用于激光雷達(dá)傳感系統(tǒng)的光學(xué)薄膜濾光片的設(shè)計(jì)

郭志帥 費(fèi)書國(guó) 李新 姚春龍 劉添昊

（沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 遼寧省沈陽市 110043）

1 引言

無人駕駛應(yīng)用環(huán)境包括雨雪對(duì)主動(dòng)光源的阻擋、全光譜日光的光線干擾、車輛及行人的突發(fā)闖入、對(duì)向行駛車輛燈光干擾、晝夜光強(qiáng)的廣域控制等因素。光學(xué)薄膜濾光片位于無人駕駛激光雷傳感系統(tǒng)的最前端，濾光片光譜性能的準(zhǔn)確性直接決定有效信息的提取及純凈度、系統(tǒng)判別速度。濾光片對(duì)行駛過程中有效判停、剎車、保障正常行駛、提升處理速度有著至關(guān)重要作用。濾光片的光譜濾過作用通過幾十至幾百層納米級(jí)高低折射率材料膜層對(duì)光線的折射和反射實(shí)現(xiàn)，通過膜層材料的選擇和特定膜系實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 無人駕駛激光雷達(dá)系統(tǒng)濾光片光譜性能

無人駕駛激光雷達(dá)傳感系統(tǒng)的光學(xué)薄膜濾光片主要參數(shù)指標(biāo)包括透過區(qū)的中心波長(zhǎng)，透過區(qū)通帶半寬度，截止區(qū)范圍、截止陡度及截止區(qū)透過率。

2.1 透過區(qū)中心波長(zhǎng)及通帶半寬度

應(yīng)用環(huán)境對(duì)中心波長(zhǎng)的選擇主要有以下幾個(gè)主要因素決定：大氣吸收峰、人體感受、信號(hào)接收效率等，最為重要的因素是大氣吸收峰窗口位置。大氣環(huán)境中的水汽、氧氣、臭氧、二氧化碳等會(huì)對(duì)部分波長(zhǎng)的光有很強(qiáng)的吸收作用。紫外區(qū)波段會(huì)對(duì)人體皮膚造成老化灼傷傷害。可見光波段在一定強(qiáng)度的功率上照射眼睛時(shí)會(huì)造成眩暈現(xiàn)象，因此近紅外波段是較為可靠的、舒適的范圍。850nm、940nm 常作為遠(yuǎn)距離探測(cè)波段使用。為應(yīng)對(duì)雨雪等惡劣環(huán)境，需要加大主動(dòng)光源的發(fā)射功率，近紅外波段的850nm、905nm、940nm、1064nm 均有使用。綜合比對(duì)之后，選用850nm 為中心波長(zhǎng)。

2.2 透過區(qū)半峰帶寬

濾光片半峰帶寬是指50%峰值透過率對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)位置間的通帶距離。通帶區(qū)的半峰帶寬設(shè)計(jì)過窄時(shí)，目標(biāo)信息會(huì)更純凈但造成部分信息被截流導(dǎo)致信息損失。此時(shí)的光信息對(duì)于后方的傳感器而言，強(qiáng)度過低，信息處理閾值范圍被大幅度縮減。通帶區(qū)半峰帶寬過寬會(huì)使雜散光進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，增加信息處理數(shù)據(jù)量。結(jié)合窗口、光源帶寬及漂移參數(shù)，確定濾光器件半峰通帶寬度為40±4 nm。

2.3 截止帶寬

無人駕駛激光雷達(dá)系統(tǒng)中光電傳感器大多使用CMOS/CCD 進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，對(duì)光譜波段感知范圍通常在300-1200nm，可觸發(fā)。為得到純凈的信號(hào)光，對(duì)通帶外區(qū)域進(jìn)行光譜截止。

2.4 截止深度

截止深度是指截止區(qū)域的光譜透過率，在室外環(huán)境下可見光及紫外區(qū)域的光強(qiáng)較大，透過0.1%的能量足以干擾系統(tǒng)運(yùn)行，影響傳感精度。截止區(qū)透過率為0.01%時(shí)滿足使用要求，對(duì)非信號(hào)波段有較強(qiáng)的阻截效果。截止區(qū)透過率在0.01%以下（截止深度>OD4）。光譜參數(shù)技術(shù)指標(biāo)為：中心波長(zhǎng)：850nm±2nm；半寬：40±2nm；平均透過率>80%；截止范圍：300-1200nm；截止深度≥OD4。

3 雷達(dá)系統(tǒng)濾光片膜系材料及基片選擇

3.1 基片材料選擇

840nm 屬于近紅外波段，近紅外波段對(duì)于很多光學(xué)材料存在吸收系數(shù)過大的問題，影響濾光片的透過率?；诐M足：在近紅外通帶區(qū)吸收小，有好的環(huán)境適應(yīng)能力。對(duì)比硫系玻璃、半導(dǎo)體硅、鍺等基底材料，最終選擇K玻璃。除了良好的機(jī)械性能之外，表面的平整度和膜層結(jié)合度等特點(diǎn)都有較大的優(yōu)勢(shì)。

3.2 多層薄膜鍍膜材料的選擇

在近紅外區(qū)透射的鍍膜材料有PbTe、GaAs、ZnSe、BiF、YF、ThF、TiO等，其中碲化鉛、砷化鎵有毒性；部分氟化物有毒性且有吸濕性。選擇金屬氧化物材料TiO，具有很好的抗吸濕、抗氧化性，透明區(qū)從紫外到紅外波段的吸收系數(shù)較小。低折射率材料選擇SiO，成分于玻璃基底相同，鍍制過程可與基底更好的融合，膜層間應(yīng)力也能在很大程度上消除。

4 無人駕駛激光雷達(dá)系統(tǒng)濾光片的膜系設(shè)計(jì)

4.1 基本膜系選擇

帶通主膜系由法布里-珀珞（F-P）基本膜系組成演化而來，典型應(yīng)用為雙半波基本膜系，組成結(jié)構(gòu)為反射層與間隔層交替出現(xiàn)疊加。最終膜系表達(dá)如公式（1）所示：其中H/L 分別表示高低折射率材料層，S-1 表示干涉級(jí)次，m為間隔層厚度。

半寬度表達(dá)式如公式（2）：

可發(fā)現(xiàn)半波的增加有利于通帶寬的展寬和截止范的展寬。

4.2 主膜設(shè)計(jì)

對(duì)稱膜系具有高透射性，但隨著疊加次數(shù)及膜系腔數(shù)的增加會(huì)使通帶波紋劇烈震蕩。規(guī)整膜系主膜膜層數(shù)共計(jì)55層，膜層總厚度9828.50nm。當(dāng)基底材料與膜層材料確定后，光譜指標(biāo)的影響因素與膜層數(shù)量、腔數(shù)等相關(guān)。經(jīng)過試驗(yàn)?zāi)M后確定主膜膜系為：法布里-珀珞七腔帶通規(guī)整對(duì)稱膜系：

通過加入匹配層使入射到膜層內(nèi)的光線更加均勻，進(jìn)而降低通帶的波形系數(shù)。主膜透過率曲線如圖1 所示。

圖1：主膜透過率曲線

可知主膜系設(shè)計(jì)平均透過率在95%以上，但在350nm-740nm，1000nm-1200nm 波段有透射次峰。

4.3 輔助膜設(shè)計(jì)

短波通膜系與長(zhǎng)波通膜系的通帶范圍和截止范圍有限。通過短波通截止膜>1000nm 波長(zhǎng)截止，短波通輔助膜系如圖2 所示。

圖2：短波通膜系透過率曲線

分別選用TiO（H）、SiO（L）為高、低折射率材料，采用(0.5HL 0.5H)結(jié)構(gòu)的干涉截止膜系為基本膜系。設(shè)計(jì)周期數(shù)m=10。長(zhǎng)波通膜系透過曲線如圖3 所示。

圖3：長(zhǎng)波通膜系透過率曲線

將長(zhǎng)、短波通膜系組合于同一基片上，通帶、止帶區(qū)間基本滿足設(shè)計(jì)需求，但在800nm、880nm 處出現(xiàn)兩波谷，通帶區(qū)域波紋系數(shù)較大，透過率出現(xiàn)明顯降低。設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)值，對(duì)帶通區(qū)域、截止區(qū)域優(yōu)化，優(yōu)化后通帶透過率>95%，截止帶的截止深度也有更好的表現(xiàn)。優(yōu)化后曲線藍(lán)色實(shí)線如圖4 所示。

圖4：優(yōu)化后輔助膜系透過率曲線

輔助膜系共計(jì)87 層，膜系總厚度為8588.89nm；主膜系總厚度9828.50nm；模擬得到最終膜系設(shè)計(jì)透過曲線圖像。膜系結(jié)構(gòu)：Air/輔助膜系/玻璃基底/主膜系/Air 最終膜系透過率如圖5。

圖5：最終膜系設(shè)計(jì)透過曲線

透射曲線通帶平均透過率大于90%，透射指標(biāo)超過設(shè)計(jì)值為保證鍍制容差進(jìn)行了透過指標(biāo)溢出設(shè)計(jì)。截止區(qū)平均截止深度在OD5 以上，對(duì)其他波段的干擾光有很好的截止作用。

5 結(jié)論

依據(jù)應(yīng)用于無人駕駛激光雷達(dá)傳感系統(tǒng)中光學(xué)薄膜濾光片的技術(shù)要求，從基底材料到膜層材料的選擇做出了深入分析，探討了光譜指標(biāo)的參數(shù)要求。設(shè)計(jì)了七腔帶通主膜系及長(zhǎng)短通帶通膜系，結(jié)果表明組合優(yōu)化后的濾光片性能優(yōu)異。