超薄高性能聚合物干涉滤光片的制造新技术简析

改变超薄高性能聚合物干涉滤光片制造的范式。制造这种重要的光学系统组件的新方法将生产时间缩短到数小时，而不是数天，并增加了设计灵活性。

图1：单片聚合物堆在一个方向上通过加热区，形成过滤器。

光学系统中最常见的组件之一是滤光片，它可以将特定波长传输到样品或检测器，并吸收或反射其余波长。尽管在过去的15年中出现了新的波长选择方法（如全息超材料和体布拉格光栅, holographic metamaterials and volume Bragg gratings），但大多数老牌滤光片公司仍在使用传统方法制造分层干涉滤光片。

所有干涉滤光片都由高折射率和低折射率的交替材料层组成；这些层的相对厚度决定了滤光片的光谱性能。传统滤光片制造商使用真空镀膜室一次制备一层。Everix正在通过使用聚合物热拉伸工艺同时制备所有层来改变这种模式（见图1）。

在干涉滤光片中，每层界面透射和反射一部分光，导致波长特定的相长和相消干涉，从而调节给定光谱带是通过滤光片还是被其反射。大多数干涉滤光片的设计采用不吸收光的材料；它要么被反射，要么被透射（文献1）。

制造商使用真空工艺制备干涉滤光片已有数十年。但现在，Everix公司正在完善一种高度可扩展的方法，该方法使用类似于纤维拉丝的技术生产高性能塑料干涉滤光片（见图2）。首先，将大型聚合物预制件按正确比例组装成多层。然后，将该预制件在一个方向上加热并拉伸（热拉伸），以制成光谱映射的薄片，检查并切成滤光片。许多变量，包括加热曲线、速度、网张力等，在整个过程中都受到控制。该公司拥有该领域30多项专利，自2015年以来一直在不断改进该工艺，以在拉伸过程中同时监测和控制所有参数（文献2-5）。

其他制造低性能，且大幅面塑料过滤器的工艺也出现了，尽管最常见的是用于大面积窗户膜和显示器市场。在3M和Toray薄膜的带领下，这些聚合物片材采用共挤成型技术制备，并使用干涉物理学来获得视觉上吸引人的反射表面，并执行红外（IR）阻断等基本功能。然而，这些过滤器主要用于美学或与其他高性能过滤器元件一起使用，因此它们的光谱要求比热拉过滤器宽松得多。

与基于真空的方法相比

60多年前建立的真空过滤器制造工艺使用热蒸发薄膜，通常用环氧树脂和盖玻片保护，而过去15至20年的更现代的方法使用离子辅助和溅射在玻璃基材表面产生硬氧化膜。早期的层压过滤器通常有几毫米厚，有几层玻璃、涂层和环氧树脂，以实现所需的光谱。表面涂层过滤器要薄得多（通常为1至2毫米），但容易划伤、碎裂、破裂和表面污染。相比之下，Everix过滤器由聚合物层形成并嵌入其中，聚合物层非常薄，有些柔软，对碎裂和破裂不太敏感。此外，由于干涉层嵌入较厚的丙烯酸盖之间，盖上的小划痕不会影响整体性能。过滤器总厚度通常为0.05至0.5毫米。

真空沉积和拉伸聚合物过滤器都使用相同的原理（数百层之间的干涉）工作，因此任何一种方法都可以实现优异的性能（见上表）。然而，新的热拉伸方法具有几个优点：

速度高：真空沉积方法可能需要几天时间才能完成一个过滤器，特别是在生产复杂设计时。特别是，溅射方法非常缓慢。相比之下，新方法将聚合物预成型件组装成整体，并在一步法中制造过滤器，在几个小时内从预成型件到过滤器。

可扩展性：真空室的大小，通常约为1平方米，限制了真空沉积工艺可以制造的过滤器数量。使用Everix工艺，预成型件的尺寸决定了批量大小，因此扩展很简单。

灵活性：除了原始过滤器抽吸能力外，新方法还可以利用其他在线处理方法：包括在线光谱测量和激光切割。Everix使用CNC激光切割，可以在几分之一秒内切割出客户想要的几乎任何形状。激光切割机还密封了过滤器的边缘，因此零件不会随着时间的推移而分层。该公司花了数年时间完善其过滤器的激光切割工艺，以最大限度地减少边缘效应并产生密封边缘。

相比之下，真空镀膜板在光谱测量之前必须先卸下。此外，通常使用机械切割（切片）和机械钻孔等标准玻璃切割技术，因此定制形状更难实现良好的产量。特别是机械钻孔，这是一个非常缓慢的过程，涉及在牺牲层（sacrificial layers）之间阻挡玻璃过滤器以减少边缘碎裂，然后用孔锯切割，解块和清洗。

形状因素：由于热拉滤光片无需基材，因此它们比典型的玻璃基干涉滤光片薄2至10倍。由于它们的厚度和主要由光学级丙烯酸（一种比玻璃轻得多的材料）制成，因此它们重量更轻。此外，滤光片可以添加背胶或可以环氧树脂粘合到其他组件上，以实现独特的光学设计可能性。最后，众所周知，干涉滤光片随着入射角（AOI）的变化而呈现出蓝色光谱偏移。由于它们是由热塑性塑料制成的，Everix滤光片可以3D成型，以减少或消除AOI对光谱的影响。

与吸光度滤光片相比

最古老的光学滤波方法是吸光度滤光片（absorbance filter），用于制作教堂窗户和装饰艺术中使用的“彩色玻璃”，在科学家和工程师使用之前已有数千年的历史。在真空室和干涉滤光片出现之前，这种方法是波长选择的唯一选择。虽然吸光度滤光片没有表现出明显的AOI效应，并且可以成功用于长波长范围的阻断，但它们的使用受到基质中发色团的溶解度和合适发色团可用性的限制。

许多干涉滤光片公司使用有色吸光滤光玻璃与干涉堆叠结合，用于长波长范围的阻断。干涉层直接沉积在有色玻璃上，或滤光片基材用环氧树脂粘合到有色玻璃上，以提供所需的阻断。相比之下，Everix及其定制材料供应商配制了定制的染料掺杂塑料，直接将其纳入聚合物滤光片设计中。这些混合滤光片将吸收和干涉结合在一起。由于它们被封装，聚合物吸光滤光片不会像许多有色玻璃常见的表面起雾那样出现劣化。

Everix大规模提供高性能光学过滤器，用于消费市场（如AR/VR、可穿戴健康监测）、微型和护理点诊断（如内窥镜、便携式PCR机）以及物联网和其他低成本、轻量级传感器（如一次性食品传感器、无人机安装传感器），为这些市场提供高性能、重量轻、形状系数小、批量成本低的过滤器。

审核编辑：刘清