一种温度探测用长波通红外滤光片及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及红外滤光片，具体涉及一种温度探测用长波通红外滤光片及其制备方法。基底材料选用单晶Si，折射率n＝3.42881；高折射率材料选用Ge，折射率n＝4.16422；低折射率材料选用ZnS，折射率n＝2.2。在基板两个表面上分别沉积不同中心波长的膜系。本发明提供的5500～14000nm长波通红外滤光片，半高点波长定位5500±1％nm，截止区透过率小于0.2％，透射区的透过率可达90％以上，极大的提高信噪比，很好的抑制其他的干扰，提高仪器温度探测的精度和效率。
【专利说明】
一种温度探测用长波通红外滤光片及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及红外滤光片，具体涉及一种温度探测用长波通红外滤光片及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 由于红外测温技术具有响应速度快、准确、便捷和使用寿命长等特点，在冶金、电 子、石化、交通、能源、橡胶、食品等行业均得到广泛应用，成为企业故障检测，产品质量控制 和提高经济效益的重要手段。红外测温的主要原理是利用任何物体都会发出红外辐射，从 而可以远距离、不接触、准确、实时、快速的，在不停电、不取样、不解体的情况下在线监测和 诊断故障。同时，可以减少对设备的损害，避免停工停产造成的损失，节约人力和财力，某些 领域还可以减少对人身的危害，对于各行业的现代化有着重要的意义。
[0003] 红外滤波片是红外测温技术中红外测温仪光电探测器的关键部分，通过滤光片可 以使光电探测器排除环境中各种气体分子和其他影响因素，准确的接受特定物体对应波段 的红外能量，提高测量的精度。
[0004] 但是，就目前用于温度探测用的5500~14000nm长波通红外滤光片，其通带透射率 较低，截止波段不够宽，所以测量准确性、稳定性以及抗干扰的能力还有待提升，灵敏度差， 不能满足市场发展的需要。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种透射区透过率高，截止 区宽，能极大的提高信噪比，有效探测温度的5500~14000nm长波通红外滤光片及其制作方 法。
[0006] 为了实现上述目的，本发明所设计的一种温度探测用长波通红外滤光片及其制备 方法，其特征是：
[0007] (1)采用单晶Si作基板，硅双面抛光，厚度300 ± ΙΟμL?，晶向〈100>。
[0008] (2)镀膜材料选择硫化锌ZnS和单晶锗Ge，在基板两个表面上分别沉积多层干涉薄 膜。
[0009] (3)-面膜系采用：以Sub/0.3L(0.5HL0.5H)6 0.3L 0.73(0.5HL0.5H)6 0.3L/Air， 中心波长λι = 4500ηηι为初始结构，利用膜系设计软件Essential Macloed中Refinement模 块 Simpex parameters 和 Optimac parameters 优化得 Sub/ 0.21L2.1H0.57L0.62H0.61L0.24H0.91L0.58H2.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.72L1.01 HO · 97L0 · 92H0 · 91L1 · 5H0 · 95L3H0 · 7L0 · 91H0 · 8L2 · 1H0 · 56L2 · 74H0 · 12L/Air 膜系。
[0010] (4)另一面膜系采用：以Sub/(0 · 5HL0· 5H)6 0 ·75(0 · 5HL0· 5H)6/Air，中心波长λ2 = 2400nm为初始结构，利用膜系设计软件Essential Macloed中Ref inement模块Simpex parameters 和 Optimac parameters 优化得 Sub/ 0.57H1.5L0.92H0.71L0.64H0.91L0.58H1.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.32L0.64H0.78 LO · 72H0 · 81L0 · 59H0 · 75L0 · 68H0 · 75L0 · 71H0 · 75L0 · 75H0 · 76L0 · 74H0 · 32L/Air 膜系。
[0011] 膜系中符号含义分别为:Sub为基板，Air为空气，H和L分别代表膜层Ge(高折射率 材料层)和膜层ZnS(低折射率材料层）的一个1/4波长光学厚度，中心波长1: = 4500^1,^ = 2400nm，1Η= (4πη d)/A; 1L= (4nL d)/A，结构式中数字为膜层的厚度系数、结构式中的指数 是膜堆镀膜的周期数。
[0012] 上述的一种温度探测用长波通红外滤光片及其制备方法，以单晶硅Si为基板，硫 化锌ZnS和锗Ge为镀膜材料，采用真空热蒸发薄膜沉积的方法制备镀膜层，Ge选用电子束蒸 镀，沉积速率为8 A/sec;ZnS选用多孔钼舟电阻加热蒸镀，沉积速率为20 A/sec，开始蒸镀真 空度为1. 〇 X 10-3Pa，沉积温度为130°C。
[0013] 上述的一种温度探测用长波通红外滤光片及其制备方法，采用光学监控法控制膜 层厚度，并辅以石英晶控控制沉积速率。
[0014] 上述的一种温度探测用长波通红外滤光片及其制备方法得到的5500~14000nm长 波通红外滤光片，一面膜系采用Sub/0·3L(0·5HL0·5H) 6 0·3L 0·73(0·5HL0·5H)60·3L/Air， 中心波长λι = 4500ηηι为初始结构，利用膜系设计软件Essential Macloed中Refinement模 块 Simpex parameters 和 Optimac parameters 优化后为 Sub/ 0.21L2.1H0.57L0.62H0.61L0.24H0.91L0.58H2.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.72L1.01 HO · 97L0 · 92H0 · 91L1 · 5H0 · 95L3H0 · 7L0 · 91H0 · 8L2 · 1H0 · 56L2 · 74H0 · 12L/Air，镀制实现 2700nm~5500nm截止，5500nm~14000nm透射；另一面膜系采用：Sub/(0 · 5HL0 · 5H)6 0 · 75 (0.5HL0.5H)6/Air，中心波长λ2 = 2400ηηι为初始结构，利用膜系设计软件Essential Macloed 中 Refinement 模块 Simp ex parameters 和Optimac parameters 优化后为 Sub/ 0.57H1.5L0.92H0.71L0.64H0.91L0.58H1.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.32L0.64H0.78 L0 · 72H0 · 81L0 · 59H0 · 75L0 · 68H0 · 75L0 · 71H0 · 75L0 · 75H0 · 76L0 · 74H0 · 32L/Air，镀制实现 1500nm~2800nm截止，5500nm~14000nm透射;两面配合，最终实现，1500nm~5500nm平均透 过率为0.19%，550011111~1400011111平均透过率为90.47%，能极大的提高信噪比，可以很好的 抑制环境等影响因素的干扰，产品光学性能和物理强度能很好的满足实际使用要求，广泛 应用于红外温度探测仪器，提高仪器探测精度和效率，可以做到更快速、更精确的探测出温 度值。
[0015] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0016] 1、滤光片与传统技术方法相比，具有长波通5500nm~14000nm波段的透过率〉 90%，截止区域1500nm~5500nm波段平均透射率〈0.2%，因此5500nm~14000nm的有效工作 波段可以尽可能大的透过，而其余无效波段的背景干扰信号则极大的减小，因而可取得优 异的信噪比，提高仪器的测试灵敏度和精度。
[0017] 2、本发明制备的滤光片工艺简单，已能形成批量生产，性能稳定，满足高精度温度 红外探测仪器的性能要求。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明所述温度探测用红外滤光片的结构示意图；
[0019] 其中：基底1为单晶Si，膜层材料2为Ge，膜层材料3为ZnS。
[0020] 图2是温度探测滤光片最终性能实测曲线图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0022] 实施例1:
[0023] 如图1所示，本实施例提供的一种温度探测用长波通红外滤光片是：
[0024] (1)采用尺寸为Φ 50.8 X 0.3mm的单晶Si作基板，硅双面抛光，厚度300± ΙΟμπι，晶 向〈100>〇
[0025] (2)镀膜材料选择硫化锌ZnS和单晶锗Ge，在基板两个表面上分别沉积多层干涉薄 膜。
[0026] (3)-面膜系采用：以Sub/0.3L(0.5HL0.5H)6 0.3L 0.73(0.5HL0.5H)6 0.3L/Air， 中心波长λι = 4500ηηι为初始结构，利用膜系设计软件Essential Macloed中Refinement模 块 Simpex parameters 和 Optimac parameters 优化得 Sub/ 0.21L2.1H0.57L0.62H0.61L0.24H0.91L0.58H2.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.72L1.01 HO · 97L0 · 92H0 · 91L1 · 5H0 · 95L3H0 · 7L0 · 91H0 · 8L2 · 1H0 · 56L2 · 74H0 · 12L/Air 膜系。
[0027] (4)另一面膜系采用：以Sub/(0 · 5HL0· 5H)6 0 ·75(0 · 5HL0· 5H)6/Air，中心波长λ2 = 2400nm为初始结构，利用膜系设计软件Essential Macloed中Ref inement模块Simpex parameters 和 Optimac parameters 优化得 Sub/ 0.57H1.5L0.92H0.71L0.64H0.91L0.58H1.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.32L0.64H0.78 L0 · 72H0 · 81L0 · 59H0 · 75L0 · 68H0 · 75L0 · 71H0 · 75L0 · 75H0 · 76L0 · 74H0 · 32L/Air 膜系。
[0028] 膜系中符号含义分别为:Sub为基板，Air为空气，H和L分别代表膜层Ge(高折射率 材料层)和膜层ZnS(低折射率材料层）的一个1/4波长光学厚度，中心波长1: = 4500^1,^ = 2400nm，1Η= (4πη d)/A; 1L= (4nL d)/A，结构式中数字为膜层的厚度系数、结构式中的指数 是膜堆镀膜的周期数。
[0029] 本实施例提供的一种温度探测用长波通红外滤光片及其制备方法，以单晶硅Si为 基板，硫化锌ZnS和锗Ge为镀膜材料，采用真空热蒸发薄膜沉积的方法制备镀膜层，Ge选用 电子束蒸镀，沉积速率为8: A/s_;;ZnS选用多孔钼舟电阻加热蒸镀，沉积速率为:2〇 A/see,开 始蒸镀真空度为1. 〇 X l(T3Pa，沉积温度为130°C。
[0030] 由于具体如何蒸发采用电子枪蒸发和采用电阻加热蒸发镀膜是本领域技术人员 所掌握的常规技术，在此不作详细描述。
[0031] 本实施例提供的一种本专利滤光片一面采用以中心波长λ! = 4500nm，Sub/0.3L (0.5HL0.5H)6 0.3L 0.73(0.5HL0.5H)6 0.3L/Air膜系为初始结构，利用膜系设计软件 Essential Macloed中Refinement模块Simpex parameters和Optimac parameters优化后 得Sub/0·21L2·1H0·57L0·62H0·61L0·24H0·91L0·58H2·3L0·83H0·91L0·86H0·98L1·02H0·7 2L1 · 01H0 · 97L0 · 92H0 · 91L1 · 5H0 · 95L3H0 · 7L0 · 91H0 · 8L2 · 1H0 · 56L2 · 74H0 · 12L/Air 膜系，镀 制优化后膜系实现2700nm~5500nm截止，5500nm~14000nm透射;一面采用以中心波长λ2 = 2400nm，Sub/(0.5HL0.5H)6 0.75(0.5HL0.5H)6/Air膜系为初始结构，利用膜系设计软件 Essential Macloed中Refinement模块Simpex parameters和Optimac parameters优化得 Sub/0.57H1.5L0.92H0.71L0.64H0.91L0.58H1.3L0.83H0.91L0.86H0.98L1.02H0.32L0.64H 0 · 78L0 · 72H0 · 81L0 · 59H0 · 75L0 · 68H0 · 75L0 · 71H0 · 75L0 · 75H0 · 76L0 · 74H0 · 32L/Air膜系，镀 制优化后膜系实现1500nm~2800nm截止，5500nm~14000nm透射，有效的拓宽了截止区波 段，同时提高了透射区的透射率和截止区的截止深度，改善了有效信号强度的同时滤除了 波长在5500nm以下的红外能量，提高了仪器探测精度和灵敏度。
[0032]本实施例提供的温度探测用长波通红外滤光片，对膜系采用光学监控法控制膜层 厚度，并辅以石英晶控控制沉积速率。
[0033]采用德国Bruker公司VERTEX 70型傅里叶红外光谱仪对所制备的滤光片进行测 试。本滤光片最终性能结构如图2的滤光片最终性能实测曲线图：
[0034] 1.半高点波长 λ = 5500±1%ηπι;
[0035] 2.透射区5500nm~14000nm的Tavg = 90.47% ;
[0036] 3.截止区 1500nm~5500nm的Tavg = 0.19% ;
[0037] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技 术方案的保护范围内。
【主权项】
1. 一种溫度探测用长波通红外滤光片，其特征在于： (1) 采用单晶Si作基板，娃双面抛光，厚度300± ΙΟμπι，晶向<100〉； (2) 锻膜材料选择硫化锋化S和单晶错Ge，在基板两个表面上分别沉积多层干设薄膜； (3) -面膜系采用：WSub/0.化(0.5HL0.5H)6 0.3L 0.73(0.甜L0.5H)*^. 3L/Air，中屯、 波长^1 = 450〇111]1为初始结构，利用膜系设计软件63 3日]11:1日11日(31〇日(1中1?日門]1日111日]11:模块 Simpex parameters和Opti mac parameters 优化得S u b / 0.21L2.1册.57L0.62册.61L0.24册.91L0.58肥.3L0.83册.91L0.86册.98L1.02朋.7化1.01 册.9化0.92册.91L1.5册.9化3册.7L0.91册.8L2.1册.5化2.74册.1 化/Air膜系； (4) 另一面膜系采用：WSub/(0.5HL0.5H)6 0.75(0.5HL0.5H)6/Air，中屯、波长入2 = 2400nm为初始结构，利用膜系设计软件Essential Macloed中Ref inement模块Simpex parameters 和 Optimac parameters 优化得 Sub/ 0.57H1.化0.92册.71L0.64朋.91L0.58H1.3L0.83朋.91L0.86册.9化1.02册.3化0.64册.78 L0.72册.81L0.59册.7化0.68册.7化0.71 册.7化0.75册.7 化0.74册.3化/Air膜系； 膜系中符号含义分别为：Sub为基板，Air为空气，Η和L分别代表膜层Ge(高折射率材料 层）和膜层ZnS(低折射率材料层）的一个1/4波长光学厚度，中屯、波长λι = 4500ηπι，λ2 = 2400nm，lH=(4nH d)A;lL=(4nL d)A，结构式中数字为膜层的厚度系数、结构式中的指数 是膜堆锻膜的周期数。2. 如权利要求1所述的一种溫度探测用长波通红外滤光片，其特征在于:采用真空热蒸 发薄膜沉积的方法制备锻膜层，Ge选用电子束蒸锻，沉积速率为8 A/sec;ZnS选用多孔钢舟 电阻加热蒸锻，沉积速率为20 A/sec，开始蒸锻真空度为l.〇Xl(T3Pa，沉积溫度为130°C。3. 如权利要求2所述的一种溫度探测用宽带红外滤光片，其特征在于:采用光学监控法 控制膜层厚度，并辅W石英晶控控制沉积速率。4. 如权利要求1所述的一种溫度探测用宽带红外滤光片，其特征在于：一面膜系采用 Sub/0.：3L(0.5HL0.甜)6 0.3L 0.73(0.甜L0.5H)6 0.3L/Air，中屯、波长λι = 4500ηπι为初始结 构，利用膜系设计软件Essential Macloed中Ref inement模块Simpex parameters和 Optimac parameters 优化后 为 Sub/ 0.21L2.1册.57L0.62册.61L0.24册.91L0.58肥.3L0.83册.91L0.86册.98L1.02朋.7化1.01 H0.97L0.92H0.91L1.5H0.95L3H0.7L0.91H0.8L2.1H0.56L2.74H0.12L/Air，锻制实现 2700nm~5500nm截止，5500nm~HOOOnm透射；另一面膜系采用：Sub/(0.5HL0.5H)6 0.75 (0.5HL0.5H)6/Air，中屯、波长λ2 = 2400nm为初始结构，利用膜系设计软件Essential Macloed^Refinement|^^；Simpex parameters和Optimac parameters优化后为Sub/ 0.57H1.化0.92册.71L0.64朋.91L0.58H1.3L0.83朋.91L0.86册.9化1.02册.3化0.64册.78 L0.72H0.81L0.59H0.75L0.6細0.75L0.71H0.75L0.75H0.76L0.74H0.32L/Air，锻制实现 1500nm~2800nm截止，5500nm~14000nm透射;两面配合，最终实现，1500nm~5500nm平均透 过率为0.19%，5500nm~HOOOnm平均透过率为90.47%，能极大的提高信噪比。
【文档编号】G02B5/28GK105974505SQ201610588840
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月25日
【发明人】乔冠军, 侯海港, 刘桂武, 邵海成, 王明松
【申请人】江苏大学