一种光谱成像微型传感器制造技术

本发明专利技术属于光谱分析技术领域，具体涉及一种光谱成像微型传感器，该传感器是由微纳光学过滤分光器件的阵列结构与图像传感器接合或一体式单片集成加工形成的。与现有技术相比较，本发明专利技术基于法珀腔光谱过滤原理，提供一种法珀腔与CMOS图像传感器单片集成的光谱图像传感器结构，形成了具有特定的光谱过滤分光特性的微型光电图像传感器。本发明专利技术利用微型过滤分光器件阵列的核心结构设计实现对入射光平面上各点光束的光谱过滤和分光，并通过集成的光电传感器阵列读取各光谱的强度信息。该发明专利技术的核心器件以光电集成的结构设计实现了光谱分光特性的调制，减少了分立式的光学器件、无需机械驱动的调制设备、缩小了系统体积，降低了系统的能耗和成本。

【技术实现步骤摘要】
一种光谱成像微型传感器
本专利技术属于光谱分析
，具体涉及一种光谱成像微型传感器，其为一种将分光元件、光电转换和读出电路利用半导体工艺实现单片集成的单片式光谱成像微型传感器。
技术介绍
普通的RGB彩色图像上的每个像素点包含了用于识别色彩的数据信息。然而，高光谱图像虽然也包含了二维图像信息，但每个像素点上包含了一系列不同光谱波长的光强信息，即光谱信息。因此高光谱图像是二维空间图像信息与一维光谱信息构成的“数据立方体”，通过分析处理二维图像上各像素点上的光谱信息来识别相对应成像区域内的物质材料、材质和组份等理化信息，还可以通过图像的空间信息快速地、直观地识别相关位置和范围，因此该项技术具有图谱合一的特性，在食品科学、生物技术、农业科学和遥感技术等方面取得了广泛的应用。为了获取高光谱图像的，相比于普通的成像系统，需要引入额外的光谱调制器件(例如，分光或色散功能的棱镜、光栅、可调光谱过滤器或光谱滤波片转盘等)，传统的高光谱成像系统一般采用棱镜作为光谱分光器件(dispersive)，或采用液晶光学滤波(LCTF)、声光调制滤波器(AOTF)等可调制光谱滤波器件(tunableopticalfilter)。但是这些分立式的光学器件本身占有一定的空间体积，且需要与其他光学元器件之间的相互聚焦和准直，造成高光谱成像系统的体积大、结构复杂、维护成本高、集成化程度低的限制因素。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是：如何提供一种光谱成像微型传感器。(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供一种光谱成像微型传感器，所述传感器的每一个像素都由上反射层、通光层、下反射层和像素感光部位构成，整个传感器由保护玻璃进行光学保护；所述上反射层采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，形成布拉格反射镜，具有反光效果，上反射层的物质交叠次数在3次到15次之间，一层高折射率物质配合一层低折射率物质定义为一次交叠，上反射层位于芯片保护玻璃之下，通光层之上；所述下反射层具有和上反射层相同的结构和材料，位置在通光层与像素之间；所述上反射层，下反射层和通光层构成了典型的法珀腔，其下反射层下面是CMOS传感器的单个像素的像素感光部位。其中，所述下反射层和像素感光部位采用一体化制备方法，没有空隙，像素感光部位后是完整的电学读出电路。其中，所述传感器采用半导体工艺进行一次成型，其上反射层，通光层，下反射层和像素感光部位均采用半导体工艺相兼容的材料，且纵向严格对齐整，没有后期贴合的部分。其中，所述传感器是面阵传感器，每个像素点所对应的感光波长由法珀腔体结构决定，所述传感器每一列采用同样高度的法珀腔，根据实际应用，不同列的法珀腔体高度可相同或者不同，因此可以在传感器层面进行不同的布局来达到不同成像体制的目的。(三)有益效果本专利技术综合利用微纳加工工艺、集成式微型光学过滤分光器件、快照式光谱成像技术等，专利技术了一种可以应用于快照式和扫描式光谱成像或者小型化光谱分析系统的高光谱图像传感器。该传感器是一种微纳光学过滤分光器件的阵列结构与图像传感器接合或一体式单片集成加工形成的。相较于现有技术，本专利技术具有以下特点：(1)本专利技术传感器的核心元件为一个微型过滤分光器件的阵列结构，该阵列结构的每个重复单元为光学过滤分光器件的微纳结构，经特殊设计后该微纳结构上下表面各包含一层光学反射层，由不同反射率物质按照周期交叉形成，通光层由单一物质构成。因此，上反射层、通光层、下反射层以从上至下的顺序形成“三明治”结构。(2)本专利技术中的微型过滤分光器件阵列的各重复单元可同时对各入射光束实现光谱分离的分光功能和光谱谱带的过滤功能，从而可用于目标成像区域上各点光束的同步分光。当成像区域的入射光束经前置光学元器件调制后以平行光入射至微型分光过滤器件阵列，各微型过滤分光单元分别对目标成像区域上各点的光谱分光，再通过集成的光电传感器阵列同时读取各单元过滤光谱的光强，从而一次性获取具有一定光谱范围和分辨率的高光谱图像数据。(3)本专利技术作为图像传感器，可以应用在扫描、快照式光谱成像以及光谱分析系统。由于光谱图像是三维的数据立方体，一般来说利用二维的图像传感器形成三维的数据需要经过扫描，利用在方形或者马赛克形式的结构可以形成快照式光谱传感器。在不需要成像的应用中，也可以直接作为光谱分析仪器。与现有技术相比较，本专利技术基于法珀腔光谱过滤原理，提供一种法珀腔与CMOS图像传感器单片集成的光谱图像传感器结构，形成了具有特定的光谱过滤分光特性的微型光电图像传感器。本专利技术利用微型过滤分光器件阵列的的核心结构设计实现对入射光平面上各点光束的光谱过滤和分光，并通过集成的光电传感器阵列读取各光谱的强度信息。该专利技术的核心器件以光电集成的结构设计实现了光谱分光特性的调制，减少了分立式的光学器件、无需机械驱动的调制设备、缩小了系统体积，降低了系统的能耗和成本。附图说明图1为本专利技术技术方案中FP腔滤波原理示意图。图2为本专利技术光谱图像传感器上的每个像素结构示意图。图3为本专利技术光谱图像传感器布局图。图4为光谱成像微系统架构的简化示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。为解决现有技术的问题，本专利技术提供一种光谱成像微型传感器，如图2所示，所述传感器的每一个像素都由上反射层、通光层、下反射层和像素感光部位构成，整个传感器由保护玻璃进行光学保护；所述上反射层采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，形成布拉格反射镜(Bragg镜)，具有反光效果，上反射层的物质交叠次数在3次到15次之间，一层高折射率物质配合一层低折射率物质定义为一次交叠，上反射层位于芯片保护玻璃之下，通光层之上；所述下反射层具有和上反射层相同的结构和材料，位置在通光层与像素之间；所述上反射层，下反射层和通光层构成了典型的法珀腔，其下反射层下面是CMOS传感器的单个像素的像素感光部位。其中，所述下反射层和像素感光部位采用一体化制备方法，没有空隙，像素感光部位后是完整的电学读出电路，包括AD转换。其中，所述传感器采用半导体工艺进行一次成型，其上反射层，通光层，下反射层和像素感光部位均采用半导体工艺相兼容的材料，且纵向严格对齐整，没有后期贴合的部分。其中，所述传感器是面阵传感器，每个像素点所对应的感光波长由法珀腔体结构决定，所述传感器每一列采用同样高度的法珀腔，根据实际应用，不同列的法珀腔体高度可相同或者不同，因此可以在传感器层面进行不同的布局来达到不同成像体制的目的。具体而言，本专利技术的核心结构是基于法珀腔光谱过滤(FabryPerotFilter)的原理。理想型的法珀腔过滤器是基于两个互相平行的反射镜，当光谱的波长与其在两反射镜间行进的距离成整数倍关系时，该光谱波长可以从反射镜透射至另一端，从而被过滤；而不满足这一条件的光谱波长则会因多次反射波间相位抵消而不会被过滤，如图1所示。如图2所示，该专利技术是一款高光谱图像传感器，传感器的每一个像素都由上反射层，通光层，下反射层和像素感光部分构成，整个传感器由保护玻璃进行光学保护。上反射层采用高反射率和低反射率物质交替制备，形成Bragg镜，具有反光效果，上反射层的物质交叠次数在3次到15次之间(一个高折射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光谱成像微型传感器，其特征在于，所述传感器的每一个像素都由上反射层、通光层、下反射层和像素感光部位构成，整个传感器由保护玻璃进行光学保护；所述上反射层采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，形成布拉格反射镜，具有反光效果，上反射层的物质交叠次数在3次到15次之间，一层高折射率物质配合一层低折射率物质定义为一次交叠，上反射层位于芯片保护玻璃之下，通光层之上；所述下反射层具有和上反射层相同的结构和材料，位置在通光层与像素之间；所述上反射层，下反射层和通光层构成了典型的法珀腔，其下反射层下面是CMOS传感器的单个像素的像素感光部位。

【技术特征摘要】
1.一种光谱成像微型传感器，其特征在于，所述传感器的每一个像素都由上反射层、通光层、下反射层和像素感光部位构成，整个传感器由保护玻璃进行光学保护；所述上反射层采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，形成布拉格反射镜，具有反光效果，上反射层的物质交叠次数在3次到15次之间，一层高折射率物质配合一层低折射率物质定义为一次交叠，上反射层位于芯片保护玻璃之下，通光层之上；所述下反射层具有和上反射层相同的结构和材料，位置在通光层与像素之间；所述上反射层，下反射层和通光层构成了典型的法珀腔，其下反射层下面是CMOS传感器的单个像素的像素感光部位。2.如权利要求1所述的光谱成像微型传...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘舒扬，周涛，贾晓东，
申请(专利权)人：天津津航技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12