Оптический интерференционный блокирующий фильтр Российский патент 2023 года по МПК G02B5/28 

Изобретение относится к оптическим интерференционным фильтрам, блокирующим излучение определенных интервалов длин волн. Изобретение может быть использовано для защиты от инфракрасного излучения в средствах визуального наблюдения: в защитных очках, экранах, в остеклении транспортных средств и др.

В соответствии со стандартом [1], нами используется полное название «оптический интерференционный блокирующий длинноволновый фильтр». Это название полностью отражает функциональное назначение фильтра, как объекта, пропускающего излучение с длиной волны, меньшей установленного предела, и отражающего излучение с длиной волны, более заданного значения. В дальнейшем используется для краткости название «оптический интерференционный фильтр» или просто «фильтр».

Оптический интерференционный фильтр представляет собой нанесенное на прозрачную подложку многослойное покрытие, выполненное из чередующихся слоев диэлектрических материалов с высоким и низким показателями преломления, прозрачных в рабочем диапазоне длин волн, пропускающее излучение с длиной волны, меньшей установленного предела и отражающее излучение с длиной волны, большей установленного предела.

Спектры таких покрытий характеризуются зонами высокого отражения (зонами блокировки) и зонами высокого пропускания (зонами прозрачности) светового излучения.

Оптические свойства фильтров: спектральная ширина зоны блокировки и зоны прозрачности, средние значения коэффициентов пропускания в каждой из зон - зависят от конкретного устройства фильтра.

Устройство фильтра зависит от конструктивных параметров составляющих фильтр слоев (показателей преломления и оптических толщин), последовательности их расположения, числа слоев, а также от оптических свойств материала подложки, на которую они наносятся.

Основными требованиями к таким фильтрам являются максимальное отражение в зоне блокировки, а также максимальное пропускание в зоне прозрачности. Необходима также высокая прозрачность пленочных материалов и подложки в выбранных спектральных диапазонах.

В предлагаемом изобретении зона прозрачности выбирается в видимой области спектра. Для практических применений интервал видимой области обычно выбирается в диапазоне от 400 до 700 нм.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение максимального светопропускания фильтра в видимой области спектра и расширение зоны блокировки (отражения) излучения в ИК области.

Таким образом, фильтр должен максимально пропускать видимую часть спектра и отражать ближнюю инфракрасную область спектра. За критерий высокого пропускания в видимой области спектра следует считать значение среднего пропускания (Т) в диапазоне от 400 до 700 нм на уровне или выше параметров чистой подложки из стекла марки К-8 (Т=92%).

Известны устройства блокирующих длинноволновых фильтров, представленные, например, в работе [2]. Они содержат систему нанесенных на подложку чередующихся слоев тонкопленочных покрытий (т.н. «четвертьволновых слоев») с высоким и низким показателями преломления. Оптические толщины этих слоев равны четверти длины волны излучения: λ₀/4, где λ₀ - длина волны излучения середины зоны блокировки фильтра. Оптическая толщина покрытия, как известно, равна произведению показателя преломления на ее физическую толщину.

Известное техническое решение включает 3-х группы покрытий: согласующей с подложкой, согласующей с воздухом, а также расположенной между ними блокирующей группой. Согласующие группы обеспечивают равномерное повышенное пропускание в зонах прозрачности фильтров.

Недостатком известного технического решения является узкий (400-500 нм) диапазон области пропускания фильтров.

Кроме того, такие фильтры для увеличения пропускания в зоне прозрачности фильтров имеют большое число слоев с различными оптическими толщинами, поэтому такие фильтры сложны для практической реализации.

Существенным недостатком таких фильтров является также то, что их можно изготовить только методом термического и/или электронно-лучевого испарения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является оптический интерференционный спектроделитель, представленный в патенте РФ №2365949 [3].

Интерференционная система спектроделителя состоит из 3-х групп слоев, нанесенных на подложку: группы внутренних слоев равной оптической толщины и двух групп согласующих/(корректирующих) слоев, расположенных соответственно между группой внутренних слоев и окружающими средами (воздухом и подложкой).

Оптический интерференционный спектроделитель выполнен из последовательности чередующихся слоев двух пленочных материалов: с высоким показателем преломления N_B, равным 1,9, и низким показателем преломления N_H, равным 1,41, расположенных на подложке с показателем преломления N_П (выбирается в диапазоне от 1,46 до 1,52).

Группа внутренних слоев имеет оптические толщины, равные четверти длины волны λ. Например, если длина волны λ в этом устройстве фильтра выбрана равной 880 нм, то в окрестности этой длины волны, в интервале от 820 нм до 920 нм образуется зона блокировки (т.е. зона высокого отражения) спектроделителя. Расчетные величины оптических толщин внутренних слоев в этом случае равны 220 нм.

При указанном выборе λ, зона прозрачности спектроделителя реализуется в видимой области спектра, в интервале от 400 до 700 нм.

С двух сторон группы внутренних слоев, для увеличения коэффициента светопропускания спектроделителя в видимой области спектра, расположены группы согласующих (с воздухом и подложкой) слоев. Оптическая толщина для каждого из этих слоев равна произведению величин λ₀/4 на коэффициенты К. Оптические толщины двух крайних по отношению к воздуху слоев равны K₁⋅λ₀/4 и K₂⋅λ₀/4, где K₁=(2,18÷2,22), а K₂=(1,08÷1,12), а оптические толщины трех крайних по отношению к подложке слоев равны K₃⋅λ₀/4, K₄⋅λ₀/4 и K₅⋅λ₀/4, где K₃=K₄=K₅=^:(1,08÷1,12).

При этом наилучшие показатели, как описано в патенте, имеют фильтры, в которых крайний к воздуху и крайний к подложке слои интерференционной системы имеют низкий показатель преломления.

Этот фильтр для своей реализации состоит только из двух пленочных материалов, что, несомненно, является его преимуществом.

Одним из существенных недостатков этого технического решения является небольшая ширина зоны блокировки. Она зависит от соотношения показателей преломления и количества слоев системы. При выборе длины волны центра зоны блокировки λ₀, равной 880 нм, ее ширина (при уровне пропускания не более одного процента) составляет величину около 100 нм.

Другим недостатком известного решения является сравнительно невысокое пропускание в зоне прозрачности фильтра (фиг. 2), так как вторичные пики отражения характеризуются значительной неравномерностью, так что значения коэффициента пропускания отдельных участков спектра меньше 90% (с учетом отражения от второй поверхности подложки).

Еще одним недостатком этого технического решения является конкретная привязка устройства фильтра к определенным пленочным материалам, т.к. выбраны конкретные показатели преломления со значениями 1,9 и 1,41. Это ограничивает технологическую реализацию представленного решения только определенными пленочными материалами.

Задачей настоящего изобретения является:

1. Расширение зоны блокировки длинноволнового излучения;

2. Увеличение коэффициента пропускания фильтра в зоне прозрачности в видимой области спектра;

3. Возможность реализации конструкции фильтра практически для любой пары двух пленочных материалов из набора известных в природе пленочных прозрачных материалов в видимой и ближней областей спектра, т.е. в диапазоне примерно 400-1500 нм. Это создает технологические возможности в практической разработке технологии фильтра, не ориентируясь на специальный выбор пленочных материалов.

Поставленная задача решается тем, что оптический интерференционный блокирующий фильтр включает подложку с низким показателем преломления (n=1,46-1,52) и расположенные на ней чередующиеся слои интерференционной системы с низким и высоким показателями преломления, причем первый и последний слои имеют низкий показатель преломления, представляющие собой 3 группы, где первая группа, расположенная на подложке, включает 3 согласующих слоя, вторая группа, формирующая зону блокировки фильтра и расположенная на первой группе, выполнена с оптическими толщинами слоев, равными λ₀/4, где λ₀ - длина волны середины зоны блокировки фильтра, а третья группа, контактирующая с воздухом, включает 2 согласующих слоя, при этом первая группа включает дополнительно 2 согласующих слоя, причем оптические толщины слоев, начиная от подложки, равны: K₃⋅λ₀/4, K₄⋅λ₀/4, K₅⋅λ₀/4, K₆⋅λ₀/4, K₇⋅λ₀/4, где K₃=K₄=(0,13÷0,23); K₅=(0,08÷0,18); K₆=K₇=(1,05÷1,15), а третья группа дополнительно включает один согласующий слой, причем первый верхний слой имеет оптическую толщину K₁₀⋅λ₀/4, второй и третий слои имеют оптические толщины K₉⋅λ₀/4, K₈⋅λ₀/4, где K₁₀=(0,45-0,55), а K₈=K₉=(1,05-1,15).

Устройство заявляемого фильтра схематически представлено на фиг. 1.

Первая группа слоев, расположенная между подложкой 1 и второй группой слоев 2, формирующей зону блокировки фильтра, состоит из пяти согласующих слоев, обозначенных номерами 3, 4, 5, 6 и 7. Эти слои имеют оптические толщины: K₃⋅λ₀/4, K₄⋅λ₀/4, K₅⋅λ₀/4, K₆⋅λ₀/4, K₇⋅λ₀/4, где K₃=K₄=(0,13÷0,23); K₅=(0,08÷0,18); K₆=K₇=(1,05÷1,15).

Вторая группа слоев 2 состоит из слоев, имеющих равные оптические толщины. На длине волны λ₀, где оптические толщины этих слои равны λ₀/4, формируется зона блокировки фильтра.

Третья группа слоев, расположенная между воздухом и второй группой слоев 2, состоит из трех согласующих слоев, обозначенных номерами 8, 9 и 10. Верхний первый слой 10 имеет оптическую толщину K₁₀⋅λ₀/4, а второй и третий слои имеют оптические толщины K₉⋅λ₀/4, K₈⋅K₀/4, где K₁₀=(0,45-0,55), а К₈=К₉=(1,05-1,15).

На фиг. 2 представлена спектральная характеристика оптического интерференционного блокирующего фильтра, заявленного в качестве изобретения. В расчетах общее число слоев фильтра выбрано 19, а значения показателей преломления N_B и N_H равны 2,5 и 1,45. Эти показатели преломления соответствуют известным пленочным материалам - двуокиси титана и двуокиси кремния, используемых для получения пленок методом магнетронного распыления.

На фиг. 3 представлена спектральная характеристика оптического интерференционного спектроделителя, выбранного в качестве прототипа. Длина волны излучения λ₀ равна 880 нм. Общее количество слоев фильтра М равно 19, а значения показателей преломления N_B и N_H равны 1,9 и 1,41. Эти значения выбраны в соответствии с описанием патента-прототипа, причем выбранные показатели преломления, как отмечают авторы, соответствуют пленочным материалам - двуокиси циркония и двуокиси кремния. Ширина зоны блокировки этого фильтра (на уровне пропускания не более одного процента) составляет около 100 нм. Средний уровень пропускания отдельных участков видимой области спектра - меньше 90%.

Ширина зоны блокировки заявленного фильтра составляет 300 нм, на уровне не более одного процента, что в три раза превышает ширину диапазона блокировки оптического интерференционного спектроделителя, выбранного в качестве прототипа. При этом средний уровень коэффициента пропускания в видимой области спектра превышает параметры прототипа и составляет более 93%. Это выше уровня пропускания чистой подложки всех известных типов силикатных стекол с показателями преломления 1,46-1,75.

Ниже изобретение характеризуется практическим примером его осуществления.

Максимальный размер изделий из силикатного стекла: 2000×1200 мм. Изделия монтируются неподвижно на раме крепления. Установка оснащена магнетронами длиной 1600 мм. Магнетроны перемещаются возвратно-поступательно вдоль длинной оси изделия и расположены под изделием. Режимы нанесения оксидов кремния и титана обеспечивают получение на подложке стехиометрических окислов, свободных от поглощения. Мощность магнетронного источника составляла 6 кВт для распыления титана и 4 кВт для распыления кремния. Давление смеси рабочих газов поддерживалось в диапазоне 3,5±0,2⋅10^-1 Па.

Выбор оптических толщин каждого слоя фильтра контролируется прецизионным контролем скорости перемещения магнетронов и стабилизацией параметров технологического процесса.

Зоны блокировки расчетного и экспериментального фильтров показали полное соответствие. Интегральное (среднее) пропускание в видимой области спектра получено на уровне 92%, что является показателем высокого качества фильтра. Контроль спектральной характеристики фильтров проводился на образце-свидетеле размером 200×100 мм, хотя сам фильтр выполнялся на крупногабаритном изделии размером 1800×1100 мм.

Оптический интерференционный блокирующий фильтр может быть выполнен при использовании в качестве пленочных материалов соединения с высоким показателем преломления - от 1,75 до 2,60, а в качестве пленочных материалов с низким показателем преломления - материалы с показателем преломления от 1,35 до 1,70.

При этом, в качестве пленочных материалов с высоким показателем преломления могут быть использованы: двуокись титана (TiO₂), пятиокись ниобия (Nb₂O₅), двуокись циркония (ZrO₂), пятиокись тантала (Ta₂O₅), двуокись гафния (HfO₂), окись цинка (ZnO), сульфид цинка (ZnS), селенид цинка (ZnSe), а в качестве пленочных материалов с низким показателем преломления - двуокись кремния (SiO₂), окись алюминия (Al₂O₃), фторид магния (MgF₂), криолит (Na₃AlF₆), фторид тория (ThF₄) и/или фторид церия (CeF₃).

ЛИТЕРАТУРА

1. ОСТ 3-854-88. Фильтры оптические интерференционные вакуумного напыления. ОКП 44 9100, 1989 г.

2. А. Телен. Конструирование многослойных интерференционных светофильтров. Сб.: Физика тонких пленок, т. 5, Издательство «МИР», 1972, стр. 46-83.

3. Патент РФ №2365949 RU, приоритет 07.05.2007 г., МПК G02B 5/28, Оптический интерференционный спектроделитель. (Прототип).

Изобретение может быть использовано для защиты от инфракрасного излучения в средствах визуального наблюдения. Оптический интерференционный блокирующий фильтр включает подложку с низким показателем преломления и расположенные на ней чередующиеся слои с низким и высоким показателями преломления, первый и последний слои имеют низкий показатель преломления, представляющие собой 3 группы, где первая группа, расположенная на подложке, включает 3 согласующих слоя, вторая группа, формирующая зону блокировки фильтра и расположенная на первой группе, выполнена с оптическими толщинами слоев, равными λ₀/4, где λ₀ - длина волны середины зоны блокировки фильтра, а третья группа, контактирующая с воздухом, включает 2 согласующих слоя. Первая группа включает дополнительно 2 согласующих слоя, оптические толщины слоев, начиная от подложки, равны: К₃⋅λ₀/4, К₄⋅λ₀/4, К₅⋅λ₀/4, К₆⋅λ₀/4, К₇⋅λ₀/4, где К₃=К₄=(0,13÷0,23); К₅=(0,08÷0,18); К₆=К₇=(1,05÷4,15), а третья группа дополнительно включает один согласующий слой, причем первый верхний слой имеет оптическую толщину К₁₀⋅λ₀/4, второй и третий слои имеют оптические толщины К₉⋅λ₀/4, К₈⋅λ₀/4, где К₁₀=(0,45-0,55), a К₈=К₉=(1,05-1,15). Технический результат - расширение зоны блокировки длинноволнового излучения, увеличение коэффициента пропускания фильтра в видимой области спектра, возможность реализации конструкции фильтра практически для любой пары двух пленочных материалов в видимой и ближней областей спектра. 3 ил.

Оптический интерференционный блокирующий фильтр, включающий подложку с низким показателем преломления (n=1,46-1,52) и расположенные на ней чередующиеся слои интерференционной системы с низким и высоким показателями преломления, причем первый и последний слои имеют низкий показатель преломления, представляющие собой 3 группы, где первая группа, расположенная на подложке, включает 3 согласующих слоя, вторая группа, формирующая зону блокировки фильтра и расположенная на первой группе, выполнена с оптическими толщинами слоев, равными λ₀/4, где λ₀ - длина волны середины зоны блокировки фильтра, а третья группа, контактирующая с воздухом, включает 2 согласующих слоя, отличающийся тем, что первая группа включает дополнительно 2 согласующих слоя, причем оптические толщины слоев, начиная от подложки, равны: К₃⋅λ₀/4, К₄⋅λ₀/4, К₅⋅λ₀/4, К₆⋅λ₀/4, К₇⋅λ₀/4, где К₃=К₄=(0,13÷0,23); К₅=(0,08÷0,18); К₆=К₇=(1,05÷1,15), а третья группа дополнительно включает один согласующий слой, причем первый верхний слой имеет оптическую толщину К₁₀⋅λ₀/4, второй и третий слои имеют оптические толщины К₉⋅λ₀/4, К₈⋅λ₀/4, где К₁₀=(0,45-0,55), а К₈=К₉=(1,05-1,15).