一种新型快照式多光谱成像系统的制作方法

1.本发明属于光谱成像技术领域，具体涉及一种新型快照式多光谱成像系统。


背景技术：

2.光谱成像技术作为一种多维光学信息探测技术，将空间成像技术与光谱技术相结合，从而同时实现二维空间图像信息以及一维光谱信息的获取，构成光谱数据立方体。光谱成像技术使目标识别和定位技术获得了极大的发展，可以直观反映被测物体的理化特性，被广泛的应用在环境监测、工业检测以及军事侦察等领域。目前比较成熟的光谱成像方式主要可分为色散型、干涉型以及滤光片型。在上述的光谱成像方式中，通常需要采用多次曝光的方式对某一维信息进行时间或空间上的扫描以获取完整的三维图谱，为此难以实现目标的快速实时探测。此外，光谱成像系统中所涉及的微光学元件的制备技术主要有两种，即平面光刻以及单点金刚石切屑技术。然而这两种技术由于自身的技术缺陷，无法实现高精度、中空、复杂三维结构的微光学元件的制备。


技术实现要素：

3.（一）要解决的问题鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提出一种新型快照式多光谱成像系统，以便解决上述问题的至少之一。
4.（二）技术方案本发明通过如下技术方案实现的：一种新型快照式多光谱成像系统，其主要由滤光片阵列、主镜头、pdms三维微透镜阵列以及黑硅光电探测器阵列构成：在一些实施例中，所述的主镜头主要用于承担光学系统的主要光焦度，采用飞秒激光直写技术制备而成，即采用中心波长为1028nm、脉冲宽度为200fs的飞秒激光对石英玻璃、蓝宝石等硬质材料进行烧蚀，接下来采用浓磷酸和浓硫酸的混合液、hf酸溶液对烧蚀后的样品进行腐蚀，最后采用飞秒激光放大系统对样品进行退火处理以提高制备出的光学元件的表面质量。
5.在一些实施例中，所述的退火处理选取飞秒激光脉冲聚焦位置前2cm处的光斑。
6.在一些实施例中，所述的pdms三维微透镜阵列以及黑硅光电探测器阵列构成光场传感器，可以在感应光强的同时识别其传播方向。
7.在一些实施例中，所述的pdms三维微透镜阵列是从微透镜阵列模具压印转写制备而成，从而实现微透镜阵列的高效制备。
8.在一些实施例中，所述的微透镜阵列模具基于百tw/cm2量级高强度激光制备而成，中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，在传播光路中插入柱透镜以形成面状多丝，基于该面状多丝在模具上高效快速大面积烧蚀出三维点阵列，最后采用hf酸溶液对烧蚀后的模具进行腐蚀。
9.在一些实施例中，所述的黑硅光电探测器阵列采用飞秒激光光丝远程加工技术制备而成，首先采用长度约3-4 cm，核区直径约为100 μm的单丝在氮气环境中基于光栅扫描的方式实现硫掺杂或碲掺杂黑硅的快速制备，进而在管式炉退火系统中进行热退火处理，最后采用热蒸发技术分别在硫掺杂或碲掺杂黑硅样品上下表面蒸镀金属电极并进行合金退火处理以形成欧姆接触。
10.（三）有益效果从上述技术方案可以看出，本发明提供的一种新型快照式多光谱成像系统具有以下有益效果：（1）、采用光场成像系统，黑硅探测器可以在一次曝光中获得四维光场信息， 可以实现目标样品的快速实时探测；（2）、基于飞秒激光直写技术的“冷”加工、超衍射极限加工以及真三维加工的优势，可以实现高精度、中空、复杂三维结构光学元件的制备，从而提高多光谱成像系统的成像质量；（3）、基于百tw/cm2高强度飞秒激光加工技术具有远程、快速、可大面积加工的优势，可以实现pdms三维微透镜阵列模板以及黑硅光电探测器阵列的高效制备，从而大幅度降低光谱成像系统的制备成本。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
12.图1为新型快照式多光谱成像系统的结构示意图；图2为百tw/cm2高强度飞秒激光加工系统；图3为飞秒激光光丝硫、碲掺杂黑硅光电二极管器件结构示意图；图4为飞秒激光光丝远程加工技术制备出的碲掺杂黑硅退火前后的吸收光谱。
具体实施方式
13.本发明提出一种新型快照式多光谱成像系统，属于光谱成像技术领域。快照式多光谱成像系统由滤光片阵列、主镜头、pdms三维微透镜阵列以及黑硅光电探测器阵列组成。主镜头主要用于承担光学系统的主要光焦度，pdms三维微透镜阵列和黑硅光电探测器阵列构成光场传感器，可以在一次曝光中获得四维光场信息，从而实现目标样品的快速实时探测。采用飞秒激光直写技术实现高精度、复杂三维结构的主镜头的制备，从而大幅度提高多光谱成像系统的成像质量。基于百tw/cm2高强度飞秒激光加工技术实现pdms三维微透镜阵列模板以及黑硅光电探测器阵列的高效制备，从而有效降低光谱成像系统的制备成本。该多光谱成像系统基于自身具有较高的成像质量、低制备成本及可快速实时探测的优势在科学研究、环境监测、工业检测以及军事侦察等诸多领域具有巨大的应用潜力及发展前景。
14.下为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的
配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.本发明实施例提供的一种新型快照式多光谱成像系统，可以实现目标样品的快速实时探测、较高的成像质量以及低制备成本等有益效果。
16.为便于对本实施例进行理解，对本发明实施例提供的一种新型快照式多光谱成像系统进行详细介绍，如图1所示，该多光谱成像系统包括：滤光片阵列1、主镜头2、pdms三维微透镜阵列3以及黑硅光电探测器阵列4构成；所述的主镜头主要用于承担光学系统的主要光焦度，采用飞秒激光直写技术制备而成，即采用中心波长为1028nm、脉冲宽度为200fs的飞秒激光（light conversion ltd公司）对石英玻璃、蓝宝石等硬质材料进行烧蚀，形成种子凹陷，接下来采用浓磷酸和浓硫酸的混合液、hf酸溶液对烧蚀后的样品进行腐蚀，最后采用ti:sapphire飞秒激光放大系统（spectra-physics 公司）对样品进行退火处理以提高制备出的光学元件的表面质量。
17.所述的退火处理选取飞秒激光脉冲聚焦位置前2cm处的光斑，可以实现样品的快速退火。
18.所述的pdms三维微透镜阵列3以及黑硅光电探测器阵列4构成光场传感器，可以在感应光强的同时识别其传播方向。
19.所述的pdms三维微透镜阵列3是从微透镜阵列模具压印转写制备而成，从而实现微透镜阵列的高效制备。
20.所述的微透镜阵列模具基于百tw/cm2量级高强度激光制备而成，中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，在传播光路中插入柱透镜以形成面状多丝，其光路图如图2所示，其包括ti:sapphire飞秒激光放大器系统（型号：spitfire ace）1、电子开关2、半波片3、反射式偏振片4以及焦距为30cm的柱透镜6，基于该面状多丝在模具上高效快速大面积烧蚀出三维点阵列，最后采用hf酸溶液对烧蚀后的模具进行腐蚀。
21.所述的黑硅光电探测器阵列采用飞秒激光光丝远程加工技术制备而成，其光路图如图2所示，其包括ti:sapphire飞秒激光放大器系统1、电子开关2、半波片3、反射式偏振片4以及焦距为100 cm的熔融石英透镜5，首先采用长度约3-4 cm，核区直径约为100 μm的单丝在氮气环境中基于光栅扫描的方式实现硫掺杂或碲掺杂黑硅的快速制备，进而在管式炉退火系统中进行热退火处理，在873k温度下退火处理30min，将热退火处理后的硫掺杂或碲掺杂黑硅样品在hf酸溶液中放置1min以除去表面氧化层，最后采用热蒸发技术分别在硫掺杂或碲掺杂黑硅样品上下表面蒸镀金属电极并进行合金退火处理以形成欧姆接触，其器件的结构示意图如图3所示，器件顶层蒸镀梳状铝电极，以便于减小对黑硅层表面的遮挡从而有效的收集探测光。
22.图4展示出飞秒激光光丝远程加工技术制备出的碲掺杂黑硅退火前后的吸收光谱，可以看出飞秒激光光丝烧蚀后的硅样品在紫外到短波红外宽光谱范围内的光吸收率均可以得到显著的提高，因而制备出的黑硅光电二极管在宽光谱范围内具有良好的光敏特性。
23.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实
施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
24.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
25.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。