CN112179491B - 一种高光谱成像系统、摄像头以及终端设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种高光谱成像系统、摄像头以及终端设备。其中，沿着光入射高光谱成像系统之后的传播方向，该高光谱成像系统依次包括：第一滤光片、第二滤光片以及图像传感器阵列。其中，第一滤光片包括第一透明基底和位于第一透明基底上的至少一个光学通道组，至少一个光学通道组位于第一透明基底和第二滤光片之间，至少一个光学通道组朝向第二滤光片，每个光学通道组包括多个光学通道。第二滤光片通过光学胶与图像传感器阵列耦合，光学胶的折射率与第二滤光片的折射率实质相同，光学胶的厚度满足入射到相邻两个光学通道上的光透过光学胶之后没有串扰。
Description
技术领域
本申请涉及高光谱成像技术领域，尤其涉及一种高光谱成像系统、摄像头以及终端设备。
背景技术
目前，高光谱相机中的多通道干涉滤光片通过镀膜的方式直接制备在高光谱相机中的图 像传感器阵列上，但是多通道干涉滤光片制备工艺通常需要在加热的条件下进行，导致高性 能多通道干涉滤光片常用的金属元素(如金、银等)在制备过程中扩散至图像传感器阵列， 造成图像传感器性能损失。
另外，当前图像传感器制备厂商通常不具备多通道干涉滤光片所需的加工设备和技术， 需要滤光片制备厂商完成在图像传感器上制备干涉滤光片的过程，而滤光片制备厂商当前采 用的主流滤光片镀膜设备加工的衬底尺寸为8英寸，与消费电子领域主流的12英寸高性能图 像传感器的晶圆尺寸不匹配，使得采用多通道干涉滤光片在图像传感器上直接集成方案的高 光谱相机成像效果不佳，应用范围小以及良品率低。
发明内容
本申请提供了一种高光谱成像系统，以在保证高光谱成像质量的基础上，实现多通道干 涉滤光片的制备过程与图像传感器解耦，避免多通道干涉滤光片的不良因素与图像传感器的 不良因素相互影响。此外，本申请还提供了包括该高光谱成像系统的摄像头，以及包括该摄 像头的终端设备。
第一方面，本申请提供了一种高光谱成像系统，沿着光入射高光谱成像系统之后的传播 方向，该高光谱成像系统依次包括：第一滤光片、第二滤光片以及图像传感器阵列。其中， 第一滤光片包括第一透明基底和位于第一透明基底上的至少一个光学通道组，至少一个光学 通道组位于第一透明基底和第二滤光片之间，至少一个光学通道组朝向第二滤光片，每个光 学通道组包括多个光学通道。第二滤光片通过光学胶与图像传感器阵列耦合，光学胶的折射 率与第二滤光片的折射率实质相同，以使光在第二滤光片与光学胶的界面处不发生折射或者 尽量不发生折射，光学胶的厚度满足入射到相邻两个光学通道上的光透过光学胶之后没有串 扰。
通过上述方案，本申请实施例提供的高光谱成像系统中，第一滤光片制备在第一透明基 底上，与第一滤光片耦合的第二滤光片通过光学胶与图像传感器阵列耦合，不需要在图像传 感器阵列上制备第一滤光片以及第二滤光片，实现了多通道滤光片的制备与图像传感器阵列 的解耦，能够避免图像传感器以及多通道滤光片的不良因素与图像传感器的不良因素相互影 响，如图像传感器不良造成的多通道滤光片加工成本的增加，以及多通道滤光片加工不良造 成的图像传感器成本的增加，进而可以降低高光谱成系统的成本。另外，多通道滤光片的制 备与图像传感器阵列的解耦，也使得多通道滤光片的尺寸不会受到图像传感器阵列晶圆尺寸 的限定，可以兼容更多种规格的图像传感器。
与第一滤光片耦合的第二滤光片通过光学胶与图像传感器阵列耦合，光学胶的折射率与 第二滤光片的折射率实质相同，以使光在第二滤光片与光学胶的界面处不发生折射或者尽量 不发生折射，光学胶的厚度满足入射到相邻两个光学通道上的光透过光学胶之后没有串扰， 还可以保证高光谱成像系统具有较高的成像质量。
一个可能的实施方式中，光学胶覆盖第二滤光片朝向图像传感器阵列的表面的全部区 域，以使通过第二滤光片的光能够尽可能全部照射到图像传感器阵列的感光区域，进而 获得较好的成像质量。
一个可能的实施方式中，图像传感器阵列朝向第二滤光片的表面包括微透镜microlens 阵列，光学胶的折射率与microlens阵列的折射率实质相同，以使光在光学胶与microlens 阵列的界面处不发生折射或者尽量不发生折射。
一个可能的实施方式中，图像传感器阵列的朝向所述第二滤光片的表面不具有微透镜 microlens阵列，即在图像传感器阵列制备的过程中，不在图像传感器阵列的感光区域上制备 microlens阵列。此时，光学胶的折射率只需要与第二滤光片的折射率实质相同即可，不仅减 少了图像传感器阵列的制备工艺流程，还降低第二滤光片与图像传感器阵列组装时的工艺复 杂度。
一个可能的实施方式中，沿着第一透明基底的厚度方向，至少一个光学通道组包括腔 体cavity、位于腔体一侧的第一金属反射镜面和位于腔体另一侧的第二金属反射镜面，第 二金属反射镜面相对于第一金属反射镜面更靠近第二滤光片。也就是说，第一滤光片为 基于法布里-珀罗F-P干涉原理的滤光片，至少一个光学通道组包括位于第一透明基底的 第一表面(第一透明基底上至少一个光学通道组所在的表面)上的第一金属反射镜面、位 于第一金属反射镜面上的腔体以及位于腔体上的第二金属反射镜面。
一个可能的实施方式中，由于金属镜面在较宽的波段范围内都具有高反射率，因此第 一滤光片中的至少一个光学通道组可以共用第二金属反射镜面，相当于第一滤光片包括 一个光学通道组，这个光学通道组中的所有光学通道均共用同一个第二金属反射镜面。 此时，第二金属反射镜面是一体成型的，不需要在相邻光学通道组之间设置隔离区，可以降低第一滤光片制备工艺复杂度，提升第一滤光片的制备效率，还可以提升第一滤光 片1中光学通道的集成度，在有限的空间内实现更宽波段分光和/或光学通道间波段间隔 更小的分光效果。另外，由于第一滤光片不需要在相邻光学通道组之间设置隔离区，还 使得高光谱成像系统在成像时不需要进行图像拼接，进而减少成像时的计算量。
同理，第一滤光片中的至少一个光学通道组也可以共用第一金属反射镜面，相当于 第一滤光片包括一个光学通道组，这个光学通道组中的所有光学通道均共用同一个第一 金属反射镜面。此时，第一金属反射镜面是一体成型的。
一个可能的实施方式中，沿着第一透明基底的厚度方向，每一光学通道组包括腔体、 位于腔体一侧的第一非金属反射镜面和位于腔体另一侧的第二非金属反射镜面，第二非 金属反射镜面相对于第一非金属反射镜面更靠近第二滤光片；相邻两个光学通道组之间 相隔离。即第一滤光片为基于F-P干涉原理的滤光片，至少一个光学通道组包括位于第一透明基底的第一表面上的第一非金属反射镜面、位于第一非金属反射镜面上的腔体310以及位于腔体上的第二非金属反射镜面，相邻两个光学通道组之间设置有隔离区。
一个可能的实施方式中，由于非金属镜面在一定的波段范围内都具有高反射率，因此 第一滤光片的一个光学通道组中所有光学通道可以共用第二非金属反射镜面。此时，每 一光学通道组包括的第二非金属反射镜面是一体成型的，且相邻两个光学通道组各自包 括的第二非金属反射镜面之间相隔离。
同理，第一滤光片的一个光学通道组中所有光学通道也可以共用第一非金属反射镜 面。此时，每一光学通道组包括的第一非金属反射镜面是一体成型的，且相邻两个光学通道组各自包括的第一非金属反射镜面之间相隔离。
一个可能的实施方式中，第一非金属反射镜面以及第二非金属反射镜面可以为分布式 布拉格反射器，其中，分布式布拉格反射器由分别具备高折射率和低折射率的两种非金 属材料周期性叠层镀膜实现。
一个可能的实施方式中，为了增加入射到第一滤光片中的光，提高高光谱成像系统的 成像质量，第一滤光片还包括第一减反增透膜，第一减反增透膜位于第一透明基底的第 二表面，第一透明基底的第二表面与第一透明基底的第一表面相背离。
一个可能的实施方式中，为了丰富高光谱成像系统的功能，高光谱成像系统还可以包括 第三滤光片，第三滤光片与第一滤光片位于图像传感器阵列的同侧，且第三滤光片在图像传 感器阵列上的投影与第一滤光片在图像传感器阵列上的投影不重合。其中，第三滤光片 可以为近红外截止滤光片或者可见光截止滤光片。
一个可能的实施方式中，第三滤光片可以直接制备在图像传感器阵列上，也可以通过 光学胶与图像传感器阵列耦合。当第三滤光片通过光学胶与图像传感器阵列耦合时，用 于耦合第二滤光片与图像传感器阵列的光学胶与用于耦合第三滤光片与图像传感器阵列 的光学胶可以为两个相互独立的部分，也可以为一个整体，一体成型。
一个可能的实施方式中，第三滤光片可以包括第二透明基底和位于第二透明衬底上的 第二滤光薄膜(将第二透明基底上设置有第二滤光薄膜的表面记为第二透明基底的第一 表面)，第二滤光薄膜朝向图像传感器阵列，即第三滤光片可以采用与第一滤光片类似 的结构，通过在透明基底上通过镀膜的方式制备。其中，第一滤光片可以与第三滤光片共用同一个透明基底，即第一透明基底与第二透明衬底为一个整体，第一滤光片也可以 不与第三滤光片共用透明基底，即第一透明基底与第二透明衬底相互独立。
进一步地，为了增加通过第三滤光片的光，第三滤光片还包括位于第二透明基底的 第二表面上的第二减反增透膜，第二透明基底的第二表面与第二透明基底的第一表面相 背离。
一个可能的实施方式中，第三滤光片也可以为有色玻璃滤光片。在第三滤光片为有色 玻璃滤光片的场景下，第三滤光片通常通过光学胶与图像传感器阵列耦合。
进一步地，为了增加通过第三滤光片的光，有色玻璃滤光片远离图像传感器阵列的 表面上设置有第二减反增透膜。
一个可能的实施方式中，第三滤光片还可以为直接制备在图像传感器阵列上的光学薄 膜。
一个可能的实施方式中，为了保证高光谱成像系统的工作波段范围内光信号的强度，该 高光谱成像系统还包括补光光源，以增强高光谱成像系统的工作波段范围内光信号的强度。 其中，补光光源的视场角FOV覆盖该光学成像系统的视场角，补光光源发射的光的波长范围 在至少一个光学通道组允许通过的光的波长范围内。
第二方面，本申请实施例还提供了一种摄像头，沿着光入射摄像头之后的传播方向，该 摄像头依次包括上述第一方面中任意一个可能的实施方式所提供的高光谱成像系统以及透镜 组，光经过透镜组入射到该高光谱成像系统，并在该高光谱成像系统内的图像传感器阵 列上成像。
一个可能的实施方式中，为了保证第一滤光片110的光谱分辨率和中心波长，透镜组的 主光线角度CRA小于10°。
一个可能的实施方式中，摄像头还包括第一支架和第二支架，第一支架用于支撑透镜 组，第二支架用于支撑第一支架以及图像传感器阵列。
第三方面，本申请还提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器和上述第二方面中 任意一种可能的实施方式所述的摄像头，处理器通过执行代码控制该摄像头。
可以理解地，上述提供的任一种摄像头或者终端设备均包括上述第一方面所述的高 光谱成像系统，因此，其所能达到的有益效果可参考第一方面所提供的对应的高光谱成像系统中的有益效果，此处不再赘述。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图之一；
图2A为本申请实施例提供的一种第一滤光片中光学通道的分布示意图之一；
图2B为本申请实施例提供的一种第一滤光片中光学通道的分布示意图之二；
图2C为本申请实施例提供的一种第一滤光片中光学通道的分布示意图之三；
图3为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图之二；
图4A为本申请实施例提供的一种第一滤光片的结构示意图；
图4B为本申请实施例提供的另一种第一滤光片的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图之三；
图6A为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图之四；
图6B为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图之五；
图7A为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图之六；
图7B为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图之七；
图7C为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图之八；
图8A为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图之九；
图8B为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图之十；
图8C为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图之十一；
图8D为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图之十二；
图9为本申请实施例提供的一种摄像头的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的另一种摄像头的结构示意图；
图11为本申请实施例提供的一种终端设备的结构示意图。
具体实施方式
高光谱成像技术是一种具有高光谱分辨率的成像技术，通过结合成像技术及光谱技术对 二维空间内测试物体图像信息和光谱信息的提取和识别，从而实现定性和定量物质识别和检 测应用。基于高光谱成像技术的高光谱相机根据分光原理的不同，可以分为采用色散元件分 光方式的高光谱相机和采用非色散元件分光方式的高光谱相机两类，其中，色散元件分光方 式包括光栅分光和棱镜分光，非色散元件分光方式包括傅里叶变换分光和干涉滤光片分光。
高光谱相机采用的分光方式直接影响着高光谱相机的性能、结构复杂程度、重量和体积 等。其中，采用干涉滤光片分光方式的高光谱相机，通过将具有波长选择性的多通道窄带法 布里-珀罗(F-P)滤光片与面阵列图像传感器耦合的方式，实现高光谱图像采集，结构紧凑， 体积小，可以集成在消费电子产品(包括但不限于智能手机、智能穿戴设备、个人计算机以及 平板等)中。
高光谱成像技术将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间信息及一维光 谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。目前，基于高光谱成像技术的高光 谱相机中的多通道干涉滤光片通过镀膜的方式直接制备在高光谱相机中的图像传感器阵列上， 使得多通道干涉滤光片的不良因素与图像传感器的不良因素相互影响，进而导致高光谱相机 的成像效果不佳，良品率低。
为了解决上述问题，本申请提供了一种高光谱成像系统、摄像头以及终端设备。本申请 实施例中，主要针对高光谱成像系统的获取高光谱数据(包括二维几何空间数据以及光谱数 据)的方式进行改进，将多通道滤光片的制备过程与图像传感器解耦，在保证高光谱成像质 量的基础上，避免多通道滤光片的不良因素与图像传感器的不良因素相互影响。
另外，需要理解的是，在本申请的描述中，多个，是指两个或两个以上；“第一”、“第二” 等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示 或暗示顺序。
图1为本申请实施例提供的一种高光谱成像系统的结构示意图，该高光谱成像系统可以 应用在终端设备(可以是消费电子产品(如手机、平板电脑、数码相机等)，也可以是非消费 电子产品(如工业或科研设备))中，也可以为独立的高光谱成像模组(配件)。参见图1所 示，沿着光入射高光谱成像系统之后的传播方向，该高光谱成像系统依次包括：第一滤光片 110、第二滤光片120以及图像传感器阵列130。第一滤光片110包括第一透明基底111和位 于第一透明基底111上的至少一个光学通道组112(将第一透明基底111上至少一个光学通道 组112所在的表面记作第一透明基底111的第一表面)，至少一个光学通道组112位于第一透 明基底111和第二滤光片120之间，至少一个光学通道112组朝向第二滤光片120，每个光学 通道组112包括多个光学通道113。第二滤光片120通过光学胶140与图像传感器阵列130 耦合，光学胶140的折射率与第二滤光片120的折射率实质相同，以使光在第二滤光片120 与光学胶140的界面处不发生折射或者尽量不发生折射，光学胶140的厚度满足入射到相邻 两个光学通道113上的光透过光学胶140之后没有串扰。
所谓的光学通道组是指具有选择透过性的光学薄膜(带通滤光薄膜)。具体的，光学通道 组仅允许设定波长范围内的光透过，且不允许该设定波长范围之外的光透过。每一光学通道 组可以包括多个光学通道，光学通道指仅允许该光学通道所在的光学通道组对应的波长范围 中某个子波长范围内的光透过的光学薄膜，也即光学通道对光也具有选择透过性，即光学通 道为构成光学通道组的基本单元，光学通道组能够透过的波长范围(即光学通道组的通带范 围)为该光学通道组包括的多个光学通道能够通过的子波长范围(即光学通道的通带范围) 之和。
其中，第一滤光片110包括的多个光学通道113允许通过的光的波长范围根据高光谱 成像系统的具体应用场景确定，例如，多个光学通道113允许通过的光的波长范围可以为紫外线(ultravioletradiation，UV)波段到红外线(infrared radiation，IR)波段。为了保证第一滤光片110的光谱分辨率和中心波长，光入射到第一滤光片110的角度(angle ofincidence，AOI)通常控制在10°以内。第一透明基底111可以为玻璃、塑料等。
第二滤光片120用于滤掉除多个光学通道113允许通过的光的波长范围之外的光(即 第二滤光片120为带通滤光片，进一步地，第二滤光片120可以为多通道的带通滤光片)， 以抑制第一滤光片110的非工作波段光信号对高光谱成像系统的干扰。第二滤光片120 覆盖第一滤光片110朝向图像传感器阵列130的表面，可以以镀膜的方式直接制备在第一 滤光片110上，也可以通过光学胶耦合在第一滤光片110上。
图像传感器阵列140中的图像传感器可以为电荷耦合器件(charge-coupleddevice， CCD)传感器或者互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor， CMOS)传感器等图像传感器，图像传感器的具体参数(如光学尺寸、像素分辨率、像 素尺寸、量子效率、灵敏度以及动态范围等参数)根据高光谱成像系统的具体应用场景 选择。
为了减小或消除入射到相邻两个光学通道113上的光传播透到图像传感器阵列130上对 应的图像传感器上时的串扰，第二滤光片120与图像传感器阵列130之间的距离通常较小， 即光学胶140的厚度较小，对于高光谱成像系统应用在对成像系统集成度要求较高的场 景下(例如，高光谱成像系统应用在智能手机中的场景)，光学胶140的厚度通常控制在 20μm到50μm左右，可选的，光学胶140的厚度可以为20μm。光学胶140可以为光学 透明胶水或者光学透明胶膜。当光学胶140为光学透明胶膜时，选择设定厚度的光学透 明胶膜；当光学胶140为光学透明胶水时，可以通过调整光学透明胶水的性能参数(如 胶水粘度)以及点胶工艺(如点胶量、压头压力等)控制光学透明胶水的厚度。另外， 还可以通过在第二滤光片120朝向图像传感阵列130的表面设置高度与设定光学胶140 厚度相同的框状结构，以控制第二滤光片120朝向图像传感阵列130的表面上不同位置 处光学透明胶水厚度的一致性。
需要说明的是，本申请实施例中所描述的“A与B实质相同”指A与B相同或者相近，即 A与B完全相同，或者A与B的差值非常小，或者说A与B的差值在本领域技术人员可接 受的差值范围内，可认为A与B基本相同。例如，光学胶140的折射率与第二滤光片120的 折射率实质相同，指光学胶140的折射率与第二滤光片120的折射率相同或相近。
在具体实施中，光学胶140覆盖第二滤光片120朝向图像传感器阵列130的表面的全 部区域，以使通过第二滤光片120的光能够尽可能全部照射到图像传感器阵列130的感光区域，进而获得较好的成像质量。
现有技术中，滤光片通常通过支架与图像传感器阵列组装在一起，图像传感器与滤光片 之间存在空气间隙层，为提高图像传感器的光接收效率，通常在图像传感器阵列的感光表面 上集成微透镜(microlens)阵列，以达到聚光的效果。而本申请实施例提供的高光谱成像系 统中的图像传感器阵列130通过光学胶140与第二滤光片120耦合，既可以采用现有的集成 有microlens阵列的图像传感器阵列，也可以采用不集成microlens阵列的图像传感器阵列， 即在图像传感器阵列130制备的过程中，不在图像传感器阵列130的感光区域上制备microlens 阵列。
在图像传感器阵列130朝向第二滤光片120的表面(感光区域所在的表面)包括microlens 阵列的场景下，光学胶140的折射率还与microlens阵列的折射率实质相同，以使光在光学胶 140与microlens阵列的界面处不发生折射或者尽量不发生折射。在具体实施中，microlens阵 列以及第二滤光120可以采用折射率相同或相近的材料制成，此时，光学胶140的折射率只 需要与microlens阵列和第二滤光120中的任意一个的折射率实质相同即可。
在图像传感器阵列130的朝向第二滤光片120的表面不具有microlens阵列的场景下，光 学胶140的折射率只需要与第二滤光片120的折射率实质相同即可，不仅减少了图像传感器 阵列130的制备工艺流程，还降低第二滤光片120与图像传感器阵列130组装时的工艺复杂 度。
在具体实施中，第一滤光片110中包括的光学通道113可以在几个到几百个(甚至更多) 的范围内变化，每个光学通道113分别由允许通过的光的波长范围不同的第一滤光薄膜构成。 第一滤光片110中的光学通道113可以为长方形或者正方形等，按照一定规律阵列分布，如 第一滤光片110中的光学通道113按照条带式、重复方块矩阵式或者方块矩阵式等图形化阵 列分布。例如，如图2A所示的条带式第一滤光片110，第一滤光片110中的光学通道113为 长方形，光学通道113沿着第一滤光片110的长度方向(或者宽度方向)阵列分布；又如， 如图2B所示的方块矩阵式第一滤光片110，第一滤光片110中的光学通道113为正方形，光 学通道113沿着第一滤光片110的长度方向以及宽度方向阵列分布；再如，如图2C所示的重 复方块矩阵式第一滤光片110，第一滤光片110包括n×n个光学通道113构成的正方形阵列 单元，正方形阵列单元，沿着第一滤光片110的长度方向以及宽度方向阵列分布，每个正方 形阵列单元中的光学通道113为正方形。
对于光学通道113阵列分布方式不同的第一滤光片110，高光谱成像系统采用与光学通 道113阵列分布方式相适应的图谱信息获取方式获取图谱信息，其中，高光谱成像系统的图 谱信息获取方式主要包括摆扫式(whiskbroom)、推扫式(pushbroom)、凝视式(staring)以及快照 式(snapshot)。例如，当第一滤光片110中光学通道113按照图2A所示的分布时，高光谱成 像系统的图谱信息获取方式为推扫式，当第一滤光片110中光学通道113按照图2B或图2C 所示的分布时，高光谱成像系统的图谱信息获取方式为快照式。
如图3所示，为了增加入射到第一滤光片110中的光，提高高光谱成像系统的成像质量，第一滤光片110还包括第一减反增透膜114，第一减反增透膜114位于第一透明基 底111的第二表面，第一透明基底111的第二表面与第一透明基底111的第一表面相背 离。
进一步地，第一滤光片110中光学通道组112可以通过但不限于以下两种方式实现：
方式一、如图4A所示，沿着第一透明基底111的厚度方向，至少一个光学通道组112包括腔体(cavity)210、位于腔体210一侧的第一金属反射镜面220和位于腔体210 另一侧的第二金属反射镜面230，第二金属反射镜面230相对于第一金属反射镜面220 更靠近第二滤光片120。也就是说，第一滤光片110为基于法布里-珀罗(F-P)干涉原理 的滤光片，或者，第一滤光片110为多通道窄带的基于F-P干涉原理的滤光片。至少一 个光学通道组112包括位于第一透明基底111的第一表面上的第一金属反射镜面220、位 于第一金属反射镜面220上的腔体210以及位于腔体210上的第二金属反射镜面230。
其中，腔体210为实心的固体结构，通常为设定厚度的氧化物或氮化物薄膜，腔体210的厚度通常小于1μm。腔体210具体可以采用以下材料中的任意一种：SiO2、Si3N4、 TiO2、Nb2O5、HfO2以及Al2O3等。腔体210上每个光学通道113所在区域的厚度根据每 个光学通道113各自允许通过的光的波长范围确定。也就是说，腔体210包括多个厚度 不同的区域，该多个厚度不同的区域的位置与光学通道113的位置对应，例如当第一滤 光片110中包括的光学通道113按照如图2A所示的方式分布时，在沿着第一滤光片110 的长度方向(或宽度方向)上，腔体210包括多个厚度不同的区域，多个厚度不同的区 域与第一滤光片110中包括的光学通道113一一对应，此时，腔体210的剖面呈阶梯状 分布。第一金属反射镜面220以及第二金属反射镜面230所采用的金属材料可以为金或 银等具有高反射率的金属材料，通常情况下第一金属反射镜面220和第二金属反射镜面 230所采用的金属材料相同。第一金属反射镜面220以及第二金属反射镜面230的反射 率决定第一滤光片110的光谱分辨率(光谱分辨率可以用半峰全宽(full width half maximum，FWHM)表示，FWHM越小表示光谱分辨率越高)，第一金属反射镜面220 以及第二金属反射镜面230的反射率越高，第一滤光片110的光谱分辨率越高。
由于金属镜面在较宽的波段范围内都具有高反射率，因此第一滤光片110中的至少 一个光学通道组112可以共用第二金属反射镜面230，相当于第一滤光片110包括一个光学通道组112，这个光学通道组112中的所有光学通道113均共用同一个第二金属反射镜 面230。此时，第二金属反射镜面230是一体成型的，不需要在相邻光学通道组112之间 设置隔离区，降低了第一滤光片110制备工艺复杂度，提升第一滤光片110的制备效率， 还可以提升第一滤光片110中光学通道113的集成度，在有限的空间内实现更宽波段分 光和/或光学通道间波段间隔更小的分光效果。另外，由于第一滤光片110不需要在相邻 光学通道组112之间设置隔离区，还使得高光谱成像系统在成像时不需要进行图像拼接， 进而减少成像时的计算量。
同理，第一滤光片110中的至少一个光学通道组112也可以共用第一金属反射镜面220，相当于第一滤光片110包括一个光学通道组112，这个光学通道组112中的所有光 学通道113均共用同一个第一金属反射镜面220。此时，第一金属反射镜面220是一体成 型的。
方式二、如图4B，沿着第一透明基底111的厚度方向，每一光学通道组112包括腔体310、 位于腔体310一侧的第一非金属反射镜面320和位于腔体310另一侧的第二非金属反射镜 面330，第二非金属反射镜面330相对于第一非金属反射镜面320更靠近第二滤光片120； 相邻两个光学通道组112之间相隔离。即第一滤光片110为基于F-P干涉原理的滤光片，至 少一个光学通道组112包括位于第一透明基底111的第一表面上的第一非金属反射镜面 320、位于第一非金属反射镜面320上的腔体310以及位于腔体310上的第二非金属反射镜 面330，相邻两个光学通道组112之间设置有隔离区。
其中，腔体310为实心的固体结构，通常为设定厚度的氧化物或氮化物薄膜，腔体310 的厚度通常小于1μm。腔体310具体可以采用以下材料中的任意一种：SiO2、Si3N4、TiO2、Nb2O5、HfO2以及Al2O3等。腔体310上每个光学通道113所在区域的厚度根据每个光学通 道113各自允许通过的光的波长范围确定。第一非金属反射镜面320以及第二非金属反射 镜面330可以为分布式布拉格反射器，其中，分布式布拉格反射器由分别具备高折射率和 低折射率的两种非金属材料周期性叠层镀膜实现，分布式布拉格反射器中常用的非金属 材料包括Nb2O5,HfO2,TiO2,SiO2,Si3N4以及Al2O3等。通常情况下第一非金属反射镜面320 和第二非金属反射镜面330所采用的金属材料相同。分布式布拉格反射器的反射波段和反 射率可以通过改变非金属镀膜的折射率、非金属镀膜的厚度以及非金属镀膜的层数中的 至少一个进行调整。
进一步地，由于非金属镜面在一定的波段范围内都具有高反射率，因此第一滤光片 110的一个光学通道组112中所有光学通道可以共用第二非金属反射镜面330。此时，每一 光学通道组112包括的第二非金属反射镜面330是一体成型的，且相邻两个光学通道组各 自包括的第二非金属反射镜面330之间相隔离。同理，第一滤光片110的一个光学通道组112中所有光学通道可以共用第一非金属反射镜面320。此时，每一光学通道组112包括的第一非金属反射镜面320是一体成型的，且相邻两个光学通道组112各自包括的第一非金属反射镜面320之间相隔离。
在具体实施中，第一滤光片110中的光学通道113通过镀膜的方式制备，镀膜的过程中通 过掩膜实现对镀膜区域的选择，光学通道113的宽度由掩膜的尺寸和掩膜的个数决定。第一滤 光片110中的光学通道113的个数为2N，N为掩膜的个数，即一个掩膜可以得到两个光学通道 113，两个掩膜可以实现四个光学通道113，三个掩膜可以实现八个光学通道113等等。在镀膜 面积不变的情况下，随着掩膜个数的增加，光学通道113的宽度减小。
为了丰富高光谱成像系统的功能，如图5所示，该高光谱成像系统还可以包括第三滤光片 150，第三滤光片150与第一滤光片110位于图像传感器阵列130的同侧，且第三滤光片150在 图像传感器阵列130上的投影与第一滤光片110在图像传感器阵列130上的投影不重合。其 中，第三滤光片150可以为近红外截止滤光片或者可见光截止滤光片。
第三滤光片150可以直接制备在图像传感器阵列130上，也可以通过光学胶160与图像 传感器阵列130耦合。当第三滤光片150通过光学胶160与图像传感器阵列130耦合时，光 学胶160与光学胶140可以为两个相互独立的部分，也可以为一个整体，一体成型。当光学胶160与光学胶140为一个整体此时，光学胶的折射率与第二滤光片120的折射率实质相同， 光学胶的厚度满足入射到相邻两个光学通道113上的光透过光学胶之后没有串扰，即光学胶 的参数主要与第一滤光片110以及第二滤光片120相匹配。
需要说明的是，本申请实施例并不对第一滤光片110的厚度、第二滤光片120的厚度 以及第三滤光片150的厚度进行限定。第一滤光片110的厚度、第二滤光片120的厚度以及 第三滤光片150的厚度根据高光谱成像系统的性能要求确定。
具体地，如图6A所示，第三滤光片150可以包括第二透明基底151和位于第二透明衬底 151上的第二滤光薄膜152(将第二透明基底151上设置有第二滤光薄膜152的表面记为第 二透明基底151的第一表面)，第二滤光薄膜152朝向图像传感器阵列130，即第三滤光片 150可以采用与第一滤光片110类似的结构，通过在透明基底上镀膜的方式制备。进一步地，为了增加通过第三滤光片150的光，如图6B所示，第三滤光片150还包括位于第二透 明基底151的第二表面上的第二减反增透膜153，第二透明基底151的第二表面与第二透明 基底151的第一表面相背离。
在第三滤光片150包括第二透明基底151的场景下，第三滤光片150通常通过光学胶 160与图像传感器阵列130耦合，第一滤光片110可以与第三滤光片150共用同一个透明基 底，即第一透明基底111与第二透明衬底151为一个整体，此时，光学胶140与光学胶160也为一个整体，如图7A所示；第一滤光片110也可以不与第三滤光片150共用透明基底， 即第一透明基底111与第二透明衬底151相互独立，如图6A或图6B所示。
或者，第三滤光片150也可以为有色玻璃滤光片，如图7B所示。在第三滤光片150为有色玻璃滤光片的场景下，第三滤光片150通常通过光学胶160与图像传感器阵列130耦合。进一步地，为了增加通过第三滤光片150的光，有色玻璃滤光片远离图像传感器阵列130 的表面上设置有第二减反增透膜153。
或者，第三滤光片150还可以为直接制备在图像传感器阵列130上的光学薄膜，如图 7C所示。
需要说明的是，本申请实施例并不对第二滤光片120、第三滤光片150在图像传感器 阵列130上的位置，以及第二滤光片120的个数、第三滤光片150的个数进行限定。第二滤光片120、第三滤光片150在图像传感器阵列130上的位置，以及第二滤光片120的个数、 第三滤光片150的个数根据高光谱成像系统的应用场景以及性能要求确定,例如该高光谱 成像系统可以具有如图8A、图8B、图8C(图8C中第三滤光片150直接制备在图像传感器 阵列130上)或图8D(图8D中第三滤光片150为有色玻璃滤光片)所示的结构。
进一步地，为了保证高光谱成像系统的工作波段范围内光信号的强度，该高光谱成像系 统还包括补光光源，以增强高光谱成像系统的工作波段范围内光信号的强度。其中，补光光 源的视场角(field of view，FOV)覆盖该光学成像系统的视场角，补光光源发射的光的波长 范围在至少一个光学通道组112允许通过的光的波长范围内。
补光光源具体可以包括但不限于卤钨灯、发光二极管(light emitting diode，LED)以及 激光二极管(laser diode，LD)(如垂直腔面发射激光器(vertical-cavitysurface-emitting laser， VCSEL))中的任意一种。其中，卤钨灯发射的光的波段、LED发射的光的波段以及LD发射 的光的波段的宽度依次减小。当利用LED实现较宽波段范围的补光时，可以采用多个发射的 光的波段不同的LED拼接成的LED阵列进行补光。另外，LED发射的光的光谱(LED发射的 光的强度和波长)受温度影响显著，因此可以在LED附近设置温度传感器，以测量LED的温 度，进而可以利用LED的温度数据对LED发射的光的光谱进行校准。
通过上述方案，本申请实施例提供的高光谱成像系统中，第一滤光片110制备在第一透明 基底111上，与第一滤光片110耦合的第二滤光片120通过光学胶140与图像传感器阵列130耦合， 不需要在图像传感器阵列130上制备第一滤光片110以及第二滤光片120，实现了多通道滤光片 的制备与图像传感器阵列的解耦，能够避免图像传感器以及多通道滤光片的不良因素与图像 传感器的不良因素相互影响，如图像传感器不良造成的多通道滤光片加工成本的增加，以及 多通道滤光片加工不良造成的图像传感器成本的增加，进而可以降低高光谱成系统的成本。 另外，多通道滤光片的制备与图像传感器阵列的解耦，也使得多通道滤光片的尺寸不会受到 图像传感器阵列晶圆尺寸的限定，可以兼容更多种规格的图像传感器。
与第一滤光片110耦合的第二滤光片120通过光学胶140与图像传感器阵列130耦合，光学 胶140的折射率与第二滤光片120的折射率实质相同，以使光在第二滤光片120与光学胶140的 界面处不发生折射或者尽量不发生折射，光学胶140的厚度满足入射到相邻两个光学通道113 上的光透过光学胶140之后没有串扰，还可以保证高光谱成像系统具有较高的成像质量。
基于以上实施例，本申请还提供了一种摄像头，如图9所示，沿着光入射摄像头之后的传 播方向，该摄像头依次包括透镜组410以及上述实施例中任意一个可能的实施方式中所提供的 高光谱成像系统，光经过透镜组410入射到该高光谱成像系统，并在该高光谱成像系统内 的图像传感器阵列130上成像。透镜组410包括至少一个透镜411。
为了保证第一滤光片110的光谱分辨率和中心波长，光入射到第一滤光片110的角度通常 控制在10°以内，因此，透镜组410的主光线角度(chief ray angle，CRA)小于10°。需 要说明的是，本申请实施例并不对透镜组810中包括的透镜的个数、透镜的类型以及各个 透镜的排列方式等进行限定，透镜组410中包括的透镜的个数、透镜的类型以及各个透镜 的排列方式等根据摄像头实际应用需求确定，透镜组410关键满足在透镜组410的FOV范围(例如30°到100°)内，CRA小于10°。
进一步地，如图10所示，该摄像头还包括第一支架420和第二支架430，第一支架420 用于支撑透镜组410，第二支架430用于支撑第一支架820以及图像传感器阵列130。
在具体实施过程中，在第二滤光片120直接制备在第一滤光片110上的场景下，可以通过 以下两种方式制作以及组装该摄像头：
方式一：当第二滤光片120通过光学透明胶水与图像传感器阵列130耦合时，具体可以通 过以下步骤制作以及组装该摄像头：
1、通过半导体工艺制备得到第一滤光片110以及第二滤光片120。
具体地，在第一透明基底111上通过半导体制备工艺制备至少一个光学通道组112，以得 到第一滤光片110，并在第一滤光片110上至少一个光学通道组112所在的表面通过半导体制备 工艺制备第二滤光片120。
在第一透明基底111上通过半导体制备工艺制备至少一个光学通道组112之前，还可以对 第一透明基底111进行清洗。
2、将表面制备有第二滤光片120的第一滤光片110裁切成与图像传感器阵列130的感光区 域大小相同的尺寸。
3、通过半导体工艺制备图像传感器阵列，并将制备得到的图像传感器阵列晶圆裁切成设 定的芯片尺寸，以得到图像传感器阵列130。
裁切得到图像传感器阵列130后，还可以对图像传感器阵列130进行清洗及干燥。
4、将图像传感器阵列130通过芯片焊接工艺与基板组装在一起。
5、将裁切后的滤光片(表面制备有第二滤光片120的第一滤光片110)通过光学透明胶膜 贴合在图像传感器阵列130的感光区域的表面。
具体地，将组装在基板上的传感器阵列130固定在贴片机上，在图像传感器阵列130的感 光区域的表面点胶，通过贴片机将裁切后的滤光片与图像传感器阵列130精确对位贴合，并通 过UV光源将光学透明胶水预固化。预固化完成后，将组装在基板上的图像传感器阵列130放 置在烘箱中，以使光学透明胶水完全固化。
在滤光片与图像传感器阵列130组装过程中，需要减小因组装公差而造成的第一滤光片 110中光学通道113与图像传感器阵列中相应像素区的错位。为了保证滤光片的组装精度，如 水平方向的偏差和垂直方向的偏差等，可以通过在第一透明基底111以及图像传感器阵列上设 计用于对位的标记点，并搭配高精度组装设备进行滤光片与图像传感器阵列130的组装。
6、光学透明胶水完全固化后，将镜头组810与耦合滤光片的图像传感器阵列组装。
当该摄像头包括补光光源160时，还要将补光光源160与耦合滤光片的图像传感器阵列组 装。
上述步骤1、2为滤光片的制备过程，步骤3、4为图像传感器阵列130的制备过程，本申请 实施例不对滤光片的制备过程与图像传感器阵列130的制备过程的顺序进行限制，可以先进行 滤光片制备过程，也可以先进行图像传感器阵列130制备过程，也可以同时进行滤光片制备过 程与图像传感器阵列130制备过程。
方式二：当第二滤光片120通过光学透明胶膜与图像传感器阵列130耦合时，具体可以通 过以下步骤制作以及组装该摄像头：
a、通过半导体工艺制备得到第一滤光片110以及第二滤光片120。
具体地，在第一透明基底111上通过半导体制备工艺制备至少一个光学通道组112，以得 到第一滤光片110，并在第一滤光片110上至少一个光学通道组112所在的表面通过半导体制备 工艺制备第二滤光片120。
在第一透明基底111上通过半导体制备工艺制备至少一个光学通道组112之前，还可以对 第一透明基底111进行清洗。
b、将表面制备有第二滤光片120的第一滤光片110裁切成与图像传感器阵列130的感光区 域大小相同的尺寸。
c、通过半导体工艺制备图像传感器阵列，并将制备得到的图像传感器阵列晶圆裁切成设 定的芯片尺寸，以得到图像传感器阵列130。
裁切得到图像传感器阵列130后，还可以对图像传感器阵列130进行清洗及干燥。
d、将图像传感器阵列130通过芯片焊接工艺与基板组装在一起。
e、将裁切后的滤光片(表面制备有第二滤光片120的第一滤光片110)通过光学透明胶膜 贴合在图像传感器阵列130的感光区域的表面。
具体地，将组装在基板上的传感器阵列130固定在贴片机上，通过贴片机将裁切后的滤光 片与图像传感器阵列130精确对位贴合，并采用加热压头压合裁切后的滤光片，以使光学透明 胶膜固化。另外，在光学透明胶膜固化之后，还可以采用真空脱泡技术消除光学透明胶膜中 的气泡。
在滤光片与图像传感器阵列130组装过程中，需要减小因组装公差而造成的第一滤光片 110中光学通道113与图像传感器阵列中相应像素区的错位。为了保证滤光片的组装精度，如 水平方向的偏差和垂直方向的偏差等，可以通过在第一透明基底111以及图像传感器阵列上设 计用于对位的标记点，并搭配高精度组装设备进行滤光片与图像传感器阵列130的组装。
f、光学透明胶膜固化后，将镜头组810与耦合滤光片的图像传感器阵列组装。
当该摄像头包括补光光源160时，还要将补光光源160与耦合滤光片的图像传感器阵列组 装。
上述步骤a、b为滤光片的制备过程，步骤c、d为图像传感器阵列130的制备过程，本申请 实施例不对滤光片的制备过程与图像传感器阵列130的制备过程的顺序进行限制，可以先进行 滤光片制备过程，也可以先进行图像传感器阵列130制备过程，也可以同时进行滤光片制备过 程与图像传感器阵列130制备过程。
基于以上实施例，本申请还提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器和上述实施例 中任意一种可能的实施方式所述的摄像头，处理器通过执行代码控制该摄像头。其中，该 终端设备可以是手机(如图11中左图所示)、平板电脑(如图11右图所示)、个人计算机以 及智能穿戴设备等具有拍摄功能的终端设备。
其中，处理器可以是中央处理器(central processing unit，CPU)或者微控制单元 (microcontroller unit，MCU)等。处理器还可以进一步包括硬件芯片，该硬件芯片可以是专用 集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)，可编程逻辑器件(programmable logic device，PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(field-programmable gate array，FPGA)，通用阵 列逻辑(generic array logic，GAL)或其任意组合。应当理解的是，本申请实施例提供的终端 设备为一个完整的终端设备，也具备已知的终端设备具有的结构(如显示屏、存储器、射频 电路等)，在此仅对终端设备中涉及高光谱成像的部件进行说明，对于其他部件不予赘述。
该终端设备的工作模式为反射式，即利用被测物体反射的光工作。该终端设备可以通过 具有高光谱成像系统的摄像头，获取被拍摄目标的图谱信息(图像信息和光谱信息)，通过 处理器对处理获取到的图谱信息，进行高光谱成像，以及定性和定量物质识别、检测。
当该终端设备中的摄像头具有如图10所示的结构时，该终端设备的工作过程如下：
1)、终端设备启动后，补光光源160点亮，补光光源160发射的光照射至被测对象。
2)、被测对象对照射到该被测对象上的光进行选择性吸收，并通过漫反射将照射到该被 测对象上的光反射到镜头组810。
3)、被测对象反射的光经透镜组810入射到第一滤光片110上不同空间位置的光学通道113 以及第二滤光片120，实现对特定波长的选择性透过。
4)、图像传感器阵列130上相应位置的图像传感器收集透过第二滤光片120的光，以获取 高光谱数据。
其中，根据第一滤光片110中光学通道组113的阵列方式，高光谱数据采集方式分为单次 拍照和在终端设备单向移动情况下多次连续拍照两种方式。
5)、终端设备中的处理器通过算法将采集到高光谱数据处理成具有二维空间维度和波长 三个维度的数据立方体，并通过设定的校准参数校准数据立方体，消除因为摄像头中各部件(如透镜，滤光片，图像传感器，补光光源等)的偏差和/或摄像头的组装公差造成的偏差。
其中，设定的校准参数通常在摄像头组装后通过测试获得的。
6)、终端设备中的处理器对校准后的数据立方体通过预处理算法(包括但不限于归一化、 平滑、以及散射消除等预处理算法)进行降噪处理。
7)、终端设备中的处理器通过非监督式算法和监督式算法，对降噪处理后的数据立方体 进行处理，得到被测对象的物质种类和成分进行定性和定量分析，得到分析结果，并显示得 到的分析结果给用户。
综上，本申请提供了一种高光谱成像系统、包括所述高光谱成像系统的摄像头，以及包 括所述摄像头的终端设备。在该高光谱成像系统中，第一滤光片110制备在第一透明基底111 上，与第一滤光片110耦合的第二滤光片120通过光学胶140与图像传感器阵列130耦合，不需 要在图像传感器阵列130上制备第一滤光片110以及第二滤光片120，实现了多通道滤光片的制 备与图像传感器阵列的解耦，能够避免图像传感器以及多通道滤光片的不良因素与图像传感 器的不良因素相互影响，进而可以降低高光谱成系统的成本。另外，多通道滤光片的制备与 图像传感器阵列的解耦，也使得多通道滤光片的尺寸不会受到图像传感器阵列晶圆尺寸的限 定，可以兼容更多种规格的图像传感器。并且，第二滤光片120通过光学胶140与图像传感器 阵列130耦合，光学胶140的折射率与第二滤光片120的折射率实质相同，以使光在第二滤光片 120与光学胶140的界面处不发生折射或者尽量不发生折射，光学胶140的厚度满足入射到相邻 两个光学通道113上的光透过光学胶140之后没有串扰，可以保证高光谱成像系统具有较高的 成像质量。也就是说，本申请提供的高光谱成像系统在保证高光谱成像质量的基础上，能够 实现多通道干涉滤光片的制备过程与图像传感器解耦，避免多通道干涉滤光片的不良因素与 图像传感器的不良因素相互影响。
显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请实施 例的精神和范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同 技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种高光谱成像系统，其特征在于，沿着光入射所述高光谱成像系统之后的传播方向，所述成像系统依次包括第一滤光片、第二滤光片和图像传感器阵列，
其中，所述第一滤光片包括第一透明基底和位于所述第一透明基底上的至少一个光学通道组，所述至少一个光学通道组位于所述第一透明基底和所述第二滤光片之间，所述至少一个光学通道组朝向所述第二滤光片，每个光学通道组包括多个光学通道；所述第一滤光片还包括第一减反增透膜，第一减反增透膜位于第一透明基底的第二表面，第一透明基底的第二表面与第一透明基底的第一表面相背离，所述第一面为第一透明基底上至少一个光学通道组所在的表面；
所述第二滤光片通过光学胶与所述图像传感器阵列耦合，所述光学胶的折射率与所述第二滤光片的折射率实质相同，所述光学胶的厚度满足入射到相邻两个所述光学通道上的光透过所述光学胶之后没有串扰，所述光学胶覆盖所述第二滤光片朝向所述图像传感器阵列的表面的全部区域。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像传感器阵列朝向所述第二滤光片的表面包括微透镜microlens阵列，所述光学胶的折射率与所述microlens阵列的折射率实质相同。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像传感器阵列的朝向所述第二滤光片的表面不具有微透镜microlens阵列。
4.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，沿着所述第一透明基底的厚度方向，所述至少一个光学通道组包括腔体、位于腔体一侧的第一金属反射镜面和位于所述腔体另一侧的第二金属反射镜面，所述第二金属反射镜面相对于所述第一金属反射镜面更靠近所述第二滤光片。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二金属反射镜面是一体成型的。
6.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，沿着所述第一透明基底的厚度方向，每一光学通道组包括腔体、位于腔体一侧的第一非金属反射镜面和位于所述腔体另一侧的第二非金属反射镜面，所述第二非金属反射镜面相对于所述第一非金属反射镜面更靠近所述第二滤光片；
相邻两个光学通道组之间相隔离。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，每一光学通道组包括的第二非金属反射镜面是一体成型的，且每相邻两个光学通道组各自包括的第二非金属反射镜面之间相隔离。
8.一种摄像头，其特征在于，沿着光入射所述摄像头之后的传播方向，所述摄像头依次包括透镜组和如权利要求1至7任一项所述的高光谱成像系统，光经过所述透镜组入射到所述高光谱成像系统，并在所述高光谱成像系统内的图像传感器阵列上成像。
9.一种终端设备，其特征在于，包括处理器和如权利要求8所述的摄像头，所述处理器通过执行代码控制所述摄像头。
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