CN106052865A - 光学分光器及其制备方法、图像传感器以及图像成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学分光器及其制备方法、图像传感器以及图像成像系统，所述光学分光器为在基底上由多个分光单元一维排列组成的阵列结构，所述分光单元包括上层反射层、下层反射层以及位于所述上层反射层与所述下层反射层之间的介质层，所述下层反射层为水平面结构，所述上层反射为斜面结构或曲面结构。本发明提供的光学分光器及其制备方法、图像传感器以及图像成像系统，集成度高、体积小，同时高光谱成像耗时短。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种光学分光器及其制备方法、图像传感器以及图像成像系统。
背景技术
随着人们对于世界间事物认识和了解的不断深入，仅仅从二维的图像或者图像序列中对观测信息进行识别、推理和判断已经越来越无法满足目前工、农业各方面的需求。普通的二维彩色图像上的每个像素点上包含了用于识别色彩的二维图像信息，相比较而言，高光谱图像不仅包含了二维图像信息，每个像素点上还包含了一系列不同光谱波长的光强信息(光谱信息)。因此高光谱图像是二维空间图像信息与一维光谱信息构成的“数据立方体”，可以通过分析处理二维图像上各像素点上的光谱信息来识别相对应成像区域内的物质材料、材质和组份等理化信息，还可以通过图像的空间信息快速地、直观地识别相关位置和范围。
高光谱图像的成像系统除了需要引入额外的光谱调制器件，例如，分光或色散功能的棱镜、光栅、可调光谱过滤器或光谱滤波片转盘等，还需要特定的成像机制，例如，空间扫描和光谱扫描等。传统的高光谱成像系统一般采用棱镜作为光谱分光器件(dispersive)，或采用液晶光学滤波(LCTF)、声光调制滤波器(AOTF)等可调制光谱滤波器件(tunable optical filter)。高光谱成像系统采用成像方案通常为空间扫描、光谱扫描或空间光谱同步扫描。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：
传统的高光谱图像的成像系统采用的分光器件为分立式的分光器件，这些分立式的光学器件本身占有一定的空间体积，此外分立式的分光器件需要与其他光学元器件相互聚焦和准直，造成高光谱成像系统的集成化程度低，体积大。此外传统的高光谱成像需要对空间、或对光谱、或同时对二者进行扫描，成像速度较慢，并需要复杂的机械装置和/或光学装置来完成扫描动作。并且传统的高光谱图像成像系统会因为目标物在扫描成像期间发生形变或位移，从而产生高光谱图像的空间信息扭曲或光谱信息“晕染”等问题，在这种情况下，一般额外需要复杂的数据处理方法来还原数据，从而致使高光谱图像的成像系统成像耗时更长。
发明内容
本发明提供的光学分光器及其制备方法、图像传感器以及图像成像系统，集成度高、体积小，同时高光谱成像耗时短。
第一方面，本发明提供一种光学分光器，所述光学分光器为在基底上由多个分光单元一维排列组成的阵列结构，所述分光单元包括上层反射层、下层反射层以及位于所述上层反射层与所述下层反射层之间的介质层，所述下层反射层为水平面结构，所述上层反射层为斜面结构或曲面结构。
可选地，所述曲面结构的曲率半径沿所述分光单元的宽度变化。
可选地，所述斜面结构上开设透光的穿孔。
可选地，当所述上层反射层为斜面结构时，所述上层反射层还包括一水平结构。
第二方面，本发明提供一种光学分光器的制备方法，所述方法包括：
在基底上沉积一层反射层；
在所述反射层上旋涂一层热固型材料；
光学光刻所述热固型材料形成各分光单元的边界；
在所述边界中的每两边界之间沉积介质层；
刻蚀所述介质层至需要的厚度；
在所述介质层上旋涂一层热塑型材料，按照所设计的图案作为掩膜，光学光刻所述热塑型材料，使图案成形；
使所述热塑型材料软化流动直到斜面结构或曲面结构形成；
以所述热塑性材料做掩蔽，等离子刻蚀所述介质层直至所述斜面结构或曲面结构转移至所述介质层；
沉积顶层反射层。
可选地，所述曲面结构的曲率半径沿所述分光单元的宽度变化。
可选地，所述斜面结构上开设透光的穿孔。
可选地，当所述上层反射层为斜面结构时，所述上层反射层还包括一水平结构。
第三方面，本发明提供一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括上述所述的光学分光器及光电传感器阵列芯片，所述光学分光器根据上述所述的光学分光器的制备方法与光电传感器阵列芯片集成加工，所述光电传感器阵列芯片作为所述光学分光器的基底；或将所述光学分光器的基底与所述光电传感器阵列芯片粘合在一起，或通过夹具结合在一起。
第四方面，本发明提供一种图像成像系统，所述图像成像系统包括上述所述的图像传感器。
本发明实施例提供的光学分光器及其制备方法、图像传感器以及图像成像系统，分光单元的阵列结构可同时对各入射光束实现光谱分离的分光功能和光谱的过滤功能，从而可用于目标成像区域上各点光束的同步分光，再通过集成的光电传感器阵列同时读取各分光单元过滤光谱的光强，从而一次性获取具有一定光谱范围和分辨率的高光谱图像数据。由于可以通过高速扫描甚至实现快照式的成像方案，缩短了成像时间。此外不需要分立式的光学元器件，也不需要机械驱动的光谱调制设备，从而简化了光谱成像系统，也缩小了体积。
附图说明
图1为本发明平行镜法珀腔的光谱过滤原理示意图；
图2为本发明一实施光学分光器的分光单元上反射层为斜面的结构示意图；
图3为本发明另一实施例光学分光器的分光单元上反射层为曲面的结构示意图；
图4为本发明一实施例光学分光器的结构示意图；
图5为本发明一实施例光学分光器的制备方法流程图；
图6为本发明一实施例光学分光器的剖面示意图及俯视示意图；
图7为本发明再一实施例光谱图像提取流程示意图；
图8为本发明光学分光器的分光单元的其他结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明提供一种光学分光器，所述光学分光器为在基底上由多个分光单元一维排列组成的阵列结构，所述分光单元包括上层反射层、下层反射层以及位于所述上层反射层与所述下层反射层之间的介质层，所述下层反射层为水平面结构，所述上层反射层为斜面结构或曲面结构。
本发明实施例提供的光学分光器，分光单元的阵列结构可同时对各入射光束实现光谱分离的分光功能和光谱的过滤功能，从而可用于目标成像区域上各点光束的同步分光，再通过集成的光电传感器阵列同时读取各分光单元过滤光谱的光强，从而一次性获取具有一定光谱范围和分辨率的高光谱图像数据。由于可以通过高速扫描甚至实现快照式的成像方案，缩短了成像时间。此外不需要分立式的光学元器件，也不需要机械驱动的光谱调制设备，从而简化了光谱成像系统也缩小了体积。
可选地，所述曲面结构的曲率半径沿所述分光单元的的宽度变化。
可选地，所述斜面结构上开设透光的穿孔。
可选地，当所述上层反射层为斜面结构时，所述上层反射层还包括一水平结构。
可选地，各分光单元具有相同的腔体厚度和宽度或具有不同的腔体厚度和宽度。
可选地，所述多个分光单元的最小光谱空间分辨率范围为0.1nm～50nm。
可选地，所述上层反射层及所述下层反射层的材料为金属或布拉格反射镜，所述介质层为SiO2、Al2O3、TiO2。
可选地，所述光学分光器的工作波长覆盖紫外10nm～400nm、可见光380nm～750nm、红外700nm～1050nm的光谱范围。
本发明提供的光学分光器的核心结构是基于法珀腔光谱过滤(Fabry PerotFilter)的原理。如图1所示，理想型的法珀腔过滤器是基于两个互相平行的反射镜，当入射法珀腔的光谱在两反射镜间行进的各反射波经透射后相位相同，则该光谱波长可以透射至法珀腔的另一端，从而被过滤；而不满足这一条件的光谱波长则会由于腔体内的多次反射波间的相位抵消而不被过滤。在图1中，上面的光束为红光，红光因各反射波的相位相同而体现为透射过滤。下面的光束为绿光，绿光因各反射波的相位相反而相互抵消，绿光无法过滤。基于这一原理，该发明提供的光学分光器为在基底上由多个分光单元一维排列组成的阵列结构。如图2及图3所示，每个分光单元包括上层反射层、下层反射层以及位于所述上层反射层与所述下层反射层之间的介质层，所述下层反射层为水平面结构，所述上层反射层为斜面结构或曲面结构。在图2中上层反射层为斜面结构，上层反射层与水平方法的夹角为θ，在图3中上反射层还可以为曲面结构，所示曲面结构可以为凸面结构或为凹面结构，凸面结构的曲率半径为K1，凹面结构的曲率半径为K2。多个分光单元在一维方向上排列成阵列结构，形成如图4所示的阵列结构。所述阵列结构中的每一个分光单元可以等效为法珀腔阵列，可同时过滤出波长线性变化的光谱系列。
该发明提供的光学分光器是以微型类法珀腔过滤分光单元为重复单元的阵列结构。该光学分光器可应用的光谱范围根据具体结构参数设计可覆盖紫外(10nm～400nm)、可见光(380nm～750nm)、红外(700nm～1050nm)的光谱范围。该光学分光器在基片上加工分光单元的阵列结构，其截面形成“锯齿状”结构。基片材料可以为硅片、玻璃、石英等无机材料，也可以为聚合物基片，如有机玻璃，聚碳等有机材料。分光单元的设计参数包括：长度、宽度、反射层的材料与厚度，各分光单元两反射层之间的角度、距离变化、上层反射层的曲率半径、腔体材料和厚度。其结构维度参数的设计不应局限于固定的范围，应以实现一定分辨率的光谱分光功能为准，各分光单元的最小光谱空间分辨率范围为0.1nm～50nm。光学分光器的分光单元阵列结构的设计参数包括：分光单元重复单元宽度、个数。该阵列结构的重复单元个数在一维阵列方向上的范围为：4～1280。分光单元的上、下反射层的材料可以均为金属如金、铝，或可以均为“四分之一波长”厚度的布拉格反射镜结构，也可以为这两种反射层的搭配。中间基质层的材料可以为空气等无固定形态的气体，也可为具有一定折射率的固体材料，例如：SiO2、Al2O3、TiO2等。其材料的选择和厚度的选择不局限于固定的范围，应以实现一定分辨率的光谱分光功能为准。分光单元的阵列结构根据光谱图像信号的不同，各分光单元间可以采用同样的结构设计从而具有同样的光谱过滤、分光特性；或者各分光单元也可以具有不同的腔体厚度和宽度，实现对不同光谱范围进行过滤和分光。
本发明实施例还提供一种光学分光器的制备方法，所述方法包括：
在基底上沉积一层反射层；
在所述反射层上旋涂一层热固型材料；
光学光刻所述热固型材料形成各分光单元的边界；
在所述边界中的每两边界之间沉积介质层；
刻蚀所述介质层至需要的厚度；
在所述介质层上旋涂一层热塑型材料，按照所设计的图案作为掩膜，光学光刻所述热塑型材料，使图案成形；
使所述热塑型材料软化流动直到斜面结构或曲面结构形成；
以所述热塑性材料做掩蔽，等离子刻蚀所述介质层直至所述斜面结构或曲面结构转移至所述介质层；
沉积顶层反射层。
本发明实施例提供的光学分光器的制备方法，分光单元的阵列结构可同时对各入射光束实现光谱分离的分光功能和光谱的过滤功能，从而可用于目标成像区域上各点光束的同步分光，再通过集成的光电传感器阵列同时读取各分光单元过滤光谱的光强，从而一次性获取具有一定光谱范围和分辨率的高光谱图像数据。由于可以通过高速扫描甚至实现快照式的成像方案，缩短了成像时间。此外不需要分立式的光学元器件，也不需要机械驱动的光谱调制设备，从而简化了光谱成像系统也缩小了体积。
可选地，所述曲面结构的曲率半径沿所述分光单元的宽度变化。
可选地，所述斜面结构上开设透光的穿孔。
可选地，当所述上层反射层为斜面结构时，所述上层反射层还包括一水平结构。
可选地，各分光单元具有相同的腔体厚度和宽度或具有不同的腔体厚度和宽度。
可选地，所述多个分光单元的最小光谱空间分辨率范围为0.1nm～50nm。
可选地，所述上层反射层及所述下层反射层的材料为金属或布拉格反射镜，所述介质层为SiO2、Al2O3、TiO2。
可选地，所述光学分光器的工作波长覆盖紫外10nm～400nm、可见光380nm～750nm、红外700nm～1050nm的光谱范围。
本发明实施例提供的光学分光器的制备方法，主要利用热塑型材料和热固型材料的物理性质制备各个分光单元的上表面的斜面或曲面。所述光学分光器的制备方法的主要工艺流程如图5所示：
(a)在基底上沉积一层反射层，为布拉格反射镜或金属层，在反射层与基底之间设置一层防反光介质层，在所述反射层上旋涂一层热固型材料，如SU-8。
(b)对所述热固型材料进行刻蚀曝光、显影及烘烤后形成各分光单元的边界。
(c)在所述形成的分光单元的边界中的两个相邻边界之间沉淀积一层介质层，如SiO2，使所述介质层平坦化。
(d)将所述介质层刻蚀至需要的厚度。
(e)在所述介质层上旋涂一层热塑型材料，如光刻胶AZ9260、AZ4532，所述热塑型材料的高度与所述分光单元的边界平齐。
(f)采用光学光刻的方式，按照所设计的图案曝光、显影使得所述热塑型材料图案成形。
(g)施加使所述热塑型材料软化流动的温度、化学、时长等条件，如加热至140℃并持续15分钟后在40℃条件下持续接触丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)气体5分钟，或加热至180℃并持续1小时，直到非对称、非线性的斜面或曲面形成。
(h)以形成非对称、非线性的斜面或曲面的热塑性材料做掩膜，等离子刻介质层，直至形成的非对称、非线性的斜面或曲面转移至介质层结构。
(k)去掉残余的热塑型材料、相关清洗之后，沉积顶层反射层，如布拉格反射层或金属层。
本发明实施例还提供一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括上述所述的光学分光器及光电传感器阵列芯片，所述光学分光器根据上述所述的光学分光器的制备方法与光电传感器阵列芯片集成加工，所述光电传感器阵列芯片作为所述光学分光器的基底；或将所述光学分光器的基底与所述光电传感器阵列芯片粘合在一起，或通过夹具结合在一起。所述基底为玻璃或硅片，在玻璃或硅片等基底材料上加工分立式的分光单元，将所述基底与光电传感器阵列芯片，即CCD或CMOS光电传感器通过粘合、夹具接合等方法组成形成高光谱图像传感器。此外，还可以将光电传感器作为光学分光器的基底，直接一体化单片集成形成高光谱图像传感器。光学分光器的分光单元阵列与一定规格的光电传感器阵列接合或直接一体化单片集成加工后形成了高光谱图像传感器。该图像传感器具有一定尺寸、一定数量和密度的光电传感器阵列。如图6所示，将分光单元的阵列结构直接接合在、或直接集成加工于图像传感器上部，使每个分光单元与一定数量的光电传感器对齐，利用已知分光单元的结构设计和入射光角度进行光谱标定校准后可利用相应的光电传感器阵列读取各分光单元内的光谱强度信息。光电传感器可以为可见光光电传感器，也可以为红外或紫外光的光电传感器。光电传感器的个数、密度、及与分光单元的对应关系不局限于固定的范围，以能够读取一定的光谱分辨率为准。
本发明实施例还提供一种图像成像系统，所述图像成像系统包括上述所述的图像传感器。当上述所述的图像传感器应用于图像成像系统时，该发明的光学分光器件上每个分光单元对应处理目标成像区域内一处光束，因此每个分光单元对应了光谱图像上的一个像素点。当成像区域的入射光束经前置光学元器件调制后以平行光入射至光学分光器的分光单元阵列时，各分光单元分别对目标成像区域上各点的光谱分光，再通过集成的光电传感器阵列同时读取各分光单元过滤光谱的光强，从而一次性获取具有一定光谱范围和分辨率的高光谱图像数据。可以通过高速扫描甚至实现快照式的成像方案，大大缩短了成像时间。通过光电传感器采样数据的重排可以获得光谱图像的“数据立方体”。当应用于扫描式光谱成像系统时，单次成像时各分光单元分别处理不同光谱分辨率和范围的光谱信息，形成如图7中所示的光谱图像数据立方体，最终通过图像传感器及成像系统在目标成像区域内呈直线扫描的方式完成完整的“数据立方体”。
此外，本发明提供的光学分光器中的分光单元还可以采用图8所示的结构，在图8(a)中，在分光单元的上层反射层上开设一透光的穿孔，从而可以提高光束的利用率。在图8(b)中，上层反射层的曲率半径沿宽度变化，如当某一波长分离出的光谱比较密集的时候，可以在对应的上层反射面位置处设置成凹面，从而分散形成的光谱。相对应的当分离出的光谱比较稀疏时，对应的将上层反射面处设置好凸面。在图8(c)中，上层反射层包括一平面结构及一斜面结构，所述平面结构为提供一基准参数，根据平面结构的厚度可以得到该处滤出的光谱波长，从而根据该光谱的波长可以推算出斜面对应位置处滤出的光谱的波长。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种光学分光器，其特征在于，所述光学分光器为在基底上由多个分光单元一维排列组成的阵列结构，所述分光单元包括上层反射层、下层反射层以及位于所述上层反射层与所述下层反射层之间的介质层，所述下层反射层为水平面结构，所述上层反射层为斜面结构或曲面结构。
2.根据权利要求1所述的光学分光器，其特征在于，所述曲面结构的曲率半径随所述分光单元的宽度变化。
3.根据权利要求1所述的光学分光器，其特征在于，所述斜面结构上开设有透光的穿孔。
4.根据权利要求1所述的光学分光器，其特征在于，当所述上层反射层为斜面结构时，所述上层反射层还包括一水平结构。
5.一种光学分光器的制备方法，其特征在于，包括：
在基底上沉积一层反射层；
在所述反射层上旋涂一层热固型材料；
光学光刻所述热固型材料形成各分光单元的边界；
在所述边界中的每两边界之间沉积介质层；
刻蚀所述介质层至需要的厚度；
在所述介质层上旋涂一层热塑型材料，按照所设计的图案作为掩膜，光学光刻所述热塑型材料，使图案成形；
使所述热塑型材料软化流动直到斜面结构或曲面结构形成；
以所述热塑性材料做掩蔽，等离子刻蚀所述介质层直至所述斜面结构或曲面结构转移至所述介质层；
沉积顶层反射层。
6.根据权利要求5所述的光学分光器的制备方法，其特征在于，所述曲面结构的曲率半径随所述分光单元的宽度变化。
7.根据权利要求5所述的光学分光器的制备方法，其特征在于，所述斜面结构上开设有透光的穿孔。
8.根据权利要求5所述的光学分光器的制备方法，其特征在于，当所述上层反射层为斜面结构时，所述上层反射层还包括一水平结构。
9.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括权利要求1-4中任一项所述的光学分光器及光电传感器阵列芯片，所述光学分光器根据权利要求5所述的光学分光器的制备方法与光电传感器阵列芯片集成加工，所述光电传感器阵列芯片作为所述光学分光器的基底；或将所述光学分光器的基底与所述光电传感器阵列芯片粘合在一起，或通过夹具结合在一起。
10.一种图像成像系统，其特征在于，所述图像成像系统包括权利要求9所述的图像传感器。
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