阅读说明：本技术 近红外滤光片及其制备方法和滤光设备 (Near-infrared filter, preparation method thereof and filtering equipment ) 是由 周群飞 朱斌 于 2018-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光学器件技术领域,具体而言,提供了一种近红外滤光片及其制备方法和滤光设备。本发明提供的近红外滤光片,包括玻璃基体和设于玻璃基体一侧表面的滤光层,滤光层包括依次交替设置的SiO<Sub>2</Sub>膜层与SiH膜层,其中,SiO<Sub>2</Sub>膜层与玻璃基体接触,SiO<Sub>2</Sub>膜层与SiH膜层的层数之和为20-40层,滤光层的厚度为3000-4500nm。该近红外滤光片,SiH膜层为高折射率薄膜,SiO<Sub>2</Sub>膜层为低折射率薄膜,两种薄膜交替堆叠得到的滤光层用于近红外滤光片的制备,使得近红外滤光片起到有效地滤光作用。本发明提供上述近红外滤光片的制备方法,该方法操作简单,成本低,不需要的特殊的设备和工艺条件,适合工业化和自动化生产。(The invention relates to the technical field of optical devices, and particularly provides a near-infrared optical filter, a preparation method thereof and optical filtering equipment. The near-infrared filter provided by the invention comprises a glass substrate and a filter layer arranged on the surface of one side of the glass substrate, wherein the filter layer comprises SiO (silicon dioxide) layers which are alternately arranged in sequence 2 A film layer and an SiH film layer, wherein, SiO 2 Film layer in contact with glass substrate, SiO 2 The sum of the number of layers of the film layer and the SiH film layer is 20-40 layers, and the thickness of the filter layer is 3000-4500 nm. In the near infrared filter, the SiH film layer is a high refractive index film, SiO 2 The film layer is a low refractive index film, and the filter layer obtained by alternately stacking the two films is used for preparing the near-infrared filter, so that the near-infrared filter has an effective filtering effect. The preparation method of the near-infrared filter is simple to operate, low in cost, free of special equipment and process conditions and suitable for industrial and automatic production.)

近红外滤光片及其制备方法和滤光设备

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体而言，涉及一种近红外滤光片及其制备方法和滤光设备。

背景技术

近红外滤光片在航天气象、自然灾害，资源普查、遥感系统、红外相机以及很多军工产品中有着重要的作用。从光学镀膜角度来看，近红外滤光片是对某一特定波段具有高透过率，同时对另外特性波段高度截止的光学器件。近红外滤光片对各膜层厚度、膜层牢固度和光学性能都有极高的的要求。但是目前可供选择的近红外滤光片的品种很少，制备难度大，产品良率低，成本高，滤光效果差等是需要解决的技术问题。

目前的近红外滤光片主要以普通玻璃(折射率为1.52)作为基体，采用Ge、Ta₂O₅、TiO₂、Si、SiO、SiO₂等材料组合的方案作为滤光层制备近红外滤光片，这种滤光片对近红外波段光的吸收性较高，特别是滤光层中的材料层数需要制备80层以上才能达到良好的滤光效果。这样增加了滤光层制备的工艺和难度，也增加了材料成本和滤光片的厚度，滤光片的质量和良率很难保证。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种近红外滤光片，以缓解现有技术中近红外滤光片厚度较厚，滤光效果较差和良率低，材料叠加层数较多从而制备难度大并且成本高的技术问题。

本发明的第二目的在于提供上述近红外滤光片的制备方法，以缓解现有技术中近红外滤光片的生产工艺产率低，成本居高不下，制备得到的近红外滤光片滤光效果差的技术问题。

本发明的第三目的在于提供一种滤光设备，缓解现有技术中缺少一种滤光效果好，成本低的滤光设备。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种近红外滤光片，包括玻璃基体和设于所述玻璃基体一侧表面的滤光层；

所述滤光层包括依次交替设置的SiO₂膜层与SiH膜层，所述SiO₂膜层与所述玻璃基体接触；

所述SiO₂膜层与所述SiH膜层的层数之和为20-40层，所述滤光层的厚度为3000-4500nm。

进一步地，所述SiO₂膜层与所述SiH膜层的层数之和为20-35层，优选为20-30层。

进一步地，所述SiO₂膜层的各层厚度之和为2500-3500nm，所述SiH膜层的各层厚度之和为500-1000nm。

进一步地，所述SiO₂膜层的每层层厚为10-400nm，所述SiH膜层的每层层厚为10-100nm。

进一步地，所述玻璃基体为蓝宝石玻璃。

一种近红外滤光片的制备方法，在所述玻璃基体表面依次交替制备SiO₂膜层和SiH膜层。

进一步地，利用溅射工艺在所述玻璃基体表面依次交替沉积SiO₂膜层和SiH膜层。

进一步地，溅射工艺中，以Si为靶材，通过依次交替通入氧气和氢气作为反应气体，在所述玻璃基体表面依次交替沉积SiO₂膜层和SiH膜层。

进一步地，沉积SiO₂膜层的溅射工艺参数包括：真空度6.0×10^-3-10×10^-3Pa，靶材功率6-12KW，惰性气体流速45-65sccm，ICP功率2-6KW，氧气流速260-300sccm；

进一步地，沉积SiH膜层的溅射工艺参数包括：真空度6.0×10^-3-10×10^-3Pa，靶材功率6-12KW，惰性气体流速45-65sccm，ICP功率2-6KW，氢气流速380-420sccm。

一种滤光设备，包括上述近红外滤光片或利用上述制备方法得到的近红外滤光片。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供一种近红外滤光片，包括玻璃基体和设于玻璃基体一侧表面的滤光层，滤光层包括依次交替设置的SiO₂膜层与SiH膜层，其中，SiO₂膜层与玻璃基体接触，SiO₂膜层与SiH膜层的总层数为20-40层，滤光层的厚度为3000-4500nm。该近红外滤光片中，SiH膜层为高折射率薄膜，SiO₂膜层为低折射率薄膜，利用特定层数和特定厚度且交替堆叠设置的SiO₂膜层与SiH膜层的复合层作为近红外滤光片的滤光层，通过滤光层对各波段的光线进行不断的反射、折射、透射和吸收，使得该近红外滤光片对近红外波段的光线吸收极小，使其有效透过，而对其他波段的光线有效截止，从而起到有效地滤光作用。具体地，该近红外滤光片对于1530-1570nm波段光的透光率可达到92％以上，而对330-1400nm波段光的透光率达到2％以下，同时对于300-700nm波段光可以全部吸收，有效的起到了滤光的作用。该近红外滤光片的厚度薄，SiO₂膜层与SiH膜层的总层数少，制备工艺得到了简化，原料用量也大幅度减少，因而极大的降低了生产成本并且提高了产品的良率，产品良率可达90％，同时滤光层与玻璃基体的牢固度高，近红外滤光片稳定性好，可以应用于各种场景中。

本发明提供的近红外滤光片的制备方法，操作简单，成本低，不需要的特殊的设备和工艺条件，适合工业化和自动化生产。

本发明最后提供一种滤光设备，包括上述近红外滤光片或上述制备方法制备得到的近红外滤光片。该滤光设备具有上述近红外滤光片的性能优势。

附图说明

图1为本发明试验例中实施例4的近红外滤光片光谱检测图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。

本发明提供一种近红外滤光片，包括玻璃基体和设于玻璃基体一侧表面的滤光层；

滤光层包括依次交替设置的SiO₂膜层与SiH膜层，SiO₂膜层与玻璃基体接触；

SiO₂膜层与SiH膜层的层数之和为20-40层，滤光层的厚度为3000-4500nm。

该近红外滤光片中，SiH膜层为高折射率薄膜，SiO₂膜层为低折射率薄膜，利用特定层数和特定厚度且交替堆叠设置的SiO₂膜层与SiH膜层的复合层作为近红外滤光片的滤光层，通过滤光层对各波段的光线进行不断的反射、折射、透射和吸收，使得该近红外滤光片对近红外波段的光线吸收极小，使其有效透过，而对其他波段的光线有效截止，从而起到有效地滤光作用。在本发明中，滤光层的厚度在3000-4500nm，SiH膜层与SiO₂膜层的层数之和为20层以上时，可以保证近红外滤光片的滤光效果。在一定范围内，SiH膜层与SiO₂膜层的层数之和越大，近红外滤光片的滤光效果越好，但是滤光层的厚度也会也大，超过一定值，滤光效果不会有明显的提高改善同时还会徒增大量的生产成本。所以，在保证滤光效果的同时，如果减少滤光层的厚度和SiH膜层与SiO₂膜层的总层数可以大大地降低生产成本。具体地，该近红外滤光片对于1530-1570nm波段光的透光率可达到92％以上，而对330-1400nm波段光的透光率达到2％以下，同时对于300-700nm波段光可以全部吸收，有效的起到了滤光的作用。该近红外滤光片的厚度薄，SiO₂膜层与SiH膜层的总层数少，制备工艺得到了简化，原料用量也大幅度减少，因而极大的降低了生产成本并且提高了产品的良率，同时滤光层与玻璃基体的牢固度高，近红外滤光片稳定性好，可以应用于各种场景中。

本发明中，SiH膜层与SiO₂膜层的总层数典型但非限制性的为20层、21层、23层、25层、27层、29层、31层、33层、35层、37层、39层或40层；滤光层的厚度典型但非限制性的为3000nm、3100nm、3200nm、3300nm、3400nm、3500nm、3600nm、3700nm、3800nm、3900nm、4000nm、4100nm、4200nm、4300nm、4400nm或4500nm。

区别于传统红外滤光片采用Ge、Ta₂O₅、TiO₂、Si、SiO、SiO₂等材料组合的方案，本发明采用SiH和SiO₂组合叠加的方法，降低了近红外滤光层的厚度和简化了制备的工艺，具有成本低，制备简单的特点。

在本发明的一些实施方式中，玻璃基体可以为普通玻璃，钢化玻璃，石英玻璃，蓝宝石玻璃等。普通玻璃的化学组成是Na₂SiO₃、CaSiO₃、SiO₂或Na₂O·CaO·6SiO₂等，主要成分是硅酸盐复盐，是一种无规则结构的非晶态固体。钢化玻璃的组成与普通玻璃相同，但是是普通玻璃经过再加工处理而成的一种预应力玻璃。石英玻璃以纯净的石英为主要原料制备的玻璃，SiO₂含量大于99.5％，热膨胀系数低，耐高温，化学稳定性好，透紫外光和红外光。蓝宝石玻璃一般是指人工合成的蓝宝石，是刚玉宝石中除红色的红宝石之外，其它颜色刚玉宝石的通称，主要成分是氧化铝(Al₂O₃)，蓝宝石玻璃耐高温，导热好，硬度高，透红外，化学稳定性好。

在一些优选地实施方式中，玻璃基体为蓝宝石玻璃。在本发明的实施方式中，以蓝宝石玻璃为基体时，对近红外波段的光吸收率更小，配合滤光层，更加有效的起到了滤光的作用。同时蓝宝石玻璃与滤光层之间的结合更加紧密，表面致密，牢固度高，稳定性好同时成本低。

在本发明一个优选地实施方式中，SiH膜层与SiO₂膜层的层数之和为20-35层，优选为20-30层。在本发明提供的优选实施方式中，近红外滤光片的SiH膜层与SiO₂膜层的总层数大大地降低，滤光层厚度也大大地减少，即使在20-35层，甚至20-30层之间也完全可以达到优异的滤光效果极大地降低了生产成本。

在本发明一个优选地实施方式中，SiO₂膜层的各层厚度之和为2500-3500nm，SiH膜层的各层厚度之和为500-1000nm。通过对SiO₂膜层的各层厚度之和和SiH膜层的各层厚度之和进行优选与限定，两种膜层的相互配合，达到对光的良好过滤目的。SiO₂膜层的各层厚度之和和SiH膜层的各层厚度之和的数值过低，构成的滤光层对其他波段光的截止作用会降低；SiO₂膜层的各层厚度之和和SiH膜层的各层厚度之和的数值过大，滤光层对近红外波段光的透过率会下降。SiO₂膜层的各层厚度之和典型但非限制性的为2500nm、2600nm、2700nm、2800nm、2900nm、3000nm、3100nm、3200nm、3300nm、3400nm或3500nm；SiH膜层的各层厚度之和典型但非限制性的为500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。

在本发明一个优选地实施方式中，SiO₂膜层的每层厚度为10-400nm，SiH膜层的每层厚度为10-100nm。将SiO₂膜层和SiH膜层的每层厚度分别优选限定在一定的范围内，可以保证SiO₂膜层的每层之间的厚度相对均匀，SiH膜层的每层之间的厚度相对均匀，进而提高对近红外波段光的透过率和其他波段光的截止作用。SiO₂膜层的厚度典型但非限制性的为10nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm或400nm；SiH膜层的厚度典型但非限制性的为10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm。

本发明又提供上述近红外滤光片的制备方法，在玻璃基体表面依次交替制备SiO₂膜层和SiH膜层。该方法操作简单，成本低，不需要的特殊的设备和工艺条件，适合工业化和自动化生产。

在本发明一个优选地实施方式中，利用溅射工艺在玻璃基体表面依次交替沉积SiO₂膜层和SiH膜层。

在本发明一个优选地实施方式中，溅射工艺中，以Si为靶材，通过依次交替通入氧气和氢气作为反应气体，在玻璃基体表面依次交替沉积SiO₂膜层和SiH膜层。以溅射工艺向玻璃基体表面溅射Si靶材，Si靶材在玻璃基体上形成硅薄膜，硅薄膜与氧反应生成SiO₂膜层，硅薄膜与氢反应生成SiH膜层，重复多次后，得到近红外滤光片。溅射工艺使得Si靶材与氧气或氢气更加充分接触与反应，在玻璃基体表面形成的SiO₂膜层或SiH膜层的分布更加均匀，玻璃基体表面的各个位置形成滤光层的速率也相同。

在本发明一个优选地实施方式中，沉积SiO₂膜层的溅射工艺参数包括：真空度6.0×10^-3-10×10^-3Pa，靶材功率6-12KW，惰性气体流速45-65sccm，ICP功率2-6KW，氧气流速260-300sccm。

ICP(电感耦合等离子体)是一种通过随时间变化的磁场电磁感应产生电流作为能量来源的等离子体源。ICP将氧气等离子化，得到活性氧与Si靶材进行反应生成SiO₂膜层。

真空度典型但非限制性的为6.0×10^-3Pa、7.0×10^-3Pa、8.0×10^-3Pa、9.0×10^-3Pa或10.0×10^-3Pa；靶材功率典型但非限制性的为6KW、7KW、8KW、9KW、10KW、11KW或12KW；惰性气体流速典型但非限制性的为45sccm、50sccm、55sccm、60sccm或65sccm；ICP功率典型但非限制性的为2KW、3KW、4KW、5KW或6KW；氧气流速典型但非限制性的为260sccm、270sccm、280sccm、290sccm或300sccm。

在真空条件下，惰性气体的流量以45-65sccm将Si靶材溅射在玻璃基体上，同时以260-300sccm输入氧气，Si靶材在基体上沉积，形成硅薄膜，同时与氧气发生反应形成SiO₂膜层。SiO₂膜层的厚度形成速率为0.6-0.8nm/s。通过控制SiO₂膜层的厚度形成的速率可以计算出SiO₂膜层的生成时间，便于SiO₂膜层与SiH膜层的交替制备，从而实现自动化管理。

在本发明一个优选地实施方式中，沉积SiH膜层的溅射工艺参数包括：真空度6.0×10^-3-10×10^-3Pa，靶材功率6-12KW，惰性气体流速45-65sccm，ICP功率2-6KW，氢气流速380-420sccm。真空度典型但非限制性的为6.0×10^-3Pa、7.0×10^-3Pa、8.0×10^-3Pa、9.0×10^-3Pa或10.0×10^-3Pa；靶材功率典型但非限制性的为6KW、7KW、8KW、9KW、10KW、11KW或12KW；惰性气体流速典型但非限制性的为45sccm、50sccm、55sccm、60sccm或65sccm；ICP功率典型但非限制性的为2KW、3KW、4KW、5KW或6KW；氧气流速典型但非限制性的为380sccm、390sccm、400sccm、410sccm或420sccm。

在真空条件下，惰性气体的流量以45-65sccm将Si靶材溅射在玻璃基体上，同时以380-420sccm输入氧气，Si靶材在基体上沉积，形成硅薄膜，同时与氧气发生反应形成SiO₂膜层。SiO₂膜层的厚度形成速率为0.3-0.4nm/s。通过控制SiH膜层的厚度形成的速率可以计算出SiH膜层的生成时间，便于SiH膜层与SiO₂膜层的交替制备，从而实现自动化管理。

在本发明一个优选地实施方式中，惰性气体为氩气。

本发明最后提供一种滤光设备，包括上述近红外滤光片或上述制备方法得到的近红外滤光片。该滤光设备具有上述近红外滤光片的性能优势，同时成本低。滤光设备可以但不限制为红外气体分析仪，红外探测器，红外打印机，红外测温器，红外相机，红外感应马桶等。

为了有助于进一步理解本发明，现结合优选实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1-6

实施例1-5提供的近红外滤光片，玻璃基体为蓝宝石玻璃，在蓝宝石玻璃一侧的表面设有滤光层，滤光层包括依次交替设置的SiO₂膜层与SiH膜层。实施例6提供的近红外滤光片，玻璃基体为普通玻璃，同样在普通玻璃的一侧表面设有滤光层，滤光层包括依次交替设置的SiO₂膜层与SiH膜层。其中，SiH膜层和SiO₂膜层的厚度与层数的具体信息如下表所示：

实施例7

本实施例提供一种近红外滤光片的制备方法，包括以下步骤：

步骤a)：采用光驰1650溅射机，在真空度为8.0×10^-3Pa的条件下，用45-65sccm的氩气将Si靶材溅射到基体表面，形成硅薄膜；

步骤b)：以氩气50sccm，氧气280sccm的条件通过ICP将氧气等离子化，与步骤a中的硅薄膜反应形成SiO₂薄膜，厚度方向上速率为0.7nm/s；

步骤c)：SiO₂薄膜完成后，继续在SiO₂薄膜上制备硅薄膜，以氩气50sccm，氢气400sccm的条件通过ICP将氢气等离子化，与SiO₂薄膜上的硅薄膜反应形成SiH薄膜，厚度方向上速率为0.36nm/s；

步骤d)：在基体上重复交替制备SiH膜层与SiO₂膜层，最后得到近红外滤光片。

对比例1-2

对比例1-2提供的近红外滤光片，玻璃基体为蓝宝石玻璃，在蓝宝石玻璃一侧的表面设有滤光层，滤光层包括依次交替设置的SiO₂膜层与SiH膜层。其中，SiH膜层和SiO₂膜层的厚度与层数的具体信息如下表所示：

试验例

将实施例1-6和对比例1-2中的近红外滤光片按照实施例7中的制备方法制备，检测入射角为5°时1530-1570nm和330nm-1400nm的透光率。结果如下表所示：

	1530-1570nm透光率	330nm-1400nm透光率
			实施例1	92.0％	1.56％
实施例2	92.47％	1.47％
			实施例3	92.78％	1.26％
实施例4	93.58％	0.57％
			实施例5	92.42％	0.98％
实施例6	92.03％	1.25％
			对比例1	91.56％	5.21％
对比例2	91.23％	5.45％

同时对实施例1-6中的近红外滤光片进行了膜层牢固度的检测，3M胶带连续测试5次，均达到5B；水煮2h，80℃，3M胶带连续测试5次，亦均可达到5B。

实施例4中的光谱图如图1所示，1530-1570nm和330nm-1400nm透光率的性能均为最优，同时300-700nm波段光被全部吸收。稳定性实验中发现，放置在空气中3个月，波长无漂移，高透区的透光率没有发生变化。

进一步分析可知，实施例4和实施例6的总层数相同，制备工艺相近，但是实施例4中以蓝宝石玻璃为基体制备的近红外滤光片性能相较于实施例6中的以普通玻璃为基体的性能好，说明蓝宝石玻璃作为近红外滤光片的基体制备得到的近红外滤光片性能更为优秀。

更进一步地分析可知，对比例1层数为19层，滤光层厚度为3213nm；对比例2层数为27层，滤光层厚度为2632nm。对比例1-2的近红外滤光片在1530-1570nm波段的透光率可以达到91％，但是在330nm-1400nm波段的透光率却明显高于实施例1-6中近红外滤光片，说明对比例1-2的近红外滤光片对光的选择性透过性较差，不能达到良好的滤光效果，进一步说明本申请中的SiO₂膜层与所述SiH膜层的层数之和和滤光层的厚度的限定相较于对比例1-2具有更好的效果。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。