CN211481355U - 一种多光谱传感结构、传感器及相机 - Google Patents

Abstract

本申请属于多光谱成像技术领域，提供一种多光谱传感结构、传感器及相机。本申请实施例通过提供一种包括微透镜、滤光阵列和子像素阵列的多光谱传感结构，使滤光阵列包括中心波长不同的m×n个滤光结构，使子像素阵列包括m×n个子像素，一个滤光结构对应一个子像素，可以通过该多光谱传感结构得到同一景物的m×n个不同波段的光感应信号，将该多光谱传感结构应用于多光谱相机时，可以有提高多光谱相机的图像重叠精度和成像质量、缩短图像重叠处理时间并减小体积。

Description

一种多光谱传感结构、传感器及相机

技术领域

本申请属于多光谱成像技术领域，尤其涉及一种多光谱传感结构、传感器及相机。

背景技术

多光谱成像技术就是把入射的全波段或宽波段的光信号分成若干个窄波段的光束，然后把它们分别成像在相应的光探测器上，从而获得不同波段的光谱图像。常用的多光谱相机可分为多镜头型多光谱照相机、多相机型多光谱照相机和光束分离型多光谱照相机三类。其中，多镜头型多光谱照相机具有多个镜头，每个镜头各带有一个滤光片，通过多个镜头同时拍摄同一景物，同时记录多个不同光谱带的图像信息；多相机型多光谱照相机是由多台照相机组合在一起，每台照相机分别带有不同的滤光片，分别接收同一景物的不同光谱带的图像信息，多台照相机同时拍摄同一景物，每台照相机各获得一个特定光谱带的图像信息；光束分离型多光谱照相机采用一个镜头拍摄同一景物，通过多个三棱镜分光器将来自景物的光线分离为若干波段的光束，然后分别记录各波段的图像信息。

现有的多镜头型多光谱照相机和多相机型多光谱照相机难以准确地对准同一景物，图像重叠精度低、图像重叠处理时间长、成像质量差且体积较大，光束分离型多光谱照相机成像质量差。

发明内容

本申请的目的在于提供一种多光谱传感结构、传感器及相机，旨在解决现有的多镜头型多光谱照相机和多相机型多光谱照相机难以准确地对准同一景物，图像重叠精度低、图像重叠处理时间长、成像质量差且体积较大，光束分离型多光谱照相机成像质量差的问题。

本申请实施例的第一方面提一种多光谱传感结构，包括微透镜、滤光阵列和子像素阵列；

所述滤光阵列包括中心波长不同的m×n个滤光结构，所述子像素阵列包括m×n个子像素，一个所述滤光结构对应一个所述子像素；

所述微透镜、所述滤光阵列和所述子像素阵列沿光线入射方向依次设置，入射光线依次经由所述微透镜进行聚焦、所述滤光阵列进行滤光和所述子像素阵列进行光电转换之后，得到m×n个不同波段的光感应信号；

或者，所述滤光阵列、所述微透镜和所述子像素阵列沿光线入射方向依次设置，入射光线依次经由所述滤光阵列进行滤光、所述微透镜进行聚焦和所述子像素阵列进行光电转换之后，得到m×n个不同波段的光感应信号；

其中，m×n≥2且m和n为正整数。

在一个实施例中，所述m×n个滤光结构的中心波长在可见光波段间隔分布；

或者，所述m×n个滤光结构的中心波长在紫外波段和可见光波段间隔分布；

或者，所述m×n个滤光结构的中心波长在可见光波段和红外波段间隔分布；

或者，所述m×n个滤光结构的中心波长在紫外波段、可见光波段和红外光波段间隔分布。

在一个实施例中，所述m×n个滤光结构的中心波长的在400nm～700nm之间等间隔分布。

在一个实施例中，所述滤光阵列包括中心波长分别为400nm、437.5nm、475nm、512.5nm、550nm、587.5nm、625nm、662.5nm、700nm的3×3个滤光结构。

在一个实施例中，所述滤光结构为镀设于所述微透镜靠近或远离所述子像素阵列的表面的滤光膜。

在一个实施例中，所述滤光结构为镀设于对应的所述子像素的晶片表面的滤光膜。

在一个实施例中，所述滤光结构为滤光片。

在一个实施例中，所述多光谱传感结构还包括与每个所述子像素电连接的金属排线电路，用于将所述m×n个不同波段的光感应信号读出。

本申请实施例的第二方面提供一种多光谱传感器，其特征在于，包括由M×N个如本申请实施例的第一方面所述的多光谱传感结构组成的多光谱传感阵列，用于输出包括M×N个像素信号的多光谱图像信号，每个像素信号包括m×n个不同波段的光感应信号；

其中，M≥1、N≥1且M和N为整数。

本申请实施例的第三方面提供一种多光谱相机，其特征在于，包括处理器以及与所述处理器电性连接的如本申请实施例的第二方面所述的多光谱传感器；

所述处理器用于分别对所述多光谱图像信号中不同波段的光感应信号进行处理，将同一波段的M×N个光感应信号处理为一个光谱图像，得到m×n个不同波段的光谱图像。

本申请实施例的第一方面通过提供一种包括微透镜、滤光阵列和子像素阵列的多光谱传感结构，使滤光阵列包括中心波长不同的m×n个滤光结构，使子像素阵列包括m×n个子像素，一个滤光结构对应一个子像素，可以通过该多光谱传感结构得到同一景物的m×n个不同波段的光感应信号，将该多光谱传感结构应用于多光谱相机时，可以有提高多光谱相机的图像重叠精度和成像质量、缩短图像重叠处理时间并减小体积。

本申请实施例的第二方面通过提供一种多光谱传感器，包括由M×N个本申请实施例的第一方面提供的多光谱传感结构组成的多光谱传感阵列，用于输出包括M×N个像素信号的多光谱图像信号，使得每个像素信号包括m×n个不同波段的光感应信号，具有结构简单、体积小、易于实现的优点，将该多光谱传感器应用于多光谱相机时，可以有提高多光谱相机的图像重叠精度和成像质量、缩短图像重叠处理时间并减小体积。

本申请实施例的第三方面通过提供一种多光谱相机，包括处理器以及与处理器电性连接的如本申请实施例的第二方面提供的多光谱传感器；通过处理器分别对多光谱图像信号中不同波段的光感应信号进行处理，将同一波段的M×N个光感应信号处理为一个光谱图像，得到m×n个不同波段的光谱图像，具有图像重叠精度和成像质量高、图像重叠处理时间短和体积小的优点。

附图说明

图1为本申请实施例提供的多光谱传感结构的第一种结构示意图；

图2为本申请实施例提供的多光谱传感结构的第二种结构示意图；

图3为本申请实施例提供的滤光阵列的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的多光谱传感结构的第三种结构示意图；

图5为本申请实施例提供的多光谱传感器的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的多光谱相机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本申请实施例提供一种多光谱传感结构1，包括微透镜10、滤光阵列20和子像素阵列30；

滤光阵列20包括中心波长不同的m×n个滤光结构21，子像素阵列30包括m×n个子像素31，一个滤光结构21对应一个子像素31；

其中，m×n≥2且m和n为正整数。

在应用中，滤光阵列可以设置在微透镜远离子像素阵列的一侧，也可以设置于微透镜和子像素阵列之间，可以根据实际需要进行设置。

在一个实施例中，所述微透镜、所述滤光阵列和所述子像素阵列沿光线入射方向依次设置，入射光线依次经由所述微透镜进行聚焦、所述滤光阵列进行滤光和所述子像素阵列进行光电转换之后，得到m×n个不同波段的光感应信号。

在另一个实施例中，所述滤光阵列、所述微透镜和所述子像素阵列沿光线入射方向依次设置，入射光线依次经由所述滤光阵列进行滤光、所述微透镜进行聚焦和所述子像素阵列进行光电转换之后，得到m×n个不同波段的光感应信号

在应用中，微透镜利用微光学技术制造，具有体积小、重量轻、便于集成化和阵列化等优点。可根据实际需要选择直径为毫米、微米或纳米量级的微透镜。

在应用中，滤光结构可以是滤光片(Color filter，CF)，滤光片可以通过在光学玻璃或树脂片上交替镀上高低折射率的光学膜制成。滤光结构也可以是在微透镜或子像素的表面镀膜形成的滤光膜(filter coating)。

在一个实施例中，所述滤光结构为镀设于所述微透镜靠近或远离所述子像素阵列的表面的滤光膜。

在一个实施例中，所述滤光结构为镀设于对应的所述子像素的晶片表面的滤光膜。

图1中示例性的示出滤光结构为滤光片，图2中示例性的示出滤光结构为镀设于子像素的晶片表面的滤光膜，微透镜10、滤光阵列20和子像素阵列30沿光线入射方向依次设置。

在图1和图2中，入射光线依次经由微透镜10进行聚焦、滤光阵列20进行滤光和子像素阵列30进行光电转换之后，得到m×n个不同波段的光感应信号。

在应用中，子像素可以是光电二极管(Photo-Diode，PD)，也可以是包括光电二极管的无源像素(Passive Pixel，被动式像素)、有源像素(Active Pixel，主动式像素)或PPD像素(Pinned Photodiode Pixel)。

在应用中，微透镜、滤光阵列和子像素阵列可以根据实际需要设置为任意利于装配的形状，例如，圆形或矩形，矩形具体可以是正方形。每个滤光结构和每个子像素的形状也可以根据实际需要进行设置，例如，矩形，矩形具体可以是正方形。

图1和图2中示例性的示出微透镜10为圆形，滤光阵列20和子像素阵列30为矩形。

在应用中，m为滤光阵列所包括的滤光结构的行数和子像素阵列所包括的子像素的行数，n为滤光阵列所包括的滤光结构的列数和子像素阵列所包括的子像素的列数。m×n≥2，滤光阵列包括至少两个滤光结构，对应的，子像素阵列包括至少两个子像素结构，使得光线入射至多光谱传感结构可以得到至少两个不同波段的光感应信号。m和n可以根据实际需要进行取值，例如，m＝1、n＝2，m＝n＝2，m＝n＝3，m＝n＝4等。

图1中示例性的示出m＝n＝2时，滤光阵列20包括4个滤光结构21，子像素阵列30包括4个子像素31。

在应用中，m×n个滤光结构的中心波长可以在紫外光波段(10nm～400nm)、可见光波段(400nm～700nm)和红外光波段(700nm～1100nm)中的至少一个间隔分布，间隔分布具体可以是等间隔分布或者不等间隔分布。

在一个实施例中，所述m×n个滤光结构的中心波长在可见光波段间隔分布；

或者，所述m×n个滤光结构的中心波长在紫外波段和可见光波段间隔分布；

或者，所述m×n个滤光结构的中心波长在可见光波段和红外波段间隔分布；

或者，所述m×n个滤光结构的中心波长在紫外波段、可见光波段和红外光波段间隔分布。

在一个实施例中，所述m×n个滤光结构的中心波长的在400nm～700nm之间等间隔分布。

在应用中，m×n个滤光结构的中心波长的在400nm～700nm之间等间隔分布时，根据滤光结构数量的不同，中心波长最接近的任意两个滤光结构的中心波长之间的间隔波长也不同。例如，当滤光阵列包括9个滤光结构时，中心波长最接近的任意两个滤光结构的中心波长之间的间隔波长为37.5nm，9个滤光结构的中心波长分别为400nm、437.5nm、475nm、512.5nm、550nm、587.5nm、625nm、662.5nm、700nm；当滤光阵列包括4个滤光结构时，中心波长最接近的任意两个滤光结构的中心波长之间的间隔波长为100nm，4个滤光结构的中心波长分别为400nm、500nm、600nm、700nm。同理，当m×n个滤光结构的中心波长的在其他波段等间隔分布时，也根据滤光结构的数量设置中心波长最接近的任意两个滤光结构的中心波长之间的间隔波长。

如图3所示，示例性的示出了滤光阵列20包括中心波长分别为400nm、437.5nm、475nm、512.5nm、550nm、587.5nm、625nm、662.5nm、700nm的3×3个滤光结构21。

如图4所示，在一个实施例中，多光谱传感结构1还包括与子像素阵列30的每个子像素电连接的金属排线(Metal wiring)电路40，用于将m×n个不同波段的光感应信号读出。

在应用中，当子像素为光电二极管时，金属排线电路与每个子像素电连接且不属于子像素阵列的一部分。当子像素为包括光电二极管的无源像素、有源像素或PPD像素时，金属排线电路与每个光电二极管电连接且属于子像素阵列的内部电路。

本申请实施例通过提供一种包括微透镜、滤光阵列和子像素阵列的多光谱传感结构，使滤光阵列包括中心波长不同的m×n个滤光结构，使子像素阵列包括m×n个子像素，一个滤光结构对应一个子像素，可以通过该多光谱传感结构得到同一景物的m×n个不同波段的光感应信号，将该多光谱传感结构应用于多光谱相机时，可以有提高多光谱相机的图像重叠精度和成像质量、缩短图像重叠处理时间并减小体积。

如图5所示，本申请实施例还提供一种多光谱传感器100，包括由M×N个多光谱传感结构1组成的多光谱传感阵列，用于输出包括M×N个像素信号的多光谱图像信号，每个像素信号包括m×n个不同波段的光感应信号。

其中，M≥1、N≥1且M和N为整数。

在应用中，多光谱传感器可以由至少一个多光谱传感结构组成，将每个多光谱传感结构作为多光谱传感器的一个像素，每个多光谱传感结构得到的m×n个不同波段的光感应信号作为多光谱传感器输出的一个像素信号，从而使得多光谱传感器可以输出波M×N个像素信号的多光谱图像信号。

在应用中，多光谱传感器可以应用于多光谱相机，也可以与计算机、服务器、工控机等计算设备通信连接，以通过这些计算设备分别对多光谱图像信号中不同波段的光感应信号进行处理，将同一波段的M×N个光感应信号处理为一个光谱图像，得到m×n个不同波段的光谱图像。

本申请实施例通过提供一种多光谱传感器，通过提供一种多光谱传感器，包括由M×N个多光谱传感结构组成的多光谱传感阵列，用于输出包括M×N个像素信号的多光谱图像信号，使得每个像素信号包括m×n个不同波段的光感应信号，具有结构简单、体积小、易于实现的优点，将该多光谱传感器应用于多光谱相机时，可以有提高多光谱相机的图像重叠精度和成像质量、缩短图像重叠处理时间并减小体积。

如图6所示，本申请实施例还提供一种多光谱相机1000，包括处理器200以及与处理器200电性连接的多光谱传感器100；

处理器200用于分别对多光谱图像信号中不同波段的光感应信号进行处理，将同一波段的M×N个光感应信号处理为一个光谱图像，得到m×n个不同波段的光谱图像。

在应用中，处理器提取多光谱图像信号中同一个波段的所有(M×N个)光感应信号，并将这M×N个光感应信号处理为一个光谱图像，对于其他波段的光感应信号执行相同操作，从而得到m×n个不同波段的光谱图像。

在应用中，处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字图像信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。处理器具体可以是图像处理器。

本申请实施例通过提供一种多光谱相机，包括处理器以及与处理器电性连接的多光谱传感器；通过处理器分别对多光谱图像信号中不同波段的光感应信号进行处理，将同一波段的M×N个光感应信号处理为一个光谱图像，得到m×n个不同波段的光谱图像，具有图像重叠精度和成像质量高、图像重叠处理时间短和体积小的优点。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多光谱传感结构，其特征在于，包括一个微透镜、一个滤光阵列和一个子像素阵列；

所述滤光阵列包括中心波长不同的m×n个滤光结构，所述子像素阵列包括m×n个子像素，一个所述滤光结构对应一个所述子像素；

所述微透镜、所述滤光阵列和所述子像素阵列沿光线入射方向依次设置，入射光线依次经由所述微透镜进行聚焦、所述滤光阵列进行滤光和所述子像素阵列进行光电转换之后，得到m×n个不同波段的光感应信号；

或者，所述滤光阵列、所述微透镜和所述子像素阵列沿光线入射方向依次设置，入射光线依次经由所述滤光阵列进行滤光、所述微透镜进行聚焦和所述子像素阵列进行光电转换之后，得到m×n个不同波段的光感应信号；

其中，m×n≥2且m和n为正整数，所述光谱传感结构为多光谱传感器的一个像素。

2.如权利要求1所述的多光谱传感结构，其特征在于，所述m×n个滤光结构的中心波长在可见光波段间隔分布；

或者，所述m×n个滤光结构的中心波长在紫外波段和可见光波段间隔分布；

或者，所述m×n个滤光结构的中心波长在可见光波段和红外波段间隔分布；

或者，所述m×n个滤光结构的中心波长在紫外波段、可见光波段和红外光波段间隔分布。

3.如权利要求2所述的多光谱传感结构，其特征在于，所述m×n个滤光结构的中心波长的在400nm～700nm之间等间隔分布。

4.如权利要求3所述的多光谱传感结构，其特征在于，所述滤光阵列包括中心波长分别为400nm、437.5nm、475nm、512.5nm、550nm、587.5nm、625nm、662.5nm、700nm的3×3个滤光结构。

5.如权利要求1～4任一项所述的多光谱传感结构，其特征在于，所述滤光结构为镀设于所述微透镜靠近或远离所述子像素阵列的表面的滤光膜。

6.如权利要求1～4任一项所述的多光谱传感结构，其特征在于，所述滤光结构为镀设于对应的所述子像素的晶片表面的滤光膜。

7.如权利要求1～4任一项所述的多光谱传感结构，其特征在于，所述滤光结构为滤光片。

8.如权利要求1～4任一项所述的多光谱传感结构，其特征在于，还包括与每个所述子像素电连接的金属排线电路，用于将所述m×n个不同波段的光感应信号读出。

9.一种多光谱传感器，其特征在于，包括由M×N个如权利要求1～8任一项所述的多光谱传感结构组成的多光谱传感阵列，用于输出包括M×N个像素信号的多光谱图像信号，每个像素信号包括m×n个不同波段的光感应信号；

其中，M≥1、N≥1且M和N为整数。

10.一种多光谱相机，其特征在于，包括处理器以及与所述处理器电性连接的如权利要求9所述的多光谱传感器；

所述处理器用于分别对所述多光谱图像信号中不同波段的光感应信号进行处理，将同一波段的M×N个光感应信号处理为一个光谱图像，得到m×n个不同波段的光谱图像。

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