[发明专利]一种成像光谱滤光片及其制备技术

说明书

技术领域

本发明属于滤光片，尤其涉及成像光谱滤光片及其制备技术。

背景技术

成像光谱系统硬件的核心器件包括照相镜头、成像光谱滤光片、成像探测器CMOS/CCD。成像镜头及成像探测器已经实现了工业化生产，有多种型号的产品可以选用，所以设计与制备成像光谱滤光片就成为硬件系统的关键环节。

成像光谱滤光片通常可能包含数万至数十万个像素元，并且尺寸范围在几个微米至20微米左右，所以无法想象使用机械组装的方式进行制备，而是采用半导体中的刻蚀技术与物理气相沉积技术相结合的方法，在同一个基片上制备各个透射波段的像素群。

为了制备能够耐受各种恶劣环境的影响，同时保证光谱特性稳定的干涉薄膜系，通常使用荷能镀膜工艺，使得膜层的微观结构非常致密。这种结构会在膜层的断面产生张应力，导致成像光谱滤光片的形变。此形变的尺度与基片的厚度有关，基片愈厚，形变愈小，但是基片愈厚，图像会产生更大的象散，影响图像的质量。但如果使用的基片很薄（例如厚度为0.3-0.5mm), 形变增加，需要克服应力效应。

采用普通制备掩模和镀膜工艺存在的问题 ：  

1 陷阱效应大

在基片上制备掩模时，基片的裸露部分就构成陷阱，掩膜的厚度成为陷阱的深度。为了提高湿法刻蚀的速度，通常掩模的厚度应是膜层厚度的2倍以上。可见膜层的厚度值愈大，陷阱就愈深；而陷阱愈深，进行物理气相沉积时产生的边缘阴影效应就愈明显，像素元的有效面积就愈小。像素元的边长与厚度的比值，是表明陷阱效应的特征量。较厚的像素元，其边长不能太小；反之，高分辨率的成像光谱滤光片，其像素元的厚度应该足够小。

因此，为克服陷阱效应，在进行设计时应尽量降低膜系层的总厚度。

2 膜层的应力效应大

现有技术中，每个波长像素元的构成方式包括以下方式：

1）由相应波段的金属诱导膜系构成方式。

缺点是光谱性能较差，通带透过率偏低，过渡特性不够陡峭，容易产生信号串扰。同时膜层强度欠佳，在湿热环境中耐久性得不到保证。

2）由全介质带通膜系加截止膜系的构成方式

缺点是膜系结构复杂，总厚度偏厚，导致不能胜任较高分辨率的要求。

3）由相应波段的彩色感光胶固化构成方式。

此方案只能产生宽带通的光谱特性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种结构紧凑的成像光谱滤光片，并能实现一次性曝光同时输出对应于不同波长的多光谱影像。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种成像光谱滤光片，它包括基片、像素层，其要点在于在基片的正、反两表面都覆盖有像素层。

将像素层分解到基片的两个表面，减少像素元中膜系的层数，降低膜系的总厚度，同时确保优异的光谱成像特性，结构紧凑，有效地克服了陷阱效应。

正、反两表面的像素层均为干涉薄膜系或一面为干涉薄膜系、另一面为彩色感光胶的组合。基片为光学玻璃或其他在工作波段透明的光学材料制成。

所述的干涉薄膜系是指由Nb₂O₅(也可用Ta₂O₅代替）和SiO₂膜层重复相间镀膜构成，即Nb₂O₅和SiO₂膜层相间，多次重复，但每层膜的厚度各异，利用多层膜相互之间的干涉原理，实现需要的光谱特性，干涉薄膜系的薄膜数目为20-80层。

像素层具有二维周期结构，相邻的n个波段像素为一个周期，n为大于或等于2的自然数，所述的二维周期结构是指在滤光片表面沿X或Y轴方向成像光谱滤光片按一定排列方式呈周期性排列，每个周期中包含n个不同的中心透过波长，所述每个周期波段像素只允许相应的一组波段的光通过，这组n个波段像素的几何形状和尺寸都是一样的，周期性排列的波段像素形成重复单元，该重复单元分别沿滤光片表面的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素，所述周期性排列的行列数可以是几百或几千或更多。二维周期结构的排列方式是指沿Y轴方向即滤光片表面的宽度方向进行顺序排列，排好一列后再按顺序排第二列，一直到最后，最后一列不能占满时用空白格填满，形成重复单元，该重复单元分别沿表面的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素。