CN115268210A - 一种基于光刻的多光谱计算传感器制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光刻的多光谱计算传感器制备方法及装置，该方法包括：利用光谱调制材料制备具有光谱调制效果的光刻胶以及根据多光谱掩模的空间结构制备光刻掩膜版；通过紫外曝光将光刻胶固化在石英衬底上，得到具有光谱调制作用的多光谱掩模；将多光谱掩模与图像传感器集成得到多光谱计算传感器，并利用多光谱计算传感器采集耦合光谱数据；通过解耦算法从耦合光谱数据中重建多光谱图像。本发明以光刻胶作为载体，利用光刻技术实现高精度、低成本、易于集成的多光谱掩模制备方案；将其与图像传感器结合制备实时性的多光谱信息采集系统，并通过解耦算法高精度重建多光谱图像，实现场景多光谱信息的高效采集。
Description
技术领域
本发明涉及多光谱计算传感器制备技术领域，尤其涉及一种基于光刻的多光谱计算传感器制备方法与装置。
背景技术
光谱代表了光信号在不同波段(光频率)的强度分布，表征了观测对象对光的反射/透射的本征属性，光谱信息获取能够提供更多场景的有效特征，解决传统灰度/彩色成像中的“同色异谱”问题，准确地区分不同物质成分，更加全面、清晰地认识观测目标。
多光谱图像具有图谱合一的特点，不仅含有目标场景的二维空间信息，还具有丰富的光谱维信息，因此不仅具有空间辨识能力，还具有光谱辨识能力，在卫星遥感、军事侦查、工农业生产和医学检测等领域得到了广泛应用。
多光谱感知技术主要分为传统的机械扫描式和目前研究较多的快照式。扫描式多光谱成像系统需要引入额外的光学和机械器件，具有体积大、质量重、成像速度慢、价格昂贵，难以集成等缺点。
随着压缩感知理论和计算成像学的发展，基于压缩感知理论的快照式多光谱成像系统得到了广泛的研究。快照式多光谱成像系统可通过单次曝光同时获取场景的空间和光谱信息，大大优化了光谱感知系统的时间复杂度。目前的快照式多光谱成像系统主要有计算层析式、编码孔径式、棱镜掩模式和超像素式等。上述多光谱成像系统多是以牺牲空间分辨率和光通量为代价，提高成像系统的光谱分辨率，通常情况下依旧需要引入部分光学器件，不利于集成化生产。受到彩色相机成像原理的启发，构建掩模式多光谱成像系统成为研究的热点。
目前光谱掩模的制备方案比较单一，大多数只针对黑白两色掩模，只能对空间像素进行调制，不具备光谱调制能力。基于纳米压印和微纳米打印技术制备的多光谱掩模，空间分辨率较低，容易产生不同调制材料之间的混叠，造成空间分辨率和光谱分辨率下降。为了解决上述问题，本发明提出的基于光刻技术的多光谱掩模的制备方案。
将多光谱掩模应用在多光谱成像中，解决了传统快照式多光谱成像系统低光通量、低空-谱分辨率的缺点，在多光谱成像速度和成像精度等方面均取得了突破性进展。随着工业4.0时代的到来，多光谱成像系统在生产生活中的需求飞速增长，未来光谱感知技术将朝着集成化、高通量、智能化的方向发展。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于光刻的多光谱计算传感器制备方法与装置，通过多次套刻技术制备具有高空间分辨率的多光谱掩模；每个像素处的光谱调制作用由该处光刻胶的种类决定；因此当场景光经过多光谱掩模时会发生调制作用，实现高效的光谱信息采集。本发明以光刻胶作为载体，利用光刻技术实现高精度、低成本、易于集成的多光谱掩模制备方案；将其与图像传感器结合制备实时性的多光谱信息采集系统，并通过解耦算法高精度重建多光谱图像，实现场景多光谱信息的高效采集。
为达上述目的，本发明一方面提出了一种基于光刻的多光谱计算传感器制备方法，包括：
利用光谱调制材料制备光刻胶以及根据多光谱掩模的空间结构制备光刻掩膜版；
将所述光刻胶固化在衬底上，并将所述光刻掩膜版的图案光刻到涂有光刻胶的衬底上以得到多光谱掩模；
根据所述多光谱掩模得到多光谱计算传感器，并利用所述多光谱计算传感器采集耦合光谱数据；
通过解耦算法从所述耦合光谱数据中重建多光谱图像。
根据本发明实施例的基于光刻的多光谱计算传感器制备方法还可以具有以下附加技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述根据多光谱掩模的空间结构制备光刻掩膜版之后，还包括：测试所述光谱调制材料的光谱调制效果，利用采样矩阵表示所述光谱调制效果以构建最优目标采样矩阵；根据所述最优目标采样矩阵，得到每个空间位置处不同种类的光刻胶；其中，所述光刻胶的位置通过对应的光刻掩膜版确定。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述将光刻胶固化在所述光刻掩膜版的衬底上，并在所述衬底上光刻所述光刻胶制备多光谱掩模，包括：通过紫外曝光方法将所述光刻胶固化在衬底上；通过套刻方法在同一片所述衬底的不同位置上，利用所述光刻掩膜版的图案对光刻胶进行光刻以制备多光谱掩模。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据多光谱掩模得到多光谱计算传感器，并利用所述多光谱计算传感器采集耦合光谱数据，包括：将多光谱掩模和图像传感器集成得到多光谱计算传感器；通过所述多光谱掩模对光谱场景光进行调制得到调制后的光谱场景光；利用所述多光谱计算传感器的图像传感器对所述调制后的光谱场景光的耦合光谱数据进行采集。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过解耦算法从所述耦合光谱数据中重建多光谱图像，包括：对所述多光谱计算传感器进行标定得到耦合光谱数据的采样矩阵；基于所述采样矩阵利用解耦算法从耦合光谱数据中重建多光谱图像。
为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种基于光刻的多光谱计算传感器制备装置，包括：
光刻掩膜版制备模块，用于利用光谱调制材料制备光刻胶以及根据多光谱掩模的空间结构制备光刻掩膜版；
多光谱掩模制备模块，用于将所述光刻胶固化在衬底上，并将所述光刻掩膜版的图案光刻到涂有光刻胶的衬底上以得到多光谱掩模；
耦合数据采集模块，用于根据所述多光谱掩模得到多光谱计算传感器，并利用所述多光谱计算传感器采集耦合光谱数据；
光谱图像重建模块，用于通过解耦算法从所述耦合光谱数据中重建多光谱图像。
本发明实施例的基于光刻的多光谱计算传感器制备方法与装置，以光刻胶作为载体，利用光刻技术实现高精度、低成本、易于集成的多光谱掩模制备方案，并通过解耦算法高精度重建多光谱图像，实现场景多光谱信息的高效采集。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于光刻的多光谱计算传感器制备方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的几种光谱调制材料的透过性曲线示意图；
图3为根据本发明实施例的光谱调制光刻胶的制备流程图；
图4为根据本发明实施例的光刻流程图；
图5为根据本发明实施例的3*3规则型掩模的套刻标记示意图；
图6为根据本发明实施例的多光谱掩膜示意图；
图7为根据本发明实施例的多光谱计算传感器意图；
图8为根据本发明实施例的基于光刻的多光谱计算传感器制备装置结构示意图。
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。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于光刻的多光谱计算传感器制备方法与装置。
图1是本发明一个实施例的基于光刻的多光谱计算传感器制备方法的流程图。
如图1所示，该方法包括但不限于以下步骤：
S1，利用光谱调制材料制备光刻胶以及根据多光谱掩模的空间结构制备光刻掩膜版。
可以理解的是，通过分析各种材料的光谱透过特性，发现每种材料对不同波长的光具有选择吸收特性，通过感光树脂、增感剂、溶剂和光谱调制作用的添加剂制备具有光谱调制作用的光刻胶。
根据多光谱滤光掩模的空间结构分布，制备相应的光刻掩膜版，掩膜版上对应位置处需要通过套刻标记实现对齐，使得每次光刻时均能将图案对齐。
具体地，选择具有不同光谱调制特性的材料，主要类别为酞菁化合物、萘菁化合物和偶氮衍生物等，该类物质在一定的范围内具有较高的透过率，对特定的波段具有选择吸收特性，因此该类材料可以在最大限量的保证光通量的前提下，对光谱信息进行调制。
进一步地，测量每种材料的光谱调制效果，通过吸收特性向量来表示，利用采样矩阵表示空-谱调制效果，构建最优目标采样矩阵。根据构建的采样矩阵，反演得到每个空间位置处光刻胶的种类，每种光刻胶的位置都通过对应的掩膜版来确定。
S2，将光刻胶固化在衬底上，并将光刻掩膜版的图案光刻到涂有光刻胶的衬底上以得到多光谱掩模。
具体地，以透光性良好的材料作为衬底，通过匀胶、前烘、曝光、中烘、显影、后烘等一系列流程，在衬底上光刻目标图案，然后重复上述步骤，利用套刻技术将不同的光刻胶光刻在衬底上，然后更换相应的掩膜版进行多次套刻，得到具有光谱调制作用的多光谱掩模，每种光刻胶分别分布在特定的位置上，互不混叠。
S3，根据多光谱掩模得到多光谱计算传感器，并利用多光谱计算传感器采集耦合光谱数据。
可以理解地是，通过透光性良好的UV胶将多光谱掩模与图像传感器集成在一起，入射的场景光经过多光谱掩模时发生调制作用，通过图像传感器获得场景光的耦合数据。
具体地，将图像传感器与多光谱掩模集成在一次，组成多光谱计算传感器，通过多光谱掩模对场景过进行调制，利用图像传感器对耦合数据进行采集。
S4，通过解耦算法从耦合光谱数据中重建多光谱图像。
具体地，对多光谱计算传感器进行标定，通过标定的方法得到采样矩阵。通过多光谱计算传感器采集耦合数据，然后根据标定的采样矩阵，通过解耦算法从耦合数据中重建多光谱图像。
可以理解的是，解耦算法，通常采用基于模型驱动的压缩感知方法和基于数据驱动的深度学习方法。压缩感知理论是计算成像的基础，需要通过标定的方式确定采样矩阵，然后通过迭代的方法重建原始未压缩的光谱数据，该类方法时间按复杂度较高，难以实现动态成像。基于深度学习的重建方法具有强大的特征提取能力，可以实现耦合光谱数据到原多光谱数据端到端的重建。
根据本发明实施例的基于光刻的多光谱计算传感器制备方法，利用光刻技术可以进行高精度微纳加工的特性，结合光刻胶的可定制性，将光谱调制材料作为添加剂得到具有光谱调制作用的光刻胶，然后通过多次套刻得到多光谱调制掩模。可以在多光谱感知成像领域得到应用。
下面结合附图对发明实施例的基于光刻的多光谱计算传感器制备方法进行详细阐述。
下面通过实施例来具体说明本发明的技术方案。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，本发明并不局限于以下实施例。
在一个实施例中，选取的光谱调制材料的光谱波段范围为400-1000nm，可以对可见光和近红外光进行光谱调制。选取的光刻胶是环氧树脂负性光刻胶(SU-8)，该类光刻胶为环氧树脂基光刻胶，适用于微电子应用领域，具有稳定的化学性质，在i线(365nm)紫外光曝光过程中形成强酸，然后在曝光后的烘烤过程中酸催化、热驱动环氧交联，发生交联反应的区域无法溶解于显影液。本发明将光谱调制材料作为添加剂加入到SU-8光刻胶中，然后通过套刻光刻技术制备多光谱掩模。
如图2所示，选取具有光谱调制材料，通常从酞菁化合物、萘菁化合物和偶氮化合物中选取，其在较宽的光谱范围内具有良好的透光性，并且对特定波段的光具有选择吸收特性，根据多光谱掩模的设计方案，选取具有良好光谱表达能力的光谱调制材料。通常情况下通过光谱角制图衡量不同光谱向量之间的差异性，其中θij表示两个向量ai和aj之间的角度，然后通过聚类分析和相似矩阵描述光谱调制向量的差异性，选择最佳的光谱调制材料。
如图3所示，光刻胶主要成分为感光树脂、增感剂、溶剂和添加剂，将步骤一选取的光谱调制材料作为添加剂加入到光刻胶中，经过溶解、沉淀、真空过滤后得到的光刻胶会呈现出特殊的光学性质，当光线透射时会产生调制现象。
如图4所示，首先利用反应离子蚀刻法对石英衬底进行清洗；利用匀胶机将光刻胶均匀旋涂在石英衬底上，光刻胶的厚度可以通过旋转速度控制；然后将旋涂好的石英衬底放置在热台上采进行前烘，使光刻胶固化，并与衬底粘合；利用光刻机对衬底进行紫外曝光，曝光剂量由光刻胶厚度决定，曝光结束后进行中烘，为光刻胶的交联反应提供能量；将衬底放置在显影液中，未曝光的部分会溶于显影液，曝光区域被保存；最后经过后烘使光刻胶硬化，防止光刻胶脱落。
如图5所示的制备多光谱掩模时需要使用套刻技术，图5展示的是不同光谱调制的光刻胶按照规则排列时的套刻图案，通过一个掩膜版便可以进行9次光刻，得到具有9种光谱调制材料的多光谱掩模。当需要制备的多光谱掩模是不规则排列时，需要准备多个掩模板进行套刻操作。
如图6所示，表示随机排列的光谱掩模，通过套刻技术将不同光谱调制作用的光刻胶固化在特定的空间位置；套刻标记可以将掩膜版与衬底对齐，最终得到不同空间位置对应不同光谱调制材料的多光谱掩模。
如图7所示，将上述步骤制备的多光谱掩模与图像传感器集成在一起，通过具有良好光学性质的UV胶将多光谱掩模固定在图像传感器前面，场景光首先经过多光谱掩模发生调制，然后在图像传感器上成像。多光谱图像传感器采集的场景信息具有高度耦合的特性，可以实现实时的耦合信息的采集。
需要通过计算的方式从耦合数据中重建多光谱信息，采用标定的方法测量多光谱图像传感器的采样矩阵，采样矩阵表达了多光谱图像传感器的调制特性。构建深度解耦网络，从耦合数据中重建多光谱图像。
本发明实施例的基于光刻的多光谱计算传感器制备方法，将光谱调制材料作为添加剂制备具有光谱调制效果的光刻胶，利用套刻技术制备多光谱调制掩模，多光谱调制掩模与图像传感器集成为多光谱计算传感器，通过深度解耦网络从耦合数据中重建多光谱图像。
为了实现上述实施例，如图8所示，本实施例中还提供了基于光刻的多光谱计算传感器制备装置10，该装置10包括：光刻掩膜版制备模块100、多光谱掩模制备模块200、特耦合数据采集模块300和光谱图像重建模块400。
光刻掩膜版制备模块100，用于利用光谱调制材料制备光刻胶以及根据多光谱掩模的空间结构制备光刻掩膜版；
多光谱掩模制备模块200，用于将光刻胶固化在衬底上，并将光刻掩膜版的图案光刻到涂有光刻胶的衬底上以得到多光谱掩模；
耦合数据采集模块300，用于根据多光谱掩模得到多光谱计算传感器，并利用多光谱计算传感器采集耦合光谱数据；
光谱图像重建模块400，用于通过解耦算法从耦合光谱数据中重建多光谱图像。
进一步地，在上述光刻掩膜版制备模块100之后，还包括光刻胶种类确定模块，用于：
测试光谱调制材料的光谱调制效果，利用采样矩阵表示所述光谱调制效果以构建最优目标采样矩阵；
根据最优目标采样矩阵，得到每个空间位置处不同种类的光刻胶；其中，光刻胶的位置通过对应的光刻掩膜版确定。
进一步地，上述多光谱掩模制备模块200，具体用于：
通过紫外曝光方法将光刻胶固化在衬底上；
通过套刻方法在同一片衬底的不同位置上，利用光刻掩膜版的图案对光刻胶进行光刻以制备多光谱掩模。
进一步地，上述耦合数据采集模块300，具体用于：
将多光谱掩模和图像传感器集成得到多光谱计算传感器；
通过多光谱掩模对光谱场景光进行调制得到调制后的光谱场景光；
利用多光谱计算传感器的图像传感器对调制后的光谱场景光的耦合光谱数据进行采集。
进一步地，上述光谱图像重建模块400，具体用于：
对多光谱计算传感器进行标定得到耦合光谱数据的采样矩阵；
基于采样矩阵利用解耦算法从耦合光谱数据中重建多光谱图像。
根据本发明实施例的基于光刻的多光谱计算传感器制备装置，将光谱调制材料作为添加剂制备具有光谱调制效果的光刻胶，利用套刻技术制备多光谱调制掩模，多光谱调制掩模与图像传感器集成为多光谱计算传感器，通过深度解耦网络从耦合数据中重建多光谱图像。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于光刻的多光谱计算传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用光谱调制材料制备光刻胶以及根据多光谱掩模的空间结构制备光刻掩膜版；
将所述光刻胶固化在衬底上，并将所述光刻掩膜版的图案光刻到涂有光刻胶的衬底上以得到多光谱掩模；
根据所述多光谱掩模得到多光谱计算传感器，并利用所述多光谱计算传感器采集耦合光谱数据；
通过解耦算法从所述耦合光谱数据中重建多光谱图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据多光谱掩模的空间结构制备光刻掩膜版之后，还包括：
测试所述光谱调制材料的光谱调制效果，利用采样矩阵表示所述光谱调制效果以构建最优目标采样矩阵；
根据所述最优目标采样矩阵，得到每个空间位置处不同种类的光刻胶；其中，所述光刻胶的位置通过对应的光刻掩膜版确定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将光刻胶固化在衬底上，并将所述光刻掩膜版的图案光刻到涂有光刻胶的衬底上以得到多光谱掩模，包括：
通过紫外曝光方法将所述光刻胶固化在衬底上；
通过套刻方法在同一片所述衬底的不同位置上，利用所述光刻掩膜版的图案对光刻胶进行光刻以制备多光谱掩模。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据多光谱掩模得到多光谱计算传感器，并利用所述多光谱计算传感器采集耦合光谱数据，包括：
将多光谱掩模和图像传感器集成得到多光谱计算传感器；
通过所述多光谱掩模对光谱场景光进行调制得到调制后的光谱场景光；
利用所述多光谱计算传感器的图像传感器对所述调制后的光谱场景光的耦合光谱数据进行采集。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过解耦算法从所述耦合光谱数据中重建多光谱图像，包括：
对所述多光谱计算传感器进行标定得到耦合光谱数据的采样矩阵；
基于所述采样矩阵利用解耦算法从耦合光谱数据中重建多光谱图像。
6.一种基于光刻的多光谱计算传感器制备装置，其特征在于，包括：
光刻掩膜版制备模块，用于利用光谱调制材料制备光刻胶以及根据多光谱掩模的空间结构制备光刻掩膜版；
多光谱掩模制备模块，用于将所述光刻胶固化在衬底上，并将所述光刻掩膜版的图案光刻到涂有光刻胶的衬底上以得到多光谱掩模；
耦合数据采集模块，用于根据所述多光谱掩模得到多光谱计算传感器，并利用所述多光谱计算传感器采集耦合光谱数据；
光谱图像重建模块，用于通过解耦算法从所述耦合光谱数据中重建多光谱图像。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在所述光刻掩膜版制备模块之后，还包括光刻胶种类确定模块，用于：
测试所述光谱调制材料的光谱调制效果，利用采样矩阵表示所述光谱调制效果以构建最优目标采样矩阵；
根据所述最优目标采样矩阵，得到每个空间位置处不同种类的光刻胶；其中，所述光刻胶的位置通过对应的光刻掩膜版确定。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述多光谱掩模制备模块，具体用于：
通过紫外曝光方法将所述光刻胶固化在衬底上；
通过套刻方法在同一片所述衬底的不同位置上，利用所述光刻掩膜版的图案对光刻胶进行光刻以制备多光谱掩模。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述耦合数据采集模块，具体用于：
将多光谱掩模和图像传感器集成得到多光谱计算传感器；
通过所述多光谱掩模对光谱场景光进行调制得到调制后的光谱场景光；
利用所述多光谱计算传感器的图像传感器对所述调制后的光谱场景光的耦合光谱数据进行采集。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光谱图像重建模块，具体用于：
对所述多光谱计算传感器进行标定得到耦合光谱数据的采样矩阵；
基于所述采样矩阵利用解耦算法从耦合光谱数据中重建多光谱图像。
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|---|---|---|---|
| CN202210880698.5A CN115268210A (zh) | 2022-07-25 | 2022-07-25 | 一种基于光刻的多光谱计算传感器制备方法及装置 |
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| CN115268210A true CN115268210A (zh) | 2022-11-01 |
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| CN108831898A (zh) * | 2018-05-08 | 2018-11-16 | 苏州解光语半导体科技有限公司 | 一种固态多光谱传感器 |
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- 2022-07-25 CN CN202210880698.5A patent/CN115268210A/zh active Pending
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