CN104090320B - 一种用于超光谱成像系统中的消二级光谱集成滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超光谱成像系统中的消二级光谱集成滤光片，通过在同一光学基片划分若干区域制备相应谱段的前截止消二级光谱滤光片单元，实现超光谱光学成像系统宽波段范围内，由于光栅分光引起的二级光谱的抑制与消除。其中，集成滤光片区域划分的个数以及各滤光片单元的光谱抑制范围由成像光学系统的光谱覆盖范围来确定。为保证成像光谱的连续性和各子滤光片光谱独立性，采用高精度掩模技术配合各滤光片单元的膜层制备。该消二级光谱集成滤光片具有结构紧凑、信噪比高、能量高效利用等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光学滤光片，具体是指根据高光谱成像仪的覆盖波段，合理设计滤光片的波段与几何区域划分，采用多种介质薄膜材料分别设计消二级光谱滤光片单元，利用精密掩模技术配合真空镀膜工艺制备的具有抑制光栅高级次光谱功能的集成光学薄膜元件。
背景技术
超光谱成像技术是一种图谱合一的空间信息获取技术，能够同时探测目标的空间几何特征信息和空间像元色散形成的几十个甚至几百个波长的连续光谱信息。成像光谱仪将传统的二维成像遥感技术与光谱仪技术有机地结合在一起,在获取观测对象二维空间信息的同时,在连续光谱波段上对同一地物分光谱成像。由于光谱图像数据中每一像元含有与被观测物体组分有关的光谱信息,能直接反映出物体的光谱特征，从而可以揭示各种目标的光谱特性、存在状况以及物质成分，使得从空间直接识别目标特征成为可能。随着成像光谱遥感应用技术的研究和发展,对于仪器光谱分辨率的要求越来越高,从多光谱向超光谱发展成为成像光谱仪的趋势，光谱范围覆盖紫外到长波红外波段，波段数从单一波段发展到几十上百个通道。
为了实现航天遥感用超光谱成像系统高分辨率、高信噪比、小体积、轻量化的技术要求，同时考虑消相差的因素，双离轴球面反射镜配合三角形offner凸面光栅是常用的分光模式。三角形offner凸面光栅相比于laminar光栅具有更高的衍射效率，可实现更高的信噪比，其光路图见图1所示。
然而，波长为λx的采样光谱的2级光谱衍射角与波长为2λx的1级光谱衍射角相同，两者会在光谱仪的相同空间位置交叠，对光谱信息的获取造成干扰。因此必须对光谱仪的二级光谱衍射效率进行分析并采用相应的措施进行抑制。通常二级光谱的抑制采用在探测器焦面前放置一片前截止滤光片来，实现光谱仪工作波段外，探测器响应波长内二级光谱干扰的抑制。然而随着光谱仪光谱范围的拓宽，工作波段(λS～λL)长、短波端的波长比值λL/λS可能会大于2，即λL/2≥λS，这样λL/2波长既是光谱仪的有效工作波长，又是λL波长二级光谱的来源。宽谱段超光谱成像系统工作波段内光栅二级光谱的抑制，是超光谱成像技术工程应用必须解决的技术问题。
发明内容
本发明基于超光谱成像系统中光栅分光引起二级光谱的抑制要求，针对光栅分光的技术特点，提出一种在光学基片上利用波段与几何区域划分的方式，分别实现不同工作波段二级光谱的抑制，解决了超光谱成像系统因光谱覆盖范围太宽而无法使用一块前截止滤光片实现全谱段二级光谱抑制的技术难题。
本发明所述消二级光谱集成滤光片的结构如附图2所示，在光学基片1的第一面上制备覆盖整个光谱仪工作波段的宽光谱增透膜系2；在另一面上分区域逐个制备消二级光谱前截止滤光片单元(P1～Pn)，完成消二级光谱集成滤光片膜系3的制备。
消二级光谱集成滤光片膜系(3)的结构如下：在光学基片1上划分n个几何区域，在这n个几何区域中分别针对不同光学波段进行二级光谱的抑制；其中：
集成滤光片划分的区域数n的确定方法如下：
n＝[log2(λL/λS)]+1
式中：λL和λS分别为光谱波段的最长波长和最短波长；[]为取整符号；
各几何区域二级光谱的抑制谱段划分确定方法如下：
第1区域谱段波长范围：λL～λ1，λ1≤2λL；
第2区域谱段波长范围：λ1～λ2，λ2≤2λ1；
……
第n-1区域谱段波长范围：λn-2～λn-1，λn-1≤2λn-2；
第n区域谱段波长范围：λn-1～λL。
以一种光谱覆盖范围从0.4～2.5μm的超光谱成像系统使用的消二级光谱集成滤光片为例，该滤光片的构建步骤如下：
1)选择在成像仪工作波段透明的光学材料如石英、蓝宝石、K9等其中的一种作为光学基片1的材料；
2)考虑成像仪工作波段以及与光学基片导纳的匹配，选择设计宽光谱增透膜系2的两种薄膜材料，其中高折射率材料可选择Ta2O5，Nb2O5，HfO2，ZrO2等，低折射率材料可选择SiO2，MgF2，Al2O3等；
3)优化设计宽光谱增透膜系2的各膜层厚度，确定设计并利用电子束蒸发或溅射的方式逐层制备膜系；
4)根据权利要求书的计算公式，消二级光谱滤光片的区域划分个数为：
n＝[log2(λL/λS)]+1＝[log2(2500/400)]+1＝3；
5)将光谱仪的工作波段划分为三个区域，分别为：0.4～0.7μm，0.7～1.3μm，1.3～2.5μm；
6)针对划分的三个波段，分别设计独立的消二级光谱滤光片单元，各单元滤光片的基本结构为(0.5HL0.5H)，其中H为高折射率材料可选择Ta2O5，Nb2O5，HfO2，ZrO2，Si等，L为低折射率材料可选择SiO2，MgF2，Al2O3等，具体材料选择根据工作波段和膜系设计需要来确定，在基本结构的基础上，实现膜系的优化设计；
7)采用电子束蒸发或溅射的方法，按照消二级光谱滤光片单元的膜系结构，配合半导体掩模技术，逐个制备各消二级光谱滤光片单元，并完成消二级光谱集成滤光片的研制。
本发明的滤光片具有以下几个方面的优点：
1)在一个光学基片上，通过波段与几何区域划分实现了宽波段光栅高级次光谱的抑制，实现了高的信噪比；
2)通过真空镀膜技术与半导体掩模技术的配合，实现超光谱成像系统全谱段光信息的高效利用；
3)本发明所述的消二级光谱集成滤光片结构紧凑、可靠性好，即可放置在光路的焦面上，也可置于探测器前与相元精确配准，可满足航天用超光谱成像系统小体积、轻量化、高可靠性的技术要求。
附图说明
图1为超光谱成像仪光栅分光系统示意图。
图2为消二级光谱集成滤光片结构示意图。
图3为消二级光谱集成滤光片波段划分示意图。
图4为0.4～2.5微米宽光谱增透膜系透过率设计曲线。
图5为0.4～0.7微米波段消二级光谱滤光片单元透过率设计曲线。
图6为0.7～1.3微米波段消二级光谱滤光片单元透过率设计曲线。
图7为1.3～2.5微米波段消二级光谱滤光片单元透过率设计曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：以17mm×12mm大小，厚度1mm的双面抛光蓝宝石作为基底，消二级光谱滤光片结构如示意图2所示。
宽光谱增透膜系选择五氧化二钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)作为高折射率(nH)和低折射率(nL)介质材料，利用非规整膜层进行优化设计，得到的光谱曲线如图4所示；0.4～0.7微米波段消二级光谱滤光片单元同样选择五氧化二钽(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)作为高折射率(nH)和低折射率(nL)材料，优化设计得到的光谱曲线如图5所示；0.7～1.3微米波段消二级光谱滤光片单元选择氧化钛(TiO2)和二氧化硅(SiO2)作为高折射率(nH)和低折射率(nL)材料，优化设计得到的光谱曲线如图6所示；1.3～2.5微米波段消二级光谱滤光片单元选择硅(Si)和二氧化硅(SiO2)作为高折射率(nH)和低折射率(nL)材料，优化设计得到的光谱曲线如图7所示。
消二级光谱集成滤光片的工艺实施过程如下：1)对光学基片进行超声波清洗并烘干，然后将其放入真空室内工件架上，并对真空室抽真空达到9.0×10-3Pa；2)将工件架的转速调整到50rad/min，对基片进行烘烤加热，温度为200℃，持续时间2小时；3)使用离子源对光学基片进行镀膜前的清洗和预处理，时间为15分钟；4)按照宽光谱增透膜系的设计，逐层完成薄膜的制备，其中Ta2O5和SiO2材料的蒸发速率分别为0.2nm/s和0.8nm/s，采用石英晶体振荡仪对膜层厚度进行控制；5)待基片温度下降到100℃以下，取出样品；6)按照波段划分，在基片另一面进行掩模处理，并将基片再次装入真空室内，重复1)～3)过程，并开始0.4～0.7微米波段消二级光谱滤光片单元膜层的制备，膜层蒸发速率与宽光谱增透膜系相同，膜层厚度采用光学极值监控；7)配合掩模工艺，依次完成0.7～1.3微米以及1.3～2.5微米波段消二级光谱滤光片单元的制备，其中TiO2和Si材料的沉积速率分别为0.15nm/s和3.0nm/s；8)取出滤光片样品，去除掩模，完成0.4～2.5微米波段消二级光谱集成滤光片的制备。
Claims (1)
1.一种用于超光谱成像系统中的消二级光谱集成滤光片，在光学基片(1)的一面上制备整个光谱仪工作波段的宽光谱增透膜系(2)，在另一面上制备消二级光谱集成滤光片膜系(3)，其特征在于，所述的消二级光谱集成滤光片膜系(3)的结构如下：在光学基片(1)上划分n个几何区域，在这n个几何区域中分别针对不同光学波段进行二级光谱的抑制；其中：
集成滤光片划分的区域数n的确定方法如下：
n＝[log2(λL/λS)]+1
式中：λL和λS分别为整个光谱仪工作光谱波段的最长波长和最短波长；[]为取整符号；
各几何区域二级光谱的抑制谱段划分确定方法如下：
第1区域二级光谱的抑制谱段波长范围：λL～λ1，λ1≤2λL；
第2区域二级光谱的抑制谱段波长范围：λ1～λ2，λ2≤2λ1；
……
第n-1区域二级光谱的抑制谱段波长范围：λn-2～λn-1，λn-1≤2λn-2；
第n区域二级光谱的抑制谱段波长范围：λn-1～λL。
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