光學分光器及其制備方法、圖像傳感器以及圖像成像系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種光學分光器及其制備方法、圖像傳感器以及圖像成像系統，所述光學分光器為在基底上由多個分光單元一維排列組成的陣列結構，所述分光單元包括上層反射層、下層反射層以及位于所述上層反射層與所述下層反射層之間的介質層，所述下層反射層為水平面結構，所述上層反射為斜面結構或曲面結構。本發明提供的光學分光器及其制備方法、圖像傳感器以及圖像成像系統，集成度高、體積小，同時高光譜成像耗時短。
【專利說明】
光學分光器及其制備方法、圖像傳感器以及圖像成像系統
技術領域
[0001]本發明涉及光譜成像技術領域，尤其涉及一種光學分光器及其制備方法、圖像傳感器以及圖像成像系統。
【背景技術】
[0002]隨著人們對于世界間事物認識和了解的不斷深入，僅僅從二維的圖像或者圖像序列中對觀測信息進行識別、推理和判斷已經越來越無法滿足目前工、農業各方面的需求。普通的二維彩色圖像上的每個像素點上包含了用于識別色彩的二維圖像信息，相比較而言，高光譜圖像不僅包含了二維圖像信息，每個像素點上還包含了一系列不同光譜波長的光強信息(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成的“數據立方體”，可以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成像區域內的物質材料、材質和組份等理化信息，還可以通過圖像的空間信息快速地、直觀地識別相關位置和范圍。
[0003]高光譜圖像的成像系統除了需要引入額外的光譜調制器件，例如，分光或色散功能的棱鏡、光柵、可調光譜過濾器或光譜濾波片轉盤等，還需要特定的成像機制，例如，空間掃描和光譜掃描等。傳統的高光譜成像系統一般采用棱鏡作為光譜分光器件(dispersive)，或采用液晶光學濾波(LCTF)、聲光調制濾波器(AOTF)等可調制光譜濾波器件(tunable optical filter)。高光譜成像系統采用成像方案通常為空間掃描、光譜掃描或空間光譜同步掃描。
[0004]在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術中至少存在如下技術問題:
[0005]傳統的高光譜圖像的成像系統采用的分光器件為分立式的分光器件，這些分立式的光學器件本身占有一定的空間體積，此外分立式的分光器件需要與其他光學元器件相互聚焦和準直，造成高光譜成像系統的集成化程度低，體積大。此外傳統的高光譜成像需要對空間、或對光譜、或同時對二者進行掃描，成像速度較慢，并需要復雜的機械裝置和/或光學裝置來完成掃描動作。并且傳統的高光譜圖像成像系統會因為目標物在掃描成像期間發生形變或位移，從而產生高光譜圖像的空間信息扭曲或光譜信息“暈染”等問題，在這種情況下，一般額外需要復雜的數據處理方法來還原數據，從而致使高光譜圖像的成像系統成像耗時更長。

【發明內容】

[0006]本發明提供的光學分光器及其制備方法、圖像傳感器以及圖像成像系統，集成度高、體積小，同時高光譜成像耗時短。
[0007]第一方面，本發明提供一種光學分光器，所述光學分光器為在基底上由多個分光單元一維排列組成的陣列結構，所述分光單元包括上層反射層、下層反射層以及位于所述上層反射層與所述下層反射層之間的介質層，所述下層反射層為水平面結構，所述上層反射層為斜面結構或曲面結構。
[0008]可選地，所述曲面結構的曲率半徑沿所述分光單元的寬度變化。
[0009]可選地，所述斜面結構上開設透光的穿孔。
[0010]可選地，當所述上層反射層為斜面結構時，所述上層反射層還包括一水平結構。
[0011]第二方面，本發明提供一種光學分光器的制備方法，所述方法包括:
[0012]在基底上沉積一層反射層；
[0013 ]在所述反射層上旋涂一層熱固型材料；
[0014]光學光刻所述熱固型材料形成各分光單元的邊界；
[0015]在所述邊界中的每兩邊界之間沉積介質層；
[0016]刻蝕所述介質層至需要的厚度；
[0017]在所述介質層上旋涂一層熱塑型材料，按照所設計的圖案作為掩膜，光學光刻所述熱塑型材料，使圖案成形；
[0018]使所述熱塑型材料軟化流動直到斜面結構或曲面結構形成；
[0019]以所述熱塑性材料做掩蔽，等離子刻蝕所述介質層直至所述斜面結構或曲面結構轉移至所述介質層；
[0020]沉積頂層反射層。
[0021]可選地，所述曲面結構的曲率半徑沿所述分光單元的寬度變化。
[0022]可選地，所述斜面結構上開設透光的穿孔。
[0023]可選地，當所述上層反射層為斜面結構時，所述上層反射層還包括一水平結構。
[0024]第三方面，本發明提供一種圖像傳感器，其特征在于，所述圖像傳感器包括上述所述的光學分光器及光電傳感器陣列芯片，所述光學分光器根據上述所述的光學分光器的制備方法與光電傳感器陣列芯片集成加工，所述光電傳感器陣列芯片作為所述光學分光器的基底;或將所述光學分光器的基底與所述光電傳感器陣列芯片粘合在一起，或通過夾具結合在一起。
[0025]第四方面，本發明提供一種圖像成像系統，所述圖像成像系統包括上述所述的圖像傳感器。
[0026]本發明實施例提供的光學分光器及其制備方法、圖像傳感器以及圖像成像系統，分光單元的陣列結構可同時對各入射光束實現光譜分離的分光功能和光譜的過濾功能，從而可用于目標成像區域上各點光束的同步分光，再通過集成的光電傳感器陣列同時讀取各分光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據。由于可以通過高速掃描甚至實現快照式的成像方案，縮短了成像時間。此外不需要分立式的光學元器件，也不需要機械驅動的光譜調制設備，從而簡化了光譜成像系統，也縮小了體積。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明平行鏡法珀腔的光譜過濾原理示意圖；
[0028]圖2為本發明一實施光學分光器的分光單元上反射層為斜面的結構示意圖；
[0029]圖3為本發明另一實施例光學分光器的分光單元上反射層為曲面的結構示意圖；[°03°]圖4為本發明一實施例光學分光器的結構不意圖；
[0031 ]圖5為本發明一實施例光學分光器的制備方法流程圖；
[0032]圖6為本發明一實施例光學分光器的剖面示意圖及俯視示意圖；
[0033]圖7為本發明再一實施例光譜圖像提取流程示意圖；
[0034]圖8為本發明光學分光器的分光單元的其他結構示意圖。
【具體實施方式】
[0035]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0036]本發明提供一種光學分光器，所述光學分光器為在基底上由多個分光單元一維排列組成的陣列結構，所述分光單元包括上層反射層、下層反射層以及位于所述上層反射層與所述下層反射層之間的介質層，所述下層反射層為水平面結構，所述上層反射層為斜面結構或曲面結構。
[0037]本發明實施例提供的光學分光器，分光單元的陣列結構可同時對各入射光束實現光譜分離的分光功能和光譜的過濾功能，從而可用于目標成像區域上各點光束的同步分光，再通過集成的光電傳感器陣列同時讀取各分光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據。由于可以通過高速掃描甚至實現快照式的成像方案，縮短了成像時間。此外不需要分立式的光學元器件，也不需要機械驅動的光譜調制設備，從而簡化了光譜成像系統也縮小了體積。
[0038]可選地，所述曲面結構的曲率半徑沿所述分光單元的的寬度變化。
[0039]可選地，所述斜面結構上開設透光的穿孔。
[0040]可選地，當所述上層反射層為斜面結構時，所述上層反射層還包括一水平結構。
[0041]可選地，各分光單元具有相同的腔體厚度和寬度或具有不同的腔體厚度和寬度。
[0042]可選地，所述多個分光單元的最小光譜空間分辨率范圍為0.1nm?50nm。
[0043]可選地，所述上層反射層及所述下層反射層的材料為金屬或布拉格反射鏡，所述介質層為 Si02、Al203、Ti02。
[0044]可選地，所述光學分光器的工作波長覆蓋紫外1nm?400nm、可見光380nm?750nm、紅外700nm?1050nm的光譜范圍。
[0045]本發明提供的光學分光器的核心結構是基于法泊腔光譜過濾(Fabry PerotFilter)的原理。如圖1所示，理想型的法珀腔過濾器是基于兩個互相平行的反射鏡，當入射法珀腔的光譜在兩反射鏡間行進的各反射波經透射后相位相同，則該光譜波長可以透射至法珀腔的另一端，從而被過濾;而不滿足這一條件的光譜波長則會由于腔體內的多次反射波間的相位抵消而不被過濾。在圖1中，上面的光束為紅光，紅光因各反射波的相位相同而體現為透射過濾。下面的光束為綠光，綠光因各反射波的相位相反而相互抵消，綠光無法過濾。基于這一原理，該發明提供的光學分光器為在基底上由多個分光單元一維排列組成的陣列結構。如圖2及圖3所示，每個分光單元包括上層反射層、下層反射層以及位于所述上層反射層與所述下層反射層之間的介質層，所述下層反射層為水平面結構，所述上層反射層為斜面結構或曲面結構。在圖2中上層反射層為斜面結構，上層反射層與水平方法的夾角為Θ，在圖3中上反射層還可以為曲面結構，所示曲面結構可以為凸面結構或為凹面結構，凸面結構的曲率半徑為K1，凹面結構的曲率半徑為K2。多個分光單元在一維方向上排列成陣列結構，形成如圖4所示的陣列結構。所述陣列結構中的每一個分光單元可以等效為法珀腔陣列，可同時過濾出波長線性變化的光譜系列。
[0046]該發明提供的光學分光器是以微型類法珀腔過濾分光單元為重復單元的陣列結構。該光學分光器可應用的光譜范圍根據具體結構參數設計可覆蓋紫外(1nm?400nm)、可見光(380nm?750nm)、紅外(700nm?1050nm)的光譜范圍。該光學分光器在基片上加工分光單元的陣列結構，其截面形成“鋸齒狀”結構。基片材料可以為硅片、玻璃、石英等無機材料，也可以為聚合物基片，如有機玻璃，聚碳等有機材料。分光單元的設計參數包括:長度、寬度、反射層的材料與厚度，各分光單元兩反射層之間的角度、距離變化、上層反射層的曲率半徑、腔體材料和厚度。其結構維度參數的設計不應局限于固定的范圍，應以實現一定分辨率的光譜分光功能為準，各分光單元的最小光譜空間分辨率范圍為0.1nm?50nm。光學分光器的分光單元陣列結構的設計參數包括:分光單元重復單元寬度、個數。該陣列結構的重復單元個數在一維陣列方向上的范圍為:4?1280。分光單元的上、下反射層的材料可以均為金屬如金、鋁，或可以均為“四分之一波長”厚度的布拉格反射鏡結構，也可以為這兩種反射層的搭配。中間基質層的材料可以為空氣等無固定形態的氣體，也可為具有一定折射率的固體材料，例如:5102^1203、1^02等。其材料的選擇和厚度的選擇不局限于固定的范圍，應以實現一定分辨率的光譜分光功能為準。分光單元的陣列結構根據光譜圖像信號的不同，各分光單元間可以采用同樣的結構設計從而具有同樣的光譜過濾、分光特性;或者各分光單元也可以具有不同的腔體厚度和寬度，實現對不同光譜范圍進行過濾和分光。
[0047 ]本發明實施例還提供一種光學分光器的制備方法，所述方法包括:
[0048]在基底上沉積一層反射層；
[0049]在所述反射層上旋涂一層熱固型材料；
[0050]光學光刻所述熱固型材料形成各分光單元的邊界；
[0051 ]在所述邊界中的每兩邊界之間沉積介質層；
[0052]刻蝕所述介質層至需要的厚度；
[0053]在所述介質層上旋涂一層熱塑型材料，按照所設計的圖案作為掩膜，光學光刻所述熱塑型材料，使圖案成形；
[0054]使所述熱塑型材料軟化流動直到斜面結構或曲面結構形成；
[0055]以所述熱塑性材料做掩蔽，等離子刻蝕所述介質層直至所述斜面結構或曲面結構轉移至所述介質層；
[0056]沉積頂層反射層。
[0057]本發明實施例提供的光學分光器的制備方法，分光單元的陣列結構可同時對各入射光束實現光譜分離的分光功能和光譜的過濾功能，從而可用于目標成像區域上各點光束的同步分光，再通過集成的光電傳感器陣列同時讀取各分光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據。由于可以通過高速掃描甚至實現快照式的成像方案，縮短了成像時間。此外不需要分立式的光學元器件，也不需要機械驅動的光譜調制設備，從而簡化了光譜成像系統也縮小了體積。
[0058]可選地，所述曲面結構的曲率半徑沿所述分光單元的寬度變化。
[0059]可選地，所述斜面結構上開設透光的穿孔。
[0060]可選地，當所述上層反射層為斜面結構時，所述上層反射層還包括一水平結構。
[0061]可選地，各分光單元具有相同的腔體厚度和寬度或具有不同的腔體厚度和寬度。
[0062]可選地，所述多個分光單元的最小光譜空間分辨率范圍為0.1nm?50nm。
[0063]可選地，所述上層反射層及所述下層反射層的材料為金屬或布拉格反射鏡，所述介質層為 Si02、Al203、Ti02。
[0064]可選地，所述光學分光器的工作波長覆蓋紫外1nm?400nm、可見光380nm?750nm、紅外700nm?1050nm的光譜范圍。
[0065]本發明實施例提供的光學分光器的制備方法，主要利用熱塑型材料和熱固型材料的物理性質制備各個分光單元的上表面的斜面或曲面。所述光學分光器的制備方法的主要工藝流程如圖5所示:
[0066](a)在基底上沉積一層反射層，為布拉格反射鏡或金屬層，在反射層與基底之間設置一層防反光介質層，在所述反射層上旋涂一層熱固型材料，如SU-8。
[0067](b)對所述熱固型材料進行刻蝕曝光、顯影及烘烤后形成各分光單元的邊界。
[0068](C)在所述形成的分光單元的邊界中的兩個相鄰邊界之間沉淀積一層介質層，如Si〇2，使所述介質層平坦化。
[0069](d)將所述介質層刻蝕至需要的厚度。
[0070](e)在所述介質層上旋涂一層熱塑型材料，如光刻膠AZ9260、AZ4532，所述熱塑型材料的高度與所述分光單元的邊界平齊。
[0071](f)采用光學光刻的方式，按照所設計的圖案曝光、顯影使得所述熱塑型材料圖案成形。
[0072](g)施加使所述熱塑型材料軟化流動的溫度、化學、時長等條件，如加熱至140 0C并持續15分鐘后在40 °C條件下持續接觸丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)氣體5分鐘，或加熱至180°C并持續I小時，直到非對稱、非線性的斜面或曲面形成。
[0073](h)以形成非對稱、非線性的斜面或曲面的熱塑性材料做掩膜，等離子刻介質層，直至形成的非對稱、非線性的斜面或曲面轉移至介質層結構。
[0074](k)去掉殘余的熱塑型材料、相關清洗之后，沉積頂層反射層，如布拉格反射層或金屬層。
[0075]本發明實施例還提供一種圖像傳感器，其特征在于，所述圖像傳感器包括上述所述的光學分光器及光電傳感器陣列芯片，所述光學分光器根據上述所述的光學分光器的制備方法與光電傳感器陣列芯片集成加工，所述光電傳感器陣列芯片作為所述光學分光器的基底;或將所述光學分光器的基底與所述光電傳感器陣列芯片粘合在一起，或通過夾具結合在一起。所述基底為玻璃或硅片，在玻璃或硅片等基底材料上加工分立式的分光單元，將所述基底與光電傳感器陣列芯片，即CCD或CMOS光電傳感器通過粘合、夾具接合等方法組成形成高光譜圖像傳感器。此外，還可以將光電傳感器作為光學分光器的基底，直接一體化單片集成形成高光譜圖像傳感器。光學分光器的分光單元陣列與一定規格的光電傳感器陣列接合或直接一體化單片集成加工后形成了高光譜圖像傳感器。該圖像傳感器具有一定尺寸、一定數量和密度的光電傳感器陣列。如圖6所示，將分光單元的陣列結構直接接合在、或直接集成加工于圖像傳感器上部，使每個分光單元與一定數量的光電傳感器對齊，利用已知分光單元的結構設計和入射光角度進行光譜標定校準后可利用相應的光電傳感器陣列讀取各分光單元內的光譜強度信息。光電傳感器可以為可見光光電傳感器，也可以為紅外或紫外光的光電傳感器。光電傳感器的個數、密度、及與分光單元的對應關系不局限于固定的范圍，以能夠讀取一定的光譜分辨率為準。
[0076]本發明實施例還提供一種圖像成像系統，所述圖像成像系統包括上述所述的圖像傳感器。當上述所述的圖像傳感器應用于圖像成像系統時，該發明的光學分光器件上每個分光單元對應處理目標成像區域內一處光束，因此每個分光單元對應了光譜圖像上的一個像素點。當成像區域的入射光束經前置光學元器件調制后以平行光入射至光學分光器的分光單元陣列時，各分光單元分別對目標成像區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分光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據。可以通過高速掃描甚至實現快照式的成像方案，大大縮短了成像時間。通過光電傳感器采樣數據的重排可以獲得光譜圖像的“數據立方體”。當應用于掃描式光譜成像系統時，單次成像時各分光單元分別處理不同光譜分辨率和范圍的光譜信息，形成如圖7中所示的光譜圖像數據立方體，最終通過圖像傳感器及成像系統在目標成像區域內呈直線掃描的方式完成完整的“數據立方體”。
[0077]此外，本發明提供的光學分光器中的分光單元還可以采用圖8所示的結構，在圖8
(a)中，在分光單元的上層反射層上開設一透光的穿孔，從而可以提高光束的利用率。在圖8
(b)中，上層反射層的曲率半徑沿寬度變化，如當某一波長分離出的光譜比較密集的時候，可以在對應的上層反射面位置處設置成凹面，從而分散形成的光譜。相對應的當分離出的光譜比較稀疏時，對應的將上層反射面處設置好凸面。在圖8(c)中，上層反射層包括一平面結構及一斜面結構，所述平面結構為提供一基準參數，根據平面結構的厚度可以得到該處濾出的光譜波長，從而根據該光譜的波長可以推算出斜面對應位置處濾出的光譜的波長。
[0078]以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種光學分光器，其特征在于，所述光學分光器為在基底上由多個分光單元一維排列組成的陣列結構，所述分光單元包括上層反射層、下層反射層以及位于所述上層反射層與所述下層反射層之間的介質層，所述下層反射層為水平面結構，所述上層反射層為斜面結構或曲面結構。2.根據權利要求1所述的光學分光器，其特征在于，所述曲面結構的曲率半徑隨所述分光單元的寬度變化。3.根據權利要求1所述的光學分光器，其特征在于，所述斜面結構上開設有透光的穿孔。4.根據權利要求1所述的光學分光器，其特征在于，當所述上層反射層為斜面結構時，所述上層反射層還包括一水平結構。5.一種光學分光器的制備方法，其特征在于，包括: 在基底上沉積一層反射層； 在所述反射層上旋涂一層熱固型材料； 光學光刻所述熱固型材料形成各分光單元的邊界； 在所述邊界中的每兩邊界之間沉積介質層； 刻蝕所述介質層至需要的厚度； 在所述介質層上旋涂一層熱塑型材料，按照所設計的圖案作為掩膜，光學光刻所述熱塑型材料，使圖案成形； 使所述熱塑型材料軟化流動直到斜面結構或曲面結構形成； 以所述熱塑性材料做掩蔽，等離子刻蝕所述介質層直至所述斜面結構或曲面結構轉移至所述介質層； 沉積頂層反射層。6.根據權利要求5所述的光學分光器的制備方法，其特征在于，所述曲面結構的曲率半徑隨所述分光單元的寬度變化。7.根據權利要求5所述的光學分光器的制備方法，其特征在于，所述斜面結構上開設有透光的穿孔。8.根據權利要求5所述的光學分光器的制備方法，其特征在于，當所述上層反射層為斜面結構時，所述上層反射層還包括一水平結構。9.一種圖像傳感器，其特征在于，所述圖像傳感器包括權利要求1-4中任一項所述的光學分光器及光電傳感器陣列芯片，所述光學分光器根據權利要求5所述的光學分光器的制備方法與光電傳感器陣列芯片集成加工，所述光電傳感器陣列芯片作為所述光學分光器的基底;或將所述光學分光器的基底與所述光電傳感器陣列芯片粘合在一起，或通過夾具結合在一起。10.—種圖像成像系統，其特征在于，所述圖像成像系統包括權利要求9所述的圖像傳感器。
【文檔編號】G01J3/28GK106052865SQ201610302450
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】李麗, 黃成軍, 崔虎山, 劉舒揚
【申請人】中國科學院微電子研究所