3.2～3.8 μm和4.9～5.4 μm紅外雙色濾光片的研制

周 晟，王凱旋，劉定權 ，胡金超，李耀鵬，王曙光

（1. 中國科學院 上海技術物理研究所，上海 200083；2. 上海科技大學 物質科學與技術學院，上海 200031；3. 中國科學院大學，北京 100049）

1 引 言

紅外感知技術在光學遙感、物聯網、夜間行駛和安防等領域都有良好的現實應用和發展前景[1-3]。紅外濾光片作為常用的光譜獲取元件，有高度精確的光譜，易于和感光器件結合，方便應用在各種靜止、移動、地面和空間使用的紅外探測裝置上[4-5]。實際應用環境中，可見光和紅外背景干擾明顯增加，加上復雜的光電環境，單波段紅外成像系統常常會被干擾輻射誤導，出現探測不到目標或者虛警的情況。因此，需要發展紅外雙色探測技術，利用目標的兩個特征光譜、兩個光譜的和以及兩個光譜的差分等多種形式的信號，綜合判斷被探測目標，減少輻射干擾帶來的影響，提高探測的準確性[6]。

紅外雙色濾光片是紅外雙色探測技術的核心元件[7]，是一種包含兩個光譜通道的多層膜干涉濾光片，可以在任意幾何點上形成兩個光譜通道，并且可有效攔截工作光譜以外的光學輻射能量。它在成像時沒有位置差和時間差，對高速運動目標成像具有獨特優勢。雙色濾光片還是一種新型的無源光學元件，不需要額外的機電裝置。在對于具有兩種特定特征波長的探測應用中，對提高系統的集成度有非常大的優勢。與濾光片陣列排布的雙光譜器件相比，雙色濾光片制備工藝更加單一，不會產生通道間的光線串擾問題，性能也更加穩定可靠。

在紅外遙感領域，采用雙色探測技術的公開報導比較少，最典型的是20世紀90年代，美國國家海洋與大氣管理局在對GOES-Q衛星進行改進時，提出了一種用于中、遠紅外區的雙色薄膜器件的方案，但沒有公開顯示的數據。Brian T.Sullivan等人用35層的非規整膜系完成了420～580 nm范圍內的雙帶通濾光片的研制[8]。王懿喆提出了一種利用緩沖層和組合膜系設計雙色濾光片的設計方法[9]，其設計較為復雜，需要進行等效層的替換，并且不同膜系間需要加入緩沖層匹配，入、出射介質也需要進行匹配，工藝實現難度較大。蔡淵等人基于組合Fabry-Perot膜系設計了中波紅外雙色濾光片[10]，但此方法設計出的雙色濾光片的兩個通道存在一個最近距離，該最近距離的大小受通道帶寬的影響。

本文介紹了一種3.2～3.8 μm和4.9～5.4 μm波段的低溫雙色濾光片，其膜系基于負濾光膜系和長、短波截止膜系組合而成。膜層鍍制時采用單波長的極值百分比光學監控 (POEM)方法進行膜厚控制，從而保證了膜層控制精度[11]。此外，還研究了雙色濾光片在低溫條件下的光譜變化情況。

2 膜系設計

雙色濾光片的膜系設計通常采用兩種方法來實現。第一種是以Fabry-Perot (F-P)膜系為基礎結構的膜系設計[10]，這種方法是由分布在基片兩側的兩個單F-P帶通膜系組合而形成雙色通道，其中一側的膜系需要對另一側的F-P通帶進行增透，如圖1所示。對于這種設計方法，由于兩個單帶通膜系彼此相互獨立，故其中心波長位置和帶寬可以單獨確定，且兩個通帶的相對位置可以連續調整。但是，對于兩個通道相隔較近，或者帶寬較寬的情況，很難設計到令人滿意的設計結果。

圖1 兩個單F-P帶通膜系組合而成的雙色濾光片Fig. 1 Dual-color filter composed of two single F-P bandpass filters

第二種是基于負濾光膜系和寬帶通膜系組合而成的雙色濾光片膜系設計[7,12]。基片一側的負濾光膜系負責控制通帶中間的位置和兩個通道之間的帶外抑制；基片另一側的寬帶通膜系負責控制通帶兩端的位置和通道兩側的帶外抑制，如圖2所示。這種設計方法需要控制的參數較多，光譜定位難度較大，但對于兩個通道相隔較近，帶寬較寬的情況，具有良好的設計結果。

圖2 負濾光膜系和寬帶通膜系組合而成的雙色濾光片Fig. 2 Dual-color filter composed of a notch filter and a wide band-pass filter

本文設計的紅外雙色濾光片包含3.2～3.8 μm(通道1)和4.9～5.4 μm(通道2)兩個通道，兩個通道間隔較窄，并且通道1的通帶較寬，適合第二種設計方法。由于濾光片的整體通帶(3.4～5.3 μm)很寬，寬帶通膜系的頂部波紋振幅很難壓縮，故在設計時將短波截止(長波通)膜系融合到一側的負濾光膜系中，另一側的長波截止(短波通)膜系也僅優化通帶范圍內的頂部波紋。

2.1 負濾光膜系設計

基片材料和膜層材料選用在中波紅外波段的高透明材料。基片選用單晶Ge，折射率約為4.0；高折射率膜層材料選用Ge，折射率約為4.1；低折射率薄膜材料選用ZnSe，折射率約為2.4。負濾光膜系的基本結構是(0.5HβL 0.5H) ^nL，其中，H表示光學厚度為1/4波長的Ge膜層，L表示光學厚度為1/4波長的ZnSe膜層。通過改變系數β可以調整兩個通帶之間的間距，也就是負濾光片的光譜寬度。通過改變周期次數n可以調整負濾光膜系的光譜陡度。

本文中，根據通道間距和陡度需求，設定β=3，n=12，則負濾光膜系的初始結構為(0.5H 3L 0.5H) ^12 L，給定目標值，同時設置通帶內(3.2～3.8 μm和4.9～5.4 μm)高透、通道間(4.0～4.7 μm)截止和短波側(＜3.0 μm)截止，再進行全局和插值優化，得到如下膜系結構：

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，設計波長λ1=2 200 nm，Sub表示基片(單晶Ge)，Air表示入射介質(空氣)，優化后的負濾光膜設計曲線如圖3所示，沒有考慮減少Ge基片的背面反射。

圖3 設計的含有短波截止膜系的負濾光膜系透射曲線Fig. 3 Transmittance curve of notch filter films with longpass filter

在負濾光膜系中，各層薄膜的厚度誤差對光譜的影響程度不同。膜層沉積過程中產生的誤差并不會因為膜層的厚薄有很大的區別，所以采用光學厚度的絕對誤差評估膜厚對光譜的影響較為合理。為了使不同膜層的厚度誤差對光譜的影響程度對比更為明顯，采用0.1 qw(1/4波長)的光學厚度誤差對負濾光膜系兩側通帶的頂部波紋振幅進行了誤差分析，如圖4（彩圖見期刊電子版）所示。

圖4 負濾光膜系各層薄膜在0.1 qw（1/4波長）光學厚度誤差時頂部波紋振幅的變化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)

圖4中橫坐標對應第N層膜，縱坐標對應第N層膜的膜厚誤差所造成的頂部波紋振幅的變化量。從圖4中可以看到，第13層的膜厚誤差對通道1的光譜影響最大，第19層的厚膜誤差對通道2的影響最大。相對而言，通道1的靈敏度更高一些，這是由于通道1的帶寬更寬，并且在負濾光膜系中融合了短波截止膜系的緣故。

2.2 長波截止膜系設計

長波截止膜系是一種常見的光學膜系結構，可以采用經典的設計方法[13]。設置初始膜系結構為(0.5L H 0.5L)^10，高折射率膜層H選用Ge材料，低折射率膜層選用ZnSe材料。

為了得到更為平坦的透射帶，該截止膜系僅優化通帶范圍內的頂部波紋，優化后的膜系結構如下：

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。

設計波長λ2=2 650 nm，優化后的長波截止膜系的透射光譜曲線如圖5所示，此設計沒有考慮減少Ge基片背面的反射。

圖5 設計的長波截止膜系透射光譜曲線Fig. 5 Transmittance curve of the designed short-pass filter

負濾光膜系和長波截止膜系組合后得到雙色濾光片，其透射光譜曲線如圖6所示。

圖6 設計的雙色濾光片透射光譜曲線Fig. 6 Transmittance curve of the designed dual-color filter

3 濾光薄膜制備

薄膜制備采用蒸發沉積的方式在高真空條件下實現。鍍膜設備是德國布勒萊寶光學(Buhler Leybold Optics)公司生產的ARES1110型鍍膜機，光控型號為OMS5000，波長控制范圍為400～2 400 nm。Ge薄膜沉積采用電子束蒸發沉積技術，ZnSe薄膜采用電阻熱蒸發沉積技術。在膜層生長過程中，基片沉積溫度保持在（150±10）℃內。為提高膜層與基板的結合力，鍍膜前用離子源對Ge基片表面進行離子束轟擊，以清除表面的殘余污染，激活表面原子活性。薄膜沉積生長的工藝參數見表1。

表1 Ge和ZnSe薄膜沉積工藝參數Tab. 1 Deposition parameters of the Ge and ZnSe films

負濾光膜系和長波截止膜系的結構都比較復雜，采取了全非規整層的設計，敏感膜層較多。鍍膜過程中采用直接光學監控方式，原位測量鍍膜過程中測試片，即產品的透射率。使用德國布勒萊寶公司編寫的MCalc軟件設計膜厚監控曲線，采用單波長的光學極值百分比監控策略(POEM)控制膜層的厚度。

負濾光膜系的監控波長選用2 110 nm，監控設計曲線如圖7（彩圖見期刊電子版）所示。

圖7 負濾光膜系的單波長（2 110 nm）直接監控設計曲線Fig. 7 Designed curve of 2 110 nm single-wavelength direct monitoring of the notch filter

圖7中藍色曲線和綠色曲線分別表示Ge膜層和ZnSe膜層在2 110 nm監控波長下透過率隨光學膜厚的變化情況。在監控波長選擇時，需要確保任一膜層的監控停止位不能距離下一個極值點太近，如保持(Tmax?Tmin)×4%以上距離，這樣可以較為精確地監控每一層薄膜的光學厚度。

與負濾光膜系的情況類似，長波截止膜系的監控波長選用2 026 nm，監控設計曲線如圖8（彩圖見期刊電子版）所示。

圖8 長波截止膜的單波長（2 026 nm）直接監控設計曲線Fig. 8 Designed curve of 2 026 nm single-wavelength direct monitoring of the short-pass filter

4 測量與討論

4.1 光譜測量

使用美國Perkin-Elmer公司生產的Spectrum GX型傅立葉紅外光譜儀分別對單面鍍制的負濾光膜、長波截止膜和完整的雙色濾光片進行透射光譜測量，測量結果如圖9、圖10所示。

圖9 Ge片上單面鍍制的負濾光膜和長波截止膜的測量光譜Fig. 9 Measured spectra of the notch filter and the shortpass filter coatings both on one side of Ge substrate

圖10 雙色濾光片測量光譜Fig. 10 Measured spectrum of the dual-color filter

從測試結果可以看到，負濾光膜短波透射區的頂部波紋略差于設計效果。這是由于短波側的通帶范圍較寬，膜系中的敏感膜層較多，故每一層膜厚的輕微誤差都會導致頂部波紋振幅變大，這是各層綜合誤差累加后產生的結果，在整個膜系的研制過程中難以避免[14]。

負濾光膜的長波透射區和長波截止膜都達到了設計效果，這得益于采用了直接光學監控方法和POEM監控方式。間接監控等方式由于鍍膜過程中膜料減少，監控片與實際濾光片樣品上膜厚的Tooling值（相對比例值）將發生改變[15]，這個動態改變會產生監控誤差，而直接光學監控方法可以直接測量濾光片膜層光學厚度的變化。單波長POEM監控方式有兩個好處：一是避免了單色儀切換波長造成的監控誤差；二是在極值點附近，監控曲線的變化速率緩慢，控制誤差較大，而非極值點位置監控曲線的變化速率較快，通過計算機輔助計算和監控策略設計，可以得到較為精確的膜厚控制效果。

4.2 低溫光譜特性

本文中的雙色濾光片的工作溫度為100 K，故需要測量濾光片的低溫光譜。測量時將樣品安裝在樣品臺上并放置在透光的低溫杜瓦中，杜瓦放置于光譜儀的光路中，光線垂直透過樣品，樣品臺放置在真空環境中，并將溫度控制在（100±0.5）K范圍。測量得到的雙色濾光片常溫和低溫透射光譜，見圖11。

從測試結果可以看到，雙色濾光片在100 K低溫條件下，通道1 (3.2～3.8 μm)的平均透射率為94.2%，通道2 (4.9～5.4 μm)的平均透過率為96.5%。在通道間(4.0～4.7 μm)的截止區，平均透過率控制在0.16%以內。兩個通帶的邊緣陡度g=∣λ0.8?λ0.1∣/λ0.5和頂部波紋振幅△=Tmax?Tmin的數值見表2。

圖11 雙色濾光片在300 K和100 K溫度下的透射光譜Fig. 11 Spectra of dual-color filter at 300 K and 100 K temperatures

表2 兩個通帶的邊緣陡度和頂部波紋振幅Tab. 2 Edge steepness and top ripple amplitudes of the two channels

隨著溫度的降低，雙色濾光片的透射光譜曲線向短波方向移動。兩個通帶半功率點位置的變化情況如表3所示。

表3 溫度由300 K變化至100 K時兩個通帶半峰波長位置的移動情況Tab. 3 Half-peak wavelength point shift of the two channels when the temperature changes from 300 K to 100 K (nm)

濾光片的低溫光譜較常溫光譜向短波方向移動，光譜形狀未發生明顯變化。低溫光譜向短波方向移動的因素包括膜層的折射率、基片和膜層的線膨脹系數、材料的泊松比、膜層的聚集密度等[16-18]。其中，線膨脹系數在低溫下會使膜層的物理厚度d減小，從而降低膜層的光學厚度nd，使光譜向短波方向移動。實際上，物理厚度d的變化量非常小，與折射率引起的變化量相比為非主要因素[19]。光譜向短波方向移動的主要原因是Ge膜層和ZnSe膜層的折射率n隨溫度T發生改變。圖12和圖13分別是藍寶石基片上單層Ge薄膜和單層ZnSe薄膜的常溫和低溫透射光譜。

圖12 300 K和100 K溫度下，Ge單層膜的透射光譜Fig. 12 Transmittance spectra of the Ge single film on Al2O3 at 300 K and 100 K temperatures

圖13 300 K和100 K溫度下，ZnSe單層膜的透射光譜Fig. 13 Transmittance spectra of ZnSe single film on Al2O3 at 300 K and 100 K temperatures

從圖12和圖13可以看出，Ge膜層和ZnSe膜層的光學厚度nd值在低溫下變小。由于物理厚度d的變化量很小，可以忽略不計，因此，Ge膜層和ZnSe膜層的折射率n會隨溫度降低而減小。使用美國SCI公司商用的FilmWizard軟件對材料的光學常數進行擬合。擬合時采用Cauchy模型，通過調整變量，使擬合曲線無限接近透射率測量曲線。圖14和圖15分別給出了Ge和ZnSe單層膜在300 K和100 K溫度下的折射率色散曲線。由于這種變化具有確定性，在膜系設計和濾光片制備時，可以根據實際需要提前向長波方向預置漂移量。

圖14 300 K和100 K溫度下，Ge單層膜的折射率色散曲線Fig. 14 Refractive index dispersion curves of the Ge single film on Al2O3 at 300 K and 100 K temperatures

圖15 300 K和100 K溫度下，ZnSe單層膜的折射率色散曲線Fig. 15 Refractive index dispersion curves of ZnSe single film on Al2O3 at 300 K and 100 K temperatures

5 結 論

通過對雙色濾光片兩種設計方法的分析，結合紅外雙色濾光片的光譜特性，選用Ge和ZnSe分別作為高低折射率膜層，在Ge基片的兩面分別設計了負濾光膜系和長波截止膜系，組合形成了 包 含3.2～3.8 μm(通 道1)和4.9～5.4 μm(通 道2)兩個通道的雙色濾光片。采用直接光學監控法結合單波長的光學極值百分比監控方式(POEM)控制膜層厚度。以電子束和電阻熱蒸發的方式，分別完成了Ge和ZnSe多層膜制備。在300 K和100 K溫度下分別測量了雙色濾光片的透射光譜。測試結果顯示，在低溫情況下雙色濾光片的光譜向短波方向移動，產生漂移的主要原因是Ge膜層和ZnSe膜層的折射率在低溫下變小。雙色濾光片通道1的平均透射率為94.2%，頂部波紋振幅為5.7%，左右兩側邊緣陡度分別為3.5%和2.1%；通道2的平均透射率為96.5%，頂部波紋振幅為0.6%，左右兩側邊緣陡度分別為2.6%和2.2%。在兩個通道之間(4.0～4.7 μm)的截止區域內，平均透射率小于0.16%。該紅外雙色濾光片具有良好的光學穩定性，有利于高速運動目標的識別。