[发明专利]一种多层光学薄膜光谱热辐射率的计算方法

说明书

本发明属于光谱热辐射率表征领域，具体涉及一种多层光学薄膜光谱热辐射率的计算方法。本发明提供的计算方法具有简单可操作性，对于确定的多层薄膜‑基底‑多层薄膜系统结构，仅需确定基底与薄膜材料的热光系数，就能够完整表达光学多层膜的光谱定向辐射率、定向辐射率、光谱辐射率和积分空间辐射率。采用本方法能够避免直接测量的繁琐和测量仪器的复杂结构设计，具有一定的科学与应用价值。

技术领域

本发明属于光谱热辐射率表征领域，具体涉及一种多层光学薄膜光谱热辐射率的计算方法。

背景技术

随着红外光电技术的发展，基于目标红外辐射的被动光电探测与成像系统成为基础科学和应用技术领域内重要的基础技术，如红外热像仪、红外辐射测温仪、红外高分辨率光谱仪、红外成像制导系统等。在航空航天应用领域，以红外成像导引系统为代表的红外光电设备，广泛应用于飞行器中。

近年来，随着飞行系统飞行速度从亚声速向高超声速方向发展，带有红外成像装置的飞行器在稠密的大气层中高速飞行，气动加热效应使光学窗口与薄膜面临着高温和热冲击的挑战。在高速飞行过程气动加热的作用下，光学窗口与薄膜的热辐射率随着温度的升高迅速增加，其辐射波段与被探测目标辐射的波段接近时，系统成像的质量变得最差，严重时可能会淹没被探测目标辐射的信号。由于当前高性能红外成像探测器的水平已达到背景限，光学窗口与薄膜的热辐射成为限制红外成像器性能发挥的关键因素，也是提高高性能红外成像探测系统目标探测能力的主要障碍。如何确定在高温下光学窗口与薄膜的热辐射特征，降低光学窗口-薄膜系统的热辐射率，是目前在高速飞行平台应用中急需解决的关键问题，该问题对于光学窗口与薄膜材料本身及与热辐射相关的技术领域具有重要意义。

薄膜-基底-薄膜系统的热辐射率表征方法是评价系统应用的关键。在热辐射率的测量表征研究中，目前国内外主要采用量热法、反射率法、辐射能量法、多波长混合法等直接测量方法。热辐射率的测量表征现状是多种方法并存，没有一种测量表征方法占有绝对主导地位，还未建立热辐射率测量表征的国家或国际标准，更没有标准的商品化设备出售。由于窗口与薄膜材料的热辐射具有显著的方向性，上述的直接测量方法能够表征半球空间内的光谱积分辐射率和法向光谱辐射率，方向光谱辐射率的直接测量在实验装置上较为复杂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提出一种多层光学薄膜光谱热辐射率的计算方法，以解决如何降低直接热辐射测量成本与测量装置复杂性的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种多层光学薄膜光谱热辐射率的计算方法，该方法包括如下步骤：

(1)对多层光学薄膜的传输矩阵进行修正：

基底的前表面和后表面分别具有多层薄膜A和多层薄膜B，构成多层薄膜A-基底-多层薄膜B系统；定义光波从入射介质通过多层薄膜A-基底-多层薄膜B的光传输方向为前向，相反方向为反向；

对多层薄膜中第j层薄膜进行温度修正时的修正传输矩阵M_j，如公式(1)所示：

其中，j＝1,2,..m，m为多层薄膜的层数；λ为入射波长，θ_j为第j层膜内的复折射角，d_j为第j层薄膜的物理厚度，T为系统温度，δ_j和η_j分别为第j层薄膜的相位厚度和等效导纳；

根据公式(1)，对多层薄膜的前向传输矩阵进行修正，修正后如公式(2)所示：

其中，η_s分别为基底的等效导纳，θ_s为基底内的复折射角；

根据公式(1)，对多层薄膜的反向传输矩阵进行修正，修正后如公式(3)所示：