CN109029726A - 一种窗口集成式光谱/偏振成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种窗口集成式光谱/偏振成像系统，属于新型光电功能器件及应用领域。系统主要包括成像物镜1、多通道微纳滤波芯片2及图像传感器7。根据实际成像需求，设计具有特定滤波性能及偏振特性的多通道微纳滤波芯片，采用相邻滤波通道对角排布的组合方式，通过滤波芯片与图像传感器的无缝贴合及像素匹配，实现光谱/偏振成像系统的微型化和集成化。单片式多通道微纳滤波芯片性能可定制化、窗口可集成化的特点大幅降低了光谱/偏振成像系统的微小型化难度及技术门槛。窗口集成式光谱/偏振成像系统在快速获取目标的光谱维及状态信息、提高系统性能稳定性、降低研发成本等方面具有诸多优势，为新型成像系统的研制提供了技术支撑。
Description
所属技术领域
本发明属于新型光电功能器件及应用领域，主要涉及半导体制造技术、亚波长光学技术、光电器件集成技术以及光谱/偏振成像技术等。
现有技术
在有限的载荷空间下提高成像系统的空间分辨率、获取更多的目标信息是光谱/偏振成像系统永恒的发展方向。随着成像目标属性及其周边环境的日趋复杂，研制高分辨率、微型化、多体制的光谱/偏振成像系统迫在眉睫。在现有的多光谱成像/偏振系统中，主要采用将滤波轮固定在镜头前端或者镜头和焦平面之间，通过滤波轮转动获取成像目标在不同谱段、不同偏振态下的光谱信息。由于滤波轮的工作方式以及体积、重量等因素的限制，整个系统集成度偏低、体积大、难以适应实时和高频速的成像需求。
随着微加工工艺及焦平面探测技术的不断发展，基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical system,MEMS)技术的快照式多光谱滤波芯片取得了快速进展。多光谱滤波芯片同探测器的一体集成可以实现不同波段的窄带调谐及瞬时宽带成像。早在2004年，美国DARPA就启动了“自适应焦平面阵列”的研制，旨在开发出可以自主滤波的焦平面探测器，实现自适应光谱选择。2005年，美国洛克威尔科技公司研制了中长波红外双波段自适应焦平面阵列(Proc.SPIE,2005,5783:366-376.)，将MEMS可调谐滤波阵列同焦平面耦联，实现了长波红外波段(8-10.7μm)窄带调谐，中波红外波段(3-5μm)瞬时成像，滤波芯片的单元大小与焦平面像元尺寸一致。2009年特丹利科学成像公司基于此双波段焦平面阵列研制了长波红外光谱成像微系统(Proc.SPIE,2009,7298:729821.)，每个滤波单元覆盖一个10×10的焦平面像元子阵列，光谱调制范围在8-11μm之间。尽管这种可调滤波阵列能够实现像素级的光谱调制，但是滤波带宽较窄导致系统的探测灵敏度偏低，并且整个制备流程对工艺条件要求极高，加工成本也随之上升；此外，可调谐滤波阵列的抗震抗冲击性能较差，限制了其在众多领域的应用。
比利时微电子研究中心是较早开展多光谱微纳滤波芯片研究的机构之一，至2015年，研制的三款可见光至近红外波段的多光谱滤波芯片已实现了商业级的工程应用(Proc.SPIE,2015.9374:937414)。多光谱滤波芯片基于多层薄膜干涉滤波的机理，制备工艺与CMOS工艺相兼容，可以直接在图像传感器工艺基础上完成滤波芯片的制备，但是需要进行多层薄膜沉积及多次套刻，工艺步骤繁多易引入大量的误差。因此，本专利针对可定制化固定结构的单片式滤波芯片，发明了一种窗口集成式光谱/偏振成像系统。
发明内容
发明目的
针对目前MEMS可调谐滤波芯片抗震抗冲击性能差、加工工艺复杂、波长可调制范围受限；而基于像素级滤波探测阵列的成像系统制备成本高、研发周期长等技术缺陷，发明了一种窗口集成式光谱/偏振成像系统。选用固定结构的单片式滤波芯片，滤波范围涵盖所有可成像波段。根据实际成像需求，进行滤波芯片通道数目、通道尺寸、透射中心波长及带宽、偏振特性的定制，通过滤波芯片同图像传感器的无缝贴合及像素匹配，实现光谱/偏振成像系统的微型化及集成化。此成像系统在快速获取目标的光谱维及状态信息、提高系统性能稳定性、缩短研发周期、降低研发成本等方面具有诸多优势。
技术方案
本发明提出的窗口集成式光谱/偏振成像系统的结构参阅图1，基本工作原理参阅图2。成像系统的结构主要包括成像物镜1、多通道微纳滤波芯片2以及图像传感器7，图像传感器7可以是CCD、CMOS、红外探测器等，由保护窗口3、基座4、感光芯片5、管脚6及后端的信号处理电路组成。多通道微纳滤波芯片2与保护窗口3无缝贴合。光波通过成像物镜1汇聚后照射到多通道微纳滤波芯片2上，多通道微纳滤波芯片2的各滤波通道具有特定的滤波性能及偏振特性，光波通过多通道微纳滤波芯片2分光后照射在感光芯片5上，实现光谱/偏振成像。
所述的成像物镜1为特定焦距、视场角及F数的定焦或变焦镜头。
所述的多通道微纳滤波芯片2基于表面等离子体共振、导模共振、米氏共振、珐珀干涉效应等光-物质交互机理设计。
所述技术方案中，多通道微纳滤波芯片2的滤波通道排布采用“类Bayer”方式，即若干“N×N”的方形阵列重复排布而成，使得所述多通道微纳滤波芯片2的通道数目为N2；各滤波通道由一特定的微纳结构单元实现，各方形滤波通道的边长ρ一致；各滤波通道的透射中心波长λi、带宽Δλi(i＝1，2，…N2)、峰值透射率及偏振特性与该通道对应的微纳结构单元符合对应关系，具有可定制化优势。各滤波通道的透射中心波长λi(i＝1，2，…N2)构成多通道微纳滤波芯片2的工作波段λs-λt。图3、图4分别给出了一窄带宽和大带宽九通道微纳滤波芯片对应的透射光谱。
进一步的，多通道微纳滤波芯片2的滤波通道采用相邻通道对角排布的组合方式，可降低通道间的光谱交叠，并有利于后续的光谱/偏振信息提取。四通道及九通道滤波芯片的通道排布方式分别参阅图5、图6。
进一步的，基于表面等离子体共振及导模共振机理研制的多通道微纳滤波芯片2，各滤波通道的出射光场具有明显的聚焦特性，符合标量衍射理论。各方形滤波通道的焦距Zmi与透射中心波长λi及通道边长ρ满足瑞利-索末菲公式的推导式Zmi＝ρ2/4λi。不同的滤波通道对应不同的焦距。各滤波通道的焦距Zmi均大于图像传感器7中保护窗口3到感光芯片5的距离。
作为优选方案，所述的保护窗口3选用在成像波段具有高透射性能的材料。可见光波段主要有树脂、熔融石英；红外波段包括锗、硅等半导体材料、硫系玻璃及蓝宝石。为提高透射效率，常在保护窗口3表面涂覆抗反射膜层。
所述的感光芯片5是图像传感器7中接收光信号的核心元件，像素数为n×m，像元间距为a×b。
本发明提出的窗口集成式光谱/偏振成像系统的设计过程主要包括以下步骤：
步骤1：根据系统的成像需求(包括滤波性能及偏振特性等)设计多通道微纳滤波芯片2。结构参数主要包括工作波段λs-λt、通道数目N2、透射中心波长λi及带宽Δλi、偏振特性、芯片整体及单通道尺寸等。
步骤2：设计“N×N”相邻滤波通道对角排布的通道排布方式。在此基础上，完成多通道微纳滤波芯片2的总体设计。
步骤3：采用半导体制造工艺进行多通道微纳滤波芯片2的制备，主要包括光刻及刻蚀工艺。常用的光刻工艺主要包括接触式光刻、投影式光刻、灰度光刻、极紫外光刻等，根据滤波结构的特征尺寸选择相应的光刻工艺，部分微小结构可采用聚焦离子束刻蚀、电子束光刻等完成。衬底作为滤波结构的支撑，选用在对应光谱范围具有高透射性能的材料，并在衬底背面沉积抗反射膜层。
步骤4：结合保护窗口3到感光芯片5的实际距离及感光芯片5的准确位置，完成多通道微纳滤波芯片2与图像传感器7的无缝贴合及像素匹配。贴合工艺主要包括采用精密载片将多通道微纳滤波芯片2嵌在保护窗口3上，或采用特定固化胶将多通道微纳滤波芯片2粘贴在保护窗口3处。
步骤5：成像验证。微调成像物镜1，获取目标在不同光谱段、不同偏振态的图像。参阅图7，由于不同滤波通道具有不同的焦距，当某一滤波通道的焦点在感光芯片5上时，经过其他通道的光波并未准确聚焦在感光芯片5上。微调成像物镜1，进而准确获取目标在不同谱段的图像。此外，在偏振成像系统中，不同的滤波通道具有不同的偏振特性，微调成像物镜1，获取目标在不同偏振态下的图像。
步骤6：光谱\偏振图像融合。多通道微纳滤波芯片2的一个滤波通道对应感光芯片5的一个像元子阵列。提取不同谱段、不同偏振态下图像在对应滤波通道的像元子阵列，通过后续算法实现光谱/偏振图像融合，进而获取目标的光谱/偏振融合图像。
有益效果
本发明提出的窗口集成式光谱/偏振成像系统可依据实际成像需求，设计具有特定滤波性能和偏振特性的多通道微纳滤波芯片，通过滤波芯片与图像传感器的无缝贴合及像素匹配，实现光谱/偏振成像系统的微型化和集成化。本研究具有显著的实际应用价值，主要包括：1)多通道微纳滤波芯片在滤波波段及偏振特性方面实现了可定制化，可涵盖所有成像波段，并且加工工艺简单，具有较好的抗震抗冲击性能，在航空航天等领域有着广泛的应用前景；2)单片式多通道微纳滤波芯片与图像传感器的窗口式集成方法，具有研发周期短、成本低的优势，大幅降低了光谱/偏振成像系统的微小型化难度及技术门槛；3)多通道微纳滤波芯片与图像传感器的窗口式集成提高了图像传感器的探测灵敏度，是解决目前图像传感器像元尺寸不断缩小和探测灵敏度降低这对矛盾的有效方法。
附图说明
图1窗口集成式光谱/偏振成像系统结构图
图2窗口集成式光谱/偏振成像系统基本原理图
图3九通道窄带宽透射光谱图
图4九通道大带宽透射光谱图
图5四通道滤波芯片通道组合示意图
图6九通道滤波芯片通道组合示意图
图7多通道微纳滤波芯片与保护窗口贴合成像示意图
图8长波红外四通道滤波芯片透射光谱图
图9九通道偏振滤波芯片通道排布示意图
图10九通道光谱/偏振滤波芯片通道排布示意图
图中，1-成像物镜；2-多通道微纳滤波芯片、3-保护窗口、4-基座、5-感光芯片、6-管脚、7-图像传感器。
具体实施方式
实施例1
本实施例提出的窗口集成式长波红外四通道光谱成像系统的结构参阅图1，基本工作原理参阅图2。成像系统的结构主要包括成像物镜1、多通道微纳滤波芯片2(本实施例中为四通道微纳滤波芯片)以及图像传感器7，本实施例中图像传感器7为红外探测器，由保护窗口3、基座4、感光芯片5、管脚6及后端的信号处理电路组成。四通道微纳滤波芯片2与保护窗口3无缝贴合。红外辐射通过成像物镜1汇聚后照射到四通道微纳滤波芯片2上，四通道微纳滤波芯片2的四个滤波通道具有特定的透射中心波长及带宽，红外辐射通过四通道微纳滤波芯片2分光后照射在感光芯片5上，实现长波红外四通道光谱成像。
所述的成像物镜1为焦距19mm的定焦镜头，波长范围在8-12μm，F数为1，视场角28°×21°。
所述的四通道微纳滤波芯片2基于表面等离子体共振机理设计。四个滤波通道对应的透射中心波长分别为8.5μm、9.5μm、10.5μm、11.5μm，带宽在750nm-950nm之间，工作波段为8-12μm，透射光谱参阅图8。四通道微纳滤波芯片2的通道排布方式为“2×2”的阵列，参阅图5。
进一步的，方形滤波通道的边长为300μm。在不考虑传输损耗的情况下，通道R1、通道R2、通道R3、通道R4的焦距分别为3.14mm、2.78mm、2.41mm、2.19mm。红外探测器7中保护窗口3到感光芯片5的距离近似为2.18mm，滤波通道的焦距符合系统集成要求。
所述的保护窗口3为1mm厚的锗片，在8-12μm波段，透射率大于60％。锗片表面涂覆抗反射膜层。
所述的感光芯片5是红外探测器7中接收光信号的核心元件，像素数为400×300，像元间距为25μm×25μm。
本实施例提出的窗口集成式长波红外四通道光谱成像系统的设计过程主要包括以下步骤：
步骤1：设计四通道微纳滤波芯片2的滤波波段在8-12μm之间，四个滤波通道的透射中心波长分别为8.5μm、9.5μm、10.5μm、11.5μm，滤波带宽在750nm-950nm之间。四通道微纳滤波芯片2的整体尺寸为12.0mm×10.8mm，方形滤波通道的边长为300μm。通道R1、通道R2、通道R3、通道R4的焦距分别为3.14mm、2.78mm、2.41mm、2.19mm。
步骤2：四通道微纳滤波芯片2的排布方式参阅图5。
步骤3：采用投影式光刻及干法刻蚀工艺完成四通道微纳滤波芯片2的制备。衬底选用锗片。
步骤4：保护窗口3到感光芯片5的距离近似为2.18mm，感光芯片5的大小为10.0mm×7.5mm。定制尺寸精密的载片将四通道微纳滤波芯片2嵌在保护窗口3上，通过精确对准和系统成像标定完成四通道微纳滤波芯片2与感光芯片5的无缝贴合及像素匹配。
步骤5：成像验证。微调成像物镜1，获取成像目标在四个光谱波段的图像。
步骤6：光谱图像融合。四通道微纳滤波芯片2的一个滤波通道对应感光芯片5中一个12×12的像元子阵列。提取四个不同光谱波段下的图像在对应滤波通道的像元子阵列，通过融合算法实现四通道光谱图像融合，获取目标的光谱融合图像。
实施例2
本实施例提出的窗口集成式九通道偏振成像系统的结构参阅图1，基本工作原理参阅图2，工作波段在400nm-800nm。成像系统的结构主要包括成像物镜1、多通道微纳滤波芯片2(本实施例中即为九通道微纳滤波芯片)以及图像传感器7，本实施例中图像传感器7为黑白CCD，由保护窗口3、基座4、感光芯片5、管脚6及后端的信号处理电路组成。九通道微纳滤波芯片2与保护窗口3无缝贴合。可见光通过成像物镜1汇聚后照射到九通道微纳滤波芯片2上。九通道微纳滤波芯片2的九个滤波通道具有相同的透射中心波长及带宽，不同的偏振特性。可见光通过九通道微纳滤波芯片2分光后照射在感光芯片5上，实现可见光九通道偏振成像。
所述的成像物镜1为焦距在5-50mm之间的变焦镜头，波长范围在400-800nm，F数为1.6，视场角55°-12°。
所述的九通道微纳滤波芯片2基于导模共振机理设计，基本结构是一维光栅，透射中心波长为532nm，带宽为35nm。滤波通道R1-R9的光栅偏转角从0°增大到160°，间隔20°，改变光栅偏转角可以改变滤波通道的偏振特性。不同的滤波通道具有不同的偏振性能。九通道微纳滤波芯片2的通道排布方式为“3×3”的阵列，参阅图9。
进一步的，方形滤波通道的边长为48μm，在不考虑传输损耗的情况下，通道R1-R9的焦距近似为0.42mm。黑白CCD 7中保护窗口3到感光芯片5的距离近似为0.3mm，滤波通道的焦距符合系统集成要求。
所述的保护窗口3为0.1mm厚的微透镜阵列，材料为熔融石英。
所述的感光芯片5为黑白CCD 7中接收光信号的核心元件，像元数为795×596，像元间距为6μm×6μm。
本实施例提出的窗口集成式可见光九通道偏振成像系统的设计过程主要包括以下步骤：步骤1：设计九通道微纳滤波芯片2九个滤波通道的透射中心波长为532nm，带宽为35nm。
九通道微纳滤波芯片2的整体尺寸为6.0mm×5.0mm，方形滤波通道的边长为48μm。通
道R1-R9的焦距近似为0.42mm。
步骤2：九通道微纳滤波芯片2的排布方式参阅图9。
步骤3：采用电子束曝光及干法刻蚀工艺完成九通道微纳滤波芯片2的制备，当光栅占空比较大时，可采用聚焦离子束刻蚀进行制备。衬底选用石英玻璃。
步骤4：保护窗口3到感光芯片5的距离近似为0.3mm，感光芯片5的大小为4.8mm×3.6mm。定制尺寸精密的载片将九通道微纳滤波芯片2嵌在保护窗口3上，通过精确对准和系统成像标定完成九通道微纳滤波芯片2与感光芯片5的无缝贴合及像素匹配。
步骤5：成像验证。微调成像物镜1，获取成像目标在九种不同偏振态下的图像。
步骤6：偏振图像融合。九通道微纳滤波芯片2的一个滤波通道对应感光芯片5中一个8×8的像元子阵列。提取九种不同偏振态下的图像在对应滤波通道的像元子阵列，通过融合算法实现九通道偏振图像融合，获取目标的偏振融合图像。
实施例3
本实施例提出的窗口集成式九通道光谱/偏振成像系统的结构参阅图1，基本工作原理参阅图2，工作波段在400nm-800nm。成像系统的结构主要包括成像物镜1、多通道微纳滤波芯片2(本实施例中即为九通道微纳滤波芯片)以及图像传感器7，本实施例中图像传感器7为黑白CCD，由保护窗口3、基座4、感光芯片5、管脚6及后端的信号处理电路组成。九通道微纳滤波芯片2与保护窗口3无缝贴合。可见光通过成像物镜1汇聚后照射到九通道微纳滤波芯片2上，九通道微纳滤波芯片2的九个滤波通道具有特定的透射中心波长、带宽及偏振特性，可见光通过九通道微纳滤波芯片2分光后照射在感光芯片5上，实现可见光九通道光谱/偏振成像。
所述的成像物镜1是焦距在5-50mm之间的变焦镜头，波长范围在400-800nm，F数为1.6，视场角55°-12°。
所述的九通道微纳滤波芯片2基于导模共振机理设计，基本结构是一维光栅。滤波通道R1-R9的占空比为0.85，光栅周期在520-940nm之间，透射中心波长在425nm-780nm之间，带宽在23nm-45nm之间。滤波通道R1-R9的光栅偏转角从0°增大到160°，间隔20°，改变光栅偏转角可以改变滤波通道的偏振特性。不同的滤波通道具有不同的滤波性能及偏振特性。九通道微纳滤波芯片2的通道排布方式为“3×3”的阵列，参阅图10。
进一步的，方形滤波通道的边长为60μm，在不考虑传输损耗的情况下，通道R1-R9的焦距在0.32-0.42mm之间。黑白CCD 7中保护窗口3到感光芯片5的距离近似为0.3mm，滤波通道的焦距符合系统集成要求。
所述的保护窗口3为0.1mm厚的微透镜阵列，材料为熔融石英。
所述的感光芯片5为黑白CCD 7中接收光信号的核心元件，像素数为795×596，像元间距为6μm×6μm。
本实施例提出的窗口集成式可见光九通道光谱/偏振成像系统的设计过程主要包括以下步骤：
步骤1：设计九通道微纳滤波芯片2的滤波波段在400-800nm之间，九个滤波通道的透射中心波长在425nm-780nm之间，带宽在23nm-45nm之间。九通道微纳滤波芯片2的整体尺寸为6.0mm×5.0mm，方形滤波通道的边长为60μm。通道R1-R9的焦距在0.32-0.42mm之间。
步骤2：九通道微纳滤波芯片2的排列方式参阅图10。
步骤3：采用电子束曝光及干法刻蚀工艺完成九通道微纳滤波芯片2的制备，当光栅占空比较大时，可采用聚焦离子束刻蚀进行制备。衬底选用石英玻璃。
步骤4：保护窗口3到感光芯片5的距离近似为0.3mm，感光芯片5的大小为4.8mm×3.6mm。定制尺寸精密的载片将九通道微纳滤波芯片2嵌在保护窗口3上，通过精确对准和系统成像标定完成九通道微纳滤波芯片2与感光芯片5的无缝贴合及像素匹配。
步骤5：成像验证。微调成像物镜1，获取成像目标在九种不同光谱波段及偏振态下的图像。
步骤6：光谱/偏振图像融合。九通道微纳滤波芯片2的一个滤波通道对应感光芯片5中一个10×10的像元子阵列，提取九个不同光谱波段及偏振态下的图像在对应滤波通道的像元子阵列，通过融合算法实现九通道光谱/偏振图像融合，获取目标的光谱/偏振融合图像。
Claims (6)
1.一种窗口集成式光谱/偏振成像系统，其特征在于，主要包括成像物镜1、多通道微纳滤波芯片2以及图像传感器7，所述多通道微纳滤波芯片2与所述图像传感器7的保护窗口3无缝贴合；光波通过成像物镜1汇聚后照射到多通道微纳滤波芯片2上，多通道微纳滤波芯片2分光后照射在感光芯片5上，实现光谱/偏振成像；
所述多通道微纳滤波芯片2的通道排布采用“类Bayer”方式，即若干“N×N”方形阵列重复排布而成，使得所述多通道微纳滤波芯片2的通道数目为N2；各滤波通道由一特定的微纳结构单元实现，各方形滤波通道的边长ρ一致；各滤波通道的透射中心波长λi(i＝1，2，…N2)构成多通道微纳滤波芯片2的工作波段λs-λt。
所述各滤波通道的焦距Zmi与透射中心波长λi及通道边长ρ满足瑞利-索末菲公式的推导式Zmi＝ρ2/4λi，各滤波通道的焦距Zmi均大于图像传感器7中保护窗口3到感光芯片5的距离。
2.一种如权利要求1所述的窗口集成式光谱/偏振成像系统，其特征在于，所述多通道微纳滤波芯片2采用相邻通道对角排布的组合模式。
3.一种如权利要求1所述的窗口集成式光谱/偏振成像系统，其特征在于，所述图像传感器7可以是CCD、CMOS或红外探测器，由保护窗口3、基座4、感光芯片5、管脚6及后端的信号处理电路组成。
4.一种如权利要求1所述的窗口集成式光谱/偏振成像系统，其特征在于，所述的成像物镜1为特定焦距、视场角及F数的定焦或变焦镜头。
5.一种如权利要求1所述的窗口集成式光谱/偏振成像系统，其特征在于，所述的保护窗口3在可见光波段选用树脂或熔融石英材料；在红外波段选用半导体材料、硫系玻璃或蓝宝石材料。
6.一种如权利要求1所述的窗口集成式光谱/偏振成像系统，其特征在于，所述保护窗口3表面涂覆有抗反射膜层。
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