激光测距观察仪中光学薄膜的研究

李建芳，周言敏，王 君，袁 勇

（重庆电子工程职业学院电子信息系，重庆401331）

激光测距观察仪中光学薄膜的研究

李建芳，周言敏，王 君，袁 勇

（重庆电子工程职业学院电子信息系，重庆401331）

激光测距观察仪不仅能观察远距离目标，还能利用激光测距原理测出目标与观察者之间的距离。为了实现这两大功能，必须在激光测距观察仪的光学系统中制备大量的光学薄膜。根据光学薄膜的用途不同，光学系统中的光学薄膜主要有双波段增透膜、干涉截止滤光膜、可见光宽带增透膜和红外点增透膜等。

激光测距观察仪；光学薄膜；膜系设计；光谱曲线

1 引言

随着科学技术的不断发展，一大批多功能、高精度的光电仪器应运而生，在这些光电仪器的光学系统中都应用了光学薄膜技术。光学薄膜技术的原理主要是基于光的干涉效应，不同的膜层结构将得到不同的光学效应，如增强或降低光能量、改变偏振状态及相位变化等。光学薄膜除具有良好而稳定的光学特性外，还具备很强的牢固性、耐磨性、耐腐蚀性和抗激光损伤等机械性能。因此光学薄膜在各类光电仪器中得到极为广泛的应用。

本文研究的是激光测距观察仪中光学薄膜的功能与设计，涉及的主要膜系有双波段增透膜、可见光宽带增透膜、红外点增透膜和干涉截止滤光膜等。

2 激光测距观察仪的结构特点

传统的观察仪只能观察远距离目标，而不能准确判断目标的实际距离。新型的激光测距观察仪不仅能观察远距离物体，还能利用激光测距原理测出该物体与观察者之间的距离，所以，激光测距观察仪很快得到认可。

2.1 激光测距原理

激光测距观察仪的测距原理为：激光测距观察仪里的激光发射器发出激光，激光经物体反射回来，仪器计数装置记录激光从发出到接收的时间t，则物体到观察者的距离为：

2.2 激光测距观察仪光学系统示意

激光测距观察仪的光学系统接收光线示意图如图1所示。激光由激光器发出，经物体反射后返回，经物镜进入系统，由棱镜分光，进入光电接收器进行处理后显示距离。同时，根据观察仪原理，物体成像可由目镜进行观察。由图可知，光学薄膜对观察物体和测距都有非常重要的作用。

图1 激光测距观察仪光学系统示意图

3 光学薄膜结构及设计

目前，激光测距观察仪的光源有多种，以下设计以905nm激光器光源为例说明激光测距观察仪光学系统中光学薄膜的结构及设计。

3.1 红外点增透膜

在激光测距观察仪中，红外点增透膜被镀在棱镜靠近光电接收器的一面，它的作用是增强红外激光的透过率，减少激光能量的损失，从而使光电接收器的计数更为准确。

若在玻璃表面镀单层增透膜，根据理想的单层增透膜的条件是：膜层的光学厚度为四分之一波长，其折射率为入射介质和基片折射率乘积的平方根。则镀单层增透膜的材料折射率应由下式计算：

若基底折射率为1.52，则理想的增透膜的折射率为1.23，但至今能利用的薄膜的最低折射率是1.38（氟化镁）。因此可以在玻璃基片上先镀一层λ0/4厚的、折射率为n2的薄膜，这时对于波长λ0来说，薄膜和基片组合的系统可以用折射率为的假想基片来等价，显然，当n2＞n3时，有 Y＞n3，也就是说，在玻璃基片上先镀一层高折射率的λ0/4厚的膜层后，基片的折射率从n3提高到n3，然后镀上λ0/4厚的氟化镁膜层就能起到更好的增透效果。基于这一思想，红外点增透膜可用ZrO2-MgF2双层增透膜膜系，也可用TiO2-SiO2膜系。为了使结果更为理想可用膜系设计软件对数据进行优化设计，图2为优化后光谱曲线。

图2 TiO2－SiO2双层增透膜

3.2 可见光宽带增透膜

可见光宽带增透膜是目视观察仪器中必备的一种膜层，它的主要作用是降低光学零件的表面剩余反射光，从而增强光的透过率，以达到清晰的观察效果。在激光测距观察仪中，宽带增透膜镀在观察目镜上。其膜系可用λ0/4_λ0/2_λ0/4结构三层增透膜。这种三层膜结构，是双层λ0/4_λ0/4结构的改进。计算三层膜时，先按与双层膜具有类似的公式：

算出n1和n3，然后算再选择n2。一般入射介质为空气， 则 n0=1.0，n1=1.38,n3=1.67,ns=1.52时，n2为 2.0～2.1较好。设计时需根据目镜折射率值考虑膜系，基底折射率较低时可用λ0/4_λ0/2_λ0/4结构三层增透膜，基底折射率较高时则用λ0/4_λ0/2_λ0/2结构，膜系计算结果如图3所示。如有需要也可用软件进行优化，可设计为五层非规整膜系，效果更好。

图3 三层宽带增透膜

3.3 可见光及红外双波段增透膜

图4 可见光及红外双波段增透膜

物镜是激光发射和人眼观察的通道，既要通过可见光以便于观察，又要通过红外光以便于测距，因此物镜上的光学薄膜要求对可见光及红外激光具有高透射功能。双波段增透膜就是根据这一要求设计的，图2为膜系反射率曲线，其中，白光平均反射率低于1%，905nm激光反射率也可达到1%以下。双波段增透膜用规整膜系很难达到要求，最简单的方法是在三层增透膜的基础上，利用代换对方法设计初始膜系，再用Macloed设计软件优化而得，图4为优化后7层膜系的光谱曲线。

3.4 干涉截止滤光膜

在激光测距观察仪中的干涉截止滤光膜的主要作用：既要让可见光反射，又要让波长为905nm的激光透射，从而达到使原本一起进入光学系统的可见光和激光分离，可见光进入目镜以便人眼观察，激光进入光电接收系统进行计数以计算距离值。

干涉截止滤光膜是实现观察物体和测距的关键，也是激光测距观察仪制造难度最大的部分。如图1所示，可见光和红外光同时到达棱镜，干涉截止滤光膜将可见光全部反射，而让红外光全部透过，这样既满足了人眼观察要求，也满足了测光测距功能，所以，干涉截止滤光膜的性能好坏将直接影响整个光学系统的成像质量和测距精度。

干涉截止滤光膜为一长波通滤光膜，膜系初始结构为：

其截止带宽度可用下式计算：

上式表明，两折射率之比越高，截止带越宽，因此应选取两种折射率比值尽可能高的膜料。但目前能用的膜料中很难选出两种可以覆盖400～700nm这么宽的范围，因此应将膜系加以调整，展宽截止带，调整后的膜系可变为：

在实际镀制中，因膜层胶合于两棱镜之间，可以使用ZnS-MgF2膜系，这时高低折射率比可达1.70，膜系为：

为了通带让曲线更平坦，干涉截止滤光性能更好，可将上述膜系为初始膜系用Macloed设计软件对膜层厚度进一步优化，达到最佳效果，如图5所示。

图5 优化后干涉截止滤光膜光谱曲线

4 结语

光学薄膜在激光测距观察仪的成像和测距过程中起着关键的作用，膜层的光学特性和物理特性都直接影响观察仪的成像性能及测距精度。激光测距观察仪的各种膜系的理论设计固然重要，但工艺制作也不容忽视，因此工艺制作应与实际相结合，综合考虑膜料特性、蒸镀方法、制备参数等因素，力求得到光学性能稳定、膜层牢固、抗腐蚀及抗激光性能良好的优质薄膜。

[1]唐晋发，郑权.应用薄膜光学[M].上海：上海科学技术出版社，1984.

[2]顾培夫.薄膜技术[M].杭州：浙江大学出版社，1990.

[3]周九林，尹树百，译.光学薄膜技术[M].国防工业出版社，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，讲师/工程师，主要从事光学薄膜设计、工艺研究及教学。

责任编辑 王荣辉