CN107941339A - 基于周期性干涉膜系fp腔扫描的高光谱成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于周期性干涉膜系FP腔扫描的高光谱成像装置及方法，包括带通滤光片、衬底、上层周期性干涉膜系、FP腔、下层周期性干涉膜系、成像探测器、压电陶瓷芯片和用于封装的外壳；所述上层周期性干涉膜系制备在衬底上，所述下层周期性干涉膜系制备在成像探测器像元表面，衬底上有膜的一面和成像探测器上有膜的一面相对，与外壳相连构成一个封闭的空腔，即FP腔；成像探测器无膜的另一面与压电陶瓷芯片连接，或者衬底无膜的另一面与压电陶瓷芯片连接，或者衬底无膜的另一面与中间通孔的压电陶瓷芯片连接。本发明通过压电陶瓷芯片驱动，扫描FP腔腔长来实现高光谱成像，便于集成，制造成本较低，不会随着空间及光谱分辨率提高而提高，实用价值高。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜制备、光学微器件制备及遥感探测领域，特别涉及一种扫描式FP腔窄带滤光高光谱成像，具体是指一种通过压电陶瓷扫描FP腔腔长，实现周期性多层介质膜窄带滤光进行高光谱成像的装置及方法。
背景技术
70年代末80年代初，在研究归纳各种地物光谱特征的基础上，大家逐渐认识到，如果能实现连续的窄波段成像，那么就有可能实现地面矿物的直接识别，由此产生了光谱和图像结合为一体的成像光谱技术。1983年，美国喷气推进实验室研制出第一台航空成像光谱仪(AIS-1)，随后包括中国在内的许多国家都研制成功了一系列成像光谱仪，其中有以线阵探测器为基础的光机扫描型，有以面阵探测器为基础的固态推扫型，也有以面阵探测器加光机的并扫型。
光谱成像技术是一种将光谱分析技术与光学成像技术结合而成的探测技术，不同于传统黑白或者RGB三色成像，光谱成像可以从光谱维度上获得若干个任意通道。光谱成像技术不仅可以实现定性定量的光谱分析功能，还可以通过光学成像获取准确直观的目标物体分布图，具有图谱合一的优势。例如，光谱成像滤光片和CCD探测器结合，不仅有图像的信息，并且可以获得图像上每个像素点的光谱数据，为分析、检测、监控、测量等应用提供更为丰富、精准的信息。
多光谱成像技术主要是以物体对不同波长光线的吸收存在差异为原理，通过测量目标物体在一定波长范围内特定频率的光强度变化来实现检测、辨别。随着多光谱成像技术的不断提高，其应用范围也在不断扩大，尤其在医学、农业、矿业、环境、军事以及安检等领域都有着重要的应用。在农业领域，多光谱成像技术可以通过从可见光到热红外不同的狭窄波段区感应能量，分别获得地物在不同谱段上的影像，以此识别地物的具体情况，主要应用于作物病害诊断、农产品品质检测、作物生长状态监测等方面。另外，在重大自然灾害面前，多光谱成像技术还可以在灾害评估方面发挥重要的作用，提供准确的灾情评估报告，为决策部门制定救灾、减灾方案提供了精准的信息资料。
目前，常见的光谱成像技术包括，光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光和芯片镀膜等。对于光栅分光的光谱成像技术，经过狭缝的光由于不同波长照射到不同的探测器像元上，光能量很低，因此需要选择高灵敏相机，同时需要加光源。对于声光可调谐滤波分光的光谱成像技术，系统一般由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器激励出超声波，超声波在光介质内传播，使介质产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质中的折射率发生周期变化，形成等效的位相光栅，光栅常数即声波波长。若声波频率较高，且声光作用长度足够大，声扰动介质形成体位相光栅。改变射频驱动信号的频率，可以实现电调谐波长的扫描。对于棱镜分光的光谱成像技术，不同频率入射光通过棱镜后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探测器上进行成像。棱镜分光后，在棱镜的出射面镀了不同波段的滤光膜，使得不同方向的探测器可以采集到不同光谱信息，实现同时采集空间及光谱信息。可见，光栅分光、声光可调谐滤波分光和棱镜分光的方案，制造相当复杂，并且结构尺寸较大，不便于光电子器件大规模集成。
芯片镀膜光谱成像技术需要借助半导体技术进行滤光片的制备，具有微小尺寸和集成度高的特点，相比光栅分光、声光可调谐滤波分光和棱镜分光的方案具有优势。中国科学院上海技术物理研究所王少伟研究员，2007年提出一类基于分形结构的多通道滤光片。利用光刻、刻蚀等半导体工艺，通过简单的分形规则，可以获得通道位置独立调节的双通道、三通道甚至更多通道数的滤光片。欧洲微电子研究中心(IMEC)利用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片，开发了一种高光谱成像技术。具体地讲，他们在CCD探测器的像元上分别镀上不同工作波长的滤波膜，于是不同的像元会接收到不同波长的光谱信息，实现光谱成像。这种光谱成像方式不需要额外的附件，降低了光谱成像设备的体积和成本。目前，IMEC提供三种光谱探测器：100波带的线扫描探测器，32波带的瓷砖式镀膜探测器，16波带以4×4为一个波段的马赛克式镀膜探测器。芯片镀膜光谱成像技术的优点是，可以同时获得光谱分辨率和空间分辨率，可以快速、高效地获得光谱信息和空间信息，集成度高，成本低。这种像素级的多通道微滤光片的缺点是，随着滤波通道增多，工艺越来越复杂，成本高昂；而且，与CCD像元对应的窄带滤波单元的边缘容易受到工序的影响，无法与像元实现完全匹配，性能难以保障。
发明内容
发明目的：克服上述现有芯片镀膜光谱成像技术工艺复杂等的不足，提供一种基于周期性干涉膜系FP腔扫描的高光谱成像装置及方法，能实现空间和多通道的光谱信息的同时获取，体积小，重量轻；本发明在保持这一优点的同时，通过纳米级位移精度的压电陶瓷芯片调控FP腔长，大大简化制造工艺、压缩成本，有利于本发明技术的推广和普及。在可穿戴设备、纳米集成光路、无人机大范围扫描、遥感等光谱应用领域，具有较高的实用价值。
本发明采用的技术方案是：一种基于周期性干涉膜系FP腔扫描的高光谱成像装置，包括带通滤光片、衬底、上层周期性干涉膜系、FP腔、下层周期性干涉膜系、成像探测器、压电陶瓷芯片和用于封装的外壳；所述上层周期性干涉膜系制备在衬底上，所述下层周期性干涉膜系制备在成像探测器像元表面，两者彼此独立，衬底上有上层周期性干涉膜系的一面和成像探测器上有下层周期性干涉膜的一面相对，与外壳相连构成一个封闭的空腔，即FP腔；成像探测器无膜系的另一面与压电陶瓷芯片连接，或者衬底无膜的另一面与压电陶瓷芯片连接，或者衬底无膜的另一面与中间通孔的压电陶瓷芯片连接。
上述技术方案中，所述衬底采用石英、硅片或者柔性材料。
上述技术方案中，所述上层周期性干涉膜系通过镀膜手段直接镀在衬底上，所述下层周期性干涉膜系通过镀膜手段直接镀在裸的成像探测器每个像元表面。
上述技术方案中，所述FP腔为真空或填充其他气体。
上述技术方案中，所述带通滤光片和上层周期性干涉膜系、下层周期性干涉膜系采用离子溅射镀膜完成制备。
上述技术方案中，所述带通滤光片和上层周期性干涉膜系集成镀在一个衬底上。
一种基于周期性干涉膜系FP腔扫描的高光谱成像装置的高光谱成像方法，根据探测需求，设计带通滤光片和具有光学指标的FP型周期性多层介质膜作为周期性干涉膜系，使其达到一定的滤波带宽和抑止率、透过率；然后采用离子溅射镀膜完成带通滤光片以及FP型周期性多层介质膜系的制备，最后，装配上层周期性干涉膜系、下层周期性干涉膜系、成像探测器和压电陶瓷芯片，调节FP腔长初始值，加装外壳；通过压电陶瓷芯片调节FP腔其腔长，实现多通道扫描的高光谱成像。
上述技术方案中，所述带通滤光片允许被探测波段光波高透，而过滤其余波段的光波，提供系统信噪比。
上述技术方案中，所述周期性干涉膜系需要根据目标光谱特性设计膜系结构，并选择目标光谱响应的衬底和成像探测器。
上述技术方案中，所述通过压电陶瓷芯片调节FP腔其腔长，实现多通道扫描的高光谱成像为：成像探测器或者镀有上层周期性干涉膜系的衬底与压电陶瓷芯片固连，通过施加电压精确控制压电陶瓷的位移量，驱动FP腔腔长精确可控变化，完成FP腔腔长的扫描。
因此，FP型周期性多层介质膜系分为三个部分，上层周期性多层介质膜制备在衬底上，下层周期性多层介质膜制备在成像探测器像元表面，两者彼此独立，两个膜面平行相对构成的空腔即为FP腔。
上层周期性干涉膜系及衬底或者成像探测器固定在压电陶瓷芯片上，可以调节FP腔的腔长，具有nm级控制精度。压电陶瓷芯片通过外部电压调控压电陶瓷，实现FP腔长的扫描，因为波长选择性依赖于FP腔的腔长，从而实现了高光谱图像探测。
上述技术方案中，所采用的带通滤光片、FP型周期性干涉膜系设计、离子溅射镀膜和压电陶瓷芯片等均为本领域公知的成熟技术。使用上述方法所需的软件、设备和器件均可市购：膜系设计可以使用软件ThinFilmCalculator(TFCalc)或者MCalc，离子溅射镀膜系统可以采用Veeco的SPECTOR镀膜机，压电陶瓷可以选用美国Thorlabs公司型号为PA4HKW或者PA4GKH5的芯片。
有益效果及优点：
(1)设计灵活，根据不同的应用，设计膜系，实现对不同被测目标的高光谱成像；
(2)工艺简单，制备成本低；
(3)集成度高，可靠性高，使用简单，有利于推广应用。
附图说明
图1为图像传感器和压电陶瓷芯片固连的装置示意图；图1中，1是带通滤光片，2是上层干涉膜系的衬底，3是上层干涉膜系，4是FP腔，5是下层干涉膜系，6是图像传感器，71是压电陶瓷芯片，8是装置外壳；
图2为上层膜系及衬底和压电陶瓷芯片固连的装置示意图；图2中，1是带通滤光片，2是上层干涉膜系的衬底，3是上层干涉膜系，4是FP腔，5是下层干涉膜系，6是图像传感器，72是压电陶瓷芯片，8是装置外壳；
图3是中间开孔的压电陶瓷芯片的俯视图，用于光线入射；
图4是波长分布在1000～1115nm之间的21个膜系的透射光谱曲线。
具体实施方式
一种基于周期性干涉膜系FP腔扫描的高光谱成像装置，包括带通滤光片、衬底、上层周期性干涉膜系、FP腔、下层周期性干涉膜系、成像探测器、压电陶瓷芯片和用于封装的外壳；所述上层周期性干涉膜系制备在衬底上，所述下层周期性干涉膜系制备在成像探测器像元表面，两者彼此独立，衬底上有上层周期性干涉膜系的一面和成像探测器上有下层周期性干涉膜系的一面相对，与外壳相连构成一个封闭的空腔，即FP腔；成像探测器无膜的另一面与压电陶瓷芯片连接，或者衬底无膜的另一面与压电陶瓷芯片连接，或者衬底无膜的另一面与中间通孔的压电陶瓷芯片连接，所述衬底采用石英、硅片或者柔性材料，所述上层周期性干涉膜系通过镀膜手段直接镀在衬底上，所述下层周期性干涉膜系通过镀膜手段直接镀在裸的成像探测器每个像元表面，所述FP腔为真空或填充其他气体，所述带通滤光片和上层周期性干涉膜系、下层周期性干涉膜系采用离子溅射镀膜完成制备，所述带通滤光片和上层周期性干涉膜系集成镀在一个衬底上。
一种基于周期性干涉膜系FP腔扫描的高光谱成像装置的高光谱成像方法，根据探测需求，设计带通滤光片和具有光学指标的FP型周期性多层介质膜作为周期性干涉膜系，使其达到一定的滤波带宽和抑止率、透过率；然后才有离子溅射镀膜完成带通滤光片以及FP型周期性多层介质膜系的制备，最后，装配上层周期性干涉膜系、下层周期性干涉膜系、成像探测器和压电陶瓷芯片，调节FP腔长初始值，加装外壳；通过压电陶瓷芯片调节FP腔其腔长，实现多通道扫描的高光谱成像。
所述带通滤光片允许被探测波段光波高透，而过滤其余波段的光波，提供系统信噪比，所述周期性干涉膜系需要根据目标光谱特性设计膜系结构，并选择目标光谱响应的衬底和成像探测器，所述通过压电陶瓷芯片调节FP腔其腔长，实现多通道扫描的高光谱成像为：成像探测器或者镀有上层周期性干扰膜系的衬底与压电陶瓷芯片固连，通过施加电压精确控制压电陶瓷的位移量，驱动FP腔腔长精确可控变化，完成FP腔腔长的扫描。
本发明的一种基于周期性干涉膜系FP腔扫描法的高光谱成像法，包括带通滤光片、上下多层介质膜系、FP腔、图像传感器和压电陶瓷等。所述的衬底采用石英、硅片或者柔性材料；所述带通滤光膜系以及上下多层介质膜系的材料、结构和尺寸，根据滤光波长、滤光带宽、抑止和透过率进行设计；所述各种膜系采用光学镀膜的方法制备在衬底上；所述上下多层介质膜系构成的空腔即FP腔，可以通过压电陶瓷芯片调节其腔长，实现多通道扫描的高光谱成像。
为了实现多通道光谱成像，可以采用如下步骤：
(1)仿真计算，设计膜系；
(2)利用镀膜手段制备膜系；
(3)装配上下多层介质膜系及压电陶瓷；
(4)外部电压调节腔长获取光谱图像。
以下通过本发明的具体实施例，结合附图对本发明作更进一步的说明。
MCalc是最著名的光学薄膜设计软件，我们采用MCalc设计光学薄膜，制备周期性介质膜。参考波长λ0＝10.0μm，选择石英为基底，尺寸10×10mm，折射率1.52，厚度0.5mm，采用SiO2和TiO2为膜系材料。这个膜系设计如表1所示，膜系结构是(LH)5 6Gas(HL)5，H表示λ0/4二氧化钛膜层，L表示λ0/4二氧化硅膜层。其中，1～10层构成了上层周期性介质膜系，第11层为FP空腔，12～21层构成了上层周期性介质膜系，总膜厚4.3μm。
表1 周期性介质膜系设计
首先，在图1所示基片2上，采用离子溅射镀膜的方法完成上层周期性介质膜的制备；然后将镀好下层周期性介质膜的图像传感器固连在压电陶瓷芯片上；给压电陶瓷施加电压，控制其伸缩，如表2所示，当压电陶瓷位移变化量为12.5nm时，FP型周期性介质膜系的工作波长相继产生约6nm的移动。通过减少位移变化量可以更加精确地控制膜系工作波长的移动。由于型周期性介质膜的透射波长与FF谐振腔的厚度成正比，因此通过控制FP腔腔长可以改变滤光片的透射波长。如图4所示，压电陶瓷完成表2所示FP腔长控制后，与图像传感器相结合，将形成波长范围在1000nm～1115nm一共21个波段的光谱图像。这种设计非常简单，无论集成多少个窄带滤光膜系，都只需要控制压电陶瓷来调控FP腔腔长的变化，不需要进行光刻、刻蚀等半导体工艺。
表2 膜系中心波长与FP腔长变化的关系
上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明技术方案和技术构思所做出其它各种相应的改变、改进和润饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于周期性干涉膜系FP腔扫描的高光谱成像装置，其特征在于：包括带通滤光片、衬底、上层周期性干涉膜系、FP腔、下层周期性干涉膜系、成像探测器、压电陶瓷芯片和用于封装的外壳；所述上层周期性干涉膜系制备在衬底上，所述下层周期性干涉膜系制备在成像探测器像元表面，两者彼此独立，衬底上有上层周期性干涉膜系的一面和成像探测器上有下层周期性干涉膜系的一面相对，与外壳相连构成一个封闭的空腔，即FP腔；成像探测器无膜的另一面与压电陶瓷芯片连接，或者衬底无膜的另一面与压电陶瓷芯片连接，或者衬底无膜的另一面与中间通孔的压电陶瓷芯片连接。
2.根据权利要求1所述的基于周期性干涉膜系FP腔扫描法的高光谱成像装置，其特征在于，所述衬底采用石英、硅片或者柔性材料。
3.根据权利要求1所述的基于周期性干涉膜系FP腔扫描法的高光谱成像装置，其特征在于，所述上层周期性干涉膜系通过镀膜手段直接镀在衬底上，所述下层周期性干涉膜系通过镀膜手段直接镀在裸的成像探测器每个像元表面。
4.根据权利要求1所述的基于周期性干涉膜系FP腔扫描法的高光谱成像装置，其特征在于，所述FP腔为真空或填充其他气体。
5.根据权利要求1所述的基于周期性干涉膜系FP腔扫描法的高光谱成像装置，其特征在于，所述带通滤光片和上层周期性干涉膜系、下层周期性干涉膜系采用离子溅射镀膜完成制备。
6.根据权利要求1所述的基于周期性干涉膜系FP腔扫描法的高光谱成像装置，其特征在于，所述带通滤光片和上层周期性干涉膜系集成镀在一个衬底上。
7.一种基于周期性干涉膜系FP腔扫描的高光谱成像装置的高光谱成像方法，根据探测需求，设计带通滤光片和具有光学指标的FP型周期性多层介质膜作为周期性干涉膜系，使其达到一定的滤波带宽和抑止率、透过率；然后采用离子溅射镀膜完成带通滤光片以及FP型周期性多层介质膜系的制备，最后，装配上层周期性干涉膜系、下层周期性干涉膜系、成像探测器和压电陶瓷芯片，调节FP腔长初始值，加装外壳；通过压电陶瓷芯片调节FP腔其腔长，实现多通道扫描的高光谱成像。
8.根据权利要求7所述的基于周期性干涉膜系FP腔扫描法的高光谱成像装置的高光谱成像方法，其特征在于，所述带通滤光片允许被探测波段光波高透，而过滤其余波段的光波，提供系统信噪比。
9.根据权利要求7所述的基于周期性干涉膜系FP腔扫描法的高光谱成像装置的高光谱成像方法，其特征在于，所述周期性干涉膜系需要根据目标光谱特性设计膜系结构，并选择目标光谱响应的衬底和成像探测器。
10.根据权利要求7所述的基于周期性干涉膜系FP腔扫描法的高光谱成像装置的高光谱成像方法，其特征在于，所述通过压电陶瓷芯片调节FP腔其腔长，实现多通道扫描的高光谱成像为：成像探测器或者镀有上层周期性干涉膜系的衬底与压电陶瓷芯片固连，通过施加电压精确控制压电陶瓷的位移量，驱动FP腔腔长精确可控变化，完成FP腔腔长的扫描。
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