高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构制造技术

本发明专利技术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；本发明专利技术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，该发明专利技术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。

High low pass distributed single segment integrated spectral imaging chip structure

【技术实现步骤摘要】
高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构
本专利技术属于光谱成像
，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。
技术介绍
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。此外，由于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，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。并且，颜色为人对物体客观属性的主观感受，由人眼视网膜上锥体细胞接收光谱信息，并对光谱信息进行提取，由视觉神经传递回大脑，从而对物质颜色进行感知。为对颜色信息进行记录、传输，伊士曼·柯达公司科学家BryceBayer提出拜耳阵列结构作为传感器系统，在CCD或CMOS图像传感器对应像素上采用单个颜色微小滤镜结构，由于人眼对绿色最为敏感，故在每个RGB周期中，增加G谱段的微小滤镜结构，使得微小滤镜结构由RGBG四种三原色按周期性排列构成，从而形成基于单个颜色微小滤镜的影响传感器，将响应转化为数字信号记录下来。尽管，拜耳阵列结构的提出使得颜色信息得以转化为数字信号进行记录传输，被广泛应用于RGB成像中。但在不同的光源条件下，同色异谱现象的出现使得RGB成像所传递的图像信息不能真实的反应物质实际的三谱段光谱特性，对于三原色外的可以反映物质特征的谱段信息也难以获取。因此，传统的RGB成像方式难以满足物质检测领域的光谱探测需求。
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：如何提供一种高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构。(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供一种高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构，所述高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构采用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；其中，所述两个相同中心波长的FPI滤波单元分布在两行两列的拜耳阵列结构的对角位置；所述高通滤波单元、低通滤波单元处于另外的对角位置。其中，所述高通滤波单元及低通滤波单元的截止频率分别对应FPI滤波单元的自由谱区范围波长上下边界。其中，所述高通滤波单元及低通滤波单元的截止波长据FPI滤波单元中心波长位置及其自由光谱范围而定。(三)有益效果与现有技术相比较，本专利技术主要为高低通分布式单谱段集成型光谱芯片的类拜耳阵列式结构设计，技术关键点在于采用类拜耳阵列式的高通低通分布式结构与单谱段FPI薄膜构成的微小滤镜单元集成在CMOS传感器对应像素上，形成具有校正所需光源特征信息的单谱段光谱成像传感器。其关键技术点为：该种类拜耳阵列的高低通分布式集成型光谱成像传感器的结构设计，以及通过芯片结构设计集成高低通滤波片以获取底层校正所需光谱信息的一体化光谱成像系统数据问题解决方法。本专利技术具备如下有益效果：本专利技术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，可用于获取单谱段光谱信息采集条件下的不同光谱区域光源信息，进行单谱段光谱数据校正。相对于现有技术依赖不同滤波器，该专利技术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，故该种新型结构的应用将为基于单谱段光谱成像微系统的光谱数据监测提供一种低成本、易操作的光谱数据采集方式。附图说明图1为现有FPI集成型光谱成像微系统芯片结构。图2为光谱成像微系统硬件结构及固有特性对谱线影响示意图。图3为单谱段光谱成像微系统响应谱线示意图。图4为RGB成像拜耳阵列结构示意图。图5(a)至图5(c)为单谱段光谱成像微系统类拜耳阵列结构设计示意图。其中，图5(a)为类拜耳阵列结构示意图。图5(b)滤波片2响应示意图。图5(c)滤波片3响应示意图。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。对于面向特定应用领域的单谱段光谱成像微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构，其特征在于，所述高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构采用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。/n

【技术特征摘要】
1.一种高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构，其特征在于，所述高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构采用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。


2.如权利要求1所述的高低通分布式单谱段集成型光谱成像芯片结构，其特征在于，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；其中，
所述两个相同...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘舒扬，赵安娜，吕津玮，张晨，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