之间的线性关系。 上式表明，与成正比，如果晶体的基频越高，控制灵敏度就越高，这就要求晶体的厚度应该足够小。在沉积过程中，随着膜厚的不断增加石英晶体的灵敏度不断下降，振荡器可能会停止振荡。为了保持振荡稳定和高灵敏度，晶体上的膜层镀到一定厚度需要调换或清洗。精确控制膜层厚度是制备短波通滤光片的关键20。一般，截止带高反射的要求是比较容易实现的。但是对于通带来说，因为透射率对膜层的相对厚度十分敏感，所以在制备中难以把握，即使是一个很小的误差也可能引起通带透射率发生改变。此外，匹配层是这个膜系的敏感层，其误差将引起通带波纹的变化。4.5 截止滤光片镀制工艺参数镀制过程中材料的工艺参数如表4-1所示：4-1材料镀制的工艺参数工艺参数TiO2SiO2工件转动(V)0.60.6烘烤温度()200200电子束流(mA)198-20353-68蒸发速率(nm/s)0.30.7充氧量(sccm)14.818.91013.2真空度(Pa)1.510-21.510-2本实验采用的离子源参数如表4-2所示：表4-2 离子源参数离子源参数指标参数数值屏极电压(V)280-300加速极电压(V)220阳极电压(V)50中和电流(A)15阴极束流(mA)304.6工艺流程图图4-1 工艺流程图第5章 实验测试结果及分析 本章主要讨论截止滤光片的各项测试结果，以及讨论造成实测曲线与理论曲线之间差异的原因。5.1 实验测试结果1、 用UV-3150分光光度计测试该滤光片的透射光谱曲线如图5-1所示：图5-1 最终实验测试曲线从图中可以看出，在400-600波段内，透过率大于90%，在780-1100波段内，透过率小于5%，满足技术要求。2、附着力检测，用金属硬物刻划薄膜，用胶带粘拽薄膜，均未发现被破坏的现象。3、恒温恒湿检测，沸水煮2h后，在强光下观察基片表面，用显微镜检查薄膜是否有龟裂，未发现裂痕；在水中浸泡，浸泡后薄膜的光谱曲线漂移量非常小，光谱曲线满足要求。5.2 原因分析引起实际测试曲线与理论设计曲线的差异主要因素有：1、基片表面的粗糙度，导致成膜过程中存在散射，引起测试误差的出现。2、残余蒸镀量的影响：在薄膜蒸镀的过程中，每层膜都是以关闭挡板来结束此次的蒸镀过程，但在关闭挡板之后仍会存在少量的残余蒸镀量，使薄膜的物理厚度发生变化。每层残余蒸镀量虽然很小，但其累计误差却对薄膜的光学性能产生较大影响。3、光学常数的不稳定带来的误差较大21。在薄膜光学中，用光学厚度表征膜厚。薄膜在沉积的过程中，随着厚度的增加会引起折射率的变化，薄膜的光学厚度随之改变，对薄膜光谱特性的影响非常大。本文使用的低折射率材料SiO2，在可见光区的色散较小，可以认为是一个恒定值；但是高折射率材料TiO2，在可见光区的色散的影响要明显很多，但在本文中仍是作为一个恒定常数，这将会产生误差。结论根据课题要求，采用SiO2 和TiO2 作为材料设计并制造了符合摄影镜头要求的截止滤光片。1、在设计时采用了膜堆叠加的方法展宽截止带，利用TFC软件对设计膜系进行优化。2、在镀制过程中，采用了电子束蒸发和离子辅助沉积技术，并且以调节充氧量的方法保证了真空度维持在1.510-2 Pa，以降低材料折射率的变化。3、采用双面镀膜，在另一侧镀制增透膜提高元件的透过率，使得在400600的平均透过率达到95%。4、在蒸镀过程中，因为残余蒸镀的影响导致元件的实际透过率与理论有所差异，在以后的学习中要对此进行研究找到更好的解决方法。参考文献1刘卫国. 截止滤光片通带波纹的失调修正J. 西安工业学院学报，1995，15（1）:41-442 黄伟，张云洞. 消除短波通截止滤光片半波孔的方法J. 光学仪器，1999，21（4-5）:145-1483 陈卫斌，顾培夫. 用于投影显示的分色合色膜系的消偏振设计J. 光子学报，2005，34（6）：869-8724 牟鑫，付秀华，赵燕，贾岩. 刑侦检测光学系统中干涉滤光片的设计与制备J. 光子学报， 2011，40（2）：259-262. 5 刘冬