指纹仪系统宽截止短波通滤光片的研制

于玥，付秀华，孟嘉译

(长春理工大学 光电工程学院，长春 130022)

短波通滤光片作为一种重要的光学元件，被广泛的应用于数码影像、生物医疗、指纹识别、卫星通讯等领域，其特性是让某一波段范围内的光透过，而让另一波段范围内的光截止。针对滤光片在指纹仪系统中的应用，选取 TiO2和 SiO2两种材料进行膜系设计和制备，研制过程中解决如下几个难点：(1)采用常规膜系和材料得到的截止带宽度达不到使用要求，因而在设计上必须展宽截止带。(2)由于常规膜系在通带内存在着较大的波纹，因而要对波纹进行压缩提高透过率。(3)本文采用的是石英晶体振荡法控制膜层厚度，因此要精确测定折射率n，从而确定晶控中的mastertooling值[1]，减少厚度误差。(4)TiO2材料存在着吸收，影响膜层的透射率和反射率，因此如何减小吸收也是本文要考虑的问题。

1 膜料的选择和截止带宽度的计算

L代表低折射率层，H代表高折射率层，它是一个周期性对称膜系。由等效折射率理论可知[2]，截止带的边界由1= 1确定。其中

由(1)式计算出对称膜系的截止带的宽度表达式为：

由(2)式可知，截止带宽度取决于膜料折射率之比，因此选择介质薄膜材料时除了要考虑透明度、应力、机械牢固度等方面的性质，还要考虑折射率，即尽可能选择折射率差值大的两种材料。常用的高折射率材料有TiO2、Ti2O3、Ta2O5、ZrO2等，其中 TiO2的折射率较高，在波长 550nm处约为2.3，透明区为380nm~12m，蒸发稳定，机械性能好，在潮湿的环境中也不易腐蚀，所以高折射率材料选择 TiO2；常用的低折射率材料有 MgF2和SiO2，考虑 MgF2折射率偏低，应力大，层数多时容易掉膜，而SiO2的折射率约为1.46，应力小，无吸收，膜层牢固，耐磨，所以选择SiO2作为低折射率材料。

根据使用要求，截止带要达到330nm，必须展宽截止带。

2 镀膜材料折射率色散分布

材料折射率n并不是一个定值，它随控制波长及工艺参数的变化而变化[3]，所以在进行膜系设计和膜层制备之前，首先要精确测定材料的折射率n。由于 SiO2比较稳定，折射率变化不大，只考虑TiO2的折射率色散分布。在K9基底上镀3个极值的TiO2，其中控制波长为550nm，将实测数据输入薄膜软件模拟出TiO2材料的折射率值如表1所示。

3 截止带的展宽和通带波纹的压缩

采用两个反射膜堆叠加的方法展宽截止带，虽然增加滤光片的层数能使波纹更加平稳，但层数太多一方面会使监控时的厚度累积误差增大，另一方面会使膜层的牢固度和附着力下降。基于以上考虑，最终确定的基础膜系为G|(HL)^9(1.2H1.2L)^7 1.2H|A，其中H代表TiO2，L代表SiO2，其光学厚度均为/4，G代表基底，A代表空气，中心波长为650nm。膜系的理论光谱曲线如图1所示。

表1 400～900nm波段TiO2折射率值Tab.1 The refractive index of TiO2for ranges of 400～900nm

图1 膜系的理论光谱曲线Fig.1 The theory spectrum curve of the film

由图1可以看出截止带宽基本满足设计要求，只是曲线中380nm～550nm的通带出现了比较大的波纹，这是多层膜的等效折射率与基底和入射介质匹配不好造成的[4]，要压缩波纹可以在多层膜的两侧加镀匹配层，使其同基片以及入射介质相匹配，相当于在通带内形成一个增透膜。这里利用薄膜软件对膜系进行优化，最终得到满足使用要求的非规整膜系S|1.109H 1.030L 1.001H 0.963L 0.993H 0.933L 0.989H 0.934L 0.990H 0.917L 1.021H 0.855L 1.057H 0.871L 1.044H 0.917L 1.035H 1.046L 1.197H 1.433L 1.184H 1.181L 1.096H 1.330L 1.234H 1.240L 1.033H1.201L1.173H1.355L|A。膜系的理论光谱曲线如图2所示。

4 薄膜的制备

实际制备过程中，由于薄膜的沉积速率、基片温度等会影响薄膜的光谱特性，所以必须进行多次镀膜实验，优化工艺参数。

图2 优化后的膜系光谱曲线Fig.2 The optimized spectrum curve of the film

采用成都天星生产的TXX700-Ⅱ型箱式真空镀膜机进行镀膜，该设备配有光学膜厚控制仪(光控)和IC/5石英晶体膜厚控制仪(晶控)，光控法适合控制光学厚度为1/4波长整数倍的膜层，而晶控法可以控制任意厚度的膜层[5]，由于优化后的膜系为非周期膜系，所以采用晶控控制膜层的厚度。由于基片和晶控片位置不同，所以二者厚度必然存在差异，而通带波纹对膜层相对厚度十分敏感，很小的误差都会引起通带透射率的变化[6]，因此为了精确控制膜层的厚度，必须调整晶控仪中的master tooling值使显示厚度等于膜层的实际厚度，其中：

修正tooling值依据的是物理厚度d，而膜系设计时使用的是光学厚度nd，所以前面测折射率n值对于准确修正晶控tooling值是十分必要的。

考虑二氧化钛蒸发速率过高时易失氧、易喷溅，所以适当降低沉积速率，在真空室压强为3×103Pa时对真空室充氧，当充氧量为1.0×102Pa，基片温度为300℃时，以0.3nm/s的沉积速率进行沉积，沉积后用高倍显微镜观察薄膜，发现膜层表面有喷点且光谱曲线透射区偏低，考虑有可能是吸收引起的。为了避免这种现象，降低沉积速率，保持其它参数不变，以0.2nm/s的沉积速率进行沉积，沉积后同样用显微镜观察，结果此种方法制备出的膜层表面光滑、具有高的表面质量。

确定沉积速率之后，还需进行多次实验计算出材料的master tooling值，由公式(3)计算出二氧化钛材料的master tooling值为108%。

由于二氧化硅蒸发过程中较稳定且沉积速率对膜层性能的影响不大，故以0.6nm/s的沉积速率进行沉积，采用同样方法计算出二氧化硅材料的master tooling值为90%。

为防止基片炸裂，镀膜完成后恒温30分钟再降温，当温度降低到室温时在放气，取出样品。

5 实验结果

利用日本岛津UV-3150分光光度计对制备出的薄膜进行光谱测试，测得曲线如图3所示。

图3 样品的实测光谱曲线Fig.3 The measured spectrum curve of the film

经测试，所镀膜层在380～550nm波段平均透射率达到91%，570～900nm的平均反射率达到99.2%，并且在光学性能和稳定性方面都满足使用要求。

6 结束语

本文采用两个中心波长不同的多层膜叠加的方法设计膜系，有效的展宽了短波通滤光片的截止带宽，通过膜系优化压缩了通带波纹，通过调整工艺参数减少了TiO2的吸收，最终制备出的滤光片满足使用要求。如何进一步使通带曲线变平滑，将成为我们今后研究的重点。

[1]缪毅强，毛书正，罗琦琨.宽带增透反射光谱的理论与实测偏差的修正[J].红外与毫米波学报，2001，12(20)：429-432.

[2]黄心耕，卢小实，高修涛.地球敏感器红外带通滤光片膜系设计及其研制[J].航天控制，1996，3(9)：30-39.

[3]钟迪生.光学材料的选择与应用[M].沈阳：辽宁大学出版社，2001：252-256.

[4]顾培夫.薄膜技术[M].杭州：浙江大学出版社，1990：176.

[5]郑伟涛.薄膜材料与薄膜技术[M].北京：化学工业出版社，2004.186-189.

[6]赵兴梅，施建涛，郭鸿香.短波通滤光片膜系设计[J].应用光学，2006，9(12)：415-418.