新型雙通道日夜濾光片的設計與鍍制

　　紅外相機和監控系統在日夜成像時(shí)使用日夜濾光片代替紅外截止濾光片，以保證白天成像無(wú)色差，同時(shí)晚上能成黑白像。本文采用Essential Macleod 軟件設計新型雙通道日夜濾光片光譜。光譜中440~ 640 nm 的平均透射率大于90%，650~ 1100 nm 波段截止，紅外截區域在940 nm 存在帶通，其平均透過(guò)率小于20%，帶寬小于40 nm。采用離子束輔助電子束蒸發(fā)的方法，通過(guò)優(yōu)化工藝參數、減小膜層誤差，制備得到滿(mǎn)足設計要求的K9 玻璃基底雙通道日夜濾光片。

　　現代數碼攝像機、監控系統主要包括圖像傳感元件以及圖像處理芯片等，圖像傳感元件主要分為電荷耦合期間(CCD) 與互補金屬氧化物半導體(CMOS) �？梢�(jiàn)光的波長(cháng)范圍是380~ 780 nm，780nm 以上屬于紅外光部分，而CCD 和CMOS 既能感應可見(jiàn)光，也能感應紅外光。當紅外光與可見(jiàn)光同時(shí)進(jìn)入到CCD 或者CMOS 中被其感應的時(shí)候，拍攝出來(lái)的圖像色彩會(huì )與人眼看到的環(huán)境的色彩不一致,即所謂的偏色，這是因為紅外光對色彩還原進(jìn)行了破壞。人們?yōu)榱嗽谧匀还庀芦@得更好的色彩還原,使用紅外截止濾光片設置于CCD或CMOS前面來(lái)過(guò)濾紅外光。對于同時(shí)應用于光亮環(huán)境和暗環(huán)境的紅外攝像機而言，既滿(mǎn)足光亮環(huán)境下成像盡量不偏色，又需要滿(mǎn)足在暗環(huán)境下有紅外燈光源情況下也可以看清楚被攝像物體，人們研制了日夜濾光片來(lái)滿(mǎn)足日夜成像的要求。日夜濾光片光譜的要求是在可見(jiàn)光譜段高透射，對應于紅外燈光譜范圍有一個(gè)窄的透射帶，在其它近紅外譜段截止。

1、日夜濾光片的作用及其改進(jìn)設計

　　日夜兩用一體化攝像機是將攝像機、防護罩、紅外燈等綜合成為一體的攝像設備。它實(shí)現夜視的基本原理是利用CCD 攝像機可以感受紅外光的光譜特性(即可以感受可見(jiàn)光，也可以感受紅外光) ，配合紅外燈作為照明源來(lái)夜視成像。紅外燈可以做到完全無(wú)紅曝( 采用940~ 950 nm 波長(cháng)紅外管) 或僅有微弱紅曝。波長(cháng)越短，紅曝越強，紅外線(xiàn)感應度也越高�，F在市場(chǎng)上有兩種主流紅外燈，一種是有輕微紅曝的，波長(cháng)在850 nm 左右，一種是無(wú)紅曝的，波長(cháng)在940 nm 左右。

　　對于日夜兩用攝像機，針對940 nm 波段的紅外光開(kāi)展日夜濾光片研究。目前市場(chǎng)上的日夜濾光片帶通較寬(》80 nm) ，平均透射率達到90%，白天成像仍有一定的偏色。本文通過(guò)改進(jìn)日夜濾光片膜系設計參數,設計降低紅外截止區域通帶透射光的能量，采用減小帶寬，降低透射率的辦法，使其在亮環(huán)境下成像不偏色。紅外譜段帶通為不大于40 nm，平均透過(guò)率不大于20%，透過(guò)能量較低，如表1 所示，與可見(jiàn)部分光譜能量相比形成一個(gè)非均衡的帶通，避免了白天成像偏色，并且晚上也能較好成像。

表1 日夜濾光片膜系設計參數

　　其中440~ 640 nm 為白天監控波段，920~ 960nm 為夜間監控波段，以前兩個(gè)波段都設計成高透射，造成白天成像仍有偏色。故而研制紅外通道透過(guò)率較低，能滿(mǎn)足夜間成像要求，設計920~ 960nm 平均透射率為20%。對于設計能量非均衡的帶通，普通優(yōu)化設計方法難以滿(mǎn)足要求，近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的采用遂行技術(shù)的針?lè )ㄔ谝欢ǔ潭壬峡朔�了這一困難，可以從一個(gè)局部極值遂行到另一個(gè)局部極值，并在對大量膜系的設計中取得了令人滿(mǎn)意的光學(xué)薄膜結構，在一定程度上解決了光學(xué)薄膜自動(dòng)設計問(wèn)題。采用針?lè )�，并結合遺傳算法和單純形法、多種自動(dòng)優(yōu)化方法相互結合，最終得到滿(mǎn)足要求的設計光譜。

　　圖1 中虛線(xiàn)為前述設計方法得到的光譜，實(shí)線(xiàn)為雙通道日夜濾光片設計光譜，其中440~ 640 nm為白天成彩色像段，920~ 960 nm 為夜間成黑白像波段。

圖1 日夜濾光片設計光譜

結論

　　利用日夜濾光片放在CCD 或CMOS 傳感器前具備日夜都能成像的特點(diǎn)，本文在分析日夜濾光片所起的作用基礎上，通過(guò)膜系的設計改進(jìn)了普通日夜濾光片的光譜特性，制備了非平衡雙通道日夜濾光片。采用離子束輔助電子束蒸發(fā)的方法在K9 玻璃基底上鍍制了多層膜系，測試光譜曲線(xiàn)符合設計要求，實(shí)現了白天成彩色像，并且無(wú)色偏等影響成像質(zhì)量的因素，夜間成黑白像的設計構想。