激光測距觀察儀中光學(xué)薄膜的研究

李建芳，周言敏，王 君，袁 勇

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院電子信息系，重慶401331）

激光測距觀察儀中光學(xué)薄膜的研究

李建芳，周言敏，王 君，袁 勇

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院電子信息系，重慶401331）

激光測距觀察儀不僅能觀察遠距離目標，還能利用激光測距原理測出目標與觀察者之間的距離。為了實現(xiàn)這兩大功能，必須在激光測距觀察儀的光學(xué)系統(tǒng)中制備大量的光學(xué)薄膜。根據(jù)光學(xué)薄膜的用途不同，光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)薄膜主要有雙波段增透膜、干涉截止濾光膜、可見光寬帶增透膜和紅外點增透膜等。

激光測距觀察儀；光學(xué)薄膜；膜系設(shè)計；光譜曲線

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，一大批多功能、高精度的光電儀器應(yīng)運而生，在這些光電儀器的光學(xué)系統(tǒng)中都應(yīng)用了光學(xué)薄膜技術(shù)。光學(xué)薄膜技術(shù)的原理主要是基于光的干涉效應(yīng)，不同的膜層結(jié)構(gòu)將得到不同的光學(xué)效應(yīng)，如增強或降低光能量、改變偏振狀態(tài)及相位變化等。光學(xué)薄膜除具有良好而穩(wěn)定的光學(xué)特性外，還具備很強的牢固性、耐磨性、耐腐蝕性和抗激光損傷等機械性能。因此光學(xué)薄膜在各類光電儀器中得到極為廣泛的應(yīng)用。

本文研究的是激光測距觀察儀中光學(xué)薄膜的功能與設(shè)計，涉及的主要膜系有雙波段增透膜、可見光寬帶增透膜、紅外點增透膜和干涉截止濾光膜等。

2 激光測距觀察儀的結(jié)構(gòu)特點

傳統(tǒng)的觀察儀只能觀察遠距離目標，而不能準確判斷目標的實際距離。新型的激光測距觀察儀不僅能觀察遠距離物體，還能利用激光測距原理測出該物體與觀察者之間的距離，所以，激光測距觀察儀很快得到認可。

2.1 激光測距原理

激光測距觀察儀的測距原理為：激光測距觀察儀里的激光發(fā)射器發(fā)出激光，激光經(jīng)物體反射回來，儀器計數(shù)裝置記錄激光從發(fā)出到接收的時間t，則物體到觀察者的距離為：

2.2 激光測距觀察儀光學(xué)系統(tǒng)示意

激光測距觀察儀的光學(xué)系統(tǒng)接收光線示意圖如圖1所示。激光由激光器發(fā)出，經(jīng)物體反射后返回，經(jīng)物鏡進入系統(tǒng)，由棱鏡分光，進入光電接收器進行處理后顯示距離。同時，根據(jù)觀察儀原理，物體成像可由目鏡進行觀察。由圖可知，光學(xué)薄膜對觀察物體和測距都有非常重要的作用。

圖1 激光測距觀察儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖

3 光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)及設(shè)計

目前，激光測距觀察儀的光源有多種，以下設(shè)計以905nm激光器光源為例說明激光測距觀察儀光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)薄膜的結(jié)構(gòu)及設(shè)計。

3.1 紅外點增透膜

在激光測距觀察儀中，紅外點增透膜被鍍在棱鏡靠近光電接收器的一面，它的作用是增強紅外激光的透過率，減少激光能量的損失，從而使光電接收器的計數(shù)更為準確。

若在玻璃表面鍍單層增透膜，根據(jù)理想的單層增透膜的條件是：膜層的光學(xué)厚度為四分之一波長，其折射率為入射介質(zhì)和基片折射率乘積的平方根。則鍍單層增透膜的材料折射率應(yīng)由下式計算：

若基底折射率為1.52，則理想的增透膜的折射率為1.23，但至今能利用的薄膜的最低折射率是1.38（氟化鎂）。因此可以在玻璃基片上先鍍一層λ0/4厚的、折射率為n2的薄膜，這時對于波長λ0來說，薄膜和基片組合的系統(tǒng)可以用折射率為的假想基片來等價，顯然，當(dāng)n2＞n3時，有 Y＞n3，也就是說，在玻璃基片上先鍍一層高折射率的λ0/4厚的膜層后，基片的折射率從n3提高到n3，然后鍍上λ0/4厚的氟化鎂膜層就能起到更好的增透效果?；谶@一思想，紅外點增透膜可用ZrO2-MgF2雙層增透膜膜系，也可用TiO2-SiO2膜系。為了使結(jié)果更為理想可用膜系設(shè)計軟件對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化設(shè)計，圖2為優(yōu)化后光譜曲線。

圖2 TiO2－SiO2雙層增透膜

3.2 可見光寬帶增透膜

可見光寬帶增透膜是目視觀察儀器中必備的一種膜層，它的主要作用是降低光學(xué)零件的表面剩余反射光，從而增強光的透過率，以達到清晰的觀察效果。在激光測距觀察儀中，寬帶增透膜鍍在觀察目鏡上。其膜系可用λ0/4_λ0/2_λ0/4結(jié)構(gòu)三層增透膜。這種三層膜結(jié)構(gòu)，是雙層λ0/4_λ0/4結(jié)構(gòu)的改進。計算三層膜時，先按與雙層膜具有類似的公式：

算出n1和n3，然后算再選擇n2。一般入射介質(zhì)為空氣， 則 n0=1.0，n1=1.38,n3=1.67,ns=1.52時，n2為 2.0～2.1較好。設(shè)計時需根據(jù)目鏡折射率值考慮膜系，基底折射率較低時可用λ0/4_λ0/2_λ0/4結(jié)構(gòu)三層增透膜，基底折射率較高時則用λ0/4_λ0/2_λ0/2結(jié)構(gòu)，膜系計算結(jié)果如圖3所示。如有需要也可用軟件進行優(yōu)化，可設(shè)計為五層非規(guī)整膜系，效果更好。

圖3 三層寬帶增透膜

3.3 可見光及紅外雙波段增透膜

圖4 可見光及紅外雙波段增透膜

物鏡是激光發(fā)射和人眼觀察的通道，既要通過可見光以便于觀察，又要通過紅外光以便于測距，因此物鏡上的光學(xué)薄膜要求對可見光及紅外激光具有高透射功能。雙波段增透膜就是根據(jù)這一要求設(shè)計的，圖2為膜系反射率曲線，其中，白光平均反射率低于1%，905nm激光反射率也可達到1%以下。雙波段增透膜用規(guī)整膜系很難達到要求，最簡單的方法是在三層增透膜的基礎(chǔ)上，利用代換對方法設(shè)計初始膜系，再用Macloed設(shè)計軟件優(yōu)化而得，圖4為優(yōu)化后7層膜系的光譜曲線。

3.4 干涉截止濾光膜

在激光測距觀察儀中的干涉截止濾光膜的主要作用：既要讓可見光反射，又要讓波長為905nm的激光透射，從而達到使原本一起進入光學(xué)系統(tǒng)的可見光和激光分離，可見光進入目鏡以便人眼觀察，激光進入光電接收系統(tǒng)進行計數(shù)以計算距離值。

干涉截止濾光膜是實現(xiàn)觀察物體和測距的關(guān)鍵，也是激光測距觀察儀制造難度最大的部分。如圖1所示，可見光和紅外光同時到達棱鏡，干涉截止濾光膜將可見光全部反射，而讓紅外光全部透過，這樣既滿足了人眼觀察要求，也滿足了測光測距功能，所以，干涉截止濾光膜的性能好壞將直接影響整個光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和測距精度。

干涉截止濾光膜為一長波通濾光膜，膜系初始結(jié)構(gòu)為：

其截止帶寬度可用下式計算：

上式表明，兩折射率之比越高，截止帶越寬，因此應(yīng)選取兩種折射率比值盡可能高的膜料。但目前能用的膜料中很難選出兩種可以覆蓋400～700nm這么寬的范圍，因此應(yīng)將膜系加以調(diào)整，展寬截止帶，調(diào)整后的膜系可變?yōu)椋?/p>

在實際鍍制中，因膜層膠合于兩棱鏡之間，可以使用ZnS-MgF2膜系，這時高低折射率比可達1.70，膜系為：

為了通帶讓曲線更平坦，干涉截止濾光性能更好，可將上述膜系為初始膜系用Macloed設(shè)計軟件對膜層厚度進一步優(yōu)化，達到最佳效果，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后干涉截止濾光膜光譜曲線

4 結(jié)語

光學(xué)薄膜在激光測距觀察儀的成像和測距過程中起著關(guān)鍵的作用，膜層的光學(xué)特性和物理特性都直接影響觀察儀的成像性能及測距精度。激光測距觀察儀的各種膜系的理論設(shè)計固然重要，但工藝制作也不容忽視，因此工藝制作應(yīng)與實際相結(jié)合，綜合考慮膜料特性、蒸鍍方法、制備參數(shù)等因素，力求得到光學(xué)性能穩(wěn)定、膜層牢固、抗腐蝕及抗激光性能良好的優(yōu)質(zhì)薄膜。

[1]唐晉發(fā)，鄭權(quán).應(yīng)用薄膜光學(xué)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

[2]顧培夫.薄膜技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1990.

[3]周九林，尹樹百，譯.光學(xué)薄膜技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社，1974.

Research on Optical Thin Film in Laser Range Finder

LI Jianfang,ZHOU Yanmin,WANG Jun,YUAN Yong
(Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

The laser range finder can not only observe a long-distance target,also make use of laser to measure to test the distance between target and observer.For carrying out these two greatest functions,have to make a great deal of optical thin film in the optical system of Laser range finder.According to the different use of optical thin film,the optical thin film in the optical system mainly has two wave-range antireflection coating,interference cut off filteration film,visible wideband antirefilective film,and infrared point antireflective film,etc.

laser range finder,optical thin film,thin film design;spectral curve

TB43

A

1674－5787（2011）04－0154－03

2011-05-28

李建芳（1974—），女，云南文山人，講師/工程師，主要從事光學(xué)薄膜設(shè)計、工藝研究及教學(xué)。

責(zé)任編輯 王榮輝