CN101303424B - 三腔多通道光谱阶跃式集成滤光片 - Google Patents

三腔多通道光谱阶跃式集成滤光片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三腔多通道光谱阶跃式集成滤光片，包括：本发明的光谱阶跃式集成滤光片通过改变间隔层中微区光学厚度的办法，采用三腔结构，结合真空镀膜技术和半导体离子束刻蚀工艺，实现多通道带通滤光片于同一基片的集成。该集成滤光片能广泛用于航空航天遥感仪器的多(高)光谱密集获取。本发明的多通道微型阶跃集成滤光片具有的优点是：通道光谱矩形度好，分光效率高；采用组合刻蚀的方法，成品率较传统的逐一集成的滤光片有很大提高；可以在微小区域形成多个光谱通道，能够实现空间位置和光谱位置的准确定位，易于实现高光谱。

Description

三腔多通道光谱阶跃式集成滤光片
技术领域
本发明涉及光学薄膜技术，具体是指一种三腔多通道光谱阶跃式集成滤光片。
背景技术
高光谱遥感作为当前遥感技术发展的一个前沿领域，越来越显现出其巨大的应用潜力，该技术已在航空、航天领域得到了广泛的应用。精细分光技术是高光谱遥感技术的一个重要环节，它直接决定了遥感仪器的信息获取量以及光谱分辨率。
目前国内外普遍采用的分光方式主要有棱镜分光、光栅分光、傅立叶分光和滤光片分光等。采用前三种分光方式，相应的设备要占据较大空间，难以满足航空航天仪器轻量化、小型化的要求。集成滤光片阵列是二十世纪末兴起的一种微型轻量化的空间分光器件，可以将滤光片阵列放在成像焦面上进行分光，也可以将它和探测器阵列结合，直接与探测器的像元对应。国内外对采用单腔结构的微型集成滤光片也有一些报道，但采用单腔结构的滤光片由于能量效率低、光谱交叠严重等原因而难以应用到工程中。多腔微型集成滤光片的出现简化了分光元件，提高了系统的光学效率，增强了系统的可靠性，为航空航天仪器的小型化、轻量化提供了强力支持。
发明内容
本发明的目的是提供一种多腔微型集成滤光片，解决航空航天仪器轻量化、小型化的技术问题。
本发明基于高光谱遥感技术的需要，提出一种采用真空镀膜结合离子束刻蚀技术制备光谱阶跃式集成滤光片的方法。
本发明采用L H L H L(L H L H L H L H L H L)^2L H L H膜系的三半波结构在传统的光学镀膜工艺基础上，逐层镀制滤光片至间隔层(即谐振腔层)；在基片薄膜表面上应用一套巧妙设计的掩模板，利用离子束刻蚀方法对滤光片的间隔层进行刻蚀；经过n次的组合刻蚀，可以获得2n个刻蚀深度不同的线阵台阶；严格控制刻蚀的时间与刻蚀厚度，保证光谱通道峰值位置的线性度；然后镀制滤光片的后续膜系，到下一个间隔层是，再如法构造相同的线性台阶，且相同光谱通道的台阶位置对准，如此反复直到完成集成滤光片的所有膜层制备。光谱阶跃式集成滤光片的结构设计如下：
基底|(L H)^2(2-Xi)L(H L)^4H(2-Xi)L(H L)^4H(2-Xi)L H L H|入射介质
其中：入射介质的折射率为1.0-1.2之间，一般为空气；基底材料为人工合成蓝宝石或者熔融石英。
H和L分别代表光学厚度为四分之一中心波长的高、低折射率膜层；高低折射率材料可选择可见到红外波段的多种组合，如锗和一氧化硅，硅和二氧化硅，二氧化钛和二氧化硅等。Xi为第i个通道所处位置的间隔层的刻蚀系数，该系数可根据通道的中心波长以及膜系结构按常规方法来计算确定。
本发明的微型阶跃集成滤光片具有以下几个方面的优点：
1、通道光谱矩形度好，分光效率高，混色少；
2、采用组合刻蚀的方法，成品率较传统的集成滤光片有很大提高；可以在微小区域形成多个光谱通道，能够实现空间位置和光谱位置的准确定位，易于实现高光谱。
附图说明
图1微型阶跃集成滤光片的剖面图；图中1为基底，2为间隔层，3为刻蚀区，4为反射堆。
图2掩模板的结构示意图。
图3通道数为16的三半波阶跃式集成滤光片透射率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：根据强度需要，选择尺寸为20mm×10mm的宝石片作为基底。在1.1-1.4μm以硅(Si)和二氧化硅(SiO2)分别作为高折射率材料(nH)和低折射率材料(nL)，取n＝4则形成的通道数N＝2n＝16，每个通道的几何尺寸为1mm×6mm，采用的掩模板如图2所示。
取中心波长λ0＝1.25μm，工艺过程如下：(1)在基底上制备膜系(L H)^22.37L；(2)用离子束刻蚀机对第一谐振腔进行刻蚀；(3)继续在刻蚀的样品上制备(H L)^4H 2.37L膜系；(4)刻蚀第二谐振腔；(5)继续制备(H L)^4H2.37L膜系；(6)刻蚀第三谐振腔；(7)制备HLH膜系完成集成滤光片。
硅和二氧化硅材料都采用电子枪蒸发，速率分别为1.2nm/s和0.8nm/s；离子束刻蚀的速率为0.3nm/s。
表1是通道中心波长位置以及各通道谐振腔的刻蚀厚度。
图3是波长分布在1.1-1.4μm的16通道阶跃集成滤光片的透过率光谱曲线，各个通道的半宽度在6nm左右，相对带宽仅为5‰，具有较好的矩形度，通带能量较高，光谱基本无交叠情况，而且带外抑制也比较完美。本专利适用于多光谱航空航天遥感仪器的多(高)光谱的密集获得。
表1
  通道中心波长位置(nm)   谐振腔刻蚀厚度(nm)
  1380   0
  1364   15.6
  1346   31.2
  1328   46.9
  1311   62.5
  1293   78.1
  1275   93.8
  1257   109.4
  1239   125
  1211   140.6
  1203   156.2
  1186   171.9
  1168   187.5
  1150   203.1
  1134   218.8
  1117   234.4

Claims (1)

1.一种三腔多通道光谱阶跃式集成滤光片，其特征在于：它具有以下膜系结构：
基底|(LH)2(2-Xi)L(HL)4H(2-Xi)L(HL)4H(2-Xi)LHLH|入射介质其中，基底(1)材料采用人工合成蓝宝石或者熔融石英；入射介质的折射率在1.0-1.2之间，一般为空气；H和L分别代表光学厚度为四分之一中心波长的高、低折射率膜层，高、低折射率材料组合根据膜系从可见到红外波段的工作波长选择；Xi为第i个通道所处位置的间隔层(2)的刻蚀系数，该系数根据通道的中心波长以及膜系结构参数按常规方法来计算确定。
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