CN107561617B - 一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件及其制备方法，属于光学薄膜技术领域，在3μm‑5μm波段中去除二氧化碳辐射波长，该制备方法，使用棱镜转向和反射滤光的方法，通过设计固定棱镜45度的反射滤光薄膜，通过二次反射的方法实现对二氧化碳波长的滤波；该光学元件，主要由四个硅材料的直角棱镜组成；第一直角棱镜斜边表面或第四直角棱镜斜边表面制备反射滤光薄膜；第二直角棱镜直角边表面或第三直角棱镜的直角边表面制备减反射薄膜。本发明的内容能够实现其余波长的高效透过，设计的元件结构简单易于制作，可直接应用于二氧化碳波长陷波的红外光学成像系统中。

Description

一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件及其制 备方法

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，特别是有关红外光学薄膜元件的设计与制备技术，涉及一种滤除二氧化碳波长的中波红外透射元件。

背景技术

红外导引头是一种接收3μm-5μm或8.0μm-14.0μm目标电磁辐射的自寻的装置。它探测的目标本身能辐射红外线，无需外部照射，多数的军事目标(飞机、探测、军舰等)都是良好的红外辐射源。由于红外导引头是被动检测系统，无论哪一类红外导引头，目标和背景都是它们的组成部分之一，它们的共同任务都是从背景噪声中提取红外目标信号。所不同的是：红外点源导引头是一种能量检测系统，它需要从空间、时间、光谱等特征方面，经过调制或滤波，抑制背景噪声，提取目标信号；而红外成像导引头则是一种对比度检测系统，目标和背景都是检测对象，它将相邻两个瞬时所检测到的信号差值作为有效信号值，其识别目标的基础是要找出目标和背景的特征差。

在对地目标的红外成像导引装置研究中，目标所处的周围环境存在大量的自然辐射源，如太阳、大气、海绵、天空等等。由于大气中二氧化碳的辐射波长在4.2μm附近，往往会淹没目标的辐射信息，影响到红外成像的对比度。因此如何从3μm-5μm波段中去除二氧化碳的辐射波长，并且保持该波段内其余部分高透过率，是近年来红外成像系统的关键问题之一。采用光学负滤光薄膜的方式在设计上可以实现去除二氧化碳辐射波长，但是膜层厚度太厚无法在制备工艺上有效实现。采用超表面的方法也是一条技术途径，但是由于超表面的制造技术并不成熟，限制了该方法的应用。

本发明提供了一种在3.5μm-4.9μm波段中去除二氧化碳辐射波长的方法，并且能够实现其余波长的高效透过，为解决上述的问题提供了新的方法。

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：在3μm-5μm波段中去除二氧化碳辐射波长的方法，并且能够实现其余波长的高效透过，设计的元件结构简单易于制作。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是，一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件，其特征在于，主要由四个硅材料的直角棱镜组成；第一直角棱镜斜边表面，或第四直角棱镜斜边表面即B表面，制备反射滤光薄膜；第二直角棱镜直角边表面即C表面，或第三直角棱镜的直角边表面即D表面，其制备减反射薄膜；第一直角棱镜斜边表面与第二直角棱镜斜边表面相邻；第三直角棱镜斜边表面与第四直角棱镜斜边表面即B表面相邻；第三直角棱镜斜边的直角边与第二直角棱镜的直角边相邻；

1)C表面或D表面的减反射多层膜的膜系结构为：

Sub/x₁M x₂H x₃L x₄M/Air

其中，Sub为基底，基底为硅，H、M和L分别代表高折射率、中折射率和低折射率材料，x₁～x₄分别代表每层膜的光学厚度系数，设置薄膜的中心波长为λ₀，单位光学厚度为λ₀/4；

H为高折射率材料锗，M为中折射率材料硫化锌，L为低折射率材料氧化铝；

2)上述的膜系结构中，设定λ₀＝4.1μm，则x₁-x₄的系数如下：

x₁＝0.3302,x₂＝0.2632,x₃＝0.9854,x₄＝0.0288

3)第一直角棱镜斜边表面或B表面的反射滤光薄膜膜系结构为：

Sub/y₁A y₂H y₃L y₄H y₅Ly₆H y₇L y₈H y₉L y₁₀H y₁₁L y₁₂H y₁₃L/Air

其中，Sub为基底，基底为硅，H和L分别代表高折射率和低折射率材料，A为金属薄膜材料；y₁～y₁₃分别代表每层膜的光学厚度系数，薄膜的中心波长为λ₀，单位光学厚度为λ₀/4；

所述高折射率材料为锗，低折射率材料为氧化铝；

4)上述的反射滤光膜系结构中，设定λ₀＝4.1μm，则y₁-y₁₃的系数如下：

y₁＝0.0339,y₂＝1.8586,y₃＝0.1737,y₄＝1.7836,y₅＝1.2152,y₆＝1.2910,y₇＝0.2104,y₈＝1.5364,

y₉＝1.2907,y₁₀＝1.3498,y₁₁＝0.2134,y₁₂＝1.4645,y₁₃＝0.6509。

优选地，上述一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件，其特征在于，C表面和D表面同时制备减反射薄膜。

优选地，上述一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件，其特征在于，四块棱镜通过胶合工艺胶合在一起，入射面为C表面，出射面为D表面。

优选地，上述一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件，其特征在于，第一直角棱镜斜边表面和B表面同时制备反射滤光薄膜。

优选地，上述一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件，其特征在于，金属薄膜材料为金薄膜。

一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下内容：

1)第二直角棱镜直角边表面即C表面，或第三直角棱镜的直角边表面即D表面，其制备减反射薄膜；

C表面或D表面的减反射多层膜的膜系结构为：

Sub/x₁M x₂H x₃L x₄M/Air

其中，Sub为基底，基底为硅，H、M和L分别代表高折射率、中折射率和低折射率材料，x₁～x₄分别代表每层膜的光学厚度系数，薄膜设计的中心波长为λ₀，单位光学厚度为λ₀/4；

2)上述的膜系结构中，设定λ₀＝4.1μm，确定系数x₁-x₄，

3)第一直角棱镜斜边表面，或第四直角棱镜斜边表面即B表面，制备反射滤光薄膜；

第一直角棱镜斜边表面或B表面的反射滤光薄膜膜系结构为：

Sub/y₁A y₂H y₃L y₄H y₅L y₆H y₇L y₈H y₉L y₁₀H y₁₁L y₁₂H y₁₃L/Air

其中，Sub为基底，基底为硅，H和L分别代表高折射率和低折射率材料，A为金属薄膜材料；y₁～y₁₃分别代表每层膜的光学厚度系数，薄膜设计的中心波长为λ₀，单位光学厚度为λ₀/4；

4)上述的反射滤光膜系结构中，设定λ₀＝4.1μm，确定系数y₁-y₁₃；

5)四块棱镜通过胶合在一起，入射面为C表面，出射面为D表面；

使第一直角棱镜斜边表面与第二直角棱镜斜边表面相邻，第三直角棱镜斜边表面与第四直角棱镜斜边表面即B表面相邻，第三直角棱镜斜边的直角边与第二直角棱镜的直角边相邻。

优选地，上述一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件的制备方法，其特征在于，H为高折射率材料锗，M为中折射率材料硫化锌，L为低折射率材料氧化铝。

优选地，上述一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件的制备方法，其特征在于，金属薄膜材料为金薄膜。

优选地，上述一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件的制备方法，其特征在于，确定x₁-x₄的系数如下：

x₁＝0.3302,x₂＝0.2632,x₃＝0.9854,x₄＝0.0288。

优选地，上述一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件的制备方法，其特征在于，确定y₁-y₁₃的系数如下：

y₁＝0.0339,y₂＝1.8586,y₃＝0.1737,y₄＝1.7836,y₅＝1.2152,y₆＝1.2910,y₇＝0.2104,y₈＝1.5364,

y₉＝1.2907,y₁₀＝1.3498,y₁₁＝0.2134,y₁₂＝1.4645,y₁₃＝0.6509。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的光学元件具有易于制作和光学性能高的优点，使用四块棱镜组合，涉及减反射薄膜和反射滤光薄膜两类薄膜，为一种滤除二氧化碳辐射波长(4.085μm-4.419μm)的中波红外(3.5μm-4.7μm)减反射元件，可实现在3.5μm-4.9μm波段范围内，陷波范围4.085μm-4.419μm，最大陷波效率达到1×10^-4，其余波段的透过率达到90％以上。该元件有效实现了二氧化碳辐射波长的滤除，具有较高的应用价值。

通过使用棱镜转向和反射滤光的方法，通过设计固定棱镜角度(45°)的反射滤光薄膜，通过二次反射的方法实现对二氧化碳波长的滤波，在3.5μm-4.9μm波段范围内，陷波范围4.085μm-4.419μm，最大陷波效率达到1×10^-4，其余波段的透过率达到90％以上。本发明的内容可直接应用于二氧化碳波长陷波的红外光学成像系统中。

附图说明

图1滤光元件结构示意图

图2硅基底的光学常数

图3锗薄膜的光学常数

图4氧化铝薄膜的光学常数

图5硫化锌薄膜的光学常数

图6金薄膜的光学常数

图7两个入射界面的减反射薄膜光谱透过率(C和D面)

图8两个斜入射界面的滤光薄膜光谱透过率(A和B面)

图9整个元件的光谱透过率

具体实施方式

下面对本发明进一步详细地描述。

如图1所示，本发明提供一种在3μm-5μm波段中去除二氧化碳辐射波长(4.085μm-4.419μm)的光学元件，主要由四个硅材料的棱镜胶合而成。主要包括：第一直角棱镜表面A表面制备反射滤光薄膜，第二直角棱镜表面C制备减反射薄膜，第三直角棱镜的D表面制备减反射薄膜，第四直角棱镜表面B制备反射滤光薄膜。

1)根据光学薄膜设计理论，C和D表面的减反射多层膜的膜系结构为：

Sub/x₁M x₂H x₃L x₄M/Air

其中，基底Sub为硅，H、M和L分别代表高折射率、中折射率和低折射率材料，x₁～x₄分别代表每层膜的光学厚度系数，设置薄膜设计的中心波长为λ₀，所以单位光学厚度为λ₀/4。所述高折射率材料H为锗，中折射率材料M为硫化锌，低折射率材料L为氧化铝。

2)上述的膜系结构中，设定λ₀＝4.1μm，则x₁-x₄的系数如下：

x₁＝0.3302,x₂＝0.2632,x₃＝0.9854,x₄＝0.0288

3)根据光学薄膜设计理论，A和B表面的反射滤光薄膜膜系结构为：

Sub/y₁A y₂H y₃L y₄H y₅L y₆H y₇L y₈H y₉L y₁₀H y₁₁L y₁₂H y₁₃L/Air

其中，基底Sub为硅材料，H和L分别代表高折射率和低折射率材料，A为金属薄膜材料。y₁～y₁₃分别代表每层膜的光学厚度系数，同样设置薄膜设计的中心波长为λ₀，所以单位光学厚度为λ₀/4。所述高折射率材料为锗，低折射率材料为氧化铝，金属材料为金薄膜；

4)上述的反射滤光膜系结构中，设定λ₀＝4.1μm，则y₁-y₁₃的系数如下：

y₁＝0.0339,y₂＝1.8586,y₃＝0.1737,y₄＝1.7836,y₅＝1.2152,y₆＝1.2910,y₇＝0.2104,y₈＝1.5364,

y₉＝1.2907,y₁₀＝1.3498,y₁₁＝0.2134,y₁₂＝1.4645,y₁₃＝0.6509

5)在实际制备中，可以将第二直角棱镜的C面和第三直角棱镜的D面同时制备减反射薄膜，将第一直角棱镜的A面和第四直角棱镜的B面同时制备反射滤光薄膜。

6)四块棱镜通过胶合工艺胶合在一起，入射面为C表面，出射面为D表面。

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。

1)滤光元件的结构示意图如图1所示；

2)棱镜选择硅材料，其光学常数如附图2所示；

3)C和D表面的减反射多层膜的薄膜材料选择分别为锗、氧化铝和硫化锌，其光学常数分别见图3、图4和图5。

4)设定参考波长为λ₀＝4.1μm，C和D表面的减反射多层膜的膜系结构为：

Sub/0.3302M 0.2632H 0.9854L 0.0288M/Air

其中，H、M和L分别代表锗、硫化锌和氧化铝薄膜，每层膜的单位光学厚度为λ₀/4。

5)减反射多层膜的光谱透过率见图7，在3μm-5μm波段的平均透过率达到99％以上；

6)A和B表面的反射滤光薄膜材料选择为锗、氧化铝和金薄膜，金薄膜的光学常数见图6；

7)设定参考波长为λ₀＝4.1μm，A和B表面的反射滤光多层膜系结构为：

Sub/0.0339A 1.8586H 0.1737L 1.7836H 1.2152L 1.2910H 0.2104L 1.5364H1.2906L

1.3498H 0.2134L 1.4645H 0.6509L/Air

其中，H和L分别代表锗和氧化铝薄膜，A代表了金薄膜，每层膜的单位光学厚度为λ₀/4。

8)反射滤光薄膜的光谱反射率见图8，在3μm-5μm波段范围内，平均陷波效率达到5％，其余波段的反射率达到99％以上；

9)将四块棱镜胶合一起，其中C面(直角边)为入射面，经过A和B两个(斜边)表面的反射，从D面出射。附图9为整体的光学透过率，在3.5μm-4.9μm波段范围内，陷波范围4.085μm-4.419μm，最大陷波效率达到1×10^-4，其余波段的透过率达到90％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。

Claims (9)

1.一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件，其特征在于，主要由四个硅材料的直角棱镜组成；第一直角棱镜斜边表面，或第四直角棱镜斜边表面即B表面，制备反射滤光薄膜；第二直角棱镜直角边表面即C表面，或第三直角棱镜的直角边表面即D表面，其制备减反射薄膜；

第一直角棱镜斜边表面与第二直角棱镜斜边表面相邻；

第三直角棱镜斜边表面与第四直角棱镜斜边表面即B表面相邻；

第三直角棱镜斜边的直角边与第二直角棱镜的直角边相邻；

1)C表面或D表面的减反射多层膜的膜系结构为：

Sub/x₁M x₂H x₃L x₄M/Air

其中，Sub为基底，基底为硅，H、M和L分别代表高折射率、中折射率和低折射率材料，x₁～x₄分别代表每层膜的光学厚度系数，设置薄膜的中心波长为λ₀，单位光学厚度为λ₀/4；

H为高折射率材料锗，M为中折射率材料硫化锌，L为低折射率材料氧化铝；

2)上述的膜系结构中，设定λ₀＝4.1μm，则x₁-x₄的系数如下：

x₁＝0.3302,x₂＝0.2632,x₃＝0.9854,x₄＝0.0288

3)第一直角棱镜斜边表面或B表面的反射滤光薄膜膜系结构为：

Sub/y₁Ay₂H y₃L y₄H y₅L y₆H y₇Ly₈H y₉Ly₁₀H y₁₁L y₁₂H y₁₃L/Air

其中，Sub为基底，基底为硅，H和L分别代表高折射率和低折射率材料，A为金属薄膜材料；y₁～y₁₃分别代表每层膜的光学厚度系数，薄膜的中心波长为λ₀，单位光学厚度为λ₀/4；

所述高折射率材料为锗，低折射率材料为氧化铝；

4)上述的反射滤光膜系结构中，设定λ₀＝4.1μm，则y₁-y₁₃的系数如下：

y₁＝0.0339,y₂＝1.8586,y₃＝0.1737,y₄＝1.7836,y₅＝1.2152,y₆＝1.2910,y₇＝0.2104,y₈＝1.5364,

y₉＝1.2907,y₁₀＝1.3498,y₁₁＝0.2134,y₁₂＝1.4645,y₁₃＝0.6509。

2.根据权利要求1所述的一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件，其特征在于，C表面和D表面同时制备减反射薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件，其特征在于，四块棱镜通过胶合工艺胶合在一起，入射面为C表面，出射面为D表面。

4.根据权利要求1所述的一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件，其特征在于，第一直角棱镜斜边表面和B表面同时制备反射滤光薄膜。

5.根据权利要求1所述的一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件，其特征在于，金属薄膜材料为金薄膜。

6.一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下内容：

1)第二直角棱镜直角边表面即C表面，或第三直角棱镜的直角边表面即D表面，其制备减反射薄膜；

C表面或D表面的减反射多层膜的膜系结构为：

Sub/x₁M x₂H x₃L x₄M/Air

其中，Sub为基底，基底为硅，H、M和L分别代表高折射率、中折射率和低折射率材料，x₁～x₄分别代表每层膜的光学厚度系数，薄膜设计的中心波长为λ₀，单位光学厚度为λ₀/4；

2)上述的膜系结构中，设定λ₀＝4.1μm，确定系数x₁-x₄，

3)第一直角棱镜斜边表面，或第四直角棱镜斜边表面即B表面，制备反射滤光薄膜；

第一直角棱镜斜边表面或B表面的反射滤光薄膜膜系结构为：

Sub/y₁Ay₂H y₃L y₄H y₅L y₆H y₇Ly₈H y₉Ly₁₀H y₁₁L y₁₂H y₁₃L/Air

其中，Sub为基底，基底为硅，H和L分别代表高折射率和低折射率材料，A为金属薄膜材料；y₁～y₁₃分别代表每层膜的光学厚度系数，薄膜设计的中心波长为λ₀，单位光学厚度为λ₀/4；

4)上述的反射滤光膜系结构中，设定λ₀＝4.1μm，确定系数y₁-y₁₃；

5)四块棱镜通过胶合在一起，入射面为C表面，出射面为D表面；

使第一直角棱镜斜边表面与第二直角棱镜斜边表面相邻，第三直角棱镜斜边表面与第四直角棱镜斜边表面即B表面相邻，第三直角棱镜斜边的直角边与第二直角棱镜的直角边相邻；H为高折射率材料锗，M为中折射率材料硫化锌，L为低折射率材料氧化铝。

7.根据权利要求6所述的一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件的制备方法，其特征在于，金属薄膜材料为金薄膜。

8.根据权利要求6所述的一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件的制备方法，其特征在于，确定x₁-x₄的系数如下：

x₁＝0.3302,x₂＝0.2632,x₃＝0.9854,x₄＝0.0288。

9.根据权利要求6所述的一种滤除二氧化碳辐射波长的中波红外透射光学元件的制备方法，其特征在于，确定y₁-y₁₃的系数如下：

y₁＝0.0339,y₂＝1.8586,y₃＝0.1737,y₄＝1.7836,y₅＝1.2152,y₆＝1.2910,y₇＝0.2104,y₈＝1.5364,

y₉＝1.2907,y₁₀＝1.3498,y₁₁＝0.2134,y₁₂＝1.4645,y₁₃＝0.6509。

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