[实用新型]基于线列干涉薄膜的快照式光谱成像芯片结构及成像系统

说明书

本实用新型提供了一种基于线列干涉薄膜的快照式光谱成像芯片结构及成像系统，该光谱成像芯片结构包括图像传感器及其感光面上沿一维方向重复排列的多个周期结构，每个周期结构包括多个不同的线列干涉薄膜。本实用新型提供的快照式光谱成像芯片结构一次曝光获取目标场景光信息，冗余信息少，适用不同应用场景，加工简便、成本低。

技术领域

本实用新型属于光谱成像技术领域，具体涉及一种基于线列干涉薄膜的快照式光谱成像芯片结构及成像系统。

背景技术

光谱成像技术是一种依赖电磁波谱获取目标三维信息的非接触式探测方式，包括二维空间信息及一维光谱信息。光谱成像技术的实现依赖光谱成像系统获取光谱图像。光谱成像系统获取的光谱图像相对于传统RGB相机获取的RGB彩色图像，具有更多的通道数(＞3)，可获取到目标更多的电磁波谱信息。由于不同物体由不同的原子、分子构成，依据不同原子及其特殊结构对电磁波的反射特性，可以分辨目标物质类别。因此，采用光谱成像技术获取目标的光谱图像，即可根据空间及光谱信息对目标的大小、形状、类别进行有效区分。目前，光谱成像技术已在航空航天、食品安全、环境监测领域得到广泛应用。

随着CMOS图像传感技术的发展，基于半导体工艺将CMOS兼容的干涉分光薄膜直接集成在图像传感器表面，即可形成一体式光谱成像芯片。该种一体式光谱成像芯片具有极小的体积、重量、能耗以及低成本生产潜力。

采用先进的半导体工艺，将不同中心波长的分光薄膜结构集成在图像传感器上，即可形成不同通道的光谱成像芯片。按照不同结构光谱成像芯片的图像采集方式，可分为线扫式光谱成像芯片以及快照式光谱成像芯片。线扫式光谱成像芯片的光学滤波薄膜结构呈一维阶梯渐变式，不同阶梯的干涉薄膜叠加厚度不同，获取的光信息中心波长不同，如图1所示，通过线列扫描的方式进行光谱图像采集，即可获取多通道窄带光谱信息。快照式光谱成像芯片表面不同干涉滤光薄膜结构通常在二维方向上呈一定规律性排列，如图2所示，相对于线列扫描式光谱成像芯片需要通过机械扫描获取信息，快照式光谱成像芯片一次曝光可获得视野范围内全局图像信息及光谱信息，具有更高的图像采集效率，更广阔的应用潜力，但同时，也对半导体工艺加工能力提出了更高的要求。

一体式线扫型光谱成像芯片，采用先进半导体工艺，在图像传感器上直接集成递变厚度式干涉滤光薄膜，形成光谱成像芯片。不同厚度的干涉滤光薄膜具有不同的波长选择性，每种干涉滤光薄膜在递变厚度方向上不重复，因此，该种芯片感光面结构通常由几十乃至上百种不同厚度的干涉滤光薄膜构成，即可获得几十乃至上百个通道光谱信息。将线扫型光谱成像芯片结合成像镜头及驱动电机集成为线扫式光谱成像系统，通过电机驱动扫描获取目标信息，再经由图像拼接算法处理获得完整光谱图像。由线扫型光谱成像芯片获取的光谱图像维度较高，具备多通道光谱信息，可对目标光谱特性进行有效区分。

一体式线扫型光谱成像系统具备体积小、质量轻、能耗低、结构简单、设计成本低等优势，可以获取目标多通道光谱数据，用于目标智能识别分析。但线列扫描的成像方式耗时长，采集效率相对较低，数据采集平台的选择具有局限性，对于特殊的目标应用场景及无法搭载扫描电机的平台，该种光谱成像系统无法使用。除此之外，在一些已知特征光谱范围的场景应用中，上百种通道的光谱信息通常包含大量冗余信息，为光谱图像数据传输、存储、处理带来较大挑战。