郭志帥 費書國 李新 姚春龍 劉添昊

（沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 遼寧省沈陽市 110043）

1 引言

無人駕駛應(yīng)用環(huán)境包括雨雪對主動光源的阻擋、全光譜日光的光線干擾、車輛及行人的突發(fā)闖入、對向行駛車輛燈光干擾、晝夜光強的廣域控制等因素。光學(xué)薄膜濾光片位于無人駕駛激光雷傳感系統(tǒng)的最前端，濾光片光譜性能的準確性直接決定有效信息的提取及純凈度、系統(tǒng)判別速度。濾光片對行駛過程中有效判停、剎車、保障正常行駛、提升處理速度有著至關(guān)重要作用。濾光片的光譜濾過作用通過幾十至幾百層納米級高低折射率材料膜層對光線的折射和反射實現(xiàn)，通過膜層材料的選擇和特定膜系實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。

2 無人駕駛激光雷達系統(tǒng)濾光片光譜性能

無人駕駛激光雷達傳感系統(tǒng)的光學(xué)薄膜濾光片主要參數(shù)指標(biāo)包括透過區(qū)的中心波長，透過區(qū)通帶半寬度，截止區(qū)范圍、截止陡度及截止區(qū)透過率。

2.1 透過區(qū)中心波長及通帶半寬度

應(yīng)用環(huán)境對中心波長的選擇主要有以下幾個主要因素決定：大氣吸收峰、人體感受、信號接收效率等，最為重要的因素是大氣吸收峰窗口位置。大氣環(huán)境中的水汽、氧氣、臭氧、二氧化碳等會對部分波長的光有很強的吸收作用。紫外區(qū)波段會對人體皮膚造成老化灼傷傷害?？梢姽獠ǘ卧谝欢◤姸鹊墓β噬险丈溲劬r會造成眩暈現(xiàn)象，因此近紅外波段是較為可靠的、舒適的范圍。850nm、940nm 常作為遠距離探測波段使用。為應(yīng)對雨雪等惡劣環(huán)境，需要加大主動光源的發(fā)射功率，近紅外波段的850nm、905nm、940nm、1064nm 均有使用。綜合比對之后，選用850nm 為中心波長。

2.2 透過區(qū)半峰帶寬

濾光片半峰帶寬是指50%峰值透過率對應(yīng)兩波長位置間的通帶距離。通帶區(qū)的半峰帶寬設(shè)計過窄時，目標(biāo)信息會更純凈但造成部分信息被截流導(dǎo)致信息損失。此時的光信息對于后方的傳感器而言，強度過低，信息處理閾值范圍被大幅度縮減。通帶區(qū)半峰帶寬過寬會使雜散光進入系統(tǒng)內(nèi)部，增加信息處理數(shù)據(jù)量。結(jié)合窗口、光源帶寬及漂移參數(shù)，確定濾光器件半峰通帶寬度為40±4 nm。

2.3 截止帶寬

無人駕駛激光雷達系統(tǒng)中光電傳感器大多使用CMOS/CCD 進行光電轉(zhuǎn)換，對光譜波段感知范圍通常在300-1200nm，可觸發(fā)。為得到純凈的信號光，對通帶外區(qū)域進行光譜截止。

2.4 截止深度

截止深度是指截止區(qū)域的光譜透過率，在室外環(huán)境下可見光及紫外區(qū)域的光強較大，透過0.1%的能量足以干擾系統(tǒng)運行，影響傳感精度。截止區(qū)透過率為0.01%時滿足使用要求，對非信號波段有較強的阻截效果。截止區(qū)透過率在0.01%以下（截止深度>OD4）。光譜參數(shù)技術(shù)指標(biāo)為：中心波長：850nm±2nm；半寬：40±2nm；平均透過率>80%；截止范圍：300-1200nm；截止深度≥OD4。

3 雷達系統(tǒng)濾光片膜系材料及基片選擇

3.1 基片材料選擇

840nm 屬于近紅外波段，近紅外波段對于很多光學(xué)材料存在吸收系數(shù)過大的問題，影響濾光片的透過率。基底滿足：在近紅外通帶區(qū)吸收小，有好的環(huán)境適應(yīng)能力。對比硫系玻璃、半導(dǎo)體硅、鍺等基底材料，最終選擇K玻璃。除了良好的機械性能之外，表面的平整度和膜層結(jié)合度等特點都有較大的優(yōu)勢。

3.2 多層薄膜鍍膜材料的選擇

在近紅外區(qū)透射的鍍膜材料有PbTe、GaAs、ZnSe、BiF、YF、ThF、TiO等，其中碲化鉛、砷化鎵有毒性；部分氟化物有毒性且有吸濕性。選擇金屬氧化物材料TiO，具有很好的抗吸濕、抗氧化性，透明區(qū)從紫外到紅外波段的吸收系數(shù)較小。低折射率材料選擇SiO，成分于玻璃基底相同，鍍制過程可與基底更好的融合，膜層間應(yīng)力也能在很大程度上消除。

4 無人駕駛激光雷達系統(tǒng)濾光片的膜系設(shè)計

4.1 基本膜系選擇

帶通主膜系由法布里-珀珞（F-P）基本膜系組成演化而來，典型應(yīng)用為雙半波基本膜系，組成結(jié)構(gòu)為反射層與間隔層交替出現(xiàn)疊加。最終膜系表達如公式（1）所示：其中H/L 分別表示高低折射率材料層，S-1 表示干涉級次，m為間隔層厚度。

半寬度表達式如公式（2）：

可發(fā)現(xiàn)半波的增加有利于通帶寬的展寬和截止范的展寬。

4.2 主膜設(shè)計

對稱膜系具有高透射性，但隨著疊加次數(shù)及膜系腔數(shù)的增加會使通帶波紋劇烈震蕩。規(guī)整膜系主膜膜層數(shù)共計55層，膜層總厚度9828.50nm。當(dāng)基底材料與膜層材料確定后，光譜指標(biāo)的影響因素與膜層數(shù)量、腔數(shù)等相關(guān)。經(jīng)過試驗?zāi)M后確定主膜膜系為：法布里-珀珞七腔帶通規(guī)整對稱膜系：

通過加入匹配層使入射到膜層內(nèi)的光線更加均勻，進而降低通帶的波形系數(shù)。主膜透過率曲線如圖1 所示。

圖1：主膜透過率曲線

可知主膜系設(shè)計平均透過率在95%以上，但在350nm-740nm，1000nm-1200nm 波段有透射次峰。

4.3 輔助膜設(shè)計

短波通膜系與長波通膜系的通帶范圍和截止范圍有限。通過短波通截止膜>1000nm 波長截止，短波通輔助膜系如圖2 所示。

圖2：短波通膜系透過率曲線

分別選用TiO（H）、SiO（L）為高、低折射率材料，采用(0.5HL 0.5H)結(jié)構(gòu)的干涉截止膜系為基本膜系。設(shè)計周期數(shù)m=10。長波通膜系透過曲線如圖3 所示。

圖3：長波通膜系透過率曲線

將長、短波通膜系組合于同一基片上，通帶、止帶區(qū)間基本滿足設(shè)計需求，但在800nm、880nm 處出現(xiàn)兩波谷，通帶區(qū)域波紋系數(shù)較大，透過率出現(xiàn)明顯降低。設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)值，對帶通區(qū)域、截止區(qū)域優(yōu)化，優(yōu)化后通帶透過率>95%，截止帶的截止深度也有更好的表現(xiàn)。優(yōu)化后曲線藍色實線如圖4 所示。

圖4：優(yōu)化后輔助膜系透過率曲線

輔助膜系共計87 層，膜系總厚度為8588.89nm；主膜系總厚度9828.50nm；模擬得到最終膜系設(shè)計透過曲線圖像。膜系結(jié)構(gòu)：Air/輔助膜系/玻璃基底/主膜系/Air 最終膜系透過率如圖5。

圖5：最終膜系設(shè)計透過曲線

透射曲線通帶平均透過率大于90%，透射指標(biāo)超過設(shè)計值為保證鍍制容差進行了透過指標(biāo)溢出設(shè)計。截止區(qū)平均截止深度在OD5 以上，對其他波段的干擾光有很好的截止作用。

5 結(jié)論

依據(jù)應(yīng)用于無人駕駛激光雷達傳感系統(tǒng)中光學(xué)薄膜濾光片的技術(shù)要求，從基底材料到膜層材料的選擇做出了深入分析，探討了光譜指標(biāo)的參數(shù)要求。設(shè)計了七腔帶通主膜系及長短通帶通膜系，結(jié)果表明組合優(yōu)化后的濾光片性能優(yōu)異。