一种可见光与长波红外全介质薄膜分色元件及设计方法技术

本发明专利技术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，本发明专利技术提出的分色元件，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。

A color separation element and design method for visible and long wave infrared all dielectric thin films

The invention belongs to the field of optical thin film technology, in particular to the optical thin film technology, specifically relates to a visible dielectric band (0.4 to 0.7 m) reflection and long wave infrared band (7~10 m) transmission all dielectric thin film color separation element and design method. Different media and traditional metal dielectric film structure, dichroic element provided by the invention, used in the ZnS or ZnSe substrate all dielectric thin film materials are divided according to the design, light visible light reflection infrared transmission way, the average visible light efficiency can reach above 80%, long wave infrared light average efficiency can reach 96% above.

【技术实现步骤摘要】
一种可见光与长波红外全介质薄膜分色元件及设计方法
本专利技术属于光学薄膜
，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。
技术介绍
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RugateTechnologies公司的ThomasRahmolow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，本专利技术提出可见光反射、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。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术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，本专利技术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：选定参考波长λ0为0.55μm，单位光学厚度为λ0/4；选择基底Sub为ZnS或ZnSe；甚高折射率材料A为Ge，高折射率材料H为ZnS，低折射率材料L为YF3；基底为平行平板结构，具有相对的第一表面和第二表面；在第一表面设计可见光反射和长波红外透射的光学多层膜，其初始膜系结构为：Sub|6A6H17A5L1A2H0.8A2H0.8A1L0.9H1L0.9H|Air设定第一表面的膜系结构在λ0±0.15μm的波段范围内反射率为最大值，7～10μm波段的透射率为最大值；对第一表面的膜系结构进行优化，优化后的膜系结构为：Sub|x1Ax2Hx3Ax4Lx5Ax6Hx7Ax8Hx9Ax10Lx11Hx12Lx13H|Air其中，x1～x13分别为每层薄膜的光学厚度系数；在第二表面设计长波红外透射的减反射薄膜，其初始膜系结构为：Sub|5.9A1.1L25.6A6.1H4.2L5.5H|Air设定第二表面的膜系结构在7～10μm的透过率为最大值，对第二表面的膜系结构进行优化，优化后的膜系结构为：Sub|y1Hy2Ly3Hy4Ly5Hy6L|Air其中，y1～y6分别为每层薄膜的光学厚度系数；最终的中波红外与长波红外分色元件的结构为：Air|x13Hx2Lx11Hx10Lx9Ax8Hx7Ax6Hx5Ax4Lx3Ax2Hx1A|Sub|y1Hy2Ly3Hy4Ly5Hy6L|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|6.2909A5.8140H17.2803A4.7935L1.0191A1.9700H0.8362A2.0723H0.8011A1.0051L0.8961H1.0646L0.8865H|Air。进一步地，第二表面优化后的膜系结构为：Sub|5.8815A1.1000L26.3327A6.0937H4.2000L5.1938H|Air。此外，本专利技术还提出一种可见光与长波红外全介质薄膜分色元件，该分色元件采用上述任一项的设计方法得到。(三)有益效果本专利技术提出的可见光与长波红外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，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。附图说明图1为本专利技术实施例分色元件结构示意图；图2为本专利技术实施例ZnS基底的光学常数；图3为本专利技术实施例Ge薄膜的光学常数；图4为本专利技术实施例ZnS薄膜的光学常数；图5为本专利技术实施例YF3薄膜的光学常数；图6为本专利技术实施例第一表面的光谱反射率曲线；图7为本专利技术实施例第二表面的光谱透过率曲线；图8为本专利技术实施例分色元件的可见光波段分光效率曲线；图9为本专利技术实施例分色元件的长波波段分光效率曲线。具体实施方式为使本专利技术的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。本实施例基于可见光波段反射、长波红外透过的思想，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。在平行平板材料上使用光学多层膜，工作角度为45°，可以实现可见光波段(0.4～0.7μm)和长波红外波段(7～10μm)的分光。平行平板的第一个表面A设计可见光反射和长波红外透射的光学多层膜，第二个表面B设计长波红外透射的减反射薄膜。该分色元件的结构如图1所示。本实施例提出的可见光与长波红外全介质薄膜分色元件的设计方法，包括如下步骤：选定参考波长λ0为0.55μm，单位光学厚度为λ0/4。选择基底Sub为ZnS，ZnS基底的光学常数如图2所示。甚高折射率材料A为Ge，光学常数如图3所示；高折射率材料H为ZnS，光学常数如图4所示；低折射率材料L为YF3，光学常数如图5所示。在第一表面A上设计可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可见光与长波红外全介质薄膜分色元件的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：选定参考波长λ0为0.55μm，单位光学厚度为λ0/4；选择基底Sub为ZnS或ZnSe；甚高折射率材料A为Ge，高折射率材料H为ZnS，低折射率材料L为YF3；所述基底为平行平板结构，具有相对的第一表面和第二表面；在所述第一表面设计可见光反射和长波红外透射的光学多层膜，其初始膜系结构为：Sub|6A 6H 17A 5L 1A 2H 0.8A 2H 0.8A 1L 0.9H 1L 0.9H|Air设定所述第一表面的膜系结构在λ0±0.15μm的波段范围内反射率为最大值，7～10μm波段的透射率为最大值；对所述第一表面的膜系结构进行优化，优化后的膜系结构为：Sub|x1A x2H x3A x4L x5A x6H x7A x8H x9A x10L x11H x12L x13H|Air其中，x1～x13分别为每层薄膜的光学厚度系数；在所述第二表面设计长波红外透射的减反射薄膜，其初始膜系结构为：Sub|5.9A 1.1L 25.6A 6.1H 4.2L 5.5H|Air设定所述第二表面的膜系结构在7～10μm的透过率为最大值，对所述第二表面的膜系结构进行优化，优化后的膜系结构为：Sub|y1H y2L y3H y4L y5H y6L|Air其中，y1～y6分别为每层薄膜的光学厚度系数；最终的中波红外与长波红外分色元件的结构为：Air|x13H x2L x11H x10L x9A x8H x7A x6H x5A x4L x3A x2H x1A|Sub|y1H y2L y3H y4L y5H y6L|Air所述分色元件的工作角度为45°。...

【技术特征摘要】
1.一种可见光与长波红外全介质薄膜分色元件的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：选定参考波长λ0为0.55μm，单位光学厚度为λ0/4；选择基底Sub为ZnS或ZnSe；甚高折射率材料A为Ge，高折射率材料H为ZnS，低折射率材料L为YF3；所述基底为平行平板结构，具有相对的第一表面和第二表面；在所述第一表面设计可见光反射和长波红外透射的光学多层膜，其初始膜系结构为：Sub|6A6H17A5L1A2H0.8A2H0.8A1L0.9H1L0.9H|Air设定所述第一表面的膜系结构在λ0±0.15μm的波段范围内反射率为最大值，7～10μm波段的透射率为最大值；对所述第一表面的膜系结构进行优化，优化后的膜系结构为：Sub|x1Ax2Hx3Ax4Lx5Ax6Hx7Ax8Hx9Ax10Lx11Hx12Lx13H|Air其中，x1～x13分别为每层薄膜的光学厚度系数；在所述第二表面设计长波红外透射的减反射薄膜，其初始膜系结构为：Sub|5.9A1.1L25.6A6.1H4.2L5.5H|Air设定所述第二表面的膜系结构在7～10μm的透...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘华松，陈丹，姜玉刚，王利栓，杨霄，季一勤，
申请(专利权)人：天津津航技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12