本發(fā)明屬于光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光譜成像微型傳感器，其為一種將分光元件、光電轉(zhuǎn)換和讀出電路利用半導(dǎo)體工藝實現(xiàn)單片集成的單片式光譜成像微型傳感器。

背景技術(shù)：

普通的RGB彩色圖像上的每個像素點包含了用于識別色彩的數(shù)據(jù)信息。然而，高光譜圖像雖然也包含了二維圖像信息，但每個像素點上包含了一系列不同光譜波長的光強信息，即光譜信息。因此高光譜圖像是二維空間圖像信息與一維光譜信息構(gòu)成的“數(shù)據(jù)立方體”，通過分析處理二維圖像上各像素點上的光譜信息來識別相對應(yīng)成像區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)材料、材質(zhì)和組份等理化信息，還可以通過圖像的空間信息快速地、直觀地識別相關(guān)位置和范圍，因此該項技術(shù)具有圖譜合一的特性，在食品科學(xué)、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)科學(xué)和遙感技術(shù)等方面取得了廣泛的應(yīng)用。

為了獲取高光譜圖像的，相比于普通的成像系統(tǒng)，需要引入額外的光譜調(diào)制器件(例如，分光或色散功能的棱鏡、光柵、可調(diào)光譜過濾器或光譜濾波片轉(zhuǎn)盤等)，傳統(tǒng)的高光譜成像系統(tǒng)一般采用棱鏡作為光譜分光器件(dispersive)，或采用液晶光學(xué)濾波(LCTF)、聲光調(diào)制濾波器(AOTF)等可調(diào)制光譜濾波器件(tunable optical filter)。但是這些分立式的光學(xué)器件本身占有一定的空間體積，且需要與其他光學(xué)元器件之間的相互聚焦和準(zhǔn)直，造成高光譜成像系統(tǒng)的體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)成本高、集成化程度低的限制因素。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：如何提供一種光譜成像微型傳感器。

(二)技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種光譜成像微型傳感器，所述傳感器的每一個像素都由上反射層、通光層、下反射層和像素感光部位構(gòu)成，整個傳感器由保護(hù)玻璃進(jìn)行光學(xué)保護(hù)；

所述上反射層采用多層高反射率物質(zhì)和多層低反射率物質(zhì)交替制備，形成布拉格反射鏡，具有反光效果，上反射層的物質(zhì)交疊次數(shù)在3次到15次之間，一層高折射率物質(zhì)配合一層低折射率物質(zhì)定義為一次交疊，上反射層位于芯片保護(hù)玻璃之下，通光層之上；

所述下反射層具有和上反射層相同的結(jié)構(gòu)和材料，位置在通光層與像素之間；

所述上反射層，下反射層和通光層構(gòu)成了典型的法珀腔，其下反射層下面是CMOS傳感器的單個像素的像素感光部位。

其中，所述下反射層和像素感光部位采用一體化制備方法，沒有空隙，像素感光部位后是完整的電學(xué)讀出電路。

其中，所述傳感器采用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行一次成型，其上反射層，通光層，下反射層和像素感光部位均采用半導(dǎo)體工藝相兼容的材料，且縱向嚴(yán)格對齊整，沒有后期貼合的部分。

其中，所述傳感器是面陣傳感器，每個像素點所對應(yīng)的感光波長由法珀腔體結(jié)構(gòu)決定，所述傳感器每一列采用同樣高度的法珀腔，根據(jù)實際應(yīng)用，不同列的法珀腔體高度可相同或者不同，因此可以在傳感器層面進(jìn)行不同的布局來達(dá)到不同成像體制的目的。

(三)有益效果

本發(fā)明綜合利用微納加工工藝、集成式微型光學(xué)過濾分光器件、快照式光譜成像技術(shù)等，發(fā)明了一種可以應(yīng)用于快照式和掃描式光譜成像或者小型化光譜分析系統(tǒng)的高光譜圖像傳感器。該傳感器是一種微納光學(xué)過濾分光器件的陣列結(jié)構(gòu)與圖像傳感器接合或一體式單片集成加工形成的。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下特點：

(1)本發(fā)明傳感器的核心元件為一個微型過濾分光器件的陣列結(jié)構(gòu)，該陣列結(jié)構(gòu)的每個重復(fù)單元為光學(xué)過濾分光器件的微納結(jié)構(gòu)，經(jīng)特殊設(shè)計后該微納結(jié)構(gòu)上下表面各包含一層光學(xué)反射層，由不同反射率物質(zhì)按照周期交叉形成，通光層由單一物質(zhì)構(gòu)成。因此，上反射層、通光層、下反射層以從上至下的順序形成“三明治”結(jié)構(gòu)。

(2)本發(fā)明中的微型過濾分光器件陣列的各重復(fù)單元可同時對各入射光束實現(xiàn)光譜分離的分光功能和光譜譜帶的過濾功能，從而可用于目標(biāo)成像區(qū)域上各點光束的同步分光。當(dāng)成像區(qū)域的入射光束經(jīng)前置光學(xué)元器件調(diào)制后以平行光入射至微型分光過濾器件陣列，各微型過濾分光單元分別對目標(biāo)成像區(qū)域上各點的光譜分光，再通過集成的光電傳感器陣列同時讀取各單元過濾光譜的光強，從而一次性獲取具有一定光譜范圍和分辨率的高光譜圖像數(shù)據(jù)。

(3)本發(fā)明作為圖像傳感器，可以應(yīng)用在掃描、快照式光譜成像以及光譜分析系統(tǒng)。由于光譜圖像是三維的數(shù)據(jù)立方體，一般來說利用二維的圖像傳感器形成三維的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過掃描，利用在方形或者馬賽克形式的結(jié)構(gòu)可以形成快照式光譜傳感器。在不需要成像的應(yīng)用中，也可以直接作為光譜分析儀器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明基于法珀腔光譜過濾原理，提供一種法珀腔與CMOS圖像傳感器單片集成的光譜圖像傳感器結(jié)構(gòu)，形成了具有特定的光譜過濾分光特性的微型光電圖像傳感器。本發(fā)明利用微型過濾分光器件陣列的的核心結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)對入射光平面上各點光束的光譜過濾和分光，并通過集成的光電傳感器陣列讀取各光譜的強度信息。該發(fā)明的核心器件以光電集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了光譜分光特性的調(diào)制，減少了分立式的光學(xué)器件、無需機械驅(qū)動的調(diào)制設(shè)備、縮小了系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)的能耗和成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明技術(shù)方案中FP腔濾波原理示意圖。

圖2為本發(fā)明光譜圖像傳感器上的每個像素結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明光譜圖像傳感器布局圖。

圖4為光譜成像微系統(tǒng)架構(gòu)的簡化示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供一種光譜成像微型傳感器，如圖2所示，所述傳感器的每一個像素都由上反射層、通光層、下反射層和像素感光部位構(gòu)成，整個傳感器由保護(hù)玻璃進(jìn)行光學(xué)保護(hù)；

所述上反射層采用多層高反射率物質(zhì)和多層低反射率物質(zhì)交替制備，形成布拉格反射鏡(Bragg鏡)，具有反光效果，上反射層的物質(zhì)交疊次數(shù)在3次到15次之間，一層高折射率物質(zhì)配合一層低折射率物質(zhì)定義為一次交疊，上反射層位于芯片保護(hù)玻璃之下，通光層之上；

所述下反射層具有和上反射層相同的結(jié)構(gòu)和材料，位置在通光層與像素之間；

所述上反射層，下反射層和通光層構(gòu)成了典型的法珀腔，其下反射層下面是CMOS傳感器的單個像素的像素感光部位。

其中，所述下反射層和像素感光部位采用一體化制備方法，沒有空隙，像素感光部位后是完整的電學(xué)讀出電路，包括AD轉(zhuǎn)換。

其中，所述傳感器采用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行一次成型，其上反射層，通光層，下反射層和像素感光部位均采用半導(dǎo)體工藝相兼容的材料，且縱向嚴(yán)格對齊整，沒有后期貼合的部分。

其中，所述傳感器是面陣傳感器，每個像素點所對應(yīng)的感光波長由法珀腔體結(jié)構(gòu)決定，所述傳感器每一列采用同樣高度的法珀腔，根據(jù)實際應(yīng)用，不同列的法珀腔體高度可相同或者不同，因此可以在傳感器層面進(jìn)行不同的布局來達(dá)到不同成像體制的目的。

具體而言，本發(fā)明的核心結(jié)構(gòu)是基于法珀腔光譜過濾(Fabry Perot Filter)的原理。理想型的法珀腔過濾器是基于兩個互相平行的反射鏡，當(dāng)光譜的波長與其在兩反射鏡間行進(jìn)的距離成整數(shù)倍關(guān)系時，該光譜波長可以從反射鏡透射至另一端，從而被過濾；而不滿足這一條件的光譜波長則會因多次反射波間相位抵消而不會被過濾，如圖1所示。

如圖2所示，該發(fā)明是一款高光譜圖像傳感器，傳感器的每一個像素都由上反射層，通光層，下反射層和像素感光部分構(gòu)成，整個傳感器由保護(hù)玻璃進(jìn)行光學(xué)保護(hù)。

上反射層采用高反射率和低反射率物質(zhì)交替制備，形成Bragg鏡，具有反光效果，上反射層的物質(zhì)交疊次數(shù)在3次到15次之間(一個高折射率配合一個低折射率物質(zhì)定義為一次交疊)，上反射層位于芯片保護(hù)玻璃之下，通光層之上。

下反射層具有和上反射層相同的結(jié)構(gòu)和材料，位置在通光層與像素之間。

上反射層，下反射層和通光層構(gòu)成了典型的FP腔，其下反射層下面是CMOS傳感器的單個像素的感光部位，下反射層和像素感光部位采用一體化制備方法，沒有空隙，感光部位后是完整的電學(xué)讀出電路，包括AD轉(zhuǎn)換。

該發(fā)明的傳感器采用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行一次成型，其上反射層，通光層，下反射層和像素感光部位均采用半導(dǎo)體工藝相兼容的材料，且縱向嚴(yán)格對齊整，沒有后期貼合的部分。

本發(fā)明的圖像傳感器是面陣傳感器，每個像素點所對應(yīng)的感光波長由FP腔體結(jié)構(gòu)決定，本發(fā)明的傳感器每一列采用同樣高度的FP腔，根據(jù)實際應(yīng)用，不同列的FP腔體高度可相同或者不同，因此可以在傳感器層面進(jìn)行不同的布局來達(dá)到不同成像體制的目的。圖3是一種典型的光譜圖像傳感器示意圖，采取每列或者每行的FP腔高度一致的布局。圖4為采用本發(fā)明技術(shù)方案的光譜成像微系統(tǒng)架構(gòu)的簡化示意圖。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。