一種用于超光譜成像系統的階越濾光片的制作方法

本發明屬于光學元件技術領域，具體指一種用于超光譜成像系統的階越濾光片設計方法，它適用于可見、紅外遙感儀器或軍事偵察的儀器中。

背景技術：

在航空航天領域，由光學系統、分光組件、紅外焦平面器件、信號處理電路等構成的超光譜或高光譜光電儀器是對地觀測、軍事偵察等衛星的重要載荷。遙感載荷通過光學系統匯集目標的全波段輻射信息，通過分光器件分離目標光譜波段，以獲取目標光譜信息，分光器件分光方式及分光性能直接關系整機的核心性能指標。

在超光譜儀器設備中，通常使用的棱鏡分光、光柵分光和傅立葉分光，分配到每行像元上的光譜是特定波段的光譜唯一的對應到此行像元上，要求分光器件在通光譜段內光學效率高，在通光譜段范圍外的光譜不通過。按照這種方式的其它分光組件，分光光譜在寬光譜范圍內都是連續的，一般采用推掃方式成像，而超光譜一般都要求很高的速高比和快速成像能力，這樣要求焦平面探測器有很高的讀出幀頻，數據量會非常大，會對后續數據處理及傳輸帶來極大的壓力，并且同一個光學通道范圍內，光譜只能設定的該譜段附近，不能根據實際需要選取譜段。

技術實現要素：

基于以上問題的存在，本發明的目的是提供一種階躍式濾光片，這種階躍式濾光譜應用在超光譜系統中，可以實現光譜譜段的階躍變化、光譜譜段能夠依據需要進行選擇，以及能提高系統的等效讀出幀頻題。

本發明提出一種新的分光方式－階越濾光片，幾何結構如附圖1同一波段結構圖和附圖2不同波段的拼接圖所示。這種微型化的濾光片，通過濾光片的光譜波段階躍變化，幾何上每個譜段對應m個成像掃描行(與探測器對應，本系統m＝5)，在此譜段內每個成像掃描行濾光片處透過相同的光譜波段，m個成像掃描行的一端邊界有一個成像掃描行寬度的過度帶，過渡帶不透光。

所述的階躍濾光片幾何上有L個寬波段，L為正整數；每個寬波段內有n個譜段，n為正整數，每個寬波段內的n值可以不同；n個譜段透過光譜階躍變化，并且相鄰兩個光譜譜段間隔也可以依據需要進行選擇；n個譜段中的每一個譜段對應m個成像掃描行，m為正整數，在此m個成像掃描行內，透過光譜相同，也就是說在這m個掃描成像行內，具有相同光譜透過曲線。

所說濾光片依據系統光譜設計要求和濾光片制作的可行性，整個濾光片可以由單個或多個寬波段范圍的濾光片拼接構成。每個寬光譜波段范圍的濾光片，其單個波段的譜段寬度單調變化，幾何尺寸相同。但構成整個濾光片的各個寬波段的濾光片，其光譜通道數和光譜寬度可以不同，依據實際需要靈活設計。兩個不同波段濾光片的拼接處有一個拼接帶，拼接帶寬度為m(m＝5)個成像掃描行。經過多個濾光片片拼接而成的濾光片就構成一個完整的階躍濾光片。這樣所有的單個光譜波段和拼接帶幾何上都對應m個掃描成像行，方便整個階躍濾光片制作、像移補償的實施和數據的幾何及光譜重構。

所說的階躍濾光片，對于具有m個成像掃描行相同光譜超光譜成像儀，通過像移補償成像，就可以將超光譜儀器的系統等效讀出幀頻提高m-1倍，相應的也等效于將焦平面探測器的讀出速率降低m-1倍，其本質是利用系統空間的余量換取時間的不足。并且階躍濾光片的譜段數目和光譜寬度可以依據實際需要進行自由選取。

所說階躍濾光片光譜分光原理為：由光學多層光學薄膜組成的光譜反射帶和一個光學間隔層形成一個完整的F-P濾光片。反射帶的膜層決定了光譜覆蓋范圍和通帶的寬窄、透過率等光學指標，而通帶的光譜位置(即中心波長λ0)由光學間隔層決定。通過改變間隔層的光學厚度，就可以改變濾光片的光譜通帶位置，同時對帶寬等光譜指標影響不大。

所說的階躍濾光片的制作方法，可以采用光學刻蝕加鍍膜的方法完成。利用半導體工藝，結合離子束刻蝕技術，在間隔層上形成64個(或2ⁿ個)臺階。每個臺階對應不同的幾何厚度，通常情況下膜層的光學折射率不變，也就對應不同的光學厚度。每個臺階對應的幾何區域也就形成一個微型的單元濾光片。在同一塊基片上，可以形成64個(或2ⁿ個)單獨光譜通道的微型集成濾光片。

由于通帶以后還會出現次峰，需用截次峰膜系將其抑制。截次峰膜系鍍在濾光片基片相對于F-P多層膜的另一面上，一般由20-30層膜組成，其光譜與主峰(通帶)光譜配合。針對四個波段的帶外抑制，需分別鍍上相應的截次峰多層膜系來抑制帶外相應。

做好各個大波段的濾光片后，利用精細的拼接技術，將四個濾光片按照要求拼接起來，就構成符合要求的整體階躍濾光片。

本發明有如下有益效果：

1.本發明的所提出的光譜分離方法可以實現放光光譜的階躍變化，光譜分離純度比較高。

2.本發明的階躍濾光片可以依據系統設計需要，在一個濾光片上實現多個譜段范圍的光譜細分。

3.本發明的階躍濾光片結合像移補償系統的超光譜成像儀，可以提高系統的等效讀出幀頻m-1倍。

附圖說明

圖1是同一寬波段內部光譜透過和過渡帶結構圖；

圖2是不同寬波段濾光片的拼接結構圖；

圖3是超光譜成像系統空間像移補償原理圖。

具體實施方式

依據以上設思想，中國科學院上海技術物理所的相關人員設計了短波紅外階躍濾光片，整個濾光片分為四個寬光譜波段，每個光譜波段具有不同的光譜通道數和光譜寬度，但每個光譜通道具有相同的幾何尺寸，其主要性能指標和中心波長如下表1和表2：

表1階躍濾光片性能參數表

表2階躍濾光片波段劃分及中心波長表

依據以上設計指標，利用發明內容中所說的刻蝕及鍍膜工藝，就可以制作出相應的階躍濾光片。