(19) *DE102007011112B420141002*

(10) DE 10 2007 011 112 B4 2014.10.02

(12) Patentschrift

(21) Aktenzeichen: 10 2007 011 112.8(22) Anmeldetag: 03.03.2007(43) Offenlegungstag: 04.09.2008(45) Veröffentlichungstag

der Patenterteilung: 02.10.2014

(51) Int Cl.: G02B 5/20 (2006.01)

Innerhalb von neun Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach § 59 Patentgesetz gegen das PatentEinspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist isteine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten (§ 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu §2 Abs. 1 Patentkostengesetz).

(73) Patentinhaber:Jena-Optronik GmbH, 07745 Jena, DE

(74) Vertreter:Patentanwälte Oehmke und Kollegen, 07743 Jena,DE

(72) Erfinder:Voß, Burkart, Prof. Dr., 07778 Dorndorf-Steudnitz,DE; Fritsch, Holger, Dr., 07749 Jena, DE;Schallenberg, Uwe, 07743 Jena, DE

(56) Ermittelter Stand der Technik:US 2004 / 0 178 329 A1US 5 073 008 AUS 4 740 059 A

(54) Bezeichnung: Verfahren zur Herstellung multispektraler Filterbaugruppen sowie eine multispektraleFilteranordnung

(57) Hauptanspruch: Verfahren zur Herstellung einer mul-tispektrale Filterbaugruppe (5) für eine in einem Push-broom-Scannern geeignete multispektrale Zeilenkameramit einer Mehrzahl von Sensorzeilen für spektrale Kanä-le, die aus mehreren separat beschichteten Filterelemen-ten (4) zusammengesetzt werden, gekennzeichnet durchfolgende Schritte:– Herstellung von Substratbarren (3) durch beliebigeFormgebungsverfahren zu langgestreckten quaderförmi-gen Substratbarren (3) aus optischem Material, das fürdie zu filternde spektrale Charakteristik des jeweiligen Fil-terelements (4) ausreichende Transparenz aufweist, undanschließende Oberflächenbearbeitung der vorgeformtenSubstratbarren (3) durch Schleifen und Polieren zur Her-stellung eines für den Pushbroom-Scanner geeignetenmaßhaltigen Substratbarrens (3);– Beschichten der maßhaltigen Substratbarren (3) mit un-terschiedlichen spektralen Filtern (2) zur Herstellung vonFilterelementen (4) verschiedener spektraler Charakteristikfür die multispektrale Filterbaugruppe (5), wobei eine Mehr-zahl von Filterelementen (4) mit gleicher spektraler Cha-rakteristik vorübergehend zu einem Paketverbund zusam-mengefügt und in einem gemeinsamen Beschichtungsvor-gang beschichtet wird;– Selektieren jeweils eines Filterelements (4) von hinrei-chender Güte hinsichtlich der spektralen Eigenschaftenaus der für jede unterschiedliche spektrale Charakteris-tik erzeugten Mehrzahl von Filterelementen (4) mit glei-cher spektraler Charakteristik, wobei die hinreichende Gütedurch Einhaltung der spektralen Bandbreite des Filters (2)und der Homogenität der Filtereigenschaften über die vol-

le Länge des maßhaltigen Substratbarrens 3 mit gleicherspektraler Charakteristik gegeben ist;– Assembling der multispektralen Filterbaugruppe (5) durchZusammenfügen und Fixieren der selektierten Filterele-mente (4) derart, dass eine durch die Sensorzeilen desPushbroom-Scanner vorgegebene Fügegenauigkeit derselektierten Filterelemente (4) erreicht wird, wobei zwi-schen jeweils zwei Substratbarren (3) eine optische Sperr-schicht (52) zur Trennung von unterschiedlichen spektralenKanälen eingefügt wird.

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her-stellung von multispektralen Filterbaugruppen, dieaus mehreren separat beschichteten Filterelemen-ten zusammengesetzt sind, sowie Filteranordnungenfür Zeilenkameras zur multispektralen Bildaufnahme,insbesondere für die Fernerkundung der Erde.

[0002] In Instrumenten zur Fernerkundung der Erdewerden für eine multispektrale Abbildung und Ana-lyse der (beim Überflug) beobachteten Erdsegmen-te mehrere separate Spektralkanäle benötigt. In Ab-hängigkeit von der speziellen Auslegung des jeweili-gen Instrumentes und der Anzahl der zu realisieren-den Spektralkanäle kommen verschiedene Lösungs-ansätze in Betracht. Bei klassischen Mehrkopfkame-rasystemen, bei denen jeder Bildaufnahmeeinheit ei-ne separate optische Einheit zugeordnet ist, wird diespektrale Selektion beispielsweise durch als Filter-elemente ausgeführte Eintrittsfenster realisiert (z. B.Multispektralkamera MKF-6, VEB Carl Zeiss Jena).

[0003] Aktuelle Instrumente zur Erdfernerkundungsind vielfach mit nur einer Bildaufnahmeeinheit aus-gerüstet mit der mehrere spektrale Kanäle aufgenom-men werden. Dabei werden immer häufiger Zeilen-kameras, so genannte lineare Pushbroom-Scannereingesetzt, die eine eindimensionale, quer zur Flug-richtung ausgerichtete Sensorzeile durch die Flug-bewegung über das zu beobachtende Gebiet bewe-gen und dadurch eine zweidimensionale Aufnahmeohne zusätzliche mechanische Scanbewegungen er-möglichen. Damit lassen sich robuste und zuverlässi-ge Systeme realisieren. Um eine spektrale Selektionder Aufnahme zu ermöglichen, wird eine Filtereinheit,bestehend aus unterschiedlichen spektralen Filtern(Filterbaugruppe), in den optischen Strahlengang voreiner Bildaufnahmeeinheit mit mehreren parallel an-geordneten Sensorzeilen angebracht. Dazu werdensehr lange streifenförmige spektrale Filter benötigt.

[0004] Da für die spektral selektive Aufnahme einund desselben Bodenstreifens aus Kostengründennur eine Abbildungsoptik und möglichst auf einemChip integrierte Sensorzeilen (ggf. ein Matrixsen-sor) genutzt werden sollen, ist die einfachste Lösungfür die streifenförmige Ausführung der multispektra-len Filterbaugruppe ein schrittweises streifenförmi-ges Abscheiden von verschiedenen spektralen Fil-tern auf einer durchgehenden Substratplatte.

[0005] Wird die gesamte Filterbaugruppe auf einereinheitlichen Substratplatte realisiert, entfällt zwarjegliches Risiko eines fehlerhaften oder ungenauenZusammenbaus aus einzelnen Filterelementen, je-doch steigt das Fehler- und Ausfallrisiko (Ausschuss-quote) für die Filterbaugruppe im Herstellungspro-zess mit zunehmender Anzahl der aufzubringendenspektralen Filter sprunghaft an. Aufgrund der mit

diesem Risiko verbundenen Aufwände und Kostenwerden für heutige Multispektralkameras selten Sub-stratplatten mit mehr als 6 verschiedenen spektralenFiltern beschichtet.

[0006] Ein weiterer Nachteil der ganzheitlichen Fil-terplatte resultiert aus der fehlenden Möglichkeit, dieSubstratdicke den unterschiedlichen optischen Weg-längen der von den Filtern durchgelassenen Spek-tralanteile anzupassen, wodurch die exakte opti-sche Abbildung in bestimmten Spektralkanälen ge-stört wird.

[0007] Deshalb ist eine weitere Methode zur Herstel-lung multispektraler Filterbaugruppen bekannt ge-worden, die folgende Schritte realisiert:

I) Herstellung mehrerer Substratplatten, deren Di-cke an die optische Weglänge für die benötigtenFilterwellenlängen angepasst ist;II) Mehrfachbeschichtung der unterschiedlichenSubstratplatten zur Erzeugung großflächigerSpektralfilter für alle benötigten Spektralfilter;III) Trennen der unterschiedlich beschichtetenSubstratplatten in quaderförmige Spektralfilterele-mente durch Sägen;IV) Selektieren geeigneter Filterelemente durchQualitätsprüfung (Einhaltung des gefordertenWellenlängenbereichs, Homogenität der Filterei-genschaften innerhalb des Filterelements, me-chanische Unversehrtheit der Kanten);V) Assembling einer multispektralen Filterbau-gruppe durch Aneinanderfügen und Fixieren vonausgewählten Filterelementen mit unterschiedli-chem Spektralverhalten.

[0008] Die Nachteile dieser Methode liegen in derspanenden Zerteilung der mit sensibler Filterbe-schichtung versehenen Substrate, wodurch eine un-zulässige Kontamination mit Staubpartikeln, aberauch mit Chemikalien, die zur Kühlung während desTrennvorgangs oder zur nachträglichen Reinigungder Filterelemente eingesetzt werden, unvermeidlichist.

[0009] Ferner entstehen beim Trennvorgang sowohlan den Substratkanten als auch an den Filterkan-ten Mikrobrüche, die zu unerwünschten Streulicht-effekten führen, wenn sie nicht durch Bearbeitungs-schritte, wie Schleifen und Polieren, beseitigt werden,durch die jedoch das Kontaminationsrisiko der Filter-schichten weiter zunimmt.

[0010] Verzichtet man auf Schleif- und Polierschrit-te nach dem Trennen, ist die erforderliche Maßhaltig-keit für das Zusammensetzen einer Filterbaugruppekaum zu erreichen.

[0011] Zusammengefasst wird das Design und dieHerstellung von multispektralen Filterbaugruppen

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maßgeblich durch folgende Randbedingungen beein-flusst:

– mit zunehmender Anzahl der Spektralkanälesteigt die Motivation, die Filter so schmal wie mög-lich zu gestalten, um so das benötigte optisch kor-rigierte Bildfeld der Kamera zu begrenzen;– unterschiedliche Wellenlängen haben durch einund dasselbe Substrat eine unterschiedliche op-tische Weglänge, die zu Bildfehlern (Unschärfen)in der Sensorebene führen, wobei sich die Fehlermit wachsender Gesamtbreite des abzudecken-den Spektralbereiches verstärken;– mit zunehmender Abtastbreite des Instrumen-tes, die durch zunehmende Länge der verfügba-ren Sensorzeilen initiiert wird, wächst die erforder-liche Länge der spektralen Filter, wodurch sich dieAnforderungen an die Homogenität der spektraleEigenschaften über die gesamte Filterlänge undsomit an die Konstanz des mehrstufigen Herstel-lungsprozesses der Filter erhöhen, die die Kostenexponentiell ansteigen lassen.

[0012] Aus dem Stand der Technik sind Verfahrenbekannt, in denen ein Zusammensetzen von Filter-baugruppen aus unterschiedlichen Filterelementenbeschrieben ist.

[0013] Die US 4 740 059 A beschreibt die Verbin-dung zweier Farbfilter mit korrespondierenden Füge-flächen, wobei durch unterschiedliche Ausformungder Fügeflächen ein Farbmischungseffekt beeinfluss-bar ist.

[0014] In der US 5 073 008 A wird eine Filterbau-gruppe offenbart, die aus mindestens zwei spek-tral unterschiedlichen Interferenzfiltern zusammen-gesetzt ist. Die Farbfilter der einzelnen Interferenzfil-ter sind auf einem transparenten Trägersubstrat, z.B. Glasplatten, aufgebracht. Zur Herstellung der Fil-terbaugruppe werden die Trägersubstrate nebenein-ander in einem rahmenförmigen Filterhalter aufge-nommen oder nebeneinander auf einer transparen-ten Basisplatte aufgekittet. Die Form der Trägersub-strate kann variieren, sodass die Filterbaugruppe ent-sprechend der Anwendung anpassbar ist. Zum Her-stellungsverfahren der einzelnen Interferenzfilter vordem Zusammenfügen der Filterbaugruppe ist jedochnichts offenbart.

[0015] Des Weiteren ist in der US 2004/0178329 A1ein Fernerkundungsgerät beschrieben, das bei derfaseroptischen Ankopplung eines Sensors auch ei-ne Filterbaugruppe verwendet, die aus beschichtetenStreifen eines transparenten Materials, die jeweils eindiskretes Filter bilden, besteht. Die spektral verschie-denen Filter sind benachbart zueinander angeordnetund zu einem Filterblock gebondet. Hinweise auf dieForm oder das Herstellungsverfahren der Filterstrei-fen sind nicht angegeben.

[0016] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ei-ne neue Möglichkeit zur Herstellung von mehrkana-ligen multispektralen Filterbaugruppen zu finden, diedas Fertigungs- und Kostenrisiko bei der Herstellungvon hochwertigen kompakten multispektralen Filter-baugruppen reduziert und insbesondere bei zuneh-mender Anzahl der Spektralkanäle in Grenzen hält.

[0017] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei ei-nem Verfahren zur Herstellung von multispektralenFilterbaugruppen für eine in einem Pushbroom-Scan-nern geeignete multispektrale Zeilenkamera mit einerMehrzahl von Sensorzeilen für spektrale Kanäle, dieaus mehreren separat beschichteten Filterelementenzusammengesetzt werden, durch folgende Schrittegelöst:

– Herstellung von Substratbarren durch beliebigeFormgebungsverfahren zu langgestreckten qua-derförmigen Substratbarren aus optischem Ma-terial, das für die zu filternde spektrale Cha-rakteristik des jeweiligen Filterelements ausrei-chende Transparenz aufweist, und anschließen-de Oberflächenbearbeitung zur Herstellung einesfür den Pushbroom-Scanner geeigneten maßhal-tigen Substratbarrens;– Beschichtung der maßhaltigen Substratbarrenmit unterschiedlichen spektralen Filtern zur Erzeu-gung von Filterelementen verschiedener spektra-ler Charakteristik für die multispektrale Filterbau-gruppe, wobei eine Mehrzahl von Filterelemen-ten mit gleicher spektraler Charakteristik vorüber-gehend zu einem Paketverbund zusammengefügtund in einem gemeinsamen Beschichtungsvor-gang beschichtet wird;– Selektieren jeweils eines Filterelements mit hin-reichender Güte hinsichtlich der spektralen Eigen-schaften aus der für jede unterschiedliche spek-trale Charakteristik erzeugten Mehrzahl von Filter-elementen gleicher spektraler Charakteristik, wo-bei die hinreichende Güte durch Einhaltung derspektralen Bandbreite des Filters und der Homo-genität der Filtereigenschaften über die volle Län-ge des maßhaltigen Substratbarrens mit gleicherspektraler Charakteristik gegeben ist;– Assembling der multispektralen Filterbaugrup-pe durch Zusammenfügen und Fixieren der se-lektierten Filterelemente derart, dass eine durchdie Sensorzeilen des Pushbroom-Scanner vorge-gebene Fügegenauigkeit der selektierten Filter-elemente erreicht wird, wobei zwischen jeweilszwei Substratbarren eine optische Sperrschichtzur Trennung von unterschiedlichen spektralenKanälen eingefügt wird.

[0018] Vorteilhaft werden die Substratbarren für Fil-terelemente unterschiedlicher Wellenlängen aus ver-schiedenen Materialien gefertigt.

[0019] Es ist ebenfalls zweckmäßig, die Substratbar-ren für Filterelemente unterschiedlicher Wellenlän-

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gen mit unterschiedlicher Dicke herzustellen oder ei-ne Kombination von verschiedenen Materialien undunterschiedlicher Dicke anzuwenden.

[0020] Zusätzlich können in die Substratbarren beider maßhaltigen Herstellung an beabsichtigten Füge-flächen Positionierhilfen in Form von Profilkanten ein-gearbeitet werden.

[0021] Diese Positionierhilfen werden zweckmäßigim Zuge der Formgebungsverfahren der Substratbar-ren eingebracht. Sie können aber auch vorteilhaftnach dem Formgebungsverfahren der Substratbar-ren mit spanenden Verfahren eingebracht werden.

[0022] Die zusätzlich an Fügeflächen der Substrat-barren vorgesehenen Positionierhilfen können auchvorteilhaft im Zuge der Oberflächenbearbeitung dervorgeformten Substratbarren in Form von Profilkan-ten eingebracht werden

[0023] Um das Assembling der finalen Filterbau-gruppe zu erleichtern, werden beim Verfahrensschrittdes Beschichtens der maßhaltigen Substratbarrenvorteilhaft zusätzlich einige wenige Filter mit ver-schiedenen spektralen Charakteristiken aufgebracht,wobei die Substratbarren nach der maßhaltigen Her-stellung in aufeinanderfolgenden Beschichtungspro-zessen auf nebeneinander angeordneten Oberflä-chenbereichen mit unterschiedlichen weiteren Filternverschiedener spektraler Charakteristik beschichtetwerden.

[0024] Des Weiteren wird die Aufgabe der Erfindungmit einer Filteranordnung für eine in einem Push-broom-Scanner geeignete multispektrale Zeilenka-mera mit einer Mehrzahl von Sensorzeilen für mehre-re spektrale Kanäle gelöst, indem diese gemäß denvorstehend beschriebenen Verfahrensschritten her-gestellt ist.

[0025] Vorteilhaft sind die Substratbarren für Filter-elemente unterschiedlicher Wellenlängen jeweils ineiner solchen Dicke vorgefertigt, die an die optischeWeglänge der durch das aufzubringende Filter vor-gegebenen spektralen Wellenlängen angepasst ist.

[0026] In einer besonders vorteilhaften Gestaltungsind die Substratbarren für Filterelemente unter-schiedlicher Wellenlänge jeweils in einer solchen Di-cke, die an die optische Weglänge der spektralen Fil-terwellenlängen angepasst ist, und mit einer gewölb-ten Oberflächenform vorgefertigt, die zur Verringe-rung von optischen Abbildungsfehlern infolge spek-tral unterschiedlicher Ablenkungswinkel ausgebildetist.

[0027] Zur Erleichterung des Zusammenfügens derFilterelemente unterschiedlicher spektraler Charak-teristik können breitere gemeinsame Substratbarren

zur Integration von einigen wenigen Filterelemen-ten mit Filtern verschiedener spektraler Charakteris-tik nach der maßhaltigen Herstellung aufeinanderfol-gend mit unterschiedlichen Filtern auf unterschiedli-chen Oberflächenbereichen beschichtet sein.

[0028] Ferner weisen die Substratbarren für das ver-einfachte Zusammenfügen an ihren Fügeflächen vor-teilhaft Positionierhilfen auf, mit denen die einzelnenFilterelemente selbstjustierend zu der multispektra-len Filterbaugruppe zusammensetzbar sind.

[0029] Als Positionierhilfen sind dazu die Fügeflä-chen benachbarter Filterelemente zweckmäßig ge-genüberliegend mit Nut und Feder versehen. Wei-tere vorteilhafte Positionierhilfen sind an gegenüber-liegenden Fügeflächen angebrachte gegensätzlichenStufen oder Keilprofile. Als besondere Ausführungder Anbringung gegenüberliegender Stufen könnendie Substratbarren für benachbarte Filterelementeals alternierend angeordnete T-Profile geformt sein.

[0030] Die Grundidee der Erfindung besteht dar-in, abweichend zum Stand der Technik das mit Fil-tern zu beschichtende Substrat vor der Beschich-tung auf Maßhaltigkeit (z. B. langgestreckte quader-förmige Barren) zu bringen und die so entstehen-den Einzelsubstrate anschließend zu beschichten.Das bedeutet im Falle mehrerer zeilenförmiger Filter-elemente, dass einzelne, unbeschichteten Substrat-barren durch geeignete Bearbeitungsverfahren (bei-spielsweise Aussägen oder Warmverformung undanschließendes Schleifen und Polieren) angefertigtund zugleich deren optische Dicken an die Transmis-sionswellenlänge des Filters hochgenau angepasstwerden können.

[0031] Die dadurch garantiert maßhaltigen Einzel-substrate (Barren) werden dann einzeln oder gleich-zeitig in größeren Stückzahlen den unterschiedlichenBeschichtungsprozessen zur Erzeugung der entspre-chend unterschiedlichen spektralen Filterelementeunterzogen.

[0032] Anschließend an die Beschichtung werdendie Filterelemente ohne weitere Nachbehandlungnach der Güte ihrer spektralen Eigenschaften selek-tiert und nur solche Filterelemente, die die jeweili-ge spektrale Spezifikation erfüllen, verwendet, um siemit gleichfalls nach ihrer Spezifikation selektierten Fil-terelementen anderer spektraler Charakteristika zueiner multispektralen Filterbaugruppe zusammenzu-setzen.

[0033] Mit der Erfindung ist es möglich, mehrka-nalige multispektrale Filterbaugruppen zu realisie-ren, bei denen das Fertigungs- und Kostenrisiko beider Herstellung von spektral unterschiedlichen, op-tisch hochwertigen Filterelementen reduziert ist undsich insbesondere auch bei zunehmender Anzahl der

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Spektralkanäle in vertretbaren Grenzen hält. Es kön-nen die Vorteile des oben beschriebenen Streifen-aufbaus der Filterbaugruppen des Standes der Tech-nik beibehalten und neben der entscheidenden Kos-tenminimierung weitere Vorteile in Herstellungspro-zess und Gesamtperformance der Filterbaugruppeerreicht werden:

[0034] Die Erfindung soll nachstehend anhand vonAusführungsbeispielen näher erläutert werden. DieZeichnungen zeigen:

[0035] Fig. 1: eine stilisierte Darstellung eines typi-schen Einsatzfalls der erfindungsgemäßen Filterbau-gruppe,

[0036] Fig. 2: den Prinzipaufbau einer erfindungsge-mäßen Filterbaugruppe zur mehrkanaligen Bildauf-nahme mit einer multispektral ausgelegten Zeilenka-mera (Pushbroom-Scanner),

[0037] Fig. 3: Darstellungen von verschiedenen Po-sitionierhilfen, die an den Fügeflächen der Substrat-barren vor deren Beschichtung eingebracht werden,um nach der Beschichtung eine selbstjustierende Zu-sammenfügung beim Assembling der Filterbaugrup-pe zu ermöglichen,

[0038] Fig. 4: zwei Ausführungen mit Positionier-hilfen, die zugleich als Abstandshalter ausgestal-tet sind, um definierte Abstände für optische Sperr-schichten zwischen den Filterelementen zu schaffen,

[0039] Fig. 5: eine Ausführung der erfindungsge-mäßen Filterbaugruppe mit breiteren gemeinsamenSubstratbarren für einige wenige verschiedene Filter,die Assembling-Aufwand verringert und einen Kom-promiss zwischen Beschichtungsrisiko und Zusam-mensetzungsaufwand darstellt,

[0040] Fig. 6: eine Ausführung der erfindungsge-mäßen Filterbaugruppe mit unterschiedlichen Dickender Filterelemente zur Anpassung der unterschiedli-chen optischen Weglängen der gefilterten Strahlung,

[0041] Fig. 7: eine Ausführung der erfindungsge-mäßen Filterbaugruppe mit unterschiedlichen Dickenund gewölbt geformter Oberfläche der Filterelemen-te zur Verringerung von spektral bedingten optischenAbbildungsfehlern durch Anpassung an spektral un-terschiedliche optische Weglängen und Ablenkungs-winkel.

[0042] Eine Filterbaugruppe, wie sie in ihrer Gesamt-heit in Fig. 2 dargestellt ist, soll zunächst – zur Erläu-terung ihrer besonderen Einsatzanforderungen beimEinsatz in einer multispektralen Zeilenkamera (sog.Pushbroom-Scanner) erläutert werden.

[0043] Bei einem solchen Pushbroom-Scanner sindmehrere einzelne Sensorzeilen 11, 12, 13, usw. unddiesen einzeln zugeordnete spektrale Filter 21, 22,23 usw. quer zur Bewegungsrichtung des Instrumen-tes (Flugrichtung) angeordnet. Damit werden zeilen-weise Informationen ein und desselben Bodenstrei-fens A, B, C, etc. in unterschiedlichen Spektralkanä-len zeitversetzt nacheinander, jedoch synchron zurBewegung des Instrumentes über einer Szene (bei-spielsweise der Erde) aufgenommen.

[0044] In der schematischen Darstellung gemäßFig. 1 detektiert das Instrument zunächst mit einerSensorzeile 11 die roten Spektralanteile des Boden-streifens C, die durch das rote Filter 21 selektiert wur-den. Gleichzeitig werden durch das grüne Filter 22mit der grünen Sensorzeile 12 ein benachbarter Bo-denstreifen B sowie mit der Sensorzeile 13 über dasblaue Filter 23 der weitere Bodenstreifen A erfasst.Nach einem definierten Zeitintervall Δt (Zeitpunkt t0+ Δt) wird der Bodenstreifen C durch das grüne Fil-ter 22 mit der Sensorzeile 12 erfasst. Nach Ablauf ei-nes weiteren Zeitintervalls Δt, d. h. zum Zeitpunkt t0+ 2Δt, wird der Bodenstreifen C dann durch die mitdem blauen Filter 23 gekoppelte Sensorzeile 13 auf-genommen. Damit ist ein und derselbe Bodenstrei-fen C nacheinander durch alle (hier – zur Vereinfa-chung und ohne Beschränkung der Allgemeinheit –nur drei) Spektralkanäle aufgenommen worden, wäh-rend die anderen Kanäle (Sensorzeile 11 mit Filter12 und Sensorzeile 12 mit Filter 22) zur Zeit t0 + Δtbereits die ihnen zugeordneten Spektralanteile dernächsten Bodenstreifen C bzw. B und zum Zeitpunktt0 + 2Δt die Bodenstreifen D bzw. C aufnehmen.

[0045] Da für die spektral selektive Aufnahme ei-nes Bodenstreifens A, B, C, D etc. aus Kostengrün-den eine gemeinsame Abbildungsoptik und auf ei-nem Chip (z. B. in einem Matrixsensor) integrierteSensorzeilen 11, 12, 13 etc. genutzt werden sollen,sind bei der streifenförmigen Ausführung der multis-pektralen Filterbaugruppe 2 besonders schmale Fil-terelemente 4 erforderlich. Dadurch steigt das Risi-ko, die bereits wertintensiv hergestellten großflächi-gen Filtersubstrate bei deren Trennung in schmaleBarren, zu beschädigen (zusätzliche Bruchgefahr ne-ben den bereits oben benannten Kontaminationspro-blemen).

[0046] Das Verfahren zur Herstellung einer multis-pektralen Filterbaugruppe in Form einer Filterplattefür einen Pushbroom-Scanner weist folgende Schritt-folge auf:

1. Herstellung von maßhaltigen Substratbarren3 durch beliebige Herstellungsverfahren in freierWahl des optischen Materials und optischer Kor-rekturmaßnahmen;2. Beschichtung verschiedener Substratbarrenmit unterschiedlichen spektralen Filtern 2 zur Er-

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zeugung von Filterelementen 4 für eine multispek-trale Filterbaugruppe 5;3. Selektieren der Filterelemente 4 mit hinreichen-der Güte ihrer spektralen Eigenschaften;4. Assembling der Filterbaugruppe 5 durch Zu-sammenfügen und Fixieren von ausgewählten Fil-terelementen 4 mit unterschiedlicher spektralerCharakteristik.

[0047] Im Gegensatz zum Stand der Technik werdenin einem Verfahren gemäß der Erfindung die für dieFilterelemente 4 benötigten Substratbarren 3 vor derBeschichtung auf des benötigte Endmaß gebracht.Das bedeutet, dass eine Vielzahl von Substratbarren3, ohne dass bereits eine Beschichtung aufgebrachtwurde, durch geeignete Bearbeitungsverfahren (so-wohl durch Formgebungsverfahren, wie z. B. Gie-ßen, Warmverformung etc., als auch Trennverfahren,wie Aussägen, Brechen etc., sowie anschließendesSchleifen und Polieren) in die gewünschte Form undauf die erforderlichen Maße gebracht werden.

[0048] Im Anschluss daran werden die somit garan-tiert maßhaltigen Substratbarren 3 einzeln oder, umdas Risiko des Beschichtungsvorgangs zu minimie-ren, gleichzeitig in größeren Stückzahlen mit den ent-sprechenden spektralen Filtern 2 beschichtet. Diesespektralen Filter 2 können sowohl auf der Oberseite,der Unterseite (wie in Fig. 4a gezeigt) oder aber auchauf beiden Seiten der Substratbarren 3 (wie in Fig. 4bzu sehen) abgeschieden sein.

[0049] Bei der Herstellung der maßhaltigen Sub-stratbarren 3 kann zum Zwecke der vereinfachtenJustierung der Filterelemente 4 beim finalen Assem-bling der Filterbaugruppe 5 eine mechanische Profi-lierung (Nuten, Stufen etc.) an den Fügeflächen 31erfolgen. Beispiele dafür sind in Fig. 3 angegeben.Die Fügeflächen 31 haben in einer Ausführung ge-mäß Fig. 3a korrespondierende Nut 311 und Feder312, wodurch beim finalen Assembling lediglich eineinfach umlaufender äußerer Rahmen 51 erforderlichist. Zusätzlich können die Fügeflächen 31 miteinan-der verklebt werden. In jedem Fall ist beim Assem-bling zwischen jeweils zwei Filterelementen 4 eineoptische Sperrschicht 52 zur Trennung der spektra-len Kanäle einzubringen, wie in Fig. 2 gezeigt. DieSperrschicht 52 kann bei gewünschter Verklebung inForm eines dunkel pigmentierten Klebstoffes ausge-führt und somit mit Fixierungsfunktion kombiniert wer-den, wie in Fig. 4a und Fig. 4b stilisiert gezeichnet.

[0050] In Fig. 3b ist eine Ausführung gezeigt, dieeine angepasste Stufenform 313 aufweist, die – beifest vorgegebener spektraler Reihenfolge der unter-schiedlichen Filterelemente 4 innerhalb der Filterbau-gruppe 5 – auch als alternierend geformtes T-Profil 32der einzelnen Substratbarren 3 gemäß Fig. 3c aus-geführt sein kann. In den beiden vorgenannten Fällensind beim finalen Assembling dreidimensionale Rah-

men 51 mindestens bis zu einer eventuell vorgesehe-nen Verklebung erforderlich. Mit der in Fig. 3d ange-gebenen selbstjustierenden Keilform 315 kann – ähn-lich wie bei der Anwendung von Nuten 311 und Fe-dern 312 – ein für das Assembling der Filterbaugrup-pe 5 vorgesehener Rahmen 51 zum Justieren und Fi-xieren auf einen umlaufenden Außenring beschränktwerden.

[0051] Das sukzessive (mehrfache) Beschichten derSubstrats zur Erzeugung von Filterelementen 4 glei-cher spektraler Eigenschaften kann sowohl auf ein-zelnen Substratbarren 3 als auch auf einem Paket-verbund, der aus einer Mehrzahl gleicher Substrat-barren 3 vorübergehend zusammengefügt wird, er-folgen. Letzteres ist insbesondere dann angezeigt,wenn wegen hoher Qualitätsansprüche eine Viel-zahl von gleichen Filterelementen 4 gefertigt werdenmuss, um im nachfolgenden Selektionsschritt dieje-nigen Filterelemente 4 mit ausreichender Güte ihrerspektralen Eigenschaften (wie Einhaltung der spek-tralen Bandbreite des Filters 2 und Konstanz der Fil-tereigenschaften über die volle Länge des Substrat-barrens 3) auszuwählen.

[0052] Für eine alternative Variante des Verfahrensist es sinnvoll, mehrere (bis zu 4) verschiedene spek-trale Filter 2 auf einen breiter ausgeführten gemein-samen Substratbarren 33 in aufeinanderfolgendenBeschichtungsprozessen nebeneinander aufzubrin-gen, um den Fügeaufwand (beim Assembling) zu ver-ringern, indem ein Kompromiss zwischen dem ver-minderten Fertigungsaufwand für die Substratbarren3 und der Fehlerquote bei der Mehrfachbeschich-tung zur Erzeugung verschiedener spektraler Filter2 auf einem gemeinsamen Substratbarren 33 gefun-den wird. In dem Beispiel gemäß Fig. 5 sind jeweils3 Filter 2 auf einem gemeinsamen Substratbarren33 aufgebracht, die zur Vermeidung des Überspre-chens der optischen Kanäle zwischen den einzelnenFiltern 2 durch Blendenbereiche 331 voneinander se-pariert werden. Zwischen den einzelnen gemeinsa-men Substratbarren 33 sind Sperrschichten 52 ein-zufügen, wie bereits in den vorhergehenden Beispie-len beschrieben.

[0053] Durch die erfindungsgemäße Herstellung derFilterbaugruppe 5 können die Vorzüge des bekann-ten Streifenfilterassemblings nach dem Stand derTechnik beibehalten und weitere besondere Ausge-staltungen und Eigenschaften der Filterbaugruppe 5erzielt werden:

a) Mehrere maßhaltige Substratbarren 3 für Fil-terelemente 4 mit gleicher Wellenlängencharak-teristik können gleichzeitig beschichtet werden,so dass sich der Beschichtungsprozess (ge-genüber der Substratplattenbeschichtung gemäßdem Stand der Technik) nicht verlängert. Durchdie vor der Beschichtung stattfindenden Formge-bungsprozesse ist der anschließende Selektions-

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schritt nur noch durch üblichen Beschichtungsto-leranzen (und nicht mehr durch Qualitätsbeein-trächtigungen infolge mechanischer Teilung vonbeschichteten Substratplatten) beeinflusst. Auf-grund des Wegfalls der mechanischen Bearbei-tung von bereits beschichteten Substraten sinktder nicht verwendbare Anteil der fertigen Filterele-mente 4 deutlich.b) Das Risiko einer inakzeptablen Fügegenauig-keit beim abschließenden Assembling ist deutlichminimiert wegen fehlender Abweichungen der Fil-terelemente 4 vom vorgegebenen Kantenmaß, daausschließlich maßhaltige Substratbarren 3 be-schichtet werden.c) Mechanische und chemische Belastungen so-wie Verunreinigungen, wie sie im Stand der Tech-nik (infolge des Trennens der beschichteten Sub-stratplatten) auftreten, sind vollständig ausge-schlossen.d) Sofern beim Assembling ein Klebeschritt vorge-sehen ist, werden durch die garantierte Maßhal-tigkeit der Filterelemente 4 konstante Dosierungs-bedingungen für die Kleberauftrag vorgefunden,die eine konstante und lückenlose stoffschlüssigeVerbindung zwischen den einzelnen Filterelemen-ten 4 ermöglichen. Damit werden die im Standder Technik bei der Kleberdosierung auftreten-den Schwierigkeiten infolge minimierter oder feh-lender Oberflächenbearbeitung nach dem Trenn-schritt, der oftmals nicht zu ideal ebenen 31 führt,beim erfindungsgemäßen Verfahren vermieden.

[0054] Durch Ausnutzung der vorstehend beschrie-benen Vorteile ergeben sich noch weitere neue undbisher nicht mögliche Ausführungen der Filterbau-gruppe 5.

[0055] In einer ersten vorteilhaften Ausführung dermultispektralen Filterbaugruppe werden außer dermaßhaltige Abmessungen der Substratbarren 3 anden vorgesehenen Fügeflächen 31 Positionierungs-hilfen, wie z. B. Nut und Feder 311 bzw. 312 (Fig. 3a),Stufen 313 (Fig. 3b) oder selbstzentrierende Keile314 (Fig. 3d), die bei der Fertigung der unbeschich-teten Substratbarren 3 ohne Probleme gleich mit er-zeugt werden, vorhanden, so dass das abschließen-de Assembling (Fig. 5) der Filterbaugruppen 5 verein-facht wird und sich die Fertigungstoleranzen verrin-gern. Ferner kann die Variante mit Stufen 313 in derArt gemäß Fig. 3c modifiziert werden, indem die Sub-stratbarren 3 für benachbarte unterschiedliche Filter-elemente 4 als T-Profile 32 geformt sind, die alternie-rend aufrecht und kopfstehend angeordnet werden.

[0056] In einer zweiten Bauform der Filterbaugruppe5 werden zum Ausgleich von spektralen Abbildungs-fehlern der gemeinsamen Abbildungsoptik der (mul-tispektralen) Zeilenkamera 1 die Substratbarren 3für verschiedene spektrale Filterelemente 4 in unter-schiedlichen Substratdicken hergestellt, um die spek-

tral unterschiedlichen optischen Weglängen gleich inder Filterbaugruppe 5 auszugleichen. Eine ansons-ten erforderliche separate Korrekturplatte entfällt da-durch. Fig. 6 zeigt dazu das Aussehen der Filterbau-gruppe 5 mit angepassten, verschieden hohen Filter-elementen 4 nach dem Assembling.

[0057] Um eine wellenlängenabhängige und/oderoptische Korrektur des Strahlenganges für jedenSpektralkanal (bestehend aus Sensorzeile 11, 12, 13usw. und individuellem Filterelement 4) zu ermögli-chen, sind Substratbarren 3 mit geeignet angepass-ter Form und unterschiedlichen Maßen herstellbar.Eine solche Ausführung der Erfindung zeigt Fig. 7.

[0058] Die unterschiedliche Formgebung, die so-wohl in Längsrichtung des Substratbarrens 3 als auchin der dazu orthogonalen Richtung möglich ist, orien-tiert sich an den wellenlängenabhängigen Verzeich-nungen und Abbildungsfehlern.

[0059] Infolge des nachträglichen Aufbringens derFilter 2 können mit Hilfe der Formgebung des jeweili-gen Substratbarrens 3 gezielt im ersten Herstellungs-schritt für die Filterbaugruppe 5 alle bekannten obenbeschriebenen spektralen Verzeichnungen und Ab-bildungsfehler berücksichtigt werden, wodurch sichdie Abbildungsgüte jedes einzelnen Filterelements 4beliebig erhöhen lässt. Ein Beispiel für eine derartigeoptisch korrigierte Filterbaugruppe 5 ist schematischin Fig. 7 dargestellt. Dabei wird – wie in Fig. 6 – eben-falls berücksichtigt, dass die einzelnen Filterelemen-te 4 unterschiedliche Höhe aufweisen, um die unter-schiedlichen optischen Weglängen der Spektralantei-le in den einzelnen Substratbarren 3 zu kompensie-ren.

Bezugszeichenliste

1 Zeilenkamera11, 12, 13 (einzelne) Sensorzeilen2 Filter21, 22, 23 (spektral unterschiedli-

che) Filterschichten3 Substratbarren31 Fügeflächen311 Nut312 Feder313 Stufe314 Keilform32 T-Profil33 gemeinsamer Substrat-

barren331 Blendenbereich4 Filterelemente

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5 (multispektrale) Filter-baugruppe

51 Rahmen52 (optische) SperrschichtA, B, C, D, ... Bodenstreifen

Patentansprüche

1.    Verfahren zur Herstellung einer multispektra-le Filterbaugruppe (5) für eine in einem Pushbroom-Scannern geeignete multispektrale Zeilenkamera miteiner Mehrzahl von Sensorzeilen für spektrale Kanä-le, die aus mehreren separat beschichteten Filterele-menten (4) zusammengesetzt werden, gekennzeich-net durch folgende Schritte:– Herstellung von Substratbarren (3) durch beliebigeFormgebungsverfahren zu langgestreckten quader-förmigen Substratbarren (3) aus optischem Material,das für die zu filternde spektrale Charakteristik desjeweiligen Filterelements (4) ausreichende Transpa-renz aufweist, und anschließende Oberflächenbear-beitung der vorgeformten Substratbarren (3) durchSchleifen und Polieren zur Herstellung eines für denPushbroom-Scanner geeigneten maßhaltigen Sub-stratbarrens (3);– Beschichten der maßhaltigen Substratbarren (3) mitunterschiedlichen spektralen Filtern (2) zur Herstel-lung von Filterelementen (4) verschiedener spektra-ler Charakteristik für die multispektrale Filterbaugrup-pe (5), wobei eine Mehrzahl von Filterelementen (4)mit gleicher spektraler Charakteristik vorübergehendzu einem Paketverbund zusammengefügt und in ei-nem gemeinsamen Beschichtungsvorgang beschich-tet wird;– Selektieren jeweils eines Filterelements (4) von hin-reichender Güte hinsichtlich der spektralen Eigen-schaften aus der für jede unterschiedliche spektra-le Charakteristik erzeugten Mehrzahl von Filterele-menten (4) mit gleicher spektraler Charakteristik, wo-bei die hinreichende Güte durch Einhaltung der spek-tralen Bandbreite des Filters (2) und der Homogeni-tät der Filtereigenschaften über die volle Länge desmaßhaltigen Substratbarrens 3 mit gleicher spektra-ler Charakteristik gegeben ist;– Assembling der multispektralen Filterbaugruppe (5)durch Zusammenfügen und Fixieren der selektiertenFilterelemente (4) derart, dass eine durch die Sen-sorzeilen des Pushbroom-Scanner vorgegebene Fü-gegenauigkeit der selektierten Filterelemente (4) er-reicht wird, wobei zwischen jeweils zwei Substratbar-ren (3) eine optische Sperrschicht (52) zur Trennungvon unterschiedlichen spektralen Kanälen eingefügtwird.

2.  Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Substrat-barren (3) für Filterelemente (4) unterschiedlicherspektraler Charakteristik aus verschiedenen Materia-lien gefertigt werden.

3.    Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sub-stratbarren (3) für Filterelemente (4) unterschiedli-cher spektraler Charakteristik mit unterschiedlicherDicke hergestellt werden.

4.  Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Substrat-barren (3) für Filterelemente (4) unterschiedlicherspektraler Charakteristik aus verschiedenen Materia-lien mit unterschiedlicher Dicke hergestellt werden.

5.   Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlichan Fügeflächen (31) Positionierhilfen (311, 312, 313,314) im Zuge der Formgebung der Substratbarren (3)als Profilkante eingebracht werden.

6.    Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Posi-tionierhilfen (311, 312, 313, 314) nach den Formge-bungsverfahren der Substratbarren (3) mit spanen-den Verfahren eingebracht werden.

7.   Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlichan Fügeflächen (31) Positionierhilfen (311, 312, 313,314) im Zuge der Oberflächenbearbeitung der vorge-formten Substratbarren (3) in Form von Profilkanteneingebracht werden.

8.    Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei demVerfahrensschritt des Beschichtens der maßhalti-gen Substratbarren (3) zusätzlich weitere Filter (2)mit verschiedenen spektralen Charakteristiken auf-gebracht werden, wobei die Substratbarren (3) nachder maßhaltigen Herstellung auf nebeneinander an-geordneten Oberflächenbereichen in aufeinanderfol-genden Beschichtungsprozessen mit unterschiedli-chen weiteren Filtern (2) verschiedener spektralerCharakteristik beschichtet werden.

9.    Multispektrale Filterbaugruppe (5) für eine ineinem Pushbroom-Scanner geeignete multispektraleZeilenkamera mit einer Mehrzahl von Sensorzeilenfür mehrere spektrale Kanäle, hergestellt gemäß Ver-fahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

10.    Multispektrale Filterbaugruppe (5) nach An-spruch 9, wobei die Substratbarren (3) für Filterele-mente (4) unterschiedlicher spektraler Charakteristikjeweils in einer solchen Dicke vorgefertigt sind, die andie optische Weglänge der durch das aufzubringendeFilter (2) vorgegebenen Wellenlängen der spektralenCharakteristik angepasst ist.

11.    Multispektrale Filterbaugruppe (5) nach An-spruch 9, wobei die Substratbarren (3) für Filterele-mente (4) unterschiedlicher spektraler Charakteris-tik jeweils in einer solchen Dicke, die an die opti-sche Weglänge der Filterwellenlängen der spektralenCharakteristik angepasst ist, und mit einer gewölbtenOberflächenform, die zur Verringerung von optischenAbbildungsfehlern infolge spektral unterschiedlicherAblenkungswinkel geformt ist, vorgefertigt sind.

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12.    Multispektrale Filterbaugruppe (5) nach An-spruch 9, wobei breitere gemeinsame Substratbar-ren (3) zur Integration von einigen wenigen Filterele-menten (4) mit Filtern (2) verschiedener spektralerCharakteristik nach der maßhaltigen Herstellung auf-einanderfolgend mit unterschiedlichen Filtern (2) aufunterschiedlichen Oberflächenbereichen beschichtetsind.

13.    Multispektrale Filterbaugruppe (5) nach An-spruch 9, wobei die Substratbarren (3) für Filterele-mente (4) unterschiedlicher spektraler Charakteris-tik jeweils an ihren Fügeflächen (31) Positionierhilfen(311, 312, 313, 314) aufweisen, mit denen die unter-schiedlichen Filterelemente (4) zu der multispektra-len Filterbaugruppe (5) selbstjustierend zusammen-setzbar sind.

14.    Multispektrale Filterbaugruppe (5) nach An-spruch 13, wobei die Fügeflächen (31) benachbar-ter Filterelemente (4) gegenüberliegend mit Nut (311)und Feder (312) versehen sind.

15.    Multispektrale Filterbaugruppe (5) nach An-spruch 13, wobei die Fügeflächen (31) benachbarterFilterelemente (4) mit gegenüberliegend gegensätz-lichen Stufen (313) versehen sind.

16.    Multispektrale Filterbaugruppe (5) nach An-spruch 15, wobei die Substratbarren (3) für benach-barte Filterelemente (4) als alternierend angeordneteT-Profile (32) geformt sind.

17.    Multispektrale Filterbaugruppe (5) nach An-spruch 13, wobei die Fügeflächen (31) benachbar-ter Filterelemente (4) gegenüberliegend gegensätzli-chem Keilprofil (314) versehen sind.

Es folgen 7 Seiten Zeichnungen

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Anhängende Zeichnungen

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