[发明专利]一种基于Fabry–Pérot腔的透射式超构表面多光谱成像仪

说明书

本发明公开了一种基于Fabry–Pérot腔的透射式超构表面多光谱成像仪，包括CMOS、FP腔超构表面滤波片。FP腔超构表面滤波片包括透明基底、金属层、介质层、微纳结构等，其连接主要由各层材料的粘附性实现，无需所提工艺之外的额外工序。入射光通过FP腔超构表面滤波片透射特定波长(即滤波)，透射光到达CMOS图像处理器上由CMOS记录经过滤波的光信号强度，进行光谱重建。本发明拥有更多的自由度来调控滤波性能，同时大大减少了加工的难度，有利于拓展滤波通道，提高多光谱成像仪的性能。本发明实现了透射式滤波，使CMOS在处理光强数据的时候更加简单，提高了多光谱成像仪的处理速度。

技术领域

本发明涉及一种基于Fabry–Pérot腔的透射式超构表面多光谱成像仪，属于多光谱成像技术领域。

背景技术

多光谱成像仪是将光谱特征以及空间图像信息相结合的设备，当中的核心技术就是多光谱成像技术，其主要作用就是将成分复杂的光分解为若干个窄波段的光，然后通过对若干个窄波段的入射光的光谱测量可以获得被检测物的各种信息。多光谱成像仪通常由分光系统、探测成像系统及信息传输系统组成，根据分光系统的分光原理可以将多光谱成像仪分为三大类：色散型多光谱成像仪、调制型多光谱成像仪以及滤波型多光谱成像仪。色散型多光谱成像仪是利用色散元件如棱镜、衍射、干涉光栅，把光信号在空间上按波长分散为多条光束并聚焦在光电探测器上；调制型多光谱成像仪则是利用调制原理(如傅里叶变换)的圆孔进光的非空间分光。这两种多光谱成像仪都面临着重量大、体积大的缺点，为了适应当前设备轻量化、微型化的特点，使用平面滤波器(即滤波片)作为分光元件可以实现与光电探测器在垂直维度上的堆叠，大大减小光学系统的重量及体积，并且实现了光谱和空间图像区域的连续取样。滤波器是一种选择性透射不同波长的光的光学器件，它在超高分辨率成像、光电系统和光学防伪等国防安全和民用经济领域的都有着广泛的应用。

而对于滤波器的选择，新兴的超构表面通过亚波长厚度的薄层结构可以进行光的调控，基于米氏理论利用介质超构表面实现的滤波器克服了高损耗、低效率的缺点，并且可以通过改变亚波长结构的尺寸实现波长选择功能，把不同尺寸的亚波长结构在小幅面范围内阵列，实现在单个芯片上的宽波段范围内的窄波长滤波。这种基于超构表面的滤波片与CMOS结合的多光谱成像芯片，对于多光谱成像仪性能、体积、重量上无疑是最好的选择。

但常见的超构表面滤波片基于其谐振理论，往往是反射式滤波器，对多光谱成像系统的集成与功能实现都是不利的，因此将超构表面与Fabry–Pérot腔滤色片技术相结合，可以实现透射式的滤波器，有利于多光谱成像系统的集成与功能实现。

而对于滤波器材料的选择，纳米结构光子材料能够在亚波长范围内控制和操纵光，并表现出独特的光学功能。并且可以通过改变亚波长结构的尺寸实现波长选择功能，把不同尺寸的亚波长结构在小幅面范围内阵列，实现在单个芯片上的宽波段范围内的窄波长滤波。特别介质材料(如硅、二氧化钛等)，与金属材料相比，突破了在可见光范围内没有巨大的内部损耗与昂贵的原料(如金、银等)及其纳米制造相关的问题(如成本、制造缺陷、表面粗糙度)的限制，因此，使用介质材料，有利于大面积、高精度的制备滤波器。