用于超光譜成像系統(tǒng)中的消二級光譜集成濾光片的制作方法
【專利摘要】本專利公開了一種用于超光譜成像系統(tǒng)中的消二級光譜集成濾光片，通過在同一光學(xué)基片劃分若干區(qū)域制備相應(yīng)譜段的前截止消二級光譜濾光片單元，實現(xiàn)超光譜光學(xué)成像系統(tǒng)寬波段范圍內(nèi)，由于光柵分光引起的二級光譜的抑制與消除。其中，集成濾光片區(qū)域劃分的個數(shù)以及各濾光片單元的光譜抑制范圍由成像光學(xué)系統(tǒng)的光譜覆蓋范圍來確定。為保證成像光譜的連續(xù)性和各子濾光片光譜獨立性，采用高精度掩模技術(shù)配合各濾光片單元的膜層制備。該消二級光譜集成濾光片具有結(jié)構(gòu)緊湊、信噪比高、能量高效利用等特點。
【專利說明】用于超光譜成像系統(tǒng)中的消二級光譜集成濾光片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及光學(xué)濾光片，具體是指根據(jù)高光譜成像儀的覆蓋波段，合理設(shè)計濾光片的波段與幾何區(qū)域劃分，采用多種介質(zhì)薄膜材料分別設(shè)計消二級光譜濾光片單元，利用精密掩模技術(shù)配合真空鍍膜工藝制備的具有抑制光柵高級次光譜功能的集成光學(xué)薄膜元件。

【背景技術(shù)】
[0002]超光譜成像技術(shù)是一種圖譜合一的空間信息獲取技術(shù)，能夠同時探測目標的空間幾何特征信息和空間像元色散形成的幾十個甚至幾百個波長的連續(xù)光譜信息。成像光譜儀將傳統(tǒng)的二維成像遙感技術(shù)與光譜儀技術(shù)有機地結(jié)合在一起，在獲取觀測對象二維空間信息的同時，在連續(xù)光譜波段上對同一地物分光譜成像。由于光譜圖像數(shù)據(jù)中每一像元含有與被觀測物體組分有關(guān)的光譜信息，能直接反映出物體的光譜特征，從而可以揭示各種目標的光譜特性、存在狀況以及物質(zhì)成分，使得從空間直接識別目標特征成為可能。隨著成像光譜遙感應(yīng)用技術(shù)的研究和發(fā)展，對于儀器光譜分辨率的要求越來越高，從多光譜向超光譜發(fā)展成為成像光譜儀的趨勢，光譜范圍覆蓋紫外到長波紅外波段，波段數(shù)從單一波段發(fā)展到幾十上百個通道。
[0003]為了實現(xiàn)航天遙感用超光譜成像系統(tǒng)高分辨率、高信噪比、小體積、輕量化的技術(shù)要求，同時考慮消相差的因素，雙離軸球面反射鏡配合三角形offner凸面光柵是常用的分光模式。三角形offner凸面光柵相比于laminar光柵具有更高的衍射效率，可實現(xiàn)更高的信噪比，其光路圖見圖1所示。
[0004]然而，波長為λ χ的采樣光譜的2級光譜衍射角與波長為2 λ χ的I級光譜衍射角相同，兩者會在光譜儀的相同空間位置交疊，對光譜信息的獲取造成干擾。因此必須對光譜儀的二級光譜衍射效率進行分析并采用相應(yīng)的措施進行抑制。通常二級光譜的抑制采用在探測器焦面前放置一片前截止濾光片來，實現(xiàn)光譜儀工作波段外，探測器響應(yīng)波長內(nèi)二級光譜干擾的抑制。然而隨著光譜儀光譜范圍的拓寬，工作波段(Xs?λ)長、短波端的波長比值λ夕As可能會大于2，即λ夕2彡Xs，這樣λ 72波長既是光譜儀的有效工作波長，又是λ ^波長二級光譜的來源。寬譜段超光譜成像系統(tǒng)工作波段內(nèi)光柵二級光譜的抑制，是超光譜成像技術(shù)工程應(yīng)用必須解決的技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本專利基于超光譜成像系統(tǒng)中光柵分光引起二級光譜的抑制要求，針對光柵分光的技術(shù)特點，提出一種在光學(xué)基片上利用波段與幾何區(qū)域劃分的方式，分別實現(xiàn)不同工作波段二級光譜的抑制，解決了超光譜成像系統(tǒng)因光譜覆蓋范圍太寬而無法使用一塊前截止濾光片實現(xiàn)全譜段二級光譜抑制的技術(shù)難題。
[0006]本專利所述消二級光譜集成濾光片的結(jié)構(gòu)如附圖2所示，在光學(xué)基片I的第一面上制備覆蓋整個光譜儀工作波段的寬光譜增透膜系2 ;在另一面上分區(qū)域逐個制備消二級光譜如截止濾光片單兀(Pl?Pn)，完成消_■級光譜集成濾光片I吳系3的制備。
[0007]消二級光譜集成濾光片膜系(3)的結(jié)構(gòu)如下:在光學(xué)基片I上劃分η個幾何區(qū)域，在這η個幾何區(qū)域中分別針對不同光學(xué)波段進行二級光譜的抑制；其中:
[0008]集成濾光片劃分的區(qū)域數(shù)η的確定方法如下:
[0009]n = [1g2 Ol/As)]+1
[0010]式中:λ ^和λ s分別為光譜波段的最長波長和最短波長；[]為取整符號；
[0011]各幾何區(qū)域二級光譜的抑制譜段劃分確定方法如下:
[0012]第I區(qū)域譜段波長范圍:λ^?X1, A1 ^ 2Al；
[0013]第2區(qū)域譜段波長范圍..入！?λ2，λ2<2λ1;
[0014]......
[0015]第η-1區(qū)域譜段波長范圍:λ η_2?λη_17 λ ^ 2 λ η_2 ；
[0016]第η區(qū)域譜段波長范圍:λ n_i?λ ρ
[0017]以一種光譜覆蓋范圍從0.4?2.5 μ m的超光譜成像系統(tǒng)使用的消二級光譜集成濾光片為例，該濾光片的構(gòu)建步驟如下:
[0018]I)選擇在成像儀工作波段透明的光學(xué)材料如石英、藍寶石、K9等其中的一種作為光學(xué)基片I的材料；
[0019]2)考慮成像儀工作波段以及與光學(xué)基片導(dǎo)納的匹配，選擇設(shè)計寬光譜增透膜系2的兩種薄膜材料，其中高折射率材料可選擇Ta2O5, Nb2O5 ,HfO2, ZrO2等,低折射率材料可選擇S12, MgF2, Al2O3 等；
[0020]3)優(yōu)化設(shè)計寬光譜增透膜系2的各膜層厚度，確定設(shè)計并利用電子束蒸發(fā)或濺射的方式逐層制備膜系；
[0021]4)根據(jù)權(quán)利要求書的計算公式，消二級光譜濾光片的區(qū)域劃分個數(shù)為:
[0022]n = [1g2 ( λ L/λ s) ]+1 = [1g2 (2500/400) ]+1 = 3 ；
[0023]5)將光譜儀的工作波段劃分為三個區(qū)域，分別為:0.4?0.7 μ m，0.7?1.3 μ m，1.3 ?2.5 μ m ;
[0024]6)針對劃分的三個波段，分別設(shè)計獨立的消二級光譜濾光片單元，各單元濾光片的基本結(jié)構(gòu)為(0.5H L0.5H)，其中H為高折射率材料可選擇Ta2O5, Nb2O5, HfO2, ZrO2, Si等，L為低折射率材料可選擇Si02，MgF2, Al2O3等，具體材料選擇根據(jù)工作波段和膜系設(shè)計需要來確定，在基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)膜系的優(yōu)化設(shè)計；
[0025]7)采用電子束蒸發(fā)或濺射的方法，按照消二級光譜濾光片單元的膜系結(jié)構(gòu)，配合半導(dǎo)體掩模技術(shù)，逐個制備各消二級光譜濾光片單元，并完成消二級光譜集成濾光片的研制。
[0026]本專利的濾光片具有以下幾個方面的優(yōu)點:
[0027]I)在一個光學(xué)基片上，通過波段與幾何區(qū)域劃分實現(xiàn)了寬波段光柵高級次光譜的抑制，實現(xiàn)了高的信噪比；
[0028]2)通過真空鍍膜技術(shù)與半導(dǎo)體掩模技術(shù)的配合，實現(xiàn)超光譜成像系統(tǒng)全譜段光信息的聞效利用；
[0029]3)本專利所述的消二級光譜集成濾光片結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好，即可放置在光路的焦面上，也可置于探測器前與相元精確配準，可滿足航天用超光譜成像系統(tǒng)小體積、輕量化、高可靠性的技術(shù)要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為超光譜成像儀光柵分光系統(tǒng)示意圖。
[0031]圖2為消二級光譜集成濾光片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖3為消二級光譜集成濾光片波段劃分示意圖。
[0033]圖4為0.4?2.5微米寬光譜增透膜系透過率設(shè)計曲線。
[0034]圖5為0.4?0.7微米波段消二級光譜濾光片單元透過率設(shè)計曲線。
[0035]圖6為0.7?1.3微米波段消二級光譜濾光片單元透過率設(shè)計曲線。
[0036]圖7為1.3?2.5微米波段消二級光譜濾光片單元透過率設(shè)計曲線。

【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對本專利作進一步的說明:以17mmX 12mm大小,厚度Imm的雙面拋光藍寶石作為基底，消二級光譜濾光片結(jié)構(gòu)如示意圖2所示。
[0038]寬光譜增透膜系選擇五氧化二鉭(Ta2O5)和二氧化硅(S12)作為高折射率(nH)和低折射率(?)介質(zhì)材料，利用非規(guī)整膜層進行優(yōu)化設(shè)計，得到的光譜曲線如圖4所示；
0.4?0.7微米波段消二級光譜濾光片單元同樣選擇五氧化二鉭(Ta2O5)和二氧化硅(S12)作為高折射率(nH)和低折射率(?)材料，優(yōu)化設(shè)計得到的光譜曲線如圖5所示；0.7?1.3微米波段消二級光譜濾光片單元選擇氧化鈦(T12)和二氧化硅(S12)作為高折射率(nH)和低折射率(?)材料，優(yōu)化設(shè)計得到的光譜曲線如圖6所示；1.3?2.5微米波段消二級光譜濾光片單元選擇硅(Si)和二氧化硅(S12)作為高折射率(nH)和低折射率(?)材料，優(yōu)化設(shè)計得到的光譜曲線如圖7所示。
[0039]消二級光譜集成濾光片的工藝實施過程如下:1)對光學(xué)基片進行超聲波清洗并烘干，然后將其放入真空室內(nèi)工件架上，并對真空室抽真空達到9.0X10_3Pa ；2)將工件架的轉(zhuǎn)速調(diào)整到50rad/min，對基片進行烘烤加熱，溫度為200°C，持續(xù)時間2小時；3)使用離子源對光學(xué)基片進行鍍膜前的清洗和預(yù)處理，時間為15分鐘；4)按照寬光譜增透膜系的設(shè)計，逐層完成薄膜的制備，其中Ta2O5和S12材料的蒸發(fā)速率分別為0.2nm/s和0.8nm/s，采用石英晶體振蕩儀對膜層厚度進行控制；5)待基片溫度下降到100°C以下，取出樣品；6)按照波段劃分，在基片另一面進行掩模處理，并將基片再次裝入真空室內(nèi)，重復(fù)I)?3)過程，并開始0.4?0.7微米波段消二級光譜濾光片單元膜層的制備，膜層蒸發(fā)速率與寬光譜增透膜系相同，膜層厚度采用光學(xué)極值監(jiān)控；7)配合掩模工藝，依次完成0.7?1.3微米以及
1.3?2.5微米波段消二級光譜濾光片單元的制備，其中T12和Si材料的沉積速率分別為
0.15nm/s和3.0nm/s ；8)取出濾光片樣品，去除掩模，完成0.4?2.5微米波段消二級光譜集成濾光片的制備。
【權(quán)利要求】
1.一種用于超光譜成像系統(tǒng)中的消二級光譜集成濾光片，其結(jié)構(gòu)為:在光學(xué)基片(I)的一面上制備整個光譜儀工作波段的寬光譜增透膜系(2)，在另一面上制備消二級光譜集成濾光片膜系(3)，其特征在于，所述的消二級光譜集成濾光片膜系(3)的結(jié)構(gòu)如下:在光學(xué)基片(I)上劃分η個幾何區(qū)域，在這η個幾何區(qū)域中分別針對不同光學(xué)波段進行二級光譜的抑制；其中:
n = [1g2 (Al/ λ s)]+1 式中:λ ^和λ s分別為光譜波段的最長波長和最短波長；[]為取整符號； 各幾何區(qū)域二級光譜的抑制譜段為: 第I區(qū)域譜段波長范圍:\?X1, λ j 2 λ L ； 第2區(qū)域譜段波長范圍:、?λ2，λ 2 2 λ j ； 第η-1區(qū)域譜段波長范圍:λ η_2?Xn+ λ n_j 2 λ η_2 ； 第η區(qū)域譜段波長范圍:λ n_i?λ ρ
【文檔編號】G02B5/20GK203965653SQ201420310947
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】段微波, 劉銀年, 余德明, 李大琪, 陳剛 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所