CN114323276B - 一种非制冷高光谱成像芯片和高光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种非制冷高光谱成像芯片和高光谱成像仪，包括感光芯片，感光芯片包括多个超像元，每个超像元包括多个互不相同的第一光谱像元，每个第一光谱像元包括多个使第一光谱像元的光谱响应为宽带响应的特征微结构；每个超像元输出与待测目标对应区域的光谱信息，光谱信息包括多个离散的波长，以便得到与每个波长对应的光谱图像，并得到高光谱数据立方体。本申请中特征微结构使非制冷高光谱成像芯片的光谱响应为宽带的，没有狭缝和窄带滤光片限制光谱成像系统的光通量，提升光通量和信噪比；超像元兼具光谱测量和成像作用，从而使非制冷高光谱成像芯片通过一次曝光拍摄即可得到高光谱数据立方体，解决传统光谱成像系统成像缓慢的问题。

Description

一种非制冷高光谱成像芯片和高光谱成像仪

技术领域

本申请涉及高光谱成像领域，特别是涉及一种非制冷高光谱成像芯片和高光谱成像仪。

背景技术

高光谱成像技术是利用高光谱成像仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成像，在获得目标物体空间特征成像的同时，也获得了目标物体的光谱信息。

传统的傅里叶变换和光栅分光红外高光谱成像系统在进行高光谱成像时，需要沿设定的方向进行扫描成像，成像缓慢，无法实时得到高光谱数据立方体，且难以适应器件小型化、紧凑化的发展趋势。现有小型化红外高光谱成像系统主要基于滤光片实现，包括可调法珀滤光片、窄带滤光片阵列和线性渐变滤光片。这些方式均基于窄带滤光片分光原理，滤光片与红外探测器为分立式的，集成度低；窄带滤光片的光通量较小，限制了光谱信号的信噪比且工艺复杂。

因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。

发明内容

本申请的目的是提供一种非制冷高光谱成像芯片和高光谱成像仪，以实现高光谱数据立方体实时测量，并提升光通量和信噪比。

为解决上述技术问题，本申请提供一种非制冷高光谱成像芯片，包括感光芯片，所述感光芯片包括多个超像元，每个所述超像元包括多个互不相同的第一光谱像元，每个所述第一光谱像元包括多个使所述第一光谱像元的光谱响应为宽带响应的特征微结构；每个所述超像元输出与待测目标对应区域的光谱信息，所述光谱信息包括多个离散的波长，以便得到与每个所述波长对应的光谱图像，并得到高光谱数据立方体。

可选的，所述特征微结构为光子晶体或者等离激元结构或者多层薄膜层叠结构，其中，当所述特征微结构为光子晶体或者等离激元结构时，不同所述第一光谱像元中所述特征微结构的形状、尺寸、分布周期、排布形式中至少一个不同；当所述特征微结构为多层薄膜层叠结构时，多层薄膜的折射率高低间隔排布。

可选的，当所述特征微结构为多层薄膜层叠结构，各层所述薄膜的材料不同，所述薄膜的材料为ZnS、Ge、Si、SiO₂、SiN中的一种。

可选的，当所述特征微结构为等离激元结构，所述特征微结构的材料为金、银、铝、铜中的任一种或者任意组合。

可选的，每个所述超像元中多个所述第一光谱像元按照预设规则排布，其中，所述预设规则为每个所述第一光谱像元的响应谱与相邻所述第一光谱像元的响应谱的皮尔逊相关系数小于0.5。

可选的，所述特征微结构的形状为圆柱形、方块形、三角柱形、中空圆柱形、中空方块形、中空三角柱形中任一种或者任意组合。

可选的，还包括：

位于所述特征微结构上表面的保护层。

可选的，还包括：

第二光谱像元，所述第二光谱像元包括由下至上叠加的第一悬空像元结构和第三悬空像元结构；所述第三悬空像元结构包括第三支撑层和支撑连接孔。

可选的，还包括：

用于承载所述感光芯片的基底；

用于封装所述感光芯片的封装窗口。

本申请还提供一种高光谱成像仪，包括上述任一种所述的非制冷高光谱成像芯片。

本申请所提供的一种非制冷高光谱成像芯片，包括感光芯片，所述感光芯片包括多个超像元，每个所述超像元包括多个互不相同的第一光谱像元，每个所述第一光谱像元包括多个使所述第一光谱像元的光谱响应为宽带响应的特征微结构；每个所述超像元输出与待测目标对应区域的光谱信息，所述光谱信息包括多个离散的波长，以便得到与每个所述波长对应的光谱图像，并得到高光谱数据立方体。

可见，本申请中的非制冷高光谱成像芯片中的感光芯片，包括多个超像元，每个超像元包括多个互不相同的第一光谱像元，第一光谱像元包括特征微结构，特征微结构可以使得第一光谱像元的光谱响应为宽带响应，即使得非制冷高光谱成像芯片的光谱响应为宽带的，没有狭缝和窄带滤光片限制光谱成像系统的光通量，提升光通量和信噪比；每个超像元输出与待测目标对应区域的光谱信息，从而使非制冷高光谱成像芯片得到待测目标的光谱信息，由于每个超像元的光谱信息中包括多个离散的波长，则根据每个超像元的光谱信息中相同波长下的强度值即可得到每个波长下的光谱图像，即超像元兼具光谱测量和成像的作用，从而使非制冷高光谱成像芯片通过一次曝光拍摄即可得到高光谱数据立方体，解决传统光谱成像系统需通过机械扫描结构扫描成像缓慢的问题；并且，非制冷高光谱成像芯片还可以提高高光谱成像仪的集成度。

此外，本申请还提供一种高光谱成像仪。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种非制冷高光谱成像芯片的俯视图；

图2为本申请实施例获取高光谱数据立方体以及高光谱图像的流程图；

图3为本申请实施例所提供的超像元的俯视图；

图4为本申请实施例所提供的一种第一光谱像元的结构示意图；

图5至图8为本申请实施例所提供的特征微结构的排布方式示意图；

图9为本申请实施例所提供的另一种第一光谱像元的结构示意图；

图10为与图9对应的非制冷高光谱成像芯片的俯视图；

图11为本申请实施例所提供的另一种第一光谱像元的结构示意图；

图12为与图11对应的非制冷高光谱成像芯片的俯视图；

图13为本申请实施例所提供的另一种非制冷高光谱成像芯片的俯视图；

图14为本申请例1所提供的非制冷高光谱成像芯片的俯视图；

图15为图14非制冷高光谱成像芯片中第一光谱像元在8-14um波段的响应谱；

图16为图14非制冷高光谱成像芯片中第一光谱像元响应谱之间的相关系数；

图17为图10非制冷高光谱成像芯片中第一光谱像元在8-14um波段的响应谱；

图18为图10非制冷高光谱成像芯片中第一光谱像元响应谱之间的相关系数；

图19为本申请例3所提供的非制冷高光谱成像芯片的俯视图；

图20为本申请例4所提供的非制冷高光谱成像芯片的俯视图；

图21为本申请所提供的高光谱成像仪进行高光谱成像的原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，目前在进行高光谱成像时采用傅里叶变换或者光栅分光的方式，均需要通过扫描完成高光谱成像，无法实时得到高光谱数据立方体，且高光谱成像系统体积较大；而小型化的红外高光谱成像系统基于窄带滤光片分光原理，滤光片与红外探测器为分立式的，集成度低，且窄带滤光片的光通量较小，限制了光谱信号的信噪比且工艺复杂。

有鉴于此，本申请提供了一种非制冷高光谱成像芯片，请参考图1，包括感光芯片，所述感光芯片包括多个超像元S，每个所述超像元S包括多个互不相同的第一光谱像元A，每个所述第一光谱像元A包括多个使所述第一光谱像元A的光谱响应为宽带响应的特征微结构B；每个所述超像元S输出与待测目标对应区域的光谱信息，所述光谱信息包括多个离散的波长，以便得到与每个所述波长对应的光谱图像，并得到高光谱数据立方体。

超像元S为感光芯片中的一个成像像元，一个成像像元为一个像元级微型光谱仪。超像元S按照阵列形式排布，如图1所示，n(n＝p×q)个超像元S(S₁、S₂…、S_i、…、S_n)通过获取待测目标发出的红外辐射信号，再结合算法处理后输出入射光谱信息从而实现光谱测量，最终获得空间分辨率为p×q的高光谱图像。本申请对超像元S的数量不做限定，根据红外探测器面阵大小和超像元S大小综合确定。

非制冷高光谱成像芯片获取待测目标成像信息后，通过采集所有超像元S的信息并进行数据处理，每个超像元S可输出该超像元S对应成像区域内的光谱。n个超像元S输出的n个光谱(T₁、T₂…、T_j、…T_n)中每个光谱有离散的M个波长(λ₁、λ₂…、λ_j、…λ_M)。通过取n个光谱中相同波长λ_i下的强度值即可得出该波长下的光谱图像，共有M幅不同波长下的光谱图像。因此，维度为n×M(n＝p×q，p、q分别为横向和纵向超像元S的数目)的高光谱数据立方体可以通过一次曝光拍摄实时得到。

高光谱数据立方体的获取方法基于非制冷高光谱成像芯片的标定数据和算法综合实现。实验标定方法包括但不限于傅里叶变换红外光谱仪、黑体光源配合单色仪进行波长扫描测量、红外波长可调谐激光器扫描测量。标定数据是指非制冷高光谱成像芯片中波长离散化(λ₁、λ₂…、λ_j、…λ_M)的每个超像元S(S₁、S₂…、S_i、…、S_n)中所有第一光谱像元A的宽带响应谱所构成的光谱响应矩阵H(H₁、H₂…、H_i、…、H_n)。可以基于标定数据构建n个超像元S中待测目标对应区域I_i的测量数学模型，为Y_i＝H_i*I_i+ε，其中，Y_i代表在待测目标对应区域光谱信息I_i的输入下，第i个超像元S_i中每个第一光谱像元A的输出信号；H_i表示非制冷高光谱成像芯片中第i个超像元S_i的光谱响应矩阵；ε代表测量过程中的噪声。将上述数学模型写成矩阵的形式，有：

其中，h_i(λ_j)表示第i个超像元S_i的光谱响应矩阵H_i中第i个第一光谱像元A对离散化的第j个波长的响应，y_i表示第i个超像元S_i中第i个第一光谱像元A对入射光的强度响应；I_i表示离散化第i个超像元S_i中所成像的光谱信息。

获取高光谱数据立方体以及高光谱图像的流程图如图2所示，待测目标成像在非制冷高光谱成像芯片上，采集非制冷高光谱成像芯片中n个超像元S的强度响应矩阵Y_i。结合预先通过实验标定好的非制冷高光谱成像芯片中n个超像元S的光谱响应矩阵H_i以及采用字典学习算法获得的光谱稀疏表示字典Ψ，通过重构算法求解n个矩阵方程Y_i＝H_i*Ψ*α_i，其中I_i＝Ψ*α_i，α_i为采用稀疏表示字典Ψ对I_i稀疏表示后的稀疏矩阵。在获得了一共n个超像元S对应的光谱(I₁、I₂…、I_i、…、I_n)后，从n个光谱曲线中分别取相同波长λ_j(λ₁、λ₂…、λ_j、…λ_M)处强度值，即可构成空间分辨率为n的第j个光谱通道中的目标区域成像图像。M个光谱通道的空间分辨率为n的高光谱图像共同构成一次曝光获得的目标区域的高光谱数据立方体。字典学习算法包括但不限于KSVD(k-means Singular Value Decomposition，K-奇异值分解)、MOD(Method of Optimal Direction，最优方向)算法；求解算法包括但不限于最小二乘法、凸优化法、贪婪法、贝叶斯算法。

超像元S的俯视图如图3所示，包括多个不同的第一光谱像元A，即图3中A₁、A₂…、A_i、…、A_N。当第一光谱像元A的光谱响应相同时，则认为为同一个第一光谱像元A。本申请中对超像元S中第一光谱像元A的排布方式不做限定。可选的，第一光谱像元A随机排布，或者，每个所述超像元S中多个所述第一光谱像元A按照预设规则排布，其中，所述预设规则为每个所述第一光谱像元A的响应谱与相邻所述第一光谱像元A的响应谱的皮尔逊相关系数小于0.5。皮尔逊相关系数越小，越有益于提高最终重构得出光谱的精确性。

皮尔逊相关系数的计算公式为：

式中，r为皮尔逊相关系数，T_i，T_j分别为第i和j个第一光谱像元A光谱响应波段内的响应谱，M为i和j的维度。皮尔逊相关系数处于0～±0.50之间时为实相关，高于±0.50时为显著相关，高于±0.8时为高度相关。

超像元S中第一光谱像元A的数量由红外探测器的面阵大小、像元大小、第一光谱像元A大小、高光谱成像空间分辨率以及实际应用需求综合确定。

第一光谱像元A的结构示意图如图4所示，包括由下至上叠加的基底层、第一悬空像元结构和第二悬空像元结构，其中，基底层包括含有读出电路的衬底2，位于衬底2上表面的金属反射层3和第二电极层4，位于金属反射层3上表面和第二电极层4上表面的绝缘介质层5；第一悬空像元结构包括具有第一通孔的第一支撑层6、第一电极层7、热敏层8、热敏保护层9、支撑与电连接孔10，第一通孔位于支撑与电连接孔10的底部，以便第一电极层7与第二电极层4电连接；第二悬空像元结构包括由多个特征微结构B形成的微结构层1、支撑连接孔11、第二支撑层12，位于支撑连接孔11处的第二支撑层12与热敏保护层9相连，支撑连接孔11位于支撑与电连接孔10的外侧或者内侧，微结构层1位于第二支撑层12上表面。第二支撑层12的材料可以为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等，厚度可以在50nm～300nm。

每个第一光谱像元A中特征微结构B以一定周期阵列排布组成，每个第一光谱像元A中所述特征微结构B的排布形式包括但不限于四方晶格排布、六方晶格排布、随机排布、混合排布中任一种。特征微结构B的四方晶格排布、六方晶格排布、随机排布、混合排布的示意图分别如图5至图8所示。其中，四方晶格排布为特征微结构B沿正交方向呈周期性排布，具有平移对称性，二重对称性和镜面对称性；六方晶格排布为特征微结构B沿非正交方向呈周期性排布，具有平移对称性，六重对称性和镜面对称性；随机排布为特征微结构B位置随机排列；混合排布为特征微结构B形状、位置均随机排列。六方晶格排布使得每个第一光谱像元A中的特征微结构B更加密集，响应更强，光谱测量时信噪比更高。随机排布使得第一光谱像元A响应谱对偏振更加不敏感。混合排布使得第一光谱像元A响应谱更随机，不同第一光谱像元A响应谱之间的相关系数更小，测量光谱时精度更高。

不同的第一光谱像元A，其包括的特征微结构B不同，请参考图3，即A₁、A₂…、A_i、A_i+1、A_i+2、…、A_2i+、…、A_N中对应的B₁、B₂…、B_i、B_i+1、B_i+2、…、B_N各不相同。特征微结构B的不同，使得不同的第一光谱像元A的宽带响应不同。不同第一光谱像元A中特征微结构B的形状尺寸各不相同，特征微结构B的形状包括但不限于圆柱形、方块形、三角柱形、中空圆柱形、中空方块形、中空三角柱形中任一种或者任意组合，其详细特性参数、材料参数、阵列排布周期和结构参数是基于数值计算模拟的结果并结合相关系数、光谱重构质量等评判指标来设计和优化，并进一步通过实验来确认和调整。不同第一光谱像元A对不同波长入射光产生包括但不限于散射、吸收、透射、反射、干涉等不同的调制作用。

需要说明的是，本申请中对第一光谱像元A中的特征微结构B的类型不做限定。例如，所述特征微结构B为光子晶体或者等离激元结构或者多层薄膜层叠结构，其中，当所述特征微结构B为光子晶体或者等离激元结构时，不同所述第一光谱像元A中所述特征微结构B的形状、尺寸、分布周期、排布形式中至少一个不同；当所述特征微结构B为多层薄膜层叠结构时，多层薄膜的折射率高低间隔排布。

等离激元结构(表面等离激元，Surface Plasmon)是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁振荡，利用表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用来调制入射光场。当特征微结构B为等离激元结构时，所述特征微结构B的材料包括但不限于金、银、铝、铜中的任一种或者任意组合。微结构层1的厚度可以在10nm～200nm之间。采用等离激元结构的第一光谱像元A的优势在于其光谱响应对入射光的角度和偏振态不敏感，有利于获取更加真实、准确的重构目标的光谱信息，适用于更多复杂场景且减小了标定工作量。

光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。当所述特征微结构B为光子晶体时，可以特征微结构B以微结构层1的形式位于第二支撑层12的上表面，优选地，在本申请的一个实施例中，为了简化工艺，当所述特征微结构B为光子晶体时，所述特征微结构B为通孔，所述特征微结构B位于所述第一光谱像元A的第二悬空像元结构中的第二支撑层上，此时，第一光谱像元A的结构示意图如图9所示，非制冷高光谱成像芯片的俯视图如图10所示。

当特征微结构B为光子晶体或者等离激元结构时，需要说明的是，本申请中对特征微结构B的尺寸也不做限定，例如，特征微结构B的尺寸可以在300nm～3000nm。特征微结构B的分布周期也即特征微结构B的间距，分布周期可以在1μm～4μm，本申请中不做具体限定。

当特征微结构B为多层薄膜层叠结构时，对每一层薄膜14的折射率不做限定，只要满足多层薄膜14的折射率高低间隔排布即可，即相邻两层薄膜14的折射率不等。多层薄膜14的数量在3～10层，具体层数可自行设置。薄膜14厚度可以在50nm～2000nm之间，各层薄膜14的厚度可以相等也可以不相等。薄膜14的材料为电介质材料，各层所述薄膜14的材料不同，本申请中对薄膜14具体种类不做限定，所述薄膜的材料包括但不限于ZnS、Ge、Si、SiO₂、SiN中的一种。通过控制各层薄膜的材料和厚度，可以产生多种形态的响应谱。当特征微结构B为多层薄膜14层叠结构时，第一光谱像元A的结构示意图如图11所示，非制冷高光谱成像芯片的俯视图如图12所示，图12中以超像元S为640×512示出，也可以为其他阵列排布形式。可以通过控制薄膜的材料和厚度，产生多种形态的响应谱。

当特征微结构B为多层薄膜层叠结构时，不同的第一光谱像元A，其中的多层薄膜层叠结构不同。在本申请中，根据薄膜的厚度对多层薄膜层叠结构进行区分，即当多层薄膜层叠结构中薄膜的厚度不同时，则第一光谱像元A为不同光谱像元。需要说明的是，不同第一光谱像元A的多层薄膜层叠结构中，薄膜材料既可以相同，也可以不同。

优选地，第一光谱像元A还包括：位于所述特征微结构B上表面的保护层，以保护特征微结构B，保护层13的材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等介质材料，厚度为10nm～300nm。

可选的，非制冷高光谱成像芯片还包括：用于承载所述感光芯片的基底；用于封装所述感光芯片的封装窗口。其中，基底带有集成电路(Read Out Circuit，ROIC)。

本申请中的非制冷高光谱成像芯片中的感光芯片，包括多个超像元S，每个超像元S包括多个互不相同的第一光谱像元A，第一光谱像元A包括特征微结构B，特征微结构B可以使得第一光谱像元A的光谱响应为宽带响应，即使得非制冷高光谱成像芯片的光谱响应为宽带的，没有狭缝和窄带滤光片限制光谱成像系统的光通量，提升光通量和信噪比；每个超像元S输出与待测目标对应区域的光谱信息，从而使非制冷高光谱成像芯片得到待测目标的光谱信息，由于每个超像元S的光谱信息中包括多个离散的波长，则根据每个超像元S的光谱信息中相同波长下的强度值即可得到每个波长下的光谱图像，即超像元S兼具光谱测量和成像的作用，从而使非制冷高光谱成像芯片通过一次曝光拍摄即可得到高光谱数据立方体，解决传统光谱成像系统需通过机械扫描结构扫描成像缓慢的问题；并且，非制冷高光谱成像芯片还可以提高高光谱成像仪的集成度。

在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，请参考图13，非制冷高光谱成像芯片还包括：

第二光谱像元C，所述第二光谱像元C包括由下至上叠加的第一悬空像元结构和第三悬空像元结构；所述第三悬空像元结构包括第三支撑层和支撑连接孔。

第三悬空像元结构中，位于支撑连接孔11处的第三支撑层与热敏保护层9相连，支撑连接孔11位于支撑与电连接孔10的外侧或者内侧。

需要说明的是，本申请中对第二光谱像元C的排布位置不做限定。例如，非制冷高光谱成像芯片中第一光谱像元A和第二光谱像元C可以随机排布，或者，第一光谱像元A按照预设规则排布，此时不需考虑第二光谱像元C的响应谱的皮尔逊相关系数。

第二光谱像元C的第三支撑层不具有特征微结构B，有利于超像元S和非制冷高光谱成像芯片的均匀性标定和矫正，提高超像元S测量光谱的准确性和高光谱图像的均匀性矫正。

下面以不同结构对本申请中非制冷高光谱成像芯片进行介绍。

例1

非制冷高光谱成像芯片的俯视图如图14所示，非制冷高光谱成像芯片由426*341个超像元S阵列构成。一个超像元S由3×3第一光谱像元阵列得到，9个第一光谱像元在8-14um波段的响应谱如图15所示，响应谱之间的相关系数如图16所示，其中，第一光谱像元中的特征微结构B为等离激元结构。长波红外探测器阵列分辨率为426×341。

例2

非制冷高光谱成像芯片的俯视图如图10所示，一个超像元S由2×2第一光谱像元阵列得到，第一光谱像元的在8-14um波段的响应谱如图17所示，光谱之间的相关系数如图18所示，相比等离激元结构的第一光谱像元，光子晶体的第一光谱像元响应谱之间的相关系数更小，一个超像元S中可以采用更少的第一光谱像元达到相近的光谱测量准确度。由于超像元S大小减小，在同样的长波红外探测器面阵大小下，空间分辨率由426*341上升至640*512。

例3

非制冷高光谱成像芯片的俯视图如图19所示，一个超像元S由3*3第一光谱像元和第二光谱像元阵列得到，第二光谱像元数量为一个，位于超像元S中间位置。长波红外探测器阵列分辨率为426*341。

例4

非制冷高光谱成像芯片的局部俯视图如图20所示，例4与例3的区别在于超像元S的复用，在例3中不复用超像元S的情况下，在图19与图20相同的区域下，仅可得到空间分辨率为2*2的高光谱图像，由于非制冷高光谱成像芯片中超像元S的重复性阵列排布，如图20所示，可以复用超像元S的光谱像元，最终可得到空间分辨率为4*4的高光谱图像。这种复用方式可以解决超像元S较大时空间分辨率下降迅速的问题，实现高光通量，高光谱测量准确性，高空间分辨率的高光谱成像。

本申请还提供一种高光谱成像仪，包括上述任一实施例所述的非制冷高光谱成像芯片15，高光谱成像仪还包括成像透镜16。

非制冷高光谱成像芯片15包括感光芯片152，用于承载感光芯片152的基底151；用于封装感光芯片的封装窗口153。基底151带有集成电路。

利用本申请中的高光谱成像仪对待测目标17进行高光谱成像的原理图请参考图21，待测目标17通过成像透镜成像在非制冷高光谱成像芯片15上，非制冷高光谱成像芯片15获取待测目标17成像信息后，通过采集所有超像元S的信息并进行数据处理，每个超像元S可输出该超像元对应成像区域内的光谱18。n个超像元输出的n个光谱18(T₁、T₂…、T_j、…T_n)中每个光谱18有离散的M个波长(λ₁、λ₂…、λ_j、…λ_M)。通过取n个光谱18中相同波长λ_i下的强度值即可得出该波长下的光谱图像19，共有M幅不同波长下的光谱图像19。因此，维度为n×M(n＝p×q，p、q分别为横向和纵向超像元的数目)的高光谱数据立方体可以通过一次曝光拍摄实时得到。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的非制冷高光谱成像芯片和高光谱成像仪进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种非制冷高光谱成像芯片，其特征在于，包括感光芯片，所述感光芯片包括多个超像元，每个所述超像元包括多个互不相同的第一光谱像元，每个所述第一光谱像元包括多个使所述第一光谱像元的光谱响应为宽带响应的特征微结构；每个所述超像元输出与待测目标对应区域的光谱信息，所述光谱信息包括多个离散的波长，以便得到与每个所述波长对应的光谱图像，并得到高光谱数据立方体；

所述特征微结构为光子晶体或者等离激元结构，其中，当所述特征微结构为光子晶体或者等离激元结构时，不同所述第一光谱像元中所述特征微结构的形状、尺寸、分布周期、排布形式中至少一个不同；

当所述特征微结构为光子晶体时，所述特征微结构为通孔，所述特征微结构位于所述第一光谱像元的第二悬空像元结构中的第二支撑层上；

获取高光谱数据立方体以及高光谱图像的过程包括：待测目标成像在非制冷高光谱成像芯片上，采集非制冷高光谱成像芯片中n个超像元S的强度响应矩阵Y_i；结合预先通过实验标定好的非制冷高光谱成像芯片中n个超像元S的光谱响应矩阵H_i以及采用字典学习算法获得的光谱稀疏表示字典Ψ，通过重构算法求解n个矩阵方程Y_i＝H_i*Ψ*α_i，其中I_i＝Ψ*α_i，α_i为采用稀疏表示字典Ψ对I_i稀疏表示后的稀疏矩阵；在获得了一共n个超像元S对应的光谱(I₁、I₂…、I_i、…、I_n)后，从n个光谱曲线中分别取相同波长λ_j(λ₁、λ₂…、λ_j、…λ_M)处强度值，构成空间分辨率为n的第j个光谱通道中的目标区域成像图像；M个光谱通道的空间分辨率为n的高光谱图像共同构成一次曝光获得的目标区域的高光谱数据立方体。

2.如权利要求1所述的非制冷高光谱成像芯片，其特征在于，当所述特征微结构为等离激元结构，所述特征微结构的材料为金、银、铝、铜中的任一种或者任意组合。

3.如权利要求1所述的非制冷高光谱成像芯片，其特征在于，每个所述超像元中多个所述第一光谱像元按照预设规则排布，其中，所述预设规则为每个所述第一光谱像元的响应谱与相邻所述第一光谱像元的响应谱的皮尔逊相关系数小于0.5。

4.如权利要求1所述的非制冷高光谱成像芯片，其特征在于，所述特征微结构的形状为圆柱形、方块形、三角柱形、中空圆柱形、中空方块形、中空三角柱形中任一种或者任意组合。

5.如权利要求1所述的非制冷高光谱成像芯片，其特征在于，还包括：

位于所述特征微结构上表面的保护层。

6.如权利要求1至5任一项所述的非制冷高光谱成像芯片，其特征在于，还包括：

第二光谱像元，所述第二光谱像元包括由下至上叠加的第一悬空像元结构和第三悬空像元结构；所述第三悬空像元结构包括第三支撑层和支撑连接孔。

7.如权利要求6所述的非制冷高光谱成像芯片，其特征在于，还包括：

用于承载所述感光芯片的基底；

用于封装所述感光芯片的封装窗口。

8.一种高光谱成像仪，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的非制冷高光谱成像芯片。