高光譜關聯成像標定系統中干涉截止濾光片的研制

李美萱,朱杰章,闞曉婷,金筑菲,范曉飛

(1.吉林工程技術師范學院,吉林 長春 130052;2.吉林省量子信息技術工程實驗室,吉林 長春 130052;3.長春電子科技學院 ,吉林 長春 130052)

1 引 言

高光譜成像技術能夠同時獲取目標場景的空間結構特征和光譜特征等豐富信息。隨著衛星遙感、生物醫學診斷、海洋檢測和搜救、農林業監測和分類、軍事偽裝識別等領域對光譜和成像特征信息的重大需求,高光譜成像技術的基礎研究與工程應用轉化越來越受到各個國家的高度重視[1-2]。關聯成像是一種全新的成像體制,具有非局域性、抗干擾能力強和超分辨等優點。基于壓縮感知理論的關聯成像是用與信號的稀疏表達基不相關的測量基,對信號作投影測量再利用測量矩陣和探測數據通過計算成像的方式重構高光譜圖像,因此使用壓縮感知成像系統進行光譜成像時必須通過標定獲取其測量矩陣[3-5]。國內外專家對成像系統中帶通濾光片的反射、透射、吸收和散射等特性進行了深入研究[6-10]。但對高光譜關聯成像標定系統中薄膜器件的研究還鮮有報道。

2 高光譜關聯成像標定系統成像原理

高光譜關聯成像標定系統光路圖如圖1所示。氙燈光源為高光譜關聯成像標定系統提供測試所需的高亮度寬帶光源。通過單色儀對氙燈光源產生的寬帶光源進行窄帶濾波,以產生波長可調的準單色光場。在單色儀的出射狹縫前放置光束耦合透鏡,將光耦合進光纖入射端,通過調節光纖以及透鏡的位置,保證耦合進光纖的能量最大。干涉截止濾光片使350～380 nm范圍的光束截止,400～740 nm范圍的光束透過。DOE將前置成像面上寬波段圖像上每個點發出的光場進行隨機相位調制,經調制后形成一幅二維空間信息和一維光譜信息混疊的散斑圖樣,散斑圖成像于面陣光電探測器CCD上得到探測信號,再根據探測信號利和標定得到的測量矩陣,利用高性能服務器通過計算成像的方式對探測信號進行三維數據重構。

圖1 高光譜關聯成像標定系統

3 干涉截止濾光片的設計

根據高光譜關聯成像標定系統對成像光譜范圍的要求,干涉截止濾光片的技術指標如表1所示。

表1 干涉截止濾光片技術指標

依據物理氣象沉積的基礎理論,對于k(k=1,2,3,…)層膜結構,膜層與基片的特征矩陣為:

(1)

式中,ηj為第j層薄膜材料的有效導納;ηg為基底材料的有效導納;σj為第j層膜的位相厚度,薄膜反射率為:

(2)

式中,η0為入射介質的有效導納。

綜合考慮光學薄膜在面形精度、附著力、溫度、濕度和反射率方面的要求,選擇n=2.15@450 nm的Ta2O5為高折射率材料,n=1.48@450 nm的SiO2為低折射率材料,鍍膜材料物理參數如表2所示。

表2 鍍膜材料及物理參數

利用Essential Macleod膜系設計軟件對光學薄膜進行仿真模擬。為了提高400～740 nm波長處的透過率,需要先在K9玻璃上鍍制減反射膜,軟件優化后得到的理論設計曲線如圖2所示。

圖2 減反射膜理論設計曲線

干涉截止濾光片優化后得到的膜系公式為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為空氣,H為Ta2O5,L為SiO2,Sub為K9玻璃。將前、后表面膜系數據導入膜系設計軟件中,得到該倍頻分離膜的理論光譜透過率曲線如圖3所示。設計結果表明:350～380 nm范圍的反射率為99.99 %,400～740 nm范圍的反射率為0.28 %。

圖3 干涉截止濾光片理論設計曲線

4 干涉截止濾光片的制備

該實驗是在OZZSQ900型箱式真空鍍膜機上完成的,當真空度達到2.0×10-3Pa時給基片加溫,待溫度達250 ℃時維持30 min,開啟離子源轟擊5 min后開始蒸鍍,Ta2O5和SiO2沉積工藝參數如表3所示。

表3 Ta2O5和SiO2沉積工藝參數

鍍膜樣品的反射光譜采用Lamda1050光譜儀進行測試,樣品反射率測試結果和理論數據的對比曲線如圖4所示。實測值比理論值在340～390 nm處反射率低0.38 %,在400～750 nm處反射率高0.64 %。分析誤差主要來源于薄膜的吸收和散射損耗但實驗結果仍能滿足設計指標要求。

圖4 樣品反射率測試曲線

將鍍膜樣品進行環境測試,測試結果如下:在附著力試驗中,以2 cm寬的膠帶紙,剝離強度不小于2.6 N/cm,粘在鍍膜樣品表面垂直迅速拉起,無脫膜現象。

在溫度試驗中,將K9測試片放入溫控柜內,由室溫降到-30 ℃,保持12 h;再將溫度緩慢升到30 ℃,保持12 h,膜層無脫膜、裂紋、起泡現象。

在濕度實驗中,鍍膜樣品件在相對濕度為80 %～95 %的條件下保持48h無脫膜、裂紋、起泡現象。

5 結 論

本文搭建了一套高光譜關聯成像標定系統,對其成像原理進行了分析。采用Essential Macleod膜系設計軟件對高光譜關聯成像標定系統中的干涉截止濾光片和減反射膜進行了設計。在OZZSQ 900型箱式真空鍍膜機上完成了薄膜的制備,實驗結果表明:在350～380 nm范圍內的平均反射率為99.61 %,400～740 nm范圍的反射率為0.98 %,滿足技術指標要求并通過了環境測試。