CN113614633A - 基于法布里珀罗腔的成像系统 - Google Patents

基于法布里珀罗腔的成像系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种基于法布里珀罗腔的成像系统，包括单色成像芯片以及设置在所述单色成像芯片的上游光路中的带通滤光片和法布里珀罗腔，所述带通滤光片与所述法布里珀罗腔为相互分立的元件，并且所述带通滤光片被配置为具有包括从430nm到760nm在内的第一光学响应范围，并且所述法布里珀罗腔是可调的以使得其光学响应波峰可在所述第一光学响应范围内之内或完全在所述第一光学响应范围之外。本发明利用宽光谱覆盖的可调的法布里珀罗腔和具有从430nm到760nm在内的第一光学响应范围的带通滤光片，且通过单色成像芯片即可实现RGB成像、IR成像和ON‑OFF成像的成像系统，并且可以解析出任意波段的光谱图像。

Description

基于法布里珀罗腔的成像系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，并且特别涉及一种基于法布里珀罗腔的成像系统。
背景技术
基于法布里珀罗腔干涉的可调滤光器件可以应用在微型光谱仪、小型高光谱相机及迷你高光谱相机中，在可见光-远红外(如400nm-1050nm波长)的高光谱成像领域，相较于其他的解决方案，法布里珀罗腔提供最简单的光路和系统结构，所以极大的降低高光谱相机的成本和体积。
在消费类特别是手机等便携成像应用中，越来越需要CMOS成像器件可以同时提供RGB(彩色)和IR(远红外)光谱范围的成像，但目前基于滤光膜的主流彩色成像芯片只有R(红)、G(绿)、B(蓝)三个通道。在应用时，基于RGB滤光膜的成像芯片会与IR-CUT滤光片配合，以去除近红外波长的光线对彩色成像的影响。彩色响应(RGB)通常表示单个像素上覆盖R、G或B通道的滤光膜，其响应为像素本身的量子效率叠加对应滤光膜的光谱响应。要实现IR成像，单个RGB芯片不能完成，需要添加额外的成像芯片用于采集近红外波长的图像，该成像芯片一般为单色响应器件附加近红外滤光片。
另外手机上CMOS成像芯片采用电子快门，包括卷帘快门和全局快门，而传动的机械快门由于机器大和寿命低的问题一般不出现在手机等便携式成像应用中，全局快门成像芯片通常像素低，也较少出现在手机等便携应用中，而卷帘快门成像芯片存在诸如高速成像时图像倾斜的问题。并且在高质量成像和光谱图像分析等应用中通常希望用遮盖整个成像芯片的方式来获得当时的黑帧参考，而黑帧参考在没有机械快门的实际应用中非常不容易实现。
发明内容
为了解决现有技术中在典型器件结构和工作模式下，不易用单个法布里珀罗腔和单个成像芯片来得到可以覆盖RGB和IR的光谱成像范围并且同时实现关断效果成像的技术问题，本发明提出了一种基于法布里珀罗腔的成像系统，解决了现有技术中在典型器件结构和工作模式下，不易用单个法布里珀罗腔和单个成像芯片来得到可以覆盖RGB和IR的光谱成像范围并且同时实现关断效果成像的技术问题。
根据本发明的一方面，提出了一种基于法布里珀罗腔的成像系统，包括单色成像芯片以及设置在所述单色成像芯片的上游光路中的带通滤光片和法布里珀罗腔，所述带通滤光片与所述法布里珀罗腔为相互分立的元件，并且所述带通滤光片被配置为具有包括从430nm到760nm在内的第一光学响应范围，并且所述法布里珀罗腔是可调的以使得其光学响应波峰可在所述第一光学响应范围内之内或完全在所述第一光学响应范围之外。
进一步的，所述成像系统还包括设置在所述带通滤光片的上游光路位置的准直透镜组。
进一步的，所述带通滤光片被设置在所述法布里珀罗腔的上游光路中。
进一步的，所述法布里珀罗腔中的反射镜面采用宽光谱反射材料制成。
优选的，所述法布里珀罗腔中的反射镜面采用银制成。
进一步的，所述法布里珀罗腔的两镜面之间的光学距离在300-1125nm之间是可调的。
进一步的，所述法布里珀罗腔通过电压变化调节出的入射光的波峰阶数m，所述法布里珀罗腔的两个镜面间的光学距离为d，所述带通滤光片的光学响应的波长为λ，m＝2d/λ。
进一步的，所述法布里珀罗腔的光学响应于所述第一光学响应范围内的波峰数为0，1，2，或3。
进一步的，所述法布里珀罗腔的两个镜面间的光学距离d处于1阶波峰(m＝1)出现在λ＞750nm，且2阶波峰(m＝2)出现在λ＜450nm的位置，成像系统为关断。
进一步的，所述准直镜头组将入射光准直成小于30°的入射光。
进一步的，所述单色成像芯片采用基于硅的光学成像芯片。
进一步的，所述单色成像芯片的光谱响应范围在380nm-1050nm。
本发明利用宽光谱覆盖的可调的法布里珀罗腔和具有从430nm到760nm在内的第一光学响应范围的带通滤光片，且通过单色成像芯片即可实现RGB成像、IR成像和ON-OFF成像的成像系统，并且可以解析出任意波段的光谱图像。从而实现了用单个法布里珀罗腔和单个成像芯片来得到可以覆盖RGB和IR的光谱成像范围并且同时实现关断效果成像的成像系统及方法。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1是根据本发明的一个实施例的示意图；
图2是根据本发明的一个具体实施例的成像芯片的量子效率曲线图。
图3是根据本发明的一个具体实施例中法布里珀罗腔的电压控制曲线示意图；
图4是根据本发明的一个具体实施例中的成像系统的光谱响应数据的计算表；
图5是根据本发明的一个具体实施例的法布里珀罗腔光谱响应曲线图；
具体实施方式
在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。
如图1所示是一种基于法布里珀罗腔的成像系统的一具体实施例。
一种基于法布里珀罗腔的成像系统，包括带通滤光片、法布里珀罗腔和单色成像芯片，带通滤光片与法布里珀罗腔为相互分立的元件，且设置在单色成像芯片的上游光路中，带通滤光片被设置在所述法布里珀罗腔的上游光路中，入射光先通过带通滤光片透过第一光学响应范围的入射光，再进入法布里珀罗腔，法布里珀罗腔是可调的以使得其光学响应波峰可在所述第一光学响应范围内之内或完全在所述第一光学响应范围之外，入射光从可调的法布里珀罗腔出射后进入单色成像芯片以成像。
在具体实施例中，带通滤光片被配置为具有包括从430nm到760nm在内的第一光学响应范围，并且法布里珀罗腔是可调的以使得其光学响应波峰可在所述第一光学响应范围内之内或完全在所述第一光学响应范围之外。
在具体实施例中，法布里珀罗腔中的反射镜面采用宽光谱反射材料制成。例如反射镜面采用银制成，可以工作在380nm-1050nm的典型成像器件的整个响应范围。
在具体实施例中，法布里珀罗腔的两镜面之间的光学距离d在300-1125nm之间是可调的，光学距离d的减小或增大就可以调节法布里珀罗腔滤出的波峰位置从而实现光谱响应上的可调。
在具体实施例中，单色成像芯片采用基于硅的光学成像芯片，单色成像即单个成像单元(像素)上没有RGB滤光膜，所以单色成像芯片的光谱响应范围可以在380nm-1050nm，且其对任意波长的光的响应能力由该单色成像芯片的量子效率决定。如图2所示量子效率曲线，可以看出单色成像芯片的量子效率高于RGB成像芯片，所以其对任意波长的光的响应能力高于RGB成像芯片。
在具体实施例中，成像系统还包括准直透镜组，其设置在所述带通滤光片的上游光路位置的，准直透镜组将具有大角度的入射光准直成具有小角度的入射光线，入射光主要包括环境光和物体反射光线，光线复杂且光线角度通常大于60°，经过准直透镜组后的入射光准直成光线角度小于30°的入射光，利于光线收集。
如图3所示是本具体实施例中法布里珀罗腔通过电压控制调解的控制曲线。法布里珀罗腔通过驱动电压的增加或降低，其两个镜面间的光学距离d随之减小或增大，具体的，驱动电压V与镜面间光学距离d的关系为：
Figure BDA0003273504100000041
Figure BDA0003273504100000042
其中V表示驱动电压，d表示镜面间当前的光学距离，d0表示镜面间初始光学距离，k表示法布里珀罗腔的弹性系数，ε0表示真空中的介电常数。而光学距离d的减小或增大就可以调节法布里珀罗腔滤出的波峰位置从而实现光谱响应上的可调。但当V大于某一数值V2时，镜面间的吸附力大于弹性回复力，镜面会发生吸附效应，两个镜面会吸合在一起，此时法布里珀罗腔失效，不能继续工作。
如图4所示为成像系统的光谱响应数据计算表格，其中，法布里珀罗腔通过电压变化调节出的入射光的波峰阶数m，法布里珀罗腔的两个镜面间的光学距离为d，带通滤光片的光学响应的波长为λ，其三者的关系可以简化为m＝2d/λ。
从图4的数据可以看出，当设定带通滤光片的光学响应波长λ在450nm-750nm时，在光学距离d＝1125nm时，出现光学响应波长范围内的波峰阶数m＝3；当光学距离d＝900nm时，出现光学响应波长范围内的波峰阶数m＝2；当光学距离d＝825nm、600nm、500nm和450nm时，出现光学响应波长范围内波峰阶数m＝1；在不同的法布里珀罗腔的两个镜面间的光学距离时，采集的图像对应响应的1-3个波长，即可以满足RGB成像和IR成像。另一方面，由这些图像的组合可以计算出由450nm-750nm光学响应范围内的任意波长的光谱图像。
当光学距离d在380nm-440nm时，法布里珀罗腔的1阶波峰(m＝1)出现在λ＞750nm的位置，同时2阶波峰(m＝2)出现在λ＜450nm的位置，即在带通滤光片的光学响应波长λ在450nm-750nm范围内波峰数为0，所以成像系统光学响应为关断(OFF)。即，法布里珀罗腔的两个镜面间的光学距离d处于1阶波峰(m＝1)出现在λ＞750nm，且2阶波峰(m＝2)出现在λ＜450nm的位置，成像系统为关断(OFF)。
在具体实施例中，法布里珀罗腔的波峰的半波宽可以达到20-30nm，波峰的底部宽度甚至可以大于50nm，所以在选择带通滤光片光谱范围和关断位置时应该加入上述余量。图3表格的数据中，带通滤光片光谱范围在450nm-750nm时可以同时满足RGB成像、IR成像以及关断的光谱响应要求，但考虑到上述余量，带通滤光片光谱范围选择在430nm-760nm符合实际需求，即带通滤光片的第一光学响应范围。
从图4的表格中还可以推导出，当光学距离d＝200nm，法布里珀罗腔响应的波长λ＝400nm时，出现波峰阶数m＝1，所以从理论上200nm以下的光学距离可以视为另一个关断(OFF)位置。但实际应用中，法布里珀罗腔的光学距离通常难以稳定的达到200nm及以下，同时当驱动电压大于某一数值时，产生吸附效应，而200nm以下通常被视为会产生吸附效应的距离，故法布里珀罗腔的光学距离需保持在200nm以上。
图5是本发明具体实施例中法布里珀罗腔光谱响应曲线图，并且位置1到位置4对应图4表格中的光学距离范围，可以看出，当带通滤光片的截至波长在450nm-750nm范围内，法布里珀罗腔在位置1处仅有1个波峰，在位置2处对应2个波峰，在位置3处对应3个波峰，在位置4处，波峰全部出现在450nm-750nm之外，此时成像系统光学响应为关断(OFF)。
本发明利用宽光谱覆盖的可调的法布里珀罗腔和具有从430nm到760nm在内的第一光学响应范围的带通滤光片，且通过单色成像芯片即可实现RGB成像、IR成像和ON-OFF成像的成像系统，并且可以解析出任意波段的光谱图像。从而实现了用单个法布里珀罗腔和单个成像芯片来得到可以覆盖RGB和IR的光谱成像范围并且同时实现关断效果成像的成像系统及方法。
显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。

Claims (12)

1.一种基于法布里珀罗腔的成像系统，其特征在于，包括单色成像芯片以及设置在所述单色成像芯片的上游光路中的带通滤光片和法布里珀罗腔，所述带通滤光片与所述法布里珀罗腔为相互分立的元件，并且所述带通滤光片被配置为具有包括从430nm到760nm在内的第一光学响应范围，并且所述法布里珀罗腔是可调的以使得其光学响应波峰可在所述第一光学响应范围内之内或完全在所述第一光学响应范围之外。
2.根据权利要求1所述一种基于法布里珀罗腔的成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括设置在所述带通滤光片的上游光路位置的准直透镜组。
3.根据权利要求1所述一种基于法布里珀罗腔的成像系统，其特征在于，所述带通滤光片被设置在所述法布里珀罗腔的上游光路中。
4.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗腔的成像系统，其特征在于，所述法布里珀罗腔中的反射镜面采用宽光谱反射材料制成。
5.根据权利要求4所述一种基于法布里珀罗腔的成像系统，其特征在于，所述法布里珀罗腔中的反射镜面采用银制成。
6.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗腔的成像系统，其特征在于，所述法布里珀罗腔的两镜面之间的光学距离在300-1125nm之间是可调的。
7.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗腔的成像系统，其特征在于，所述法布里珀罗腔通过电压变化调节出的入射光的波峰阶数m，所述法布里珀罗腔的两个镜面间的光学距离为d，所述带通滤光片的光学响应的波长为λ，m＝2d/λ。
8.根据权利要求7所述的基于法布里珀罗腔的成像系统，其特征在于，所述法布里珀罗腔的光学响应于所述第一光学响应范围内的波峰数为0，1，2，或3。
9.根据权利要求7所述的基于法布里珀罗腔的成像系统，其特征在于，所述法布里珀罗腔的两个镜面间的光学距离d能够被调整为使得所述法布里珀罗腔的光学响应的1阶波峰(m＝1)出现在λ＞750nm的位置，且2阶波峰(m＝2)出现在λ＜450nm的位置，以实现成像系统的关断。
10.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗腔的成像系统，其特征在于，所述准直镜头组将入射光准直成小于30°的入射光。
11.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗腔的成像系统，其特征在于，所述单色成像芯片采用基于硅的光学成像芯片。
12.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗腔的成像系统，其特征在于，所述单色成像芯片的光谱响应范围在380nm-1050nm。
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