[發(fā)明專利]一種可見光與長波紅外全介質薄膜分色元件及設計方法

有效

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• 申請日: 2017-08-15
• 公開（公告）號: CN107479190B
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發(fā)明（設計）人: 劉華松;陳丹;姜玉剛;王利栓;楊霄;季一勤
• 申請（專利權）人: 天津津航技術物理研究所
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B5/20;G02B5/26
• 代理公司: 中國兵器工業(yè)集團公司專利中心 11011
• 代理人: 祁恒

本發(fā)明屬于光學薄膜技術領域，特別是有關光學分光的薄膜技術，具體涉及一種可見光波段(0.4～0.7μm)反射和長波紅外波段(7～10μm)透射的全介質薄膜分色元件及設計方法。與傳統(tǒng)的介質?金屬?介質膜系結構不同，本發(fā)明提出的分色元件，在ZnS或ZnSe基底上采用全介質薄膜材料設計，按照可見光反射紅外透射的方式進行分光，可見光平均分光效率達到80％以上，長波紅外平均分光效率達到96％以上。

技術領域

本發(fā)明屬于光學薄膜技術領域，特別是有關光學分光的薄膜技術，具體涉及一種可見光波段(0.4～0.7μm)反射和長波紅外波段(7～10μm)透射的全介質薄膜分色元件及設計方法。

背景技術

在現(xiàn)代國防和國民經(jīng)濟領域，光電探測與成像是現(xiàn)代光學技術的重要應用方向之一。為了充分利用目標的電磁反射特性獲取目標足夠多的信息，多光譜復合成像與探測技術是重要的發(fā)展趨勢之一，該技術可以同時探測多個譜段的信息,而分色片可把入射光束分別導入到不同波段成像模塊中。目前在軍事上采用的或發(fā)展的多模復合導引頭，主要采用雙模復合的方式，包括紫外/紅外、可見光/紅外、激光/紅外、微波/紅外和毫米波/紅外、毫米波/紅外成像等。無論哪種復合制導技術中，分色元件是整個成像系統(tǒng)中的核心元件。

目前，國內(nèi)外對可見光與紅外分光的方法主要是采用金屬誘導透射的方法來實現(xiàn)，使用介質～金屬～介質的多層膜進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)可見光波段透射和紅外波段反射。1994年，北京理工大學傅共民等人完成了可見區(qū)0.4～0.7μm高透、中遠紅外2～14μm高反的分光鏡的最佳設計，給出了金屬薄膜的最佳設計結果；2009年，西安應用研究所劉永強等人研制成功的具有0.45～1.1μm透過，中遠紅外8～12μm高反射的寬光譜分色片，光譜平均透過率大于80％，平均反射率大于91％。

基于介質～金屬～介質膜系結構的分色濾光片，膜層結構簡單制備周期短，但極薄的金屬層對整個光譜性能很敏感，在實際制備條件下，解決銀膜光學常數(shù)的測定、膜系優(yōu)化設計和工藝一體化問題是分光膜成功的關鍵。

除了上述的介質～金屬～介質膜系結構的分光膜，采用全介質薄膜也是另一種方案。2009年，美國Rugate Technologies公司的Thomas Rahmolow等人設計并制備了用于多波段反射紅外熱像儀的濾光片，其中涉及超寬波段分色濾光片的設計和制備，使用了兩種薄膜材料進行設計。2010年，章岳光等人研制短波紅外1.0～2.3μm和長波紅外8.0～12.0μm分色片，以硒化鋅為基板,采用Ge、ZnSe和YbF₃作為薄膜材料進行了優(yōu)化設計，采用電子束蒸發(fā)技術制備了分色膜，其反射率和透射率都達到了93％以上。RonaldA等人研制了可見光反射長波紅外透射的元件，使用ZnS、ThF₄和MgF₂薄膜材料進行多層膜設計和制備，實現(xiàn)了0.6～0.9μm波段范圍的反射率達到80％以上，8～12μm波段范圍的透過率達到90％。綜上所述，分色薄膜的重點是在保證分光特性的基礎上，力爭減小薄膜的總厚度和降低薄膜的制備難度，同時降低應力帶來的面形變化，

基于上述的研究基礎，本發(fā)明提出可見光反射、長波紅外透射的一種分色元件，分光方式與傳統(tǒng)的介質～金屬～介質分光膜不同，避免了極薄金屬薄膜制備工藝差等問題，同時采用的雙面薄膜具有應力匹配等特點，可有效降低基板表面的形變。分色元件可實現(xiàn)可見光反射率達到80％以上，長波紅外的透過率達到95％以上。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術問題

本發(fā)明提出一種可見光與長波紅外全介質薄膜分色元件及設計方法，以解決如何在可見光與紅外光共光路的情況下，將可見光(0.4～0.7μm)和長波紅外(7～10μm)分光，并且盡可能提高分光效率的技術問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出一種可見光與長波紅外全介質薄膜分色元件的設計方法，該設計方法包括如下步驟：