CN105511005A - 一种用于超光谱成像系统的阶越滤光片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超光谱成像系统的阶越滤光片。传统的分光方式是光谱连续的，光谱谱段的选择是和整个的光谱谱段联系起来的，系统的帧频极大的受限与探测器的读出帧频。采样阶跃滤光片分光，滤光谱通过的光谱波段阶跃变化，几何上同一光谱波段对应m个扫描行，此m个扫描行具有相同光谱波段特性。光谱谱段的选择能够根据实际需要灵活的选取；假设m个扫描行对应一个光谱波段，则系统的等效帧频会提高m-1倍，成像系统对焦平面探测器读出帧频的要求降低m-1倍。本发明可以应用到高光谱系统对系统等效读出帧频要求很高，或者对系统光谱谱段需求较多，光谱谱段设计复杂的系统中。

Description

一种用于超光谱成像系统的阶越滤光片

技术领域

本发明属于光学元件技术领域，具体指一种用于超光谱成像系统的阶越滤光片设计方法，它适用于红外遥感仪器或军事侦察的仪器中

背景技术

在航空航天领域，由光学系统、分光组件、红外焦平面器件、信号处理电路等构成的超光谱或高光谱光电仪器是对地观测、军事侦察等卫星的重要载荷。这些载荷通过光学系统获取目标的全波段辐射信息，通过分光器件分离目标的光谱波段，以获取目标的光谱信息，分光器件的分光方式及分光性能直接关系整机的核心性能指标。

在超光谱仪器设备中，通常使用的棱镜分光、光栅分光和傅立叶分光，分配到每行像元上的光谱是特定波段的光谱唯一的对应到此行像元上，要求分光器件在通光谱段内光学效率高，在通光谱段范围外的光谱不通过。按照这种方式的其它分光组件，分光光谱在宽光谱范围内都是连续的，一般采用推扫方式成像，而超光谱一般都要求很高的速高比和快速成像能力，这样要求焦平面探测器有很高的读出帧频，数据量会非常大，会对后续数据处理及传输带来极大的压力，并且同一个光学通道范围内，光谱只能设定的该谱段附近，不能根据实际需要选取谱段。

发明内容

基于以上问题的存在，本发明的目的是提供一种阶跃式滤光片，这种阶跃式滤光谱应用在超光谱系统中，可以实现光谱谱段的阶跃变化、光谱谱段能够依据需要进行设置，以及能提高系统的等效读出帧频问题。

本发明提出一种新的分光方式－阶越滤光片，几何结构如附图1同一波段结构图和附图2不通波段的拼接图所示。这种微型化的滤光片，通过滤光片的光谱波段阶跃变化，几何上每个谱段对应m个扫描行，在此谱段内每个扫描行滤光片处透过相同的光谱波段，m个扫描行的一端边界有一个扫描行宽度的过度带，过渡带不透光。

所说滤光片依据系统光谱设计要求和滤光片制作的可行性，整个滤光片可以由单个或多个宽波段范围的滤光片拼接构成。每个宽光谱波段范围的滤光片，其单个波段的谱段宽度等间隔单调变化，几何尺寸相同。但构成整个滤光片的各个宽谱段的滤光片，其光谱通道数和光谱宽度可以不同，依据实际需要灵活设计。两个不同滤光片的拼接处有一个拼接带，拼接带的宽度m个扫描行。经过多个滤光片片拼接而成的滤光片就构成一个完整的阶跃滤光片。这样所有的单个光谱波段和拼接带几何上都对应m个扫描行，方便整个阶跃滤光片制作、像移补偿的实施和数据的几何及光谱重构。

所说的阶跃滤光片，对于具有m个扫描行相同光谱超光谱成像仪，通过像移补偿成像，就可以将超光谱仪器的系统等效读出帧频提高m-1倍，相应的也等效于将焦平面探测器的读出速率降低m-1倍，其本质是利用系统空间的余量换取时间的不足。并且阶跃滤光片的谱段数目和光谱宽度可以依据实际需要进行自由选取。

所说阶跃滤光片的光谱分光原理为：由光学多层光学薄膜组成的光谱反射带和一个光学间隔层形成一个完整的F-P滤光片。反射带的膜层决定了光谱覆盖范围和通带的宽窄、透过率等光学指标，而通带的光谱位置(即中心波长λ0)由光学间隔层决定。通过改变间隔层的光学厚度，就可以改变滤光片的光谱通带位置，同时对带宽等光谱指标影响不大。

所说的阶跃滤光片的制作方法，可以采用光学刻蚀加镀膜的方法完成。利用半导体工艺，结合离子束刻蚀技术，在间隔层上形成64个(或2ⁿ个)台阶。每个台阶对应不同的几何厚度，通常情况下膜层的光学折射率不变，也就对应不同的光学厚度。每个台阶对应的几何区域也就形成一个微型的单元滤光片。在同一块基片上，可以形成64个(或2ⁿ个)单独光谱通道的微型集成滤光片。

由于通带以后还会出现次峰，需用截次峰膜系将其抑制。截次峰膜系镀在滤光片基片相对于F-P多层膜的另一面上，一般由20-30层膜组成，其光谱与主峰(通带)光谱配合。针对四个波段的带外抑制，需分别镀上相应的截次峰多层膜系来抑制带外相应。

做好各个大波段的滤光片后，利用精细的拼接技术，将四个滤光片按照要求拼接起来，就构成符合要求的整体阶跃滤光片。

本发明有如下有益效果：

1.本发明的所提出的光谱分离方法可以实现放光光谱的阶跃变化，光谱分离纯度比较高。

2.本发明的阶跃滤光片可以依据系统设计需要，在一个滤光片上实现多个谱段范围的光谱细分。

3.本发明的阶跃滤光片结合像移补偿系统的超光谱成像仪，可以提高系统的等效读出帧频m-1倍。

附图说明

图1同一波段结构图。

图2不通波段的拼接图。

具体实施方式

依据以上设思想，中国科学院上海技术物理所的相关人员设计了短波红外的阶跃滤光片，整个滤光片分为四个宽光谱波段，每个光谱波段具有不同的光谱通道数和光谱宽度，但每个光谱通道具有相同的几何尺寸，其主要性能指标和中心波长如下表1和表2：

表1阶跃滤光片性能参数表

表2阶跃滤光片波段划分及中心波长表

依据以上设计指标，利用发明内容中所说的刻蚀及镀膜工艺，就可以制作出相应的阶跃滤光片。

Claims (2)

1.一种用于超光谱成像系统的阶越滤光片，其特征在于：

所述的滤光片的光谱波段阶跃变化，几何上每个波段对应m个扫描行，在此波段内每个扫描行滤光片处透过相同的光谱波段，依据系统光谱设计要求和滤光片制作的可行性，整滤光片可以由单个或多个宽波段范围的滤光片构成，每个宽光谱波段范围滤光片，其谱段宽度等间隔单调变化，几何尺寸相同，但构成整个滤光片的各个宽谱段的滤光片，其光谱通道数和光谱宽度可以不同，依据实际需要灵活设置。

2.根据权利要求1所述的一种用于超光谱成像系统的阶越滤光片，其特征在于：所述的阶越滤光片使连续自然光光谱分为不连续的阶越光谱，并且每个光谱波段对应m个扫描行，通过和像移补偿系统的联合使用就可以将超光谱仪器的系统等效读出帧频提高m-1倍，相应的也等效于将焦平面探测器的读出速率降低m-1倍。