CN111174909A - 一种滤光片、成像装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种滤光片、成像装置及电子设备，包括间隔体、第一电极和第二电极；间隔体，设置在所述第一电极和所述第二电极之间，包括第一表面、第二表面以及设置在所述第一表面和第二表面之间的法布里珀罗干涉层；所述第一表面和所述第二表面包括高反射率膜；所述第一电极和所述第二电极用于通电以提供所述法布里珀罗干涉层两端的电势差，根据所述电势差改变所述法布里珀罗干涉层的体积。通过基于法布里珀罗干涉原理设计的可调波长滤光片提供电势差使法布里珀罗干涉层膨胀或收缩，导致滤光片的中心波长发生改变，对上下反射面的平整度以及倾斜度均要求不高，不易引起误差，且总体厚度仅为毫米级别，使用磁控溅射等常规生产方式，生产成本较低，易于大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种滤光片、成像装置及电子设备。
背景技术
光谱成像技术基于不同物体对不同电磁波谱的吸收或辐射特性不同，获取目标的空间图形信息和光谱特性，得到目标的数据立方体，有助于对目标的研读、判断等工作，是光学探测技术中的重要组成部分。常见的获取目标光谱信息的技术包括：色散型光谱成像、干涉型光谱成像、计算层析型光谱成像、滤光型光谱成像。其中，应用较广泛的是色散型光谱成像和滤光型光谱成像。
色散型光谱成像技术是利用棱镜或衍射光栅作为分光元件，将通过狭缝的入射光按波长分散开来，再由成像系统成像到探测器上。在拍摄过程中需要不断移动样品进行扫描拍摄获得完整的数据立方体，而且，通常需要在狭缝后设置准直镜将光束入射到衍射光栅中，造成系统体积较大、扫描分辨率不高且成本较高的问题。
滤光型光谱成像技术是利用滤光片做分光元件，常用的有液晶可调谐滤光片和线性渐变滤光片，这种方式需要光谱调制以获得完整的数据立方体。其中，线性渐变滤光片是在一片晶元上镀制各种不同波长的光学薄膜形成连续的光谱通道，镀膜操作难度大，良品率较低，而且渐变滤光片紧贴探测器安装，会导致光谱混叠现象，降低了光谱分辨率。液晶可调谐滤光片可以通过改变输入电压改变滤光片的中心波长，由多个单层液晶滤光片堆叠形成，厚度较大导致不易应用在相机镜头中，而且生产成本较高。
现有技术中分光元件体积较大、制备工艺复杂、成本较高。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明为了解决现有的问题，提供一种滤光片、成像装置及电子设备。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种滤光片，包括间隔体、第一电极和第二电极；间隔体，设置在所述第一电极和所述第二电极之间，包括第一表面、第二表面以及设置在所述第一表面和第二表面之间的法布里珀罗干涉层；所述第一表面和所述第二表面包括高反射率膜；所述第一电极和所述第二电极用于通电以提供所述法布里珀罗干涉层两端的电势差，根据所述电势差改变所述法布里珀罗干涉层的体积。
在本发明的一种实施例中，所述法布里珀罗干涉层包括透明或半透明状态的压电陶瓷材料。所述法布里珀罗干涉层包括至少一种压电陶瓷材料和至少一种透明材料混合而成，所述透明材料包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化钛或五氧化二铌。所述法布里珀罗干涉层根据所述电势差而膨胀或收缩，所述滤光片的中心波长随所述法布里珀罗干涉层的体积而变。
在本发明的另一种实施例中，所述法布里珀罗干涉层采用磁控溅射、晶圆的长晶技术沉积而成。所述高反射率膜是金属反射膜、电介质反射膜或金属电介质反射膜。还包括第一玻璃基板和第二玻璃基板，分别设置在所述第一表面上和所述第二表面下。
本发明还提供一种成像装置，包括透镜单元、滤光片和图像传感器；所述透镜单元，包括至少一组镜片，用于将目标空间的光束投射到所述滤光片上；所述滤光片，包括如上所述的滤光片，设置在所述图像传感器上用于使特定光谱范围的光透过并入射到所述图像传感器上，所述特定光谱范围取决于所述滤光片的中心波长；所述图像传感器，用于接收入射的光并获取所述目标空间的光谱图像。
在本发明的一种实施例中，所述特定光谱范围包括：紫外光谱范围、可见光谱范围、近红外光谱范围、中间波长红外光谱范围、短波长红外光谱范围中的至少一个。
本发明再提高一种电子设备，包括如上任一所述的成像装置。
本发明的有益效果为：提供一种滤光片、成像装置及电子设备，通过基于法布里珀罗干涉原理设计的可调波长滤光片提供电势差使法布里珀罗干涉层膨胀或收缩，导致滤光片的中心波长发生改变，对上下反射面的平整度以及倾斜度均要求不高，不易引起误差，且总体厚度仅为毫米级别，使用磁控溅射等常规生产方式，生产成本较低，易于大规模生产。
基于可调波长滤光片设计的高光谱成像装置可以实现高光谱分辨率的光谱成像，且可以集成到其他电子设备中容易做到小型化，易于大量推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例中滤光片的结构示意图。
图2是本发明实施例中成像装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示，是本发明一个实施例的滤光片的结构示意图。滤光片10包括间隔体103、第一电极104和第二电极105；间隔体103包括第一表面101和第二表面102，第一表面101和第二表面102包括高反射率的光学薄膜；间隔体103设置在第一电极104和第二电极105之间，间隔体103包括法布里珀罗干涉层；当第一电极104和第二电极105通电后，两个电极之间具有电势差，利用电势差可以改变间隔体103的体积，进而改变滤光片10的中心波长。
间隔体103包括透明或半透明状态的压电陶瓷材料，优选地，由至少一种压电陶瓷材料和至少一种透明材料混合而成。其中，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，压电陶瓷除具有压电性外还具有介电性、弹性等；常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价)型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠(Na0.5·K0.5·NbO3)和偏铌酸锶钡(Bax·Sr1-x·Nb2O5)等，它们不含有毒的铅，对环境保护有利。透明材料包括二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(AL2O3)、二氧化钛(TiO2)、五氧化二铌(Nb2O5)等。在一些其他实施例中，间隔体103可以是任意一种通电后体积发生变化的透明材料，在本发明中不作限制。
第一电极104和第二电极105通电后使得两个电极之间具有电势差，电势差导致间隔体103的体积发生变化，即法布里珀罗干涉层会出现膨胀或收缩的情况。而随着法布里珀罗干涉层的膨胀或收缩情况出现，导致滤光片10的中心波长发生改变，当入射光波长与中心波长相对应时，具有较高的透过率，入射光经过滤光片10出射。当给第一电极104和第二电极105通电后使间隔体103体积逐渐收缩时，滤光片10的中心波长逐渐减小；当通电后使间隔体103体积逐渐膨胀时，滤光片10的中心波长逐渐增大。每一个电势差对应一个中心波长，设定连续变化的电势差可以获得连续变化的中心波长。在一些实施例中，间隔体103可以用磁控溅射、晶圆的长晶技术等工艺手段沉积而成。
本发明提供的滤光片是基于法布里珀罗干涉原理设计的可调波长滤光片，通过第一电极104和第二电极105提供电势差使法布里珀罗干涉层膨胀或收缩，导致滤光片的中心波长发生改变，对上下反射面的平整度以及倾斜度均要求不高，不易引起误差，且总体厚度仅为毫米级别，而且可以使用磁控溅射等常规生产方式，生产成本较低，易于大规模生产。不同于现有的法布里珀罗滤光器或法布里珀罗可调谐滤光器要求上下反射面对平整度要求非常高、要平行设计，否则会引起误差。
第一表面101和第二表面102包括高反射率的材料，即第一表面101和第二表面102包括高反射率膜，可以是金属反射膜，也可以是电介质反射膜，还可以是两者结合起来的金属电介质反射膜，具体的材料在本发明中不做限制。在一些实施例中，高反射率膜可以是通过物体或化学沉积的方法镀制在间隔体103上，比如电子束热蒸发、磁控溅射、气相沉积等。
在一些实施例中，滤光片10保证特定光谱范围的光通过，特定光谱范围包括：紫外光谱范围、可见光谱范围、近红外光谱范围、中间波长红外光谱范围、短波长红外光谱范围中的至少一个。
在一些实施例中，滤光片10还可以包括第一玻璃基板和第二玻璃基板，分别设置在第一表面101上和第二表面102下，用于保护固定位于两个玻璃基板之间的高反射率膜和间隔体103。
图2是根据本发明一个实施例的成像装置的结构示意图。成像装置20包括透镜单元201、如上所述的滤光片202以及图像传感器203。
其中，透镜单元201包括至少一组镜片，用于将光束投射到滤光片202上；滤光片202具体结构设计如图1所示，设置在图像传感器203上用于使特定波长的光透过并入射到图像传感器203上；图像传感器203接收入射的光并获取目标空间的光谱图像。
结合图1中的说明，滤光片202通过设置连续变化的输入电压值，可以获得连续变化的中心波长。每设置一次输入电压值，滤光片具有一个中心波长，从目标空间反射的光束中满足中心波长的光束经过滤光片入射到图像传感器上形成一幅光谱图像，连续设置变化的电压后使得图像传感器获得目标的完整光谱信息，这种设置能够获得高光谱分辨率的光谱成像。可以理解的是，一个波段内设计的中心波长越多，分辨率就越高。
图像传感器203用于接收不同波长的光束形成光谱带，最终不仅获得目标空间每个点的光谱数据还可以获得任意谱段影像信息。在一些实施例中，图像传感器203可以是CCD传感器、CMOS传感器、雪崩光电二极管(APD)等。
成像装置20可以集成到电子设备中用于光谱成像。例如在一些实施例中，成像装置20可以集成到手机摄像头中，例如应用在可见光范围(380nm-780nm)内使用，通过设置滤光片202具有连续变化的中心波长，每一个中心波长在光谱维度上对应一个光谱通道。其中，法布里珀罗干涉层体积的膨胀收缩范围在-0.5μm-0.5μm内，导致波长可变滤光片的总体厚度在0.5mm以内，集成到手机摄像头中很容易做到小型化，比如体积大概在10*10*5mm左右，在手机应用中易于推广。
本发明提供的成像装置是基于可调波长滤光片设计的高光谱成像装置，实现高光谱分辨率的光谱成像，且可以集成到其他电子设备中容易做到小型化，易于大量推广应用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种滤光片，其特征在于，包括间隔体、第一电极和第二电极；
间隔体，设置在所述第一电极和所述第二电极之间，包括第一表面、第二表面以及设置在所述第一表面和所述第二表面之间的法布里珀罗干涉层；所述第一表面和所述第二表面包括高反射率膜；
所述第一电极和所述第二电极用于通电以提供所述法布里珀罗干涉层两端的电势差，根据所述电势差改变所述法布里珀罗干涉层的体积。
2.如权利要求1所述的滤光片，其特征在于，所述法布里珀罗干涉层包括透明或半透明状态的压电陶瓷材料。
3.如权利要求2所述的滤光片，其特征在于，所述法布里珀罗干涉层包括至少一种压电陶瓷材料和至少一种透明材料混合而成，所述透明材料包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化钛或五氧化二铌。
4.如权利要求1所述的滤光片，其特征在于，所述法布里珀罗干涉层根据所述电势差而膨胀或收缩，所述滤光片的中心波长随所述法布里珀罗干涉层的体积而变。
5.如权利要求1-4任一所述的滤光片，其特征在于，所述法布里珀罗干涉层采用磁控溅射、晶圆的长晶技术沉积而成。
6.如权利要求1-4任一所述的滤光片，其特征在于，所述高反射率膜是金属反射膜、电介质反射膜或金属电介质反射膜。
7.如权利要求1-4任一所述的滤光片，其特征在于，还包括第一玻璃基板和第二玻璃基板，分别设置在所述第一表面上和所述第二表面下。
8.一种成像装置，其特征在于，包括透镜单元、滤光片和图像传感器；
所述透镜单元，包括至少一组镜片，用于将目标空间的光束投射到所述滤光片上；
所述滤光片，包括如权利要求1-7任一所述的滤光片，设置在所述图像传感器上用于使特定光谱范围的光透过并入射到所述图像传感器上，所述特定光谱范围取决于所述滤光片的中心波长；
所述图像传感器，用于接收入射的光并获取所述目标空间的光谱图像。
9.如权利要求8所述的成像装置，其特征在于，所述特定光谱范围包括：紫外光谱范围、可见光谱范围、近红外光谱范围、中间波长红外光谱范围、短波长红外光谱范围中的至少一个。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求8-9任一所述的成像装置。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115236784A (zh) * | 2022-08-25 | 2022-10-25 | 海宁市产业技术研究院 | 一种摄像头芯片、摄像装置及其应用和光谱重构方法 |
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