CN112162341B - 一种光栅多级次光谱和红外背景辐射抑制的光学滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光栅多级次光谱和红外背景辐射抑制的光学滤光片。在光学基片的正面上，利用线性渐变前截止滤光片，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；在同一光学基片的背面，划分两块不同的区域，分别制备后截止滤光片和窄带滤光片，分别实现红外背景辐射抑制和光栅零级次光谱的消除。其中，光学滤光片背面区域的划分，由凸面光栅零级次光谱出现的位置来具体确定。该光学滤光片具有高度的功能集成性、结构紧凑、光学效率高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光学滤光片，具体是指根据以凸面光栅作为分光元件的大视场、宽波段红外高光谱成像系统的工作波段，选择合理的光学基片，在光学基片的正面面设计线性渐变前截止滤光膜系，在背面上分两个区域分别设计后截止膜系和带通滤光膜系，利用精细掩模技术配合真空镀膜工艺制备的具有宽谱段抑制光栅高级次光谱和红外背景辐射功能的光学薄膜元件，同时解决凸面光栅零级光谱在有效视场内形成杂散光和造成探测器饱和等技术难题。
背景技术
高光谱遥感技术是近几十年人类对地观测取得的重大技术突破，其具有光谱通道多、光学分辨率高、图谱合一等诸多优势，而被广泛应用于生态环境综合监控、自然灾害预报、地质资源勘探、精准农业和海洋遥感等诸多领域。
基于应用需求的牵引，高光谱遥感技术向着更高的光谱分辨率、更大的视场、更多的光谱通道、更宽的光谱覆盖范围、更小的体积，更精确的定量化、更高的智能化方向发展。对于高光谱成像光学系统，其核心分光元件的性能决定了系统指标能达到的高度。目前比较主流的分光元件包括色散型、干涉型、集成滤光片型、可调谐滤波器型等，这些分光方式各有优点，也都存在性能进一步提升的技术瓶颈。
对于采用凸面光栅作为色散元件的星载大视场宽谱段红外高光谱成像仪，需要迫切解决的问题包括：1.光栅多级次光谱在空间几何位置上的重叠，对系统成像质量的影响；2.无色散能力的光栅零级次光谱，在光学系统有效视场内形成杂散光，并造成探测器部分相元信号饱和；3.长波红外背景辐射是系统的重要噪声来源，需要消除；4.作为星载遥感仪器，对系统的体积、重量、功耗等都提出了严格的限制要求，单个光学元件要具有高集成度。
发明内容
本发明针对宽谱段红外高光谱成像系统中高级次光谱和红外背景辐射抑制的需求，提出在红外光学基片的一面上设计线性渐变前截止滤光膜系，另一面上分两个区域分别设计后截止滤光膜系和带通滤光膜系，在一片光学薄膜元件上实现了宽谱段高级次光谱抑制、红外背景辐射抑制、光栅零级次光谱消除等功能，同时也满足了星载宽光谱遥感仪器用光学元器件小型化、轻量化、高集成度的技术要求。
本发明所述消二级光谱集成滤光片的结构如附图1所示：在红外光学基片1的第一面上制备线性渐变前截止滤光膜系2；在第二面上划分出两个区域，在零级光谱对应区域和其他区域分别制备带通滤光膜系和后截止滤光膜系。
以一种应用于工作谱段3～8μm的红外高光谱成像系统的高级次光谱和长波红外背景辐射抑制滤光片为例，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锗、硅、硒化锌、硫化锌等其中的一种作为光学基片1的材料；
2)考虑高光谱成像仪工作波段以及与光学基片导纳的匹配，选择设计线性渐变前截止膜系2的两种薄膜材料，其中高折射率材料可选择Ge或Si，低折射率材料可选择ZnSe或ZnS，分别与高折射率材料进行匹配，前截止膜系选择(0.5H L 0.5H)^x基本结构，增加匹配层进行膜系优化，调节通带波纹，其中^x代表基本膜系结构的周期数，x为正整数，下同；
3)选择Ge和ZnSe分别作为高、低折射率光学薄膜材料，以(0.5L H 0.5L)^x作为红外背景辐射抑制后截止滤光片膜系3的基本膜系结构，通过增加匹配层并利用计算机软件进行优化，保证3～8微米尽可能高的光学效率，同时对8微米以后探测器相应光谱以内的红外背景辐射进行抑制；
4)根据光栅零级光谱出现的几何位置对应光栅-1级光谱的波长范围，确定带通滤光片的中心波长和带宽，在集成滤光片对应几何位置上选择Ge或PbTe(3.5微米之后)作为高折射率薄膜材料，ZnSe或SiO(6微米之前)作为低折射率薄膜材料，设计多谐振腔F-P带通滤光膜系4，；
5)采用电子束蒸发或电阻蒸发的方法，按照各功能单元单元的膜系结构，配合半导体掩模技术，逐个制备相关膜系，并完成本滤光片的研制。
本发明的滤光片具有以下几个方面的优点：
1)在一整片光学基板上，通过不同几何区域功能划分，同时解决了宽波段光栅高级次光谱的抑制、红外背景辐射的抑制以及光栅零级光谱带来的系统杂散光和造成探测器部分相元信号饱和等诸多技术难题；
2)本发明所述的高级光谱和背景辐射抑制滤光片结构紧凑、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，对于民用便携式红外高光谱成像系统也有明确的应用需求。
附图说明
图1为光栅多级次光谱和红外背景辐射抑制的光学滤光片结构示意图。
图2为第一面消高级次光谱线性渐变滤光片单元结构示意图。
图3为第二面红外背景辐射抑制和零级光谱消除滤光片单元结构示意图。
图4为消高级次光谱线性渐变滤光片单元设计光谱。
图5为红外背景辐射抑制滤光片单元设计光谱。
图6为零级光谱抑制带通滤光片单元设计光谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：以20mm×15mm大小，厚度1mm的双面抛光锗片作为基底，滤光片结构如示意图2所示。
线性渐变滤光片单元，选择锗(Ge)和硒化锌(ZnSe)分别作为高折射率(nH)和低折射率(nL)薄膜材料，设置中心波长λ0＝1.7～2.2μm，以双截止反射堆(0.5H L 0.5)^7(0.75H1.5L 0.75H)^8为基本膜系，并在基本膜系两侧添加非规整膜层进行优化，得到线性渐变滤光片单元的设计光谱如图3所示。
红外背景辐射抑制滤光片单元，以锗(Ge)和硫化锌(ZnS)分别作为高折射率(nH)和低折射率(nL)薄膜材料，设计波长λ0＝9.75μm，以(0.5H L0.5)^6为基本膜系，并在基本膜系两侧添加非规整膜层进行优化，得到线性渐变滤光片单元的设计光谱如图4所示。
零级光谱抑制带通滤光片单元，选择锗(Ge)和一氧化硅(SiO)分别作为高折射率(nH)和低折射率(nL)薄膜材料，设计波长λ0＝3.0μm，膜系设计为全规整四谐振腔F-P结构1L1H 1L 2H 1L 1H 1L 1H 1L 1H 1L 2H 1L 1H 1L 1H 1L 1H 1L 2H 1L 1H 1L 1H 1L 2H 1L1H 1L，得到零级光谱抑制带通滤光片单元的设计光谱如图5所示。
本滤光片的具体工艺实施如下：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5.0×10-3Pa；2)将工件架的转速调整到30r/min，对基片进行烘烤加热，温度为180℃，持续时间1.5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)按照线性渐变滤光片单元膜系的设计，搭配相应的线性渐变滤光片修正板，逐层完成薄膜的制备，其中Ge和ZnSe材料都采用电阻蒸发得沉积方式，沉积速率分别为2.0nm/s和3.0nm/s，规整膜层和非规整匹配膜层分别采用光学极值监控石英晶体振荡监控方式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)打扫真空室，在基片另一面零级光谱抑制带通滤光片单元所在几何区域进行掩模处理，并将基片再次装入真空室内，重复1)～3)过程，并开始红外背景辐射抑制滤光片单元膜层的制备，Ge和ZnS材料都采用电阻蒸发得沉积方式，沉积速率分别为2.0nm/s和3.5nm/s，规整膜层和非规整匹配膜层分别采用光学极值监控石英晶体振荡监控方式对膜层厚度进行控制；7)待基片温度下降到100℃以下，取出样品去除零级光谱抑制带通滤光片单元所在几何区域掩模，并在红外背景辐射抑制滤光片单元所在几何区域进行掩模；8)打扫真空室并将基片再次装入真空室内，重复1)～3)过程，并开始零级光谱抑制带通滤光片单元膜层的制备，Ge和SiO材料都采用电阻蒸发得沉积方式，沉积速率分别为2.0nm/s和4.0nm/s，所有膜层均采用光学极值监控方式对膜层厚度进行控制；9)取出滤光片样品，去除掩模，完成滤光片的制备。
Claims (1)
1.一种光栅多级次光谱和红外背景辐射抑制的光学滤光片：其特征在于：在光学基片(1)的一面上制备线性渐变前截止滤光膜系(2)，线性渐变截止波段的光谱范围为(λL～λH)/2，其中λL和λH分别为高光谱成像系统工作波段的最短波长和最长波长；在另一面上划分两个区域分别制备红外背景辐射抑制后截止滤光片膜系(3)，以及消除无色散能力且造成探测器饱和光栅零级光谱的带通滤光膜系(4)，背景辐射抑制光谱范围为λH～λDH,其中λDH为探测器的红外最长响应波长，零级光谱消除带通滤光膜系的中心波长由光栅零级光谱在像面出现的位置、光栅的光谱分辨率以及探测器的动态范围决定。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BE850500A (fr) * | 1976-01-19 | 1977-07-18 | Rca Corp | Filtre optique soustractif a diffraction |
| EP1200856A1 (en) * | 1999-07-15 | 2002-05-02 | The University Of Sydney | Grating structure and optical devices |
| CN202230219U (zh) * | 2011-08-30 | 2012-05-23 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 10.8微米的红外带通滤光片 |
| CN104090320A (zh) * | 2014-06-12 | 2014-10-08 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种用于超光谱成像系统中的消二级光谱集成滤光片 |
| CN206489291U (zh) * | 2017-02-27 | 2017-09-12 | 武汉大学 | 一种提高微型光谱仪紫外响应和分辨率的滤光片 |
| EP3480632A1 (de) * | 2017-11-02 | 2019-05-08 | Steiner-Optik GmbH | Optische filtereinrichtung und optische vorrichtung mit wenigstens einer optischen filtereinrichtung |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2006202315B2 (en) * | 2005-06-17 | 2011-01-27 | Viavi Solutions Inc. | Covert security coating |
| KR102498122B1 (ko) * | 2017-11-21 | 2023-02-09 | 삼성전자주식회사 | 분광 장치와, 분광 방법, 및 생체신호 측정장치 |
-
2020
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BE850500A (fr) * | 1976-01-19 | 1977-07-18 | Rca Corp | Filtre optique soustractif a diffraction |
| JPS5290959A (en) * | 1976-01-19 | 1977-07-30 | Rca Corp | Optical fiter for reducing diffraction |
| EP1200856A1 (en) * | 1999-07-15 | 2002-05-02 | The University Of Sydney | Grating structure and optical devices |
| CN202230219U (zh) * | 2011-08-30 | 2012-05-23 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 10.8微米的红外带通滤光片 |
| CN104090320A (zh) * | 2014-06-12 | 2014-10-08 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种用于超光谱成像系统中的消二级光谱集成滤光片 |
| CN206489291U (zh) * | 2017-02-27 | 2017-09-12 | 武汉大学 | 一种提高微型光谱仪紫外响应和分辨率的滤光片 |
| EP3480632A1 (de) * | 2017-11-02 | 2019-05-08 | Steiner-Optik GmbH | Optische filtereinrichtung und optische vorrichtung mit wenigstens einer optischen filtereinrichtung |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 一种用于超光谱成像系统中消高级次光谱集成滤光片的设计与研制;段微波;《红外与毫米波学报》;20160430;全文 * |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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