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与单片滤光片不同,集成滤光片不仅要考虑各通道窄带滤光片的研制,还要将各窄带滤光片集成在一起,因而,其设计也要从集成结构设计和窄带滤光片设计两个方面考虑。
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从目前空间拼接集成滤光片发展现状来看,其集成方式主要有有衬底拼接和无衬底拼接两种。有衬底拼接是将研制好的窄带滤光片并排粘接在同一衬底上,由于有衬底加持,其机械强度高,抗发射振动性好(抗振性),但衬底的双面反射以及粘接胶的吸收会引起通道透射信号强度减弱,光学系统信噪比下降。实际应用中还存在另一不利因素,国产粘接胶在该波段吸收较大,导致有衬底拼接方式在国内应用几乎不可行。无衬底拼接避免了衬底和粘接胶对于透射信号的影响,但机械强度能否耐受发射过程中的振动破坏并没有验证过,国内外也没有空间应用的先例。为此,在没有合适国产粘接胶的情况下,笔者研究了采用无衬底拼接方式实现窄带滤光片的集成。
窄带滤光片基片材料的选择非常关键,该波段空间常用的基片材料主要有硅(Si)、硫化锌(ZnS)和硒化锌(ZnSe)等,从机械强度、透光性能、各通道窄带滤光片膜系设计与制备的难易程度等综合考虑,Si材料是比较合适的选择。在光学系统焦平面处集成滤光片与探测器阵列粘接在一起,探测器阵列尺寸是设计集成滤光片尺寸的主要依据,长线阵探测器四组像元阵列尺寸均为23.5 mm×0.5 mm (长×宽),相邻像元阵列中心线间距为1.36 mm,考虑到像元阵列覆盖性、斜入射光影响以及拼接工艺需要,集成滤光片设计成图1所示的长条状结构。各窄带滤光片尺寸为: SW1和MW2相同,长×宽×高:29.5 mm×1.63 mm×1.2 mm;SW2 和MW1相同,长×宽×高:29.5 mm×1.36 mm×1.2 mm,按照SW1、SW2、MW1、MW2的顺序沿侧面拼接而成。由于粘接胶并非完全不透光,因而,拼缝的存在会漏入杂光,拼缝宽度的选择就非常关键,拼缝越窄杂光越弱,但拼缝过窄因用胶量不够会引起粘接强度降低,不能满足抗振性要求。综合考虑以上因素在保证抗振性条件下拼缝宽度越窄越好,初步设计成30 μm,由后续试验最终确定。窄带滤光片的厚度同样影响集成滤光片的抗振性,厚度越大抗振性越好,但会影响成像,经光路计算分析,厚度不大于1.2 mm。
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综合考虑4通道集成滤光片的空间应用现状及国内成像光谱仪的实际需求,各窄带滤光片光谱性能应满足如表1所示的结果。由于现有高性能红外探测器通常工作在80 K的低温条件下,与探测器集成在一起的滤光片温度与探测器接近,必须考虑低温条件对于其光谱性能的影响。
表 1 各窄带滤光片低温光谱性能要求
Table 1. Spectral performance requirements of narrow band filter at low temperature
SW1 SW2 MW1 MW2 Bandpass 1.55±0.03 μm~
1.75±0.03 μm2.08±0.03 μm~
2.35±0.03 μm3.5±0.03 μm~
3.9±0.03 μm4.85±0.03 μm~
5.05±0.03 μmBandwidth ≥0.2 μm ≥0.27 μm ≥0.4 μm ≥0.2 μm Average transmittance ≥80% ≥80% ≥75% ≥75% Rejectness ≤0.5% ≤0.5% ≤0.5% ≤0.5% steepness 2.5% 2.5% 2.5% 2.5% Coefficient of ripple 0.1 Tp 0.1 Tp 0.1 Tp 0.1 Tp 注:Tp为通带最大透射率。 窄带滤光片设计采用长波通膜系和短波通膜系相结合的方式构建通带,长/短波通膜系分别选择周期性对称膜系结构(0.5 HL0.5 H)m和(0.5 LH0.5 L)m,括号中为一个基本周期,m为周期数,H表示高折射率材料膜层,L表示低折射率材料膜层,光学厚度均为λ0/4(λ0中心波长)。两种膜系均采用公式(1)计算对称膜系等效折射率,由此确定膜层结构是否能满足通带透射率要求,并形成主膜系。利用公式(2)计算截止范围,如果主膜系不满足截止宽度要求,可以增加同结构的匹配截止膜系以展宽截止带。利用公式(3)计算截止深度,确定m值。由主膜系和匹配膜系设计形成的规整膜系结构通常无法满足全部光谱指标要求,需要建立优化函数,对主膜系部分膜层进行厚度优化,优化设计后可达到光谱指标要求。上述优化过程可以借助光学薄膜设计软件进行。
$$ E = \sqrt {\dfrac{{{n_p}^2\left[ {\sin 2{\delta _p}\cos {\delta _q} + \dfrac{1}{2}\left( {\dfrac{{{n_p}}}{{{n_q}}} + \dfrac{{{n_q}}}{{{n_p}}}} \right)\cos 2{\delta _p}\sin {\delta _q} - \dfrac{1}{2}\left( {\dfrac{{{n_p}}}{{{n_q}}} - \dfrac{{{n_q}}}{{{n_p}}}} \right)\sin {\delta _q}} \right]}}{{\sin 2{\delta _p}\cos {\delta _q} + \dfrac{1}{2}\left( {\dfrac{{{n_p}}}{{{n_q}}} + \dfrac{{{n_q}}}{{{n_p}}}} \right)\cos 2{\delta _p}\sin {\delta _q} + \dfrac{1}{2}\left( {\dfrac{{{n_p}}}{{{n_q}}} - \dfrac{{{n_q}}}{{{n_p}}}} \right)\sin {\delta _q}}}} $$ (1) 式中:E为基本周期膜系(膜层顺序为pqp)的等效折射率;p和q表示膜层;np和nq为两种材料的折射率(上述两种膜系统一表示);δp和δq为两种材料膜层的相位厚度。
$$ \Delta g=1 \pm \frac{2}{\pi} \arcsin \left(\dfrac{{n}_{H}-{n}_{{L}}}{{n}_{H}+{n}_{L}}\right) $$ (2) 式中:
$ \Delta g $ 为单个反射膜堆的相对半宽度,与膜堆中心波长的2倍相乘,可近似得到该膜堆的截止宽度;nH和nL分别为高、低折射率材料的折射率。$$ T_{\mathrm{r}}=\frac{16 n_{0} n_{s}}{\left(\dfrac{n_{H}}{n_{L}}\right)^{2 m}\left\{\left(n_{0}+n_{s}\right)^{2}+\left[\left(\dfrac{n_{0} n_{s}}{n_{H}}\right)-n_{H}\right]^{2}\right\}} $$ (3) 式中:Tr为截止带透射率;n0和ns为入射介质和基底的折射率。
对于在低温环境下应用的窄带滤光片,因为膜层材料的折射率存在温度色散效应,环境温度改变后材料折射率会发生变化,在设计过程中需要提前试验确定低温条件下材料的折射率。采用单层膜测试膜层材料的折射率,利用其透射率光谱可以反演计算出折射率[14]。研究过程中,将试验制作的单层膜样品置于光谱仪的低温杜瓦中,测得低温条件下样品的透射率光谱,并由此反演出低温折射率[15]。利用低温折射率可以设计得到低温条件下膜系的透射率光谱。通常情况下,实际镀制过程中方便测试的往往是常温光谱,因而,通带位置会有一定量的偏移,可事先试验测得膜系通带位置的低温偏移量,并由此计算得到低温透射率光谱。
(1) SW1窄带滤光片设计
该波段探测器在波长大于2.8 μm后不再响应,要求除通带外2.8 μm之前的光波全部截止,基片Si在1.2 μm前不透明,其余光波须由膜系截止。根据该通带范围的透明特性及机械特性,膜层材料选择高折射率ZnS和低折射率氟化钇(YF3)。利用试验测得的两种膜层材料低温折射率(80 K)进行设计计算,结果显示长波通膜系只采用主膜系即可满足截止区要求,在周期数m=12时能够满足截止深度、陡度等指标要求。短波通膜系需要一个主膜系外加一个结构相同的辅助截止膜系可满足截止区要求,m=11时可满足截止深度、陡度等指标要求。最终设计膜系结构为:空气| (0.5 HL0.5 H)12| 基片 | 1.77(0.5 LH0.5 L)11 (0.5 LH0.5 L)11 | 空气,长波通膜系λ0为1.32 μm,短波通膜系λ0为2.0 μm。采用光学薄膜设计软件Essential Macleod进行膜系结构局部优化后长/短波通膜系合成光谱透射率曲线如图2,通带范围1.552~1.755 μm,通带平均透射率90.4%,带宽0.203 μm,陡度2.4%,截止深度0.5%,波纹幅度0.1 TP。分别采用常温和低温折射率计算光谱,结果显示相对于常温条件80 K条件下通带位置向短波方向偏移,半功率点位置偏移量分别为短波侧20 nm,长波侧15 nm。
图 2 1.55~1.75 μm窄带滤光片透射率光谱设计曲线
Figure 2. Transmission spectrum design curve of 1.55-1.75 μm narrowband filter
(2) SW2窄带滤光片设计
探测器同前,除通带外2.8 μm之前的光波要全部截止。膜层材料选择ZnS和YF3。利用试验测得的低温折射率进行计算,结果显示长波通膜系须由一个主膜系外加一个同结构的辅助截止膜系才能满足截止区要求,当m=12时能够满足截止深度、陡度等指标要求。短波通膜系只需要一个主膜系即可满足截止区要求,m=11时可满足截止深度、陡度等指标要求。最终设计膜系结构为:空气| 0.77(0.5 HL0.5 H)12 (0.5 HL0.5 H)12|基片| (0.5 LH0.5 L)11|空气,长波通膜系λ0为1.80 μm,短波通膜系λ0为2.69 μm。采用Essential Macleod进行膜系结构局部优化后合成光谱透射率曲线如图3,通带范围为2.08~2.352 μm,通带平均透射率为91.0%,带宽为0.272 μm,陡度为2.3%,截止深度为0.4%,波纹幅度为0.08 TP。采用常温和低温折射率计算光谱,结果显示:低温通带位置向短波方向偏移,偏移量为短波侧25 nm,长波侧15 nm。
图 3 2.08~2.35 μm窄带滤光片透射率光谱设计曲线
Figure 3. Transmission spectrum design curve of 2.08-2.35 μm narrowband filter
(3) MW1窄带滤光片设计
探测器在波长大于5.1 μm之后不响应,除通带外5.1 μm前其余光全部截止。膜层材料选择高折射率锗(Ge)和低折射率ZnS,Ge材料在1.7 μm前全部吸收。利用试验测得的低温折射率进行计算,结果显示长波通膜系须由一个主膜系外加一个同结构的辅助截止膜系才能满足截止区要求,当主膜系m=11及辅助膜系m=9时能够满足截止深度、陡度等指标要求。短波通膜系只需要一个主膜系即可满足截止区要求,m=11时可满足截止深度、陡度等指标要求。膜系结构最终设计为:空气| 0.66(0.5 HL0.5 H)9 (0.5 HL0.5 H)11|基片|(0.5 LH0.5 L)11|空气,长波通膜系λ0为2.75 μm,短波通膜系λ0为4.75 μm。采用Essential Macleod进行膜系结构局部优化后合成光谱透射率曲线,如图4所示,通带范围为3.499~3.902 μm,通带平均透射率为90.1%,带宽为0.403 μm,陡度为2.4%,截止深度为0.2%,波纹幅度为0.1 TP。采用常温和低温折射率计算光谱,结果显示:低温通带位置向短波方向偏移,偏移量为短波侧58 nm,长波侧39 nm。
图 4 3.5~3.9 μm窄带滤光片透射率光谱设计曲线
Figure 4. Transmission spectrum design curve of 3.5-3.9 μm narrowband filter
(4) MW2窄带滤光片设计
探测器在波长大于5.5 μm之后不响应,除通带外5.5 μm前其余光全部截止。膜层材料选择Ge和ZnS。利用试验测得的低温折射率进行计算,结果显示长波通膜系须由一个主膜系外加两个同结构的辅助截止膜系才能满足截止区要求,当主膜系m=11及辅助膜系m分别为7和4时能够满足截止深度、陡度等指标要求。短波通膜系只需一个主膜系即可满足截止区要求,m=11时可满足截止深度、陡度等指标要求。膜系最终设计为:空气| 0.51(0.5 HL0.5 H)4 0.66(0.5 HL0.5 H)7 (0.5 HL0.5 H)11|基片|(0.5 LH0.5 L)11|空气,长波通膜系λ0为3.83 μm,短波通膜系λ0为6.17 μm。采用Essential Macleod进行膜系结构局部优化后,合成光谱透射率曲线,如图5所示,通带范围为4.84~5.06 μm,通带平均透射率为94.5%,带宽为0.22 μm,陡度为2.0%,截止深度为0.3%,波纹幅度为0.09 TP。采用常温和低温折射率计算光谱,结果显示:低温通带位置向短波方向偏移,偏移量为短波侧60 nm,长波侧40 nm。
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采用PE Optic frontier低温红外光谱测试系统对窄带滤光片进行光谱测试,将待测滤光片置于该系统低温杜瓦中进行温度调控,最低可达液氮温度(77 K)。笔者同时测试了常温和低温透射率光谱曲线, 4个窄带滤光片透射率光谱测试曲线如图7所示,偏向长波方向的是常温透射率曲线,短波方向是低温透射率曲线。由此得到窄带滤光片光谱性能参数如表2所示,结果显示低温条件下光谱性能参数基本与设计值一致,满足光谱性能要求。对比常温与低温测试结果,窄带滤光片通带位置均向短波方向偏移,偏移量分别为:SW1,短波侧19 nm,长波侧16 nm;SW2,短波侧21 nm,长波侧15 nm;MW1,短波侧56 nm,长波侧38 nm;MW2,短波侧64 nm,长波侧39 nm,与设计结果吻合。利用万能工具显微镜测试了集成滤光片拼接性能,结果如表2所示,拼缝宽度为10 μm,拼缝不平行误差为1 μm。拼接后的短中波红外长线阵拼接集成滤光片实物如图8所示。
为了验证集成滤光片的环境耐久性和空间环境适应性,按照空间光学薄膜产品相关标准对集成滤光片的膜层附着性能、抗湿热性能、耐高低温冲击性能、抗辐照性能以及抗力学振动性能等进行了验证试验,结果显示拼接集成滤光片表面膜层完好,没有出现膜裂、起泡、脱膜等膜层附着性问题。试验前后各窄带滤光片的透射率光谱基本一致,没有出现明显的光谱偏移和光谱形状变化。抗振性试验后未出现开胶、断裂等影响使用的现象,集成滤光片的结构设计和拼接工艺能够满足卫星发射过程中的抗振性能要求。目前,采用该论文技术研制的产品已经在空间成像光谱仪上得到了应用。
表 2 4通道短中波红外长线阵集成滤光片性能测试结果
Table 2. Test results of 4-channel short/medim infrared LLASIF
SW1 SW2 MW1 MW2 Bandpass 1.54-1.78 µm 2.07-2.36 µm 3.48-3.93 µm 4.82-5.05 µm Bandwidth 0.24 μm 0.29 µm 0.45 µm 0.23 µm Average transmittance 90.3% 94.0% 90.0% 90.5% Rejectness 0.3% 0.2% 0.3% 0.4% Steepness 2.4% 2.2% 2.5% 2.3% Coefficient of ripple 0.08 Tp 0.03 Tp 0.08 Tp 0.04 Tp Minimum seam width 10 μm Seam parallelism error 1 μm
Research on splicing integrated filter technology of short/medium infrared long line array
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摘要: 空间光谱成像技术的发展使得探测器阵列与分光元件的集成成为一种趋势,长线阵拼接集成滤光片是空间多光谱成像仪实现焦平面集成分光的关键器件,在我国空间多光谱成像光学系统中需求明显。设计了4通道短中波红外长线阵拼接集成滤光片,采用离子束辅助轰击的电子枪蒸发方法制备了各通道窄带滤光片,利用专门研制的工装探索了拼接工艺,研制出了短中波红外长线阵拼接集成滤光片。测试结果表明:集成滤光片各通道平均透射率达到90%,最小带宽为230 nm (中心波长为4.95 μm),光谱性能与设计结果吻合,满足性能指标要求。最小拼缝宽度仅为10 μm,拼缝不平行误差为1 μm,集成滤光片设计结构和拼接强度能够耐受抗振性试验。该集成滤光片已经在空间光学遥感仪器上成功应用。
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关键词:
- 长线阵拼接集成滤光片 /
- 短中波红外 /
- 空间光谱成像 /
- 光学薄膜
Abstract: The development of spatial spectral imaging technology makes the integration of detector array and light splitting elements become a trend. The long line array splice integrated filter (LLASIF) is the key device of spatial multispectral imager to realize concentrated light splitting at focal plane, and it has obvious demand in the spatial multispectral imaging system in China. In this paper, a 4-channel short/medim infrared LLASIF was designed. The narrow band filter of each channel was prepared by electron gun evaporation method assisted by ion beam. The splicing process was explored by using specially developed tools and the LLASIF was developed. The test results show that the average transmittance of each narrow band filter reaches 90%, the minimum bandwidth is 230 nm (central wavelength is 4.95 μm), and the spectral performance is consistent with the design results and meets the performance requirements. The minimum seam width is only 10 μm, the seam parallelism error is 1 μm. The integrated filter structure and splicing strength can withstand the vibration resistance test. The integrated filter has been successfully applied in space optical remote sensing instrument. -
表 1 各窄带滤光片低温光谱性能要求
Table 1. Spectral performance requirements of narrow band filter at low temperature
SW1 SW2 MW1 MW2 Bandpass 1.55±0.03 μm~
1.75±0.03 μm2.08±0.03 μm~
2.35±0.03 μm3.5±0.03 μm~
3.9±0.03 μm4.85±0.03 μm~
5.05±0.03 μmBandwidth ≥0.2 μm ≥0.27 μm ≥0.4 μm ≥0.2 μm Average transmittance ≥80% ≥80% ≥75% ≥75% Rejectness ≤0.5% ≤0.5% ≤0.5% ≤0.5% steepness 2.5% 2.5% 2.5% 2.5% Coefficient of ripple 0.1 Tp 0.1 Tp 0.1 Tp 0.1 Tp 注:Tp为通带最大透射率。 表 2 4通道短中波红外长线阵集成滤光片性能测试结果
Table 2. Test results of 4-channel short/medim infrared LLASIF
SW1 SW2 MW1 MW2 Bandpass 1.54-1.78 µm 2.07-2.36 µm 3.48-3.93 µm 4.82-5.05 µm Bandwidth 0.24 μm 0.29 µm 0.45 µm 0.23 µm Average transmittance 90.3% 94.0% 90.0% 90.5% Rejectness 0.3% 0.2% 0.3% 0.4% Steepness 2.4% 2.2% 2.5% 2.3% Coefficient of ripple 0.08 Tp 0.03 Tp 0.08 Tp 0.04 Tp Minimum seam width 10 μm Seam parallelism error 1 μm -
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