CN118168655A

CN118168655A - 光谱芯片

Info

Publication number: CN118168655A
Application number: CN202410166258.2A
Authority: CN
Inventors: 王骞; 曹金磊; 王明; 蔡旭升; 黄志雷
Original assignee: Beijing Heguang Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Heguang Technology Co ltd
Priority date: 2024-02-05
Filing date: 2024-02-05
Publication date: 2024-06-11

Abstract

本申请涉及一种光谱芯片。所述光谱芯片包括光传感区，所述光传感区由光电探测层和位于所述光电探测层上方的光调制层组成，其中，所述光调制层包括由不同种类的染料形成的多个滤光单元，所述不同种类的染料具有不同的透射率曲线，所述不同种类的染料以染料单元阵列排列，且在所述染料单元阵列中，不易成型的染料单元不相邻。这样，通过所述不同种类的染料在阵列中，不易成型的染料单元的不相邻，来克服所述光谱芯片的生产工艺限制。

Description

光谱芯片

技术领域

本申请涉及光谱技术领域，更为具体地说，涉及一种光谱芯片。

背景技术

光与物质发生相互作用，如吸收、散射、荧光、拉曼等，会产生特定光谱，而每种物质的光谱，都是独一无二的。因此，光谱信息可以说是万物的“指纹”。光谱仪能够直接检测物质的光谱信息，得到被测目标的存在状况与物质成分，是材料表征、化学分析等领域重要的测试仪器之一。从技术发展来看，微型光谱仪可分为四类：色散型、窄带滤波型、傅里叶变换型和计算重建型。

光谱仪的光谱芯片用于接收并调制入射光，并基于调制后的入射光输出入射光的光谱信息，其光调制效果对提升光谱仪的整体性能非常关键。

因此，期望提供具有改进的光调制效果的光谱芯片方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种光谱芯片，其通过所述不同种类的染料在染料单元阵列中，不易成型的染料单元不相邻，来克服所述光谱芯片的生产工艺限制。

根据本申请的一方面，提供了一种光谱芯片，包括：光传感区，所述光传感区由光电探测层和位于所述光电探测层上方的光调制层组成，其中，所述光调制层包括由不同种类的染料形成的多个滤光单元，所述不同种类的染料具有不同的透射率曲线，所述不同种类的染料以染料单元阵列排列，且在所述染料单元阵列中，不易成型的染料单元不相邻。

在上述光谱芯片中，在所述阵列中，首先形成易成型的染料单元，然后通过在易成型的染料单元之间不相邻地填充的方式形成不易成型的染料单元。

在上述光谱芯片中，一种染料对应于一个滤光单元，且一种染料对应于一个或多个物理像素，且至少一滤光单元对应于一个光谱像素。

在上述光谱芯片中，所述染料的厚度为0.5um～2um。

在上述光谱芯片中，每种染料的厚度相同，或者多种染料的厚度根据不同的透射率曲线而不同。

在上述光谱芯片中，所述不同种类的染料的透射谱曲线在450nm附近、475nm附近、550nm附近、685nm附近以及红外波段存在波峰值。

在上述光谱芯片中，所述不同种类的染料包括以单元周期性排列组成的所述阵列，所述单元包括n×n的方形单元，线形单元或者矩形单元。

在上述光谱芯片中，所述阵列为单层，或者所述阵列在局部包括叠加的两层或者多层。

在上述光谱芯片中，进一步包括：微透镜层，设置在所述光调制层上。

在上述光谱芯片中，所述微透镜层和所述光调制层与所述光电探测层的像素对齐；或者，所述微透镜层和所述光调制层向所述光电探测层的像素的阵列中心收缩以与所述光电探测层的像素形成错位。

在上述光谱芯片中，所述入射主光角为a，填平所述染料的材料与所述微透镜的材料具有折射率n₁，所述染料的材料具有折射率n₂，空气折射率n₀，所述染料相对于所述像素的平移量为L₂，所述微透镜相对于所述染料的平移量为L₁，所述染料的厚度为h₂，所述微透镜的球面顶点加上填平材料的总厚度为h₁，则：

且所述微透镜相对于所述像素的平移量为L₁+L₂。

在上述光谱芯片中，透射率大的第一染料对应的滤光单元的第一数量小于透射率小的第二染料对应的滤光单元的第二数量。

在上述光谱芯片中，所述不同种类的染料包括9种染料1、2、3、4、5、6、7、8、9，所述9种染料在可见光和近红外波段的透射率曲线具有如下特征：

染料1，颜色R：波长约580nm以上透射率>20％，其他波长透射率<20％；

染料2，颜色G1：波长在大约475～630nm，以及大于690nm时透射率>20％，其他波长<20％；

染料3，颜色G2：波长在大约475～610nm，以及大于690nm时透射率>20％，其他波长<20％；

染料4，颜色G3：波长在大约470～650nm，以及大于660nm时透射率>20％，其他波长<20％；

染料5，颜色B：波长在大约<520nm，以及大于785nm时透射率>20％，其他波长<20％；

染料6，颜色C：波长在大约<570nm，以及大于730nm时透射率>20％，其他波长<20％；

染料7，颜色Y：波长在大约>470nm时透射率>20％，其他波长<20％；

染料8，颜色M：波长在大约520～580nm时透射率<20％，其他波长>20％；

染料9，颜色IR：波长约790nm以上透射率>20％，其他波长透射率<20％；

其中染料1、7、8不相邻设置，且染料2、3、4与染料1、7、8相邻设置。

在上述光谱芯片中，所述染料1，4～8的厚度为0.5～0.8um之间，染料2的厚度为0.6～0.7um，染料3的厚度为0.8～1.0um，染料4的厚度为0.5～0.6um，染料9的厚度为1～1.5um。

在上述光谱芯片中，染料1的厚度为0.5um，染料2的厚度为0.7um，染料3的厚度为1um，染料4的厚度为0.5um，染料5的厚度为0.7um，染料6的厚度为0.6um，染料7的厚度为0.6um，染料8的厚度为0.6um，染料9的厚度为1.5um。

本申请实施例提供的光谱芯片，可以通过所述不同种类的染料在染料单元阵列中，不易成型的染料单元不相邻，来克服所述光谱芯片的生产工艺限制。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本申请各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。显而易见地，下面描述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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

图1图示了根据本申请实施例的光谱芯片的染料设置方案的示意图。

图2图示了根据本申请实施例的光谱芯片的生产工艺流程的第一部分的示意图。

图3图示了根据本申请实施例的光谱芯片的生产工艺流程的第二部分的示意图。

图4图示了根据本申请实施例的光谱芯片的生产工艺流程的对照示例的示意图。

图5A到图5F图示了根据本申请实施例的光谱芯片的染料以方形单元周期性排列的示意图。

图6图示了根据本申请实施例的光谱芯片的染料以非方形单元周期性排列的示意图。

图7A和图7B图示了根据本申请实施例的光谱芯片的微透镜设置示例的示意图。

图8图示了根据本申请实施例的光谱芯片的所述染料和所述微透镜的平移量计算示例的示意图。

图9图示了根据本申请实施例的光谱芯片的具有金属栅结构的光电探测层和光调制层的示例的示意图。

图10A到图10C图示了根据本申请实施例的光谱芯片的9种染料的具体排列示例的示意图。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。

在本申请实施例中，所述光谱芯片主要由光电探测层和位于光电探测层上面的光调制层组成。这里，所述光电探测层通常实现为图像传感器，例如CMOS图像传感器(CIS)。所述光调制层包括不同种类的染料，所述不同种类的染料主要是指其对应的透射谱不同，即不同种类的染料的透射率曲线不同。

在通常的具有CIS的光谱芯片中，CIS的光传感区是光谱图像采集的核心区域，其性能决定了信噪比、动态范围等指标。该区域由m×n个重复的像素(pixel)单元构成，且所有像素单元的光电转换部分完全相同，可以通过RGB等不同的滤光材料，即R、G、B染料来将所有单元分为多组重复的像素，再采用相应的算法还原色彩。在本申请的技术方案中，为了获取光谱的细节信息，可以在不修改像素的基本设计的情况下，仅通过滤色材料的设计组合，来实现光谱传感的目标。

根据本申请实施例的光谱芯片例如可以实现为多光谱传感器，其包含①光传感区(即位于光电探测层)，由光电探测层(可以理解为多个至少部分相同的像素)和光调制层组成；②外围电路及布线。当选用何种染料确定之后，将染料涂覆在光传感区内的一定区域内，染料的不同会给不同波长的光带来不同的调制效果，即透过率不同。因此，在本申请的技术方案中，染料的种类可以是指染料的颜色不同，染料的材料不同，或者染料的厚度不同，只要各个种类的染料之间的透射率曲线不同即可。并且，不同染料之间，针对不同波长的透过率差异越大，最终光谱芯片的恢复性能越好。即，所述光谱芯片可以由n种染料施加于光传感区上而形成，一种染料可以对应一个物理像素或者多个物理像素，例如一种染料对应一个物理像素，一种染料对应四个物理像素，或者九个像素等。染料和对应的物理像素构成滤光单元，多个(至少二个)滤光单元构成光谱像素，作为用以恢复光谱曲线的最小单元。并且，光谱芯片包括至少一个光谱像素，例如，如果光谱芯片用于恢复光谱曲线，则光谱像素可以为一个，个别情况下，也可以用于多区域光谱恢复，光谱像素至少为一个，如果光谱芯片用于光谱成像，则光谱像素数量至少为两个。需要说明的是，如果需要对光谱进行恢复，光谱像素需要更多的不同透射谱的滤光单元，原则上，至少大于二，但是为了精度更高，则对滤光单元的数量要求也会越多。相应地，如果不考虑染料组合形成不同的滤光单元的情况下，则在本申请的技术方案中，染料数量要大于2，优选地大于等于3。图1图示了根据本申请实施例的光谱芯片的染料设置方案的示意图。如图1所示，在有九种染料，即染料A、B、C、D、E、F、G、H、I的情况下，染料形成于物理像素上端，构成对应的滤光单元A、B、C、D、E、F、G、H、I，由此，可以认为滤光单元A、B、C、D、E、F、G、H、I构成光谱像素。

图2图示了根据本申请实施例的光谱芯片的生产工艺流程的第一部分的示意图。如图2所示，首先在基底层100上提供像素感光层110和相对像素感光层110的外围电路120，并在其上提供保护/平整层130。然后，通过涂布在保护/平整层130上形成对应于滤色材料1的第一染料层140。之后，通过在第一染料层140上叠加光刻掩膜版141来进行光刻，并通过显影或刻蚀得到与成型的滤色材料1对应的第一染料单元142。

图3图示了根据本申请实施例的光谱芯片的生产工艺流程的第二部分的示意图。如图3所示，为了形成第二染料单元152，涂布与滤色材料2对应的第二染料层150，这里，第二染料单元152与第一染料单元151可以是不同的相同材料，也可以是不同材料，只要其具有按照需要不同的透射率曲线即可。类似地，通过涂布在保护/平整层130上第一染料单元142以外的位置形成对应于滤色材料2的第二染料层150。之后，通过在第二染料层150上叠加光刻掩膜版151来进行光刻，并通过显影或刻蚀得到与成型的滤色材料2对应的第二染料单元152。且类似地，以如上所述的3×3染料单元组成的阵列为例，所述截面图显示3个不同材料为周期，实际上是上述形成染料单元的过程重复9次。

也就是，在本申请实施例中，滤色材料采用旋涂工艺涂布与晶圆表面，并通过光刻、显影、刻蚀得到所需的分布。通过采用预先设计制造完成的多张掩膜版，将依次涂布在表面的材料显影为相应的图形。而对于某些种类的染料，因为其对光刻使用的特定波长的光不透明，即透光率不高，导致光线无法有效达到一定深度，使材料产生光敏反应。因此，在光可以到达的接近表面的位置，光反应可以充分发生，但在较深位置，入光量低，光反应迟钝，导致成型不佳。

由此，出于制造稳定的考虑，对于用于光刻的预定波长的光的透光率小于预定阈值的染料单元，也就是，对于对光刻光源不敏感而不易成型的染料单元，考虑到其在光刻工艺过程中曝的光困难，因此不适于在阵列中相邻排布，而是应当尽量以对光刻光源敏感而易成型的染料单元，也就是，对于用于光刻的预定波长的光的透光率大于等于预定阈值的染料单元隔开，即可以理解为光谱芯片至少存在一个对于用于光刻的预定波长的光的透光率小于预定阈值的染料单元和对于用于光刻的预定波长的光的透光率大于等于预定阈值的染料单元相邻设置，即存在至少一个易成型的染料单元和不易成型的染料单元相邻设置。也就是，由于所有染料单元均需经过光刻实现图形化，而对光刻光源不敏感而不易成型的染料单元由于其在光刻过程中对光刻光源不敏感，成型效果较差，如果直接曝光或者相邻排布，容易在图形的边缘形成塌陷、缺失或厚度不足等问题，这些缺陷会降低染料的滤光效果，无法达到预期的滤光目的(即缺陷位置漏光)。因此需要使用其它对光刻光源敏感而易成型的染料单元围绕，使得在光刻时，对光刻光源不敏感而不易成型的染料单元填充在已经成形的对光刻光源敏感而易成型的染料单元的包围区域内，保证所有染料单元的边缘完整度。其中，所述光刻光源的波长可以是436nm、365nm、248nm、192nm和/或14nm。其中，预定阈值可以理解为对于光刻所使用的光波长透过率在3％～70％之间，优选5～15％。

图4图示了根据本申请实施例的光谱芯片的生产工艺流程的对照示例的示意图。如图4所示，当在保护/平整层130上形成对光刻光源敏感而易成型的染料单元时，其光刻后的形貌正常，而形成对光刻光源不敏感而不易成型的染料单元时，其光刻后的边缘薄，切面呈弧形，使得较薄和较厚区域对光的透射率不同。并且，如果这些染料单元均相邻排列，会导致边缘形貌都是这样的弧形，从而影响滤光效果。当然，本领域技术人员可以理解，除了图中所示的弧形以外，也可能有缺角等其他缺陷。

相对地，针对对光刻光源不敏感而不易成型的染料单元，可以先形成对光刻光源敏感而易成型的染料单元，并在单元之间形成间隔，然后在间隔的位置涂布对光刻光源不敏感而不易成型的染料单元，使其填充在已形成的对光刻光源敏感而易成型的染料单元之间，然后再进行光刻，对光刻光源不敏感而不易成型的染料单元的边缘就会被对光刻光源敏感而易成型的染料单元限制，从而不会形成明显的缺陷，例如弧形边缘，导致染料单元过大的厚度差异。

因此，本申请实施例提供一种光谱芯片，包括光传感区，所述。光传感区由光电探测层和位于所述光电探测层上方的光调制层组成，其中，所述光调制层包括由不同种类的染料形成多个滤光单元，所述不同种类的染料具有不同的透射率曲线，所述不同种类的染料以染料单元阵列排列，且在所述染料单元阵列中，不易成型的染料单元不相邻。

并且，在根据本申请实施例的光谱芯片中，在所述阵列中，首先形成对光刻光源敏感而易成型的染料单元，然后通过在所述对光刻光源敏感而易成型的染料单元之间不相邻地填充的方式形成对光刻光源不敏感而不易成型的染料单元。

并且，在根据本申请实施例的光谱芯片中，优选地，一种染料对应于一个滤光单元，一个滤光单元对应于一个或多个物理像素，且至少一滤光单元对应于一个光谱像素。

在本申请的技术方案中，所述染料的典型厚度为0.5um～2um。在这个范围内调整厚度具备最佳的光学优势，若厚度太薄，对不同波长的透射率调制效果变差，而超过2um，则会导致光路过长，光学设计困难，导致量子效率降低和串扰增加。此外，每种染料的厚度可以相同，也可以根据对透过率曲线的需求进行厚度调整。另外，在本申请实施例中，相同种类的不同厚度的染料也可以被认为是不同种类的染料。

因此，在根据本申请实施例的光谱芯片中，所述染料的厚度为0.5um～2um。

并且，在上述光谱芯片中，每种染料的厚度，或者多种染料的厚度根据不同的透射率曲线需求而不同。

进一步，所有染料可透过波长叠加时，必须完整覆盖应用所需的波长范围(例如覆盖380～1300nm的可见光及近红外波段)。并且，优选地，不同种类的染料的透射率曲线波峰不重叠，波谷不重叠。具体地，可以相同种类的染料通过厚度来调整透射率曲线，使透射率曲线波峰、波谷不重叠。优选地，所选不同种类的染料的透射率曲线至少在450nm附近、475nm附近、550nm附近、685nm附近、以及红外波段存在波峰值，从而可以符合实现可见光-红外波段的光谱恢复或者光谱成像等需求。

此外，在上述光谱芯片中，优选地，所述不同种类的染料的透射谱曲线在450nm附近、475nm附近、550nm附近、685nm附近以及红外波段存在波峰值。

原则上，本申请中的多种染料一般排列为n×n的矩阵，并沿像素阵列周期性覆盖；特殊情况下(例如线传感器)也可以线性或矩形排列。图5A到图5F图示了根据本申请实施例的光谱芯片的染料以方形单元周期性排列的示意图。如图5A到图5F所示，数字表示不同种类的染料，但并不特定指代某种染料，且小方框表示物理像素。

如图5A所示，4种颜色的染料形成周期性的2×2滤光单元排列，其具有低成本的优势，优于如图1所示的RGB方案。具体而言，得到相同的物理分辨率情况下，2×2的总面积更小，制造成本更低。同时因为有4种不同的颜色通道参与运算，对色彩的还原度优于仅有RGB三色的传感器

如图5B所示，9种颜色的染料形成周期性的3×3滤光单元排列，例如如图1所示的RGB方案。本方案的根本性优势是，因为采集到了更加丰富的光谱信息，个别示例中，还可以解决RGB相机同色异谱以及色彩还原不准确的问题

如图5C所示，16种颜色的染料形成周期性的4×4滤光单元排列，其具有高性能的优势。具体来讲，采集到比9种通道更加丰富的光谱信息，因此对光谱的还原精度更高，光谱分辨率更高。但因为4×4的面积大于3×3，在相同物理分辨率的情况下，该方案输出图像的物理分辨率更低；同样的，若要输出相同物理分辨率的图像，则传感器的物理分辨率更高，成本更高。

如图5D所示，9种颜色的染料形成周期性的6×6滤光单元排列，其具有输出速度快的优势，适于需要高速输出的光谱芯片。具体而言，如果传感器的物理尺寸相同，这种6×6排列方案中，首先单个通道的入射光面积更大，因此信号更强烈，信噪比更高，可以在更短的时间内获取足够的外界信号；其次如果传感器的总物理分辨率相同，当同一通道面积扩大，则总周期降低，输出图像分辨率降低，处理和传输速度更快。

如图5E所示，7种(或更少)颜色的染料形成周期性的3×3滤光单元排列，其在基于成本考虑或者特定波长的场景下应用。具体而言，成本除和芯片面积相关外，还与不同通道的数量相关，因为每个不同的通道需要一个作业步骤来生产，当有降本需求时，可适当将两个或多个像素的通道合并为相同的通道以减少生产步骤。另外，如果对于某个通道对应的光有较高的敏感度需求，也可以采用这种方案，利用多个像素的信号来增强这个波段的采集能力。

如图5F所示，8种颜色的染料形成周期性的3×3滤光单元排列，其中一个像素无滤光材料(即不设置染料)，即存在空白像素N，(如果一种染料对应多个物理像素构成滤光单元，则优选地空白像素数量对应一致，例如一种染料设置在四个物理像素上方形成一个滤光单元，则空白像素也是四个物理像素构成)适于高感产品。另外，在这种设计中，可以有一个或多个像素无滤光材料，并且这种不含滤光材料的设计也不限于周期性的3×3滤光单元排列。具体而言，无滤光材料的通道，在紫外、可见、红外均为透明，也就是可以采集到上述所有波长的信号。这个通道因为没有过滤掉部分光线，因此入光量明显高于周围像素，可以快速感知全波长的信号强度，适用于较暗的场景，或利用该通道的信号强度，对其他通道的曝光进行调整(例如调整曝光时长)以达到最佳效果。优选地，本方案中，空白像素对应的滤光单元(不设置染料)位于3×3滤光单元构成的光谱像素的正中间位置。N通道无滤光材料的设计，使该通道在全波长均有信号，因此在暗光环境或单色光环境下，也可以提供充足的信号，来保证成像质量。进一步的，N通道因为有全波长入射，有时会导致该通道的入光量过大，在其他通道信号较弱时，N通道已达到饱和(过曝)，变成无效信号，为了克服该弱点，有时N通道不设置滤光材料同时不设置微透镜，这样因为缺少微透镜的聚焦，人为降低了其量子效率，可以有效防止其提前饱和(过曝)，同时也保证对全波长信号的采集能力。

需要说明的是，N通道上可以有微透镜(与其他通道上方的微透镜相同，用于增强暗光成像效果)，也可以没有微透镜(大部分环境下探测全波长信号，并防止过曝)，本案中优选无微透镜。N通道中，无论是否设置微透镜，其与滤光材料相同高度的区域均使用微透镜相同材料填平(与其他通道微透镜的下表面平齐)

具体而言，在一较优实施例中，8种颜色的染料形成周期性的3×3滤光单元排列，其中一个像素无滤光材料，即存在空白像素N，其中，如图5F所示为空白像素位于3×3滤光单元构成的光谱像素的正中间位置，其中，所述光谱芯片还包括微透镜层，所述微透镜层位于所述染料上端，而本实施例中，所述空白像素处不设置微透镜，即入射光可以不通过染料调制直接到达所述空白像素。进一步，在本实施例中，所述染料包括IR类染料(例如，IR类染料的定义为波长约790nm以上透射率>20％，其他波长透射率<20％)，而对IR类染料对应的滤光单元对应的厚度优选地为0.5um-1.2um，优选地，0.5um-0.8um，从而使得IR类染料对应的滤光单元有更高的透过率。其次，由于空白像素跟IR类染料对应的滤光单元相邻，且存在串扰(不存在微透镜一定程度可以使得串扰变强)，因此空白像素的光会部分进入所述IR类染料对应的滤光单元从而也有助于提高IR类染料对应的滤光单元的信号强度。

另外，图6图示了根据本申请实施例的光谱芯片的染料以非方形单元周期性排列的示意图。如图6所示，8种颜色的染料形成周期性的4×2像素排列，其适于特殊场景，例如用于工业等专业领域的仅有一行或者数行像素的线传感器。

一般情况下多种材料组成的阵列为单层；也可以在需要较窄透过率峰或其他需求时，将两种或多种材料叠加。

因此，在根据本申请实施例的光谱芯片中，所述不同种类的染料包括以单元周期性排列组成的阵列，所述单元包括n×n的方形单元，线形单元或者矩形单元。

并且，在上述光谱芯片中，所述阵列为单层，或者所述阵列在局部包括叠加的两层或者多层。

此外，在根据本申请实施例的光谱芯片中，可以进一步包括在光调制层上方设置的微透镜层。在一个示例中，所述光调制层、所述微透镜层与所述光电探测层的像素完全对齐，如图7A所示。而在另一示例中，在入射主光角CRA较大时，可根据角度和微透镜的折射率及形状，将所述光调制层和所述微透镜向阵列中心收缩，形成一定的错位，保证边缘也有尽量多的光线进入像素，以及降低像素间的串扰，如图7B所示。图7A和图7B图示了根据本申请实施例的光谱芯片的微透镜设置示例的示意图。

因此，在根据本申请实施例的光谱芯片中，进一步包括：微透镜层，设置在所述光调制层上，优选地，形成于所述光调制层的上表面。

并且，在上述光谱芯片中，所述微透镜层和所述光调制层与所述光电探测层的像素对齐；或者，所述微透镜层和所述光调制层向所述光电探测层的像素的阵列中心收缩以与所述光电探测层的像素形成错位。

具体地，所述微透镜和所述光调制层的平移量与入射主光角CRA相关，一种简化的平移方案为：每个像素对应的CRA为a时，所述染料及所述微透镜的平移量可用下述方法简单的计算。应该认识到，如果需要更加精确的考虑串扰、均匀性的影响，则应该通过波动光学仿真的方法，对由下述计算得到的平移量进行优化。

这个简化的方案中，填平所述染料的材料与所述微透镜采用相同折射率的材料，例如具备折射率n₁，所述染料的材料具备折射率n₂，空气折射率n₀，且不考虑像素上表面有额外薄膜的情况。如果考虑像素上表面具备其他薄膜，需根据折射率及其厚度进一步计算折射率。

图8图示了根据本申请实施例的光谱芯片的所述染料和所述微透镜的平移量计算示例的示意图。如图8所示，光线的入射角为a，所述染料相对于所述像素的平移量为L₂，所述微透镜相对于所述染料的平移量为L₁，所述染料的厚度为h₂，所述微透镜的球面顶点加上填平材料的总厚度为h₁，则有：

且所述微透镜相对于所述像素的平移量为L₁+L₂。

另外，在其它示例中，在采用背照式等含有金属栅结构的CIS中，可将滤光层集成在金属栅同样的高度，以缩短光路，如图9所示。图9图示了根据本申请实施例的光谱芯片的具有金属栅结构的光电探测层和光调制层的示例的示意图。

需要说明的是，在本申请其他实施例中，不同的染料对应的物理像素个数可以是不同的，例如存在至少两种染料，其中一种染料的透过率明显大于另一种染料，此时透过率大的入射光的损耗较小，其对应的物理像素接收到的响应值会较大，对应的信噪比亦会较大，整体效果较好，而透过率较小的则由于入射光的损耗较大，采取同样的数量的物理像素，对应的效果可能会不佳；因此，在本申请实施例中，对应于透射率较大的染料对应的物理像素数量小于透射率较小的染料对应的物理像素数量；对于透射率大小，可以对透射率曲线在特定波段范围内(一般理解为光谱芯片工作波段范围，例如可见光、红外、和/或紫外中的一种或多种波段)进行积分取值越大就表示透射率大。

也就是，在根据本申请其他实施例的光谱芯片中，透射率大的第一染料对应的滤光单元的物理像素的第一数量小于透射率小的第二染料对应的滤光单元的物理像素的第二数量。

下面将说明根据本申请实施例的光谱芯片的工作原理。将入射光在不同波长λ下的强度信号记为x(λ)，所述光调制层的透射谱曲线记为T(λ)，所述光调制层具有n种染料的滤光单元，每一种染料对应的滤光单元的透射谱互不相同，整体来讲，光调制层可记为Ti(λ)(i＝1,2,3,…,n)。每一种染料下方相应的物理像素探测经染料调整的光强bi。

则入射光的频谱分布和图像传感器的测量值之间的关系可以由下式表示：

bi＝∫x(λ)*Ti(λ)*R(λ)dλ

再进行离散化，得到：

bi＝Σ(x(λ)*Ti(λ)*R(λ))

其中R(λ)为图像传感器的响应，记为：

Ai(λ)＝Ti(λ)*R(λ)，

则上式可以扩展为矩阵形式：

其中，bi(i＝1,2,3,…,n)是待测光透过光调制层后图像传感器的响应，分别对应n个滤光单元对应的光电探测层的光强测量值，当一个物理像素对应一个结构单元时，可以理解为n个物理像素对应的光强测量值，其是一个长度为n的向量。A是系统对于不同波长的光响应，由滤光结构透射率和图像传感器的量子效率两个因素决定。A是矩阵，每一个行向量对应滤光单元对不同波长入射光的响应，这里，对入射光进行离散、均匀的采样，共有m个采样点。A的列数与入射光的采样点数相同。这里，x(λ)即是入射光在不同波长λ的光强，也就是待测量的入射光光谱。

在上述实现方式的基础上，将光谱像素进行阵列化处理，则可以实现快照式的光谱成像设备。

在本申请实施例中，对于上述如图1所示的九种染料的方案，在一个具体示例中，所述9种染料1、2、3、4、5、6、7、8、9在不考虑CIS量子效率的情况下，各种染料材料在可见光和近红外波段的透射率曲线可以具有如下特征：

染料1(R)：波长约580nm以上透射率>20％，其他波长透射率<20％；

染料2(G1)：波长在大约475～630nm，以及大于690nm时透射率>20％，其他波长<20％；

染料3(G2)：波长在大约475～610nm，以及大于690nm时透射率>20％，其他波长<20％；

染料4(G3)：波长在大约470～650nm，以及大于660nm时透射率>20％，其他波长<20％；

染料5(B)：波长在大约<520nm，以及大于785nm时透射率>20％，其他波长<20％；

染料6(C)：波长在大约<570nm，以及大于730nm时透射率>20％，其他波长<20％；

染料7(Y)：波长在大约>470nm时透射率>20％，其他波长<20％；

染料8(M)：波长在大约520～580nm时透射率<20％，其他波长>20％；

染料9(IR)：波长约790nm以上透射率>20％，其他波长透射率<20％。

并且，出于制造稳定的考虑：染料1、7、8在光刻工艺过程中曝光困难，因此不能相邻排布，并尽量被染料2、3、4隔开。由于所有染料均需经过光刻实现图形化，而染料1、7、8在光刻过程中对光刻光源不敏感，成效效果较差，如果直接曝光或者相邻排布，容易在每个图形的边缘形成塌陷、缺失或厚度不足等问题，这些缺陷会降低染料的滤光效果，无法达到预期的滤光目的(即缺陷位置漏光)。因此需要使用其他容易成型的染料围绕，在光刻时，使不易成型的染料填充在已经成形的易成型的染料(2、3、4)包围区域内，保证所有染料的边缘完整度。

即，假设光谱芯片存在任意两种对光刻光源不敏感的不易成型的染料，例如染料1、7、8中的任意两种，则该两种尽可能的分开排布，从而预防边缘不完整；若进一步光谱芯片还存在易成型的染料，例如染料2、3、4，则可以选择将不易成型的染料填充在易于成型染料的相邻处，优选地，易成型的染料包绕不易成型染料设置。需要说明的是，一般来讲光谱芯片对应的滤光单元为周期排列，因此，需要考虑整体光谱芯片中在染料进行排列时，都不易成型染料都尽可能分开排布。

图10A到图10C图示了根据本申请实施例的光谱芯片的9种染料的具体排列示例的示意图。如图10A到图10C所示，9种染料以3×3阵列排列，且一种染料对应2×2个物理像素为例，主要设置即为染料1、7、8不相邻设置，且染料2、3、4中至少一种染料尽可能与染料1、7、8中至少一种染料相邻。

另外，从厚度角度来看，每种染料的厚度可以相同，也可以根据对透射率曲线的需求进行厚度调整，相同种类的染料亦可。优选地，染料1，4～8厚度为0.5～0.8um之间，染料2厚度为0.6～0.7um，染料3厚度为0.8～1.0um，染料4厚度为0.5～0.6um，染料9厚度为1～1.5um。这样，可以最大限度保障染料间透射率曲线的差异，一定程度上，可以更好满足算法上的需求，从而使得恢复效果更佳，也可以保证其制造过程中的可靠性。例如在如图7A到图7B所示的示例中，染料1(R)厚度优选为0.5um，染料2(G1)厚度优选为0.7um，染料3(G2)厚度优选为1um，染料4(G3)厚度优选为0.5um，染料5(B)厚度优选为0.7um，染料6(C)厚度优选为0.6um，染料7(Y)厚度优选为0.6um，染料8(M)厚度优选为0.6um，染料9(IR)厚度优选为1.5um。

如图10A所示，染料1、染料7、染料8分开排列，具体而言，在所述光谱芯片种染料7四周分别排布染料4、染料3、染料5、染料9，染料8四周分别排布染料3、染料2、染料6、染料5，染料1四周排列染料2、染料4、染料9、染料6。可以理解为本实施例中，3*3滤光单元构成光谱像素，在进行周期阵列获取该光谱芯片。

同上，如图10B所示，在所述光谱芯片种染料7四周分别排布染料6、染料9、染料2、染料5，染料8四周分别排布染料3、染料6、染料5、染料4，染料1四周排列染料9、染料3、染料4、染料2。

同上，如图10C所示，在所述光谱芯片种染料7四周分别排布染料2、染料9、染料3、染料6，染料8四周分别排布染料3、染料6、染料5、染料4，染料1四周排列染料4、染料5、染料9、染料2。

进一步地，出于预防串扰，提高性能考虑，优选地染料9周围与染料5和/或染料6相邻，以减少600nm以上波长之间的串扰。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims

1.一种光谱芯片，包括：

光传感区，所述光传感区由光电探测层和位于所述光电探测层上方的光调制层组成，

其中，所述光调制层包括由不同种类的染料形成的多个滤光单元，所述不同种类的染料具有不同的透射率曲线，所述不同种类的染料以染料单元阵列排列，且在所述染料单元阵列中，不易成型的染料单元不相邻。

2.如权利要求1所述的光谱芯片，其中，在所述阵列中，首先形成易成型的染料单元，然后通过在所述易成型的染料单元之间不相邻地填充的方式形成不易成型的染料单元。

3.如权利要求1所述的光谱芯片，其中，一种染料对应于一个滤光单元，且一种染料对应于一个或多个物理像素，且至少一滤光单元对应于一个光谱像素。

4.如权利要求1所述的光谱芯片，其中，所述染料的厚度为0.5um～2um。

5.如权利要求4所述的光谱芯片，其中，每种染料的厚度相同，或者多种染料的厚度根据不同的透射率曲线而不同。

6.如权利要求5所述的光谱芯片，其中，所述不同种类的染料的透射谱曲线在450nm附近、475nm附近、550nm附近、685nm附近以及红外波段存在波峰值。

7.如权利要求1所述的光谱芯片，其中，所述不同种类的染料包括以单元周期性排列组成的所述阵列，所述单元包括n×n的方形单元，线形单元或者矩形单元。

8.如权利要求7所述的光谱芯片，其中，所述阵列为单层，或者所述阵列在局部包括叠加的两层或者多层。

9.如权利要求1所述的光谱芯片，进一步包括：微透镜层，设置在所述光调制层上。

10.如权利要求9所述的光谱芯片，其中，所述微透镜层和所述光调制层与所述光电探测层的像素对齐；或者，所述微透镜层和所述光调制层向所述光电探测层的像素的阵列中心收缩以与所述光电探测层的像素形成错位。

11.如权利要求10所述的光谱芯片，其中，所述入射主光角为a，填平所述染料的材料与所述微透镜的材料具有折射率n₁，所述染料的材料具有折射率n₂，空气折射率n₀，所述染料相对于所述像素的平移量为L₂，所述微透镜相对于所述染料的平移量为L₁，所述染料的厚度为h₂，所述微透镜的球面顶点加上填平材料的总厚度为h₁，则：

且所述微透镜相对于所述像素的平移量为L₁+L₂。

12.如权利要求1所述的光谱芯片，其中，透射率大的第一染料对应的滤光单元的第一数量小于透射率小的第二染料对应的滤光单元的第二数量。

13.如权利要求1所述的光谱芯片，其中，所述不同种类的染料包括9种染料1、2、3、4、5、6、7、8、9，所述9种染料在可见光和近红外波段的透射率曲线具有如下特征：

14.如权利要求13所述的光谱芯片，其中，所述染料1，4～8的厚度为0.5～0.8um之间，染料2的厚度为0.6～0.7um，染料3的厚度为0.8～1.0um，染料4的厚度为0.5～0.6um，染料9的厚度为1～1.5um。

15.如权利要求14所述的光谱芯片，其中，染料1的厚度为0.5um，染料2的厚度为0.7um，染料3的厚度为1um，染料4的厚度为0.5um，染料5的厚度为0.7um，染料6的厚度为0.6um，染料7的厚度为0.6um，染料8的厚度为0.6um，染料9的厚度为1.5um。