10.4μm~12.5μm带通滤光片的设计

　　1引言

　　10.4μm~12.5μm带通滤光片是多光谱扫描仪使用的一种重要分光元件,其光谱性能与成像质量密切相关,而膜系结构对组成滤光片的光谱性能起决定性作用。滤光片的设计主要有两种方法:一种是自动优化法,另一种是解析法。利用自动优化方法设计的滤光片具有优良的光谱性能,但由于得到的各膜层光学厚度不同,有时折射率也不同,给薄膜沉积带来了一定困难。解析法得到的是规整膜层,一般仅由两种材料组成,工艺上易实现,但光谱性能有时稍差。目前,实用的滤光片膜系结构大多采用这种方法。文献[1]和[2]就是利用解析法设计了10.4μm~12.5μm带通滤光片,给出了不同的膜系。由Ge和ZnS组成的膜系有良好的光谱性能^[1],但其截止带宽不能满足要求。用ZnS和PbTe设计滤光片时,文献[2]采用截止波长为10.4μm的长波通膜系和宽带膜系(长波侧为12.5μm)组成10.4μm~12.5μm通带,但这种膜系的光谱性能较差,也不能满足使用要求。所以,必须设计一种新的膜系以在截止带宽、通带内的光谱特性等都能满足使用要求。

　　本文利用解析方法设计了10.4μm~12.5μm带通滤光片,采用半经验的分析方法压缩了带通内的波纹幅度,改进了光谱特性,获得了良好的结果。

　　2滤光片的设计

　　2.1材料选择

　　红外波段的滤光片的镀膜材料相当有限,且多数比较软,耐久性差。目前常用的主要有ZnS、ZnSe、PbTe、Ge等,它们在4μm~16μm的范围内的吸收系数小,易沉积。从减小膜层层数的角度考虑,薄膜的折射率比值越高,其截止带宽就越宽,层数就越少。其中PbTe的折射率高达5.5,是目前能实际使用的镀膜材料中折射率值最高的。它的短波吸收限为3.4μm,所以小于此波段的光被PbTe吸收而不需要附加膜系。选用ZnS的折射率为2.2,与Ge和PbTe的附着力相当好。与PbTe组成红外多层膜滤光片,有利于减少膜层层数,提高滤光片的环境稳定性和可靠性。

　　2.2膜系结构

　　构成通带的方法有两种:一种由长波通和短波通截止膜系构成,另一种由宽带带通膜系构成。对于10.4μm~12.5μm通带,长波通和短波通膜系的截止波长分别为10.4μm和12.5μm。由ZnS和PbTe组成的宽带膜系的通带比10.4μm~12.5μm的宽,用截止波长为10.4μm的长波通截止膜系与宽带膜系构成10.4μm~12.5μm。基底选用单晶锗。假定Ge、PbTe和ZnS的吸收系数和入射光的入射角为零,利用等效折射率理论^[3],设计的两种膜系分别如下:

　　中心设计波长为11.35μm。碲化铅的短波透射限为3.4μm,这就意味着在3.4~10.4波段范围内必须无高次透射带,利用两堆膜系就可将此波段范围内的光全部截止。在膜系Ⅰ中,(L/2·H·L/2 )⁷为长波通主膜系,(L/2·H·L/2 )⁵为消次峰膜系, (L/ 2·H·L/ 2)²为匹配膜系。对于大于12.5μm波段的光,如果采用短波通膜系,则可截止到22μm,宽带膜系的长波截止区达到20μm。