CN114296169A - 一种用于近红外双波段成像的滤波器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种用于近红外双波段成像的滤波器的设计方法,包括:提供楔角棱镜,在所述楔角棱镜的倾角斜面上设置多层膜,选择所述多层膜中每一层膜的折射率和/或厚度,使得所述多层膜对950nm‑1010nm波长范围内的光的反射率不低于90%且对800nm‑875nm波长范围内的光的透射率不低于90%,同时所述多层膜至少对875nm‑925nm波长范围内的光的透射率是恒定的。通过本申请的设计方法提高了透反射能量的同时克服探测器在近红外波段响应区域有限且衰减幅度较大,导致探测器靶面在透射与反射波段接收到红外辐射能量差过大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像领域,且尤其涉及一种用于近红外双波段成像的滤波器及其制造方法。
背景技术
目前,近红外光学系统较为复杂,如果使用的光学元件太多的话,会导致较大光能损失;此外,过渡段波长过大,近红外波段比较窄,探测器响应衰减的比较快,能够到达探测器靶面的辐射能量非常低,则又会导致近红外波段探测器响应率低,探测信噪比低,测量动态范围小的问题。
专利CN107209305A提出了一种具有改进透射率的近红外光学干涉滤波器。为了将器件操作扩展到近红外,该专利采用了硅氢化的方法,将传统交替的硅层和二氧化硅层的堆叠改为氢化无定形硅(a-Si:H)和SiO2的交替层。通过这种方法,降低了材料的损耗和折射率,并且实现了800nm至1000nm范围内的高性能操作。然而,这种滤波器的过渡带非常长,这就会导致在过渡带上容易造成失真,此外,其能量衰减率也较大。
文献《近红外非共线声光可调滤波器的设计方法分析》设计了一种基于二氧化碲材料制成的非共线声光可调滤波器,这种滤波器虽然具有全固态、调谐灵活以及采用入射光与衍射光不共线工作方式的优点。但是目前这种滤波器的技术并不是很成熟,其缺点也很明显,那就是它的串扰很严重。此外如果想更好的提高其性能,则必须加大声光作用的长度,这样的器件制造起来非常困难,因此在实践中应用比较少。
因此,期望提供一种能够克服现有技术中的过渡段波长过大,近红外波段比较窄,探测器响应衰减比较快,能够到达探测器靶面的辐射能量非常低以及探测器靶面接收红外辐射能量的不均匀等缺点的成像滤波器及其制造方法。
发明内容
本申请的一个目的是提供一种用于近红外双波段成像的滤波器的设计方法。
本申请的另一个目的是提供一种用于近红外双波段成像的滤波器。
本申请的另一个目的是提供一种包括上述滤波器的光学成像系统。
在一方面,本发明提供的用于近红外双波段成像的滤波器的设计方法包括:提供楔角棱镜,在所述楔角棱镜的倾角斜面上设置多层膜,选择所述多层膜中每一层膜的折射率和/或厚度,使得所述多层膜对950nm-1010nm波长范围内的光的反射率不低于90%且对800nm-875nm波长范围内的光的透射率不低于90%,同时所述多层膜至少对875nm-925nm波长范围内的光的透射率是恒定的。
可选地,基于下述公式(1)和(2)来选择所述多层膜:
R=(4.738/D)(1/T)0.31[exp(B-1.4)-1](L-1)3.5 (1)
其中,R表示所述多层膜的最低反射率平均值,B=λmax/λmin,B表示低反射率带宽,λmax为低反射区的波长最大值,λmin为低反射区的波长最小值);L是最外层的低折射率膜层的折射率;D=nH-nL,D定义为:除最外层以外的高折射率H与低折射率L的差值;T是所述多层膜的总光学厚度,以平均波长的倍数来表示,即:
根据以上公式分析,在带宽B比价大的情况下,想要降低反射率R的值,则要满足以下条件:D尽可能大;nH与nL的差值尽可能大,n可以是正整数,如1-10,1-30范围内;L尽可能得小;T尽可能得大。
在公式(2)中,nd表示膜层材料的折射率,i可以是正整数,如1-10,1-30范围内。
可选地,用于所述高折射率H的材料选自Ti3O5和H4;用于所述低折射率L的材料选自MgF2和SiO2。
可选地,所述楔角棱镜的倾角斜面由K9玻璃制成。楔角棱镜也称为楔形棱镜。
可选地,所述多层膜包括共计10层的复合膜层,所述复合膜层在所述K9玻璃上依次包括第一Ti3O5层、第一SiO2层、第二Ti3O5层、第二SiO2层、第三Ti3O5层、第三SiO2层、第四Ti3O5层、第四SiO2层、第五Ti3O5层以及第一MgF2层。
可选地,所述多层膜包括共计25层的复合膜层,所述复合膜层在所述K9玻璃上依次包括折射率为如下的膜层:1.482、1.452、1.401、0.577、1.410、1.408、1.333、0.554、1.452、0.700、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000以及1.000。
在另一个方面,本发明提供的用于近红外双波段成像的滤波器包括:楔角棱镜,所述楔角棱镜的倾角斜面上设置有多层膜,所述多层膜基于下述公式(1)和(2)来选择:
R=(4.738/D)(1/T)0.31[exp(B-1.4)-1](L-1)3.5 (1)
其中,R表示所述多层膜的最低反射率平均值,B=λmax/λmin,B表示低反射率带宽,λmax为低反射区的波长最大值,λmin为低反射区的波长最小值);L是最外层膜层的折射率;D=nH-nL,D定义为:除最外层以外的高折射率H与低折射率L的差值;T是所述多层膜的总光学厚度,以平均波长的倍数来表示,即:
可选地,所述多层膜包括K9玻璃基底和共计10层的复合膜层,所述复合膜层在所述K9玻璃基底上依次包括第一Ti3O5层、第一SiO2层、第二Ti3O5层、第二SiO2层、第三Ti3O5层、第三SiO2层、第四Ti3O5层、第四SiO2层、第五Ti3O5层以及第一MgF2层。
可选地,所述多层膜包括K9玻璃基底和共计25层的复合膜层,所述复合膜层在所述K9玻璃基底上依次包括折射率为如下的膜层:1.482、1.452、1.401、0.577、1.410、1.408、1.333、0.554、1.452、0.700、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000以及1.000。
本申请提供的包括上述滤波器的光学成像系统,还包括设置在所述滤波器的透射分量方向上的第一滤光片和设置在所述滤波器的反射分量方向上的第二滤光片,且所述第二滤光片相对于所述第一滤光片是倾斜的。
本申请提供的多层膜对双波段同时实现了高的反射率和高的透射率,且透射波段和反射波段之间的过渡波段窄,从而在提高了透反射能量的同时克服探测器在近红外波段响应区域有限且衰减幅度较大,导致探测器靶面在透射与反射波段接收到红外辐射能量差过大的问题,保证了反射分量探测器接收的红外辐射能量均衡。
本发明提供的近红外双波段成像滤波器能够降低能量衰减率,提高探测器靶面接收红外辐射能量的均匀性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解,构成本申请的一部分,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
图1为本申请的实施例提供的滤波器的近红外波段透射率曲线图。
图2为本申请的实施例提供的滤波器的近红外双波段光谱响应图。
图3为本申请的实施例提供的滤波器的较大反射角度的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本申请实施例的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,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,都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请提供的一种用于近红外双波段成像的滤波器的设计方法包括:提供楔角棱镜,在所述楔角棱镜的倾角斜面上设置多层膜,选择所述多层膜中每一层膜的折射率和/或厚度,使得所述多层膜对950nm-1010nm波长范围内的光的反射率不低于90%且对800nm-875nm波长范围内的光的透射率不低于90%,同时所述多层膜至少对875nm-925nm波长范围内的光的透射率是恒定的。正如可以参考图1和图2看到的,图1为本申请的实施例提供的滤波器的近红外波段透射率曲线图且图2为本申请的实施例提供的滤波器的近红外双波段光谱响应图。
下面的实施例是基于附图来进一步说明书本申请的用于近红外双波段成像的滤波器。
实施例1
在本实施例中,楔角棱镜的倾角斜面是K9光学玻璃基底,且选取Ti3O5、SiO2、MgF2三种光学镀膜材料分别作为不同折射率的材料。
在本实施例中,多层膜具体被设计成包括共计10层的复合膜层,所述复合膜层在所述K9玻璃上依次包括第一Ti3O5层、第一SiO2层、第二Ti3O5层、第二SiO2层、第三Ti3O5层、第三SiO2层、第四Ti3O5层、第四SiO2层、第五Ti3O5层以及第一MgF2层。
复合膜层中各膜层的厚度如下面的表1所示:
表1
膜的镀覆可以采用本领域的常规设备,如日本的SHINCRON MIC-1350设备。
膜的镀覆可以采用本领域的常规方法,包括先对基底进行预处理,然后采用常规IAD参数辅助、低温冷镀的方式镀膜。
另外,MgF2膜,由于其亲水性,一般选用高温镀膜(300℃以上),不采用IAD辅助。但由于高温能耗大,且高低温切换必然影响生产效率,故采用低温(150℃)IAD辅助,但MgF2采用IAD辅助时不可使用O2,电子枪高温情况下MgF2会被氧化,且IAD能量要进行适当的调整,可采用低电压、大电流方式。
另外,第一Ti3O5层可以加入SiO2作为结合层,同时可以平滑低反射曲线。MgF2为亲水性材料,在外层极易被潮解,因而可以采用部分SiO2替代MgF2,用作保护层。
经本领域的常规测试方法验证,本实施例制备的多层膜满足对950nm-1010nm波长范围内的光的反射率不低于90%且对800nm-875nm波长范围内的光的透射率不低于90%的要求。
本领域技术人员还可以根据实际需求多次重复上述镀覆过程,以达到需要的膜层厚度,期望的膜层层数以及透射率要求。
实施例2
在本实施例中,楔角棱镜的倾角斜面是K9光学玻璃基底,且选取H4和SiO2两种光学镀膜材料分别作为不同折射率的材料。
在本实施例中,多层膜具体被设计成包括共计25层的复合膜层,该复合膜层在K9玻璃上依次包括折射率为如下的膜层:1.482、1.452、1.401、0.577、1.410、1.408、1.333、0.554、1.452、0.700、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000以及1.000。
在本实施例中,还可以在最外层另外镀覆SiO2半波覆盖层。
膜的镀覆可以采用本领域的常规设备,如国产900型真空镀膜机。
膜的镀覆可以采用本领域的常规方法,包括先擦拭镀件表面,装入夹具,放在基片架上,抽真空。当真空达到要求时,对基底表面加烘烤,温度为250℃。当真空度高于1.0×10-3Pa开始蒸镀,采用电子枪加热蒸发,为提高镀层的损伤阈值,在整个膜层的制备过程中使用考夫曼离子源。
在本实施例中,膜系前9层用MDC-360C石英晶体控制仪对膜层厚度进行监控,后14层用光电极值法控制膜厚。
经本领域的常规测试方法测试,本实施例制备的多层膜也满足对950nm-1010nm波长范围内的光的反射率不低于90%且对800nm-875nm波长范围内的光的透射率不低于90%的要求。
本领域技术人员还可以根据实际需求多次重复上述镀覆过程,以达到需要的膜层厚度,期望的膜层层数以及透射率要求。
本申请的工艺稳定,可实现规模化生产;制得的多层膜机械性能良好、抗恶劣环境能力强,可在恶劣环境下长时间使用。
参考图3,在本申请的滤波器的透射分量还可以设置第一滤光片,在滤波器的反射分量还可以设置第二滤光片。其中反射分量被设计成尽可能大的倾斜角度,以缩小侧向分量的安装尺寸,便于近红外双通道成像系统紧凑型一体化结构设计。
本申请通过高效滤波器分光和均衡性结构设计,再经过窄带滤光片后在探测器靶面成像时不产生较大的像差和色差,显著提高了成像质量。
本发明上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同,各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾,均可以组合形成更优的实施例,考虑到行文简洁,在此则不再赘述。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于近红外双波段成像的滤波器的设计方法,包括:提供楔角棱镜,在所述楔角棱镜的倾角斜面上设置多层膜,选择所述多层膜中每一层膜的折射率和/或厚度,使得所述多层膜对950nm-1010nm波长范围内的光的反射率不低于90%且对800nm-875nm波长范围内的光的透射率不低于90%,同时所述多层膜至少对875nm-925nm波长范围内的光的透射率是恒定的。
3.如权利要求1所述的滤波器,其中用于所述高折射率H的材料选自Ti3O5和H4;用于所述低折射率L的材料选自MgF2和SiO2。
4.如权利要求1所述的滤波器,其中所述棱镜的倾角斜面由K9玻璃制成。
5.如权利要求4所述的滤波器,其中所述多层膜包括共计10层的复合膜层,所述复合膜层在所述K9玻璃上依次包括第一Ti3O5层、第一SiO2层、第二Ti3O5层、第二SiO2层、第三Ti3O5层、第三SiO2层、第四Ti3O5层、第四SiO2层、第五Ti3O5层以及第一MgF2层。
6.如权利要求4所述的滤波器,其中所述多层膜包括共计25层的复合膜层,所述复合膜层在所述K9玻璃上依次包括折射率为如下的膜层:1.482、1.452、1.401、0.577、1.410、1.408、1.333、0.554、1.452、0.700、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000以及1.000。
8.如权利要求7所述的滤波器,其中,所述多层膜包括共计10层的复合膜层,所述复合膜层在所述K9玻璃上依次包括第一Ti3O5层、第一SiO2层、第二Ti3O5层、第二SiO2层、第三Ti3O5层、第三SiO2层、第四Ti3O5层、第四SiO2层、第五Ti3O5层以及第一MgF2层。
9.如权利要求7所述的滤波器,其中,所述多层膜包括共计25层的复合膜层,所述复合膜层在所述K9玻璃上依次包括折射率为如下的膜层:1.482、1.452、1.401、0.577、1.410、1.408、1.333、0.554、1.452、0.700、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000、1.000以及1.000。
10.一种包括如权利要求7-9中任一项所述的滤波器的光学成像系统,其中,还包括设置在所述滤波器的透射分量方向上的第一滤光片和设置在所述滤波器的反射分量方向上的第二滤光片,且所述第二滤光片相对于所述第一滤光片是倾斜的。
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