[发明专利]一种光栅多级次光谱和红外背景辐射抑制的光学滤光片

说明书

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。

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；