高光谱关联成像标定系统中干涉截止滤光片的研制

李美萱,朱杰章,阚晓婷,金筑菲,范晓飞

(1.吉林工程技术师范学院,吉林 长春 130052;2.吉林省量子信息技术工程实验室,吉林 长春 130052;3.长春电子科技学院 ,吉林 长春 130052)

1 引 言

高光谱成像技术能够同时获取目标场景的空间结构特征和光谱特征等丰富信息。随着卫星遥感、生物医学诊断、海洋检测和搜救、农林业监测和分类、军事伪装识别等领域对光谱和成像特征信息的重大需求,高光谱成像技术的基础研究与工程应用转化越来越受到各个国家的高度重视[1-2]。关联成像是一种全新的成像体制,具有非局域性、抗干扰能力强和超分辨等优点。基于压缩感知理论的关联成像是用与信号的稀疏表达基不相关的测量基,对信号作投影测量再利用测量矩阵和探测数据通过计算成像的方式重构高光谱图像,因此使用压缩感知成像系统进行光谱成像时必须通过标定获取其测量矩阵[3-5]。国内外专家对成像系统中带通滤光片的反射、透射、吸收和散射等特性进行了深入研究[6-10]。但对高光谱关联成像标定系统中薄膜器件的研究还鲜有报道。

2 高光谱关联成像标定系统成像原理

高光谱关联成像标定系统光路图如图1所示。氙灯光源为高光谱关联成像标定系统提供测试所需的高亮度宽带光源。通过单色仪对氙灯光源产生的宽带光源进行窄带滤波,以产生波长可调的准单色光场。在单色仪的出射狭缝前放置光束耦合透镜,将光耦合进光纤入射端,通过调节光纤以及透镜的位置,保证耦合进光纤的能量最大。干涉截止滤光片使350～380 nm范围的光束截止,400～740 nm范围的光束透过。DOE将前置成像面上宽波段图像上每个点发出的光场进行随机相位调制,经调制后形成一幅二维空间信息和一维光谱信息混叠的散斑图样,散斑图成像于面阵光电探测器CCD上得到探测信号,再根据探测信号利和标定得到的测量矩阵,利用高性能服务器通过计算成像的方式对探测信号进行三维数据重构。

图1 高光谱关联成像标定系统

3 干涉截止滤光片的设计

根据高光谱关联成像标定系统对成像光谱范围的要求,干涉截止滤光片的技术指标如表1所示。

表1 干涉截止滤光片技术指标

依据物理气象沉积的基础理论,对于k(k=1,2,3,…)层膜结构,膜层与基片的特征矩阵为:

(1)

式中,ηj为第j层薄膜材料的有效导纳;ηg为基底材料的有效导纳;σj为第j层膜的位相厚度,薄膜反射率为:

(2)

式中,η0为入射介质的有效导纳。

综合考虑光学薄膜在面形精度、附着力、温度、湿度和反射率方面的要求,选择n=2.15@450 nm的Ta2O5为高折射率材料,n=1.48@450 nm的SiO2为低折射率材料,镀膜材料物理参数如表2所示。

表2 镀膜材料及物理参数

利用Essential Macleod膜系设计软件对光学薄膜进行仿真模拟。为了提高400～740 nm波长处的透过率,需要先在K9玻璃上镀制减反射膜,软件优化后得到的理论设计曲线如图2所示。

图2 减反射膜理论设计曲线

干涉截止滤光片优化后得到的膜系公式为Air/0.32H 1.2L 0.95H 0.93L 0.85H 1.55L 0.74H 1.21L H 1.37L 0.72H 1.42L 1.02H 1.16L 0.79H 1.62L 0.87H 1.12L 0.91H 1.62L 0.75H 1.16L 1.08H 1.4L 0.65H 1.43L 1.12H 1.02L 0.7H 1.83L 0.8H 0.55L 1.46H 2.18L/Sub,式中Air为空气,H为Ta2O5,L为SiO2,Sub为K9玻璃。将前、后表面膜系数据导入膜系设计软件中,得到该倍频分离膜的理论光谱透过率曲线如图3所示。设计结果表明:350～380 nm范围的反射率为99.99 %,400～740 nm范围的反射率为0.28 %。

图3 干涉截止滤光片理论设计曲线

4 干涉截止滤光片的制备

该实验是在OZZSQ900型箱式真空镀膜机上完成的,当真空度达到2.0×10-3Pa时给基片加温,待温度达250 ℃时维持30 min,开启离子源轰击5 min后开始蒸镀,Ta2O5和SiO2沉积工艺参数如表3所示。

表3 Ta2O5和SiO2沉积工艺参数

镀膜样品的反射光谱采用Lamda1050光谱仪进行测试,样品反射率测试结果和理论数据的对比曲线如图4所示。实测值比理论值在340～390 nm处反射率低0.38 %,在400～750 nm处反射率高0.64 %。分析误差主要来源于薄膜的吸收和散射损耗但实验结果仍能满足设计指标要求。

图4 样品反射率测试曲线

将镀膜样品进行环境测试,测试结果如下:在附着力试验中,以2 cm宽的胶带纸,剥离强度不小于2.6 N/cm,粘在镀膜样品表面垂直迅速拉起,无脱膜现象。

在温度试验中,将K9测试片放入温控柜内,由室温降到-30 ℃,保持12 h;再将温度缓慢升到30 ℃,保持12 h,膜层无脱膜、裂纹、起泡现象。

在湿度实验中,镀膜样品件在相对湿度为80 %～95 %的条件下保持48h无脱膜、裂纹、起泡现象。

5 结 论

本文搭建了一套高光谱关联成像标定系统,对其成像原理进行了分析。采用Essential Macleod膜系设计软件对高光谱关联成像标定系统中的干涉截止滤光片和减反射膜进行了设计。在OZZSQ 900型箱式真空镀膜机上完成了薄膜的制备,实验结果表明:在350～380 nm范围内的平均反射率为99.61 %,400～740 nm范围的反射率为0.98 %,满足技术指标要求并通过了环境测试。