新型双通道日夜滤光片的设计与镀制

　　红外相机和监控系统在日夜成像时使用日夜滤光片代替红外截止滤光片，以保证白天成像无色差，同时晚上能成黑白像。本文采用Essential Macleod 软件设计新型双通道日夜滤光片光谱。光谱中440~ 640 nm 的平均透射率大于90%，650~ 1100 nm 波段截止，红外截区域在940 nm 存在带通，其平均透过率小于20%，带宽小于40 nm。采用离子束辅助电子束蒸发的方法，通过优化工艺参数、减小膜层误差，制备得到满足设计要求的K9 玻璃基底双通道日夜滤光片。

　　现代数码摄像机、监控系统主要包括图像传感元件以及图像处理芯片等，图像传感元件主要分为电荷耦合期间(CCD) 与互补金属氧化物半导体(CMOS) 。可见光的波长范围是380~ 780 nm，780nm 以上属于红外光部分，而CCD 和CMOS 既能感应可见光，也能感应红外光。当红外光与可见光同时进入到CCD 或者CMOS 中被其感应的时候，拍摄出来的图像色彩会与人眼看到的环境的色彩不一致,即所谓的偏色，这是因为红外光对色彩还原进行了破坏。人们为了在自然光下获得更好的色彩还原,使用红外截止滤光片设置于CCD或CMOS前面来过滤红外光。对于同时应用于光亮环境和暗环境的红外摄像机而言，既满足光亮环境下成像尽量不偏色，又需要满足在暗环境下有红外灯光源情况下也可以看清楚被摄像物体，人们研制了日夜滤光片来满足日夜成像的要求。日夜滤光片光谱的要求是在可见光谱段高透射，对应于红外灯光谱范围有一个窄的透射带，在其它近红外谱段截止。

1、日夜滤光片的作用及其改进设计

　　日夜两用一体化摄像机是将摄像机、防护罩、红外灯等综合成为一体的摄像设备。它实现夜视的基本原理是利用CCD 摄像机可以感受红外光的光谱特性(即可以感受可见光，也可以感受红外光) ，配合红外灯作为照明源来夜视成像。红外灯可以做到完全无红曝( 采用940~ 950 nm 波长红外管) 或仅有微弱红曝。波长越短，红曝越强，红外线感应度也越高。现在市场上有两种主流红外灯，一种是有轻微红曝的，波长在850 nm 左右，一种是无红曝的，波长在940 nm 左右。

　　对于日夜两用摄像机，针对940 nm 波段的红外光开展日夜滤光片研究。目前市场上的日夜滤光片带通较宽(》80 nm) ，平均透射率达到90%，白天成像仍有一定的偏色。本文通过改进日夜滤光片膜系设计参数,设计降低红外截止区域通带透射光的能量，采用减小带宽，降低透射率的办法，使其在亮环境下成像不偏色。红外谱段带通为不大于40 nm，平均透过率不大于20%，透过能量较低，如表1 所示，与可见部分光谱能量相比形成一个非均衡的带通，避免了白天成像偏色，并且晚上也能较好成像。

表1 日夜滤光片膜系设计参数

　　其中440~ 640 nm 为白天监控波段，920~ 960nm 为夜间监控波段，以前两个波段都设计成高透射，造成白天成像仍有偏色。故而研制红外通道透过率较低，能满足夜间成像要求，设计920~ 960nm 平均透射率为20%。对于设计能量非均衡的带通，普通优化设计方法难以满足要求，近年来发展起来的采用遂行技术的针法在一定程度上克服了这一困难，可以从一个局部极值遂行到另一个局部极值，并在对大量膜系的设计中取得了令人满意的光学薄膜结构，在一定程度上解决了光学薄膜自动设计问题。采用针法，并结合遗传算法和单纯形法、多种自动优化方法相互结合，最终得到满足要求的设计光谱。

　　图1 中虚线为前述设计方法得到的光谱，实线为双通道日夜滤光片设计光谱，其中440~ 640 nm为白天成彩色像段，920~ 960 nm 为夜间成黑白像波段。

图1 日夜滤光片设计光谱

结论

　　利用日夜滤光片放在CCD 或CMOS 传感器前具备日夜都能成像的特点，本文在分析日夜滤光片所起的作用基础上，通过膜系的设计改进了普通日夜滤光片的光谱特性，制备了非平衡双通道日夜滤光片。采用离子束辅助电子束蒸发的方法在K9 玻璃基底上镀制了多层膜系，测试光谱曲线符合设计要求，实现了白天成彩色像，并且无色偏等影响成像质量的因素，夜间成黑白像的设计构想。