CN115993181A

CN115993181A - 光谱成像芯片结构

Info

Publication number: CN115993181A
Application number: CN202111207532.9A
Authority: CN
Inventors: 姜洪妍; 刘舒扬; 王天鹤; 张晨; 赵安娜; 张云昊; 周志远; 潘建旋; 王才喜
Original assignee: Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics
Current assignee: Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics
Priority date: 2021-10-18
Filing date: 2021-10-18
Publication date: 2023-04-21

Abstract

本发明提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构包括像素感光单元、窄带滤光膜、过渡层、第一、第二和第三截止滤波膜，窄带滤光膜一体式沉积生长在像素感光单元上，过渡层一体式沉积生长在窄带滤光膜上，第一截止滤波膜一体式沉积生长在窄带滤光膜上，第一截止滤波膜用于截止第一干扰波段，过渡层用于过渡窄带滤光膜和第一截止滤波膜两个膜系，第二截止滤波膜粘贴设置在第一截止滤波膜上，第二截止滤波膜用于截止第二干扰波段，第三截止滤波膜粘贴设置在第二截止滤波膜上，第三截止滤波膜用于截止第三干扰波段。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中截止滤波膜贴合方式所导致的光谱透过率低、量子效率低的技术问题。

Description

光谱成像芯片结构

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种光谱成像芯片结构。

背景技术

高光谱成像系统(Hyper Spectral Imaging，简称HSI)，可以获得二维空间图像信息与一维光谱信息构成的具有“图谱合一”特性的三维光谱图像，它既可以观测到二维分布的空间信息，又可以观测到每一个像素点上的光谱信息。

图像空间信息反映目标物的大小、形状和缺陷等外部特征，光谱信息能够反映目标物体的物理和化学成分。因此可以通过分析处理光谱信息来识别物质材料、材质和组份等理化信息，还可以通过图像的空间信息快速地、直观地识别相关位置和范围。

在经典的HSI系统中，由于系统是基于单个分立器件的，为了保证空间分辨率和光谱分辨率，必须引入物镜、光阑、准直器、各类透镜等光学器件，同时必须考虑各种器件之间的聚焦和准直问题，这就导致传统的HSI系统复杂度很高，体积较大，成本很高，应用范围受到极大限制。

再者，为了完成目标特征谱段的滤出，实现目标区分，在光谱成像芯片上集成窄带滤光膜，可实现在所需波段中心滤波的可调谐(如图10所示，窄带滤光膜中心波长在一定范围内可调谐)。但是由于现有高低材料折射率的限制，光谱带宽范围不能覆盖全谱段(如图10所示，截止带宽不到200nm)，存在其他波段信号的干扰如图11所示，除了所需波段外，有其他波段影响。需要外置截止滤波膜(如图12所示)，截止干扰波段。现有外置的截止滤波膜通过单独镀制再贴合到图像传感器上的方式，会减小光谱透过率，导致量子效率降低，影响成像效果。

发明内容

本发明提供了一种光谱成像芯片结构，能够解决现有技术中截止滤波膜贴合方式所导致的光谱透过率低、量子效率低的技术问题。

本发明提供了一种光谱成像芯片结构，光谱成像芯片结构包括：像素感光单元，像素感光单元用于实现图像采集和数据读出；窄带滤光膜，窄带滤光膜一体式沉积生长在像素感光单元上，窄带滤光膜用于实现在所需波段中心波长的可调谐；过渡层，过渡层一体式沉积生长在窄带滤光膜上；第一截止滤波膜，第一截止滤波膜一体式沉积生长在过渡层上，第一截止滤波膜用于截止第一干扰波段，过渡层用于过渡窄带滤光膜和第一截止滤波膜两个膜系；第二截止滤波膜，第二截止滤波膜粘贴设置在第一截止滤波膜上，第二截止滤波膜用于截止第二干扰波段，第二干扰波段与第一干扰波段不同；第三截止滤波膜，第三截止滤波膜粘贴设置在第二截止滤波膜上，第三截止滤波膜用于截止第三干扰波段，第三干扰波段与第一干扰波段以及第二干扰波段均不同。

进一步地，光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^S₁2nL(HL)^S₁ H Ln₁(W1)^S₂n₂(W2)^S₃n₃(W3)^S₄|Air，H(LH)^S₁2nL(HL)^S₁ H为窄带滤光膜的膜系结构，L为过渡层的膜系结构，W1、W2和W3均包括高折射率材料和低折射率材料，n₁(W1)^S₂为第一截止滤波膜的膜系结构，n₂(W2)^S₃为第二截止滤波膜的膜系结构，n₃(W3)^S₄为第三截止滤波膜的膜系结构，H为高折射率材料，L为低折射率材料，S₁、S₂、S₃和S₄为叠加次数，n为窄带滤光膜的膜层厚度调整系数，n₁为第一截止滤波膜的膜层厚度调整系数，n₂为第二截止滤波膜的膜层厚度调整系数，n₃为第三截止滤波膜的膜层厚度调整系数。

进一步地，在第一截止滤波膜的膜系结构中，W1包括(0.5LH0.5L)或(0.5HL0.5H)；在第二截止滤波膜中，W2包括(0.5LH0.5L)或(0.5HL0.5H)；在第三截止滤波膜中，W3包括(0.5LH0.5L)或(0.5HL0.5H)。

进一步地，第一截止滤波膜、第二截止滤波膜和第三截止滤波膜均采用高折射率材料和低折射率材料交替沉积制备，第一截止滤波膜、第二截止滤波膜和第三截止滤波膜的高折射率材料均包括Ta₂O₅、Ti₃O₅、TiO₂、Si₃N₄或Nb₂O₅，第一截止滤波膜、第二截止滤波膜和第三截止滤波膜的低折射率材料均包括SiO₂、MgF₂和Al₂O₃中的至少一种。

进一步地，窄带滤光膜包括多个FP腔结构，多个FP腔结构均采用半导体工艺一次成型，任一FP腔结构包括由下至上依次叠加的第一反射镜、通光层和第二反射镜，多个FP腔结构呈线扫式分布，窄带滤光膜的沿任意一列的多个FP腔结构的通光层高度均相同，窄带滤光膜的沿任意一行的多个FP腔结构的通光层高度均不相同。

进一步地，光谱成像芯片结构为400nm至510nm范围的线扫芯片，光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^5 2nL(HL)^5 H L 1.28(0.5LH.5L)^10 1.6(0.5LH0.5L)^101.99(0.5LH0.5L)^10|Air，其中，H(LH)^5 2nL(HL)^5H为窄带滤光膜的膜系结构，n＝0.573-1.344，L为过渡层的膜系结构，1.28(0.5LH 0.5L)^10为第一截止滤波膜的膜系结构，1.6(0.5LH 0.5L)^10为第二截止滤波膜的膜系结构，1.99(0.5LH 0.5L)^10为第三截止滤波膜的膜系结构；或，光谱成像芯片结构为510nm至630nm范围的线扫芯片，光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^5 2nL (HL)^5 H L 0.79(0.5HL0.5H)^10 1.3(0.5LH0.5L)^10 1.6(0.5LH0.5L)^10|Air，其中，H(LH)^52nL(HL)^5H为窄带滤光膜的膜系结构，L为过渡层的膜系结构，n＝0.64-1.336，0.79(0.5HL0.5H)^10为第一截止滤波膜的膜系结构，1.3(0.5LH0.5L)^10为第二截止滤波膜的膜系结构，1.6(0.5LH0.5L)^10为第三截止滤波膜的膜系结构。

进一步地，光谱成像芯片结构为640nm至810nm范围的线扫芯片，光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^5 2nL(HL)^5 HL 1.25(0.5LH0.5L)^10 0.8(0.5HL0.5H)^100.63(0.5HL0.5H)^10|Air，其中，H(LH)^5 2nL(HL)^5H为窄带滤光膜的膜系结构，n＝0.588-1.238，L为过渡层的膜系结构，1.25(0.5LH0.5L)^10为第一截止滤波膜的膜系结构，0.8(0.5HL0.5H)^10为第二截止滤波膜的膜系结构，0.63(0.5HL0.5H)^10为第三截止滤波膜的膜系结构；或光谱成像芯片结构的膜系结构为800nm至1000nm范围的线扫芯片，光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^5 2nL(HL)^5 HL 0.81(0.5HL0.5H)^10 0.64(0.5HL0.5H)^10 0.505(0.5HL0.5H)^10|Air，其中，H(LH)^5 2nL(HL)^5H为窄带滤光膜的膜系结构，n＝0.851-1.5356，L为过渡层的膜系结构，0.81(0.5HL0.5H)^10为第一截止滤波膜的膜系结构，0.64(0.5HL0.5H)^10为第二截止滤波膜的膜系结构，0.505(0.5HL0.5H)^10为第三截止滤波膜的膜系结构。

进一步地，膜层厚度调整系数可根据如下步骤进行获取：确定任一截止滤波膜的待截止谱段；根据待截止谱段的第一边界阈值和第二边界阈值计算获取待截止谱段的中心波长；根据待截止谱段的中心波长和窄带滤光膜的中心波长确定任一截止滤波膜的膜层厚度调整系数。

进一步地，待截止谱段的中心波长可根据

来获取；或，待截止谱段的中心波长可根据

来获取，其中，λ₀为待截止谱段的中心波长，λ₁为待截止谱段的第一边界阈值，λ₂为待截止谱段的第二边界阈值。

进一步地，任一截止滤波膜的膜层厚度调整系数n可根据

来获取，其中，λ为窄带滤光膜的中心波长，n＝n₁、n₂或n₃。

应用本发明的技术方案，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构通过将窄带滤光膜一体式沉积生长在像素感光单元上，过渡层一体式沉积生长在窄带滤光膜上，第一截止滤波膜一体式沉积生长在过渡层上，第一截止滤波膜、过渡层、窄带滤光膜和像素感光单元之间没有空隙，光谱透过率高，减小了能量损耗，一次制备工艺一体成型，不受外部环境污染，有更好的牢固度，制备效率和集成度更高；通过将第二截止滤波膜粘贴设置在第一截止滤波膜上，将第三截止滤波膜粘贴设置在第二截止滤波膜上，既能够有效扩宽干扰波段的截止范围，同时简化加工工艺。此外，由于窄带滤光膜和第一截止滤波膜两种膜系的等效折射率不同，直接叠加会影响峰值透过率，通过在窄带滤光膜和第一截止滤波膜之间设置过渡层，从而能够有效提高光谱成像芯片结构的峰值透过率。本发明所提供的光谱成像芯片结构与现有技术外置贴合截止滤波膜相比，将第一截止滤波膜和窄带滤光膜集成在光谱成像芯片结构中，极大地提高了量子效率和光谱透过率；将第二截止滤波膜贴合设置在第一截止滤波膜上，将第三截止滤波膜贴合设置在第二截止滤波膜上，能够有效简化加工工艺，且扩宽了干扰波段的截止范围；在窄带滤光膜和第一截止滤波膜之间设置过渡层，有效提高了光谱成像芯片结构的峰值透过率。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出了根据本发明的具体实施例提供的光谱成像芯片结构(窄带滤光膜仅示出一个FP腔结构)的局部结构示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的400nm～510nm范围的线扫芯片的窄带滤光膜的滤波示意图；

图3a示出了根据本发明的具体实施例提供的400nm～510nm范围的线扫芯片的窄带滤光膜加第一截止滤波膜的滤波示意图；

图3b示出了根据本发明的具体实施例提供的400nm～510nm范围的线扫芯片的第二截止滤波膜的滤波示意图；

图3c示出了根据本发明的具体实施例提供的400nm～510nm范围的线扫芯片的第三截止滤波膜的滤波示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的510nm～630nm范围的线扫芯片的窄带滤光膜的滤波示意图；

图5a示出了根据本发明的具体实施例提供的510nm～630nm范围的线扫芯片的窄带滤光膜加第一截止滤波膜的滤波示意图；

图5b示出了根据本发明的具体实施例提供的510nm～630nm范围的线扫芯片的第二截止滤波膜的滤波示意图；

图5c示出了根据本发明的具体实施例提供的510nm～630nm范围的线扫芯片的第三截止滤波膜的滤波示意图；

图6示出了根据本发明的具体实施例提供的640nm～810nm范围的线扫芯片的窄带滤光膜的滤波示意图；

图7a示出了根据本发明的具体实施例提供的640nm～810nm范围的线扫芯片的窄带滤光膜加第一截止滤波膜的滤波示意图；

图7b示出了根据本发明的具体实施例提供的640nm～810nm范围的线扫芯片的第二截止滤波膜的滤波示意图；

图7c示出了根据本发明的具体实施例提供的640nm～810nm范围的线扫芯片的第三截止滤波膜的滤波示意图；

图8示出了根据本发明的具体实施例提供的800nm～1000nm范围的线扫芯片的窄带滤光膜的滤波示意图；

图9a示出了根据本发明的具体实施例提供的800nm～1000nm范围的线扫芯片的窄带滤光膜加第一截止滤波膜的滤波示意图；

图9b示出了根据本发明的具体实施例提供的800nm～1000nm范围的线扫芯片的第二截止滤波膜的滤波示意图；

图9c示出了根据本发明的具体实施例提供的800nm～1000nm范围的线扫芯片的第三截止滤波膜的滤波示意图；

图10示出了根据本发明的具体实施例提供的窄带滤光膜的调谐滤波示意图；

图11示出了根据本发明的具体实施例提供的存在其他波段信号干扰的窄带滤光膜的调谐滤波示意图；

图12示出了根据本发明的具体实施例提供的截止滤波膜的调谐滤波示意图；

图13示出了根据本发明的具体实施例提供的窄带滤波膜加截止滤波膜的调谐滤波示意图；

图14示出了根据本发明的第十五实施例提供的第一对比例中为不加截止滤波膜的光谱成像芯片结构的滤波效果图；

图15示出了根据本发明的第十五实施例提供的第二对比例中加入按照本发明的膜层厚度调整系数确定方法确定的截止滤波膜的光谱成像芯片结构的滤波效果图；

图16示出了根据本发明的第十五实施例提供的第三对比例中加入膜层厚度调整系数随机确定的截止滤波膜的光谱成像芯片结构的滤波效果图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、像素感光单元；20、窄带滤光膜；30、第一截止滤波膜；60、第二截止滤波膜；70、第三截止滤波膜。

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实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

作为本发明的第一实施例，如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构包括像素感光单元10、窄带滤光膜20、第一截止滤波膜30、过渡层40、第二截止滤波膜60和第三截止滤波膜70，像素感光单元10用于实现图像采集和数据读出，窄带滤光膜20一体式沉积生长在像素感光单元10上，窄带滤光膜20用于实现在所需波段中心波长的可调谐，过渡层40一体式沉积生长在窄带滤光膜20上，第一截止滤波膜30一体式沉积生长在过渡层40上，第一截止滤波膜30用于截止第一干扰波段，第二截止滤波膜60粘贴设置在第一截止滤波膜30上，第二截止滤波膜60用于截止第二干扰波段，第二干扰波段与第一干扰波段不同；第三截止滤波膜70粘贴设置在第二截止滤波膜60上，第三截止滤波膜70用于截止第三干扰波段，第三干扰波段与第一干扰波段以及第二干扰波段均不同。

在本发明的第一实施例中，该光谱成像芯片结构通过将窄带滤光膜一体式沉积生长在像素感光单元上，过渡层一体式沉积生长在窄带滤光膜上，第一截止滤波膜一体式沉积生长在过渡层上，第一截止滤波膜、过渡层、窄带滤光膜和像素感光单元之间没有空隙，光谱透过率高，减小了能量损耗，一次制备工艺一体成型，不受外部环境污染，有更好的牢固度，制备效率和集成度更高；通过将第二截止滤波膜粘贴设置在第一截止滤波膜上，将第三截止滤波膜粘贴设置在第二截止滤波膜上，既能够有效扩宽干扰波段的截止范围，同时简化加工工艺。此外，由于窄带滤光膜和第一截止滤波膜两种膜系的等效折射率不同，直接叠加会影响峰值透过率，通过在窄带滤光膜和第一截止滤波膜之间设置过渡层，从而能够有效提高光谱成像芯片结构的峰值透过率。本发明所提供的光谱成像芯片结构与现有技术外置贴合截止滤波膜相比，将第一截止滤波膜和窄带滤光膜集成在光谱成像芯片结构中，极大地提高了量子效率和光谱透过率；将第二截止滤波膜贴合设置在第一截止滤波膜上，将第三截止滤波膜贴合设置在第二截止滤波膜上，能够有效简化加工工艺，且扩宽了干扰波段的截止范围；在窄带滤光膜和第一截止滤波膜之间设置过渡层，有效提高了光谱成像芯片结构的峰值透过率。

作为本发明的第二实施例，提供了光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构是在第一实施例的基础上，对光谱成像芯片结构的膜系结构进行了进一步地限定，在该第二实施例中，光谱成像芯片结构的膜系结构配置为Sub|H(LH)^S₁2nL(HL)^S₁ H L n₁(W1)^S₂n₂(W2)^S₃n₃(W3)^S₄|Air，H(LH)^S₁2nL(HL)^S₁ H为窄带滤光膜20的膜系结构，L为过渡层40的膜系结构，W1、W2和W3均包括高折射率材料和低折射率材料，n₁(W1)^S₂为第一截止滤波膜30的膜系结构，n₂(W2)^S₃为第二截止滤波膜60的膜系结构，n₃(W3)^S₄为第三截止滤波膜70的膜系结构，H为高折射率材料，L为低折射率材料，S₁、S₂、S₃和S₄为叠加次数，n为窄带滤光膜的膜层厚度调整系数，n₁为第一截止滤波膜30的膜层厚度调整系数，n₂为第二截止滤波膜60的膜层厚度调整系数，n₃为第三截止滤波膜70的膜层厚度调整系数。在本发明的第二实施例中，通过对光谱成像芯片结构的具体模型结构进行配置，能够实现在所需波段中心滤波的可调谐以及防止杂散光干扰。在本发明中，截止滤波膜的膜层厚度调整系数n₁、n₂和n₃有两种确定方法，第一种是通过软件仿真来获取，此种方式可以通过软件仿真各种滤波曲线，通过不同参数所获取的调谐滤波曲线图的性能差异来确定最优选的膜层厚度调整系数。第二种方式是通过确定截止滤波膜的待截止谱段；根据待截止谱段的第一边界阈值和第二边界阈值计算获取待截止谱段的中心波长；根据待截止谱段的中心波长和窄带滤光膜的中心波长确定截止滤波膜的膜层厚度调整系数，此种通过数值计算方式来获取膜层厚度调整系数，计算方式简单，能够实现特定波段的有效截止。在实际应用过程中，可根据实际需要进行选取。

作为本发明的第三实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像成像芯片结构与第二实施例的光谱成像成像芯片结构相同。在该光谱成像成像芯片结构中，S₁＝5-7，S₂,S₃,S₄＝8-13，n₁,n₂,n₃＝0.5-2.5。其中Sub为基底Si，Air为空气，H代表高折射率材料Ta₂O₅、Ti₃O₅、TiO₂、Si₃N₄、Nb₂O₅其中一种；L代表低折射率材料SiO₂、MgF₂以及Al₂O₃其中一种或混合物。

作为本发明的第四实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构是在第一至三实施例的基础上，对截止滤波膜进行了进一步的限定。在该实施例中，第一截止滤波膜采用半导体工艺一体式沉积生长在窄带滤光膜上，第一截止滤波膜采用半导体工艺相兼容的材料，由此能够进一步地提高光谱透过率高，减小了能量损耗。在第一截止滤波膜30的膜系结构中，W1包括(0.5LH0.5L)或(0.5HL0.5H)；第二截止滤波膜粘贴设置在第一截止滤波膜30上，在第二截止滤波膜60的膜系结构中，W2包括(0.5LH0.5L)或(0.5HL0.5H)；第三截止滤波膜70粘贴设置在第二截止滤波膜60上，在第三截止滤波膜70中，W3包括(0.5LH0.5L)或(0.5HL0.5H)。

作为本发明的第五实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构是在第一至四实施例的基础上，对截止滤波膜进行了进一步的限定。在该实施例中，第一截止滤波膜30、第二截止滤波膜60和第三截止滤波膜70均采用高折射率材料和低折射率材料交替沉积制备。第一截止滤波膜30、第二截止滤波膜60和第三截止滤波膜70的高折射率材料均包括Ta₂O₅、Ti₃O₅、TiO₂、Si₃N₄或Nb₂O₅，第一截止滤波膜30、第二截止滤波膜60和第三截止滤波膜70的低折射率材料均包括SiO₂、MgF₂和Al₂O₃中的至少一种。

作为本发明的第六实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构是在第一至五实施例的基础上，对窄带滤光膜的结构进行了进一步地限定。在该实施例中，窄带滤光膜20包括多个FP腔结构，多个FP腔结构均采用半导体工艺一次成型，任一FP腔结构包括由下至上依次叠加的第一反射镜、通光层和第二反射镜，多个FP腔结构呈线扫式分布，窄带滤光膜20的沿任意一列的多个FP腔结构的通光层高度均相同，窄带滤光膜20的沿任意一行的多个FP腔结构的通光层高度均不相同。

在本发明的第六实施例中，通过对窄带滤光膜的结构进行设置，能够有效降低芯片结构的结构复杂度，减小结构体积以及降低成本。窄带滤光膜包括多个FP腔结构，像素感光单元包括多个像素感光部位，多个FP腔结构与多个像素感光部位一一对应设置，任一FP腔结构包括由下至上依次叠加的第一反射镜、通光层和第二反射镜，多个FP腔结构呈线扫式分布，多个FP腔结构均采用半导体工艺一次成型，第一反射镜、通光层、第二反射镜以及像素感光部位均采用半导体工艺相兼容的材料，且纵向严格对齐整，没有后期贴合的部分。此种方式借助先进的半导体(CMOS)工艺技术，将传统的分光系统直接加工在光电传感器的像素感光单元之上，由于紧密相连，减少了杂散光，光子利用率得到提升，因此速度可以达到百帧每秒，实现光谱视频功能；体积和重量与普通的RGB芯片没有区别，实现手指大小的成像系统；CMOS技术为光谱成像芯片结构带来了无与伦比的集成度，可以与任何电路进行高集成度的连接，比如手机中嵌入。

作为本发明的第七实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该一体式生长截止滤波膜是在第一至六实施例的基础上，对第一反射镜和第二反射镜进行了进一步地限定。在该实施例中，第一反射镜为上反射镜，第二反射镜为下反射镜，上反射镜采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，形成布拉格反射镜，多次相互交叠，反射率达到99％以上，作为FP腔结构的腔镜。下反射镜具有和上反射镜相同的结构和材料，位于通光层和像素感光部位之间，同样具有高反效果。

作为本发明的第八实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构是在第一至七实施例的基础上，对特定波段400～510nm范围的芯片结构进行了限定。光谱成像芯片结构为400～510nm范围的线扫芯片，图2示出了窄带滤光膜的滤波示意图，图3a示出了窄带滤光膜上一体式生长第一截止滤波膜的调谐滤波示意图，图3b示出了第二截止滤波膜的滤波示意图，图3c示出了第三截止滤波膜的滤波示意图。在该实施例中，光谱成像芯片结构为400nm至510nm范围的线扫芯片，光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^52nL(HL)^5 HL 1.28(0.5LH.5L)^10 1.6(0.5LH0.5L)^10 1.99(0.5LH0.5L)^10|Air，其中，H(LH)^5 2nL(HL)^5H为窄带滤光膜20的膜系结构，L为过渡层40的膜系结构，1.28(0.5LH0.5L)^10为第一截止滤波膜30的膜系结构；1.6(0.5LH 0.5L)^10为第二截止滤波膜60的膜系结构；1.99(0.5LH 0.5L)^10为第三截止滤波膜70的膜系结构。该光谱成像芯片结构的中心波长460nm，n＝0.573-1.344，窄带间隔层厚度90nm-211nm，窄带峰值在407nm-507nm内可调谐。在该实施例中，截止滤波膜的膜层厚度调整系数采用软件仿真的方式来获取。可替换地，作为本发明的其他实施例，也可以根据待截止谱段的中心波长和窄带滤光膜的中心波长确定截止滤波膜的膜层厚度调整系数，此处不做限制，也可采用其他方式来确定截止滤波膜的膜层厚度调整系数。

作为本发明的第九实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构是在第一至七实施例的基础上，对特定波段510nm至630nm范围的芯片结构进行了限定。光谱成像芯片结构为510nm至630nm范围的线扫芯片，图4示出了窄带滤光膜的调谐滤波示意图，图5a示出了窄带滤光膜上一体式生长第一截止滤波膜的调谐滤波示意图，图5b示出了第二截止滤波膜的滤波示意图，图5c示出了第三截止滤波膜的滤波示意图。在该实施例中，光谱成像芯片结构为510nm至630nm范围的线扫芯片，光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^5 2nL (HL)^5 HL 0.79(0.5HL0.5H)^10 1.3(0.5LH0.5L)^10 1.6(0.5LH0.5L)^10|Air，其中，H(LH)^5 2nL(HL)^5H为窄带滤光膜20的膜系结构，L为过渡层40的膜系结构，0.79(0.5HL0.5H)^10为第一截止滤波膜30的膜系结构，1.3(0.5LH0.5L)^10为第二截止滤波膜60的膜系结构，1.6(0.5LH0.5L)^10为第三截止滤波膜70的膜系结构。该光谱成像芯片结构的中心波长570nm，n＝0.64-1.336，窄带间隔层厚度125nm-261nm，窄带峰值在513nm-622nm内可调谐。。在该实施例中，截止滤波膜的膜层厚度调整系数采用软件仿真的方式来获取。可替换地，作为本发明的其他实施例，也可以根据待截止谱段的中心波长和窄带滤光膜的中心波长确定截止滤波膜的膜层厚度调整系数，此处不做限制，也可采用其他方式来确定截止滤波膜的膜层厚度调整系数。

作为本发明的第十实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构是在第一至七实施例的基础上，对特定波段640nm至810nm范围的芯片结构进行了限定。光谱成像芯片结构为640nm至810nm范围的线扫芯片，图6示出了窄带滤光膜的调谐滤波示意图，图7a示出了窄带滤光膜上一体式生长第一截止滤波膜的调谐滤波示意图，图7b示出了第二截止滤波膜的滤波示意图，图7c示出了第三截止滤波膜的滤波示意图。在该实施例中，光谱成像芯片结构为640nm至810nm范围的线扫芯片，光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^5 2nL (HL)^5 H L 1.25(0.5LH0.5L)^10 0.8(0.5HL0.5H)^10 0.63(0.5HL0.5H)^10|Air，其中，H(LH)^52nL(HL)^5H为窄带滤光膜20的膜系结构，L为过渡层40的膜系结构，1.25(0.5LH0.5L)^10为第一截止滤波膜30的膜系结构；0.8(0.5HL0.5H)^10为第二截止滤波膜60的膜系结构；0.63(0.5HL0.5H)^10为第三截止滤波膜70的膜系结构。该光谱成像芯片结构的中心波长717nm，n＝0.588-1.238，窄带间隔层厚度145nm-305nm，窄带峰值651nm-769nm内可调谐。在该实施例中，截止滤波膜的膜层厚度调整系数采用软件仿真的方式来获取。可替换地，作为本发明的其他实施例，也可以根据待截止谱段的中心波长和窄带滤光膜的中心波长确定截止滤波膜的膜层厚度调整系数，此处不做限制，也可采用其他方式来确定截止滤波膜的膜层厚度调整系数。

作为本发明的第十一实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构是在第一至七实施例的基础上，对特定波段800nm至1000nm范围的芯片结构进行了限定。光谱成像芯片结构为800nm至1000nm范围的线扫芯片，图8示出了窄带滤光膜的调谐滤波示意图，图9a示出了窄带滤光膜上一体式生长第一截止滤波膜的调谐滤波示意图，图9b示出了第二截止滤波膜的滤波示意图，图9c示出了第三截止滤波膜的滤波示意图。在该实施例中，光谱成像芯片结构的膜系结构为800nm至1000nm范围的线扫芯片，光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^5 2nL(HL)^5 HL 0.81(0.5HL0.5H)^10 0.64(0.5HL0.5H)^100.505(0.5HL0.5H)^10|Air，其中，H(LH)^5 2nL(HL)^5H为窄带滤光膜20的膜系结构，L为过渡层40的膜系结构，0.81(0.5HL0.5H)^10为第一截止滤波膜30的膜系结构，0.64(0.5HL0.5H)^10为第二截止滤波膜60的膜系结构，0.505(0.5HL0.5H)^10为第三截止滤波膜70的膜系结构。该光谱成像芯片结构的中心波长870nm,n＝0.851-1.5356，窄带间隔层厚度255nm-460nm,窄带峰值825nm-976nm内可调谐。在该实施例中，截止滤波膜的膜层厚度调整系数采用软件仿真的方式来获取。可替换地，作为本发明的其他实施例，也可以根据待截止谱段的中心波长和窄带滤光膜的中心波长确定截止滤波膜的膜层厚度调整系数，此处不做限制，也可采用其他方式来确定截止滤波膜的膜层厚度调整系数。

作为本发明的第十二实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构是在上述实施例的基础上，对任一截止滤波膜的膜层厚度调整系数进行了进一步地限定。在该实施例中，膜层厚度调整系数可根据如下步骤进行获取：确定任一截止滤波膜的待截止谱段；根据待截止谱段的第一边界阈值和第二边界阈值计算获取待截止谱段的中心波长；根据待截止谱段的中心波长和窄带滤光膜的中心波长确定任一截止滤波膜的膜层厚度调整系数。

在本发明的第十二实施例中，通过对任一截止滤波膜进行优化设计，也即通过设计任一截止滤波膜的膜层厚度调整系数，具体根据待截止谱段的第一边界阈值和第二边界阈值计算获取待截止谱段的中心波长，通过待截止谱段的中心波长和窄带滤光膜的中心波长确定出截止滤波膜的膜层厚度调整系数，这样，将具有该膜层厚度调整系数的截止滤波膜一体沉积在窄带滤光膜上时，能够大大抑制自由光谱范围外的漏光，完成对干扰波段的截止，极大地提高光谱滤波的边模抑制比，提高了光谱成像芯片结构的光谱成像性能。

作为本发明的第十三实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构是在上述实施例的基础上，对待截止谱段的中心波长进行了限定。在该实施例中，待截止谱段的中心波长可根据

来获取；或，待截止谱段的中心波长可根据

来获取，其中，λ₀为待截止谱段的中心波长，λ₁为待截止谱段的第一边界阈值，λ₂为待截止谱段的第二边界阈值。以上为两种获取待截止谱段的中心波长的方法，其中，采用

来获取待截止谱段的中心波长，计算精度更高，能够更好地保证抑制自由光谱范围外的漏光(相比于公式

获取待截止谱段的中心波长)。

作为本发明的第十四实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构是在上述实施例的基础上，对任一截止滤波膜的膜层厚度调整系数进行了限定。在该实施例中，任一截止滤波膜的膜层厚度调整系数n可根据

来获取，其中，λ为窄带滤光膜的中心波长，n＝n₁、n₂或n₃。采用此种方式来确定截止滤波膜的膜层厚度调整系数，能够大大抑制自由光谱范围外的漏光，完成对干扰波段的截止，极大地提高光谱滤波的边模抑制比，提高了光谱成像芯片结构的光谱成像性能。

作为本发明的第十五实施例，提供了一种光谱成像芯片结构，该光谱成像芯片结构是在前述实施例的基础上，举例说明膜层厚度调整系数确定方法对抑制漏光所起的作用。以λ为600nm中心波长为例，第一对比例为不加入截止滤波膜，得到滤波效果如图14所示，可以看到只在530nm～696nm范围内实现了窄带滤波，而400nm～520nm、700nm～1000nm谱段都出现了非常严重的漏光现象，这对于响应400nm～1000nm光谱范围SI基探测器是非常严重的漏光，需要对这两个谱段进行抑制。

在该第十五实施例的第二对比例中，根据漏光谱段400nm～520nm、700nm～1000nm，设计在该窄带滤光膜上一体式沉积第一截止滤波膜，在第一截止滤波膜上贴合第二截止滤波膜，在第二截止滤波膜上贴合第三截止滤波膜，其中第一截止滤波膜用于抑制400nm～520nm的范围的漏光，中心波长为

确定中心波长为452nm；相应的膜层厚度调整系数α₁为452nm/600nm＝0.75；同理，第二截止滤波膜抑制700nm～780nm范围的漏光，中心波长为

确定中心波长为738nm；相应的膜层厚度调整系数α₂为738nm/600nm＝1.23；第三截止滤波膜抑制780～1000nm范围的漏光，中心波长为

确定中心波长为876nm；相应的膜层厚度调整系数α₃为876nm/600nm＝1.46。

第三对比例中，与第二对比例的区别仅在于对于系数α₁、α₂和α₃分别取0.7、1.1和1.4，该系数随机获取，即不按本发明实施例方法确膜层厚度调整系数。

图15为第二对比例提供的光谱成像芯片结构的滤波效果图，图16为第三对比例提供的光谱成像芯片结构的滤波效果图，可见，该截止滤波膜采用本发明实施例确定膜层厚度调整系数，能够大大抑制自由光谱范围外的漏光。反之，如果不按本发明实施例方法确定膜层厚度调整系数，尽管加了截止滤波膜且系数相差很小，也很难很好地抑制自由光谱范围外的漏光，甚至不能解决漏光问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

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

1.一种光谱成像芯片结构，其特征在于，所述光谱成像芯片结构包括：

像素感光单元(10)，所述像素感光单元(10)用于实现图像采集和数据读出；

窄带滤光膜(20)，所述窄带滤光膜(20)一体式沉积生长在所述像素感光单元(10)上，所述窄带滤光膜(20)用于实现在所需波段中心波长的可调谐；

过渡层(40)，所述过渡层(40)一体式沉积生长在所述窄带滤光膜(20)上；

第一截止滤波膜(30)，所述第一截止滤波膜(30)一体式沉积生长在所述过渡层(40)上，所述第一截止滤波膜(30)用于截止第一干扰波段，所述过渡层(40)用于过渡所述窄带滤光膜(20)和所述第一截止滤波膜(30)两个膜系；

第二截止滤波膜(60)，所述第二截止滤波膜(60)粘贴设置在所述第一截止滤波膜(30)上，所述第二截止滤波膜(60)用于截止第二干扰波段，所述第二干扰波段与所述第一干扰波段不同；

第三截止滤波膜(70)，所述第三截止滤波膜(70)粘贴设置在所述第二截止滤波膜(60)上，所述第三截止滤波膜(70)用于截止第三干扰波段，所述第三干扰波段与所述第一干扰波段以及所述第二干扰波段均不同。

2.根据权利要求1所述的光谱成像芯片结构，其特征在于，所述光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^S₁2nL(HL)^S₁ H L n₁(W1)^S₂n₂(W2)^S₃n₃(W3)^S₄|Air，H(LH)^S₁2nL(HL)^S₁ H为所述窄带滤光膜(20)的膜系结构，L为所述过渡层(40)的膜系结构，W1、W2和W3均包括高折射率材料和低折射率材料，n₁(W1)^S₂为所述第一截止滤波膜(30)的膜系结构，n₂(W2)^S₃为所述第二截止滤波膜(60)的膜系结构，n₃(W3)^S₄为所述第三截止滤波膜(70)的膜系结构，H为高折射率材料，L为低折射率材料，S₁、S₂、S₃和S₄为叠加次数，n为窄带滤光膜的膜层厚度调整系数，n₁为所述第一截止滤波膜(30)的膜层厚度调整系数，n₂为所述第二截止滤波膜(60)的膜层厚度调整系数，n₃为所述第三截止滤波膜(70)的膜层厚度调整系数。

3.根据权利要求2所述的光谱成像芯片结构，其特征在于，在所述第一截止滤波膜(30)的膜系结构中，W1包括(0.5LH0.5L)或(0.5HL0.5H)；在所述第二截止滤波膜(60)中，W2包括(0.5LH0.5L)或(0.5HL0.5H)；在所述第三截止滤波膜(70)中，W3包括(0.5LH0.5L)或(0.5HL0.5H)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光谱成像芯片结构，其特征在于，所述第一截止滤波膜(30)、所述第二截止滤波膜(60)和所述第三截止滤波膜(70)均采用高折射率材料和低折射率材料交替沉积制备，所述第一截止滤波膜(30)、所述第二截止滤波膜(60)和所述第三截止滤波膜(70)的高折射率材料均包括Ta₂O₅、Ti₃O₅、TiO₂、Si₃N₄或Nb₂O₅，所述第一截止滤波膜(30)、所述第二截止滤波膜(60)和所述第三截止滤波膜(70)的低折射率材料均包括SiO₂、MgF₂和Al₂O₃中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的光谱成像芯片结构，其特征在于，所述窄带滤光膜(20)包括多个FP腔结构，多个所述FP腔结构均采用半导体工艺一次成型，任一所述FP腔结构包括由下至上依次叠加的第一反射镜、通光层和第二反射镜，多个所述FP腔结构呈线扫式分布，所述窄带滤光膜(20)的沿任意一列的多个所述FP腔结构的通光层高度均相同，所述窄带滤光膜(20)的沿任意一行的多个所述FP腔结构的通光层高度均不相同。

6.根据权利要求2所述的光谱成像芯片结构，其特征在于，所述光谱成像芯片结构为400nm至510nm范围的线扫芯片，所述光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^5 2nL(HL)^5H L 1.28(0.5LH.5L)^10 1.6(0.5LH0.5L)^10 1.99(0.5LH0.5L)^10|Air，其中，H(LH)^52nL(HL)^5H为所述窄带滤光膜(20)的膜系结构，n＝0.573-1.344，L为所述过渡层(40)的膜系结构，1.28(0.5LH 0.5L)^10为所述第一截止滤波膜(30)的膜系结构，1.6(0.5LH 0.5L)^10为所述第二截止滤波膜(60)的膜系结构，1.99(0.5LH 0.5L)^10为所述第三截止滤波膜(70)的膜系结构；或，所述光谱成像芯片结构为510nm至630nm范围的线扫芯片，所述光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^52nL(HL)^5H L0.79(0.5HL0.5H)^101.3(0.5LH0.5L)^101.6(0.5LH0.5L)^10|Air，其中，H(LH)^52nL(HL)^5H为所述窄带滤光膜(20)的膜系结构，L为所述过渡层(40)的膜系结构，n＝0.64-1.336，0.79(0.5HL0.5H)^10为所述第一截止滤波膜(30)的膜系结构，1.3(0.5LH0.5L)^10为所述第二截止滤波膜(60)的膜系结构，1.6(0.5LH0.5L)^10为所述第三截止滤波膜(70)的膜系结构。

7.根据权利要求2所述的光谱成像芯片结构，其特征在于，所述光谱成像芯片结构为640nm至810nm范围的线扫芯片，所述光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^52nL(HL)^5H L 1.25(0.5LH0.5L)^100.8(0.5HL0.5H)^10 0.63(0.5HL0.5H)^10|Air，其中，H(LH)^52nL(HL)^5H为所述窄带滤光膜(20)的膜系结构，n＝0.588-1.238，L为所述过渡层(40)的膜系结构，1.25(0.5LH0.5L)^10为所述第一截止滤波膜(30)的膜系结构，0.8(0.5HL0.5H)^10为所述第二截止滤波膜(60)的膜系结构，0.63(0.5HL0.5H)^10为所述第三截止滤波膜(70)的膜系结构；或所述光谱成像芯片结构的膜系结构为800nm至1000nm范围的线扫芯片，所述光谱成像芯片结构的膜系结构为Sub|H(LH)^52nL(HL)^5H L 0.81(0.5HL0.5H)^100.64(0.5HL0.5H)^100.505(0.5HL0.5H)^10|Air，其中，H(LH)^52nL(HL)^5H为所述窄带滤光膜(20)的膜系结构，n＝0.851-1.5356，L为所述过渡层(40)的膜系结构，0.81(0.5HL0.5H)^10为所述第一截止滤波膜(30)的膜系结构，0.64(0.5HL0.5H)^10为所述第二截止滤波膜(60)的膜系结构，0.505(0.5HL0.5H)^10为所述第三截止滤波膜(70)的膜系结构。

8.根据权利要求2所述的光谱成像芯片结构，其特征在于，所述膜层厚度调整系数可根据如下步骤进行获取：确定任一所述截止滤波膜的待截止谱段；根据所述待截止谱段的第一边界阈值和第二边界阈值计算获取所述待截止谱段的中心波长；根据所述待截止谱段的中心波长和所述窄带滤光膜的中心波长确定任一所述截止滤波膜的膜层厚度调整系数。

9.根据权利要求8所述的光谱成像芯片结构，其特征在于，所述待截止谱段的中心波长可根据

来获取；或，所述待截止谱段的中心波长可根据

来获取，其中，λ₀为所述待截止谱段的中心波长，λ₁为所述待截止谱段的第一边界阈值，λ₂为所述待截止谱段的第二边界阈值。

10.根据权利要求8或9所述的光谱成像芯片结构，其特征在于，任一所述截止滤波膜的膜层厚度调整系数n可根据

来获取，其中，λ为所述窄带滤光膜的中心波长，n＝n₁、n₂或n₃。