3.2～3.8 μm和4.9～5.4 μm红外双色滤光片的研制

周 晟，王凯旋，刘定权 ，胡金超，李耀鹏，王曙光

（1. 中国科学院 上海技术物理研究所，上海 200083；2. 上海科技大学 物质科学与技术学院，上海 200031；3. 中国科学院大学，北京 100049）

1 引 言

红外感知技术在光学遥感、物联网、夜间行驶和安防等领域都有良好的现实应用和发展前景[1-3]。红外滤光片作为常用的光谱获取元件，有高度精确的光谱，易于和感光器件结合，方便应用在各种静止、移动、地面和空间使用的红外探测装置上[4-5]。实际应用环境中，可见光和红外背景干扰明显增加，加上复杂的光电环境，单波段红外成像系统常常会被干扰辐射误导，出现探测不到目标或者虚警的情况。因此，需要发展红外双色探测技术，利用目标的两个特征光谱、两个光谱的和以及两个光谱的差分等多种形式的信号，综合判断被探测目标，减少辐射干扰带来的影响，提高探测的准确性[6]。

红外双色滤光片是红外双色探测技术的核心元件[7]，是一种包含两个光谱通道的多层膜干涉滤光片，可以在任意几何点上形成两个光谱通道，并且可有效拦截工作光谱以外的光学辐射能量。它在成像时没有位置差和时间差，对高速运动目标成像具有独特优势。双色滤光片还是一种新型的无源光学元件，不需要额外的机电装置。在对于具有两种特定特征波长的探测应用中，对提高系统的集成度有非常大的优势。与滤光片阵列排布的双光谱器件相比，双色滤光片制备工艺更加单一，不会产生通道间的光线串扰问题，性能也更加稳定可靠。

在红外遥感领域，采用双色探测技术的公开报导比较少，最典型的是20世纪90年代，美国国家海洋与大气管理局在对GOES-Q卫星进行改进时，提出了一种用于中、远红外区的双色薄膜器件的方案，但没有公开显示的数据。Brian T.Sullivan等人用35层的非规整膜系完成了420～580 nm范围内的双带通滤光片的研制[8]。王懿喆提出了一种利用缓冲层和组合膜系设计双色滤光片的设计方法[9]，其设计较为复杂，需要进行等效层的替换，并且不同膜系间需要加入缓冲层匹配，入、出射介质也需要进行匹配，工艺实现难度较大。蔡渊等人基于组合Fabry-Perot膜系设计了中波红外双色滤光片[10]，但此方法设计出的双色滤光片的两个通道存在一个最近距离，该最近距离的大小受通道带宽的影响。

本文介绍了一种3.2～3.8 μm和4.9～5.4 μm波段的低温双色滤光片，其膜系基于负滤光膜系和长、短波截止膜系组合而成。膜层镀制时采用单波长的极值百分比光学监控 (POEM)方法进行膜厚控制，从而保证了膜层控制精度[11]。此外，还研究了双色滤光片在低温条件下的光谱变化情况。

2 膜系设计

双色滤光片的膜系设计通常采用两种方法来实现。第一种是以Fabry-Perot (F-P)膜系为基础结构的膜系设计[10]，这种方法是由分布在基片两侧的两个单F-P带通膜系组合而形成双色通道，其中一侧的膜系需要对另一侧的F-P通带进行增透，如图1所示。对于这种设计方法，由于两个单带通膜系彼此相互独立，故其中心波长位置和带宽可以单独确定，且两个通带的相对位置可以连续调整。但是，对于两个通道相隔较近，或者带宽较宽的情况，很难设计到令人满意的设计结果。

图1 两个单F-P带通膜系组合而成的双色滤光片Fig. 1 Dual-color filter composed of two single F-P bandpass filters

第二种是基于负滤光膜系和宽带通膜系组合而成的双色滤光片膜系设计[7,12]。基片一侧的负滤光膜系负责控制通带中间的位置和两个通道之间的带外抑制；基片另一侧的宽带通膜系负责控制通带两端的位置和通道两侧的带外抑制，如图2所示。这种设计方法需要控制的参数较多，光谱定位难度较大，但对于两个通道相隔较近，带宽较宽的情况，具有良好的设计结果。

图2 负滤光膜系和宽带通膜系组合而成的双色滤光片Fig. 2 Dual-color filter composed of a notch filter and a wide band-pass filter

本文设计的红外双色滤光片包含3.2～3.8 μm(通道1)和4.9～5.4 μm(通道2)两个通道，两个通道间隔较窄，并且通道1的通带较宽，适合第二种设计方法。由于滤光片的整体通带(3.4～5.3 μm)很宽，宽带通膜系的顶部波纹振幅很难压缩，故在设计时将短波截止(长波通)膜系融合到一侧的负滤光膜系中，另一侧的长波截止(短波通)膜系也仅优化通带范围内的顶部波纹。

2.1 负滤光膜系设计

基片材料和膜层材料选用在中波红外波段的高透明材料。基片选用单晶Ge，折射率约为4.0；高折射率膜层材料选用Ge，折射率约为4.1；低折射率薄膜材料选用ZnSe，折射率约为2.4。负滤光膜系的基本结构是(0.5HβL 0.5H) ^nL，其中，H表示光学厚度为1/4波长的Ge膜层，L表示光学厚度为1/4波长的ZnSe膜层。通过改变系数β可以调整两个通带之间的间距，也就是负滤光片的光谱宽度。通过改变周期次数n可以调整负滤光膜系的光谱陡度。

本文中，根据通道间距和陡度需求，设定β=3，n=12，则负滤光膜系的初始结构为(0.5H 3L 0.5H) ^12 L，给定目标值，同时设置通带内(3.2～3.8 μm和4.9～5.4 μm)高透、通道间(4.0～4.7 μm)截止和短波侧(＜3.0 μm)截止，再进行全局和插值优化，得到如下膜系结构：

Sub丨0.100H 6.197L 1.216H 3.712L 0.671H 1.518L 1.669H 2.775L 2.304H 1.588L 1.570H 3.781L 0.181H 2.198L 1.788H 1.813L 2.392H 2.699L 1.759H 1.073L 0.968H 5.256L丨Air。

其中，设计波长λ1=2 200 nm，Sub表示基片(单晶Ge)，Air表示入射介质(空气)，优化后的负滤光膜设计曲线如图3所示，没有考虑减少Ge基片的背面反射。

图3 设计的含有短波截止膜系的负滤光膜系透射曲线Fig. 3 Transmittance curve of notch filter films with longpass filter

在负滤光膜系中，各层薄膜的厚度误差对光谱的影响程度不同。膜层沉积过程中产生的误差并不会因为膜层的厚薄有很大的区别，所以采用光学厚度的绝对误差评估膜厚对光谱的影响较为合理。为了使不同膜层的厚度误差对光谱的影响程度对比更为明显，采用0.1 qw(1/4波长)的光学厚度误差对负滤光膜系两侧通带的顶部波纹振幅进行了误差分析，如图4（彩图见期刊电子版）所示。

图4 负滤光膜系各层薄膜在0.1 qw（1/4波长）光学厚度误差时顶部波纹振幅的变化Fig. 4 The top ripple amplitude variation of each layer of a notch filter when the optical thickness error is 0.1 qw (1/4 wavelength)

图4中横坐标对应第N层膜，纵坐标对应第N层膜的膜厚误差所造成的顶部波纹振幅的变化量。从图4中可以看到，第13层的膜厚误差对通道1的光谱影响最大，第19层的厚膜误差对通道2的影响最大。相对而言，通道1的灵敏度更高一些，这是由于通道1的带宽更宽，并且在负滤光膜系中融合了短波截止膜系的缘故。

2.2 长波截止膜系设计

长波截止膜系是一种常见的光学膜系结构，可以采用经典的设计方法[13]。设置初始膜系结构为(0.5L H 0.5L)^10，高折射率膜层H选用Ge材料，低折射率膜层选用ZnSe材料。

为了得到更为平坦的透射带，该截止膜系仅优化通带范围内的顶部波纹，优化后的膜系结构如下：

Sub丨0.178L 3.288H 2.978L 2.891H 2.377L 2.364H 2.297L 2.649H 2.916L 2.502H 1.908L 2.104H 2.144L 3.484H 2.558L 1.621H 1.876L 2.533H 3.608L 1.053H 1.490L丨Air。

设计波长λ2=2 650 nm，优化后的长波截止膜系的透射光谱曲线如图5所示，此设计没有考虑减少Ge基片背面的反射。

图5 设计的长波截止膜系透射光谱曲线Fig. 5 Transmittance curve of the designed short-pass filter

负滤光膜系和长波截止膜系组合后得到双色滤光片，其透射光谱曲线如图6所示。

图6 设计的双色滤光片透射光谱曲线Fig. 6 Transmittance curve of the designed dual-color filter

3 滤光薄膜制备

薄膜制备采用蒸发沉积的方式在高真空条件下实现。镀膜设备是德国布勒莱宝光学(Buhler Leybold Optics)公司生产的ARES1110型镀膜机，光控型号为OMS5000，波长控制范围为400～2 400 nm。Ge薄膜沉积采用电子束蒸发沉积技术，ZnSe薄膜采用电阻热蒸发沉积技术。在膜层生长过程中，基片沉积温度保持在（150±10）℃内。为提高膜层与基板的结合力，镀膜前用离子源对Ge基片表面进行离子束轰击，以清除表面的残余污染，激活表面原子活性。薄膜沉积生长的工艺参数见表1。

表1 Ge和ZnSe薄膜沉积工艺参数Tab. 1 Deposition parameters of the Ge and ZnSe films

负滤光膜系和长波截止膜系的结构都比较复杂，采取了全非规整层的设计，敏感膜层较多。镀膜过程中采用直接光学监控方式，原位测量镀膜过程中测试片，即产品的透射率。使用德国布勒莱宝公司编写的MCalc软件设计膜厚监控曲线，采用单波长的光学极值百分比监控策略(POEM)控制膜层的厚度。

负滤光膜系的监控波长选用2 110 nm，监控设计曲线如图7（彩图见期刊电子版）所示。

图7 负滤光膜系的单波长（2 110 nm）直接监控设计曲线Fig. 7 Designed curve of 2 110 nm single-wavelength direct monitoring of the notch filter

图7中蓝色曲线和绿色曲线分别表示Ge膜层和ZnSe膜层在2 110 nm监控波长下透过率随光学膜厚的变化情况。在监控波长选择时，需要确保任一膜层的监控停止位不能距离下一个极值点太近，如保持(Tmax−Tmin)×4%以上距离，这样可以较为精确地监控每一层薄膜的光学厚度。

与负滤光膜系的情况类似，长波截止膜系的监控波长选用2 026 nm，监控设计曲线如图8（彩图见期刊电子版）所示。

图8 长波截止膜的单波长（2 026 nm）直接监控设计曲线Fig. 8 Designed curve of 2 026 nm single-wavelength direct monitoring of the short-pass filter

4 测量与讨论

4.1 光谱测量

使用美国Perkin-Elmer公司生产的Spectrum GX型傅立叶红外光谱仪分别对单面镀制的负滤光膜、长波截止膜和完整的双色滤光片进行透射光谱测量，测量结果如图9、图10所示。

图9 Ge片上单面镀制的负滤光膜和长波截止膜的测量光谱Fig. 9 Measured spectra of the notch filter and the shortpass filter coatings both on one side of Ge substrate

图10 双色滤光片测量光谱Fig. 10 Measured spectrum of the dual-color filter

从测试结果可以看到，负滤光膜短波透射区的顶部波纹略差于设计效果。这是由于短波侧的通带范围较宽，膜系中的敏感膜层较多，故每一层膜厚的轻微误差都会导致顶部波纹振幅变大，这是各层综合误差累加后产生的结果，在整个膜系的研制过程中难以避免[14]。

负滤光膜的长波透射区和长波截止膜都达到了设计效果，这得益于采用了直接光学监控方法和POEM监控方式。间接监控等方式由于镀膜过程中膜料减少，监控片与实际滤光片样品上膜厚的Tooling值（相对比例值）将发生改变[15]，这个动态改变会产生监控误差，而直接光学监控方法可以直接测量滤光片膜层光学厚度的变化。单波长POEM监控方式有两个好处：一是避免了单色仪切换波长造成的监控误差；二是在极值点附近，监控曲线的变化速率缓慢，控制误差较大，而非极值点位置监控曲线的变化速率较快，通过计算机辅助计算和监控策略设计，可以得到较为精确的膜厚控制效果。

4.2 低温光谱特性

本文中的双色滤光片的工作温度为100 K，故需要测量滤光片的低温光谱。测量时将样品安装在样品台上并放置在透光的低温杜瓦中，杜瓦放置于光谱仪的光路中，光线垂直透过样品，样品台放置在真空环境中，并将温度控制在（100±0.5）K范围。测量得到的双色滤光片常温和低温透射光谱，见图11。

从测试结果可以看到，双色滤光片在100 K低温条件下，通道1 (3.2～3.8 μm)的平均透射率为94.2%，通道2 (4.9～5.4 μm)的平均透过率为96.5%。在通道间(4.0～4.7 μm)的截止区，平均透过率控制在0.16%以内。两个通带的边缘陡度g=∣λ0.8−λ0.1∣/λ0.5和顶部波纹振幅△=Tmax−Tmin的数值见表2。

图11 双色滤光片在300 K和100 K温度下的透射光谱Fig. 11 Spectra of dual-color filter at 300 K and 100 K temperatures

表2 两个通带的边缘陡度和顶部波纹振幅Tab. 2 Edge steepness and top ripple amplitudes of the two channels

随着温度的降低，双色滤光片的透射光谱曲线向短波方向移动。两个通带半功率点位置的变化情况如表3所示。

表3 温度由300 K变化至100 K时两个通带半峰波长位置的移动情况Tab. 3 Half-peak wavelength point shift of the two channels when the temperature changes from 300 K to 100 K (nm)

滤光片的低温光谱较常温光谱向短波方向移动，光谱形状未发生明显变化。低温光谱向短波方向移动的因素包括膜层的折射率、基片和膜层的线膨胀系数、材料的泊松比、膜层的聚集密度等[16-18]。其中，线膨胀系数在低温下会使膜层的物理厚度d减小，从而降低膜层的光学厚度nd，使光谱向短波方向移动。实际上，物理厚度d的变化量非常小，与折射率引起的变化量相比为非主要因素[19]。光谱向短波方向移动的主要原因是Ge膜层和ZnSe膜层的折射率n随温度T发生改变。图12和图13分别是蓝宝石基片上单层Ge薄膜和单层ZnSe薄膜的常温和低温透射光谱。

图12 300 K和100 K温度下，Ge单层膜的透射光谱Fig. 12 Transmittance spectra of the Ge single film on Al2O3 at 300 K and 100 K temperatures

图13 300 K和100 K温度下，ZnSe单层膜的透射光谱Fig. 13 Transmittance spectra of ZnSe single film on Al2O3 at 300 K and 100 K temperatures

从图12和图13可以看出，Ge膜层和ZnSe膜层的光学厚度nd值在低温下变小。由于物理厚度d的变化量很小，可以忽略不计，因此，Ge膜层和ZnSe膜层的折射率n会随温度降低而减小。使用美国SCI公司商用的FilmWizard软件对材料的光学常数进行拟合。拟合时采用Cauchy模型，通过调整变量，使拟合曲线无限接近透射率测量曲线。图14和图15分别给出了Ge和ZnSe单层膜在300 K和100 K温度下的折射率色散曲线。由于这种变化具有确定性，在膜系设计和滤光片制备时，可以根据实际需要提前向长波方向预置漂移量。

图14 300 K和100 K温度下，Ge单层膜的折射率色散曲线Fig. 14 Refractive index dispersion curves of the Ge single film on Al2O3 at 300 K and 100 K temperatures

图15 300 K和100 K温度下，ZnSe单层膜的折射率色散曲线Fig. 15 Refractive index dispersion curves of ZnSe single film on Al2O3 at 300 K and 100 K temperatures

5 结 论

通过对双色滤光片两种设计方法的分析，结合红外双色滤光片的光谱特性，选用Ge和ZnSe分别作为高低折射率膜层，在Ge基片的两面分别设计了负滤光膜系和长波截止膜系，组合形成了 包 含3.2～3.8 μm(通 道1)和4.9～5.4 μm(通 道2)两个通道的双色滤光片。采用直接光学监控法结合单波长的光学极值百分比监控方式(POEM)控制膜层厚度。以电子束和电阻热蒸发的方式，分别完成了Ge和ZnSe多层膜制备。在300 K和100 K温度下分别测量了双色滤光片的透射光谱。测试结果显示，在低温情况下双色滤光片的光谱向短波方向移动，产生漂移的主要原因是Ge膜层和ZnSe膜层的折射率在低温下变小。双色滤光片通道1的平均透射率为94.2%，顶部波纹振幅为5.7%，左右两侧边缘陡度分别为3.5%和2.1%；通道2的平均透射率为96.5%，顶部波纹振幅为0.6%，左右两侧边缘陡度分别为2.6%和2.2%。在两个通道之间(4.0～4.7 μm)的截止区域内，平均透射率小于0.16%。该红外双色滤光片具有良好的光学稳定性，有利于高速运动目标的识别。