基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统设计

设计了一种基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统。此光学系统的工作波段为3~5¼m及8~12¼m,焦距为45 mm,F/#为2,双色探测器为320×256、30μm制冷型探测器。谐衍射光学元件改进了衍射光学元件在宽波段上的大色散问题,解决了衍射光学元件在宽波段上的色散严重和衍射效率低下的问题。该光学系统采用谐衍射光学元件消宽波段色差和宽温度范围热差,使中波红外和长波红外在不同衍射级衍射实现谐振共焦成像,使用较少光学元件,校正了双波段红外光学系统的像差和热差。基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统在改善像质、减小体积重量、宽波段消热差等方面表现出传统光学系统不可比拟的优势。随着双波段探测器和谐衍射透镜研发制造技术的进一步发展,双波段光学系统必将在目标跟踪、识别、精确打击等军工系统中得到广泛应用。     

基于双层衍射元件的红外双波段光学系统设计

利用红外双波段成像能够获得更多的信息,从而提高探测和识别能力。将多层衍射光学元件应用到红外双波段光学系统中,可以校正色差、简化结构。讨论了多层衍射光学元件的成像特性,相比于单层衍射光学元件,多层衍射光学元件可在宽波段范围内获得高衍射效率,给出了多层衍射光学元件设计方法。基于此,设计了一种红外双波段混合成像光学系统。其中,双层衍射光学元件在3.7~4.8μm和7.7~9.5μm工作波段上的衍射效率达98.5%以上。仿真结果表明,系统像质良好,满足要求。     

低偏振超宽光谱分色膜设计与制备

可见/红外超宽光谱分色片是星载中分辨率光谱成像仪III 型光学系统中的重要光学薄膜器件。利用诱导透射原理,采用金属-介质膜系结构加非对称等效导纳匹配层,实现了45°入射时0.4~1.05 μm光谱高效透射,1.35~13 μm波段光谱高效反射,从而将入射光束分配到不同的光路。同时通过消偏振控制设计,获得了可见近红外波段低偏振灵敏度（LPS）。所研制的分色片可见近红外波段平均透射率大于85%,LPS小于4%;短波及长波红外波段平均反射率大于90%。     

折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统设计

针对反射式双模位标指示器视场小、中心遮拦、能量低等问题,提出一种折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统。基于消色差理论和MRTD模型分别推导了光学系统波段间消色差公式和作用距离方程。设计的双波段光学系统具有共焦距特性,从而实现了双波段同步探测以及识别目标信息的一致性。折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统工作波长为3.4~4.8 m、7.7~9.5 m,俯仰、偏航视场为-26~26,焦距115 mm,F数为2。结果表明:在-40~60℃温度范围内消热差,成像质量接近衍射极限。     

多波段激光滤光膜的研制

针对光学仪器对多光谱光轴测试的特殊要求,采用电子束真空镀膜的方法并加以离子辅助沉积系统,通过对材料的光学特性、膜系设汁和监控厚度误差的分析,优化工艺参数,在多光谱ZnS基底上,成功镀制多波段激光滤光膜,实现了多波段光谱的分束.所镀膜层在30°角入射条件下,可见400～700 nm波长范围内平均透射率高于90%,1064 nm和1540 nm波长处的透射率都低于5%,在红外波长10.6μm透射率高于92%,并且解决了膜层牢固性问题,能够承受激光光源的照射和恶劣的环境测试,完全满足光学仪器的使用要求.     

光学被动消热差的长波红外双视场光学系统设计

依据光学被动消热差理论,利用硫系玻璃的热稳定性、长波红外透过特性等优点,对长波非制冷双视场光学系统进行了无热化研究,设计了一个大相对孔径、3 倍变焦的双视场长波红外光学系统。其具体参数为:F/# 为1,焦距为50/150 mm,总长240 mm,采用640480 的焦平面探测器,像元大小为17 m17 m,工作波段8~12 m,系统使用了三种长波红外材料:Ge、ZnS、IRG201。在-40~60℃下,其长短焦处像质均接近衍射极限。     

双波段红外光学系统设计与像质评价

双波段/多波段成像技术受到普遍重视,使得双波段光学系统特别是中、长波红外成像系统成为研究的热门之一。设计了折反射式光学系统、离轴三反射式光学系统和全折射式光学系统,分析了3种不同类型光学系统及其成像性能。采用了能同时响应中、长波红外的探测组件,系统的主要技术指标为:工作波段3~5 m、8~12 m,F/#=2,2=5.74,f=100 mm,全视场畸变2%,空间频率16.7 lp/mm处的MTF0.4。对3种不同类型系统的特点进行分析和研究,给出了各种像差曲线和光学传递函数曲线,总结了3种不同类型光学系统的优缺点。     

双波段红外光学系统无热化设计

针对制冷型320×256双色焦平面阵列探测器,设计了一套双波段红外光学系统,用于机载光电探测设备。光学系统采用锗、硒化锌和硫化锌组合实现了无热化设计;通过引入非球面和谐衍射元件,很好地校正了系统的色差和轴外像差,简化了系统结构。光学系统仅由6片镜子构成,工作波段为3.7~4.8μm/7.7~9.5μm波段,F数为2,满足100%冷光阑效率。像质评价结果表明,光学系统在-60~+70℃全温度范围内,双波段成像质量良好。     

可见与红外双波段光学系统的共变焦补偿方法

基于一种可见与红外双波段共光路成像探测光学系统,研究双波段变焦补偿方法。采用机械式正组被动补偿变焦形式,根据变焦理论对可见与红外双波段变焦比差异进行补偿。通过在变焦比较小的光路后拼接变焦比补偿光路,结合ZEMAX中的多重组态设置,调整并优化得到多个符合变焦比补偿的特征点,计算出随变倍组移动量变化的焦距变化曲线。研究表明,系统中可见与红外光路变焦比相差小,可实现可见与红外波段同时变焦。     

高分辨率共孔径同轴三反光学系统

为实现高分辨率全天候对地观测,充分利用了长焦距、大孔径空间光学系统的特点,设计了可见、红外共孔径光学系统。系统由可见光光学系统和红外子系统组成,视场角1.3°×0.1°,便于共光路同时推扫成像。可见光光学系统采用同轴三反结构,谱段0.38~0.78μm,焦距25 m,F数10,具有中间像面和实际出瞳,便于抑制杂散光。在可见光光学系统出瞳附近分光并以红外子系统与之承接,形成共孔径红外光学系统,谱段8~10.5μm,焦距4 m,F数1.6。优化后,双波段像质均接近衍射极限,满足设计指标且全系统结构紧凑。进行了公差分析,并通过蒙特卡罗方法验证了公差分配的结果满足静态传递函数优于0.2的设计要求。     

激光/长波红外双谱段减反射薄膜设计与制备

在氟化钡光学元件上设计并制备多谱段减反射薄膜是提升光电系统探测性能的关键。在氟化钡基底上设计并制备了1064 nm激光/长波红外双谱段减反射薄膜。基于周期对称结构膜系导纳计算方法,以及拟合膜层周期数与参考波长的优化算法,开展了复合谱段减反射薄膜初始膜系的设计方法研究。使用热蒸发离子束辅助沉积方法制备了多层减反射薄膜。测试结果表明,该薄膜在1064 nm处透射率为94.0%,在8~12 μm长波红外谱段平均透射率为96.3%,在8.2 μm处的透射率高达99.4%。该激光/长波红外双谱段减反射薄膜具有良好的光学性能,可以应用于多模复合精确探测光电装备之中,对于提升探测系统的工作性能具有重大意义。     

ZnS thin films deposition by thermal evaporation for photovoltaic applications

ZnS thin films were deposited on a glass substrate by thermal evaporation from millimetric crystals of ZnS.The structural, compositional and optical properties of the films are studied by X-ray diffraction, SEM microscopy, and UV-VIS spectroscopy.The obtained results show that the films are pin hole free and have a cubic zinc blend structure with (111) preferential orientation.The estimated optical band gap is 3.5 eV and the refractive index in the visible wavelength ranges from 2.5 to 1.8.The good cubic structure obtained for thin layers enabled us to conclude that the prepared ZnS films may have application as buffer layer in replacement of the harmful CdS in CIGS thin film solar cells or as an antireflection coating in silicon-based solar cells.     

利用脉冲准分子激光在ZnS上沉积类金刚石薄膜

利用氟化氪(KrF)脉冲准分子激光烧蚀沉积(PLD)技术,通过对激光等离子体的粒子成分以及空间分布的诊断,实现了等离子体成分的选择性沉积。在不降低光谱范围和透过率指标的前提下,解决了类金刚石(DLC)薄膜和硫化锌(ZnS)基底的牢固结合问题;通过改进基底平台的扫描方式,在激光烧蚀沉积工艺中沉积了80mm的大面积均匀类金刚石薄膜。制备的类金刚石/ZnS镀膜样品,光谱范围为0.53~12μm,其中1.3~11μm波段透过率在70%以上,膜层均匀性优于95%,可耐受环境湿度95%~100%,工作温度-45~85℃,附着力达到国军标要求。研究表明,利用类金刚石薄膜可以明显提高ZnS材料的耐冲击、耐高温、耐辐射和抗沙粒、盐、雾和尘埃的磨损侵蚀等能力。     

Cu(In,Ga)Se2太阳电池缓冲层ZnS薄膜性质及应用

在含有ZnSO4,SC(NH2)2,NH4OH的水溶液中采用CBD法沉积ZnS薄膜,XRF和热处理前后的XRD测试表明,ZnS沉积薄膜为立方相结构,薄膜含有非晶态的Zn(OH)2.光学透射谱测试表明,制备的薄膜透过率(λ＞500nm)约为90%,薄膜的禁带宽度约为3.51eV.ZnS薄膜沉积时间对Cu(In,Ga)Se2太阳电池影响显著,当薄膜沉积时间在25～35min时,电池的综合性能最好.对比了不同缓冲层的电池性能,采用CBD-CdS为缓冲层的电池转换效率、填充因子、开路电压稍高于CBD-ZnS为缓冲层的无镉电池,但无镉电池的短路电流密度高于前者,两者转换效率相差2%左右.ZnS可以作为CIGS电池的缓冲层,替代CdS,实现电池的无镉化.     

可见与红外制导系统高通滤光片的研制

可见与红外的制导系统作为一种制导手段,在军事领域得到了越来越广泛的重视。为了满足红外光学仪器的使用要求,根据薄膜光学理论对可见-红外3个波段进行了膜系设计;对几种常用的可见与红外材料进行对比,分别用硫化锌和氟化镱作为镀膜材料。通过电子束加热蒸发的方式,配合离子辅助淀积技术,在锗基底上制备了多层介质膜,在450～950nm波段平均反射率约为91%,3.7～4.8μm和7.5～9.0μm红外波段平均透射率约86%。该薄膜将多个波段的要求集为一体,可使光学仪器的结构得到简化。测试结果表明,此薄膜各项指标满足使用要求。     

基于非晶硅薄膜的微测辐射热计光学仿真和优化

基于非晶硅薄膜的非制冷微测辐射热计具有结构简单、易于大规模集成、工艺兼容以及良好探测性能等特点,在红外探测领域等受到关注。引入氮化钛薄膜作为新型红外吸收材料,通过光学导纳矩阵法,对基于非晶硅薄膜的微测辐射热计的红外吸收特性,进行了仿真和优化研究。结果表明,非晶硅微测辐射热计中,氮化钛/非晶硅复合薄膜具有良好的红外吸收性能。当非晶硅薄膜厚度为120 nm时,由氮化钛/非晶硅组成的膜系在8～14μm范围内具有96%左右的红外吸收率,其中氮化钛薄膜的最佳吸收厚度为32nm。     

离子束溅射宽带吸收薄膜设计与制备技术研究

Si薄膜在可见光和近红外波段具有一定的吸收特性,可用于宽带吸收薄膜的制备。采用离子束溅射技术,在熔融石英基底上制备了不同沉积工艺参数的Si薄膜,基于透、反射光谱和椭偏光谱的全光谱数值拟合法,计算了Si薄膜的光学常数,并研究了氧气、氮气流量对其光学特性的影响。选择Si和Ta2O5作为高折射率材料、SiO2作为低折射率,设计了吸收率为2%和10%的宽带（1 000~1 400 nm）吸收薄膜。采用离子束溅射沉积技术,在熔融石英基底上制备了宽带吸收薄膜,对于A=2%的宽带吸收光谱,在1 064、1 200、1 319 nm的吸收率分别为2.12%、2.15%和2.22%;对于A=10%的宽带吸收光谱,在1 064、1 200、1 319 nm的吸收率分别为9.71%、8.35%和9.07%。研究结果对于吸收测量仪、光谱测试仪等仪器的定标具有重要的作用。     

中波和长波红外双波段消热差光学系统设计

为了有效提高目标的红外探测与识别能力,设计了能同时对高温和常温目标成像的中波和长波红外双波段消热差光学系统。所设计的光学系统采用柯克型结构,视场、有效焦距和相对孔径分别为5.5°×4.4°、100 mm和F/2,工作波段覆盖中波红外(波长3～5μm)和长波红外(8～12μm)。通过采用光学被动消热差方法,优化设计的镜头可工作于-60～80℃的环境温度,奈奎斯特频率处的调制传递函数(MTF)值变化小于0.05。该镜头使用Ge、ZnSe和ZnS 3种红外材料,具有后工作距大、100%冷光阑效率等特点。     

多孔硅衬底上ZnS薄膜的白光光致发光

通过脉冲激光沉积（PLD）技术在多孔硅（PS）衬底上制备了ZnS薄膜。用光致发光（PL）的方法观察到白光发射,这个白光是由ZnS薄膜的蓝、绿光和PS的红光叠加形成的。白光光致发光谱是一个从450nm 到700nm的较强的可见光宽谱带。同时研究了激发波长、ZnS薄膜的生长温度、PS的孔隙率和退火温度对ZnS/PS光致发光谱的影响。     

White light photoluminescence from ZnS films on porous Si substrates

ZnS films were deposited on porous Si (PS) substrates using a pulsed laser deposition (PLD) technique.White light emission is observed in photoluminescence (PL) spectra, and the white light is the combination of blue and green emission from ZnS and red emission from PS. The white PL spectra are broad, intense in a visible band ranging from 450 to 700 nm. The effects of the excitation wavelength, growth temperature of ZnS films, PS porosity and annealing temperature on the PL spectra of ZnS/PS were also investigated.