[发明专利]高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构

说明书

本发明属于光谱成像技术领域，具体涉及一种高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构。所述芯片结构采用RGBG对应滤波单元呈两行两列排列的拜耳阵列结构，在CMOS传感器对应像素上集成不同滤波器，由四个微型滤波单元构成一个周期，按照该结构进行周期排列，形成单谱段光谱成像芯片的结构。其中，在每个所述周期中，包含两个相同中心波长的FPI滤波单元以及高通滤波单元、低通滤波单元；本发明中像素级微小高通滤波及低通滤波单元作为单谱段光谱成像微系统芯片结构组成部分，相对于现有技术依赖不同滤波器，该发明结构的单谱段光谱成像微系统结构应用简单，且半导体集成微小滤波单元相对于分立滤波器而言，成本较低，制作工艺成熟。

技术领域

本发明属于光谱成像技术领域，具体涉及一种高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构。

背景技术

物质光谱是一种连续的电磁波谱，可以用于表征不同物质自身物理特性，对于不同的物质，其对不同谱段的电磁波存在吸收及反射差异，故其光谱存在差异。光谱测量是一种非接触式的物质实时鉴别方法，相对于传统气相色谱法、生物酶检测法等物质检测方法而言，具有响应快、不接触样本、精度较高等明显优势。故成为最具有潜力的物质检测方法之一。

光谱成像技术是一种物质三维信息获取方式，在传统光谱测量的基础上，可以同时获取物质二维空间信息，因此，在食品安全、环境监测、军事反伪及医疗探测等诸多领域具有广泛的应用前景。采用光谱成像技术，可以对目标物的图像信息中的每个像素点的光谱特性进行分析，从而对目标物进行分类识别。

传统的光谱成像系统结构复杂、体积质量大、设计成本及制造成本均较高，多为实验室中应用或星载遥感应用。为了克服传统光谱成像系统结构、体积及成本等因素对光谱成像技术应用推广的限制，人们开展了微小型光谱成像系统的研制，利用CMOS传感器兼容性，设计并制造出集成型光谱成像微系统结构。光谱成像微系统成像芯片由CMOS传感器及其对应像素位置集成的不同中心波长的法布里-珀罗滤波薄膜(Fabry-PerotInterferometer，简称FPI)构成，可针对不同应用需求谱段对FPI中心波长进行设计及制作。经光谱成像微系统采集的三维光谱数据可用于不同领域的目标物分类识别中。

随着光谱成像仪器性能的不断完善，光谱成像仪器可同时采集的光谱信息维度增多，光谱成像数据量增大，包含冗余信息增多，增加了不同应用场景下的基于光谱成像数据的分类识别方法研究的复杂度。由于光谱成像微系统的芯片式结构大大降低了传统光谱成像仪器的设计成本，故提出针对特定的应用场景，提出单谱段光谱成像芯片设计，使单谱段光谱成像微系统直接获取该应用下待测目标的特征谱段信息，并通过单特征谱段信息对待测物进行分类识别。

其中，基于不同中心波长FPI腔集成结构的光谱成像微系统成像方式，主要分为扫描成像及快照成像两种，其中，快照式成像速度较快，在无人机载探测及其他户外应用检测中具有明显优势。快照式光谱成像微系统的光谱成像芯片结构主要由CMOS传感器及对应CMOS像素的不同中心波长的FPI薄膜按一定顺序呈周期性排列集成而成，某16谱段光谱成像微系统芯片结构如图1所示。

在集成式光谱成像芯片制作过程中，由半导体制造缺陷及FPI固有特性引入一系列影响光谱准确度的因素，如图2所示的像素串扰，泄露及谐振及漂移等，影响光谱准确度。为降低光谱成像微系统硬件结构及固有特性引入因素对于光谱数据准确度影响，在现有应用过程中，需在系统前安装多个不同滤波片，滤除泄露及高阶漂移谐振影响，并采用校正算法对光谱数据进行校正。

因此，独立滤波片的引入不仅增加了系统应用的复杂度，同时一定程度上提高了系统采集的成本。