指紋儀系統寬截止短波通濾光片的研制

于玥，付秀華，孟嘉譯

(長春理工大學 光電工程學院，長春 130022)

短波通濾光片作為一種重要的光學元件，被廣泛的應用于數碼影像、生物醫療、指紋識別、衛星通訊等領域，其特性是讓某一波段范圍內的光透過，而讓另一波段范圍內的光截止。針對濾光片在指紋儀系統中的應用，選取 TiO2和 SiO2兩種材料進行膜系設計和制備，研制過程中解決如下幾個難點：(1)采用常規膜系和材料得到的截止帶寬度達不到使用要求，因而在設計上必須展寬截止帶。(2)由于常規膜系在通帶內存在著較大的波紋，因而要對波紋進行壓縮提高透過率。(3)本文采用的是石英晶體振蕩法控制膜層厚度，因此要精確測定折射率n，從而確定晶控中的mastertooling值[1]，減少厚度誤差。(4)TiO2材料存在著吸收，影響膜層的透射率和反射率，因此如何減小吸收也是本文要考慮的問題。

1 膜料的選擇和截止帶寬度的計算

L代表低折射率層，H代表高折射率層，它是一個周期性對稱膜系。由等效折射率理論可知[2]，截止帶的邊界由1= 1確定。其中

由(1)式計算出對稱膜系的截止帶的寬度表達式為：

由(2)式可知，截止帶寬度取決于膜料折射率之比，因此選擇介質薄膜材料時除了要考慮透明度、應力、機械牢固度等方面的性質，還要考慮折射率，即盡可能選擇折射率差值大的兩種材料。常用的高折射率材料有TiO2、Ti2O3、Ta2O5、ZrO2等，其中 TiO2的折射率較高，在波長 550nm處約為2.3，透明區為380nm~12m，蒸發穩定，機械性能好，在潮濕的環境中也不易腐蝕，所以高折射率材料選擇 TiO2；常用的低折射率材料有 MgF2和SiO2，考慮 MgF2折射率偏低，應力大，層數多時容易掉膜，而SiO2的折射率約為1.46，應力小，無吸收，膜層牢固，耐磨，所以選擇SiO2作為低折射率材料。

根據使用要求，截止帶要達到330nm，必須展寬截止帶。

2 鍍膜材料折射率色散分布

材料折射率n并不是一個定值，它隨控制波長及工藝參數的變化而變化[3]，所以在進行膜系設計和膜層制備之前，首先要精確測定材料的折射率n。由于 SiO2比較穩定，折射率變化不大，只考慮TiO2的折射率色散分布。在K9基底上鍍3個極值的TiO2，其中控制波長為550nm，將實測數據輸入薄膜軟件模擬出TiO2材料的折射率值如表1所示。

3 截止帶的展寬和通帶波紋的壓縮

采用兩個反射膜堆疊加的方法展寬截止帶，雖然增加濾光片的層數能使波紋更加平穩，但層數太多一方面會使監控時的厚度累積誤差增大，另一方面會使膜層的牢固度和附著力下降。基于以上考慮，最終確定的基礎膜系為G|(HL)^9(1.2H1.2L)^7 1.2H|A，其中H代表TiO2，L代表SiO2，其光學厚度均為/4，G代表基底，A代表空氣，中心波長為650nm。膜系的理論光譜曲線如圖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

圖1 膜系的理論光譜曲線Fig.1 The theory spectrum curve of the film

由圖1可以看出截止帶寬基本滿足設計要求，只是曲線中380nm～550nm的通帶出現了比較大的波紋，這是多層膜的等效折射率與基底和入射介質匹配不好造成的[4]，要壓縮波紋可以在多層膜的兩側加鍍匹配層，使其同基片以及入射介質相匹配，相當于在通帶內形成一個增透膜。這里利用薄膜軟件對膜系進行優化，最終得到滿足使用要求的非規整膜系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。膜系的理論光譜曲線如圖2所示。

4 薄膜的制備

實際制備過程中，由于薄膜的沉積速率、基片溫度等會影響薄膜的光譜特性，所以必須進行多次鍍膜實驗，優化工藝參數。

圖2 優化后的膜系光譜曲線Fig.2 The optimized spectrum curve of the film

采用成都天星生產的TXX700-Ⅱ型箱式真空鍍膜機進行鍍膜，該設備配有光學膜厚控制儀(光控)和IC/5石英晶體膜厚控制儀(晶控)，光控法適合控制光學厚度為1/4波長整數倍的膜層，而晶控法可以控制任意厚度的膜層[5]，由于優化后的膜系為非周期膜系，所以采用晶控控制膜層的厚度。由于基片和晶控片位置不同，所以二者厚度必然存在差異，而通帶波紋對膜層相對厚度十分敏感，很小的誤差都會引起通帶透射率的變化[6]，因此為了精確控制膜層的厚度，必須調整晶控儀中的master tooling值使顯示厚度等于膜層的實際厚度，其中：

修正tooling值依據的是物理厚度d，而膜系設計時使用的是光學厚度nd，所以前面測折射率n值對于準確修正晶控tooling值是十分必要的。

考慮二氧化鈦蒸發速率過高時易失氧、易噴濺，所以適當降低沉積速率，在真空室壓強為3×103Pa時對真空室充氧，當充氧量為1.0×102Pa，基片溫度為300℃時，以0.3nm/s的沉積速率進行沉積，沉積后用高倍顯微鏡觀察薄膜，發現膜層表面有噴點且光譜曲線透射區偏低，考慮有可能是吸收引起的。為了避免這種現象，降低沉積速率，保持其它參數不變，以0.2nm/s的沉積速率進行沉積，沉積后同樣用顯微鏡觀察，結果此種方法制備出的膜層表面光滑、具有高的表面質量。

確定沉積速率之后，還需進行多次實驗計算出材料的master tooling值，由公式(3)計算出二氧化鈦材料的master tooling值為108%。

由于二氧化硅蒸發過程中較穩定且沉積速率對膜層性能的影響不大，故以0.6nm/s的沉積速率進行沉積，采用同樣方法計算出二氧化硅材料的master tooling值為90%。

為防止基片炸裂，鍍膜完成后恒溫30分鐘再降溫，當溫度降低到室溫時在放氣，取出樣品。

5 實驗結果

利用日本島津UV-3150分光光度計對制備出的薄膜進行光譜測試，測得曲線如圖3所示。

圖3 樣品的實測光譜曲線Fig.3 The measured spectrum curve of the film

經測試，所鍍膜層在380～550nm波段平均透射率達到91%，570～900nm的平均反射率達到99.2%，并且在光學性能和穩定性方面都滿足使用要求。

6 結束語

本文采用兩個中心波長不同的多層膜疊加的方法設計膜系，有效的展寬了短波通濾光片的截止帶寬，通過膜系優化壓縮了通帶波紋，通過調整工藝參數減少了TiO2的吸收，最終制備出的濾光片滿足使用要求。如何進一步使通帶曲線變平滑，將成為我們今后研究的重點。

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