新型雙通道日夜濾光片的設計與鍍制

2013-09-28 董茂進 蘭州空間技術物理研究所

  紅外相機和監(jiān)控系統(tǒng)在日夜成像時使用日夜濾光片代替紅外截止濾光片,以保證白天成像無色差,同時晚上能成黑白像。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(qū)域在940 nm 存在帶通,其平均透過率小于20%,帶寬小于40 nm。采用離子束輔助電子束蒸發(fā)的方法,通過優(yōu)化工藝參數(shù)、減小膜層誤差,制備得到滿足設計要求的K9 玻璃基底雙通道日夜濾光片。

  現(xiàn)代數(shù)碼攝像機、監(jiān)控系統(tǒng)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) ?梢姽獾牟ㄩL范圍是380~ 780 nm,780nm 以上屬于紅外光部分,而CCD 和CMOS 既能感應可見光,也能感應紅外光。當紅外光與可見光同時進入到CCD 或者CMOS 中被其感應的時候,拍攝出來的圖像色彩會與人眼看到的環(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前面來過濾紅外光。對于同時應用于光亮環(huán)境和暗環(huán)境的紅外攝像機而言,既滿足光亮環(huán)境下成像盡量不偏色,又需要滿足在暗環(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滿足日夜成像的要求。日夜濾光片光譜的要求是在可見光譜段高透射,對應于紅外燈光譜范圍有一個窄的透射帶,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。它實現(xiàn)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(即可以感受可見光,也可以感受紅外光) ,配合紅外燈作為照明源來夜視成像。紅外燈可以做到完全無紅曝( 采用940~ 950 nm 波長紅外管) 或僅有微弱紅曝。波長越短,紅曝越強,紅外線感應度也越高,F(xiàn)在市場上有兩種主流紅外燈,一種是有輕微紅曝的,波長在850 nm 左右,一種是無紅曝的,波長在940 nm 左右。

  對于日夜兩用攝像機,針對940 nm 波段的紅外光開展日夜濾光片研究。目前市場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。本文通過改進日夜濾光片膜系設計參數(shù),設計降低紅外截止區(qū)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,平均透過率不大于20%,透過能量較低,如表1 所示,與可見部分光譜能量相比形成一個非均衡的帶通,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(shù)

日夜濾光片膜系設計參數(shù)

  其中440~ 640 nm 為白天監(jiān)控波段,920~ 960nm 為夜間監(jiān)控波段,以前兩個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率較低,能滿足夜間成像要求,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)化設計方法難以滿足要求,近年來發(fā)展起來的采用遂行技術的針法在一定程度上克服了這一困難,可以從一個局部極值遂行到另一個局部極值,并在對大量膜系的設計中取得了令人滿意的光學薄膜結(jié)構,在一定程度上解決了光學薄膜自動設計問題。采用針法,并結(jié)合遺傳算法和單純形法、多種自動優(yōu)化方法相互結(jié)合,最終得到滿足要求的設計光譜。

  圖1 中虛線為前述設計方法得到的光譜,實線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。

日夜濾光片設計光譜

圖1 日夜濾光片設計光譜

結(jié)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,本文在分析日夜濾光片所起的作用基礎上,通過膜系的設計改進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,測試光譜曲線符合設計要求,實現(xiàn)了白天成彩色像,并且無色偏等影響成像質(zhì)量的因素,夜間成黑白像的設計構想。