Design and Spectral Analysis of Short and Medium-Wave Infrared Filter for High Resolution Detectors
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摘要:
短中波红外滤光片是航天光学遥感相机上的关键器件之一。高分辨率探测器的光谱响应由滤光片的光谱特性决定，其中短中波红外占有很大比重，传统方式制备的短中波红外滤光片与理论值存在差距，使得短中波红外滤光片发生光谱角漂或温漂等现象，在高分辨率探测器中形成高频和低频光谱混合叠加导致复原光谱失真。本文提出了一种高透过率低漂移高分辨率探测器短中波红外滤光片的设计及研制方法。为了达到短中波红外滤光片特定波长滤光特性的要求（在3.5~4.1 μm波段范围内实现98%以上透过率，在2.4~3.35 μm、4.25~6.4 μm两个波段范围内实现截止），以Si材料为滤光片的基底材料，采用模拟染色体遗传交叉算法以带通滤光高低反射率膜堆结构进行了结构迭代设计，薄膜的高折射率材料采用TiO2，低折射率材料采用SiO2，该结构设计使得膜层数量大为减少，通过温漂测试、角漂测试、光谱特性分析及面形测试，短中波红外滤光片达到了前后双波段截止、高通带透过率的目标。环境测试试验表明，短中波红外滤光片膜层与基底材料匹配性适宜、膜层稳定性较高，适用于空间严酷的温度变化、高能粒子辐照环境。
Abstract:The short- and medium-wave infrared filter is a key device in the aerospace optical remote sensing camera. The spectral response of the high-resolution detector is determined by the spectral characteristics of the short- and medium-wave infrared filter. Owing to the gap between the preparation level and theoretical values, the phenomenon of the spectral angle drift or temperature drift occurs, and the mixed superposition of high- and low-frequency spectra is formed in the high-resolution detector, resulting in restoration spectral distortion. This study introduces a design method for a working band of 3.5 μm to 4.1 μm and the development of a short- and medium-wave infrared filter for a high resolution detector. To realize the characteristics of dual band cut-off color separation on the Si substrate (cut-off band wavelength 2.4 μm to 3.35 μm and 4.25 μm to 6.4 μm; transmittance of over 98% in passband wavelength 3.5 μm to 4.1 μm), the film system structure of the F-P band-pass filter is used as the initial structure, which effectively reduces the number of film layers compared with the conventional design concept. The high refractive material of the film is TiO2 and the low refractive material is SiO2, to achieve dual band cut-off. The short- and medium-wave infrared filter achieves the design goal and has the characteristics of dual band cut-off and high band transmittance. In the environmental test, the short- and medium-wave infrared filter exhibits significant stability, and the matching degree between the films is appropriate. The short- and medium-wave infrared filter can be applied in some extreme cases.
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0. 引言
数字全息干涉计量作为一种检测精度高、实时性强的无损检测技术[1]，广泛应用于应力场检测、形貌测量、形变测量、粒子场测试、数字显微全息、医学诊断等众多领域[2-4]。可见光与红外相比，可见光波段的数字全息凭借更高的检测精度、更低的实验难度等优势占据了绝大部分的应用场景；红外数字全息相比可见光数字全息，有较强的实验抗干扰能力、更好的非理想环境成像效果、可实现大尺寸物体检测等优点，近年来随着红外全息实验难点的攻克，红外数字全息也成为了研究热点。当前国外针对红外全息的研究中，Geltrude等人研究了红外数字全息在大目标检测上的应用[5]；Pasquale等人将红外数字全息应用于建筑震动无损检测[6]；Ferraro等人将红外数字全息应用于三维形貌测量[7]；Pietro等人还将红外数字全息应用于火场搜救[8-12]。国内的研究主要集中于红外全息的基础特性研究以及红外全息图像处理等领域[13-15]，在无损检测上钟杰等人利用红外数字全息测量粒子场[16]；史宁昌、张慧慧等人将红外热成像技术应用于文物保护的研究[17-18]。
随着我国经济建设的不断发展，旧建筑的重建日益增多，对建筑物的拆除爆破过程合理控制，才能有效保证建筑物爆破的安全性。建筑物拆除爆破的位置、倒塌方向和爆破振动的有效控制是保证安全性的重点也是难点，目前拆除爆破技术能大体控制倒塌方向，但仍然存在控制精度难的问题[19]。爆破位置、爆破倒塌方向和爆破振动以应力场方向判断为核心，因此能够高精度、实时检测爆破面应力场是解决难题的关键；爆破现场环境恶劣，粉尘、振动等因素的影响极大提升了应力场检测难度。如果提出一种在粉尘环境仍能精确检测应力场的技术，在爆破领域将得到极大突破。
数字全息干涉计量可实现数据的高精度、实时检测，而红外光相比可见光可极大减小气溶胶对光线的影响，结合上述优点本文提出一种基于红外数字全息技术的建筑爆破环境应力场检测方法，以自制光滑水泥板代替爆破面，自制扬尘气室模拟粉尘环境，沿水泥板切面竖直向下施加压力，分别以红外光和可见光作为光源测量应力场，对比测量结果，验证红外数字全息方法可在粉尘环境高精度测量受力面的应力场。
1. 理论推导
1.1 应力场测量原理
全息技术是利用具有高相干性的两束物、参光进行干涉（通常采用同一激光光束进行分束得到物、参光，以满足高相干性的要求），使用全息干板或CCD等记录手段，对干涉条纹进行采集和记录，此过程称为全息的波前记录；用参考光照射拍摄的全息图，以再现出物体信息，称为波前再现。全息的记录过程就好似物、参光干涉时将物光信息通过干涉进行保存，而全息图的再现过程就好似利用参考光将封存的物光信息充分展现，两个过程也可称为干涉记录与衍射再现[20]。
红外全息就是将红外激光作为全息干涉计量的光源。红外全息的基本原理与以可见光为光源的全息技术原理相同，都是对全息基本原理的运用，即对波前信息的采集记录和重构再现。假设两光束分别为：
物光波：
$$ O(x, y)=O_0(x, y) \exp \left[\mathrm{j} \phi_{\rm o}(x, y)\right] $$ (1) 参考光波：
$$ R(x, y)=R_0(x, y) \exp \left[\mathrm{j} \phi_{\rm r}(x, y)\right]$$ (2) 两光波重合处记录面的光场分布U(x, y)为：
$$ U(x,y) =O(x,y)+R(x,y)$$ (3) 此时记录面的光强即数字全息图I(x, y)为：
$$ \begin{aligned} I(x, y)= & U(x, y) U^*(x, y)=|O|^2+|R|^2+O \cdot R^*+R \cdot O^* \\ =& |O(x, y)|^2+|R(x, y)|^2+ \\ & 2 O_0(x, y) R_0(x, y) \cos \left[\phi_{\mathrm{o}}(x, y)-\phi_{\mathrm{r}}(x, y)\right] \end{aligned} $$ (4) 为了重构物光场O(x, y)，可以先做傅里叶变换将全息图从空域变换到频域：
$$ \begin{aligned} I(u, v)= & F\{I(x, y)\}=F\left\{R^* R\right\}+F\left\{O^* O\right\}+ \\ & F\left\{R^* O\right\}+F\left\{R O^*\right\} \end{aligned} $$ (5) 与离轴全息的频谱类似，F{R*R}+F{O*O}出现在频域中的低频区域，称为“0”级频谱，而F{R*O}和F{RO*}对称地出现在频域的中、高频区域，分别称为“+1”级和“-1”级频谱。如果载频足够大，即物、参光的夹角足够大，各级频谱充分分离，在频域中选择合适的滤波器H(u, v)，可以滤除除“+1”级频谱以外的其他级次：
$$ I′(u,v)=H(u,v)I(u,v)=F{R^{*}O} $$ (6) 再对滤波后的频谱作傅里叶逆变换，可以重构含有物光O(x, y)和共轭参考光R*(x, y)的光场U+OR(x, y)：
$$U_{+\mathrm{OR}}(x, y)=F^{-1}\left\{I^{\prime}(u, v)\right\}=R^* O $$ (7) 式中：F-1{}表示作傅里叶逆变换。物光O(x, y)和参考光R(x, y)的相位差可以用下式重建：
$$ \varphi(x, y)-\phi(x, y)=\arctan \left\{\frac{\operatorname{imag}\left[U_{+\mathrm{OR}}(x, y)\right]}{\operatorname{real}\left[U_{+\mathrm{OR}}(x, y)\right]}\right\} $$ (8) 对比重建光场相位和光场相位差可得到施力点、各点应力大小对比、应力影响区域，即应力场情况。根据全息干涉计量原理，利用携带有待测信息的相干光（物光波）与另一束相干光（参考光波）相互干涉，将待测物信息反映在两束光波的光程差中，从而进行计量或检测；实验中对目标物体施加压力前后，结构面的改变引起光程差，对比施加压力前后的全息图，进行图像处理即可得到压力引起的改变量，为该实验的可行性提供了理论支撑。
1.2 红外透粉尘成像原理
爆破粉尘具有颗粒小、质量轻的特点，粒度多处在0.001~0.10 mm之间，其中粒径小于10 μm的粉尘占总量的90%以上，在重力作用下，粒径小于10 μm的颗粒可长期漂浮于空中，粒径大于10 μm的颗粒能较快沉降[21]。因此，爆破后的测量主要受粒径小于10 μm的气溶胶影响。
光在大气中传播时，由于光波所携带的能量与大气介质之间的相互作用，光在介质中被散射和吸收而衰减；红外辐射在大气中传播时，由于大气中各种气体分子和悬浮微粒与其相互作用，辐射能量也会明显地被衰减。在各吸收带之间的某个区域可能存在相对透明的“窗口”，辐射透射率比其它区域高，这种区域就是所谓的大气窗口。这些波段都可高透过率传输，如1~2.7 μm、3~5 μm、8~14 μm等，本实验中所用1.064 μm红外激光就属此范围[22-23]。
当红外辐射入射到气溶胶中，理论上红外辐射能量的衰减是由粉尘粒子的吸收和散射导致，但在干燥的粉尘环境下，粉尘中的固体微粒子极具稳定性，对红外辐射的吸收很微弱，因此粉尘中粒子对红外辐射的散射成为了红外辐射衰减的主要原因[24-26]。
红外激光在传播过程中，当粒子尺度a满足条件：$ a=\frac{2 {\rm{ \mathsf{ π} }} r}{\lambda}>0.3 $时或者是遇到与它波长相当的粒子时发生的散射，散射服从Mie散射。Mie散射的发生是由于大气中的粉尘、雾霾粒子、雾气等气溶胶粒子群的作用，Mie散射取决于入射光强度、粒子的半径大小、折射率等因素。
由于爆破粉尘粒子的半径r（1 μm＜r＜10 μm），红外激光器的中心波长为1.064 μm满足Mie散射理论中粒子尺度$ a=\frac{2 {\rm{ \mathsf{ π} }} r}{\lambda}>0.3 $的条件，故粉尘中粒子散射服从Mie散射。
1.3 实验装置及步骤
本实验光路以Mach-Zehnder干涉光路为基础，实验光路如图 1所示，该实验使用的激光器：中心波长为1064 nm的在连续模式下工作的半导体红外激光器、波长为532.8 nm的He-Ne激光器，其中He-Ne激光器作为引导光源用于与红外光拟合后引导光路搭建，并作为可见光与红外光复杂环境下测量结果的对比；该红外光波长可极大降低粉尘环境对光束的影响，红外激光器最大可调功率为115.3 mW，横模模式为TEM00，光束发散角为1.5 mrad，光束直径为1.329 mm，相干长度为20 cm。使用的光学镜片均为普通透红外透镜，分束镜Ⅰ分光比为2:1，分束镜Ⅱ分光比为1:1，扩束镜放大倍率为20倍，针孔尺寸为15 μm，CCD分辨率为1920×1080，像素尺寸为2.9 μm，曝光时间设置为1.8 ms；选用7 cm×3 cm×1 cm的自制光滑水泥板为检测对象。
按光路图搭建实验光路，红外光肉眼不可见只能借助红外板观察，为降低实验难度，需先调节红外与可见光的拟合，拟合标准为过分束镜Ⅰ后的红外光与可见光完全重合，拟合完成后直接通过可见光搭建实验光路。需注意由于检测对象不透光，采用反射式实验光路，其表面光线为漫反射，反射效率低，选用光滑水泥板可增强实验效果；漫反射降低了物光光强，为使物参光光强相近，分束镜Ⅰ选择2:1的光束比以增强物光；将光束照射在检测对象中心，调节物参光使到达分束镜Ⅱ处的光强比为1:1，得到最佳条纹对比度；光滑水泥板7 cm×1 cm面为上下底面固定于施力架，竖直向下施加压力，7 cm×3 cm面为反射面，检测反射面的应力场变化情况，待光路稳定后再进行数据采集。先以红外光作为实验光源，采集不同压力下的全息图，考虑到压力过大会损坏待测对象，设定最大压力为35 N，分别采集0 N、10 N、35 N压力的全息图；打开扬尘器，在气室内模拟粉尘环境，设定CCD采集参数，间隔1 s采集一次，采集30次，分别采集以上3组不同压力在粉尘环境改变下的全息图。为突出红外光复杂环境下的检测优势，将He-Ne激光器作为光源并按以上步骤再次采集作为对比实验。
2. 数据处理及分析
将检测的光滑水泥块放置于反射式全息光路中，为了使实验条件相同，所有拍摄的实验对象都使用同一个物体，根据全息干涉计量原理，对物体施加压力前后，其表面形态会产生变化，以干涉条纹的形式记录，对比施压后、施加不同压力的全息图即可得到应力场变化，再通过图像处理方法得到对应的应力场分布。整个实验过程保持实验室环境恒定，水泥板下端水平，平整且受力均匀，施力点在水泥块上方中心偏左位置，施加压力时可从测力表实时读取施加压力数值。图 2分别是红外、可见光施压不同压力的干涉全息图。
图 2为红外和可见光在无粉尘环境下施加0 N、10 N、35 N压力的全息图，施加压力点为中心偏左位置；图 3为图 2对应的相位差重建图。红外和可见光的全息图都可明显观察到施力点位置及施力点附近的条纹变化，条纹由施力点逐渐向外扩散，其他无压力处条纹没有明显改变，验证了红外数字全息法检测应力场的可行性。
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图 3 无粉尘环境不同压力相位差重建Figure 3. Reconstruction of different pressure phase difference in dust-free environment全息图虽然能观察到应力的变化，但应力过小时条纹改变不明显，无法准确判断是否有应力影响，为了观察结果更加明显、准确，本实验通过算法重建应力改变前后的相位差，以更直观展现应力场情况。图 3中，对比10 N和35 N的相位差，随着压力增大，条纹数量增多、密度增大，通过条纹数量及密度可判断施力点、压力的相对大小，红外与可见光都得到了相同结果。由于两种光波长不同，实验记录的两类全息图有所变化，最终重建的相位差图样也存在一定差异。通过观察红外相位差图样可得出力传导方向与条纹延展方向一致，应力影响区域明显，可见光相位差的相位趋势与红外光相似，仍可判断出应力传导方向与条纹延展方向一致。
图 4、图 5分别为红外和可见光在不同粉尘浓度下压力为35 N的全息图，其他压力效果相近，因此不作赘述。极高粉尘浓度环境下，红外光能观察到条纹，对比度低，条纹变化量不明显，而可见光完全观察不到条纹；高粉尘浓度环境下，红外光的条纹很明显，对比度也有增加，可大致观察到条纹变化量，此时可见光可观察到些许条纹，但无法观察到条纹变化量；中粉尘浓度环境下，红外光条纹清晰，条纹变化量十分明显，可见光可观察到条纹变化量；随着浓度的降低，条纹更清晰，条纹变化量也更明显。由此可知，在同浓度粉尘环境下，红外光受粉尘影响更小。
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图 4 不同粉尘浓度环境下压力35N红外全息图Figure 4. Pressure 35N infrared hologram under different dust concentration environments![]()
图 5 不同粉尘浓度环境下压力35 N可见光全息图Figure 5. Pressure 35 N visible light hologram under different dust concentration environments图 6、图 7分别是红外光和可见光在不同粉尘浓度环境下压力为35 N的重建相位差。当粉尘浓度过高时，红外相位差图样可观察到应力场轮廓，但仍能观察到施压点、压力相对大小、力传导方向及压力的影响区域，而可见光相位差图样无法观察到应力场分布；中浓度粉尘环境下，红外光相位差图样清晰，应力场分布明显，与无粉尘环境下的相位差重建图样基本相同，而可见光相位差图样只能观察到应力场轮廓。通过对比不同粉尘浓度下的红外和可见光相位差图样，证明了粉尘环境下红外光透过率更高，在粉尘环境下的实用性更强。
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图 6 不同粉尘浓度环境下压力35 N红外相位差重建Figure 6. Pressure 35 N infrared phase difference reconstruction under different dust concentration environments![]()
图 7 不同粉尘浓度环境下压力35 N可见光相位差重建Figure 7. Pressure 35 N visible light phase difference reconstruction under different dust concentration environments3. 结论
本文提出一种基于红外数字全息技术的建筑爆破环境应力场检测方法，通过对比无粉尘环境下红外与可见光的实验结果，验证了红外用于应力场检测的可行性，可由相位差重建图样判断出施压点位置、施加压力的相对大小及应力的影响区域，而可见光无法通过相位差图样直接判断出应力的影响区域，只能观察出施压点位置和施加压力的相对大小；对比不同粉尘浓度环境下的实验结果，验证了红外可用于粉尘环境检测应力场，且高浓度粉尘环境下仍能判断出施压点位置、施加压力的相对大小及应力的影响区域，而可见光无法在高浓度粉尘环境下得到理想结果，凸显了红外用于非理想环境检测的优势。由于实验中所使用的CCD分辨率不高，面元尺寸小，采集范围有限，部分信息缺失，存在一定的误差。
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图 1 光子能量与SiO2折射率关系曲线
Figure 1. Curve of the relationship between photon energy and SiO2 refractive index
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图 2 光子能量与TiO2薄膜材料折射率及吸收率的关系曲线
Figure 2. Relationship curves between photon energy and refractive index and absorption index of TiO2 thin film material
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图 4 短中波红外滤光片温漂测试结果
Figure 4. Temperature drift test results of short and medium wave infrared filters
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图 5 短中波红外滤光片角漂测试结果
Figure 5. Angle drift test results of short and medium wave infrared filter
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图 6 短中波红外滤光片光谱透过率曲线
Figure 6. Spectral transmittance curve of short and medium wave infrared filter
表 1 短中波红外滤光片前后截止波长温漂测试结果
Table 1 Temperature drift test results of cut-off wavelengths before and after short and medium wave infrared filters
Test temperature/K Front cutoff wavelength λ1/μm Post cutoff wavelength λ2/μm 293 3.538 4.128 80 3.522 4.114 
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表 2 短中波红外滤光片前后截止波长角漂测试结果
Table 2 Results of cut-off wavelength angle drift test before and after short and medium wave infrared filters
Testing angle/° Front cutoff wavelengthλ1/μm Post cutoff wavelength λ2/μm 0 3.535 4.126 6 3.535 4.122 11.9 3.528 4.115
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表 3 短中波红外滤光片光谱测试结果
Table 3 Spectral test results of short and medium wave infrared filters
Test temperature/K 2.4~3.5 μm Average transmittance/% 3.5~4.1 μm Average transmittance/% 4.1~6.4 μm Average transmittance/% 293 0.63 98.1 0.13 80 0.63 98.7 0.20
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表 4 短中波红外滤光片面型检测结果
Table 4 Surface shape detection results of short and medium wave infrared filters
Face Peak valley value/μm Root mean square value/μm A 0.304 0.035 B 0.454 0.051
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表 5 短中波红外滤光片空间环境试验结果
Table 5 Space environment test results of short and medium wave infrared filters
Pilot project Test condition Test results Immersion test Soak in purified water at 45℃ for 8 h. Pass Adhesion test Film adhesion strength is tested by means of a polyester tape, in which the adhesive side of a standard polyester tape is pasted on the surface of the film to avoid air bubbles, and the peeling area of the film is tested by pulling up on one end of the tape. Pass Humidity test In a constant temperature and humidity chamber at a constant temperature of 45℃ and a relative humidity of more than 95% for 72 h. The temperature and humidity of the chamber were determined by the temperature and humidity of the chamber and the relative humidity of the chamber. Pass Temperature alternation test The temperature was kept at 45℃ for 30 min, then cooled down at a rate of 3℃/h to -10℃, then stopped cooling down, kept for 30 min, and then warmed up at a rate of 3℃/h to 45℃. Finish into a cycle, a total of 5 cycles. Pass Low temperature impact test Place the filter at room temperature into a container filled with liquid nitrogen and let it stand for 5 min. remove it and warm it up naturally, and keep it at room temperature for 15 min to complete a cycle, and carry out a total of 5 cycles. Pass UV irradiation test The infrared filter is located at the entrance of the optical path, where the UV irradiation is derived from direct solar irradiation and solar irradiation reflected by the Earth's surface and attenuated by several optical elements, and is analysed for stray light to obtain a 5200 ESH dose. Pass Co60 γ irradiation test Total radiation dose of 40 krad(Si) based on 700 km of track, 8 years of lifetime, with a design margin. Pass
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