基于线列干涉薄膜的快照式光谱成像芯片结构及成像系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种基于线列干涉薄膜的快照式光谱成像芯片结构及成像系统，该光谱成像芯片结构包括图像传感器及其感光面上沿一维方向重复排列的多个周期结构，每个周期结构包括多个不同的线列干涉薄膜。本实用新型专利技术提供的快照式光谱成像芯片结构一次曝光获取目标场景光信息，冗余信息少，适用不同应用场景，加工简便、成本低。成本低。成本低。

【技术实现步骤摘要】
基于线列干涉薄膜的快照式光谱成像芯片结构及成像系统


[0001]本技术属于光谱成像
，具体涉及一种基于线列干涉薄膜的快照式光谱成像芯片结构及成像系统。

技术介绍

[0002]光谱成像技术是一种依赖电磁波谱获取目标三维信息的非接触式探测方式，包括二维空间信息及一维光谱信息。光谱成像技术的实现依赖光谱成像系统获取光谱图像。光谱成像系统获取的光谱图像相对于传统RGB相机获取的RGB彩色图像，具有更多的通道数(＞3)，可获取到目标更多的电磁波谱信息。由于不同物体由不同的原子、分子构成，依据不同原子及其特殊结构对电磁波的反射特性，可以分辨目标物质类别。因此，采用光谱成像技术获取目标的光谱图像，即可根据空间及光谱信息对目标的大小、形状、类别进行有效区分。目前，光谱成像技术已在航空航天、食品安全、环境监测领域得到广泛应用。
[0003]随着CMOS图像传感技术的发展，基于半导体工艺将CMOS兼容的干涉分光薄膜直接集成在图像传感器表面，即可形成一体式光谱成像芯片。该种一体式光谱成像芯片具有极小的体积、重量、能耗以及低成本生产潜力。
[0004]采用先进的半导体工艺，将不同中心波长的分光薄膜结构集成在图像传感器上，即可形成不同通道的光谱成像芯片。按照不同结构光谱成像芯片的图像采集方式，可分为线扫式光谱成像芯片以及快照式光谱成像芯片。线扫式光谱成像芯片的光学滤波薄膜结构呈一维阶梯渐变式，不同阶梯的干涉薄膜叠加厚度不同，获取的光信息中心波长不同，如图1所示，通过线列扫描的方式进行光谱图像采集，即可获取多通道窄带光谱信息。快照式光谱成像芯片表面不同干涉滤光薄膜结构通常在二维方向上呈一定规律性排列，如图2所示，相对于线列扫描式光谱成像芯片需要通过机械扫描获取信息，快照式光谱成像芯片一次曝光可获得视野范围内全局图像信息及光谱信息，具有更高的图像采集效率，更广阔的应用潜力，但同时，也对半导体工艺加工能力提出了更高的要求。
[0005]一体式线扫型光谱成像芯片，采用先进半导体工艺，在图像传感器上直接集成递变厚度式干涉滤光薄膜，形成光谱成像芯片。不同厚度的干涉滤光薄膜具有不同的波长选择性，每种干涉滤光薄膜在递变厚度方向上不重复，因此，该种芯片感光面结构通常由几十乃至上百种不同厚度的干涉滤光薄膜构成，即可获得几十乃至上百个通道光谱信息。将线扫型光谱成像芯片结合成像镜头及驱动电机集成为线扫式光谱成像系统，通过电机驱动扫描获取目标信息，再经由图像拼接算法处理获得完整光谱图像。由线扫型光谱成像芯片获取的光谱图像维度较高，具备多通道光谱信息，可对目标光谱特性进行有效区分。
[0006]一体式线扫型光谱成像系统具备体积小、质量轻、能耗低、结构简单、设计成本低等优势，可以获取目标多通道光谱数据，用于目标智能识别分析。但线列扫描的成像方式耗时长，采集效率相对较低，数据采集平台的选择具有局限性，对于特殊的目标应用场景及无法搭载扫描电机的平台，该种光谱成像系统无法使用。除此之外，在一些已知特征光谱范围的场景应用中，上百种通道的光谱信息通常包含大量冗余信息，为光谱图像数据传输、存
储、处理带来较大挑战。
[0007]马赛克式光谱成像芯片是一种基于快照式成像的光谱成像芯片。马赛克式光谱成像芯片结构如图2所示，通常由二维周期性排列的干涉滤光薄膜结构进行像素级分光，将镜头、马赛克式光谱成像芯片及采集电路集成为快照式光谱成像系统，可通过一次曝光，获取目标场景光信息。以图2为例，以4
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4像素结构为一个单周期，传感器全局结构由单周期结构在二维方向上重复排列构成。在一个单周期中，各像素对应不同的干涉滤波薄膜结构，即在一个单周期中，不同像素拥有不同的光谱选择性，对应的图像传感器像素即可获得物理空间上近似为同一点的多通道光谱信息。通过单周期结构降采样，即可获得目标场景的二维空间信息及光谱信息。该种快照式光谱成像技术在一体式线扫型光谱成像技术的基础上，突破了光谱成像系统对应用平台选择的局限性，除具备一体式光谱成像芯片的体积、质量、能耗、复杂度、成本等优势外，还具有可以在各领域特殊平台广泛应用的潜力。
[0008]马赛克式光谱成像芯片结构为最常见的快照式光谱成像结构之一，通过像素级滤波可实现目标光谱图像信息的实时获取。但像素级滤波的干涉式分光薄膜结构的集成相对于一体式线扫型光谱滤波结构，对半导体工艺产生了更加严苛的要求：如像素级的薄膜沉积、光刻、刻蚀等工艺，工艺加工流程也相对更加复杂。随着工艺精度要求的提高，对半导体加工产线的能力要求提高，满足更高指标要求的半导体加工产线数量下降，整体成本也相对提高。
[0009]随着社会发展及人们对更高生活品质的不断追求，智能型传感器逐渐走进千家万户，推动人们生活智能化发展。光谱成像技术是一种非接触式的光学探测技术，在各领域生产生活中具有广阔的应用前景，如食品检测、工业分拣、环境监测、安防等领域。光谱成像芯片的研制是光谱成像技术在消费级传感器领域应用的有效途径，为满足多类型复杂应用环境及生产成本要求，亟需研制出一款可应用于各类生活场景的低成本光谱成像芯片。

技术实现思路

[0010]针对现有技术中线扫型光谱成像芯片成像耗时长、采集效率低、应用平台受限、冗余信息多等问题，以及马赛克式光谱成像芯片加工难度大、加工复杂、成本高等问题，本技术提供了一种基于线列干涉薄膜的快照式光谱成像芯片结构及成像系统，该光谱成像芯片结构一次曝光获取目标场景光信息，冗余信息少，适用不同应用场景，加工简便、成本低。
[0011]本技术解决上述技术问题采用的技术方案如下：
[0012]本技术提供了一种基于线列干涉薄膜的快照式光谱成像芯片结构，包括图像传感器及其感光面上沿一维方向重复排列的多个周期结构，每个周期结构包括多个不同的线列干涉薄膜。
[0013]进一步地，每个线列干涉薄膜为一个通道，每个所述通道所占像素列数m不小于2，每个所述通道起始列像素或者结尾列像素记为边缘列，所述边缘列上无干涉薄膜。
[0014]进一步地，所述图像传感器感光面包括M
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N个像素，M为周期结构重复排列方向的像素数，N为垂直于周期结构重复排列方向的像素数，M、N为不小于100的正整数；每个所述周期结构的通道数Q满足：M≥m≥2。
[0015]本技术又提供了一种基于线列干涉薄膜的快照式光谱成像芯片结构，包括图像传感器及其感光面上沿一维方向排列的一个周期结构，所述周期结构包括多个不同的线列干涉薄膜；每个线列干涉薄膜为一个通道，每个所述通道所占像素列数m不小于2，每个所述通道起始列像素或者结尾列像素记为边缘列，所述边缘列上无干涉薄膜。
[0016]进一步地，所述线列干涉薄膜直接生长或者通过键合制备在图像传感器上，形成一体式光谱成像芯片。
[0017]进一步地，所述线列干涉薄膜采用FP腔结构，包括两端由高、低折射率半导体材料交替排列形成对称的FP腔镜，以及中间由低折射率半导体材料构成通光层。
[0018]进一步地，所述FP腔结构为窄带滤波、宽谱滤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于线列干涉薄膜的快照式光谱成像芯片结构，其特征在于，包括图像传感器及其感光面上沿一维方向重复排列的多个周期结构，每个周期结构包括多个不同的线列干涉薄膜。2.根据权利要求1所述的快照式光谱成像芯片结构，其特征在于，每个线列干涉薄膜为一个通道，每个所述通道所占像素列数m不小于2，每个所述通道起始列像素或者结尾列像素记为边缘列，所述边缘列上无干涉薄膜。3.根据权利要求2所述的快照式光谱成像芯片结构，其特征在于，所述图像传感器感光面包括M
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N个像素，M为周期结构重复排列方向的像素数，N为垂直于周期结构重复排列方向的像素数，M、N为不小于100的正整数；每个所述周期结构的通道数Q满足：M≥m≥2。4.一种基于线列干涉薄膜的快照式光谱成像芯片结构，其特征在于，包括图像传感器及其感光面上沿一维方向排列的一个周期结构，所述周期结构包括多个不同的线列干涉薄膜；每个线列干涉薄膜为一个通道，每个所述通道所占像素列数m不小于2，每个所述通道起始列像素或者结尾列像素记为边缘列，所述边缘列上无干涉薄膜。5.根据权利要求1～4中任一项所述的快照式光谱成像芯片结构，其特征在于，所述线列干涉薄膜直接生长或者通过键合制备在图像传感器上，形成一体式光谱成像芯片。6.根据权利要求1～4中任一项所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵安娜，刘舒扬，周志远，王天鹤，张晨，姜洪妍，潘建旋，张云昊，李硕祉，
申请(专利权)人：天津津航技术物理研究所，
类型：新型
国别省市：