CN114927536A - 多光谱成像芯片、组件、制备方法及移动终端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多光谱成像芯片、组件、制备方法及移动终端。该芯片包括：微透镜结构层；纳米结构滤波层；图像探测器；其中，所述纳米结构滤波层，从上到下包括依次堆叠的保护层、金属光栅层、缓冲层、波导层和基底层。通过本发明，提高了多光谱成像芯片的光谱分辨率。

Description

多光谱成像芯片、组件、制备方法及移动终端
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种多光谱成像芯片、组件、制备方法及移动终端。
背景技术
相关技术中的图像传感器主要用于灰度几何图像的获取，而无法进行多光谱信息的获取，所以不能实现通过多光谱属性进行真彩色恢复或者物质识别等功能。相关技术中的多光谱成像仪依赖棱镜色散、声光可调谐、干涉等分光技术，导致多光谱成像组件体积庞大笨重，制造成本高，光路复杂。
相比较于相关技术中的多光谱成像仪，多光谱成像芯片因其具有体积小、重量轻、高集成度、低成本等独特优势，能够满足光谱成像仪小型化、轻量化、便携化的民用发展趋势需求。
相关技术中的多光谱成像芯片技术通过设置多个滤波通道阵列与图像传感器集成，能够同时获取探测目标的二维空间图像和反射光谱，可实现真彩色恢复、物质识别或者人脸识别等功能。近十多年以来，随着微纳加工技术的不断成熟，片上多光谱成像芯片发展迅速，例如日本索尼公司在2011年提出的采用纳米金属孔阵列结构作为滤波层的固体摄像元件。
基于纳米结构的亚波长光栅超表面滤波技术透过率高，光谱带宽可在几纳米～几十纳米范围可调，可设计的波段范围宽，且可由一步法掩膜刻蚀即可完成，易于批量化制备，在微型光谱成像芯片集成方面潜力巨大。2013年，长春光机所吴一辉等也提出将纳米结构光栅滤光技术应用于微流控芯片的多通道检测。
相关技术中，多光谱成像芯片的光谱分辨率比较低，目前没有解决方案。
发明内容
本发明提供了一种多光谱成像芯片、组件及其制备方法，用于解决相关技术中光谱分辨率比较低的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种多光谱成像芯片，包括：微透镜结构层；纳米结构滤波层；图像探测器；其中，所述纳米结构滤波层，从上到下包括依次堆叠的保护层、金属光栅层、缓冲层、波导层和基底层。
优选地，所述金属光栅层包括：平面金属薄膜层被纳米沟槽分割，形成的一维金属光栅层和/或二维金属光栅层；其中，所述金属光栅层中的沟槽穿透所述金属光栅层；或者，所述沟槽穿透所述金属光栅层，并向下延伸将所述波导层和所述缓冲层一并进行分割。
优选地，所述多光谱成像芯片的透射波长λ通过如下公式确定：
Figure BDA0003676032610000021
其中，n1为所述缓冲层的折射率、n2为所述波导层的折射率、P为所述金属光栅层的周期、h为所述波导层的厚度。
优选地，通过如下公式确定所述多光谱成像芯片的重构入射光谱Preconstruction：
Preconstruction＝[(MTM+αMTQTQM)-1MTS]T*V
其中，测量矩阵M为所述纳米结构滤波层的像元透过率T与所述图像探测器的量子效率ηQE的乘积，即M＝T*ηQE，拉普拉斯矩阵Q为一阶或二阶拉普拉斯矩阵，理想高斯转化矩阵S为构造的理想高斯分布曲线，所述高斯曲线半峰宽和中心波长间隔可依据光谱通道特征调整，平滑因子α为去噪声平滑因子项，不需要去噪声时α为零，DN值V为入射光谱经过所述图像探测器的滤波单元后的灰度值与当前参数及环境下所述图像探测器的暗噪声值的差值。
优选地，所述金属光栅层厚度范围为10～200nm；所述缓冲层厚度范围为0～500nm；所述波导层厚度范围为10～500nm。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种多光谱成像组件，包括前端光学成像镜头和上述的多光谱成像芯片。
优选地，所述前端光学成像镜头包括：透镜、孔径光阑、滤光片。
优选地，通过如下公式确定所述多光谱成像组件的重构入射光谱Preconstruction：
Preconstruction＝[(MTM+αMTQTQM)-1MTS]T*V
其中，测量矩阵M为所述纳米结构滤波的像元透过率T与所述图像探测器的量子效率ηQE的乘积，即M＝T*ηQE，拉普拉斯矩阵Q为一阶或二阶拉普拉斯矩阵，理想高斯转化矩阵S为构造的理想高斯分布曲线，所述高斯曲线半峰宽和中心波长间隔可调整，平滑因子α为去噪声平滑因子项，不需要去噪声时α为零，DN值V为入射光谱经过所述图像探测器的滤波单元后的采集灰度值与当前参数及环境下所述图像探测器的暗噪声值的差值。
优选地，所述多光谱成像组件的透射波长λ通过如下公式确定：
Figure BDA0003676032610000031
其中，n1为所述缓冲层的折射率、n2为所述波导层的折射率、P为所述金属光栅层的周期、h为所述波导层的厚度。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种多光谱成像芯片的制备方法，该方法包括：在图像传感器的光敏元表面沉积一层第一介质薄膜，使所述光敏元表面平坦化，作为基底层；在所述基底层上表面依次沉积所述波导层、所述缓冲层和所述金属薄膜层；在所述金属薄膜层表面制作出横向和/或纵向周期性亚波长掩膜的沟槽结构，形成所述金属光栅层；将所述沟槽结构的沟槽继续向下刻蚀，使得所述沟槽穿透所述金属光栅层，并向下刻蚀穿透所述缓冲层和所述波导层，形成纳米结构滤波层；在所述纳米结构滤波层上表面沉积一层第二介质薄膜作为所述保护层；在所述保护层表面沉积一层第三介质薄膜，通过刻蚀等方法制作出所述微透镜结构层；其中，A＜C，B＜C，所述第一介质薄膜的折射率为A，第二介质薄膜的折射率为B，第三介质薄膜的折射率为C。
优选地，所述第一介质薄膜、第二介质薄膜和第三介质薄膜通过以下方式之一进行薄膜沉积：等离子体化学气相沉积、磁控溅射、物理气象沉积。
优选地，所述微透镜结构层通过以下方式之一进行制作：激光直写、光刻胶热回流刻蚀法、反应离子刻蚀法、热压膜成型法。
优选地，将多光谱成像芯片进行封装，将封装后的多光谱成像芯片安装在镜架上，制作为所述多光谱成像组件，其中，所述镜架里装配有前端光学成像镜头。
根据本发明的另一方面，还提供了一种移动终端，包括：根据上述的多光谱芯片或根据上述的多光谱成像组件，所述多光谱芯片根据上述的制备方法进行制备。
本发明通过多光谱成像芯片包括从上到下包括依次堆叠的保护层、金属光栅层、缓冲层、波导层和基底层，可以实现多光谱成像，克服相关技术中多光谱成像芯片出现的问题，提高了光谱分辨率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的高光谱分辨多光谱成像芯片一个实施例的剖面图；
图2是根据本发明实施例的高光谱分辨多光谱成像芯片的一个实施例俯视图；
图3是根据本发明实施例的一维纳米结构滤波结构的剖面图；
图4是根据本发明实施例的二维纳米结构滤波结构的俯视图；
图5是根据本发明实施例的高光谱分辨多光谱成像芯片一个实施例的剖面图；
图6是根据本发明实施例的纳米结构滤波多光谱芯片一个实施例的剖面图；
图7是根据本发明实施例的高光谱分辨多光谱成像芯片的“透光率-波长”图；
图8是根据本发明实施例的纳米结构滤波阵列一个实施例的局部俯视图；
图9是根据本发明实施例的3×3马赛克滤波组的俯视图；
图10是根据本发明实施例的由3×3马赛克滤波组填充的纳米结构滤波阵列一个实施例的俯视图；
图11是根据本发明实施例的多光谱成像组件的一个实施例剖面图；
图12是根据本发明实施例的应用于高光谱分辨多光谱成像组件的光谱重构算法一个实施例的光谱反演计算流程图；
图13是根据本发明实施例的光谱重构算法一个实施例的理想高斯转化矩阵输入参数S分布图；
图14是根据本发明实施例的光谱重构算法复原色卡18个色块的重构光谱图；
图15是根据本发明实施例的应用了本发明高光谱分辨多光谱成像组件的移动终端的一个实施例的正视图；
图16是根据本发明实施例的多光谱成像芯片的制备方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
下面对纳米结构滤波的原理进行描述：纳米结构滤波层结构的顶部可以为亚波长金属光栅层，其下为依次堆叠的缓冲层、波导层和基底层，其中波导层的材料折射率高于两侧的缓冲层和基底层的材料折射率，缓冲层、波导层和基底层三者共同构成波导结构。当满足光栅波矢匹配条件时，入射光波会与波导所支持的导模发生共振，同时受亚波长金属光栅的周期性调制，使光栅波导产生泄漏波，泄漏波能量进行重新分布，从而实现透射型滤波功能。
优选地，一维纳米结构滤波层结构，由上而下依次堆叠金属光栅层、缓冲层、波导层和基底层，金属光栅层上有若干条平行排列的沟槽，此时金属光栅层为一维金属光栅层。一维纳米结构滤波层结构的特点在于沟槽只在横向或纵向上平行排列，沟槽等距且等宽。
优选地，二维纳米结构滤波层结构，其他结构与上述一维纳米结构滤波层结构相同，区别点在于，沟槽在金属光栅层上同时呈横向和纵向的平行排列，即形成网状结构，此时金属光栅层为二维金属光栅层。
本实施例提供了一种多光谱成像芯片，如图1所示，包括：微透镜结构层7、纳米结构滤波层、图像探测器1；其中，纳米结构滤波层，从上到下包括依次堆叠的保护层6、金属光栅层5、缓冲层4、波导层3和基底层2。沟槽只刻蚀穿透金属光栅层的纳米结构滤波多光谱芯片101。
在该实施例中，多光谱成像芯片包括从上到下包括依次堆叠的保护层6、金属光栅层5、缓冲层4、波导层3和基底层2，可以实现多光谱成像，克服相关技术中多光谱成像芯片出现的问题，提高了光谱分辨率。
作为一个较优的实施方式，金属光栅层可以包括平面金属薄膜层被纳米沟槽分割，形成的一维金属光栅层和/或二维金属光栅层；其中，金属光栅层中的沟槽穿透金属光栅层；或者，沟槽穿透金属光栅层，并向下延伸将波导层和缓冲层一并进行分割。
作为另一个较优的实施方式，多光谱成像芯片的透射波长λ通过如下公式确定：
Figure BDA0003676032610000071
其中，n1为缓冲层的折射率、n2为波导层的折射率、P为金属光栅层的周期、h为波导层的厚度。该优选实施方式，可以通过调整金属光栅层、波导层参数，实现对透射波长λ的调整。例如在一些特殊场景的应用中，使用多光谱成像组件拍摄的多光谱马赛克图像，通过设置红外光谱段(通过调整透射波长为红外光谱段)还可以完成物质鉴别、人脸识别等多种功能应用。例如采用940nm波段光谱通道进行人脸识别，可以有效防止假人、照片等伪装攻击手段。近红外成像可以通过不同材质的红外光反射率进行活体检测，对于屏幕视频、照片或者假人模具等类型的攻击有很强防御能力。
作为另一个较优的实施方式，可以通过如下公式确定多光谱成像芯片的重构入射光谱Preconstruction：
Preconstruction＝[(MTM+αMTQTQM)-1MTS]T*V。其中，测量矩阵M为纳米结构滤波层的像元透过率T与图像探测器的量子效率ηQE的乘积，即M＝T*ηQE，拉普拉斯矩阵Q为一阶或二阶拉普拉斯矩阵，理想高斯转化矩阵S为构造的理想高斯分布曲线，高斯曲线半峰宽和中心波长间隔可依据光谱通道特征调整，平滑因子α为去噪声平滑因子项，不需要去噪声时α为零，DN值V为入射光谱经过图像探测器的滤波单元后的灰度值与当前参数及环境下图像探测器的暗噪声值的差值。该优选实施方式实现了对光谱的重建。
作为一个较优的实施方式，金属光栅层厚度范围为10～200nm；缓冲层厚度范围为0～500nm；波导层厚度范围为10～500nm。
本实施例提供了一种多光谱成像组件，包括前端光学成像镜头和上述实施例及其优选实施方式中的多光谱成像芯片。
作为一个较优的实施方式，前端光学成像镜头可以包括：透镜、孔径光阑或滤光片。该优选方式中的前端光学成像镜头可以根据不同应用来选择不同的镜头。需要说明的是，本申请中的描述仅用于示例，不构成对本申请的限制。
优选地，可以通过如下公式确定多光谱成像组件的重构入射光谱Preconstruction：Preconstruction＝[(MTM+αMTQTQM)-1MTS]T*V。其中，测量矩阵M为纳米结构滤波层的像元透过率T与图像探测器的量子效率ηQE的乘积，即M＝T*ηQE，拉普拉斯矩阵Q为一阶或二阶拉普拉斯矩阵，理想高斯转化矩阵S为构造的理想高斯分布曲线，高斯曲线半峰宽和中心波长间隔可依据光谱通道特征调整，平滑因子α为去噪声平滑因子项，不需要去噪声时α为零，DN值V为入射光谱经过图像探测器的滤波单元后的灰度值与当前参数及环境下图像探测器的暗噪声值的差值。
本实施例提供了一种多光谱成像芯片的制备方法，如图16所示，包括如下步骤S1602至步骤S1612。
步骤S1602，在图像传感器的光敏元表面沉积一层第一介质薄膜，使光敏元表面平坦化，作为基底层。
步骤S1604，在基底层上表面依次沉积波导层、缓冲层和金属薄膜层。
步骤S1606，在金属薄膜层表面制作出横向和/或纵向周期性亚波长掩膜的沟槽结构，形成金属光栅层。
步骤S1608，将沟槽结构的沟槽继续向下刻蚀，使得沟槽穿透金属光栅层，并向下刻蚀穿透缓冲层和波导层，形成纳米结构滤波层。
步骤S1610，在纳米结构滤波层上表面沉积一层第二介质薄膜作为保护层。
步骤S1612，在保护层表面沉积一层第三介质薄膜，通过刻蚀等方法制作出微透镜结构层。其中，A＜C，B＜C，第一介质薄膜的折射率为A，第二介质薄膜的折射率为B，第三介质薄膜的折射率为C。
通过上述步骤，实现了多光谱成像芯片的多个层的制备。
作为一个较优的实施方式，所述第一介质薄膜、第二介质薄膜和所述第三介质薄膜通过以下方式之一进行薄膜沉积：等离子体化学气相沉积、磁控溅射、物理气象沉积。通过本优选实施方式，实现了多种方式进行薄膜沉积。
作为另一个较优的实施方式，微透镜结构层通过以下方式之一进行制作：激光直写、光刻胶热回流刻蚀法、反应离子刻蚀法、热压膜成型法。通过该优选实施例，采用多种工艺方式进行微透镜结构层的制作。
优选地，将多光谱成像芯片进行封装，将封装后的多光谱成像芯片安装在镜架上，制作为多光谱成像组件，其中，镜架里装配有前端光学成像镜头。该优选实施例实现了多光谱成像组件的制备。
本实施例提供了一种移动终端，包括：根据上述实施例及其优选实施方式中的多光谱芯片或根据上述实施例及其优选实施方式中的多光谱成像组件，多光谱芯片根据上述制备方法进行制备。
实施例1
如图1、图2所示一种高光谱分辨多光谱成像芯片的剖面图和俯视图，如图所示，该多光谱成像芯片包括：由上而下依次堆叠的微透镜结构层7、保护层6、金属光栅层5、缓冲层4、波导层3、基底层2和图像探测器1。
在本实施例中，顶部为微透镜结构层7，可以按照六角或者四方阵列排列而成。
在实施过程中，保护层可以为低折射率材料SiO2、MgF2、Al2O3中的一种或多种的组合。保护层的作用包括：(1)为了避免纳米结构滤波层被空气氧化，延长多光谱成像芯片的使用寿命；(2)填充纳米结构滤波层刻蚀后形成的沟槽缝隙，以便于在纳米结构滤波层上制作微透镜结构层。
在本实施例中，纳米结构滤波层结构的顶部为亚波长金属光栅层，其下为缓冲层、波导层和基底层作为介质材料，其中，波导层的材料折射率高于两侧的缓冲层和基底层的材料折射率，缓冲层、波导层和基底层三者共同构成波导结构。
当满足光栅波矢匹配条件时，入射光波会与波导所支持的导模发生共振，同时受亚波长金属光栅的周期性调制，使光栅波导产生泄漏波，泄漏波能量进行重新分布，从而实现透射型滤波功能。
作为一个较优的实施方式，纳米滤波结构层的滤波主峰为TM模式，透射波长λ可以由缓冲层的折射率n1、波导层的折射率n2、光栅周期P和波导层的厚度h共同决定，满足如下关系式：
Figure BDA0003676032610000101
通过该优选实施方式，可以通过改变金属光栅周期来调控透射波长，
如图3、图4所示，在平行于芯片表面的水平方向上，本申请中金属光栅层可分为一维金属光栅层(图3)或二维金属光栅层(图4)。对于一维金属光栅层而言，基底层以上各层则被沟槽分割成若干互相平行的条带；对于二维金属光栅层而言，基底层以上各层则被分割成若干柱体。
作为一个较优的实施方式，沟槽在深度方向上的刻蚀深度非常关键，可以用来调控透射光谱带宽和次级峰。如图1所示，本实施例中沟槽在深度方向仅仅穿透了金属光栅层、缓冲层和波导层。基底层还是堆叠成的一块整体，沟槽内被保护层所填满。在后面的实施例中可以看到，金属光栅层上的沟槽可以向下延伸将基底层以上各层予以分割。
在本申请的高光谱分辨多光谱成像芯片中，微透镜结构层的材料可以为Si3N4、TiO2、ZnS、ZnSe、Nb2O5、GaN中的一种或多种；保护层的材料可以为低折射率材料包括SiO2、MgF2、Al2O3、SiON中的一种或多种的组合。金属光栅层的材料可以包括Au、Ag、Al、Pt、Cu、Cr、Sn的一种或多种的组合；缓冲层材料可以包括SiO2、MgF2、Al2O3中的一种或多种的组合；波导层材料可以包括Si3N4、TiO2、ZnS、ZnSe、Nb2O5、Ta2O5、ZnO、WO3、V2O5、MoO3、GaN中的一种或多种的组合。基底层的材料可以包括SiO2、MgF2的一种或两种的组合。
优选地，纳米滤波结构边长/周期的占空比可在0.6～0.9之间选择调整。
作为一个较优的实施方式，缓冲层的厚度与透射光谱的带宽有关，缓冲层可以不设置，此时金属光栅层同时作为低折射率的波导反射层使用。
图像探测器的作用在于把光信号转换为电信号，工作机理为复合光照射到微透镜结构层进行聚焦，光线经过纳米结构滤波层时被分解为不同谱段的光，不同谱段的光再会聚到图像传感器光敏元面上，接着图像传感器把光信号转换为电信号DN值，得到的电信号可以在各种电子设备上复原为各种色彩的图案。其中用到的图像传感器可以是CCD或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称为CMOS)。CCD是电荷耦合器件(Charge Coupled Device)的简称，它能够将光变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化。CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成,这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。
实施例2
本实施例提供了一种多光谱成像芯片，在本实施例中，该多光谱成像芯片的结构在实施例1的基础上，沟槽穿透了金属光栅层和缓冲层，形成了若干个柱体矗立在波导层上，沟槽内被保护层所填满，如图5所示。此时纳米滤波层结构的形态分为三种情况：第一种情况是纳米滤波结构的金属光栅层是一维金属光栅层，波导层以上各层全部被沟槽分割为条带；第二种情况是金属光栅层是二维金属光栅层，波导层以上各层全部被沟槽分割为柱体，如图1、图2所示；第三种情况是波导层以上各层被沟槽划分为一维纳米结构滤波结构与二维纳米结构滤波结构的混合体。在本实施例中，示出了纳米滤波层的三种不同情况。
实施例3
本实施例提供了一种多光谱成像芯片，在本实施例中，该多光谱成像芯片的结构在实施例1的基础上，沟槽穿透了金属光栅层、所述缓冲层和波导层，形成了若干个柱体矗立在基底层上，沟槽内被所述保护层所填满，如图6所示。此时纳米滤波结构的形态为：基底层以上各层全部被所述沟槽分割为所述柱体。在该形态的基础下，柱体呈现两种情况，第一种情况，横向或纵向相邻的两个柱体间距相等；第二种情况，横向或纵向相邻的两个柱体间距不相等。在第二种情况下，横向相邻柱体间距可以大于纵向相邻柱体间距，或者横向相邻柱体间距可以小于纵向相邻柱体间距。
如图7所示为根据本发明实施例的高光谱分辨多光谱成像芯片结构的仿真透射谱，纳米滤波结构沟槽穿透了金属光栅层、缓冲层和波导层，不同透射波长λ可以通过改变光栅周期P来实现。采用本申请中纳米滤波结构方案可以获得窄带光谱，并且能够有效抑制次级峰，可以解决后续多光谱复原困难的问题。
实施例4
本实施例中的纳米结构滤波阵列按周期性平铺满整个图像探测器表面，在实施例1、2或3的基础上，可以对纳米结构滤波层作多种设计以满足不同情况的需要。
除全部是如图3或4所示的一维或二维纳米结构滤波单元结构之外，还可以采取如图8所示的第三种设计，纳米结构滤波阵列由一维纳米结构滤波单元结构和二维纳米结构滤波单元结构组合构成。如图8所示，一维纳米结构滤波结构102，二维纳米结构滤波结构202。
实施例5
本实施例提供一种多光谱成像芯片的滤波层设计方法。纳米结构滤波阵列全部由二维纳米结构滤波单元结构组成，二维纳米结构滤波结构内重复排列着多个马赛克滤波组，一个马赛克滤波组根据被分光的不同多光谱的特性、波段，设置多个纳米结构滤波单元结构，这些二维纳米结构滤波单元结构的沟槽宽度可以根据实际需要来进行设定，以适应不同波长的光入射。如图9所示，纳米结构滤波组单元内为3×3式九宫格排列，分为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9，纳米结构窄带滤波单元结构的周期P随C1-C9逐个增加，同时柱体个数逐个减少。在一个马赛克滤波组中，C1-C9代表9个点同时也对应着9个不同峰值波长透射的光，9个点的DN值经过光谱重构算法加工计算以复原入射多光谱。马赛克滤波组或九宫格式排列只是纳米结构窄带滤波单元结构在纳米结构窄带滤波阵列内的多种排列方式中的一种。本领域技术人员可以根据被复原多光谱的具体情况，采用不同的设计形式。如图10所示，图像探测器表面重复排列着图9所示的马赛克滤波组，纳米结构滤波阵列填充满整个图像探测器的靶面。
实施例6
本实施例提供了一种制备多光谱成像芯片的方法，包括以下步骤S02至步骤S10。
步骤S02：在图像传感器上表面沉积一层较低折射率的介质薄膜作为基底层，填充探测器光敏元面上表面使整体平坦化。
步骤S04：基底层上表面依次沉积波导层、缓冲层和金属薄膜层；在所述金属薄膜层表面制作出周期性亚波长结构阵列掩膜层，借助掩膜纵向刻蚀形成沟槽，可选择穿透所述金属薄膜层、所述缓冲层和所述波导层直到所述基底层，同时横向形成二维周期性亚波长结构阵列，形成纳米结构滤波层，纳米结构滤波层中包括周期性排布的纳米结构滤波单元结构。
步骤S06：在纳米结构滤波层表面沉积一层低折射率介质作为保护层，保护层填充沟槽缝隙。
步骤S08：在平坦化的保护层表面沉积一层较高折射率的介质薄膜，通过刻蚀等方法制作出微透镜阵列层。
步骤S10：对上述结构进行切片封装，制备得到多光谱成像芯片。
在本实施例中，基底层的材料可以包括：SiO2、MgF2中的一种或两种。
在本实施例中，波导层的材料可以包括：Si3N4、TiO2、ZnS、ZnSe、Nb2O5、Ta2O5、ZnO、WO3、V2O5、MoO3、GaN中的一种或多种组合。
在本实施例中，缓冲层的材料可以为以下之一：SiO2、MgF2、Al2O3。
优选地，沉积方法可以包括：等离子体化学气相沉积、磁控溅射或物理气相沉积。本领域技术人员可以根据实际需要，选择相应的沉积方法。
在实施中，金属薄膜层材料可以包括：Au、Ag、Al、Pt、Cu、Cr和Sn中的一种或多种组合。
优选地，沉积方法包括电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射中的一种。
作为一个较优的实施方式，波导层厚度的范围可以为10nm～500nm；缓冲层厚度的范围为0～500nm；金属层厚度的范围为10nm～200nm。
优选地，制作二维周期性亚波长掩膜结构的方法可以为以下之一：电子束曝光、离子束曝光、X射线曝光、深紫外线曝光或纳米压印。
优选地，刻蚀方法可以为以下之一：溅射刻蚀、反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀或激光烧蚀。
作为一个较优的实施方式，纳米结构滤波层的单元结构可以为周期性分布，排布方式包括：六角或四方排列。该纳米结构单元为方块、圆盘或者为带圆角的方块。比较优的，纳米结构窄带滤波的单元结构边长/周期的占空比范围包括0.6～0.9。
优选地，纳米结构窄带滤波单元结构滤波主峰为TM模式，透射波长λ具体由缓冲层折射率n1、波导层折射率n2、光栅周期P和波导层厚度h共同决定，可以通过改变金属光栅周期来调控透射波长，满足如下关系式：
Figure BDA0003676032610000141
在本实施例中，保护层可以为低折射率材料SiO2、MgF2、Al2O3中的一种。该优选实施例，可以实现如下技术效果：(1)保护芯片表面的金属光栅不被外界环境氧化或破坏；(2)填充纳米结构滤波层的沟槽缝隙，便于后续微透镜结构层的加工。
在本实施例中，微透镜结构层所采用的较高折射率的介质薄膜材料可以为Si3N4、TiO2、ZnS、ZnSe、Nb2O5、GaN中的一种；微透镜结构层沉积厚度使微透镜阵列汇聚的入射光线焦点位于图像传感器的焦面。
薄膜沉积方法为等离子体化学气相沉积或磁控溅射或物理气相沉积。微透镜阵列的排布方式包括六角或四方排列。
在本实施例中，制作微透镜结构层的方法可以为激光直写、光刻胶热回流刻蚀法、反应离子刻蚀法、热压模成型法中任一种或两种以上的组合。
实施例7
本实施例提供了一种高光谱分辨多光谱成像组件，结合了实施例1至6中的多光谱成像芯片的技术方案。如图11所示，包括:高光谱分辨多光谱成像芯片10，前端光学成像镜头11，固定镜架12，高光谱分辨的多光谱成像组件401，在封装好的多光谱成像芯片上表面安装固定镜架，镜架装配前端光学成像镜头，构成多光谱成像组件。
在本实施例中，多光谱成像组件中的多光谱成像芯片，纳米结构滤波阵列可以按周期性平铺满整个图像探测器表面，平行于探测器光敏元面的横向方向上，纳米结构滤波层可以采用如下三种情况：(1)一维纳米结构滤波结构单元结构；(2)二维纳米结构滤波单元结构；(3)一维纳米结构滤波单元结构和二维纳米结构滤波单元结构组合构成的结构。垂直于探测器的光敏元面的纵向方向上，可以采用实施例1、2或3中的任意一种结构。所以纳米结构滤波阵列可能的结构形式可由上述横、纵对应任意情况组合而成。
在本实施例中，前端光学成像镜头包括但不限于透镜、孔径光阑、滤光片等光学元件的组合，该前端光学成像镜头的作用是会聚入射光线并使成像点位于多光谱芯片光敏元面。
在本实施例中，前端光学成像镜头中滤光片为带通滤光片，其作用是过滤掉目标光谱覆盖范围之外的光子干扰，提供光谱范围内光谱的复原精度。
实施例8
本实施例提供了一种制造多光谱成像组件的方法，该方法包括如下步骤S02至步骤S12。
步骤S02，在图像传感器光敏元表面沉积一层较低折射率的介质薄膜使表面平坦化，作为基底层。
步骤S04，在基底层上表面依次沉积波导层、缓冲层和金属薄膜层。其中，在金属薄膜层表面制作出横向和或纵向周期性亚波长掩膜沟槽结构，形成金属光栅层；将所述沟槽继续向下刻蚀，使得沟槽穿透所述金属光栅层，并可继续向下刻蚀穿透缓冲层和波导层，形成纳米结构滤波层。
步骤S06：在纳米结构滤波层上表面沉积一层低折射率介质作为所述保护层并使表面平坦化。
步骤S08：在保护层表面沉积一层较高折射率的介质薄膜，通过刻蚀等方法制作出微透镜结构层，制备得到所述多光谱成像芯片。
步骤S10：对上述结构进行切片封装，制备得到多光谱芯片。
步骤S12：将多光谱成像芯片进行封装，安装固定镜架，镜架装配前端光学成像镜头，形成所多光谱成像组件。
实施例9
本实施例提供了一种光谱重构方法，本实施例中的光谱重构方法基于实施例7至8中的高光谱分辨多光谱成像组件的基础上。光谱重构方法适用于高光谱分辨多光谱成像组件的光谱复原步骤，可以作为数据处理方法配套使用，通过本实施例的光谱重构方法，可以对多光谱成像组件采集信号DN值进行光谱复原计算，高精度反演出探测目标的反射光谱曲线。
下面对该光谱重构方法进行详细描述。如图12所示，进入多光谱成像组件的入射光功率谱为x(λ)，入射光穿过前端光学成像镜头后，照射到微透镜结构层进行聚焦，光线经过纳米结构滤波层时被分解为不同波段的光，不同波段的光会聚到图像传感器光敏元面上，然后图像传感器将光信号转换为电信号DN值。
作为一个优选的实施方式，在本实施例中：M*x(λ)＝V。
光谱重构过程即为已知M和V的情况下反演x(λ)。光谱波长作为未知数，其个数远大于多光谱芯片的通道数，对上述方程求解为欠定方程组求解。
优选地，测量矩阵M为纳米结构滤波像元透过率T与探测器量子效率ηQE的乘积，即M＝T*ηQE，对所述多光谱成像组件进行光谱定标测试得到，所述测量矩阵M＝(各通道定标DN-暗噪声)/定标光源功率谱。
光谱重构算法是以维纳-霍夫(Wiener-Hopf)滤波方程为基础，增加噪声平滑因子项，基于最小二乘法原理，采用线性投影算法进行正则化光谱重构估计。
光谱重构算法包括测量矩阵M、拉普拉斯矩阵Q、理想高斯转化矩阵S、平滑因子α、探测器DN值V五项输入参数。
光谱重构方法法计算公式为：
Preconstruction＝[(MTM+αMTQTQM)-1MTS]T*V
其中，Preconstruction为重构入射光谱，维度nn*1；测量矩阵M，维度m*n；Q为拉普拉斯矩阵，维度m*m；α为平滑因子；S为理想高斯转化矩阵，维度m*nn；V为多光谱成像组件采集信号DN值，维度n*1。其中，m为测量矩阵M的光谱波长点个数，n为多光谱成像组件滤波通道数，nn为重构波长点个数。
拉普拉斯矩阵Q为一阶或二阶拉普拉斯矩阵，其中，一阶拉普拉斯矩阵可以为：
Figure BDA0003676032610000171
二阶拉普拉斯矩阵可以为
Figure BDA0003676032610000172
如图13所示，理想高斯转化矩阵S为构造的理想高斯分布曲线，高斯曲线半峰宽和中心波长间隔可根据计算需要进行调整。
平滑因子α为去噪声平滑因子项，不需要去噪声时α为零，α值越大重构光谱曲线越平滑，但重构光谱精细度会下降，α具体取值需结合重构光谱环境特征和应用需要进行赋值。
DN值V为入射光谱经过探测器滤波单元后的采集灰度值，需要减去当前参数及环境下探测器的暗噪声值。
如图14所示为16谱段多光谱成像组件，其中，直线-光谱仪实测参考光谱曲线，点线-光谱重构算法复原光谱曲线。采用该光谱重构方法复原的色卡中18个彩色色块的光谱复原结果，与光谱仪测试结果相比，光谱还原度超过93％。在该光谱重构算法中，m为测量矩阵M的光谱波长点个数，测量矩阵M波长范围为400-850nm，波长间隔1nm m＝451；n为多光谱成像组件滤波通道数，采用16谱段马赛克排布，n＝16；nn为重构波长点个数，重构入射光谱Preconstruction,维度为26*1，重构光谱波长范围为500-750nm，数据点采样间隔为10nm nn＝26；测量矩阵M维度为451*16；Q取一阶拉普拉斯矩阵，维度为451*451；α为平滑因子，α＝500；S为理想高斯转化矩阵，维度451*26；V为多光谱成像组件采集信号DN值，维度16*1。
对于宽谱多光谱成像组件，不同光谱通道间光谱重叠会造成光谱串扰，严重影响光谱复原精度。采用本申请所提供的光谱重构方法可以有效地抑制通道间光谱串扰。在需要采用宽谱的多光谱成像应用领域，不仅能够发挥其高光能利用率的优势，采用该方法同时可以实现高精度光谱反演。
实施例10
在本实施例中提供了一种高光谱分辨多光谱成像组件，在本实施例中，移动终端13应用该高光谱分辨多光谱成像组件401，如图15所示，高光谱分辨多光谱成像组件可以通过多个摄像头中的一个，将外界的光信号转换为移动终端能够识别的电子信号，从而实现快照式拍照、摄影等功能。在拍照图像基础之上，多光谱成像组件所拍摄的多光谱马赛克图像，可辅助主摄像头拍摄的三原色(Red,Green,and Blue，简称为RGB)、RYYB等图像完成真彩色恢复。多光谱成像组件所拍摄的多光谱马赛克图像，也可以通过光谱成像分析更准确地找到白点、获取环境色温，进一步辅助主摄像头拍摄的彩色图像完成白平衡校正功能，去除环境色温引起的偏色现象，恢复物质本来颜色显示。另外，应用多光谱成像组件所拍摄的多光谱马赛克图像，通过设置红外谱段还可以用于物质识别、人脸识别等多种功能应用。例如采用790nm或940nm波段光谱通道进行人脸识别，可以有效防止假人、照片等攻击手段。红外人脸识别组件可以由红外泛光灯与红外(Infrared，简称为IR)摄像头组成，输出一张红外照片，通过红外补光灯，可以在黑暗环境中成像红外图，不容易被自然光环境干扰。近红外成像可以通过对不同材质的红外光反射率的比较，来进行活体检测，该优选实施方式对于屏幕视频、照片或者假人模具等类型的攻击有很强防御能力。
移动终端包括不限于：手机、笔记本、平板电脑、无人机、可穿戴设备(如智能手表、智能手环、智能眼镜、智能头盔等)、头显设备、虚拟现实设备、汽车等。移动终端可以为智能移动终端或非智能移动终端，移动终端可以具备通讯功能也可以不具备通讯功能。移动终端应用了多光谱成像组件，或在光谱复原步骤应用了光谱重构算法。传统多光谱成像组件体积庞大，不适用于集成式应用，本申请中的多光谱成像组件体积小、集成度高、可批量化制备，可内置于上述多种移动终端之中使用，移动终端应用多光谱芯片能进一步拓展其应用功能，且可大幅降低成本，提高效率。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
综上所述，通过上述实施例及其优选实施方式，提供了一种多光谱成像芯片、多光谱成像组件及其制备方法，实现了技术效果：
1、光谱重构性能优异。本申请中的多光谱成像组件的滤波芯片采用纳米结构滤波技术，可同时满足高透过率、次级峰抑制效果好、宽光谱范围等优势，光谱带宽从几纳米到几十纳米可调，具体可根据用户需要灵活设计。传统纳米结构滤波器通常只是在金属层制作的一维或二维亚波长光栅结构，存在较强的次级峰，影响多光谱复原精度。与之相比，本申请中的纳米结构多光谱成像芯片，不仅可以极大抑制次级峰干扰，同时在宽光谱范围内都可以保持几纳米单色光水平的窄带宽，更进一步通过配套专有光谱重构算法，光谱重构算法简便、运算速度快，分光精度不易受波长变化影响，可实现宽光谱范围内的高精度光谱复原。
2、易于批量化制备。相关技术中的微纳滤波结构中得到商业化应用的F-P腔滤波技术，不同多光谱通道在结构上呈立体台阶式分布，制备时需要多步光刻、沉积、剥离工艺配合，工艺复杂、加工难度很大、批量化生产成本高，难以实现大规模推广。本申请所采用的纳米滤波结构，不同多光谱通道只需横向调节光栅结构周期即可实现，可通过一步法光刻兼刻蚀即可完成制作，制作工艺简单，工艺难度小，在批量化制备方面优势明显。
3、集成度高、应用潜力广。本申请的多光谱成像芯片采用一体化集成结构设计，通过在CMOS/CCD图像探测器表面直接制作滤波层和微透镜结构层，三者构成为有机的整体；配合后续装配的光学成像镜头，能够大幅缩减系统体积、尺寸和重量，同时薄膜的集成化制作也提高了整体光学系统的稳定性。本申请多光谱成像组件结构微型化、体积小、集成度高，可灵活内置应用于各类可移动终端，功能涵盖真彩色恢复、物质识别、食品检测等各类前沿应用，市场潜力巨大，应用价值高，为轻量化、低成本、便携性智能化终端应用开发提供了极大的可能性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种多光谱成像芯片，其特征在于，包括：
微透镜结构层；
纳米结构滤波层；
图像探测器；
其中，所述纳米结构滤波层，从上到下包括依次堆叠的保护层、金属光栅层、缓冲层、波导层和基底层。
2.根据权利要求1所述的多光谱成像芯片，其特征在于，
所述金属光栅层包括：平面金属薄膜层被纳米沟槽分割，形成的一维金属光栅层和/或二维金属光栅层；
其中，所述金属光栅层中的沟槽穿透所述金属光栅层；或者，所述沟槽穿透所述金属光栅层，并向下延伸将所述波导层和所述缓冲层一并进行分割。
3.根据权利要求1所述的多光谱成像芯片，其特征在于，
所述多光谱成像芯片的透射波长λ通过如下公式确定：
Figure FDA0003676032600000011
其中，n1为所述缓冲层的折射率、n2为所述波导层的折射率、P为所述金属光栅层的周期、h为所述波导层的厚度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的多光谱成像芯片，其特征在于，通过如下公式确定所述多光谱成像芯片的重构入射光谱Preconstruction：
Preconstruction＝[(MTM+αMTQTQM)-1MTS]T*V，
其中，测量矩阵M为所述纳米结构滤波层的像元透过率T与所述图像探测器的量子效率ηQE的乘积，即M＝T*ηQE，拉普拉斯矩阵Q为一阶或二阶拉普拉斯矩阵，理想高斯转化矩阵S为构造的理想高斯分布曲线，所述高斯曲线半峰宽和中心波长间隔可依据光谱通道特征调整，平滑因子α为去噪声平滑因子项，不需要去噪声时α为零，DN值V为入射光谱经过所述图像探测器的滤波单元后的灰度值与当前参数及环境下所述图像探测器的暗噪声值的差值。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的多光谱成像芯片，其特征在于，
所述金属光栅层厚度范围为10～200nm；
所述缓冲层厚度范围为0～500nm；
所述波导层厚度范围为10～500nm。
6.一种多光谱成像组件，其特征在于，包括前端光学成像镜头和根据权利要求1至5中任一项所述的多光谱成像芯片。
7.根据权利要求6所述的多光谱成像组件，其特征在于，所述前端光学成像镜头包括：透镜、孔径光阑或滤光片。
8.根据权利要求6或7所述的多光谱成像组件，其特征在于，通过如下公式确定所述多光谱成像组件的重构入射光谱Preconstruction：
Preconstruction＝[(MTM+αMTQTQM)-1MTS]T*V，
其中，测量矩阵M为所述纳米结构滤波层的像元透过率T与所述图像探测器的量子效率ηQE的乘积，即M＝T*ηQE，拉普拉斯矩阵Q为一阶或二阶拉普拉斯矩阵，理想高斯转化矩阵S为构造的理想高斯分布曲线，所述高斯曲线半峰宽和中心波长间隔可依据光谱通道特征调整，平滑因子α为去噪声平滑因子项，不需要去噪声时α为零，DN值V为入射光谱经过所述图像探测器的滤波单元后的灰度值与当前参数及环境下所述图像探测器的暗噪声值的差值。
9.一种多光谱成像芯片的制备方法，其特征在于，包括：
在图像传感器的光敏元表面沉积一层第一介质薄膜，使所述光敏元表面平坦化，作为基底层；
在所述基底层上表面依次沉积所述波导层、所述缓冲层和所述金属薄膜层；
在所述金属薄膜层表面制作出横向和/或纵向周期性亚波长掩膜的沟槽结构，形成所述金属光栅层；
将所述沟槽结构的沟槽继续向下刻蚀，使得所述沟槽穿透所述金属光栅层，并向下刻蚀穿透所述缓冲层和所述波导层，形成纳米结构滤波层；
在所述纳米结构滤波层上表面沉积一层第二介质薄膜作为所述保护层；
在所述保护层表面沉积一层第三介质薄膜，通过刻蚀等方法制作出所述微透镜结构层；
其中，A＜C，B＜C，所述第一介质薄膜的折射率为A，第二介质薄膜的折射率为B，第三介质薄膜的折射率为C。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，
所述第一介质薄膜、第二介质薄膜和所述第三介质薄膜通过以下方式之一进行薄膜沉积：
等离子体化学气相沉积、磁控溅射、物理气象沉积。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，
所述微透镜结构层通过以下方式之一进行制作：
激光直写、光刻胶热回流刻蚀法、反应离子刻蚀法、热压膜成型法。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的制备方法，其特征在于，
将多光谱成像芯片进行封装，将封装后的多光谱成像芯片安装在镜架上，制作为所述多光谱成像组件，其中，所述镜架里装配有前端光学成像镜头。
13.一种移动终端，其特征在于，包括：根据权利要求1-5中任一项所述的多光谱芯片或根据权利要求6-8中任一项所述的多光谱成像组件，所述多光谱芯片根据权利要求9-12中任一项所述的制备方法进行制备。
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