[发明专利]宽光谱编码全彩色滤光片阵列

说明书

本发明公开了一种宽光谱编码全彩色滤光片阵列。在滤光片阵列的最小重复单元中，每个滤光片的光谱响应均为优化设计所得。相比于使用传统彩色滤光片阵列的图像探测器，使用宽光谱编码全彩色滤光片阵列的器件具有更高的进光量、更强的光谱信息采集能力和较好的色彩准确度。配合光谱重构算法，本发明可以将彩色图像探测器改进为光谱图像探测器，同时不损失成像的空间分辨率；还可以大大提高现有图像探测器的抗噪声性能以及成像质量。

技术领域

本发明属于光学成像、光电检测以及光电器件领域。本发明可以广泛应用于现在的各种图像探测器，如手机摄像模组、光谱成像器件等。

背景技术

随着集成图像探测器制造工艺的发展，CCD、CMOS图像探测器的像素尺寸得以不断减小，以实现更高的成像分辨率和更小的器件体积。然而小像素必然使得单个像素的进光量减小，从而降低成像的信噪比。而人们对彩色成像的需求导致集成图像探测器必须具有颜色的分辨能力，最常见的方案是向图像探测器前添加一层拜耳滤光片阵列，这使得单个像素的进光量又大大减小(减小了约2/3)。

随着拜耳滤光片阵列(RGGB排列)的缺点不断凸显，诞生了许多新的滤光片排列方案，如RYYB、RGBW等。这些方案虽然在一定程度上弥补了拜耳滤光片阵列进光量少的缺陷，但是提高依然有限，为了保留颜色的分辨能力而不得不保留了拜耳滤光片阵列原有的窄带光谱响应形式。

另外，由于这些方案本质上依然采用的是少量的窄带滤光片，其光谱解析力与拜耳滤光片阵列相比并无明显提高。而随着光谱成像技术在医疗、美容、食品安全等方面的广泛应用，人们开始逐渐关注小型光谱成像设备在生活中的使用。若能够提高普通成像设备(如手机摄像模组)的光谱分辨能力，那么便携式成像设备必将焕发出新的活力，小型光谱成像设备具有广阔的市场前景。

近年来，计算成像技术的发展使得光学成像有了新的实现方式，进而诞生了许多新型计算光谱成像技术。通过引入人工智能算法，可以使以往经验主导的滤光片设计转变为算法优化设计，而且可以更加准确地实现光谱重构与颜色信息还原。同时随着材料科学和光学薄膜技术的发展，诞生了各种新型的光谱调制器件，光谱调制的精细度和可控度也越来越高。这使得使用基于宽光谱调制器件的光谱成像成为可能，且成本大大降低。

发明内容

本发明提供了一种宽光谱编码全彩色滤光片阵列。物体发出(或反射)的光由宽光谱编码滤光片调制后入射到图像探测器上，得到原始强度值，再经过光谱重构算法或颜色重构算法解算出物体的光谱图像或者彩色图像。本发明将滤光片阵列的进光量和光谱或颜色的重构精度同时作为优化目标，不仅能实现光谱信息和全彩色信息的获取，还能大大提高图像探测器中单个像素的进光量，从而提高彩色图像探测器的信噪比。

本发明的具体技术方案如下：一种宽光谱编码全彩色滤光片阵列，包括：

在滤光片阵列的最小重复单元中，每个滤光片的光谱响应均为优化设计所得，所述优化设计方法包括以下步骤：

(1)设滤光片阵列的最小重复单元中有M个滤光片，第i个滤光片的光谱透过率曲线为S_i(λ)，其中i＝1,2,…,M。

(2)滤光片阵列放置于图像探测器前，设图像探测器中每个像素的光谱响应为D(λ)，确定有效光谱范围为λ_min至λ_max，则第i个滤光片对应的进光量

(3)设目标物体光谱曲线为T(λ)，则位于第i个滤光片下的像素所探测到的强度值使用光谱重构算法(例如神经网络)，可以将最小重复单元中所有像素探测到的强度值{I₁,I₂,...,I_M}重构出光谱响应曲线这一过程记为

式中，表示所使用的光谱重构算法。