一种中波红外与长波红外波段分色元件及设计方法

摘要

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种中波和红外波段的高效分光、在中波波段同步滤除二氧化碳红外辐射波长的分色元件及设计方法。该分色元件基于ZnS或ZnSe材料作为基底，可以将中波红外波段(3～5μm)以反射的方式分离，3.5～4.1μm反射率达到96％以上，4.4～4.7μm反射率达到90％以上，二氧化碳波长的反射率为10％以下；透射方向含有二氧化碳波长和长波红外波段(7.5～9.7μm)，7.5～9.7μm波段的透过率为97％以上。

说明书

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种中波和红外波段的高效分光、在中波波段同步滤除二氧化碳红外辐射波长的分色元件及设计方法。

背景技术

随着红外物理与光电探测技术的发展，基于红外线的光电成像与探测技术成为现代光电技术的重要学科与技术分支，不仅在国防军事领域得到广泛应用，而且逐渐拓展到民用领域中。以红外精确制导领域内的应用为例，红外制导已经从点源探测制导发展到成像制导，实现了从光机扫描成像到焦平面阵列凝视成像的跨越，大大提高了红外成像的作用距离、制导精度和抗干扰能力等。

基于单一红外波段的成像已经得到广泛应用，随着光电对抗技术的发展和目标复杂性，单一波段波段工作体制的成像不能完全适应发展的需求。双色的成像方式兼有中波红外(3～5μm)和长波红外(8～14μm)两个波段的优势，在很多红外搜索跟踪系统中得到广泛应用。例如，美国海军舰艇自身防御系统(SSDS)的红外搜索与跟踪系统、美国天基红外卫星(SBIRS)计划的低轨空间导弹跟踪系统(SMTS)、法国的空海全景警戒红外(VAMPIR)系统、荷兰的SIRIUS红外搜索系统等。

双波段成像与探测的光学系统采用共光路的方式，主要有共光路共探测器和共光路分探测器。在共光路分波段探测中，需要将中波红外(3～5μm)和长波红外(8～14μm)两个波段分离，这就需要一种分色元件来实现，可以采取中波反射长波透射和长波反射中波透射的方式。单纯对中波和长波分光的方法已经有报道，但是同时在3～5μm波段中滤除二氧化碳波长的分色元件报道较少。

本发明基于中波反射长波透射的思想，提出一种可以实现中波红外(3～5μm)和长波红外(8～14μm)两个波段分离，并且在中波波段内滤除二氧化碳波长的分色元件。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种中波红外与长波红外波段分色元件及设计方法，以解决如何在实现中波红外波段(3～5μm)和长波红外波段(7～9.7μm)分光的同时，在中波红外波段滤除二氧化碳红外辐射波长(4.2μm±0.2μm)的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种中波红外与长波红外波段分色元件的设计方法，该方法包括如下步骤：

选定参考波长λ₀为4.2μm；选择基底材料Sub为ZnS或ZnSe，高折射率材料H为Ge，低折射率材料L为ZnS，甚低折射率材料A为YF₃；单位光学厚度为λ₀/4；

基底为平行平板结构，具有相对的第一表面和第二表面；

在第一表面设计反射中波红外、透射长波红外和二氧化碳波长的光学多层膜，其初始膜系结构为：

Sub|0.5H 1.2L 1.8H 0.3L 2.3H 1L 1.2H 1.2L 1H 2L 0.1H 2.5L 1H 1L 1.1H1.2L 2.3H 0.2L 1.6H 0.8L 1.1A 0.2H|Air

设定第一表面的膜系结构在λ₀±0.2μm波段的透过率为最大值，3～5μm其余波段的反射率为最大值，7.5～9.7μm波段的透过率为最大值；对第一表面的初始膜系结构进行优化，优化后的膜系结构为：

Sub|x₁H>2L>3H>4L……x₁₉H>20L>21A>22H|Air

其中，x₁～x₂₂为每层薄膜的光学厚度系数；

在第二表面设计长波红外和二氧化碳波长的减反射薄膜，其初始膜系结构为：

Sub|0.8H 0.6L 0.6H 0.2L 1.6H 1.8L 0.4H 1.8L 1.6H 0.4L 0.2H 1.8L|Air

设定第二表面的膜系结构在λ₀±0.2μm波段的透过率为最大值，7.5～9.7μm波段的透过率为最大值，对第二表面的初始膜系结构进行优化，优化后的膜系结构为：

Sub|y₁H>2L>3H>4L>5H>6L>7H>8L>9H>10L>11H>12L|Air

其中，y₁～y₁₂为每层薄膜的光学厚度系数；

最终的中波红外与长波红外波段分色元件的结构为：

Air|x₂₂H>21A>20H>19L……x₄H>3L>2H>1L|Sub|y₁H>2L>3H>4L>5H>6L>7Hy₈L>9H>10L>11H>12L|Air

分色元件的工作角度为45°。

进一步地，第一表面优化后的膜系结构为：

Sub|0.4225H 1.1963L 1.7653H 0.3175L 2.3051H 0.9988L 1.1537H 1.1317L0.9605H 1.9779L 0.1418H 2.3985L 0.9191H 1.0633L 1.0670H 1.1621L 2.2623H0.1787L 1.5784H 0.7884L 1.1462A 0.1832H|Air。

进一步地，第二表面优化后的膜系结构为：

Sub|0.3516H 0.2868L 0.2947H 0.1256L 0.7878H 0.9171L 0.2188H 0.8582L0.8469H 0.2373L 0.0984H 0.9363L|Air。

此外，本发明还提出一种中波红外与长波红外波段分色元件，该分色元件采用上述任一项的设计方法得到。

(三)有益效果

本发明提出的中波红外与长波红外波段分色元件及设计方法，基于ZnS或ZnSe材料作为基底，可以将中波红外波段(3～5μm)以反射的方式分离，3.5～4.1μm反射率达到96％以上，4.4～4.7μm反射率达到90％以上，二氧化碳波长的反射率10％以下；透射方向含有二氧化碳波长和长波红外波段(7.5～9.7μm)，7.5～9.7μm波段的透过率为97％以上。

附图说明

图1为本发明实施例分色元件的结构示意图；

图2为本发明实施例中ZnS基底的光学常数；

图3为本发明实施例中Ge薄膜的光学常数；

图4为本发明实施例中ZnS薄膜的光学常数；

图5为本发明实施例中YF₃薄膜的光学常数；

图6为本发明实施例中第一表面的光谱反射率；

图7为本发明实施例中第二表面的光谱透过率；

图8为本发明实施例分色元件中波红外波段的分光效率曲线；

图9为本发明实施例分色元件长波红外波段的分光效率曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例提出一种中波红外与长波红外波段分色元件及其设计方法，设计方法包括如下步骤：

分色元件的结构，如图1所示。基底为平行平板结构，具有相对的第一表面A面和第二表面B面。

选定参考波长λ₀为4.2μm；选择基底材料Sub为ZnS，其光学常数如图2所示；高折射率材料H为Ge，其光学常数如图3所示；低折射率材料L为ZnS，其光学常数如图4所示；甚低折射率材料A为YF₃，其光学常数如图5所示；单位光学厚度为λ₀/4。

在第一表面A面设计反射中波红外、透射长波红外和二氧化碳波长的光学多层膜，其初始膜系结构为：

Sub|0.5H 1.2L 1.8H 0.3L 2.3H 1L 1.2H 1.2L 1H 2L 0.1H 2.5L 1H 1L 1.1H1.2L 2.3H 0.2L 1.6H 0.8L 1.1A 0.2H|Air

设定第一表面的膜系结构在4.0μm～4.4μm波段的透过率为最大值，3～5μm其余波段的反射率为最大值，7.5～9.7μm波段的透过率为最大值；对第一表面的初始膜系结构进行优化，优化后的膜系结构为：

Sub|0.4225H 1.1963L 1.7653H 0.3175L 2.3051H 0.9988L 1.1537H 1.1317L0.9605H 1.9779L 0.1418H 2.3985L 0.9191H 1.0633L 1.0670H 1.1621L 2.2623H0.1787L 1.5784H 0.7884L 1.1462A 0.1832H|Air。

第一表面的薄膜物理厚度为9.09μm，其光谱反射率如图6所示。

在第二表面B面设计长波红外和二氧化碳波长的减反射薄膜，其初始膜系结构为：

Sub|0.8H 0.6L 0.6H 0.2L 1.6H 1.8L 0.4H 1.8L 1.6H 0.4L 0.2H 1.8L|Air

设定第二表面的膜系结构在4.0～4.4μm波段的透过率为最大值，7.5～9.7μm波段的透过率为最大值，对第二表面的初始膜系结构进行优化，优化后的膜系结构为：

Sub|0.3516H 0.2868L 0.2947H 0.1256L 0.7878H 0.9171L 0.2188H 0.8582L0.8469H 0.2373L 0.0984H 0.9363L|Air。

第二表面的薄膜物理厚度为4.28μm，其光谱透过率如图7所示。

本实施例的分色元件的工作角度为45°。中波红外波段(3～5μm)以反射的方式分离，分光效率如图8所示，其中3.5～4.1μm反射率达到96％以上，4.4～4.7μm反射率达到90％以上，二氧化碳波长的反射率10％以下；长波红外波段(7.5～9.7μm)以透射的方式分离，分光效率如图9所示，透射方向含有二氧化碳波长和长波红外波段(7.5-9.7μm)，7.5～9.7μm波段的透过率为97％以上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。