940nm濾光片的設(shè)計(jì)、制備及低角度效應(yīng)的研究

唐家建，沈龍海，仲維平，李 想，羅 皓

940nm濾光片的設(shè)計(jì)、制備及低角度效應(yīng)的研究

唐家建，沈龍海，仲維平，李 想，羅 皓

（沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽 110000）

本文對人臉識別中使用的940nm窄帶濾光片進(jìn)行設(shè)計(jì)及制備，研制一種具有低角度效應(yīng)的窄帶濾光片。選擇TiO2、SiO2作為高、低折射率材料，在Essential Macleod軟件中對膜系進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過改變間隔層材料對膜系進(jìn)行優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)的膜系層數(shù)為11，膜系總厚度為2480.76nm。采用電子束熱蒸發(fā)沉積技術(shù)對薄膜進(jìn)行鍍制，使用傅里葉紅外光譜儀完成透射率光譜特性測試。最終研制的濾光片中心波長為940 nm，在截止區(qū)間（200～1100 nm）內(nèi)，通帶透射率大于80%，平均截止透射率小于1%，0°～22°通帶偏移量為14 nm。

光學(xué)薄膜；窄帶濾光片；人臉識別；角度效應(yīng)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人臉識別在刷臉支付、刷臉打卡等信息領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。人臉識別系統(tǒng)主要由CCD、攝像鏡頭組和濾光片構(gòu)成，濾光片是過濾非成像光波段，提高人臉識別的精確度的一個(gè)核心光學(xué)元件，需要工作在特定的入射角范圍下。當(dāng)入射角超出特定角度范圍時(shí)，濾光片濾波特性會發(fā)生質(zhì)的改變，導(dǎo)致拍攝人臉圖像模糊，人臉識別精確度下降。

濾光片的角度效應(yīng)指入射角變化對濾波特性的影響[1-4]，為了降低入射角變化對濾波特性的影響，科研人員對低角度效應(yīng)濾光片進(jìn)行了相關(guān)研究。2013年，K. D. Hendrix等[1]研制出一種近紅外波段的低角度效應(yīng)濾光片，通帶透射率大于90%，入射角為0°～30°，通帶偏移量為12.2 nm，薄膜厚度超過5mm；2016年，毛克寧[2]使用氧化硅作為間隔層材料制備出一種具有低角度效應(yīng)的濾光片，當(dāng)入射角為0°～60°時(shí)，透過率峰的位置基本保持不變；2019年，劉冬梅[3]等使用Si-H、Si3N4及SiO2三種材料研制出61層具有低角度效應(yīng)的虹膜識別濾光片，入射角為0°～38°，通帶偏移量為19.2 nm；2020年，魏博洋等[4]使用Si-H和SiO2材料設(shè)計(jì)出71層用于3D成像的945nm窄帶濾光片，入射角為0°～38°，通帶偏移量為13nm。雖然這些濾光片都有較低的角度效應(yīng)，但是設(shè)計(jì)膜層數(shù)多，制備困難。在光學(xué)薄膜中通常使用TiO2和SiO2（高匹配度的材料組合）進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)，然而目前對于低膜層數(shù)及對低角度效應(yīng)的TiO2/SiO2窄帶濾光片研究較少。

通過對人臉識別系統(tǒng)的了解，本文對人臉識別中入射角小于22°的940nm窄帶濾光片進(jìn)行設(shè)計(jì)及制備。選擇高匹配度的TiO2和SiO2材料，以法布里珀羅干涉原理設(shè)計(jì)窄帶濾光片。通過改變間隔層材料，增加間隔層厚度，解決傳統(tǒng)濾光片膜層數(shù)多及角度效應(yīng)高的問題。最后使用電子束熱蒸發(fā)沉積技術(shù)制備濾光片，對制備的濾光片進(jìn)行了角度效應(yīng)和耐性測試。

1 設(shè)計(jì)

1.1 膜系材料選擇

綜合考慮膜層材料對薄膜的光學(xué)性能、機(jī)械及化學(xué)穩(wěn)定性等的影響，選用具有高匹配度的TiO2（＝2.2～2.3）和SiO2（＝1.46）作為膜層材料。TiO2具有很高的折射率，它與低折射率材料一起使用時(shí)，能夠提高截止帶的截止率并適當(dāng)降低膜系層數(shù)，減小膜系厚度；SiO2膜層牢固高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，蒸鍍技術(shù)成熟，容易控制[5-6]。

1.2 膜系設(shè)計(jì)

本文以法布里-玻羅干涉濾光片原理為基礎(chǔ)進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)，因?yàn)閱吻环ú祭?玻羅窄帶濾光片透射率曲線的通帶寬度、透射率峰的矩形度、陡度、截止透射率等性能均不理想，達(dá)不到使用要求，所以將多個(gè)單腔窄帶濾光片組合起來構(gòu)成多腔窄帶濾光片，最終設(shè)計(jì)的窄帶濾光片具有更好的光學(xué)性能[7]。

采用Essential Macleod軟件進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)，探索多腔法布里-玻羅干涉濾光片膜系的干涉的級次，反射層層數(shù)以及多腔串置腔的個(gè)數(shù)在對膜系的截止區(qū)、半寬度、矩形度和陡度等因素產(chǎn)生的影響[8-10]。綜合考慮膜系在后期的鍍制條件，以及設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，本文采用兩腔設(shè)計(jì)，干涉級次為一，反射層數(shù)為二，間隔層使用高折射率材料。

首先，以石英玻璃為基底進(jìn)行基礎(chǔ)膜系設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為：A(2、1、1)LA(2、1、1)，基礎(chǔ)膜系不同入射的角透射率曲線如圖1所示。由圖1可以看出，入射角為0°時(shí)，通帶峰值透射率大于95%，截止透射率小于5%，通帶半峰寬度為35nm；入射角為15°時(shí)，940nm處透射率大于90%，通帶偏移量為11nm。入射角為22°時(shí)，940nm處透射率小于90%，通帶偏移量為20nm。入射角變大，通帶向短波方向偏移。

為使膜層數(shù)更少，膜系具有更低的角度效應(yīng)，所以采用高折射率膜料替換膜系間隔層中的低折射率膜料，構(gòu)成高折射率間隔腔層，提升腔層的等效折射率*[11]。在不影響中心波長透射率、通帶半寬度、透射率峰的矩形度、陡度、峰值透射率和截止區(qū)的截止率等性能的條件下，大大減少膜層數(shù)，降低入射角靈敏度。優(yōu)化后的膜系為：HL(6H)LHLHL(6H)LH，膜層數(shù)為11層。相對基礎(chǔ)膜系，膜層數(shù)減少8層。

優(yōu)化后的膜系在入射角為0°、15°和22°時(shí)透射率曲線如圖2所示。由圖2可以看出，在入射光垂直入射時(shí)中心波長的峰值透射率大于95%，截止區(qū)的截止透射率小于5%，半波寬為44nm。當(dāng)入射角為22°時(shí)通帶的偏移量為14nm，940nm處透射率大于90%，滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合優(yōu)化后的透射率曲線，使用HGLP-850顏色玻璃抑制可見光波段雜散光干擾[12]，將所設(shè)計(jì)的膜系基底換為HGLP-850顏色玻璃，完成最終的膜系設(shè)計(jì)。

圖1 基礎(chǔ)膜系中不同入射角的透射率曲線

圖2 優(yōu)化后的膜系中不同入射角的透射率曲線

2 薄膜制備

本實(shí)驗(yàn)采用電子束熱蒸發(fā)技術(shù)制備TiO2和SiO2薄膜[13-14]，所使用的設(shè)備是成都南光機(jī)器有限公司生產(chǎn)的型號為ZZS-800電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)。在鍍膜之前，將HGLP-850顏色玻璃基片放在無水乙醇中超聲波清洗20min。蒸發(fā)的膜料為高純度TiO2和SiO2顆粒，電子槍預(yù)熔膜料前，腔體的本底真空度抽至7×10－4Pa。電子束蒸發(fā)鍍膜過程中，真空度為5.7×10－3Pa，電子槍電壓為8kV，TiO2和SiO2的電子束流分別是95mA與65mA。TiO2和SiO2的電子束流大小與預(yù)熔時(shí)相同，沉積速率為0.1nm/s。第3和第9層TiO2薄膜的物理厚度為626.67nm，其余TiO2膜層物理厚度均為104.44nm，SiO2膜層厚度均為104.44nm。整個(gè)鍍制過程由上海英?？倒旧a(chǎn)的SQC310膜厚控制儀自動(dòng)完成。鍍制完成的濾光片如圖3所示。

圖3 鍍制完成的940 nm窄帶濾光片

3 測試及分析

根據(jù)GJB 2485-95對光學(xué)薄膜附著力的測試標(biāo)準(zhǔn)，對TiO2/SiO2膜層，采用3M膠帶進(jìn)行測試，用膠帶反復(fù)粘連膜面，對膜面撕扯20次，膜層未出現(xiàn)脫落、損傷現(xiàn)象。將樣本放入沸水中煮30min，煮后的樣本無顏色變化、無脫膜現(xiàn)象，該濾光片在水汽和濕熱環(huán)境下有很好的防水汽性能。

光譜測試設(shè)備使用日本島津公司生產(chǎn)的IRPrestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀，制備的940nm窄帶濾光片的透射率光譜曲線如圖4所示。入射角為0°，窄帶濾光片工作中心波長為940nm，在截止區(qū)間（200～1100nm）內(nèi)，通帶峰值透射率為83.4%，通帶半寬度為45nm，平均截止透射率小于1%。入射角為22°，通帶向短波方向偏移量為14nm，透射率大于80%。綜上分析可得，940 nm窄帶濾光片在入射角為0°～22°時(shí)，通帶偏移量為14nm，940nm透射率大于80%，平均截止透射率小于1%。圖5為在800～1100nm局部放大的透射率光譜曲線。

4 結(jié)論

本文以法布里-珀羅干涉濾光片原理為基礎(chǔ)，利用Essential Macleod軟件設(shè)計(jì)低角度效應(yīng)的人臉識別窄帶濾光片，并使用電子束熱蒸發(fā)沉積技術(shù)制備了低角度效應(yīng)的人臉識別窄帶濾光片。通過實(shí)驗(yàn)分析，使用TiO2作為膜系間隔層材料，提升膜系等效折射率*，使濾光片的膜層數(shù)降低，改善角度效應(yīng)。光在0°～22°入射時(shí)，濾光片通帶透過率大于80%，偏移量為14 nm，截止率小于1%，數(shù)據(jù)能滿足人臉識別窄帶濾光片的技術(shù)指標(biāo)。采用TiO2和SiO2進(jìn)行設(shè)計(jì)和制備，使膜層附著力良好，不僅極大減少了膜層數(shù)量，降低了膜層厚度，而且還降低了薄膜制備的工藝要求。人臉識別系統(tǒng)中，低角度效應(yīng)窄帶濾光片不僅能緩解人臉識別系統(tǒng)角度受限的問題，而且還能增強(qiáng)系統(tǒng)對雜散光的抗干擾能力，提升人臉識別系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確性。

圖4 入射角為0°和22°時(shí)透射率光譜曲線

圖5 局部放大的通帶區(qū)間透射率光譜曲線

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Design and Fabrication of 940nm Filter and Research on Its Low Angle Effect

TANG Jiajian，SHEN Longhai，ZHONG Weiping，LI Xiang，LUO Hao

(,,110000,)

In this study, a 940-nm narrowband filter used for face recognition is designed and examined and a narrowband filter with low angle effect is developed. TiO2and SiO2are chosen as high and low refractive index materials, respectively. The film system is designed by using the Essential Macleod software and optimized by changing the material of the spacer layer. The film system has 11 layers and a total thickness of 2480.76 nm. The thin film is plated by using the electron beam thermal evaporation deposition technology, and the transmittance spectral characteristics are tested using a Fourier infrared spectrometer. The center wavelength of the finally developed filter is 940 nm. In the cut-off range (200 to 1100 nm), the pass-band transmittance is greater than 80%, average cut-off transmittance is less than 1%, and offset at 0° to 22° passband is 14 nm.

optical thin film, narrow band-pass filter, face recognition, angle effect

O484.4

A

1001-8891(2022)10-1041-04

2021-08-30；

2021-10-28.

唐家建（1999-），男，大學(xué)本科，主要從事光電薄膜制備方面研究。E-mail：2018918030@qq.com。

沈龍海（1977-），男，博士，教授，主要從事光電薄膜制備與物性的研究。E-mail：shenlonghai@163.com。

沈陽理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202010144004）。