CN110989183A - 一种用于海洋多维成像系统中的分光镜、其制备方法和设计方法 - Google Patents

一种用于海洋多维成像系统中的分光镜、其制备方法和设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于海洋多维成像系统中的分光镜，所述分光镜包括基片，以及分别沉积在基片两侧的第一光学膜系和第二光学膜系；所述第一光学膜系的基本结构为Sub|a(0.8H(LH)3L0.8H)p b(0.8H(LH)3L0.8H)p c(0.8H(LH)3L0.8H)p d(0.8H(LH)3L0.8H)p|Air；所述第二光学膜系的基本结构为Sub|6.24H8.75L0.34H9.23L|Air；其中，H表示由高折射率材料制成的膜层，L表示由低折射率材料制成的膜层，Sub表示基片，Air表示空气，a、b、c、d表示相对于中心波长的系数，且a＞b＞c＞d，p为重叠周期数。本发明提供的分光镜在使用波段宽于传统分光镜，实现了0.4～0.9μm高效反射，8～12μm高效透射，提高系统探测效率，还利用原位退火方法，提高薄膜抗盐雾特性。

Description

一种用于海洋多维成像系统中的分光镜、其制备方法和设计 方法
技术领域
本发明涉及光学薄膜技术领域，更具体的说是涉及一种用于海洋多维成像系统中的分光镜。
背景技术
我国周边海洋环境状态基本稳定，但在局部海域富营养化、赤潮和溢油等问题频发使海洋生态安全受到严重威胁。传统监测系统主要依靠船载人工采样和航拍，但存在成本高、测量速度慢并且重复观测间隔时间长的问题。同时受限于大气波段和天气情况，海洋遥感卫星采集数据仅限于海洋水色与温度等少量信息，这种情况下无人机载海洋多维成像系统作为一种新型遥感技术具有高机动性、实时、运行成本低，是进行快速探测响应最有前途的手段之一。
目前常用遥感探测以多波段共通道为主，在进入系统后由分光镜分离进入对应的探测器，因此分色镜作为遥感系统内分离不同波段光信号的器件是遥感系统光学系统内最核心部件之一。分光镜可以对进入系统的不同波段进行分离，常用分光元件包括色散棱镜、衍射光栅、法布里-珀罗标准具，分色片等，色散棱镜其色散能力与棱镜体积和材料密切相关，对于无人机载系统来讲体积与重量都不符合需求；衍射光栅和法布里珀罗标准镜可以实现轻量化和小体积，但分光范围狭窄，造价较为高昂。作为一种薄膜元件，分光镜不但能精确的分离不同波段的光信号，且具有较小的体积与重量，因此广泛的应用于遥感系统。
但是，国内外对于分光镜的研究主要集中在可见-近红外波段，现有海洋成像系统中多为可见-远红外成像，波段为0.4～0.7μm与8～12μm，常用膜层结构为(0.5LH0.5L)k的叠加，常见性能指标为0.4～0.7透射，平均透射率高于90％，8～12μm反射，平均反射率高于90％，而对于一种工作波段处于可见/近红外-远红外的分光镜鲜少有人研究。
同时，对于均质光学薄膜由厚度、折射率、吸收系数可以精确计算出薄膜的光谱特性，在实际制备薄膜的过程中获得精确的薄膜光学参数是优化薄膜结构和制备工艺的先决条件，将极大程度提高分光膜的制备精度。常见薄膜参数计算方法包括：包络线法、椭圆偏振法、全光谱拟合反演法等。包络线法具有测量效率高的优点，当薄膜吸收极小情况下较为准确，但对于薄膜吸收大的情况准确度较差；全光谱拟合法适用范围广，但当使用波段较宽时计算效率急剧降低。
因此，如何设计一种较为良好的宽波段以及薄膜吸收大时仍具有良好准确性的光学常数计算方法，需要本领域技术人员进一步研究。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供了一种分光镜，用于将不同波段入射光分离使其进入对应的探测系统，波段可处于可见/近红外-远红外，本发明的分光镜在使用波段宽于传统分光镜，可以采集更多的光学信息，提高发现和识别目标的准确率；本发明制备的分光镜实现了0.4～0.9μm高效反射，8～12μm高效透射，提高系统探测效率。此外，本发明的制备方法中还利用原位退火方法，提高薄膜抗盐雾特性；本发明还进一步提供了一种宽波段以及薄膜吸收大时仍具有良好准确性的光学常数计算方法，以及根据该方法研究分光镜的设计方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于海洋多维成像系统中的分光镜，其特征在于，所述分光镜包括基片、第一光学膜系和第二光学膜系；
其中，所述第一光学膜系沉积在所述基片入射光一侧，
且所述第一光学膜系的基本结构为Sub|a(0.8H(LH)3L0.8H)p b(0.8H(LH)3L0.8H)pc(0.8H(LH)3L0.8H)p d(0.8H(LH)3L0.8H)p|Air；
所述第二光学膜系沉积在所述基片出射光一侧；
且所述第二光学膜系的基本结构为Sub|6.24H8.75L0.34H9.23L|Air；
其中，H表示由高折射率材料制成的膜层，L表示由低折射率材料制成的膜层，Sub表示基片，Air表示空气，a、b、c、d表示相对于中心波长的系数，且a＞b＞c＞d，p为重叠周期数。
采用上述技术方案，传统设计中多采用将比例系数由小至大的方式排列，该排列方式可以防止反射带重叠带来的反射极小值，但实际应用中ZnS与YbF3在接近紫外波段的吸收，因此将短波反射堆置于最外侧，可以有效降低光线入射时短波在薄膜中的光程，可以降低薄膜吸收带来的反射波段边缘光谱恶化。
优选的，所述H表示由M-ZnS制成的膜层，所述L表示YbF3制成的膜层，所述a、b、c、d选自0.5-2之间的数，且a＞b＞c＞d，所述P选自3、4、5，其中a优选为1.4，b优选的1.1，c优选为0.9，d优选为0.7，P优选为3。
优选的，所述H表示λ/4厚度的M-ZnS膜层，所述L表示λ/4厚度的YbF3膜层，Sub表示基片，其中，λ为400-600nm，优选的λ为550nm。
采用上述技术方案，本发明提供的分光镜能够在0.4～0.9μm高效反射，8～12μm高效透射，提高系统探测效率，更具体的在0.4～0.9μm平均反射率大于93％，8～12μm平均透过率大于91％。
优选的，所述第二光学膜系中L层单层厚度不超过1000nm，优选为844.26nm。
采用上述技术方案，能够防止YbF3过厚脱模的问题。
本发明还提供了所述的用于海洋多维成像系统中的分光镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将基片擦拭干净后，在真空度为2.0-3.0×10-2Pa，温度为100-150℃的条件下，进行烘烤加热，恒温时间30-50min，其中真空度优选为2.0×10-2Pa，温度优选为120℃，恒温时间优选为30min；
S2、镀前开启离子轰击清洗基片5-13min，优选为10min，在基片入射光一侧，膜层交替沉积，形成第一光学膜系，单侧镀制结束后，实行原位气氛退火，得到前表面膜层；
S3、在基片出射光一侧，膜层交替沉积，制备第二光学膜系，镀制结束后，得到分光镜。
优选的，在步骤S2中，所述原位气氛退火的工艺为：向镀膜机真空室内充入一定量H2S，维持真空室内压强为1-5Pa，同时将镀制温度由100-150℃升至270-330℃，保温40-90min随后自然降温至室温，其中压强优选为3Pa，镀制温度由120℃升至300℃，保温时间优选为10min。
采用上述技术方案，ZnS在沉积时会部分分解为Zn与S进行升华，在基底上重新凝结成化学计量比近似一致的膜层，但所获得的ZnS与块状材料相比存在较多的游离Zn与S。当进行AASS(醋酸盐雾试验)时，薄膜内游离Zn与溶液发生类似原电池的反应，导致更多的缺陷产生，同时腐蚀产生的溶液会侵蚀薄膜表面，导致薄膜表面状态严重恶化，而在H2S气氛条件下进行退火，膜层在高温下其内部游离态的Zn与H2S继续反应，降低了薄膜内部缺陷，提高了薄膜耐腐蚀特性。
优选的，在步骤S2和步骤S3中，所述膜层交替沉积的工艺为高折射率材料采用电阻蒸发方式沉积，低折射率材料采用电子束热蒸方式沉，采用上述工艺沉积的膜层非常薄的表面镀层，且速度快。
优选的，所述高折射材料在真空度为0.5-2.0×10-2Pa，温度为100-150℃，沉积速率为0.8-1.2nm·s-1的条件下进行沉积，其中真空度优选为1.0×10-2Pa，温度优选为120℃，沉积速率优选为1.2nm·s-1，在该工艺参数下制得的膜层质量好，致密度高。
优选的，所述低折射率材料在真空度为0.5-2.0×10-2Pa，温度为100-150℃，沉积速率为0.6-1.0nm·s-1的条件下进行沉积，其中真空度优选为1.0×10-2Pa，温度优选为120℃，沉积速率优选为0.8nm·s-1，在该工艺参数下制得的膜层质量好，致密度高。
本发明还将进一步提供了所述的用于海洋多维成像系统中的分光镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
Y1、测量未镀膜基片，随后分别镀制单层ZnS与YbF3样品，并测量透射率光谱；
Y2、根据光谱曲线构建包络线，获得光学参数，并以消除系数为依据划分透明区与吸收区；
Y3、针对透明区采用包络法进行计算；
对于吸收区以包络法获得的数据为初始数据，采用全光谱拟合法，构建包络-全光谱拟合法模型，进行计算，获得该波段的光学常数精确值；
计算出每个区间的光学参数，最后联立获得整个波长范围内薄膜的光学常数；
Y4、根据整个波长范围内薄膜的光学常数对单层薄膜进行反演，得到最终结果。
优选的，所述构建包络-全光谱拟合法模型步骤包括：
将吸收区λl～λh分割为N个次级区间，以包络法获得的光学参数作为初始值，以公式(1)解其在第i个区间上的光学薄膜系数，计算公式(1)且约束条件(2)如下：
Figure BDA0002347774990000051
Figure BDA0002347774990000061
其中λl、λh为计算范围的下界与上界，ω(λ)为在λ处的权重因子，ΔT(λ)为光谱仪精度误差，
Figure BDA0002347774990000062
为实际测量透过率，T(λ)为计算透过率，kmax为包络法计算最大吸收系数，nmin和nmax分别为包络法计算获得的折射率最大值与最小值，P(λ)为惩罚函数，df为薄膜厚度。
优选的，以所述Merit函数最小值，选择优化模型进行优化。
优选的，所述优化模型包括单纯型法、遗传算法、模拟退火法。
选用最小二乘法和遗传算法综合优化，在优化过程中Merit函数不断逼近最小值，同时惩罚函数使得函数远离局部极小值陷阱降低重复优化事件的发生，提升优化效率，在计算出每个区间的光学参数，最后联立获得整个波长范围内薄膜的光学常数。
本发明包络-全光谱拟合法是在包络线法的基础上，利用包络线法在低吸收区计算速度较快和全光谱拟合对于吸收较大的区域计算准确的优点提出的一种拟合方法。
本发明采用的包络-全光谱拟合理论基础包括以下内容：一般情况下，消光系数对于透射率影响强于反射率。利用薄膜在λ/4和λ/2处出现的透射率极值计算该薄膜的参数。根据连接的光谱曲线上取得极大与极小值点，Tmax和Tmin为包络值，求解光学参数为：
Figure BDA0002347774990000063
其中，
Figure BDA0002347774990000064
n0为空气折射率，ns为基片折射率。
当薄膜均匀且具有吸收，则有:
Figure BDA0002347774990000071
其中：C1＝(nf+n0)/(ns+n0)；C2＝(nf-n0)/(ns-nf)；α＝exp(-4πkfdf/λ)，df为薄膜厚度。
根据极值处折射率与波长关系，膜层厚度有：
Figure BDA0002347774990000072
依照包络法可以粗略的获得薄膜的折射率、消光系数和厚度。
全光谱拟合法基于数值优化思想，对薄膜在波长范围内的薄膜参数进行优化以匹配透过率(或反射率)进而获得薄膜的光学常数。以透射光谱为例，实际测量透过率
Figure BDA0002347774990000073
与计算透过率T(λ)构建函数如下:
Figure BDA0002347774990000074
式中λl、λh为计算范围的下界与上界，ω(λ)为在λ处的权重因子。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下所述：
(1)目前现有报道的设计波段为0.4-0.7μm和8-12μm，本发明与之对比，具有更宽的反射波段，能获取更多的光信息，在实际使用中能提高海洋多维成像系统分辨率与识别精度。此外，本发明提供的反光镜具有高性能，本发明在0.4～0.9μm平均反射率大于93％，8～12μm平均透过率大于91％。
(2)采用原位气氛退火对于薄膜腐蚀状态的改善，并有效的抑制了AASS试验中薄膜腐蚀，提升了薄膜性能。
(3)本发明设计并制备了无人机载海洋多维光学系统分镜，研究了包络-全光谱拟合法的基本思路、物理模型、约束函数等，对包络-全光谱拟合法在超宽带光学参数计算进行了验证，证明该方法能够精确获得超宽带光学参数，并用于分光膜的镀制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中用于海洋多维成像系统中的分光镜的结构示意图；其中1为基片，2为第一光学膜系，3为第二光学膜系。
图2为本发明实施例1中多光谱硫化锌单侧镀膜的8～12μm波段透射率光谱图。
图3为本发明实施例1中多光谱硫化锌单侧镀膜的0.4～0.9μm波段反射率光谱。
图4为本发明实施例1中多光谱硫化锌两侧镀膜的8～12μm波段透射率光谱图。
图5为本发明实施例1中多光谱硫化锌两侧镀膜的0.4～0.9μm波段反射率光谱图。
图6为本发明实施例1中在K9和ZnSe基底上沉积的ZnS薄膜材料折射率与消光系数数据图。
图7为本发明实施例1中在ZF6和ZnSe基底上沉积的YbF3薄膜材料折射率与消光系数数据图。
图8为本发明实施例1中K9和ZnSe基底上沉积的ZnS单层薄膜光学常数计算曲线与实测透过率曲线对比图。
图9为本发明实施例1中ZF6和ZnSe基底上沉积的YbF3单层薄膜光学常数计算曲线与实际透过率曲线对比图。
图10为本发明实施例1中前表面理论光谱数据图，其中a为透射率，b为反射率。
图11为本发明实施例1中双面设计理论光谱曲线图，其中a为反射率，b为透射率。
图12为本发明实施例1中前表面测试曲线与设计曲线透过率对比图。
图13为本发明实施例1中样品2的AASS试验样品表面，其中a为试验前，b为试验后。
图14为本发明实施例1中所制得的分光镜的AASS试验样品表面，其中a为试验前，b为试验后。
图15为本发明实施例1中所制得的分光镜经过AASS试验后的反射率和透射率的数据图。
图16为本发明实施例2中分光镜的前表面理论光谱数据图。
图17为本发明实施例2中分光镜的双面设计理论光谱曲线图。
图18为本发明实施例3中分光镜的前表面理论光谱数据图。
图19为本发明实施例3中分光镜的双面设计理论光谱曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在制备工艺中，本发明使用CVAC ZZS-1100型箱式镀膜机，该设备配有双“e型”电子枪、六位旋转阻蒸、考夫曼离子源、12探头晶控以及XTC/3S晶体膜厚控制仪。在数据采集中，本发明采用PerkinElmer红外光谱仪测量2～12μm波段透射率光谱，Lambda 950测量0.4～2μm波段透射率光谱，台阶仪测量薄膜厚度。
实施例1
本实施例提供一种用于海洋多维成像系统中的分光镜，如图1所示，所述分光镜包括基片，以及分别沉积在基片1两侧的第一光学膜系2和第二光学膜系3，所述第一光学膜系2位于基片1入射光一侧，所述第二光学膜系3位于基片1出射光一侧；
第一光学膜系2的基本结构为Sub|1.4(0.8H(LH)3L0.8H)31.1(0.8H(LH)3L0.8H)30.9(0.8H(LH)3L0.8H)30.7(0.8H(LH)3L0.8H)3|Air，其中H表示λ/4厚度的M-ZnS，L表示λ/4厚度的YbF3，Sub表示M-ZnS基片，Air表示空气，λ为550nm，总膜厚度为7.2μm。在多光谱硫化锌单侧镀膜(另一侧未镀膜)，采集2～12μm波段透射率光谱，以及0.4～2μm波段透射率光谱，结果见图2、图3所示。由图2、图3中的数据可知，测得0.4～0.9μm平均反射率大于93％，8～12μm平均透过率大于81％。
第二光学膜系3的基本结构为Sub|6.24H8.75L0.34H9.23L|Air，其中L层单层厚度为844.26nm，总膜厚度为2022.24nm。镀制过程与第一光学膜系1一致，在两侧薄膜的共同作用下，采集2～12μm波段透射率光谱，以及0.4～2μm波段透射率光谱，结果见图4、图5所示。由图4、图5中的数据可知，0.4～0.9μm平均反射率大于93％，8～12μm平均透过率大于91％。
本实施例还提供了上述分光镜的制备方法，具体包括：将基片擦拭干净后装至工件盘上，抽真空度至2.0×10-2Pa进行烘烤加热，温度设定为120℃，恒温时间30min。镀前开启离子源轰击清洗基片10min，在多光谱硫化锌表面交替堆叠镀制高折射率材料和低折射率材料，其中高折射率材料为多光谱ZnS，低折射率材料为YbF3，ZnS采用电阻蒸发方式沉积，YbF3采用电子束热蒸发方式沉积，膜层交替沉积，沉积工艺参数见表1。膜层沉积过程中不断离子源轰击辅助沉积。当单侧镀制结束后，实行原位气氛退火，具体过程：向镀膜机真空室内充入一定量H2S，维持真空室内压强为3Pa，同时将镀制温度由120℃升至300℃，保温40min随后自然降温至室温。实行原位气氛退火，提高薄膜抗盐雾特性。
表1ZnS和YbF3蒸镀工艺参数
Figure BDA0002347774990000111
本实施例还进一步提供了上述分光镜的设计方法，包括以下步骤：
Y1、测量未镀膜基片，随后分别镀制单层ZnS与YbF3样品，并测量透射率光谱；
Y2、根据光谱曲线构建包络线，获得光学参数，并以消除系数为依据划分透明区与吸收区；
Y3、针对透明区采用包络法进行计算；
对于吸收区以包络法获得的数据为初始数据，采用全光谱拟合法，构建包络-全光谱拟合法模型，进行计算，获得该波段的光学常数精确值；
构建包络-全光谱拟合法模型步骤包括：
将吸收区λl～λh分割为N个次级区间，以包络法获得的光学参数作为初始值，以公式(1)解其在第i个区间上的光学薄膜系数，计算公式(1)且约束条件(2)如下：
Figure BDA0002347774990000112
Figure BDA0002347774990000121
其中λl、λh为计算范围的下界与上界，ω(λ)为在λ处的权重因子，ΔT(λ)为光谱仪精度误差，
Figure BDA0002347774990000122
为实际测量透过率，T(λ)为计算透过率，kmax为包络法计算最大吸收系数，nmin和nmax分别为包络法计算获得的折射率最大值与最小值，P(λ)为惩罚函数，df为薄膜厚度；
以所述Merit函数最小值，选用最小二乘法和遗传算法综合优化，在优化过程中Merit函数不断逼近最小值，同时惩罚函数使得函数远离局部极小值陷阱降低重复优化事件的发生，提升优化效率，计算出每个区间的光学参数，最后联立获得整个波长范围内薄膜的光学常数；
Y4、根据整个波长范围内薄膜的光学常数对单层薄膜进行反演，得到最终结果。
为了进一步说明本发明的技术方案，下面将通过理论依据、薄膜材料光学常数测量与计算、分光膜膜系设计、分光镜的制备和工艺改进四个方面，并结合相应的实验数据进行阐述。
(1)本实施例采用的包络-全光谱拟合理论基础
一般情况下，消光系数对于透射率影响强于反射率。利用薄膜在λ/4和λ/2处出现的透射率极值计算该薄膜的参数。
根据连接的光谱曲线上取得极大与极小值点，Tmax和Tmin为包络值，求解光学参数为：
Figure BDA0002347774990000123
其中，
Figure BDA0002347774990000124
n0为空气折射率，ns为基片折射率。
当薄膜均匀且具有吸收，则有:
Figure BDA0002347774990000131
其中：C1＝(nf+n0)/(ns+n0)；C2＝(nf-n0)/(ns-nf)；α＝exp(-4πkfdf/λ)，df为薄膜厚度。
根据极值处折射率与波长关系，膜层厚度有：
Figure BDA0002347774990000132
依照包络法可以粗略的获得薄膜的折射率、消光系数和厚度。
全光谱拟合法基于数值优化思想，对薄膜在波长范围内的薄膜参数进行优化以匹配透过率(或反射率)进而获得薄膜的光学常数。以透射光谱为例，实际测量透过率
Figure BDA0002347774990000133
与计算透过率T(λ)构建函数如下:
Figure BDA0002347774990000134
式中λl、λh为计算范围的下界与上界，ω(λ)为在λ处的权重因子。
本实施例根据上述分光镜的设计方法，设计并制备了宽光谱分光镜。目前透明区在0.4～12μm波段且具有优良机械性能的薄膜材料仅有ZnS和YbF3两种，因此选用多光谱ZnS(M-ZnS)和YbF3作为镀膜材料(基底为M-ZnS)进行膜系的制备。
(2)薄膜材料光学常数测量与计算
首先分别在K9和ZnSe基底上沉积ZnS单层膜，制备ZnS单层膜样品，分别在ZF6和ZnSe基底上沉积YbF3单层膜，制备YbF3单层膜样品。
采集2～12μm波段透射率光谱和0.4～2μm波段透射率光谱，并测量薄膜厚度。在0.4～12μm波段内，依据测量数据采用包络-全光谱拟合法对测量的数据进行光学常数反演，并将测量的折射率与消光系数导入光学薄膜软件生成透过率曲线与测试曲线对比，在K9和ZnSe基底上沉积的ZnS单层膜的薄膜材料折射率与消光系数如图6所示，在ZF6和ZnSe基底上沉积的YbF3单层膜的薄膜材料折射率与消光系数如图7所示。
由图6和图7中的数据可知，测量的两种材料折射率都随波长增大而减小，膜层折射率稳定虽然在可见近紫外区域吸收略大，但仍满足分光镜的光谱需求。
测量的单层膜厚度：ZnS在K9上设计厚度为630nm，测试镀制厚度633.8nm，计算厚度为631.6nm，ZnSe上设计厚度为1100nm，实际镀制厚度为1104.9nm，计算厚度为1101.8nm，误差分别为0.3％和0.28％；YbF3在ZF6和ZnSe设计厚度1000nm，实际镀制厚度1002.8nm，计算厚度为999.99nm，误差为0.28％。该工艺条件下镀制厚度与实际厚度较为接近。经对比ZnS在镀制过程中的电阻热蒸发沉积相比于电子枪沉积速率波动相对YbF3较大导致ZnS的沉积厚度误差大于YbF3。
依据包络-全光谱拟合法的单层薄膜光学常数计算透过率，并与测试光谱进行对比，ZnS光学常数计算曲线与实测透过率曲线对比如图8所示，YbF3光学常数计算曲线与实际透过率曲线对比如图9所示。从图8、9可见，采用该方法的薄膜计算光谱与测试光谱基本吻合，且与全光谱拟合法对比几乎无误差，在0.4～12μm波段内具有良好的准确性。
(3)分光膜膜系设计
1、前表面膜层设计
该分光片采用长波通为基础膜系结构，调整膜堆两侧匹配系数，降低匹配失衡导致的光谱性能下降，最终构建45°入射条件下可见/近红外反射，远红外透射的分光镜。设计结构为Sub|1.4(0.8H(LH)3L0.8H)31.1(0.8H(LH)3L0.8H)30.9(0.8H(LH)3L0.8H)30.7(0.8H(LH)3L0.8H)3|Air，其中H表示λ/4厚度的M-ZnS，L表示λ/4厚度的YbF3，Sub表示M-ZnS基片，Air表示空气。传统设计中多采用将比例系数由小至大的方式排列，该排列方式可以防止反射带重叠带来的反射极小值，但实际应用中ZnS与YbF3在接近紫外波段的吸收。因此将短波反射堆置于最外侧，可以有效降低光线入射时短波在薄膜中的光程，可以降低薄膜吸收带来的反射波段边缘光谱恶化。经过优化后，前表面理论光谱数据如图10所示。
2、双面设计
在前表面设计基础，依据增透膜基础理论，在8～12μm波段设计增透膜，经过优化其膜系结构为Sub|6.24H8.75L0.34H9.23L|Air，其中YbF3(即L)最优控制在844.26nm，防止YbF3过厚脱膜的问题。将前后表面导入薄膜设计软件中，得到分光镜45°入射时，双面设计理论光谱曲线，如图11所示。由图11中数据可知，双面理论光谱数据是：0.4～0.9μm波段平均反射率为96.22％，8～12μm波段平均透射率为95.45％。
(4)分光镜的制备
根据上述前表面设计并按照上述制备方法，在M-ZnS基底上镀制前表面。依据所获得的薄膜材料折射率与消光系数计算分光片的透过率与测量值进行比较。
前表面透射光谱曲线与设计曲线透光率对比结果如图12所示，曲线整体与设计拟合较好无明显偏差。在未镀膜情况下，基片在10～12μm波段存在明显的吸收，且在镀膜与未镀膜曲线走势相似，证明薄膜在红外吸收较小。在单面镀膜的条件下，8～12μm理论设计的平均透过率为83.35％，实际制备样品测试的平均透过率为81.23％，该情况主要由基底吸收导致，虽然吸收较为明显但仍满足单面设计指标。对比结果1与结果2可知尽管通过单层膜实验对厚度进行了精确的计算与校正，二者的测试光谱仍存在偏差。结果1相对于结果2整体向长波方向漂移，通过将透过率数据导入薄膜设计软件进行反演，YbF3的厚度较为准确而ZnS在35层以后的厚度相比于设计薄了约5％，经分析膜层的后30层ZnS膜层较薄当速率出现波动。因此在镀制结果2时修正了薄膜厚度，最终制备分光膜的光谱拟合良好。
(5)分光镜的工艺改进
将镀制好的单侧膜系的样品(未实行真空退火方法)放置于盐雾箱进行醋酸盐雾试验(AASS)，试验溶液为5％NaCl溶液加入冰醋酸调节PH至3.2，试验温度为35℃，沉降速率为1.5ml/h。盐雾试验结束后样品表面有较大变化如图13所示。由图13可知，薄膜表面变得粗糙且有无法去除的点状痕迹。
为了提高膜层质量，进一步研究真空退火对膜层的影响，对制备后的分光镜原位退火，即在cvac ZZS-1100设备中进行，对设备加装了H2S气路和尾气处理系统。当镀制结束后向真空室内充入一定量的H2S，重新打开抽气系统维持真空度在3.0Pa，升温至300℃保温40分钟随后自然降至室温。随后将样品进行AASS，盐雾试验前后样品表面如图14所示。
对比图13与图14可以看出，在H2S气氛条件下进行退火能极大程度的提升薄膜抗腐蚀特性，分析原因为ZnS在沉积时会部分分解为Zn与S进行升华，在基底上重新凝结成化学计量比近似一致的膜层，但所获得的ZnS与块状材料相比存在较多的游离Zn与S。当进行AASS时，薄膜内游离Zn与溶液发生类似原电池的反应，导致更多的缺陷产生，同时腐蚀产生的溶液会侵蚀薄膜表面，导致薄膜表面状态严重恶化，而在H2S气氛条件下进行退火，膜层在高温下其内部游离态的Zn与H2S继续反应，降低了薄膜内部缺陷，提高了薄膜耐腐蚀特性。
根据本发明制备双面膜层，在完成AASS试验后透过率与反射率如图15所示，由图15中的数据可知，在M-ZnS基底上所制备的薄膜，当入射角为45°时，0.4～0.9μm波段平均反射率为93.24％，8～12波段平均透过率为91.15％。
综上所述，本发明设计并制备了用于无人机载海洋多维光学系统的分光镜，研究了包络-全光谱拟合法的基本思路、物理模型、约束函数等，对包络-全光谱拟合法在超宽带光学参数计算进行了验证，证明该方法能够精确获得超宽带光学参数，并用于分光膜的镀制。所制备的分光镜在0.4～0.9μm平均反射率大于93％，8～12μm平均透过率大于91％，用于将不同波段入射光分离使其进入对应的探测系统，提高系统探测效率，在制备工艺中，采用原位气氛退火对于薄膜腐蚀状态的改善，并有效的抑制了AASS试验中薄膜腐蚀，提升了薄膜性能。
实施例2
本实施例设计一种用于海洋多维成像系统中的分光镜，所述分光镜包括基片，以及分别沉积在基片两侧的第一光学膜系和第二光学膜系，所述第一光学膜系位于基片入射光一侧，所述第二光学膜系位于基片1出射光一侧；
第一光学膜系的基本结构为Sub|2(0.8L(HL)3H0.8L)41.8(0.8L(HL)3H0.8L)41.5(1.4L(HL)3H0.8L)41.0(0.8L(HL)3H0.8L)4|Air，其中H表示λ/4厚度的M-ZnS，L表示λ/4厚度的YbF3，Sub表示M-ZnS基片，Air表示空气，λ为550nm，总膜厚度为8.26μm，其前表面理论光谱图如16所示。
第二光学膜系的基本结构为Sub|6.24H8.75L0.34H9.23L|Air，其中L层单层最大厚度为844.68nm，总膜厚度为2015.94nm，其双表面理论光谱图如图17所示。由图17可知，0.4～0.9μm波段反射率为96.67％，8～12μm波段透射率为95.14％。
实施例3
本实施例设计一种用于海洋多维成像系统中的分光镜，所述分光镜包括基片，以及分别沉积在基片两侧的第一光学膜系和第二光学膜系，所述第一光学膜系位于基片入射光一侧，所述第二光学膜系位于基片出射光一侧；
第一光学膜系的基本结构为Sub|1.5(0.8H(LH)3L0.8H)51.2(0.8H(LH)3L0.8H)50.8(0.8H(LH)3L0.8H)50.5(0.8H(LH)3L0.8H)5|Air，其中H表示λ/4厚度的M-ZnS，L表示λ/4厚度的YbF3，Sub表示M-ZnS基片，Air表示空气，λ为500nm，总膜厚度为10.14μm，其前表面理论光谱图如18所示。
第二光学膜系的基本结构为Sub|6.24H8.75L0.34H9.23L|Air，其中L层单层厚度为844.68nm，总膜厚度为2015.94nm。其双表面理论光谱图如图19所示。由图19可知，0.4～0.9μm平均反射率为99.07％，8～12μm平均透射率96.45％，总膜层88层。
综上所述，现有海洋成像系统中多为可见-远红外成像，波段为0.4～0.7μm与8～12μm，常用膜层结构为(0.5LH0.5L)k的叠加，常见性能指标为0.4～0.7透射，平均透射率高于90％，8～12μm反射，平均反射率高于90％。本发明的分光镜在使用波段宽于传统分光镜，可以采集更多的光学信息，提高发现和识别目标的准确率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于海洋多维成像系统中的分光镜，其特征在于，所述分光镜包括基片、第一光学膜系和第二光学膜系；
其中，所述第一光学膜系沉积在所述基片入射光一侧，
且所述第一光学膜系的基本结构为Sub|a(0.8H(LH)3L0.8H)pb(0.8H(LH)3L0.8H)pc(0.8H(LH)3L0.8H)pd(0.8H(LH)3L0.8H)p|Air；
所述第二光学膜系沉积在所述基片出射光一侧；
且所述第二光学膜系的基本结构为Sub|6.24H8.75L0.34H9.23L|Air；
其中，H表示由高折射率材料制成的膜层，L表示由低折射率材料制成的膜层，Sub表示基片，Air表示空气，a、b、c、d表示相对于中心波长的系数，且a＞b＞c＞d，p为重叠周期数。
2.根据权利要求1所述的用于海洋多维成像系统中的分光镜，其特征在于，H表示由M-ZnS制成的膜层，L表示由YbF3制成的膜层，所述a、b、c、d选自0.5-2之间的数，且a＞b＞c＞d，所述P选自3、4、5。
3.根据权利要求1所述的用于海洋多维成像系统中的分光镜，其特征在于，所述第二光学膜系中L层单层厚度不超过1000nm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的用于海洋多维成像系统中的分光镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将基片擦拭干净后，在真空度为2.0-3.0×10-2Pa，温度为100-150℃的条件下，进行烘烤加热，恒温时间30-50min；
S2、镀前开启离子轰击清洗基片5-13min，在基片入射光一侧，膜层交替沉积，形成第一光学膜系，单侧镀制结束后，实行原位气氛退火，得到前表面膜层；
S3、在基片出射光一侧，膜层交替沉积，制备第二光学膜系，镀制结束后，得到分光镜。
5.根据权利要求4所述的用于海洋多维成像系统中的分光镜的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述原位气氛退火的工艺为：向镀膜机真空室内充入一定量H2S，维持真空室内压强为1-5Pa，同时将镀制温度由100-150℃升至270-330℃，保温40-90min随后自然降温至室温。
6.根据权利要求4所述的用于海洋多维成像系统中的分光镜的制备方法，其特征在于，在步骤S2和步骤S3中，所述膜层交替沉积的高折射率材料采用电阻蒸发方式沉积，低折射率材料采用电子束热蒸方式沉积。
7.根据权利要求6所述的用于海洋多维成像系统中的分光镜的制备方法，其特征在于，所述高折射材料在真空度为0.5-2.0×10-2Pa，温度为100-150℃，沉积速率为0.8-1.2nm·s-1的条件下进行沉积。
8.根据权利要求6所述的用于海洋多维成像系统中的分光镜的制备方法，其特征在于，所述低折射率材料在真空度为0.5-2.0×10-2Pa，温度为100-150℃，沉积速率为0.6-1.0nm·s-1的条件下进行沉积。
9.根据权利要求1～3任一项所述的用于海洋多维成像系统中的分光镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
Y1、测量未镀膜基片，随后分别镀制单层ZnS与YbF3样品，并测量透射率光谱；
Y2、根据光谱曲线构建包络线，获得光学参数，并以消除系数为依据划分透明区与吸收区；
Y3、针对透明区采用包络法进行计算；
对于吸收区以包络法获得的数据为初始数据，采用全光谱拟合法，构建包络-全光谱拟合法模型，进行计算，获得该波段的光学常数精确值；
计算出每个区间的光学参数，最后联立获得整个波长范围内薄膜的光学常数；
Y4、根据整个波长范围内薄膜的光学常数对单层薄膜进行反演，得到最终结果。
10.根据权利要求9所述的用于海洋多维成像系统中的分光镜的设计方法，其特征在于，在步骤Y3中，所述构建包络-全光谱拟合法模型步骤包括：
将吸收区λl～λh分割为N个次级区间，以包络法获得的光学参数作为初始值，以公式(1)解其在第i个区间上的光学薄膜系数，计算公式(1)且约束条件(2)如下：
Figure FDA0002347774980000031
Figure FDA0002347774980000032
其中λl、λh为计算范围的下界与上界，ω(λ)为在λ处的权重因子，ΔT(λ)为光谱仪精度误差，
Figure FDA0002347774980000033
为实际测量透过率，T(λ)为计算透过率，kmax为包络法计算最大吸收系数，nmin和nmax分别为包络法计算获得的折射率最大值与最小值，P(λ)为惩罚函数，df为薄膜厚度。
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WO2023092648A1 (zh) * 2021-11-23 2023-06-01 清华大学 用于流式细胞仪荧光色散的光路设计方法和装置

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