[发明专利]一种可见光与长波红外全介质薄膜分色元件及设计方法

说明书

本发明属于光学薄膜技术领域，特别是有关光学分光的薄膜技术，具体涉及一种可见光波段(0.4～0.7μm)反射和长波红外波段(7～10μm)透射的全介质薄膜分色元件及设计方法。与传统的介质‑金属‑介质膜系结构不同，本发明提出的分色元件，在ZnS或ZnSe基底上采用全介质薄膜材料设计，按照可见光反射红外透射的方式进行分光，可见光平均分光效率达到80％以上，长波红外平均分光效率达到96％以上。

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，特别是有关光学分光的薄膜技术，具体涉及一种可见光波段(0.4～0.7μm)反射和长波红外波段(7～10μm)透射的全介质薄膜分色元件及设计方法。

背景技术

在现代国防和国民经济领域，光电探测与成像是现代光学技术的重要应用方向之一。为了充分利用目标的电磁反射特性获取目标足够多的信息，多光谱复合成像与探测技术是重要的发展趋势之一，该技术可以同时探测多个谱段的信息,而分色片可把入射光束分别导入到不同波段成像模块中。目前在军事上采用的或发展的多模复合导引头，主要采用双模复合的方式，包括紫外/红外、可见光/红外、激光/红外、微波/红外和毫米波/红外、毫米波/红外成像等。无论哪种复合制导技术中，分色元件是整个成像系统中的核心元件。

目前，国内外对可见光与红外分光的方法主要是采用金属诱导透射的方法来实现，使用介质～金属～介质的多层膜进行优化设计，实现可见光波段透射和红外波段反射。1994年，北京理工大学傅共民等人完成了可见区0.4～0.7μm高透、中远红外2～14μm高反的分光镜的最佳设计，给出了金属薄膜的最佳设计结果；2009年，西安应用研究所刘永强等人研制成功的具有0.45～1.1μm透过，中远红外8～12μm高反射的宽光谱分色片，光谱平均透过率大于80％，平均反射率大于91％。

基于介质～金属～介质膜系结构的分色滤光片，膜层结构简单制备周期短，但极薄的金属层对整个光谱性能很敏感，在实际制备条件下，解决银膜光学常数的测定、膜系优化设计和工艺一体化问题是分光膜成功的关键。

除了上述的介质～金属～介质膜系结构的分光膜，采用全介质薄膜也是另一种方案。2009年，美国Rugate Technologies公司的Thomas Rahmolow等人设计并制备了用于多波段反射红外热像仪的滤光片，其中涉及超宽波段分色滤光片的设计和制备，使用了两种薄膜材料进行设计。2010年，章岳光等人研制短波红外1.0～2.3μm和长波红外8.0～12.0μm分色片，以硒化锌为基板,采用Ge、ZnSe和YbF₃作为薄膜材料进行了优化设计，采用电子束蒸发技术制备了分色膜，其反射率和透射率都达到了93％以上。RonaldA等人研制了可见光反射长波红外透射的元件，使用ZnS、ThF₄和MgF₂薄膜材料进行多层膜设计和制备，实现了0.6～0.9μm波段范围的反射率达到80％以上，8～12μm波段范围的透过率达到90％。综上所述，分色薄膜的重点是在保证分光特性的基础上，力争减小薄膜的总厚度和降低薄膜的制备难度，同时降低应力带来的面形变化，

基于上述的研究基础，本发明提出可见光反射、长波红外透射的一种分色元件，分光方式与传统的介质～金属～介质分光膜不同，避免了极薄金属薄膜制备工艺差等问题，同时采用的双面薄膜具有应力匹配等特点，可有效降低基板表面的形变。分色元件可实现可见光反射率达到80％以上，长波红外的透过率达到95％以上。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种可见光与长波红外全介质薄膜分色元件及设计方法，以解决如何在可见光与红外光共光路的情况下，将可见光(0.4～0.7μm)和长波红外(7～10μm)分光，并且尽可能提高分光效率的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种可见光与长波红外全介质薄膜分色元件的设计方法，该设计方法包括如下步骤：