用于激光雷达传感系统的光学薄膜滤光片的设计

郭志帅 费书国 李新 姚春龙 刘添昊

（沈阳仪表科学研究院有限公司 辽宁省沈阳市 110043）

1 引言

无人驾驶应用环境包括雨雪对主动光源的阻挡、全光谱日光的光线干扰、车辆及行人的突发闯入、对向行驶车辆灯光干扰、昼夜光强的广域控制等因素。光学薄膜滤光片位于无人驾驶激光雷传感系统的最前端，滤光片光谱性能的准确性直接决定有效信息的提取及纯净度、系统判别速度。滤光片对行驶过程中有效判停、刹车、保障正常行驶、提升处理速度有着至关重要作用。滤光片的光谱滤过作用通过几十至几百层纳米级高低折射率材料膜层对光线的折射和反射实现，通过膜层材料的选择和特定膜系实现设计目标。

2 无人驾驶激光雷达系统滤光片光谱性能

无人驾驶激光雷达传感系统的光学薄膜滤光片主要参数指标包括透过区的中心波长，透过区通带半宽度，截止区范围、截止陡度及截止区透过率。

2.1 透过区中心波长及通带半宽度

应用环境对中心波长的选择主要有以下几个主要因素决定：大气吸收峰、人体感受、信号接收效率等，最为重要的因素是大气吸收峰窗口位置。大气环境中的水汽、氧气、臭氧、二氧化碳等会对部分波长的光有很强的吸收作用。紫外区波段会对人体皮肤造成老化灼伤伤害。可见光波段在一定强度的功率上照射眼睛时会造成眩晕现象，因此近红外波段是较为可靠的、舒适的范围。850nm、940nm 常作为远距离探测波段使用。为应对雨雪等恶劣环境，需要加大主动光源的发射功率，近红外波段的850nm、905nm、940nm、1064nm 均有使用。综合比对之后，选用850nm 为中心波长。

2.2 透过区半峰带宽

滤光片半峰带宽是指50%峰值透过率对应两波长位置间的通带距离。通带区的半峰带宽设计过窄时，目标信息会更纯净但造成部分信息被截流导致信息损失。此时的光信息对于后方的传感器而言，强度过低，信息处理阈值范围被大幅度缩减。通带区半峰带宽过宽会使杂散光进入系统内部，增加信息处理数据量。结合窗口、光源带宽及漂移参数，确定滤光器件半峰通带宽度为40±4 nm。

2.3 截止带宽

无人驾驶激光雷达系统中光电传感器大多使用CMOS/CCD 进行光电转换，对光谱波段感知范围通常在300-1200nm，可触发。为得到纯净的信号光，对通带外区域进行光谱截止。

2.4 截止深度

截止深度是指截止区域的光谱透过率，在室外环境下可见光及紫外区域的光强较大，透过0.1%的能量足以干扰系统运行，影响传感精度。截止区透过率为0.01%时满足使用要求，对非信号波段有较强的阻截效果。截止区透过率在0.01%以下（截止深度>OD4）。光谱参数技术指标为：中心波长：850nm±2nm；半宽：40±2nm；平均透过率>80%；截止范围：300-1200nm；截止深度≥OD4。

3 雷达系统滤光片膜系材料及基片选择

3.1 基片材料选择

840nm 属于近红外波段，近红外波段对于很多光学材料存在吸收系数过大的问题，影响滤光片的透过率。基底满足：在近红外通带区吸收小，有好的环境适应能力。对比硫系玻璃、半导体硅、锗等基底材料，最终选择K玻璃。除了良好的机械性能之外，表面的平整度和膜层结合度等特点都有较大的优势。

3.2 多层薄膜镀膜材料的选择

在近红外区透射的镀膜材料有PbTe、GaAs、ZnSe、BiF、YF、ThF、TiO等，其中碲化铅、砷化镓有毒性；部分氟化物有毒性且有吸湿性。选择金属氧化物材料TiO，具有很好的抗吸湿、抗氧化性，透明区从紫外到红外波段的吸收系数较小。低折射率材料选择SiO，成分于玻璃基底相同，镀制过程可与基底更好的融合，膜层间应力也能在很大程度上消除。

4 无人驾驶激光雷达系统滤光片的膜系设计

4.1 基本膜系选择

带通主膜系由法布里-珀珞（F-P）基本膜系组成演化而来，典型应用为双半波基本膜系，组成结构为反射层与间隔层交替出现叠加。最终膜系表达如公式（1）所示：其中H/L 分别表示高低折射率材料层，S-1 表示干涉级次，m为间隔层厚度。

半宽度表达式如公式（2）：

可发现半波的增加有利于通带宽的展宽和截止范的展宽。

4.2 主膜设计

对称膜系具有高透射性，但随着叠加次数及膜系腔数的增加会使通带波纹剧烈震荡。规整膜系主膜膜层数共计55层，膜层总厚度9828.50nm。当基底材料与膜层材料确定后，光谱指标的影响因素与膜层数量、腔数等相关。经过试验模拟后确定主膜膜系为：法布里-珀珞七腔带通规整对称膜系：

通过加入匹配层使入射到膜层内的光线更加均匀，进而降低通带的波形系数。主膜透过率曲线如图1 所示。

图1：主膜透过率曲线

可知主膜系设计平均透过率在95%以上，但在350nm-740nm，1000nm-1200nm 波段有透射次峰。

4.3 辅助膜设计

短波通膜系与长波通膜系的通带范围和截止范围有限。通过短波通截止膜>1000nm 波长截止，短波通辅助膜系如图2 所示。

图2：短波通膜系透过率曲线

分别选用TiO（H）、SiO（L）为高、低折射率材料，采用(0.5HL 0.5H)结构的干涉截止膜系为基本膜系。设计周期数m=10。长波通膜系透过曲线如图3 所示。

图3：长波通膜系透过率曲线

将长、短波通膜系组合于同一基片上，通带、止带区间基本满足设计需求，但在800nm、880nm 处出现两波谷，通带区域波纹系数较大，透过率出现明显降低。设定优化目标值，对带通区域、截止区域优化，优化后通带透过率>95%，截止带的截止深度也有更好的表现。优化后曲线蓝色实线如图4 所示。

图4：优化后辅助膜系透过率曲线

辅助膜系共计87 层，膜系总厚度为8588.89nm；主膜系总厚度9828.50nm；模拟得到最终膜系设计透过曲线图像。膜系结构：Air/辅助膜系/玻璃基底/主膜系/Air 最终膜系透过率如图5。

图5：最终膜系设计透过曲线

透射曲线通带平均透过率大于90%，透射指标超过设计值为保证镀制容差进行了透过指标溢出设计。截止区平均截止深度在OD5 以上，对其他波段的干扰光有很好的截止作用。

5 结论

依据应用于无人驾驶激光雷达传感系统中光学薄膜滤光片的技术要求，从基底材料到膜层材料的选择做出了深入分析，探讨了光谱指标的参数要求。设计了七腔带通主膜系及长短通带通膜系，结果表明组合优化后的滤光片性能优异。