中红外能量调节滤波器的研制

姜洪妍，王兴，陈德应，季一勤，樊荣伟

（哈尔滨工业大学 可调谐激光技术国家级重点实验室，哈尔滨 150080）

0 引言

红外成像制导技术是通过分析处理追踪获得的目标物体辐射能量［1］进行成像处理，该制导技术在目标获取能力和识别精度上优势明显，是该领域的重点发展方向。红外目标识别单元作为红外成像制导系统中的重要组成部分，非常依赖复杂背景中滤波技术［2］的应用。功能丰富的光学薄膜能够强化红外目标识别单元在各类环境中的预警率。

目前英国的ASRAAM 导弹和美国的AIM-9X 导弹已采用中波凝视型红外制导技术，具备抗干扰能力［3-4］；以色列的“怪蛇-5”导弹［5］、土耳其的Gokdogan 导弹和美国的SM-3 导弹采用了双波段红外成像制导技术，提升了复杂环境下的抗干扰性能［6］；2019 年岳威等研制了3.7～4.8 μm 带通滤光膜，有效提高了中红外探测器灵敏度的同时，对探测器或激光系统有很好的保护作用［7］；2015 年李芳等提出两种抗干扰算法，提高了制导精度［8］；2021 年李同顺等研制了双/多波段红外制导系统，复杂背景下提升了2 倍的信噪比［9］。本文为降低信息采集中环境因素的干扰，提高目标的判断精度，提出通过薄膜技术手段，抑制3.5～4.2 μm 的光，同时使4.4～5 μm 波段的光高透过，利用不同波段能量比的差异［10］，对同时采集到的波段信息进行能量对比，剔除冗余信息，减小干扰，提高判断准确度。

1 滤光膜的设计

解决红外成像系统中复杂环境的干扰问题，可以采用光谱滤波和空间滤波的方法，其中光谱滤波通过光学薄膜来实现。本文提出一种3.5～5 μm 的中红外能量调节滤波器，可以在抑制背景波段的同时，让目标信号与背景信号成一定比例通过，令红外成像系统可以在一定角度范围里同时采集不同波段的能量进行对比。具体参数要求如表1 所示。

表1 中红外能量调节滤波器光谱设计参数Table 1 Design parameters of mid infrared energy regulation filter

1.1 薄膜材料的选择

根据中红外能量调节滤波器的光谱需求，考虑薄膜材料与基底之间的匹配、透明区、机械强度、折射率和膜层材料之间的应力匹配选取合适的薄膜材料。

符合能量调节滤波器的高折射率材料有ZnS、ZnSe、Si 和Ge 等，其中ZnS 的透明区在0.4～14 μm，折射率为2.3，沉积速率稳定，但是成膜后机械强度低；ZnSe 透明区在0.55～15 μm，折射率为2.58，但是化学状态不够稳定，沉积过程中会释放有毒物质；Si 的透明区在1.1～9 μm，折射率为3.4；Ge 的透明区在1.7～23 μm，折射率为4.4。相比Si 而言，Ge 的折射率更高，在设计结构复杂膜系时，可以显著降低膜层物理厚度，选择Ge 为高折射率薄膜材料。符合的低折射率材料有YbF3、MgF2和SiO 等，YbF3的透明区在0.3～12 μm，但是在成膜过程中折射率会受到沉积条件的影响，不够稳定；MgF2的透明区在0.11～10 μm，但本身内应力过大，不适合沉积较为复杂的膜系；SiO 透明区在0.4～9 μm，折射率为1.55，具有良好的光学性能与机械性能，选择SiO 为低折射率薄膜材料。

1.2 材料光学常数的确定

采用离子束溅射（Ion Beam Sputtering，IBS）的膜层沉积方法，沉积温度为150℃，Ge 的沉积速率为0.3 nm/s，SiO 的沉积速率为0.5 nm/s。首先分别在Si 基底上镀制一定厚度的单层Ge 和SiO，用傅里叶红外光谱仪测试Ge 和SiO 的透过率数据，然后用WVASE32 软件对测量的透过率光谱数据进行光谱拟合，计算得到材料的光学常数［11］，材料的折射率如图1 所示。

1.3 滤光膜的设计

根据获得的薄膜材料光学常数，利用Macleod 软件进行中红外能量调节滤光膜膜系设计，以Sub|（0.5HL0.5H）^S|Air 为基础膜系，其中Sub 代表Si 基底，H 代表高折射率材料Ge，L 代表低折射率材料SiO，S为周期数，Air 为空气。

光以角度θ入射到光学界面时，第j层的折射角为θj，其光学导纳为

评价函数可以更有效地评价所设计的膜系与目标的符合程度，本文能量调节滤波器比例要求严格，传统的评价函数在设计大角度宽光谱滤光膜时，很难设计出不同角度下，光谱曲线平滑、能量分布均衡，容差小于±1%的膜系，因而考虑引入新评价函数。评价函数定义为

式中，θ1和θ2为角度范围，λ1和λ2为第一段波长范围，λ3和λ4为第二段波长范围，Tj(λ，θ)为j层膜的透过率，T0(λ，θ)为目标透过率，Tj(λ，θ)与T0(λ，θ)相差最少时的光学厚度为理想厚度，ωj(λ，θ)为与光源和接收源有关的比例系数。新的评价函数中引入波长和角度变量，可以设计得到更接近目标值的膜系设计方案。

将式（2）导入MATLAB 软件中的遗传算法工具箱中，膜系的膜层数设置为变量的个数，根据设计要求，设定相关变量：在0°～30°范围内，λ1～λ2波段T0(λ，θ)=2.45%，λ1=3.5 μm，λ2=4.2 μm，λ3～λ4波段T0(λ，θ)=98%，λ3=4.4 μm，λ4=5 μm，ωj(λ，θ)为常数C。每层物理厚度均限制为20～800 nm，使程序根据目标值自动优化，设置优化目标值，平衡膜层层数、厚度与评价函数的关系，对中红外能量调节滤光膜进行优化。

1.4 薄膜的吸潮特性

前期实验中发现制备的滤光膜无法通过温湿试验，会因为吸潮产生光谱飘移的现象，导致能量调节比不满足使用要求。红外能量调节滤波器出现光谱飘移会影响能量调节比，使比例不满足使用要求，所以要分析薄膜的吸潮特性。用SEM-JSM-IT200 对所制备的滤光膜微观结构进行测试，如图2 所示，薄膜内部具有与界面垂直的柱状结构［12］，柱状结构之间存在空隙。薄膜内部的柱状结构决定了其在长期使用过程中容易吸潮，导致折射率发生变化，产生波长漂移现象。

薄膜内部由空隙和固体部分组成，用聚集密度p定义，即

式中，V1为薄膜中固体部分的体积，V为薄膜的总体积。使用石英晶体测频法［13］测量完全干燥和完全潮湿情况下晶振片的振动频率，计算薄膜的聚集密度。根据所设计的膜系中SiO 的总厚度，在Si 基底上镀制1 700 nm 的SiO。

根据GB/T 2423.3 试验标准［14］，将样品放入温湿试验箱内，将箱内温度升至40℃，对试验样品进行预热，待试验样品达到温度后加湿，保持相对湿度93%，温湿度试验标准如表2 所示。待箱内的温度和相对湿度达到设定值并稳定一段时间后，测试放置不同时间下晶振片的频率，如图3 所示。

表2 温湿度试验标准Table 2 The standard of temperature and humidity test

晶振片在放置48 h 后频率趋于平稳，认为此时已充分吸潮，充分吸潮的频率为f*1。石英晶振片参数如表3 所示。

表3 石英晶振片参数Table 3 Quartz crystal data

根据表3 数据计算得到

式中，Δf1为沉积了薄膜和未沉积薄膜的频率差，fo为晶振片未镀膜时的频率，f1为薄膜刚刚镀制完成时的频率［15］，认为此时没有吸潮，Δf*1表示薄膜镀制完成和充分吸潮后的频率差，f*1为充分吸潮后的频率。

SiO 的聚集密度可表示为

式中，SiO 固体部分密度ρSiO=2.24 g/cm3，薄膜的物理厚度df为1 700 nm，B和A为比例系数。

同理可得

式中，ρw表示水的密度。于是

将式（8）代入式（6）得

由于ρw=1.0 g/cm3，所以SiO 的聚集密度为

Ge 固体部分密度ρGe=5.35 g/cm3，可计算得到Ge 的聚集密度为

薄膜的聚集密度还可以表示为

式中，dp为薄膜空隙的厚度，Δλ表示SiO 薄膜充分吸潮后光谱变化值，λ表示吸潮前的波长，n*f为充分吸潮后的折射率，nf为镀制完成后的折射率。

根据式（12）和式（13）计算得到SiO 充分吸潮后的折射率为

Ge 充分吸潮后的折射率为

通过实验计算得到薄膜材料吸潮后的折射率，如图4 所示，优化设计方案使吸潮前后的光谱都满足设计要求［15］。

2 能量调节滤波器膜系设计

利用Macleod 膜系设计软件，应用SiO 和Ge 吸潮前后的折射率，同时对中红外能量调节滤光膜进行优化设计，确保其在温湿试验前后均可满足技术要求。中心波长为3 100 nm，滤光膜膜系结构为：Sub|0.22H0.08L2.34H0.03L1.20H0.10L0.16H0.03L0.03H0.35L0.36H0.08L0.53H0.18L0.05H0.40L0.39H0.11L 0.21H0.60L0.25H0.22L0.36H0.18L0.36H0.75L0.46H0.21L0.11H0.55L0.09H0.87L0.10H1.13L0.18H0.53L 0.03H0.36L0.20H0.87L0.20H0.49L0.12H1.00L0.41H1.01L0.26H0.90L0.52H0.04L0.45H0.85L0.21H1.21L 0.10H1.03L0.17H0.20L0.33H0.20L0.25H0.32L0.07H1.37L0.03H0.82L0.17H0.17L0.30H0.85L0.14H0.82L 0.13H0.92L0.16H0.74L0.58H0.03L|Air。

为了提高中红外能量调节滤波器的光学性能，在其能量出射面镀制减反射膜，从而消除干涉光造成的反射能量损失。利用Macloed 设计得到减反射膜光谱曲线如图5 所示。中心波长为3 100 nm，减反射膜系结构为：Sub|0.71H0.29L0.13H0.66L0.08H0.69L0.11H0.46L0.15H0.18L|Air。

双面设计透过率曲线如图6 所示，3D 图如图7 所示。

0°和30°情况下的平均透过率和能量调节比如表4 所示，此时的设计可以保证滤光片在不同吸潮程度下都可以满足使用要求。

表4 能量调节滤光膜设计参数Table 4 Design parameters of energy regulation filter film

3 薄膜制备与测试

3.1 滤光膜制备

用VEECO 真空镀膜机进行沉积，该镀膜机配备了双离子源溅射系统和膜厚光学直控系统。将样片清洁后放进真空室，当真空度达到1.0×10-3Pa 时开启离子源，清除基片表面残存的灰尘及杂质。清洗完毕后，继续运行离子源辅助Ge 和SiO 沉积［16］。离子源的工艺参数如表5 所示。

表5 离子源的工艺参数Table 5 Technological parameters of ion source

镀制完成的中红外能量调节滤波器处于高温状态，不能直接取出，为加强其膜层牢固度，进行阶梯式退火，具体方式如图8 所示。

3.2 滤光片测试

对设计的中红外能量调节滤光膜膜系结构进行制备，光谱测试结果如图9 所示。

0°和30°情况下的平均透过率和能量调节比如表6 所示，可知滤光片在不同潮湿环境下均可以长期使用。

表6 能量调节滤光膜测试参数Table 6 Test parameters of energy regulation filter film

用Zygo verifire 干涉仪进行表面粗糙度测试，测试结果如图10 所示，峰谷（Peak Valley，PV）值为0.564，均方根（Root Mean Square，RMS）值为0.138，满足使用要求。

最终制备的中红外能量调节滤波器实物如图11 所示。

4 结论

本文通过建立新的评价函数，研究薄膜材料Ge 和SiO 吸潮前后光学参数变化，研制了一种大角度宽光谱能量调节滤波器。可以在0°～30°范围内抑制背景波段的同时，让目标信号与背景信号成一定比例通过，并可在户外潮湿环境下保持稳定的光学性能。制备的能量调节滤波器0°入射时，吸潮前能量调节比为1∶40.9，吸潮后能量调节比为1∶40.7；30°入射时，吸潮前能量调节比为1∶40.04，吸潮后能量调节比为1∶39.04，满足系统要求。