CN113497065B - 兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片及其制备方法，该芯片包括光电转换基底、滤光薄膜；其中，所述滤光薄膜为单层结构，其是由已知且透光率不同的N种材料通过逐一涂覆、刻蚀后拼接而成，滤光薄膜包括N个周期，每个周期包括T1、T2......Tn个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的M个像素，其中M大于等于1，所有单元构成周期性结构，覆盖光电转换基底上的所有像素，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率。该芯片兼具光谱和较好的成像功能，即可以通过成像识别物体，又可以对物体的不同区域分别进行光谱分析，尤其是对于微小物体，可以克服微小物体在视场中占比小，难以拍摄的问题。
Description
技术领域
本发明属于光谱芯片领域，具体涉及一种兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片及其制备方法。
背景技术
光谱芯片具有广阔的应用前景，从目前可以公开检索到论文和专利等资料来分析，其主要材料的技术体系有三种：一是以欧洲IMEC为代表的采用法布里-珀罗干涉滤光的方法，其专利包括[国外专利:EP2746740,2014-06-25.Gonzalez,Pilar；Jayapala,Murali；Lambrechts,Andy；Tack,Nicolaas.Spectral imaging device and method to calibratethe same[P]]；二是以中国科学院西安光机所等单位为代表的基于表面超材料的技术方案，其专利和论文包括[CN 106847849B,一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片及其制备方法[P]]，[Zhu Wang，Soongyu Yi etc，Single-shot on-chip spectral sensors basedon photonic crystal slab，nature，doi：10.1038/s41467-019-08994-5[J]]；三是以清华大学为代表基于量子点和浙江大学基于碳纳米线等新型材料的技术方案，其论文包括[JieBao&Moungi G.Bawendi，nature--A colloidal quantum dot spectrometer doi:10.1038/nature14576[J]]，[Yang et al.,Single-nanowire spectrometers，Science365,1017–1020(2019)，DOI:10.1126/science.aax8814[J]]。从上述公开的材料可以看出，上述技术方案均存在如下三个不足：一是单元结构尺寸较大，难以做到与每个像素对应，因而是一个周期结构对应若干个像素，降低了空间分辨率，难以实现较好的成像效果；二是其所用材料和多层结构工艺难度较为复杂，生产成本较高；三是入射光能量收集效率低，芯片开口率低。由于上述问题的存在，无法满足多个领域的实际应用需求，如需要对于图像中的某些区域或者点进行光谱分析的时候。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的第一个目的在于提供一种兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片，以解决现有光谱芯片无法实现较好成像功能，空间分辨率低，无法满足对于图像中的某些区域或者点进行光谱分析的技术难题。
为实现上述目的，本发明具体是采用如下技术方案实现的：
兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片，包括光电转换基底、设置在光电转换基底上面的滤光薄膜；其中，所述光电转换基底，用于将光信号转化为电信号并以数字信号或者编码输出；所述滤光薄膜，用于将入射光光谱进行区分；所做的改进是：所述滤光薄膜为单层结构，其是由已知且透光率不同的N种材料通过逐一涂覆、刻蚀后拼接而成，滤光薄膜包括N个周期，每个周期包括T1、T2......Tn个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的M个像素，其中M大于等于1，所有单元构成周期性结构，覆盖光电转换基底上的所有像素，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率，实现光谱分光；另外，与每个像素对应的滤光薄膜的光谱透过率均为已知的，通过该光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，结合所有像素的组合，进而反演出图像信息，实现高精度的成像功能。
作为本发明的优选，在所述滤光薄膜上设置有微透镜阵列，所述微透镜阵列上的每个微透镜与光电转换基底的光电转换基底像素一一对应，用于将入射光光束进行汇聚。
作为本发明的优选，所述光电转换基底为硅基图像传感器，具体为CMOS图像传感器或CCD图像传感器。
本发明的第二个目的在于提供一种兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，以解决现有光谱芯片无法实现较好成像功能，制备工艺复杂，生产成本高的技术难题。
为实现上述目的，本发明具体是采用如下技术方案实现的：
兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、根据使用场景情况，选择合适的光电转换基底；
步骤S2、选择N种光谱透过率不同的滤光薄膜材料，先在光电转换基底上涂覆第一种滤光薄膜材料，再涂覆一层刻蚀层，根据与光电转换基底像素的对应关系，将需要的地方保留，将不需要的地方刻蚀掉；之后涂覆第二种滤光薄膜材料，再涂覆一层刻蚀层，根据与光电转换基底像素的对应关系，将需要的地方保留，将不需要的地方刻蚀掉；依次循环，直至将N种滤光薄膜材料全部涂覆到光电转换基底上，上述N种滤光薄膜材料经过逐一的涂覆和刻蚀后，最后形成一层完整的具有N个周期性的滤光薄膜，每个周期包括T1、T2......Tn个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的M个像素，M大于等于1，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率。
作为本发明的优选，在所述滤光薄膜上还加工有微透镜阵列，制备微透镜阵列时，首先在滤光薄膜上面涂覆一层用于制备微透镜阵列的透明光刻胶，然后采用激光直写或者掩膜光刻的方法刻蚀不需要的部分，保留下来的部分便构成了微透镜阵列，微透镜阵列上的每个微透镜与光电转换基底的光电转换基底像素一一对应。
作为本发明的优选，步骤S2进行涂覆时，涂覆方法为标准的喷涂或者旋涂方法。
作为本发明的优选，步骤S2进行刻蚀时，采用激光直写刻蚀方法、掩膜光刻刻蚀方法、离子束刻蚀方法、电子束刻蚀方法。
作为本发明的优选，步骤S2采用掩膜光刻刻蚀时，在每种滤光薄膜材料上均涂覆一层光刻胶；之后经过曝光、显影、烘干、刻蚀、后烘干标准光刻工艺完成刻蚀。
作为本发明的优选，所述透明光刻胶采用环氧树脂材料。
作为本发明的优选，所述滤光薄膜材料为聚酰亚胺类材料。
本发明的第三个目的在于提供一种兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的使用方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、入射光照射到成像光谱芯片表面后，微透镜阵列汇聚入射光，阵列中的每个微透镜将入射光的光束直径缩小，汇聚到下面对应的滤光薄膜和像素的光敏区；
步骤S2、经过微透镜阵列汇聚的入射光束穿过中间层的滤光薄膜，在穿过的过程中，被滤光薄膜的光谱透过率影响，其透射光谱线型发生变化，每个单元中不同像素上的滤光薄膜透射特性不同，组合起来可以复原出入射光的光谱线型，实现光谱功能；不同单元按照周期排列，覆盖所有像素，实现对所有入射信号进行滤光；
步骤S3、经过滤光薄膜的光信号进入底层的光电转换基底，光电转换基底将入射光信号转换为电信号，并经过放大及模数转换后转为数字信号或者编码输出；
步骤S4：图像和光谱反演：对于步骤S3输出的信号，根据每个像素上的光谱对应已知的光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，修正方法为该像素上的光信号强度值除以该像素上的光谱透过率值；结合所有像素的组合，即可反演出图像信息，实现高精度的成像功能；同时由于该像素上的光谱透过率已知，在由N个像素组成的周期性结构中，根据光谱透过率曲线，N个像素组合，反演计算出N个像素的入射光谱值，计算方法如公式(1)所示，
Si＝∫I(λ)Ti(λ)η(λ)dλ， (1)
其中，S为探测器上的输出光信号强度值，I为入射光谱，是待求解信号，T为滤光薄膜的光谱透过率，η为探测器的量子效率，λ为入射波长。
本发明的优点及积极效果是：
1、本发明提供的成像光谱芯片兼具光谱和较好的成像功能，即可以通过成像识别物体，又可以对物体的不同区域分别进行光谱分析，尤其是对于微小物体时，优势很明显，可以克服微小物体在视场中占比小，难以拍摄的问题。
2、本发明的成像光谱芯片具有结构简单、体积小、厚度薄、重量轻、光谱范围广、具有较高光谱分辨率的同时具有空间分辨率、精准度高、检测速度快、使用便捷等特点，可以广泛的应用与人们日常生活检测、工业检测、以及科学研究领域，也可以集成到手机、家电等应用平台。
3、本发明利用上层的微透镜阵列提高了成像光谱芯片的入射光能量利用率以及芯片的开口率；中间的滤光薄膜为单层结构，制作成本低，便于批量生产；底层的光电转换基底为硅基材料，探测器噪声低，像素高，生产工艺成熟。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为本发明成像光谱芯片原理图；
图2为本发明成像光谱芯片单元结构图；
图3为本发明成像光谱芯片结构图。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
实施例1
参阅图1-3，本发明给出了一种兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片，其结构包括：底层的光电转换基底、中间层的滤光薄膜、上层的微透镜阵列；其中，所述光电转换基底，用于将光信号转化为电信号并以数字信号或者编码输出，光电转换基底为硅基图像传感器，具体为CMOS图像传感器或CCD图像传感器；所述滤光薄膜，用于将入射光光谱进行区分，滤光薄膜为单层结构，其是由已知且透光率不同的N种材料通过逐一涂覆、刻蚀后拼接而成，滤光薄膜包括N个周期，每个周期包括T1、T2......Tn个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的M个像素，其中M大于等于1，所有单元构成周期性结构，覆盖光电转换基底上的所有像素，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率，实现光谱分光；另外，与每个像素对应的滤光薄膜的光谱透过率均为已知的，通过该光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，结合所有像素的组合，进而反演出图像信息，实现高精度的成像功能；所述微透镜阵列上的每个微透镜与光电转换基底的光电转换基底像素一一对应，用于将入射光光束进行汇聚，提高入射光能量的利用率以及芯片的开口率。
实施例2
兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、根据使用场景情况，选择合适的光电转换基底；基底选取时需考虑空间分辨率，像素大小，信噪比，动态范围等参数；
步骤S2、选择N种光谱透过率不同的滤光薄膜材料，先在光电转换基底上采用标准的喷涂或者旋涂方法，涂覆第一种滤光薄膜材料，再涂覆一层刻蚀层，根据与光电转换基底像素的对应关系，将需要的地方保留，将不需要的地方刻蚀掉；之后涂覆第二种滤光薄膜材料，再涂覆一层刻蚀层，根据与光电转换基底像素的对应关系，将需要的地方保留，将不需要的地方刻蚀掉；依次循环，直至将N种滤光薄膜材料全部涂覆到光电转换基底上，上述N种滤光薄膜材料经过逐一的涂覆和刻蚀后，最后形成一层完整的具有N个周期性的滤光薄膜，每个周期包括T1、T2......Tn个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的M个像素，M大于等于1，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率；
步骤S3、在所述滤光薄膜上加工微透镜阵列：制备微透镜阵列时，首先在滤光薄膜上面涂覆一层用于制备微透镜阵列的透明光刻胶(环氧树脂材料)，然后采用激光直写或者掩膜光刻的方法刻蚀不需要的部分，保留下来的部分便构成了微透镜阵列，微透镜阵列上的每个微透镜与光电转换基底的光电转换基底像素一一对应。
进一步，所述步骤S2进行刻蚀时，采用激光直写刻蚀方法、掩膜光刻刻蚀方法、离子束刻蚀方法、电子束刻蚀方法等；当采用掩膜光刻刻蚀时，在每种滤光薄膜材料上均涂覆一层光刻胶；之后经过曝光、显影、烘干、刻蚀、后烘干等标准光刻工艺完成刻蚀；当采用激光直写刻蚀方法、离子束刻蚀方法、电子束刻蚀方法时，制备过程与掩膜光刻刻蚀方法类似，均是采用现有方法进行刻蚀。
另外，本发明所用的滤光薄膜材料为聚酰亚胺类材料。
实施例3
兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的使用方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、入射光照射到成像光谱芯片表面后，微透镜阵列汇聚入射光，阵列中的每个微透镜将入射光的光束直径缩小，汇聚到下面对应的滤光薄膜和像素的光敏区；
步骤S2、经过微透镜阵列汇聚的入射光束穿过中间层的滤光薄膜，在穿过的过程中，被滤光薄膜的光谱透过率影响，其透射光谱线型发生变化，每个单元中不同像素上的滤光薄膜透射特性不同，组合起来可以复原出入射光的光谱线型，实现光谱功能；不同单元按照周期排列，覆盖所有像素，实现对所有入射信号进行滤光；
步骤S3、经过滤光薄膜的光信号进入底层的光电转换基底，光电转换基底采用硅基图像传感器CMOS或者CCD，将入射光信号转换为电信号，并经过放大及模数转换后转为数字信号或者编码输出；
步骤S4、图像和光谱反演：对于步骤S3输出的信号，根据每个像素上的光谱对应已知的光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，修正方法为该像素上的光信号强度值除以该像素上的光谱透过率值；结合所有像素的组合，即可反演出图像信息，实现高精度的成像功能；同时由于该像素上的光谱透过率已知，在由N个像素组成的周期性结构中，根据光谱透过率曲线，N个像素组合，反演计算出N个像素的入射光谱值，计算方法如公式(1)所示，
Si＝∫I(λ)Ti(λ)η(λ)dλ， (1)
其中，S为探测器上的输出光信号强度值，I为入射光谱，是待求解信号，T为滤光薄膜的光谱透过率，η为探测器的量子效率，λ为入射波长。
本发明提供的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片应用领域包括手机的主摄和副摄、冰箱和烤箱等家电、环境监控、安全监控和工业监控等领域。其应用平台包括手机平台、家电平台以及无人机平台等，本技术和装置在该平台上的应用，均在本专利的保护范围内。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片，包括光电转换基底、设置在光电转换基底上面的滤光薄膜；其中，所述光电转换基底，用于将光信号转化为电信号并以数字信号或者编码输出；所述滤光薄膜，用于将入射光光谱进行区分；其特征在于，所述滤光薄膜为单层结构，其是由已知且透光率不同的N种材料通过逐一涂覆、刻蚀后拼接而成，滤光薄膜包括N个周期，每个周期包括T1、T2......Tn个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的M个像素，其中M大于等于1，所有单元构成周期性结构，覆盖光电转换基底上的所有像素，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率，实现光谱分光；另外，与每个像素对应的滤光薄膜的光谱透过率均为已知的，通过该光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，结合所有像素的组合，进而反演出图像信息，实现高精度的成像功能；
根据每个像素上的光谱对应已知的光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，修正方法为该像素上的光信号强度值除以该像素上的光谱透过率值；结合所有像素的组合，即可反演出图像信息，实现高精度的成像功能；同时由于该像素上的光谱透过率已知，在由N个像素组成的周期性结构中，根据光谱透过率曲线，N个像素组合，反演计算出N个像素的入射光谱值，计算方法如公式(1)所示，
Si＝∫I(λ)Ti(λ)η(λ)dλ， (1)
其中，S为探测器上的输出光信号强度值，I为入射光谱，是待求解信号，T为滤光薄膜的光谱透过率，η为探测器的量子效率，λ为入射波长。
2.根据权利要求1所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片，其特征在于：在所述滤光薄膜上设置有微透镜阵列，所述微透镜阵列上的每个微透镜与光电转换基底的光电转换基底像素一一对应，用于将入射光光束进行汇聚。
3.根据权利要求1所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片，其特征在于，所述光电转换基底为硅基图像传感器，具体为CMOS图像传感器或CCD图像传感器。
4.权利要求1所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1、根据使用场景情况，选择合适的光电转换基底；
步骤S2、选择N种光谱透过率不同的滤光薄膜材料，先在光电转换基底上涂覆第一种滤光薄膜材料，再涂覆一层刻蚀层，根据与光电转换基底像素的对应关系，将需要的地方保留，将不需要的地方刻蚀掉；之后涂覆第二种滤光薄膜材料，再涂覆一层刻蚀层，根据与光电转换基底像素的对应关系，将需要的地方保留，将不需要的地方刻蚀掉；依次循环，直至将N种滤光薄膜材料全部涂覆到光电转换基底上，上述N种滤光薄膜材料经过逐一的涂覆和刻蚀后，最后形成一层完整的具有N个周期性的滤光薄膜，每个周期包括T1、T2......Tn个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的M个像素，M大于等于1，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率。
5.权利要求4所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，其特征在于，在所述滤光薄膜上还加工有微透镜阵列，制备微透镜阵列时，首先在滤光薄膜上面涂覆一层用于制备微透镜阵列的透明光刻胶，然后采用激光直写或者掩膜光刻的方法刻蚀不需要的部分，保留下来的部分便构成了微透镜阵列，微透镜阵列上的每个微透镜与光电转换基底的光电转换基底像素一一对应。
6.权利要求4所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，其特征在于，步骤S2进行涂覆时，涂覆方法为标准的喷涂或者旋涂方法。
7.权利要求4所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，其特征在于，步骤S2进行刻蚀时，采用激光直写刻蚀方法、掩膜光刻刻蚀方法、离子束刻蚀方法或电子束刻蚀方法。
8.权利要求4所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，其特征在于，步骤S2采用掩膜光刻刻蚀时，在每种滤光薄膜材料上均涂覆一层光刻胶；之后经过曝光、显影、烘干、刻蚀、后烘干标准光刻工艺完成刻蚀。
9.权利要求4所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，其特征在于，所述滤光薄膜材料为聚酰亚胺类材料。
10.权利要求2所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的使用方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1、入射光照射到成像光谱芯片表面后，微透镜阵列汇聚入射光，阵列中的每个微透镜将入射光的光束直径缩小，汇聚到下面对应的滤光薄膜和像素的光敏区；
步骤S2、经过微透镜阵列汇聚的入射光束穿过中间层的滤光薄膜，在穿过的过程中，被滤光薄膜的光谱透过率影响，其透射光谱线型发生变化，每个单元中不同像素上的滤光薄膜透射特性不同，组合起来可以复原出入射光的光谱线型，实现光谱功能；不同单元按照周期排列，覆盖所有像素，实现对所有入射信号进行滤光；
步骤S3、经过滤光薄膜的光信号进入底层的光电转换基底，光电转换基底将入射光信号转换为电信号，并经过放大及模数转换后转为数字信号或者编码输出；
步骤S4：图像和光谱反演：对于步骤S3输出的信号，根据每个像素上的光谱对应已知的光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，修正方法为该像素上的光信号强度值除以该像素上的光谱透过率值；结合所有像素的组合，即可反演出图像信息，实现高精度的成像功能；同时由于该像素上的光谱透过率已知，在由N个像素组成的周期性结构中，根据光谱透过率曲线，N个像素组合，反演计算出N个像素的入射光谱值，计算方法如公式(1)所示，
Si＝∫I(λ)Ti(λ)η(λ)dλ， (1)
其中，S为探测器上的输出光信号强度值，I为入射光谱，是待求解信号，T为滤光薄膜的光谱透过率，η为探测器的量子效率，λ为入射波长。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102192728A (zh) * | 2010-10-14 | 2011-09-21 | 长春理工大学 | 声光滤波光谱相机 |
| JP2013195529A (ja) * | 2012-03-16 | 2013-09-30 | Ricoh Co Ltd | 撮像システム |
| CN106840398A (zh) * | 2017-01-12 | 2017-06-13 | 南京大学 | 一种多光谱光场成像方法 |
| CN106847851A (zh) * | 2017-02-15 | 2017-06-13 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 多光谱图像传感器及其制作方法 |
| CN108007568A (zh) * | 2017-12-19 | 2018-05-08 | 湖南宏动光电有限公司 | 一种光谱成像型微滤光片及其制备方法 |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102192728A (zh) * | 2010-10-14 | 2011-09-21 | 长春理工大学 | 声光滤波光谱相机 |
| JP2013195529A (ja) * | 2012-03-16 | 2013-09-30 | Ricoh Co Ltd | 撮像システム |
| CN106840398A (zh) * | 2017-01-12 | 2017-06-13 | 南京大学 | 一种多光谱光场成像方法 |
| CN106847851A (zh) * | 2017-02-15 | 2017-06-13 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 多光谱图像传感器及其制作方法 |
| CN108007568A (zh) * | 2017-12-19 | 2018-05-08 | 湖南宏动光电有限公司 | 一种光谱成像型微滤光片及其制备方法 |
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