超薄高性能聚合物干涉濾光片的制造新技術(shù)簡析

改變超薄高性能聚合物干涉濾光片制造的范式。制造這種重要的光學(xué)系統(tǒng)組件的新方法將生產(chǎn)時間縮短到數(shù)小時，而不是數(shù)天，并增加了設(shè)計靈活性。

圖1：單片聚合物堆在一個方向上通過加熱區(qū)，形成過濾器。

光學(xué)系統(tǒng)中最常見的組件之一是濾光片，它可以將特定波長傳輸?shù)綐悠坊?a target="_blank">檢測器，并吸收或反射其余波長。盡管在過去的15年中出現(xiàn)了新的波長選擇方法（如全息超材料和體布拉格光柵, holographic metamaterials and volume Bragg gratings），但大多數(shù)老牌濾光片公司仍在使用傳統(tǒng)方法制造分層干涉濾光片。

所有干涉濾光片都由高折射率和低折射率的交替材料層組成；這些層的相對厚度決定了濾光片的光譜性能。傳統(tǒng)濾光片制造商使用真空鍍膜室一次制備一層。Everix正在通過使用聚合物熱拉伸工藝同時制備所有層來改變這種模式（見圖1）。

在干涉濾光片中，每層界面透射和反射一部分光，導(dǎo)致波長特定的相長和相消干涉，從而調(diào)節(jié)給定光譜帶是通過濾光片還是被其反射。大多數(shù)干涉濾光片的設(shè)計采用不吸收光的材料；它要么被反射，要么被透射（文獻1）。

制造商使用真空工藝制備干涉濾光片已有數(shù)十年。但現(xiàn)在，Everix公司正在完善一種高度可擴展的方法，該方法使用類似于纖維拉絲的技術(shù)生產(chǎn)高性能塑料干涉濾光片（見圖2）。首先，將大型聚合物預(yù)制件按正確比例組裝成多層。然后，將該預(yù)制件在一個方向上加熱并拉伸（熱拉伸），以制成光譜映射的薄片，檢查并切成濾光片。許多變量，包括加熱曲線、速度、網(wǎng)張力等，在整個過程中都受到控制。該公司擁有該領(lǐng)域30多項專利，自2015年以來一直在不斷改進該工藝，以在拉伸過程中同時監(jiān)測和控制所有參數(shù)（文獻2-5）。

其他制造低性能，且大幅面塑料過濾器的工藝也出現(xiàn)了，盡管最常見的是用于大面積窗戶膜和顯示器市場。在3M和Toray薄膜的帶領(lǐng)下，這些聚合物片材采用共擠成型技術(shù)制備，并使用干涉物理學(xué)來獲得視覺上吸引人的反射表面，并執(zhí)行紅外（IR）阻斷等基本功能。然而，這些過濾器主要用于美學(xué)或與其他高性能過濾器元件一起使用，因此它們的光譜要求比熱拉過濾器寬松得多。

與基于真空的方法相比

60多年前建立的真空過濾器制造工藝使用熱蒸發(fā)薄膜，通常用環(huán)氧樹脂和蓋玻片保護，而過去15至20年的更現(xiàn)代的方法使用離子輔助和濺射在玻璃基材表面產(chǎn)生硬氧化膜。早期的層壓過濾器通常有幾毫米厚，有幾層玻璃、涂層和環(huán)氧樹脂，以實現(xiàn)所需的光譜。表面涂層過濾器要薄得多（通常為1至2毫米），但容易劃傷、碎裂、破裂和表面污染。相比之下，Everix過濾器由聚合物層形成并嵌入其中，聚合物層非常薄，有些柔軟，對碎裂和破裂不太敏感。此外，由于干涉層嵌入較厚的丙烯酸蓋之間，蓋上的小劃痕不會影響整體性能。過濾器總厚度通常為0.05至0.5毫米。

真空沉積和拉伸聚合物過濾器都使用相同的原理（數(shù)百層之間的干涉）工作，因此任何一種方法都可以實現(xiàn)優(yōu)異的性能（見上表）。然而，新的熱拉伸方法具有幾個優(yōu)點：

速度高：真空沉積方法可能需要幾天時間才能完成一個過濾器，特別是在生產(chǎn)復(fù)雜設(shè)計時。特別是，濺射方法非常緩慢。相比之下，新方法將聚合物預(yù)成型件組裝成整體，并在一步法中制造過濾器，在幾個小時內(nèi)從預(yù)成型件到過濾器。

可擴展性：真空室的大小，通常約為1平方米，限制了真空沉積工藝可以制造的過濾器數(shù)量。使用Everix工藝，預(yù)成型件的尺寸決定了批量大小，因此擴展很簡單。

靈活性：除了原始過濾器抽吸能力外，新方法還可以利用其他在線處理方法：包括在線光譜測量和激光切割。Everix使用CNC激光切割，可以在幾分之一秒內(nèi)切割出客戶想要的幾乎任何形狀。激光切割機還密封了過濾器的邊緣，因此零件不會隨著時間的推移而分層。該公司花了數(shù)年時間完善其過濾器的激光切割工藝，以最大限度地減少邊緣效應(yīng)并產(chǎn)生密封邊緣。

相比之下，真空鍍膜板在光譜測量之前必須先卸下。此外，通常使用機械切割（切片）和機械鉆孔等標(biāo)準(zhǔn)玻璃切割技術(shù)，因此定制形狀更難實現(xiàn)良好的產(chǎn)量。特別是機械鉆孔，這是一個非常緩慢的過程，涉及在犧牲層（sacrificial layers）之間阻擋玻璃過濾器以減少邊緣碎裂，然后用孔鋸切割，解塊和清洗。

形狀因素：由于熱拉濾光片無需基材，因此它們比典型的玻璃基干涉濾光片薄2至10倍。由于它們的厚度和主要由光學(xué)級丙烯酸（一種比玻璃輕得多的材料）制成，因此它們重量更輕。此外，濾光片可以添加背膠或可以環(huán)氧樹脂粘合到其他組件上，以實現(xiàn)獨特的光學(xué)設(shè)計可能性。最后，眾所周知，干涉濾光片隨著入射角（AOI）的變化而呈現(xiàn)出藍(lán)色光譜偏移。由于它們是由熱塑性塑料制成的，Everix濾光片可以3D成型，以減少或消除AOI對光譜的影響。

與吸光度濾光片相比

最古老的光學(xué)濾波方法是吸光度濾光片（absorbance filter），用于制作教堂窗戶和裝飾藝術(shù)中使用的“彩色玻璃”，在科學(xué)家和工程師使用之前已有數(shù)千年的歷史。在真空室和干涉濾光片出現(xiàn)之前，這種方法是波長選擇的唯一選擇。雖然吸光度濾光片沒有表現(xiàn)出明顯的AOI效應(yīng)，并且可以成功用于長波長范圍的阻斷，但它們的使用受到基質(zhì)中發(fā)色團的溶解度和合適發(fā)色團可用性的限制。

許多干涉濾光片公司使用有色吸光濾光玻璃與干涉堆疊結(jié)合，用于長波長范圍的阻斷。干涉層直接沉積在有色玻璃上，或濾光片基材用環(huán)氧樹脂粘合到有色玻璃上，以提供所需的阻斷。相比之下，Everix及其定制材料供應(yīng)商配制了定制的染料摻雜塑料，直接將其納入聚合物濾光片設(shè)計中。這些混合濾光片將吸收和干涉結(jié)合在一起。由于它們被封裝，聚合物吸光濾光片不會像許多有色玻璃常見的表面起霧那樣出現(xiàn)劣化。

Everix大規(guī)模提供高性能光學(xué)過濾器，用于消費市場（如AR/VR、可穿戴健康監(jiān)測）、微型和護理點診斷（如內(nèi)窺鏡、便攜式PCR機）以及物聯(lián)網(wǎng)和其他低成本、輕量級傳感器（如一次性食品傳感器、無人機安裝傳感器），為這些市場提供高性能、重量輕、形狀系數(shù)小、批量成本低的過濾器。

審核編輯：劉清