[发明专利]一种中波红外与长波红外波段分色元件及设计方法

说明书

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种中波和红外波段的高效分光、在中波波段同步滤除二氧化碳红外辐射波长的分色元件及设计方法。该分色元件基于ZnS或ZnSe材料作为基底，可以将中波红外波段(3～5μm)以反射的方式分离，3.5～4.1μm反射率达到96％以上，4.4～4.7μm反射率达到90％以上，二氧化碳波长的反射率为10％以下；透射方向含有二氧化碳波长和长波红外波段(7.5～9.7μm)，7.5～9.7μm波段的透过率为97％以上。

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种中波和红外波段的高效分光、在中波波段同步滤除二氧化碳红外辐射波长的分色元件及设计方法。

背景技术

随着红外物理与光电探测技术的发展，基于红外线的光电成像与探测技术成为现代光电技术的重要学科与技术分支，不仅在国防军事领域得到广泛应用，而且逐渐拓展到民用领域中。以红外精确制导领域内的应用为例，红外制导已经从点源探测制导发展到成像制导，实现了从光机扫描成像到焦平面阵列凝视成像的跨越，大大提高了红外成像的作用距离、制导精度和抗干扰能力等。

基于单一红外波段的成像已经得到广泛应用，随着光电对抗技术的发展和目标复杂性，单一波段波段工作体制的成像不能完全适应发展的需求。双色的成像方式兼有中波红外(3～5μm)和长波红外(8～14μm)两个波段的优势，在很多红外搜索跟踪系统中得到广泛应用。例如，美国海军舰艇自身防御系统(SSDS)的红外搜索与跟踪系统、美国天基红外卫星(SBIRS)计划的低轨空间导弹跟踪系统(SMTS)、法国的空海全景警戒红外(VAMPIR)系统、荷兰的SIRIUS红外搜索系统等。

双波段成像与探测的光学系统采用共光路的方式，主要有共光路共探测器和共光路分探测器。在共光路分波段探测中，需要将中波红外(3～5μm)和长波红外(8～14μm)两个波段分离，这就需要一种分色元件来实现，可以采取中波反射长波透射和长波反射中波透射的方式。单纯对中波和长波分光的方法已经有报道，但是同时在3～5μm波段中滤除二氧化碳波长的分色元件报道较少。

本发明基于中波反射长波透射的思想，提出一种可以实现中波红外(3～5μm)和长波红外(8～14μm)两个波段分离，并且在中波波段内滤除二氧化碳波长的分色元件。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种中波红外与长波红外波段分色元件及设计方法，以解决如何在实现中波红外波段(3～5μm)和长波红外波段(7～9.7μm)分光的同时，在中波红外波段滤除二氧化碳红外辐射波长(4.2μm±0.2μm)的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种中波红外与长波红外波段分色元件的设计方法，该方法包括如下步骤：

选定参考波长λ₀为4.2μm；选择基底材料Sub为ZnS或ZnSe，高折射率材料H为Ge，低折射率材料L为ZnS，甚低折射率材料A为YF₃；单位光学厚度为λ₀/4；

基底为平行平板结构，具有相对的第一表面和第二表面；

在第一表面设计反射中波红外、透射长波红外和二氧化碳波长的光学多层膜，其初始膜系结构为：

Sub|0.5H 1.2L 1.8H 0.3L 2.3H 1L 1.2H 1.2L 1H 2L 0.1H 2.5L 1H 1L 1.1H1.2L 2.3H 0.2L 1.6H 0.8L 1.1A 0.2H|Air

设定第一表面的膜系结构在λ₀±0.2μm波段的透过率为最大值，3～5μm其余波段的反射率为最大值，7.5～9.7μm波段的透过率为最大值；对第一表面的初始膜系结构进行优化，优化后的膜系结构为：