CN110383047B - 多频带成像系统 - Google Patents

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Abstract

使用相同彩色或单色图像传感器成像的成像系统和方法，其中成像可以在至少两个成像模式之间切换，例如在可见成像模式和IR成像模式之间切换，而不从成像对象和图像传感器之间的光路中的给定位置移动任何系统组件。在示例中，一种系统包括图像传感器、可调谐光谱滤波器和多带通滤波器，可调谐光谱滤波器和多带通滤波器，布置在对象和图像传感器之间的通用光路中，以及控制器，其被配置并可操作以将可调谐光谱滤波器定位在与多个成像模式相关的多个操作状态中。

Description

多频带成像系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年11月20日提交的美国临时专利申请62/424470和62/424472以及2017年7月12日提交的美国临时专利申请62/531,515的权益，所有这三个申请均通过引用整体并入本文。
技术领域
本文公开的实施例总体上涉及数字相机，并且更具体地涉及能够进行双模或多模成像的数字相机。
背景技术
彩色成像是已知的，并且通常使用具有覆盖有例如拜耳型滤色器阵列(CFA)的滤色器阵列(CFA)的像素化图像传感器的数字相机来执行。最近，已经提出了使用顺序成像进行彩色成像的系统和方法。这样的系统和方法允许捕获具有改进的色彩保真度和/或具有超光谱颜色信息的彩色图像。
标准具形式的可调谐光谱滤波器也是已知的。标准具包括两个平行的反射镜。光谱透射分布由反射镜之间的间隙决定。施加到标准具的电压调谐对反射镜之间的间隙(这提供了所谓的“光学腔”)进行了调谐，并且接着调谐光谱透射分布。
结合双模成像能力或“操作模式”(例如可见或“VIS”波长范围内的彩色成像和近红外(NIR)波长范围内的红外(IR)成像)的数字相机也是已知的。通常，VIS范围通常被理解为指的是波长在大约(大约)400-700纳米(nm)之间的光谱范围，而可以由硅图像传感器捕获的NIR范围通常被理解为指的是光谱范围波长介于约700-1100纳米。这些范围是近似值，所引用的值不是限制性的。已知相机的一个问题是它们通常需要具有移动部件的机构，用于从一种操作模式切换到另一种操作模式。
共同拥有的国际专利申请No.WO2014207742公开了一种用于改善彩色成像的双色/红外相机。
对于两种或更多种操作模式(即，用于在至少两个不同的单独波长段中成像)，需要具有多模式相机并且将是有利的。
发明内容
在各种实施例中，提供了具有至少两种操作模式的数字相机(也称为“数字成像系统”)。这种相机在这里可以称为“双用途”、“双模式”、“多用途”或“多模式”相机。如这里所使用的，术语“成像”对应于图像数据的获取，图像数据例如，可以以已知的方式被处理成图像的图像数据。例如，通过像素化的图像传感器获取图像数据。图像数据可以包括对从物体发射和/或反射的入射光的总系统光谱响应(TSSR)。为简洁起见，以下描述详细地涉及双模式相机及其使用方法，其中根据所提供的细节对两种以上模式的扩展变得清楚。在一个示例中，至少两种操作模式可包括在给定波长范围内的两个单独的不同模式，例如在VIS范围内或在NIR范围内。在另一个示例中，至少两种操作模式可以包括两个分别在不同波长范围内的模式，例如，一种模式可以是在VIS(或颜色)范围内，另一个在NIR范围。不同的成像模式也可以称为“VIS成像”、“IR成像”、“彩色成像”或“VIS模式”、“IR模式”、“彩色模式”等。
根据一些示例，本文公开的双用途相机包括图像传感器，可调谐光谱滤波器(例如标准具)和具有至少两个在其透射分布中的“窗口”或频带通道的不可调谐(也称为“固定”)滤波器。或者，控制器可操作地连接到用于驱动可调谐光谱滤波器的集成电路(IC)驱动器。可选地，相机可以包括图像处理器装置，用于执行图像捕获和处理算法。在一些示例性实施例中，图像传感器可以是单色传感器(没有滤色器阵列或“CFA”)。在一些示例性实施例中，图像传感器可以是具有拜耳型CFA的彩色图像传感器，其具有诸如RGGB，RGBW或RWWB等的图案。在一些示例性实施例中，固定滤波器可以是“调节的”IR截止滤波器(IRCF)，其在VIS波长范围内透射(允许光通过)并且还具有第二透射窗口，其允许在IR波长范围内的光入射(即实质上是双频带通滤波器)。术语“调整的”是指“陷波”的位置和宽度，“陷波”定义为透射窗口之间的间隙，根据应用需求选择(例如，适合光源波长或工作在由于大气吸收而环境光较低的波长中)。在一些示例性实施例中，可调谐光谱滤波器可以是标准具形式的微机电系统(MEMS)滤波器(具有至少两个透射状态。双用途相机可选地还可以包括主动照明器，用于以在传感器灵敏度范围内的波长X照射对象或场景。
当可调谐光谱滤波器在一个成像模式中，例如VIS模式时，通过将传感器量子效率(Qe)乘以标准具和IRCF的动作而获得的组合光谱曲线透射大部分VIS光谱和非常小的IR强度，后者可能因此被忽略。然后，各种图像处理算法可以由图像处理器实现。
当可调谐光谱滤波器处于另一成像模式时，例如IR模式，组合的光谱曲线透射一些VIS光谱和尽可能多的IR光谱。例如，当可调谐光谱滤波器是标准具时，那么根据标准具镜的涂层(即，涂层材料和厚度)，有两种选择：(1)IR模式是'纯的'，意味着VIS透射强度足够低，以便可以容易地检测IR光，或(2)IR模式与VIS“混合”，并且必须采集额外的VIS帧并从IR帧中减去额外的VIS帧。有利地，特定标准具光谱透射率曲线(通过配置特定标准具镜间隙获得)与定制IRCF的透射曲线的光谱组合提供额外的自由度(DOF)以获得想要的透射曲线，如IRCF去除任何不相关的波长。
在各种实施例中，提供了系统，系统包括图像传感器、可调谐光谱滤波器和不可调谐多带通滤波器的，可调谐光波滤波器和多带通滤波器布置在对象和图像传感器之间的通用光路中，以及控制器，被配置并可操作为将可调谐光谱滤波器定位在与多个成像模式相关的多个操作状态中，其中，多个成像模式中的至少一个成像模式提供对象的相应图像数据。
在一些示例性实施例中，可调谐光谱滤波器包括可调谐标准具装置。在一些实施例中，可调谐标准具装置是微机电系统(MEMS)标准具装置。在一些实施例中，MEMS标准具装置包括前镜和后镜，前镜和后镜在初始未致动标准具状态下由具有预应力未致动间隙尺寸的间隙分开，MEMS标准具装置被配置为采用至少一个致动状态，在致动状态中，间隙具有比预应力未致动间隙尺寸大的致动间隙尺寸间隙。在一些实施例中，预应力未致动间隙尺寸由后止动器结构确定，后止动器结构与前镜物理接触，后止动器结构形成于后镜的面向前镜的第一表面上。
在该系统的一些示例中，不可调谐多带通滤波器包括至少第一透射窗口和第二透射窗口，其中每个透射窗口允许特定波长范围内的光通过，其中在第一操作状态中，可调谐滤波器被定位成允许第一波长范围内的光通过，第一波长范围至少部分地与不可调谐多带通滤波器的第一透射窗口的波长范围重叠，使得通过第一波长范围外的光的通过被不可调谐多带通滤波器减少，并且其中第二操作状态中，可调谐滤波器被定位成允许第二波长范围内的光通过，其中，第二波长范围不同于第一波长范围。
在一些示例中，可调谐滤波器的第二波长范围至少部分地与不可调谐多带通滤波器的第二透射窗口的波长范围重叠，使得在第二波长范围外的光的通过被不可调谐多带通滤波器减少。
在一些示例中，不可调谐多带通滤波器的第一透射窗口的波长范围比可调谐滤波器的第一波长范围窄，使得朝向图像传感器的光的波长范围比第一波长范围窄，和/或其中，不可调谐多带通滤波器的第二透射窗口的波长范围比可调谐滤波器的第二波长范围窄，使得朝向图像传感器的光的波长范围比第二波长范围窄。
在一些示例中，第一操作状态与可见(VIS)成像模式相关，并且第二操作状态与红外(IR)成像模式相关。
在一些示例中，第一操作状态与对应于第一IR波长范围的第一IR成像模式相关，并且第二操作状态与对应于不同于第一波长范围的第二IR波长范围的第二IR成像模式相关。
根据一些实施例，提供了一种操作成像系统的方法，该成像系统包括可调谐光谱滤波器和不可调谐多带通滤波器，可调谐光谱滤波器和多带通滤波器布置在对象和图像传感器之间的通用光路中，其中，不可调谐多带通滤波器至少包括第一透射窗口和第二透射窗口，每个透射窗口允许特定波长范围内的光通过，该方法包括：将可调谐光谱滤波器调谐到与第一成像模式相关的第一操作状态；其中，在第一操作状态中，可调谐滤波器被定位成允许第一波长范围内的光通过，第一波长范围至少部分地与不可调谐多带通滤波器的第一透射窗口的波长范围重叠，使得通过第一波长范围外的光的通过被不可调谐多带通滤波器减少；和将可调谐光谱滤波器调谐到与第二成像模式相关的第二操作状态，其中，在第二操作状态中，可调谐滤波器被定位成允许第二波长范围内的光通过，其中，第二波长范围不同于第一波长范围。
在一些示例中，可调谐滤波器的第二波长范围至少部分地与不可调谐多带通滤波器的第二透射窗口的波长范围重叠，使得在第二波长范围外的光的通过被不可调谐多带通滤波器减少。
在一些示例中，不可调谐多带通滤波器的第一透射窗口的波长范围比可调谐滤波器的第一波长范围窄，使得通向图像传感器的光的波长范围比第一波长范围窄，和/或其中，不可调谐多带通滤波器的第二透射窗口的波长范围比可调谐滤波器的第二波长范围窄，使得通向图像传感器的光的波长范围比第二波长范围窄。
在一些示例中，第一操作状态与VIS成像模式相关，并且第二操作状态与IR成像模式相关，方法还包括，当可调谐光谱滤波器在第一操作状态中，捕获至少一个VIS图像，并且当可调谐光谱滤波器在第二操作状态中，激活IR投影仪并捕获至少一个IR图像，并从至少一个IR图像的图像数据中减去来自至少一个VIS图像的图像数据，从而增强IR图像数据。
在一些示例中，第一操作状态与IR成像模式相关，并且其中，第二操作状态与快门模式相关，方法还包括在传感器中的所有像素或大多数像素的重叠曝光发生期间的时间窗口，使可调谐光谱滤波器的调谐与第一操作状态相关，在时间窗口期间激活IR投影仪，并将可调谐光谱滤波器的调谐与第二操作状态相关，定时在时间窗口之外。
第一操作状态与VIS成像模式相关，并且其中，第二操作状态与快门模式相关，方法还包括在传感器中的所有像素或大多数像素的重叠曝光发生期间的时间窗口，使可调谐光谱滤波器的调谐与第一操作状态相关，在时间窗口期间激活VIS投影仪，并且将可调谐光谱滤波器的调谐与第二操作状态相关，定时在时间窗口之外。
在各种实施例中，提供了方法，方法包括提供包括图像传感器、可调谐光谱滤波器、多带通滤波器和控制器的相机，可调谐光谱滤波器和多带通滤波器布置在对象和图像传感器之间的通用光路中，配置并操作控制器以将可调谐光谱滤波器定位在与多个成像模式相关的多个操作状态中，其中，多个成像模式中的至少一个成像模式提供对象的相应图像数据。
在一些实施例中，在至少一个透射窗口中提供图像数据。
在一些实施例中，图像传感器是彩色图像传感器，并且至少一个透射窗口是可见透射窗口。
在一些实施例中，图像传感器是单色图像传感器，并且至少一个透射窗口是红外透射窗口。
在一些实施例中，多个成像模式包括可见成像模式和红外成像模式。
在一些实施例中，多个成像模式包括两个红外成像模式。
在一些实施例中，多个成像模式包括红外成像模式和快门模式。
在一些实施例中，多个操作状态包括与三个成像模式相关的三个状态。
附图说明
本文公开的实施方案的非限制性实施例在下文中参考本文所附的附图描述。附图和描述旨在解释和阐明本文公开的实施例，并且不应被视为以任何方式进行限制。不同附图中的相同元件可以用相同的数字表示。
图1A示意性地示出了根据本文公开的一些实施例配置的用于双模式或多模式成像的成像系统；
图1B示出了彩色图像传感器的红色、绿色和蓝色响应曲线；
图1C示出了黑白图像传感器的响应曲线；
图1D示意性地示出了根据示例的位于两个操作状态中的不可调谐四带通(四窗口)滤波器和可调谐光谱滤波器的透射曲线。
图2A以示意图示意性地示出了本文公开的可调谐MEMS标准具装置的第一示例性实施例；
图2B示出了图2A的装置的截面；
图3A示出了图2B的装置在初始的作为制造的非应力未致动状态；
图3B示出了图2A的装置在初始预应力未致动状态；
图3C示出了图2B的装置在致动状态；
图4示意性地示出了图2A或图2B的装置中的功能性机械层的俯视图；
图5示出了具有多个电极的盖；
图6A示意性地示出了本文公开的可调谐MEMS标准具装置的第二示例性实施例，其剖视图和初始作为制造的非应力未致动状态；
图6B示出了图6A的装置在初始预应力未致动状态；
图6C示出了图6B的装置在致动状态；
图7示出了图6的装置中的SOI晶片的操纵层的仰视图；
图8A示出了根据一个实施例的在可见成像模式中的标准具的透射曲线；
图8B示出了根据实施例的在IR成像模式中标准具的透射曲线；
图9A示出了根据图8A的实施例的在可见成像模式中的标准具和IRCF的组合透射曲线；
图9B示出了根据图8B的实施例的在IR成像模式中的标准具和IRCF的组合透射曲线；
图10A示出了根据图8A的实施例的在可见成像模式中获得的总系统光谱响应(TSSR)；
图10B示出了根据图8B的实施例的在IR成像模式中获得的TSSR；
图11A示出了根据另一实施例的在可见成像模式中的标准具的透射曲线；
图11B示出了根据另一实施例的在IR成像模式中的标准具的透射曲线；
图12A示出了与图11A的实施例有关的在可见成像模式中的标准具和IRCF的组合透射曲线；
图12B示出了与图11B的实施例相关的在IR成像模式中的标准具和IRCF的组合透射曲线；
图13A示出了在与图11A的实施例有关的在可见成像模式中获得的TSSR；
图13B示出了在与图11B的实施例有关的在IR成像模式中获得的TSSR；
图14A示出了根据实施例的在第一IR成像模式中的标准具的透射曲线；
图14B示出了根据实施例的在第二IR成像模式中的标准具的透射曲线；
图15A示出了根据图14A的实施例的在第一IR成像模式中的标准具和双频带通滤波器的组合透射曲线；
图15B示出了根据图14B的实施例的在第二IR成像模式中的标准具和双频带通滤波器的组合透射曲线；
图16A示出了根据图14A的实施例的在第一IR成像模式中获得的TSSR；
图16B示出了根据图14B的实施例的在第二IR成像模式中获得的TSSR；
图17A示出了在快门模式的第一示例中的标准具的透射曲线；
图17B示出了在快门模式的第一示例中的标准具和双频带通滤波器的组合透射曲线；
图17C示出了在快门模式的第一示例中获得的TSSR；
图18A示出了在快门模式的第二示例中的标准具的透射曲线；
图18B示出了在快门模式的第二示例中的标准具和三频带通滤波器的组合透射曲线；
图18C示出了在快门模式的第二示例中获得的TSSR。
具体实施方式
参考图1A，其示意性地示出了根据本文公开的一些实施例配置的用于双用途或双模式成像的成像系统(也称为“相机”)100。系统100包括可调谐光谱滤波器(例如标准具)102、不可调谐多带通滤波器(MBF)104和图像传感器(或简称“传感器”)106。不可调谐多带通滤波器阻塞除了滤波器的透射窗口(由所谓的“陷波”分开)之外的传感器对其敏感的所有频谱(例如，对于基于CMOS的图像传感器为400-1100nm)。因此，它也可以称为“多窗口滤波器”，此后用于代替MBF或与MBF互换的术语。标准具102和MBF 104布置在从对象或场景(未示出)朝向传感器106的光传播的一般光学路径108中。在一些实施例中，传感器106可以是单色传感器。在一些实施例中，传感器106可以是彩色传感器(具有CFA)。CFA可以是任何类型的CFA，例如具有拜耳模式，包括(但不限于)RGGB、RGBW或RWWB每像素滤波器布置。
MBF 104通常可以是多窗口滤波器，其中“多窗口”是指具有多个透射窗口的滤波器。例如，MBF 104可以是双窗口滤波器、三窗口滤波器、四窗口滤波器等。用于本文公开的系统和方法的双窗口滤波器的示例包括由Midwest Optical Systems，Inc.322 WoodworkLane Palatine，IL 60067 USA制造的用于可见的(VIS)和940nm IR频带的DB940双带通滤波器，和用于VIS和850nm IR频带的IRC40双带通滤波器，由Sunex Inc.，USA，3160Lionshead Ave,Suite B,Carlsbad,CA 92010提供。DB940透射VIS光(例如400-650nm)并且在IR区域(例如920-980nm)具有X＝940nm的窄的透射窗口。注意，940nm和830nm透射窗口是以示例的方式给出的，并且具有VIS或IR频带中的其他透射窗口的滤波器是已知的并且可商购。可用于本文公开的系统和方法的三频带带通滤波器的示例包括Semrock FF01-514/605/730-25滤波器，其具有以约514、605和730nm为中心的透射窗口。
在一些示例性实施例中，传感器是彩色图像传感器，其具有由滤色器阵列(CFA)覆盖的多个传感器像素。图1B示出了在示例性实施例中使用的彩色图像传感器(尼康D700)的红色、绿色和蓝色响应曲线。曲线表示该图像传感器的CFA透射+传感器光谱灵敏度的归一化结果。图1C示出了单色(黑色和白色)图像传感器的归一化响应曲线。
图1D示意性地示出了不可调谐的四带通(四窗口)滤波器和位于两个操作状态(或“模式”)，“模式I”和“模式II”中的可调谐光谱滤波器的透射曲线。透射高的固定滤波器的四个窗口是窗口1、窗口2、窗口3和窗口4。在可调谐滤波器的模式I中，透射在较低波长范围内低(例如，如图所示，在约在400和720nm之间)并且在较高波长范围内高(例如，如图所示，在约780和1000nm之间)。在可调谐滤波器的模式II中，透射率在较低波长范围内高(例如，如图所示，在约400和620nm之间)并且在较高波长范围内低(例如，如图所示，在约650和1000nm之间)。两个滤波器的组合动作或操作使得能够阻挡在一些光谱范围或窗口中的光，并且允许在其他光谱范围或窗口中的光的高透射(例如朝向图像传感器)。例如，由于在模式I的可调滤波器和窗口4的组合作用，并且由于在模式II的可调谐滤波器和窗口1和2中的每一个窗口的组合动作，获得了高透射。例如，由于在模式I或II中的可调滤波器和窗口3中的组合作用而获得光阻挡。
在一些示例中，系统100还包括控制器110，控制器110可操作地耦合到标准具102，并且被配置和操作以将标准具定位(驱动)到至少两个操作状态，例如一个用于彩色(VIS)成像模式中的彩色图像采集，一个用于IR成像模式中的IR图像采集。布置在待成像的源对象(未示出)和标准具之间的光路108中的光学块114可选地可以是成像系统100的一部分。可选地，成像系统还可以包括用于执行图像捕获和用于处理算法的处理器112，和结构光(SL)投影仪(未示出)，例如由加拿大的OSELA INC.1869,32nd Avenue，Lachine，QC制造的IR SL投影仪。成像系统还可以可选地包括用于虹膜识别应用的光源(诸如LED-未示出)。
在一个示例中，标准具102是参考图2-5或7详细描述的可调谐微机电系统(MEMS)法布里-珀罗(FP)标准具装置。在其他实施例中，其他可调谐光谱滤波器可用于某些目的。在下文中，为简洁起见，MEMS FP标准具可称为“标准具”。
注意，多窗口滤波器可以沿光路定位在不同的位置。例如，它可以定位在标准具102和传感器106之间(如图所示)，或者定位在光学块114和标准具102之间。
系统100可以应用于在传感器对其敏感的光谱的至少两个单独区域(频带)中成像(例如，对于CMOS传感器为400-1100nm)。这在本文中称为“多频带成像”。至少两个光谱频带可以例如在VIS光谱范围内、IR光谱范围内或在VIS和IR两者光谱范围内。
图2A以等距视图示意性地示出了本文公开的编号为102'的可调谐MEMS标准具装置的第一示例。图2B显示了装置102'沿着标记为A-A的平面的等距截面。装置102'与XYZ坐标系结合示出，XYZ坐标系也适用于所有下面的附图。图3A、3B和3C示出了在三种配置(状态)中的平面A-A中的装置102'的横截面，三种配置(状态)为：作为制造的(非应力的)未致动状态(图3A)，预应力未致动状态(图3B)和致动状态(图3C)。装置102'包括两个基本上平坦且平行的反射镜/反射表面，底部(或“后”)反射镜202和由“后”间隙分开的顶部(或“孔”)反射镜204。如这里所使用的，术语“前”和“后”反映了装置朝向光线的方向。如图所示，前(顶部)反射镜是进入标准具的光线路径中的第一个反射镜。在一个示例中，反射镜形成在平面玻璃板或晶片中。本文所用的术语“玻璃”应广义地解释为包括对标准具和图像传感器以所需方式起作用的所需波长范围内的光具有合适透明度的任何材料或材料组合，例如石英或二氧化硅。如本文所用，术语“板”，“晶片”或“层”是指基本上二维的结构，其厚度由两个平行的平面限定，并且宽度和长度基本上大于该厚度。“层”还可以指更薄的结构(与其他层的典型微米厚度相对，低至纳米厚度)。在一实施例中，后镜202形成在玻璃晶片中，该玻璃晶片也用作装置的衬底。在其他实施例中，后镜202可以形成在“混合”板或混合材料中，使得光线穿过的中心部分(“孔”)对于光的波长是透明的(例如由玻璃制成)。而围绕孔的板部分由不同的材料制成，例如硅。混合方面可以增加反射镜的刚度和强度。
在制造状态下，如图3A所示，前后镜之间的后间隙具有标记为g0的尺寸。在未致动状态下，如图3B所示，后间隙具有由g1标记的尺寸。在致动状态下，图3C，后间隙具有由g2标记的尺寸。反射镜可相对于彼此移动，使得后间隙可在某些最小(gMn)和最大(gMx)间隙尺寸之间调节。在所示的特定坐标系中，运动在Z方向上。具体地，根据本文公开的某些示例，后镜202是固定的，前镜204是可移动的。在预应力未致动状态下间隙尺寸最小，因此g1＝gMn。最大后间隙尺寸gMx对应于“最大”致动状态。当然存在许多致动状态(甚至是连续的状态范围)，其中后间隙具有gMn和gMx之间的值g2。
装置102'还包括第一止动器结构(也称为“后止动器”)206，其以不阻挡设计成到达图像传感器的光线的方式位于反射镜202和204之间。后止动器206可以形成在任一反射镜上。在最初制造的未致动状态中，如图3A所示，两个镜彼此靠近定位，最小间隙距离gMn由后止动器206定义，后止动器206用作位移限制器。止动器206的附加功能是防止由于外部冲击和振动引起的前镜的不期望的位移。后止动器206设计成防止反射镜之间的接触并确保gMn永远不为零。如果它们的尺寸小并且它们不会显著地模糊光学信号，它们可以位于光学孔径区域内。后止动器在光学孔径区域内的位置可以以可移动前镜204的位移最小的方式进行优化。在一些示例中，后止动器206由金属制成，例如图案化的Cr-Au层，Ti-Au层或Ti-Pt层。前镜和后镜的反射率/透明度根据标准具的所需光谱透射特性来选择。根据一些示例，每个反射镜在某种程度上是半反射的。
装置102'还包括具有开口(“孔”)210的安装框架结构(或简称“框架”)208。框架208例如由单晶硅制成，并且固定地附接(例如，通过粘合)到前镜204。也就是说，反射镜204“安装”在框架208上并因此与框架208一起移动。开口210允许光线通过前镜进入标准具。因此，前镜有时也称为“孔镜”。
在一些示例中，后镜202和可选的前镜204包括沉积在玻璃层/基板上的氧化钛(TiO2)层。在某些示例中，本文所公开的装置可包括在面向框架208的表面上的后镜202上形成的一个或多个电极(未示出)，以使得框架结构能够朝向后镜的致动(从而引起前镜的移动)。可以应用替代的致动机构，例如，压电致动，开尔文力等。前镜朝向或远离后镜的运动调谐标准具的光谱透射频带分布。
装置102'还包括锚结构(或简称“锚”)212，其由例如单晶硅制成。锚212和框架208通过挠曲/悬挂结构彼此附接。悬挂结构可以是例如以弯曲或扭转弹簧、这种弹簧的组合或者适于承载前镜的薄的扁桃形膜的形式图案化的锚结构212的区域。在装置102'中，悬架结构包括多个悬架弹簧/挠曲件。根据一些示例，在装置102'中，多个悬架弹簧/挠曲件包括由单晶硅制成的四个弹簧214a，214b，214C和214d。在其他示例中，弹簧/挠曲件由玻璃制成。框架208、锚212和弹簧214一起形成“功能性机械层”400，如图4中的俯视图所示。
图3A-3C示出了前镜204的面向入射光的表面附接到框架208。还示出了包括四个弹簧214a、214b、214C和214d(参见图4)的挠曲结构附接到锚212和框架结构208但不附接到前镜。
框架208通过间隔结构(或简称“间隔物”)216与后镜202间隔开。根据一些示例，间隔物216可由玻璃材料形成。间隔件216用于将框架和弹簧与形成反射镜202的板分开。虽然原则上硅锚212可以直接附接到底板而没有间隔物216，但这需要弹簧非常大的变形。对于所采用的几何形状，该变形超出弹簧材料的强度极限，这需要存在间隔层216。由于技术原因，在一些示例中，可移动的前镜204和间隔物216均由相同的玻璃板制成(晶片)。这简化了制造，因为玻璃和硅晶片在晶片水平处结合。出于这个原因，装置102'在本文中称为玻璃-硅-玻璃(GSG)装置。
装置102'还包括盖板(或简称“盖”)218，盖板218具有形成在其上或附接到其上的电极220(参见图3A至3C)。电极220可以定位在例如盖218的底侧(面向反射镜)。电极220通过一个或多个贯穿玻璃通孔224与一个或多个接合垫226永久电接触，其中一个或多个接合垫226位于盖218的相对(顶部)侧。电极220用于致动框架208(从而引起前镜204的移动)。盖包括第一凹槽(腔体)219，以在框架208和电极220之间提供“前”(也称为“静电”)间隙d。在制造的配置中(在将装置接合到后镜之前)，如图3A所示，间隙d的尺寸为d0。在接合之后，在图3B所示的预应力未致动状态中，间隙d具有最大尺寸dMx。在任何致动状态中(如图3C中所示)，间隙d具有尺寸d2。装置102'还包括在框架208和盖218之间分开的前止动器222。在一些示例中，前止动器222将框架208与盖电极220电隔离(防止框架208与盖电极220之间的电气短路)。在一些示例中，前止动器222定义前镜204和后镜202之间的最大间隙。
在一个示例中，盖由玻璃材料制成。在其他示例中，盖218可以由“混合”板或混合材料制成，使得光线穿过的中心部分(“孔”)对于光的波长是透明的(例如由玻璃制成)，而围绕孔的板部分由不同的材料制成，例如硅。混合方面可以增加盖的刚度和强度。
在某些示例中，特别是在涉及成像应用的情况下，反射镜202和204的长度L和宽度W(图2A)应该一方面足够大(例如，在几百微米(μm)到几毫米(mm)的量级上)，以允许光通过相对宽的多像素图像传感器。另一方面，最小间隙gMn应足够小(例如几十纳米(nm))，以允许标准具有所需的光谱透射特性。这导致反射镜之间的光学腔的大纵横比(例如，在横向维度W和L以及最小间隙距离gMn之间)，这接着要求在反射镜之间保持精确的角度对准，以减少或防止标准具沿其宽/横空间方向的彩色空间透射频带空间扭曲。在一些实例中，gMn可具有低至20纳米(nm)的值，而gMx可具有高达2μm的值。根据一个示例，gMx的值可以在300至400nm之间。具体值取决于所需的光学波长，并由具体应用决定。因此，gMx可以比gMn大一到两个数量级。在某些示例中，L和W可各自为约2毫米(mm)，并且弹簧214可各自为约50μm厚、约30μm宽和约1.4mm长。在某些示例中，盖218、后镜202和前镜204的玻璃层的厚度可以是约200μm。在一些示例中，L＝W.
应该理解的是，所有尺寸仅通过示例给出，不应以任何方式视为限制。
图3A-3C提供了关于装置102'的结构以及其一些元件的功能的附加信息。如上所述，图3A示出了处于初始的、作为制造的和未致动的非应力状态的装置102'。作为制造的、前镜204不接触后止动器206。图3B示出了图3A的装置在初始预应力未致动状态中，前镜204物理地接触后止动器206。当间隔层216被强迫与玻璃晶片基板(其包括后镜202)接触用于将间隔物216共晶接合到后镜202的玻璃板时，通过弹簧施加在框架上的应力引起物理接触。因此，图3B(以及图6B)中所示的配置被称为“预应力”。图3C示出了处于致动状态的装置，其中前镜204处于后止动器206和前止动器222之间的中间位置，远离后镜202移动。
后镜202包括第二凹槽228，其深度t设计成在组装/接合之后提供弹簧的预应力。根据一些示例，选择凹陷深度t一方面使得由于弹簧的变形和前可移动镜204附接到后止动器206而产生的接触力足够高，以在装置的正常操作期间，防止在冲击和振动的情况下接触。另一方面，在一些示例中，凹陷深度t加上最大所需行进距离(最大后间隙尺寸)gMx的组合值小于在电极220和框架208之间(图3A)的间隙的作为制造的(“静电”)间隙尺寸d0的三分之一，以通过位于盖子上的电极提供框架的稳定可控静电操作。在某些实例中，制造的静电间隙d0可具有约3-4μm的值并且t可具有约0.5-1μm的值。稳定操作的要求是t+gMx<d0/3，因为电容致动器的稳定行进距离是作为制造的静电间隙的1/3，即是d0/3。
注意，在某些示例中，未致动状态可以包括其中可移动镜204被悬挂并且不接触后止动器206或前止动器222的配置。
在致动状态中，如图3C所示，安装环和前镜远离后镜位移。这通过在用作致动电极的致动基板的一个或多个区域/电极220与一个或多个区域框架208之间施加电压V来实现。
根据一些示例，装置102'是完全透明的。它包括透明后镜(202)，透明前镜(204)和透明盖(218)以及透明功能性机械层400。完全透明的一个优点是可以从两侧光学地观察装置。另一个优点是该结构可用于许多其他光学装置，结合例如反射镜、衍射光栅或透镜的可移动机械/光学元件。在一些示例中，装置200被配置为全玻璃结构，其中功能性机械层包括玻璃基板，该玻璃基板被图案化，以容纳/定义承载顶部反射镜的悬挂结构，该悬挂结构包括多个玻璃弹簧/挠曲件。
图4示意性地示出了功能性机械层400的俯视图。该图还示出了前镜204、孔210、锚结构212、弹簧214a-d的外部轮廓402和间隔结构的轮廓404。
图5示意性地示出了盖218的顶视图，盖218具有多个电极220，在此标记为220a、220b、220c和220d。所示电极220的数量和形状仅作为示例示出，不应被解释为限制。根据一些示例，需要三个电极220来控制框架在Z方向上的位移和框架围绕X和Y轴的倾斜。多个电极区域，例如图5所示，可以在盖218上制造，使得前镜204可以沿着Z方向以上下自由度(DOF)致动，并且也可以倾斜(例如，相对于两个轴X和Y)以提供额外的角DOF。这允许调整前镜204和后镜202之间的角度对准。
以下是根据本公开主题的一些示例的装置102'的使用方法的示例。装置102'被致动以使标准具从初始预应力未致动状态(图3B)变为致动状态(例如，如图3C)。致动使框架208和前镜204远离后镜202移动，增加了反射镜之间的后间隙。通过创新设计实现对后间隙的有利的稳定控制，其中初始最大作为制造(和非应力)前间隙尺寸d0(图3A)比凹陷深度t和最大所需行进(后间隙)尺寸gMx的组合大约大三倍。这是因为平行盖板静电致动器的稳定范围是电极之间初始距离的三分之一。
根据一个示例，装置102'可以用作用于特定应用的预配置滤波器。例如，装置可以预先配置成采用两种不同的状态，其中两个状态中的每一个状态中的反射镜之间的间隙(由止动器设定)是根据所需波长。例如，一个状态提供允许第一波长范围通过标准具的滤波器，而另一个状态允许第二波长范围通过标准具。这种“二元模式”滤波器的设计涉及两种状态之间的反射镜的简单和精确位移，并且允许简化制造。
根据一个示例，一个状态是初始未致动的标准具状态g1(其中反射镜之间的间隙尺寸由止动器206定义)，其被选择为允许第一波长范围通过标准具，而另一个状态是一个致动状态，其中间隙具有致动间隙尺寸g2，大于预应力未致动间隙尺寸并且导致电气间隙d2等于前止动器222的高度，被选择为允许第二波长范围通过标准具。在第二状态框架208中与前止动器212接触。
图6A-6C以截面图示意性地示出了本文公开的并且编号为102”的可调谐MEMS标准具装置的第二示例。图6A示出了在间隔物116与后镜102结合之前，在作为制造的(非应力)配置中的装置102”。图5B示出了装置102”处于初始预应力未致动状态，而图5C示出了装置102”处于致动状态。装置102”使用SOI晶片和SOI制造技术，因此在本文中称为“SOI装置”，与GSG装置102'形成对比。装置102”具有与装置102'类似的结构并包括其许多元件(因此编号相同)。由于SOI晶片和技术都是已知的，因此以下使用本领域已知的SOI术语。
在图6A中，前镜104不与后镜102上的后止动器206物理接触，而在图6B中，预应力使前镜204和后止动器206进行物理接触。在图6C中，前镜204已经远离后镜202移动并且处于后止动器206和电极620之间的中间位置，其在SOI装置中由SOI晶片的操纵层602制成。使用SOI晶片使得操纵层用作衬底以及用于制造电极620。框架208包括用作相对电极的区域。SOI晶片的装置硅层中的锚结构(层)212通过弹簧214a-d连接到框架208。锚212通过BOX层610附接到操纵层602。硅装置和操纵层之间的间隙由630表示。通过在框架下方和弹簧下方蚀刻BOX层610来产生间隙630。开口640形成在操纵层602中，使前镜204和后镜202在-Z方向上暴露于光线。
在作为制造的状态下，在将间隔物216接合到包括后镜202的玻璃板之前，框架和操纵层之间的间隙630具有尺寸d0并且等于BOX层的厚度，图6A。在接合之后，间隙630的尺寸dMx等于BOX层610的厚度减去凹槽228的深度t并减去后止动器206的高度。因此，由于预制应力，dMx小于d0，因为当前镜204接触后止动器206时，弹簧变形并且释放的间隙630的尺寸减小。在致动时，如图6C所示，框架208将前镜204拉离后镜202，进一步将间隙630的尺寸减小到d2并增加后间隙的尺寸(最多，达到最大尺寸gMx)。
图7示出了SOI晶片的操纵层的仰视图的示意图。该图示出了电极620之间的绝缘沟槽702。在某些示例中，操纵层620的一个或多个区域/电极可以包括两个或更多个彼此基本上电绝缘的区域。因此，在操纵层620和框架208的这两个或更多个区域之间施加不同的电势允许调节前镜和后镜之间的平行度。例如，操纵层的两个或更多个区域可以包括至少三个区域，这些区域被布置成使得前后镜之间的平行度可以相对于两个轴二维地调整。
本文公开的装置100,102'和102”中的可调标准具可以用于成像应用。例如，这些装置可以被设计并用作在宽光谱频带上可调谐的宽动态滤波器(例如，从光谱的长波长侧的红外[IR]或近红外(NIR)波长延伸，通过可见光(VIS)范围直至光谱的紫和/或紫外(UV)波长的短波长侧。另外和/或替代地，这样的装置可以被设计成具有宽光谱透射分布(例如，大约60-120nm的光谱透射分布的全宽半最大值(FWHM)，其适合于图像抓取/成像应用)并且在连续峰之间具有相对大的自由光谱范围(FSR)，其大约为30nm或大于30nm，从而提供良好的色彩分离。
本文公开的装置用于例如静电致动以调谐标准具的光谱透射和其他性质。术语“静电”致动用于指由装置的两层中的每一层上的一个或多个电极之间的平行板静电力提供的紧密间隙致动。例如，在装置102'中，通过在框架208的一个或多个区域与形成/沉积在盖子218的底表面上的一个或多个电极220之间施加电压来执行静电致动。在装置102”中，静电致动是通过在框架208的一个或多个区域与操纵层602的一个或多个区域之间施加电压来执行该操作。这提供了反射镜之间的位移的可调谐性，因此提供了标准具的可调谐性。
静电致动的主要挑战之一是存在所谓的引入不稳定性，其限制接近的电极(例如，在装置102'和装置102”中的安装框架208)朝向静电极的稳定位移(例如，电极220或620)至它们之间的初始间隙的三分之一。因此，在本文公开的静电致动配置中，操纵层与安装框架之间或电极220与安装框架之间的初始间隙明显比所需的最大光学间隙gMx更大(至少4-5倍)。因此，在gMn到gMx范围内的前后镜之间的间隙处于致动器的稳定范围内并且消除了引入不稳定性。
如上所述，静电致动仅仅是用于调节前后镜之间的间隙的致动机构的一个示例，其适用于如本文所公开的MEMS标准具装置，并且不应被解释为限制。当前公开的主题还考虑了其他类型的致动机构，例如压电致动和开尔文力致动。
具体地，在一些示例中，标准具体系统包括压电致动结构，该压电致动结构附接到框架结构，使得施加电压使得能够致动框架结构远离后镜(从而引起前镜的移动)。在一些示例中，在致动时，框架208将前镜204拉离后镜202，从而增加它们之间的间隙的尺寸，从而增加后间隙的尺寸。通过将几个压电致动结构放置在框架的不同部分/挠曲件/弹簧上，可以控制标准具的后镜和孔镜之间的平行度。
标准具示例1
在第一示例性实施例中，标准具包括两层涂层，具有在每个反射镜202和204的玻璃旁边的120nm的MgF2层、以及在MgF2层顶部的80nm的TiO2。这提供了反射镜之间240nm间隙的VIS成像模式和反射镜之间30nm间隙的IR成像模式。
图8A示出了标准具在可见成像模式中的透射曲线。归一化的透射值的范围在0(无透射)和1(完全透射)之间。图8B示出了标准具在IR成像模式中的透射曲线。在VIS成像模式中，标准具主要在400-700nm的波长范围内透射。在IR成像模式中，标准具在大约400-500纳米的窄VIS范围，以及大约750-1000纳米的IR范围内透射。在这两种情况下，透射曲线都是连续的，VIS和NIR之间的光谱范围下降仍然显示出显著的能量(约最大振幅的20-30％)。
注意，上述示例，其中利用未致动的标准具状态(具有间隙gMn)实现IR成像模式并且以致动的标准具状态实现VIS成像模式绝不是限制性的。为了阐明，通过使用不同的镜面涂层，可以实现具有未致动的标准具状态的VIS模式和具有致动的标准具状态的IR模式，参见下面的示例2。
图9A示出了在VIS成像模式中图8A的VIS状态中的标准具和具有在940nm处的陷波的IRCF的组合透射曲线。图9B示出了IR成像模式中的图8B的IR状态中的标准具和相同IRCF的组合透射曲线。在两种成像模式中，IRCF都可以提高性能。IRCF的一个主要贡献是在可见范围之外的所有波长的幅度(除了IR陷波频带内的波长之外)被减小到零(而不是最大幅度的20-30％)。也就是说，组合的标准具-IRCF对透射的影响是形成两个不同的光谱范围或频带，一个在VIS中，另一个在NIR中，两个光谱频带由“间隙”分隔，即，有可忽略不计(对于VIS模式)或小(对于IR模式)VIS/IR能量比的区域。可以通过在期望波长范围上透射曲线的积分来计算能量。
在一个示例中，本文公开的成像系统可以在VIS模式中至少25：1的VIS/IR能量比(能量的4％是IR能量)，在IR模式中获得至少3：2(40％的能量是IR能量)的VIS/IR能量比。没有IRCF，大量不需要的能量将到达图像传感器并损坏VIS和IR图像。使用常规IRCF(没有“缺口”的一个)，就不可能捕获IR频带。
图10A示出了VIS成像模式中的总系统光谱响应(TSSR)。图10B示出了IR成像模式中的TSSR。本领域普通技术人员将认识到TSSR表示可以被处理成图像的图像数据。
附图清楚地表达了本文公开的相机的主要优点之一：在VIS模式中，如图10A所示，获取RGB图像数据而几乎没有任何IR干扰或噪声。在IR模式中，频谱的显著IR分量提供IR图像数据，而频谱的VIS(RGB)部分(蓝色除外)显著减少。注意，从各个图像数据获得的图像共享单个光轴，这有利于配准。可以利用光轴的共享来改善NIR信号提取。或者，可以忽略来自蓝色像素的信息，并且可以仅从绿色和红色像素提取NIR信息。
标准具示例2
在第二示例性实施例中，每个标准具反射镜包括如下的4层涂层：层1(靠近玻璃)-174nm的MgF2，层2-97nm的TiO2，层3-140nm的MgF2，和层4-29nm的TiO2。这提供了反射镜之间20nm间隙的VIS成像模式以及反射镜之间150nm间隙的IR成像模式。
与第一示例类似，图11A示出了标准具在可见成像模式中的透射曲线，而图11B示出了标准具在IR成像模式中的透射曲线。图12A示出了在VIS成像模式中标准具和具有830nm处的陷波的IRCF的组合透射曲线，图11B示出了在IR成像模式中标准具和IRCF具有830nm处的陷波的组合透射曲线。图13A示出了VIS成像模式中的TSSR，图13B示出了IR成像模式中的TSSR。可以清楚地看到标准具和IRCF的组合对透射的影响，导致两个不同的光谱区域被间隙分开，没有(在VIS模式中)或小(在IR模式中)VIS/IR比率。
使用方法
在第一示例中，本文公开的系统可以用于在IR成像模式中利用可调谐光谱滤波器(标准具)从TSSR(或“混合图像”)获得场景的IR图像(参见例如图12B或13B)。在使用方法中，控制器被配置并可操作以将标准具定位在至少两个操作状态中，并且该方法可以包括在IR成像模式中获取两个或更多个连续帧。第一帧曝光时没有IR投影仪(投影用于深度重建的IR图案)，或者关闭IR投影仪。在IR投影仪开启的情况下曝光第二帧。采用若干这样的帧可以通过例如将具有已知高动态范围(HDR)方法的具有不同曝光的若干帧组合成具有更大动态范围的一帧，来增加总动态范围。第二帧捕获与第一帧中相同的能量，同时增加从场景反射的投射的IR能量。可能需要调整相机参数，例如曝光时间和增益，以支持投影仪开启时的场景动态范围。由于在曝光之间和曝光期间由于相机移动可能未对准图像，因此可以利用全局配准方法来对准帧。这些方法是众所周知的并且对于类似问题(例如HDR算法)是常见的。在曝光期间和曝光之间场景内对象的移动也可能需要修复。为此目的，也可以使用局部配准算法，也是已知且常用的。使第一帧和第二帧对齐，现在可以逐个像素地从第二图像中减去第一图像，以获得仅对应于IR投射能量的图像数据。
例如，假设在位于传感器上的x，y的一个像素处的场景的组合可见光和IR能量是'Sx,y'，并且IR在同一像素'Rx,y'处投射能量。用‘F1’表示第一帧，用'F2'表示第二帧。然后，Flx,y＝Slx,y和F2x,y＝S2x,y+Rx,y。然后，配准将相应的像素位置调整为x',y'，并且该像素的结果产生的投影IR数据为：
IRx,y＝F2x,y-Flx',y'＝S2x,y+Rx,y-Slx',y'＝Rx,y
在第二示例中，本文公开的系统可用于从TSSR获得场景的IR图像，其使用VIS图像从可见光数据清除IR图像。在使用方法中，控制器被配置并可操作以将标准具定位在至少两个操作状态中，并且该方法可以包括在关闭IR投影仪并且标准具处于VIS状态的情况下拍摄VIS图像，参见例如图12A或13A。随后，在IR投影仪打开并且标准具切换到IR状态或模式的情况下拍摄IR图像。第二(IR)图像将捕获一些类似于第一图像中的能量的可见能量(但由于可见光范围内滤光片的两种模式的光谱透射率的差异而不同)，同时增加从场景反射的投影的IR能量。可能需要像上面的第一个例子那样执行相机参数的调整、全局配准和局部配准。然后可以逐个像素地从第二图像中减去第一图像，以获得仅对应于IR投射能量的图像，如上面的第一示例中那样。
在第三示例中，本文公开的系统可用于利用多窗口IR滤波器和单色图像传感器获得两个不同的IR图像。在使用方法中，控制器被配置并可操作以将标准具定位在至少两个操作状态中，第一状态用于在第一IR成像模式中的第一IR频带图像采集，一个用于在第二个IR成像模式中的第二IR频带图像采集。可选地，成像系统还可以包括结构光(SL)投影仪(未示出)，例如由加拿大的OSELA INC.1869,32nd Avenue，Lachine，QC制造的IR SL投影仪。成像系统还可以可选地包括用于虹膜识别应用的光源(例如LED)。
两个IR成像模式中的系统操作类似于其在上述VIS和IR模式中的操作。图14A示出了第一IR成像模式中标准具的透射曲线。图14B示出了第二IR成像模式中标准具的透射曲线。图15A示出了第一IR成像模式中标准具和双带通滤波器的组合透射曲线。图15B示出了第二IR成像模式中标准具和双带通滤波器的组合透射曲线。图16A示出了与图14A和图15A的实施例相关的第一IR成像模式中的TSSR。图16B示出了与图14B和图15B的实施例相关的第二IR成像模式中的TSSR。
在第四示例中，本文公开的系统可用于红外线中的结构光(SL)应用。当IR投射光被图案化时，如SL系统中的情况，可以从IR图像数据中提取深度信息。这种深度重建利用单次曝光或多次曝光，其中IR光的图案可以每捕获一帧而变化。深度重建可以例如通过使用特征提取和边界识别的已知方法来完成，以识别图像中的投影图案并提取它。
在第五示例中，在曝光期间，有时有利的是将标准具配置成通过固定滤波器透射窗口减小或最小化透射强度的模式。这种模式在此称为“快门模式”。快门模式不是唯一模式，这意味着可以存在多种透射模式，其中滤波器透射减少。与诸如LED，VCSEL等的照明器或投影仪的短投影持续时间相比，当使用长曝光持续时间时，这种模式可能是有益的。
在该示例中，控制器被配置并可操作以将标准具定位在至少两个操作状态，IR投影仪打开的IR频带图像采集的第一状态，以及IR投影仪关掉的“快门模式”的第二状态。值得注意的是，对于第二状态，标准具可以定位成允许通过非可调谐滤波器阻挡(或至少基本上减小)或者在传感器的灵敏度波长范围之外的任何波长范围通过。在图像处理器可操作用于来自滚动快门类型图像传感器的图像采集时，可以切换这两种状态，从而有效地减少图像传感器对入射光的曝光时间。
根据一个示例，控制器可以被配置并且可操作以控制两个状态之间的切换，使得在所有(或至少其中大多数)像素的重叠曝光出现的时间窗内的预定时间段内执行第一状态的激活，并且在预定时间段之前和/或之后激活第二状态。控制器可以进一步配置和操作以在预定时间段期间激活IR投影仪，从而减少IR投影时间段。该方法能够减少暴露于IR投影仪的光(例如出于眼睛安全或能量消耗的原因)，同时为信噪比保持足够信号。
当前公开的主题还考虑了一种非可调谐滤波器，其在其透射分布中具有一个带通或“窗口”，并且被结合在被配置为以“快门模式”操作的图像采集系统中。根据该示例，控制器可以被配置和操作以使标准具的两个操作状态之间的切换同步，一个状态是图像捕获状态而另一个状态是图像阻挡状态(或“快门模式”)。
根据一个示例，在图像捕获状态中，标准具被定位成允许与非可调谐滤波器的单个透射窗口的波长范围重叠的波长范围通过。控制器可以被配置和操作以控制两个状态之间的切换，使得在在所有(或至少其中大多数)像素的重叠曝光发生的时间窗内的预定时间段内执行图像捕获状态的激活。在该时间段之前和之后，标准具被设置为图像阻挡状态，其中标准具被定位成允许被非可调谐滤波器阻挡(或至少基本上减小)的任何波长范围通过。假设例如透射窗口在IR范围内，控制器可以进一步配置并可操作以在时间段期间激活IR投影仪，从而如上所述减少IR投影的时间段。
使用在上面的第三示例中使用的双频带通滤波器(其中IR中的TSSR在图16A和16B中示出)的快门模式操作的第一示例在图17A-17C中示出。图17A示出了在快门模式中的标准具的透射曲线。图17B示出了在快门模式中的标准具和双频带通滤波器的组合透射曲线。图17C示出了快门模式中的TSSR。
使用三频带通滤波器的快门模式操作的第二个例子示于18A-18C。图18A示出了快门模式中的标准具的透射曲线。图18B示出了快门模式中的标准具和三频带通滤波器的组合透射曲线。图18C示出了快门模式中的TSSR。
本文公开的系统将紧凑型数字相机与多带通(多窗口)滤波器和可调谐滤波器组合的一个优点是，它允许在至少两个单独的频带中获取图像数据而不损失空间分辨率。另一个优点是它可以潜在地替换基于分束器的成像系统中的两个或更多个图像传感器，或者包括两个或更多个相机模块，其中每个相机模块专用于以单独且不同的波长成像的成像系统。
出于本文所述的所有目的，本申请中提及的所有专利和专利申请均通过引用整体并入本文。需要强调的是，本申请中任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认这样的参考文献可用或承认作为现有技术。
虽然已经根据某些实施例和通常相关联的方法描述了本公开，但是实施例和方法的改变和置换对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本公开应理解为不受本文描述的具体实施方案的限制，而仅受所附权利要求的范围的限制。

Claims (31)

1.一种系统，其特征在于，包括：
a)图像传感器、可调谐光谱滤波器和不可调谐多带通滤波器，其中，所述可调谐光谱滤波器是包括前镜和后镜的微机电系统MEMS标准具装置，并且其中，所述可调谐光波滤波器和所述多带通滤波器布置在对象和所述图像传感器之间的通用光路中；和
b)控制器，被配置并可操作为将所述可调谐光谱滤波器定位在每一个均具有在所述前镜和所述后镜之间的相应间隙并且与多个成像模式相关的多个操作状态中，其中，所述多个成像模式中的至少一个成像模式提供所述对象的相应图像数据，
其中，所述不可调谐多带通滤波器包括多个透射窗口，所述多个透射窗口至少包括第一透射窗口和第二透射窗口，其中，每个透射窗口允许相应波长范围中的光通过；
其中，所述控制器能够将所述可调谐光谱滤波器定位在与第一成像模式相关联的第一操作状态中，以允许在第一波长范围中的光通过，所述第一波长范围至少部分地与所述不可调谐多带通滤波器的所述第一透射窗口的波长范围重叠，其中，所述第一透射窗口的波长范围比所述第一波长范围窄，使得在所述第一波长范围外的光的通过被所述不可调谐多带通滤波器阻挡或减少，并且
其中，所述控制器能够将所述可调谐光谱滤波器定位在与第二成像模式相关联的第二操作状态中，所述可调谐光谱滤波器被定位成允许在与所述第一波长范围不同的第二波长范围中的光通过，其中，所述第二透射窗口的波长范围比所述第二波长范围窄，使得在所述第二波长范围外的光的通过被所述不可调谐多带通滤波器阻挡或减少。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述第一透射窗口和所述第二透射窗口中的一者中提供所述图像数据。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像传感器是彩色图像传感器。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一透射窗口是可见透射窗口并且所述第一成像模式是可见成像模式。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像传感器是单色图像传感器。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第二透射窗口是红外透射窗口并且所述第二操作状态与红外成像相关联。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个成像模式包括可见成像模式和红外成像模式。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一透射窗口是第一红外透射窗口，并且所述第二透射窗口是第二红外透射窗口。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个成像模式包括红外成像模式和快门模式。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个操作状态包括与三个成像模式相关的三个状态。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一成像模式和所述第二成像模式包括快门模式和可见模式，其中，所述快门模式在所述可见模式之前和之后被激活，其中，在利用滚动快门类型的图像传感器进行图像采集期间，所有模式顺序地切换。
12.如权利要求1至11中任一项所述的系统，其特征在于，所述前镜和后镜在初始未致动标准具状态下由具有预应力未致动间隙尺寸的间隙分开，所述MEMS标准具装置被配置为采用至少一个致动状态，在所述致动状态中，所述间隙具有比所述预应力未致动间隙尺寸大的致动间隙尺寸间隙。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述预应力未致动间隙尺寸由后止动器结构确定，所述后止动器结构与所述前镜物理接触，所述后止动器结构形成于所述后镜的面向所述前镜的第一表面上。
14.一种方法，其特征在于，包括：
a)提供相机，所述相机包括图像传感器、可调谐光谱滤波器、不可调谐多带通滤波器和控制器，其中，所述可调谐光谱滤波器是包括前镜和后镜的微机电系统MEMS标准具装置，并且其中，所述可调谐光谱滤波器和所述多带通滤波器布置在对象和所述图像传感器之间的通用光路中；和
b)将所述控制器配置为能够将所述可调谐光谱滤波器定位在每一个均具有在所述前镜和所述后镜之间的相应间隙并且与多个成像模式相关的多个操作状态中，其中，所述多个成像模式中的至少一个成像模式提供所述对象的相应图像数据，
其中，所述不可调谐多带通滤波器包括多个透射窗口，所述多个透射窗口至少包括第一透射窗口和第二透射窗口，其中，每个透射窗口允许相应波长范围中的光通过；
其中，在与第一成像模式相关联的第一操作状态中，所述可调谐光谱滤波器被定位成允许在第一波长范围中的光通过，所述第一波长范围至少部分地与所述不可调谐多带通滤波器的所述第一透射窗口的波长范围重叠，其中，所述第一透射窗口的波长范围比所述第一波长范围窄，使得在所述第一波长范围外的光的通过被所述不可调谐多带通滤波器阻挡或减少，并且
其中，在与第二成像模式相关联的第二操作状态中，所述可调谐光谱滤波器被定位成允许在与所述第一波长范围不同的第二波长范围中的光通过，其中，所述第二透射窗口的波长范围比所述第二波长范围窄，使得在所述第二波长范围外的光的通过被所述不可调谐多带通滤波器阻挡或减少。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一透射窗口和所述第二透射窗口包括可见透射窗口。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一透射窗口和所述第二透射窗口包括红外透射窗口。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一成像模式和所述第二成像模式包括可见成像模式和红外成像模式。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一成像模式和所述第二成像模式包括两个红外成像模式。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一成像模式和所述第二成像模式包括红外成像模式和快门模式。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述快门模式在红外成像模式之前和之后被激活，其中，在利用滚动快门类型的图像传感器进行图像采集期间，所有模式顺序地切换。
21.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一成像模式和所述第二成像模式包括可见成像模式和快门模式。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述快门模式在可见成像模式之前和之后激活，其中，在利用滚动快门类型的图像传感器进行图像采集期间，所有模式顺序地切换。
23.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述多个操作状态包括与第三成像模式相关的第三操作状态。
24.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述前镜和后镜在初始未致动标准具状态下由具有预应力未致动间隙尺寸的间隙分开，所述MEMS标准具装置被配置为采用至少一个致动状态，在所述致动状态中，所述间隙具有比所述预应力未致动间隙尺寸大的致动间隙尺寸间隙。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述预应力未致动间隙尺寸由后止动器结构确定，所述后止动器结构与所述前镜物理接触，所述后止动器结构形成在所述后镜的面向所述前镜的第一表面上。
26.一种操作成像系统的方法，其特征在于，所述成像系统包括可调谐光谱滤波器和不可调谐多带通滤波器，其中，所述可调谐光谱滤波器是包括前镜和后镜的微机电系统MEMS标准具装置，并且其中，所述可调谐光谱滤波器和所述多带通滤波器布置在对象和图像传感器之间的通用光路中，其中，所述不可调谐多带通滤波器至少包括第一透射窗口和第二透射窗口，每个透射窗口允许特定波长范围内的光通过，所述方法包括：
a)将所述可调谐光谱滤波器调谐到与第一成像模式相关的第一操作状态；其中，在所述第一操作状态中，所述可调谐光谱滤波器被定位成允许第一波长范围内的光通过，所述第一波长范围至少部分地与所述不可调谐多带通滤波器的所述第一透射窗口的波长范围重叠，使得通过所述第一波长范围外的光的通过被所述不可调谐多带通滤波器减少；和
b)将所述可调谐光谱滤波器调谐到与第二成像模式相关的第二操作状态，其中，在所述第二操作状态中，可调谐光谱滤波器被定位成允许第二波长范围内的光通过，其中，所述第二波长范围不同于所述第一波长范围。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述可调谐光谱滤波器的所述第二波长范围至少部分地与所述不可调谐多带通滤波器的所述第二透射窗口的波长范围重叠，使得在所述第二波长范围外的光的通过被所述不可调谐多带通滤波器减少。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述不可调谐多带通滤波器的所述第一透射窗口的所述波长范围比所述可调谐光谱滤波器的所述第一波长范围窄，使得通向所述图像传感器的光的波长范围比所述第一波长范围窄，和/或其中，所述不可调谐多带通滤波器的所述第二透射窗口的所述波长范围比所述可调谐光谱滤波器的所述第二波长范围窄，使得通向所述图像传感器的光的波长范围比所述第二波长范围窄。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述第一操作状态与VIS成像模式相关，并且所述第二操作状态与IR成像模式相关，所述方法还包括，当所述可调谐光谱滤波器在所述第一操作状态中时，捕获至少一个VIS图像，并且当所述可调谐光谱滤波器在所述第二操作状态中时，激活IR投影仪并捕获至少一个IR图像，并从所述至少一个IR图像的所述图像数据中减去来自所述至少一个VIS图像的图像数据，从而增强IR图像数据。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述第一操作状态与IR成像模式相关，并且其中，所述第二操作状态与快门模式相关，所述方法还包括在所述图像传感器中的所有像素或大多数像素的重叠曝光发生期间的时间窗口，使所述可调谐光谱滤波器的调谐与所述第一操作状态相关，在所述时间窗口期间激活IR投影仪，并在所述时间窗外，使所述可调谐光谱滤波器的调谐与所述第二操作状态相关。
31.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述第一操作状态与VIS成像模式相关，并且其中，所述第二操作状态与快门模式相关，所述方法还包括在所述图像传感器中的所有像素或大多数像素的重叠曝光发生期间的时间窗口，使所述可调谐光谱滤波器的调谐与所述第一操作状态相关，在所述时间窗口期间激活VIS投影仪，并在所述时间窗外，使所述可调谐光谱滤波器的调谐与所述第二操作状态相关。
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