CN109269644B - 宽调谐范围光谱成像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光谱分析技术领域，具体涉及一种宽调谐范围光谱成像传感器，该传感器是由分布式布拉格镜形成FP腔结构与图像传感器接合或一体式单片集成加工形成的。与现有技术相比较，本发明基于MEMS可调谐法珀腔光谱过滤原理，提供一种法珀腔与CMOS图像传感器单片集成的光谱图像传感器结构，形成了具有特定的光谱过滤分光特性的微型光电图像传感器。本发明对布拉格镜的膜系中心波长进行了独特的优化设计，保证了MEMS驱动FP腔长调谐波长的过程中，滤波带宽的最优化，避免往短波调谐时，造成滤波带宽的迅速恶化，提高了可调谐光谱成像传感器的光谱分辨率。

Description

宽调谐范围光谱成像传感器
技术领域
本发明属于光谱分析技术领域，具体涉及一种宽调谐范围光谱成像传感器，其为一种将滤光薄膜、光电探测和读出电路利用与CMOS兼容的半导体工艺实现集成的单片式宽可调谐范围单光谱成像微型传感器。
背景技术
普通的RGB彩色图像上的每个像素点包含了用于识别色彩的数据信息。然而，普通的RGB彩色图像的感光三谱段的范围太宽，导致许多光谱信息相近的目标无法被识别区分。为了实现光谱信息相近的目标的区分，需要对RGB三个宽谱段进行窄带滤波，完成目标特征谱段的滤出，实现目标的区分。由于各种待识别目标的特征谱段不同，需要窄带滤波器能够进行中心滤波的可调谐。
法布里-珀罗(FP)可调谐光谱滤波器可集成在CMOS图像传感器上，实现成像传感器的一体化，可调谐FP滤波器制作材料是与CMOS传感器相兼容的半导体材料。可调谐FP滤波器的光腔包括支撑材料分开的气隙通光层，上反射镜和下反射镜。由半导体材料制成(SI3N4和SIO2)的布拉格镜，通过交叠生长制备，反射率高达99％以上，可用作FP腔体反射镜。
可调谐FP滤波器的三个关键参数分别为其自由光谱范围(FSR)、腔体精细度以及腔体滤波器带宽，三个参数全部依赖于有效光腔长度以及腔镜的有效反射率。
在FP滤波器中，最大传输的波长周期性出现，并且相邻极大值之间的间隔(模间隔)称为自由光谱范围，符号ΔλFSR表示。对于设计波长λ，FP滤波器的FSR由通光层的有效光程Leff确定，其表示为：
Figure BDA0001851999710000021
可调谐FP滤波器的精细度FFP由FP腔的有效反射率reff确定：
Figure BDA0001851999710000022
有效反射率则通过FP腔的上反射镜和下反射镜的反射率来确定。
FP滤波器的带宽δλFP则是自由光谱范围(FSR)和精细度的比值，并且由下式给出：
Figure BDA0001851999710000023
可以看出，实现窄带滤波器带宽的要求较高的FP腔反射镜的反射率。可以通过改变滤波腔长度，来将FP可调谐滤波器调谐至选定的波长。FP滤波器的波长调谐范围Δλ由下式给出：
Figure BDA0001851999710000024
其中ΔL为FP腔的腔长变化。为了覆盖更多的待识别目标的特征谱段，滤波器的光谱可调谐范围要达到100nm及以上。
通过MEMS控制腔长实现滤波器的中心波长可调谐，但是在FP腔镜生长过程中，膜系生长厚度由滤波中心波长确定，但是滤波器有可调谐范围，布拉格镜的膜系厚度的波长不随着FP腔的调谐波长改变而变化，因此设计FP腔镜——布拉格镜膜系生长厚度的中心波长的选择将是宽可调谐范围光谱成像传感器的难点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种宽可调谐范围单谱段光谱成像微型传感器。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种宽调谐范围光谱成像传感器，所述传感器的每一个像素都由上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位构成，整个传感器由保护玻璃进行光学保护；
所述上反射镜采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，形成布拉格反射镜，多次相互交叠，反射率达到99％以上，作为FP腔的腔镜；
所述下反射镜具有和上反射层相同的结构和材料，位置在通光层与感光像素之间，同样具有高反效果；
所述通光层是由两块半导体工艺兼容的支撑材料和MEMS微机电控制的电极构成，由两块支撑材料撑起下反射镜和上反射镜之间的距离，形成空气气隙；
所述上反射镜，下反射镜和通光层构成了典型的法珀腔，其下反射镜下面是CMOS传感器的单个像素的像素感光部位；所述下反射镜和像素感光部位采用一体化制备方法，没有空隙，像素感光部位后是完整的电学读出电路，成像感光波长通过MEMS驱动FP腔长进行调谐。
其中，所述布拉格反射镜的膜系中心波长进行了优化设计，其优化波长为：
Figure BDA0001851999710000031
其中，λ0是优化设计的中心波长，λ1是光谱调谐范围的下限，λ2是光谱调谐范围的上限。
其中，所述传感器采用半导体工艺进行一次成型，其上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位均采用半导体工艺相兼容的材料，且纵向严格对齐整，没有后期贴合的部分。
其中，所述高反射率物质为SI3N4。
其中，所述低反射率物质为SIO2。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明基于可调谐法珀腔光谱过滤原理，提供一种法珀腔与CMOS图像传感器单片集成的光谱图像传感器结构，形成了具有特定的光谱过滤分光特性的微型光电图像传感器。该发明的传感器采用半导体工艺进行一次成型，其上反射镜，通光层，下反射镜和像素感光部位均采用半导体工艺相兼容的材料，且纵向严格对齐整，没有后期贴合的部分。
本发明对布拉格镜膜系中心波长进行了优化设计，保证了在MEMS驱动腔长改变调谐波长的过程中，滤波带宽的最优化，避免往短波调谐时，造成滤波带宽的迅速恶化，导致识别目标的特征谱段无法被区分。
以675nm～825nm波段为例，优选中心波长，以常规方案选择为谱段的中心波长750nm作为膜系生产厚度的中心波长，此时通过MEMS改变FP腔长使滤波波长在675nm～825nm范围内调谐，其滤波效果如下图2所示。
MEMS调谐FP腔腔长从153.52nm到344.73nm，滤波中心波长从675nm调谐到825nm，从模拟的滤波效果可以看出当滤波中心波长和布拉格镜的中心波长匹配时，滤波带宽最窄，为10nm；当滤波的中心波长往长波或者短波调谐时，滤波带宽都会加宽；当滤波波长调谐到675nm和825nm时，其滤波带宽都展宽，分别为20nm和15nm；并且当中心波长往短波调谐时，滤波带宽恶化明显，存在短波滤波“翘尾”现象。因此，必须要对布拉格镜的中心波长匹配进行优化设计，由于短波调谐滤波带宽恶化更为明显，所以布拉格镜的中心波长往短波方向上靠近，其设计优化公式为：
Figure BDA0001851999710000041
其中，λ1和λ2是滤波器可调谐波长的下限和上限，λ0是优化设计的布拉格镜的中心波长。根据优化后设计，当选择675nm～825nm可调谐范围，其优化设计的布拉格镜的中心波长为742.6nm，完成优化后，其模拟滤波效果如下图3所示。
布拉格镜膜系中心波长经过优化设计后，FP滤波器的短波调谐滤波效果有明显提升，在675nm和825nm滤波带宽都优化到15nm，此时按照优化后的布拉格镜设计完成的宽可调谐光谱图像传感器的分辨率优化到15nm；当调谐范围越宽时，(比如300nm～900nm，常规设计为600nm，优化设计为450nm)，越需要对布拉格镜中心波长进行优化，达到可调谐光谱图像传感器的分辨率的最优化。
附图说明
图1为本发明光谱图像传感器上的每个像素结构示意图。
图2为未经过优化设计的光谱图像传感器调谐滤波图。
图3为本发明布拉格镜中心波长优化设计后的光谱图像传感器调谐滤波图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术的问题，本发明提供一种宽调谐范围光谱成像传感器，如图1所示，所述传感器的每一个像素都由上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位构成，整个传感器由保护玻璃进行光学保护；
所述上反射镜采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，形成布拉格反射镜，多次相互交叠，反射率达到99％以上，作为FP腔的腔镜；
所述下反射镜具有和上反射层相同的结构和材料，位置在通光层与感光像素之间，同样具有高反效果；
所述通光层是由两块半导体工艺兼容的支撑材料和MEMS微机电控制的电极构成，由两块支撑材料撑起下反射镜和上反射镜之间的距离，形成空气气隙；
所述上反射镜，下反射镜和通光层构成了典型的法珀腔，其下反射镜下面是CMOS传感器的单个像素的像素感光部位；所述下反射镜和像素感光部位采用一体化制备方法，没有空隙，像素感光部位后是完整的电学读出电路，成像感光波长通过MEMS驱动FP腔长进行调谐。
其中，所述布拉格反射镜的膜系中心波长进行了优化设计，其优化波长为：
Figure BDA0001851999710000061
其中，λ0是优化设计的中心波长，λ1是光谱调谐范围的下限，λ2是光谱调谐范围的上限，经过优化设计后，传感器的光谱分辨率得到了明显的提升和优化。
其中，所述传感器采用半导体工艺进行一次成型，其上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位均采用半导体工艺相兼容的材料，且纵向严格对齐整，没有后期贴合的部分。
其中，所述高反射率物质为SI3N4。
其中，所述低反射率物质为SIO2。
实施例1
本实施例为解决现有技术的问题，本发明提供一种光谱成像微型传感器，如图2所示，所述传感器的每一个像素都由上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位构成，上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位均采用半导体工艺相兼容的材料，采用半导体工艺进行生长，完成时一体成型；整个传感器由保护玻璃进行光学保护；
所述上反射镜采用多层高反射率物质SI3N4和多层低反射率物质SIO2交替制备，形成布拉格反射镜，当交叠次数达到10次以上(一层高折射率物质配合一层低折射率物质定义为一次交叠)，上反射镜的反射率高达99％，具有高反光效果(达到法珀腔镜的要求)，上反射镜位于芯片保护玻璃之下，通光层之上；
所述通光层是由两块半导体工艺兼容的支撑材料和MEMS微机电控制的电极，由两块支撑材料撑起下反射镜和上反射镜之间形成空气气隙。
所述上反射镜，下反射镜和通光层构成了典型的法珀腔，其下反射层下面是CMOS传感器的像素感光部位。
在所述下反射层和上反射镜之间形成光腔；通过电压驱动MEMS微机电改变光腔腔长，从而改变FP腔长调谐感光中心波长，调谐光谱范围为λ1到λ2。
所述下反射镜具有和上反射层相同的结构和材料，位置在通光层与感光像素之间，同样具有高反效果；
所述下反射镜和像素感光部位采用一体化制备方法，没有空隙，像素感光部位后是完整的读出电路。
上反射镜和下反射镜的分布布拉格结构的膜系厚度需进行优化设计，每层堆叠厚度为1/4λ0，
即：在布拉格镜的膜系生长厚度的中心波长选择上，选择的波长窗口在可见光-近红外范围，
优化设计的中心波长λ0的优化设计公式为：
Figure BDA0001851999710000071
其中，λ1和λ2是滤波器可调谐波长的下限和上限，λ0是优化设计的布拉格镜的中心波长。
其中，所述传感器采用半导体工艺进行一次成型，其上反射镜，通光层，下反射镜和像素感光部位均采用半导体工艺相兼容的材料，且纵向严格对齐整，没有后期贴合的部分。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种宽调谐范围光谱成像传感器，其特征在于，所述传感器的每一个像素都由上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位构成，整个传感器由保护玻璃进行光学保护；
所述上反射镜采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，形成布拉格反射镜，多次相互交叠，反射率达到99％以上，作为FP腔的腔镜；所述高反射率物质为SI3N4；所述低反射率物质为SIO2；
所述下反射镜具有和上反射层相同的结构和材料，位置在通光层与感光像素之间，同样具有高反效果；
所述通光层是由两块半导体工艺兼容的支撑材料和MEMS微机电控制的电极构成，由两块支撑材料撑起下反射镜和上反射镜之间的距离，形成空气气隙；
所述上反射镜，下反射镜和通光层构成了典型的法珀腔，其下反射镜下面是CMOS传感器的单个像素的像素感光部位；所述下反射镜和像素感光部位采用一体化制备方法，没有空隙，像素感光部位后是完整的电学读出电路，成像感光波长通过MEMS驱动FP腔长进行调谐；所述传感器采用半导体工艺进行一次成型，其上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位均采用半导体工艺相兼容的材料，且纵向严格对齐整，没有后期贴合的部分；
所述布拉格反射镜的膜系中心波长进行了优化设计，其优化波长为：
Figure FDA0002597259130000011
其中，λ0是优化设计的中心波长，λ1是光谱调谐范围的下限，λ2是光谱调谐范围的上限。
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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20190125

Assignee: Aerospace Photoelectric Technology Development (Tianjin) Co.,Ltd.

Assignor: TIANJIN JINHANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY PHYSICS

Contract record no.: X2021990000717

Denomination of invention: Wide tuning range spectral imaging sensor

Granted publication date: 20201002

License type: Exclusive License

Record date: 20211122

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