宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构制造技术

本发明专利技术提供一种宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构，该多光谱成像芯片结构包括像素感光单元和分光单元，所述像素感光单元沿其中一个像素方向a依次划分为多个像素区域，另一个像素方向b不做区分；所述分光单元包括多个分光结构，多个分光结构分别一一对应一体式沉积生长在多个像素区域上，所述分光结构用于实现窄带滤波，多个分光结构分别覆盖不同的光谱范围。本发明专利技术方案突破了由于材料折射率差对自由光谱范围的限制，展宽了单片式图像传感器的窄带滤波的自由光谱范围。窄带滤波的自由光谱范围。窄带滤波的自由光谱范围。

【技术实现步骤摘要】
宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构


[0001]本专利技术涉及光谱分析
，涉及一种宽自由光谱范围的多光谱成像芯 片结构，尤其涉及一种将分光薄膜、光电探测和读出电路利用与CMOS兼容的 半导体工艺实现集成的单片式宽自由谱宽范围的多光谱成像微型芯片结构。

技术介绍

[0002]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，普通的RGB彩色图像的感光三谱段的范围太宽，导致许多光谱信息相近的 目标无法被识别区分。为了实现光谱信息相近的目标的区分，需要对RGB三个 宽谱段进行窄带滤波，完成目标特征谱段的滤出，实现目标的区分。由于各种 待识别目标的特征谱段不同，需要在不同的像素点上实现不同波长的窄带滤波。
[0003]递变腔体式法布里
‑
珀罗(FP)光谱滤波器可集成在CMOS图像传感器上， 实现成像传感器的一体化，递变腔体式FP滤波器制作材料是与CMOS传感器 相兼容的半导体材料。递变腔体式FP滤波器的光腔包括通光层，上反射镜和下 反射镜。由半导体材料制成(SI3N4和SIO2)的布拉格镜，通过交叠生长制备， 反射率高达99％以上，可用作FP腔体反射镜。
[0004]FP滤波器的三个关键参数分别为其自由光谱范围(FSR)、腔体精细度以 及腔体滤波器带宽，三个参数全部依赖于有效光腔长度以及腔镜的有效反射率。
[0005]在FP滤波器中，最大传输的波长周期性出现，并且相邻极大值之间的间隔 (模间隔)称为自由光谱范围，符号Δλ
FSR
表示。对于设计波长λ，FP滤波器 的FSR由通光层的有效光程Leff确定，其表示为：
[0006][0007]FP滤波器的精细度由FP腔的有效反射率reff确定：
[0008][0009]有效反射率则通过FP腔的上反射镜和下反射镜的反射率来确定。
[0010]FP滤波器的带宽δλ
FP
则是自由光谱范围(FSR)和精细度的比值，并且由下式给 出：
[0011][0012]可以看出，实现窄带滤波器带宽的要求较高的FP腔反射镜的反射率。可以 通过改变滤波腔长度，来将FP腔滤波器的滤波中心波长至选定的波长。FP滤波 器的中心波长可变范围Δλ由下式给出：
[0013][0014]其中ΔL为FP腔的腔长变化。为了覆盖更多的待识别目标的特征谱段，滤 波器的中心波长变化范围要达到100nm及以上。
[0015]通过递变腔体结构改变FP腔的腔长实现滤波器的中线波长的变化，但是由 于兼容CMOS工艺的半导体材料的限制，自由光谱范围不超过350nm，无法满足 一种结构设计覆盖可见光谱段(490～1000nm)，此外，对于硅基探测器响应光谱 范围在400nm以上(500～900nm)，自由光谱范围外的漏光会严重影响范围多光 谱成像微型传感器的性能，因此提高自由光谱范围、抑制自由光谱范围外的泄 露光谱是多光谱成像微型传感器的难点。

技术实现思路

[0016]本专利技术旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
[0017]为此，本专利技术提供了一种宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构。
[0018]本专利技术的技术解决方案如下：本专利技术提供一种宽自由光谱范围的多光谱成 像芯片结构，该多光谱成像芯片结构包括：
[0019]像素感光单元，所述像素感光单元沿其中一个像素方向a依次划分为多个 像素区域，另一个像素方向b不做区分；
[0020]分光单元，所述分光单元包括多个分光结构，多个分光结构分别一一对应 一体式沉积生长在多个像素区域上，所述分光结构用于实现窄带滤波，多个分 光结构分别覆盖不同的光谱范围。
[0021]进一步地，沿像素方向a，多个分光结构覆盖的光谱范围从短波向长波过渡。
[0022]进一步地，所述分光结构采用线扫式FP滤波结构，包括多个FP腔，任意 分光结构的多个FP腔的高度沿像素方向a递变。
[0023]进一步地，所述分光单元沿像素方向a依次包括第一分光结构和第二分光 结构，所述分光单元能够实现490nm～1000nm光谱范围的窄带滤波。
[0024]进一步地，所述第一分光结构覆盖的光谱范围为490nm～620nm，所述第二 分光结构覆盖的光谱范围为650nm～1000nm。
[0025]进一步地，所述第一分光结构的任一FP腔包括上反射镜、下反射镜和通光 层，所述下反射镜下面是像素感光单元单个像素的像素感光部位；上反射镜采 用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，下反射镜和所述上反射镜 结构相同，所述通光层由低反射率物质沉积生长而成，其中，所述高反射率物 质包括SI3N4，所述低反射率物质包括SIO2。
[0026]进一步地，所述第二分光结构的任一FP腔包括上反射镜、下反射镜和通光 层，所述下反射镜下面是像素感光单元单个像素的像素感光部位；上反射镜采 用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，下反射镜和所述上反射镜 结构相同，所述通光层由低反射率物质沉积生长而成，其中，所述高反射率物 质包括α
‑
SI，所述低反射率物质包括SIO2。
[0027]进一步地，所述分光结构沿像素方向a依次包括至少三个分光结构，所述 至少三个分光结构能够共同实现490nm～1000nm光谱范围的窄带滤波。
[0028]进一步地，所述分光结构沿像素方向a依次包括第三分光结构、第四分光 结构和第五分光结构，其中，第三分光结构覆盖的光谱范围为490nm～620nm； 第四分光结构覆盖
的光谱范围为640～800nm；第五分光结构覆盖的光谱范围为 800～1000nm。
[0029]进一步地，至少三个分光结构中，任一分光结构的任一FP腔包括上反射镜、 下反射镜和通光层，所述下反射镜下面是像素感光单元单个像素的像素感光部 位；上反射镜采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，下反射镜 和所述上反射镜结构相同，所述通光层由低反射率物质沉积生长而成，其中， 所述高反射率物质包括SI3N4，所述低反射率物质包括SIO2。
[0030]进一步地，所述多光谱成像芯片结构还包括截止滤波膜，所述截止滤波膜 一体式沉积生长在所述分光单元上，所述截止滤波膜用于截止干扰波段。
[0031]进一步地，所述多光谱成像芯片结构还包括一个截止滤波膜或至少两个截 止滤波膜，截止滤波膜的堆叠结构为α
·
堆叠结构单元，α为堆叠结构系数，其 中，当包括至少两个截止滤波时，至少两个截止滤波膜交替排列一体式沉积生 长在所述分光单元上，至少两个截止滤波膜的堆叠结构系数均不同。
[0032]进一步地，任意所述截止滤波膜的堆叠结构系数通过下述方式获取：
[0033]获取所述截止滤波膜对应的待截止谱段的中心波长；
[0034]根据所述待截止谱段的中心波长和分光单元的中心波长确定所述截止滤波 膜的堆叠结构系数。
[0035]进一步地，通过下式获取所述截止滤波膜对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构，其特征在于，所述多光谱成像芯片结构包括：像素感光单元，所述像素感光单元沿其中一个像素方向a依次划分为多个像素区域，另一个像素方向b不做区分；分光单元，所述分光单元包括多个分光结构，多个分光结构分别一一对应一体式沉积生长在多个像素区域上，所述分光结构用于实现窄带滤波，多个分光结构分别覆盖不同的光谱范围。2.根据权利要求1所述的一种宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构，其特征在于，沿像素方向a，多个分光结构覆盖的光谱范围从短波向长波过渡。3.根据权利要求2所述的一种宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构，其特征在于，所述分光结构采用线扫式FP滤波结构，包括多个FP腔，任意分光结构的多个FP腔的高度沿像素方向a递变。4.根据权利要求3所述的一种宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构，其特征在于，所述分光单元沿像素方向a依次包括第一分光结构和第二分光结构，所述分光单元能够实现490nm～1000nm光谱范围的窄带滤波。5.根据权利要求4所述的一种宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构，其特征在于，所述第一分光结构覆盖的光谱范围为490nm～620nm，所述第二分光结构覆盖的光谱范围为650nm～1000nm。6.根据权利要求5所述的一种宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构，其特征在于，所述第一分光结构的任一FP腔包括上反射镜、下反射镜和通光层，所述下反射镜下面是像素感光单元单个像素的像素感光部位；上反射镜采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，下反射镜和所述上反射镜结构相同，所述通光层由低反射率物质沉积生长而成，其中，所述高反射率物质包括SI3N4，所述低反射率物质包括SIO2。7.根据权利要求5或6所述的一种宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构，其特征在于，所述第二分光结构的任一FP腔包括上反射镜、下反射镜和通光层，所述下反射镜下面是像素感光单元单个像素的像素感光部位；上反射镜采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替制备，下反射镜和所述上反射镜结构相同，所述通光层由低反射率物质沉积生长而成，其中，所述高反射率物质包括α
‑
SI，所述低反射率物质包括SIO2。8.根据权利要求3所述的一种宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构，其特征在于，所述分光结构沿像素方向a依次包括至少三个分光结构，所述分光单元能够实现490nm～1000nm光谱范围的窄带滤波。9.根据权利要求8所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王天鹤，刘舒扬，张晨，赵安娜，张云昊，周志远，潘建旋，姜洪妍，王才喜，
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：