拼接式集成濾光片的研制

李得天，王多書(shū)，王濟(jì)洲，董茂進(jìn)，李凱朋

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

地球上物體吸收、發(fā)射和反射的電磁波不可避免的攜帶有物體的多種信息，包括物體的成分、顏色、狀態(tài)等。遙感是通過(guò)探測(cè)地表物體反射或發(fā)射的電磁波，獲得物體的信息，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離物體識(shí)別?？臻g光學(xué)遙感技術(shù)具有分辨率高、直觀等特點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源開(kāi)發(fā)、減災(zāi)防災(zāi)、農(nóng)林調(diào)查、城市規(guī)劃等方面具有廣泛應(yīng)用。隨著全譜段多光譜（高光譜甚至超光譜）成像和紫外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，空間光學(xué)遙感技術(shù)在國(guó)家安全、農(nóng)業(yè)、災(zāi)害、資源及環(huán)境等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。

空間光譜成像在目標(biāo)二維空間信息基礎(chǔ)上同時(shí)采集光譜特性、偏振特性等多維信息，能夠大幅提高對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別能力。典型的空間光譜成像系統(tǒng)主要有光學(xué)相機(jī)、掃描儀以及光譜成像儀等，按照光譜分辨率不同，光譜成像儀可分為多光譜成像儀（Multispectral，分辨率0.1λ）、高光譜成像儀（Hyperspectral，分辨率0.01λ）以及超光譜成像儀（Ultraspectral，分辨率0.001λ）。光譜成像儀是在掃描儀等傳統(tǒng)的成像技術(shù)、光譜分光技術(shù)、大線陣和大面陣探測(cè)器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其分光裝置將入射光波分成幾十個(gè)甚至上百個(gè)窄波段分別成像，每個(gè)波段均可對(duì)同一地面目標(biāo)采樣點(diǎn)成像，隨著窄波段數(shù)增加，采樣點(diǎn)獲得的光譜幾近連續(xù)，因而可以獲得按光譜順序排列的地面目標(biāo)的“像立方”，通過(guò)“像立方”不僅可以獲得地面目標(biāo)某一波段的成像圖，還可以得到某個(gè)地面目標(biāo)的近連續(xù)光譜圖，其所含信息量極為豐富。目前空間光譜成像儀仍處于多光譜成像儀研制與應(yīng)用階段。

空間光譜成像技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)的趨勢(shì)有：（1）信號(hào)探測(cè)單元由膠片逐步過(guò)渡到光電探測(cè)器，探測(cè)器開(kāi)始使用長(zhǎng)線陣甚至大面陣類(lèi)型；（2）波段細(xì)分程度越來(lái)越高；（3）工作譜段從可見(jiàn)范圍逐步向紫外、紅外兩端延伸，已經(jīng)覆蓋了全譜段范圍；（4）光譜分辨力越來(lái)越高，逐步由單純幾何成像向幾何成像與光譜成像結(jié)合的方向發(fā)展。

對(duì)入射光分光是各類(lèi)光譜成像儀工作的關(guān)鍵步驟，通過(guò)分光可以實(shí)現(xiàn)譜段的細(xì)分，從而實(shí)現(xiàn)光譜成像。截至目前，各類(lèi)光譜成像儀采用的分光方式主要有光學(xué)薄膜分光、光柵分光以及邁克爾遜分光。相比較而言，光學(xué)薄膜分光最簡(jiǎn)單，通常只需要一片或幾片濾光片或分色片即可完成，但由于制作工藝限制，光譜分辨能力提升難度較大。隨著光譜成像儀的不斷發(fā)展，采用光學(xué)薄膜分光的技術(shù)也不斷發(fā)展，由最初的分色片、單通道濾光片等模式逐步發(fā)展到多通道集成分光模式，集成濾光片是光譜成像儀焦平面分光的關(guān)鍵器件。綜合來(lái)看，集成濾光片有多種制備方式，其中拼接式集成是空間應(yīng)用相對(duì)可行的一種[2-8]，其設(shè)計(jì)、制備有較大難度。針對(duì)該問(wèn)題，開(kāi)展了拼接式集成濾光片的研制。

1 理論基礎(chǔ)、儀器及設(shè)備

拼接式集成濾光片采用鍍膜加拼接的方式制作，制作過(guò)程中先分別鍍制各通道窄帶濾光片，然后采用側(cè)面拼接的方式實(shí)現(xiàn)集成。

1.1 窄帶濾光片設(shè)計(jì)

各通道窄帶濾光片設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)波通+短波通膜系結(jié)構(gòu)構(gòu)成通帶。通常情況下，無(wú)論長(zhǎng)波通還是短波通膜系可采用以下方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)要求，選擇基底和膜層材料，采用（0.5HL0.5H）m或（0.5LH0.5L）m的膜系構(gòu)建主膜系，用式（1）計(jì)算截止范圍，由式（2）根據(jù)截止深度要求確定m值，最終經(jīng)過(guò)局部膜層厚度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)全部光譜指標(biāo)。式中：lc為截止波長(zhǎng)；nH和nL分別為高/低折射率材料折射率；l0為中心波長(zhǎng)；Tr為透射率；m為膜系結(jié)構(gòu)的周期數(shù)。

1.2 儀器與設(shè)備

鍍膜過(guò)程采用離子束輔助的電阻蒸發(fā)方法，濾光片膜系主要采用規(guī)整膜系+部分膜層優(yōu)化的方式，因而膜層監(jiān)控采用石英晶振監(jiān)控和光學(xué)監(jiān)控相結(jié)合的膜厚控制方法。膜層鍍制在自研的長(zhǎng)波紅外鍍膜設(shè)備上進(jìn)行。

采用無(wú)襯底拼接的方式進(jìn)行窄帶濾光片的拼接集成。各濾光片厚度約1.2 mm，寬度1～1.3 mm，拼接精度要求很高，因而拼接過(guò)程采用了自行研制的涂膠和拼接裝置。采用涂膠工裝（如圖1）可以實(shí)現(xiàn)在1 mm寬的濾光片側(cè)面均勻涂膠。拼接工裝（如圖2）可以對(duì)各通道濾光片的位置、對(duì)準(zhǔn)、共面度等進(jìn)行精確調(diào)整，調(diào)整精度在微米量級(jí)。拼接過(guò)程中，完成四通道窄帶濾光片的鍍制后，采用涂膠工裝分別在各通道濾光片側(cè)面涂膠（采用雙組分環(huán)氧低溫膠），然后利用拼接工裝依次將各通道濾光片沿側(cè)面粘接起來(lái)，通過(guò)調(diào)整旋鈕可以調(diào)整拼縫寬度、平行度及各濾光片共面度等，在烘烤條件下實(shí)現(xiàn)膠固化拼接。

圖1 涂膠工裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of gelatinize tooling

圖2 拼接工裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of assemble tooling

光譜測(cè)試采用PE Optic Frontier低溫紅外光譜測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行，測(cè)試光譜范圍2.5～25.0μm，由光譜可分析得到濾光片的半功率點(diǎn)波長(zhǎng)、通帶寬度、平均透過(guò)率、陡度、抑制帶截止深度和熱窗的平均透過(guò)率值等光譜參數(shù)。由于該拼接集成濾光片與紅外探測(cè)器集成在一起，因此各通道窄帶濾光片工作溫度在約60 K低溫條件下。實(shí)際測(cè)試光譜過(guò)程中，采用低溫杜瓦瓶調(diào)節(jié)濾光片的溫度，依次可實(shí)現(xiàn)常溫至77 K各溫度點(diǎn)的光譜[9-10]，并由此推測(cè)出60 K溫度下的光譜性能。

2 拼接式集成濾光片設(shè)計(jì)與鍍制

研制的拼接濾光片工作譜段在長(zhǎng)波紅外，要求在8.01～12.5μm譜段分出4個(gè)通道，各通道均為窄帶濾光片，工作波段依次為8.01～8.39μm、8.42～8.83μm、10.3～11.3μm及11.4～12.5μm。在研制過(guò)程中，先制作各窄帶濾光片，再拼接形成集成濾光片，因此拼接式集成濾光片設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)和各窄帶濾光片的設(shè)計(jì)。

2.1 拼接式集成濾光片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拼接式集成濾光片采用各通道濾光片側(cè)面拼接的結(jié)構(gòu)，按照研制要求，各通道窄帶濾光片尺寸設(shè)計(jì)為：通道1（LW1）和通道4（LW4）在兩邊，尺寸為：29.5（±0.02）mm×1.63（±0.02）mm×1.2（±0.02）mm；通道2（LW2）和通道3（LW3）在中間，尺寸為：29.5（±0.02）mm×1.36（±0.02）mm×1.2（±0.02）mm，拼接后整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中各濾光片基底材料采用Ge。

圖3 拼接式集成濾光片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Schematic diagram of long stripe assembled filter

2.2 窄帶濾光片設(shè)計(jì)

（1）8.01～8.39μm窄帶濾光片

考慮到探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，除通帶外7.0～9.0μm間其余光全部截止?；捎面N，7.0μm前不需考慮，其余須由膜系截止。采用長(zhǎng)波通+短波通膜系結(jié)構(gòu)。膜層材料采用PbTe（H）與ZnS（L），由于PbTe在3.2μm前全部吸收，因此膜系只考慮在3.2μm后9.0μm前除通帶外的截止。考慮到低溫漂移，通帶應(yīng)設(shè)計(jì)為7.680～8.209μm。最終設(shè)計(jì)膜系結(jié)構(gòu)為：空氣|（0.5HL0.5H）9|基片|（0.5LH0.5L）9|空氣，長(zhǎng)波通膜系截止帶中心波長(zhǎng)為5.44μm，短波通膜系截止帶中心波長(zhǎng)為10.58μm。設(shè)計(jì)的光譜透射率曲線如圖4所示。平均透射率達(dá)到80%以上，截止區(qū)截止深度低于0.5%，長(zhǎng)波側(cè)和短波側(cè)陡度均小于或等于2.0%，帶寬0.397μm，通帶波紋深度小于0.1TP。

圖4 8.01～8.39 μm窄帶濾光片設(shè)計(jì)光譜圖Fig.4 Transmission spectrum curve of design for 8.01～8.39 μm narrowband filter

（2）8.42～8.83μm窄帶濾光片

考慮到探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，除通帶外7.0～9.0μm間其余光全部截止?；捎面N，7.0μm前不需考慮，其余須由膜系截止。采用長(zhǎng)波通+短波通膜系結(jié)構(gòu)。膜層材料采用PbTe（H）與ZnS（L），由于PbTe在3.2μm前全部吸收，因此膜系只考慮在7.0μm后9.0μm前除通帶外的截止?？紤]到低溫漂移，通帶應(yīng)設(shè)計(jì)在8.076～8.755μm。最終設(shè)計(jì)膜系結(jié)構(gòu)為：空氣|（0.5HL0.5H）9|基片|（0.5LH0.5L）9|空氣，長(zhǎng)波通膜系截止帶中心波長(zhǎng)為5.7μm，短波通膜系截止帶中心波長(zhǎng)為11.32μm。設(shè)計(jì)膜系的光譜透射率曲線如圖5所示。平均透射率達(dá)到80%以上，截止區(qū)截止深度低于0.5%，長(zhǎng)波側(cè)和短波側(cè)陡度均小于或等于2.0%，通帶波紋深度小于0.1TP。

圖5 8.42～8.83 μm窄帶濾光片設(shè)計(jì)光譜圖Fig.5 Transmission spectrum curve of design for 8.42～8.83 μm narrowband filter

（3）10.30～11.30μm帶通濾光片

考慮到探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，除通帶外7.0～15.0μm間其余光全部截止?；捎面N，7.0μm前不需考慮，其余須由膜系截止。采用長(zhǎng)波通+短波通方式構(gòu)成通帶。由于通帶前截止帶很寬，膜層材料采用PbTe（H）與ZnS（L），H表示高折射率材料，L為低折射率材料。由于PbTe在3.2μm前截止，因此膜系只考慮7.0～15.0μm之間除通帶外的截止。考慮到低溫漂移，通帶應(yīng)設(shè)計(jì)在9.88～11.15μm。最終設(shè)計(jì)膜系結(jié)構(gòu)為：空氣|（0.5HL0.5H）9|基片|（0.5LH0.5L）11|空氣，長(zhǎng)波通膜系中心波長(zhǎng)為7.04μm，短波通膜系中心波長(zhǎng)為14.14μm。設(shè)計(jì)膜系的光譜透射率曲線如圖6所示?？梢钥闯?，平均透射率在80%以上，截止深度低于0.5%，長(zhǎng)、短波側(cè)陡度小于1.5%，通帶波紋深度小于0.1TP。

圖6 10.30～11.30 μm帶通濾光片設(shè)計(jì)光譜圖Fig.6 Transmission spectrum curve of design for 10.30～11.30 μm narrowband filter

（4）11.40～12.50μm帶通濾光片

考慮到探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，除通帶外7.0～15.0μm間其余光全部截止?；捎面N，7.0μm前不需考慮，其余須由膜系截止。采用長(zhǎng)波通+短波通方式構(gòu)成通帶。由于通帶前截止帶很寬，膜層材料采用PbTe（H）與ZnS（L），H表示高折射率材料，L為低折射率材料。由于PbTe在3.2μm前截止，因此膜系只考慮7.0～15.0μm之間除通帶外的截止?？紤]到低溫漂移，通帶應(yīng)設(shè)計(jì)在10.906～12.350μm。最終設(shè)計(jì)膜系結(jié)構(gòu)為：空氣|8.187（0.5HL0.5H）11|基片|16.025（0.5LH0.5L）11|空氣，設(shè)計(jì)膜系光譜透射率曲線如圖7所示?？梢钥闯?，平均透射率達(dá)到80%以上，截止區(qū)截止深度低于0.5%，長(zhǎng)波側(cè)和短波側(cè)陡度均小于或等于1.5%，通帶波紋深度小于0.1TP。采用離子輔助的電阻蒸發(fā)方法對(duì)上述設(shè)計(jì)膜系進(jìn)行了鍍制，鍍制過(guò)程中本底真空度5×10-3Pa，沉積溫 度150℃左右，離子束輔助氣體流量17 mL/min。

3 測(cè)試及環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果

采用PE Optic Frontier低溫紅外光譜測(cè)試系統(tǒng)對(duì)鍍制四種窄帶濾光片進(jìn)行了光譜測(cè)試，測(cè)試透射光譜測(cè)試曲線如圖8所示，各指標(biāo)如表1所列，所有技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足要求。圖中給出了常溫和低溫條件下測(cè)試的光譜，結(jié)果顯示低溫條件下光譜滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

對(duì)四種窄帶濾光片進(jìn)行了拼接，采用涂膠工裝和拼接工裝進(jìn)行拼接尺寸及精度的調(diào)整，然后在真空和高溫條件下經(jīng)過(guò)粘接膠固化，真空度1～10 Pa，溫度約70℃。采用萬(wàn)能工具顯微鏡對(duì)于拼接后的集成濾光片進(jìn)行測(cè)試，最小拼縫寬度為10.0 μm，拼縫平行度達(dá)到2.0 μm。各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求，拼接后的集成濾光片實(shí)物如圖9所示。

表1 四種窄帶濾光片實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)Table1 Test results of 4 kinds of narrowband filters

圖9 拼接集成濾光片圖Fig.9 Picture of 4-channel IR long stripe assembled filter

為了驗(yàn)證集成濾光片的空間環(huán)境適應(yīng)性能，進(jìn)行了附著力試驗(yàn)、耐交變濕熱性（抗?jié)裥裕┰囼?yàn)、可溶性和耐清洗性能試驗(yàn)、水溶性試驗(yàn)、高低溫循環(huán)試驗(yàn)、抗輻照試驗(yàn)以及力學(xué)試驗(yàn)等應(yīng)用環(huán)境耐久性試驗(yàn)和空間環(huán)境模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)后膜層表面質(zhì)量完好，各通道濾光片光譜無(wú)明顯漂移，光譜形狀無(wú)明顯變化，集成濾光片拼接狀態(tài)良好，能夠滿(mǎn)足空間使用要求。目前，研制的產(chǎn)品已經(jīng)在空間某光譜成像儀上得到應(yīng)用，驗(yàn)證了研究結(jié)果在空間應(yīng)用的可行性。

4 結(jié)論

在分析光譜成像技術(shù)及集成光學(xué)薄膜技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)拼接式集成濾光片開(kāi)展了研制。采用長(zhǎng)波通+短波通膜系對(duì)各通道窄帶濾光片進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用離子束輔助的阻蒸方式對(duì)各通道窄帶濾光片進(jìn)行了鍍制，并利用自行研制的涂膠工裝和拼接工裝進(jìn)行了拼接，最終對(duì)拼接集成濾光片進(jìn)行光譜性能、拼接性能以及空間環(huán)境適應(yīng)性能等的測(cè)試和驗(yàn)證。結(jié)果表明，長(zhǎng)紅外拼接式集成濾光片光譜性能滿(mǎn)足使用要求，通帶寬度最窄達(dá)到402 nm，透射率達(dá)到83%以上。拼接后最小拼縫寬度為10μm，拼縫平行度達(dá)到2μm，各項(xiàng)拼接性能指標(biāo)達(dá)到要求。環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果表明，該集成濾光片能夠承受7項(xiàng)耐久性和空間環(huán)境模擬試驗(yàn)考核，飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的長(zhǎng)波紅外拼接式集成濾光片能夠在空間應(yīng)用。