CN107367776B - 一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热辐射可控的光学窗口薄膜，具体涉及一种红外光学窗口长波透明区的热辐射调控方法。其主要特征是：基于碳化锗薄膜和类金刚石薄膜组合，设计出迎风面两层增透保护膜；基于硫化锌薄膜和氟化钇薄膜组合，设计出背风面的减反射薄膜；主要设计思想是背风面的剩余反射率低于迎风面的剩余反射率，最终实现背风面的辐射率小于基底本身的辐射率。本发明可应用于具有热辐射控制需求的长波红外光学成像系统的光学窗口。

Description

一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，涉及是有关红外成像系统光学窗口薄膜特性控制技术，尤其涉及一种热辐射可控的一体化结构红外光学窗口薄膜设计方法。
背景技术
随着红外物理与器件技术的发展，基于被动红外的成像与探测技术被广泛应用于科研和国防领域内。光学窗口作为红外成像与探测技术的重要光学组件，在高速飞行的气动加热下产生的气动光学效应，降低光学探测系统对目标探测信噪比，进而减小对目标探测距离，严重时甚至形成“热障”而淹没需探测目标信号。光学窗口所处的环境与飞行高度和速度相关，例如在10km高空3Ma速度飞行可达到350℃。以长波红外探测与成像为主要应用背景，硫化锌材料成为目前光学窗口的最佳选择，一方面即需要提高光学窗口在长波红外的透过率，另一方又要降低窗口在热作用下的向光学系统内辐射的长波红外线。因此如何对红外光学窗口的热辐射率和透过率同步控制成为难题。
为了满足更高的飞行速度和恶劣的飞行环境，人们认为采用窗口制冷的方法可以有效地控制窗口的温度升高，达到抑制热辐射的热应力的问题，提高窗口的光学性能的结构稳定性。目前已经研究的窗口冷却方式主要有薄膜冷却、冲击冷却，内部冷却、被动气动隔热等。然而，由于硫化锌材料的折射率较高(～2.2)，单面剩余反射率达到～14％，因此需要对光学窗口迎风面和背风面进行减反射处理。尽管可以采取制冷的方式对窗口进行冷却，但是由于薄膜的减反射处理带来的窗口辐射率的变化仍需要考虑，具有低发射率的窗口也会产生高的背景辐射通量而导致红外探测系统灵敏度降低，因此如何降低窗口背风方向的辐射是值得关注的问题之一。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：针对工作在7.5-9.7um波段范围的硫化锌光学窗口，通过提供一种迎风面增透保护和背风面减反射的方法，提供一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，用于提高光学窗口的透过率和降低背风方向的热辐射率。本方法设计出的光学窗口薄膜在实际制备中具有较强的可实现性。
(二)技术方案
一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，光学窗口的两个表面分别记为A面和B面，其中A面为迎风面，进行增透保护薄膜处理，B面为背风面，进行减反射薄膜处理。
优选地，上述的一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，迎风面的增透保护膜设计方法：选择高折射率材料：选择碳化锗薄膜和低折射率材料：类金刚石薄膜两种薄膜材料，以迎风面的剩余反射率Rfront(λ)作为优化设计目标，λ的范围为7.5-9.7um，中心波长λ0＝8μm，获得迎风面的膜系结构为：
Sub/x2H’x1L’/Air
其中，基底Sub为硫化锌光学窗口材料，H’和L’分别代表迎风面的高折射率和低折射率材料，x1和x2分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4。
优选地，上述的一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，背风面的减反射设计方法：选择高折射率和低折射率材料两种薄膜材料，以背风面的剩余反射率Rrear(λ)作为优化设计目标，λ的范围为7.5-9.7um，中心波长λ0＝8μm，获得背风面的膜系结构为：
Sub/x3L x4H/Air
其中，基底Sub为硫化锌光学窗口材料，H和L分别代表背风面的高折射率和低折射率材料，x3和x4分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4；折射率和低折射率材料分别为硫化锌和氟化钇。
优选地，上述的一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，满足参数设置为迎风面的剩余反射率Rfront(λ)小于背风面的剩余反射率Rrear(λ)。
优选地，上述的一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，设计出的光学窗口薄膜结构如下：
Air/x1L x2H/Sub/x3L x4H/Air
对四个光学厚度系数x1～x4进行确定，使光学窗口的反射率最小化R(λ)和透射率最大化T(λ)。
一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，该方法包括如下内容：
1)迎风面的增透保护膜设计方法：
选择高折射率材料：选择碳化锗薄膜和低折射率材料：类金刚石薄膜两种薄膜材料，以迎风面的剩余反射率Rfront(λ)作为优化设计目标，λ的范围为7.5-9.7um，中心波长λ0＝8μm，获得迎风面的膜系结构为：
Sub/x2H’x1L’/Air
其中，基底Sub为硫化锌光学窗口材料，H’和L’分别代表迎风面的高折射率和低折射率材料，x1和x2分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4；
2)背风面的减反射设计方法：选择高折射率和低折射率材料两种薄膜材料，以背风面的剩余反射率Rrear(λ)作为优化设计目标，λ的范围为7.5-9.7um，中心波长λ0＝8μm，获得背风面的膜系结构为：
Sub/x3L x4H/Air
其中，基底Sub为硫化锌光学窗口材料，H和L分别代表背风面的高折射率和低折射率材料，x3和x4分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4；折射率和低折射率材料分别为硫化锌和氟化钇；
3)满足参数设置为迎风面的剩余反射率Rfront(λ)小于背风面的剩余反射率Rrear(λ)；
4)设计出的光学窗口薄膜结构如下：
Air/x1L x2H/Sub/x3L x4H/Air
对四个光学厚度系数x1～x4进行确定，使光学窗口的反射率最小化R(λ)和透射率最大化T(λ)。
优选地，上述的一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，迎风面的剩余反射率Rfront(λ)＝0作为优化设计目标。
优选地，上述的一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，背风面的剩余反射率Rrear(λ)＝4％作为优化设计目标。
优选地，上述的一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，迎风面的膜系结构为：
Sub/0.257H’1.349L’/Air
优选地，上述的一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，背风面的膜系结构为：
Sub/0.251L 0.467H/Air。
(三)有益效果
本发明采用双面薄膜的先分离、后同步合成设计方法，合理选择薄膜材料，实现应力匹配设计，既能够提高整个光学窗口系统的透过率又能降低背风方向的热辐射率。该方法可以广泛应用于高速飞行气动热平台下的红外光学窗口设计与制备。
附图说明
图1红外光学窗口薄膜示意图
图2硫化锌光学材料的红外光学窗口光学常数
图3 Ge1-xCx薄膜的光学常数
图4 DLC薄膜的光学常数
图5 ZnS薄膜的光学常数
图6 YF3薄膜的光学常数
图7 5mm窗口透过率设计结果
图8 5mm窗口辐射率设计结果
图9 10mm窗口透过率设计结果
图10 10mm窗口辐射率设计结果
其中0-基底，1-类金刚石薄膜(DLC)，2-碳化锗薄膜，3-氟化钇、4-选择硫化锌；
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作详细说明。
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。
本发明提供一种光学窗口红外热辐射控制薄膜设计方法，光学窗口的两个表面分别记为A面和B面，其中A面为迎风面，进行增透保护薄膜处理，B面为背风面，进行减反射薄膜处理。
1)迎风面的增透保护膜设计方法：选择高折射率材料：选择碳化锗薄膜(Ge1-xCx)和低折射率材料：类金刚石薄膜(DLC)两种薄膜材料，以迎风面的剩余反射率Rfront(λ)作为优化设计目标，λ的范围为7.5-9.7um，获得迎风面的膜系结构为：
Sub/x2H’x1L’/Air
其中，基底Sub为硫化锌光学窗口材料，H’和L’分别代表迎风面的高折射率和低折射率材料，x1和x2分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4。高折射率和低折射率材料分别为Ge1-xCx和DLC。
2)背风面的减反射设计方法：选择高折射率和低折射率材料：选择硫化锌(ZnS)和氟化钇(YF3)两种薄膜材料，以背风面的剩余反射率Rrear(λ)作为优化设计目标，λ的范围为7.5-9.7um，，获得背风面的膜系结构为：
Sub/x3L x4H/Air
其中，基底Sub为硫化锌光学窗口材料，H和L分别代表背风面的高折射率和低折射率材料，x3和x4分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4，高折射率和低折射率材料分别为ZnS和YF3。
3)上述两个步骤中，关键的参数设置为Rfront(λ)<Rrear(λ)；
4)通过上述步骤设计出的光学窗口薄膜结构如下：
Air/x1L x2H/Sub/x3L x4H/Air
进一步地：5)对上述结构进一步优化。设定整个系统的反射率最小化R(λ)和透射率最大化T(λ)，对系统中的四个光学厚度系数x1～x4进一步优化得到最终的设计结果。
对系统中的四个光学厚度系数x1～x4进行确定，使整个系统的反射率最小化R(λ)和透射率最大化T(λ)。
进一步限定如下：
1)红外光学窗口膜系结构如附图1所示，硫化锌光学材料的光学常数见附图2；
2)选择Ge1-xCx和DLC两种薄膜材料进行迎风面的增透保护设计，其中Ge1-xCx薄膜的光学常数见附图3，DLC薄膜的光学常数见附图4；
3)以剩余反射率Rfront(λ)＝0作为优化设计目标，设计目标容差为0.5％，λ的范围为7.5-9.7μm，中心波长λ0＝8μm，得到迎风面的膜系结构为：
Sub/0.257H’1.349L’/Air
其中，基底Sub为硫化锌光学窗口材料，H’和L’分别代表Ge1-xCx和DLC，单位光学厚度为λ0/4。
4)选择ZnS和YF3两种薄膜材料进行背风面的减反射薄膜设计，其中ZnS薄膜的光学常数见附图5，YF3薄膜的光学常数见附图6；
5)以背风面的剩余反射率Rrear(λ)＝4％作为优化设计目标，设计目标容差为0.5％，λ的范围为7.5-9.7μm，中心波长λ0＝8μm，获得背风面的膜系结构为：
Sub/0.251L 0.467H/Air
其中，基底Sub为硫化锌光学窗口材料，H和L分别代表ZnS和YF3，单位光学厚度为λ0/4。
6)通过上述步骤设计出的光学窗口薄膜结构如下：
Air/1.349L’0.257H’/Sub/0.251L 0.467H/Air
7)假设窗口厚度为5mm，则设计前后的发射率见附图7，透过率见附图8。设计前后在7.5-9.7μm范围内，背风方向平均发射率从4.32％降低到4.14％，平均透过率从71.59％增加到88.89％；
8)假设窗口厚度为5mm，则设计前后的发射率见附图9，透过率见附图10。设计前后在7.5-9.7μm范围内，背风方向平均发射率从8.38％降低到8.09％，平均透过率从68.37％增加到85.02％；
9)上述发明实例中，如果进一步降低背风方向平均发射率，可通过提高迎风面的透过率和背风面的透过率来实现。
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。

Claims (4)

1.一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，该方法包括如下内容：
光学窗口的两个表面分别记为A面和B面，其中A面为迎风面，B面为背风面，
1)迎风面的增透保护膜设计方法：
选择高折射率材料：选择碳化锗薄膜和低折射率材料：类金刚石薄膜两种薄膜材料，以迎风面的剩余反射率Rfront(λ)作为优化设计目标，λ的范围为7.5-9.7um，中心波长λ0＝8μm，获得迎风面的膜系结构为：
Sub/x2H’x1L’/Air
其中，基底Sub为硫化锌光学窗口材料，H’和L’分别代表迎风面的高折射率和低折射率材料，x1和x2分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4；
2)背风面的减反射设计方法：选择高折射率和低折射率材料两种薄膜材料，以背风面的剩余反射率Rrear(λ)作为优化设计目标，λ的范围为7.5-9.7um，中心波长λ0＝8μm，获得背风面的膜系结构为：
Sub/x3L x4H/Air
其中，基底Sub为硫化锌光学窗口材料，H和L分别代表背风面的高折射率和低折射率材料，x3和x4分别代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ0/4；折射率和低折射率材料分别为硫化锌和氟化钇；
3)设计出的光学窗口薄膜结构如下：
Air/x1L x2H/Sub/x3L x4H/Air
对四个光学厚度系数x1～x4进行确定，使光学窗口的反射率最小化R(λ)和透射率最大化T(λ)；
其特征在于，满足参数设置为迎风面的剩余反射率Rfront(λ)小于背风面的剩余反射率Rrear(λ)。
2.根据权利要求1所述的一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，迎风面的剩余反射率Rfront(λ)＝0作为优化设计目标，背风面的剩余反射率Rrear(λ)＝4％作为优化设计目标。
3.根据权利要求2所述一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，迎风面的膜系结构为：
Sub/0.257H’1.349L’/Air。
4.根据权利要求2所述一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法，其特征在于，背风面的膜系结构为：
Sub/0.251L0.467H/Air。
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