[发明专利]一种窗口集成式光谱/偏振成像系统

说明书

本发明公开了一种窗口集成式光谱/偏振成像系统，属于新型光电功能器件及应用领域。系统主要包括成像物镜1、多通道微纳滤波芯片2及图像传感器7。根据实际成像需求，设计具有特定滤波性能及偏振特性的多通道微纳滤波芯片，采用相邻滤波通道对角排布的组合方式，通过滤波芯片与图像传感器的无缝贴合及像素匹配，实现光谱/偏振成像系统的微型化和集成化。单片式多通道微纳滤波芯片性能可定制化、窗口可集成化的特点大幅降低了光谱/偏振成像系统的微小型化难度及技术门槛。窗口集成式光谱/偏振成像系统在快速获取目标的光谱维及状态信息、提高系统性能稳定性、降低研发成本等方面具有诸多优势，为新型成像系统的研制提供了技术支撑。

所属技术领域

本发明属于新型光电功能器件及应用领域，主要涉及半导体制造技术、亚波长光学技术、光电器件集成技术以及光谱/偏振成像技术等。

现有技术

在有限的载荷空间下提高成像系统的空间分辨率、获取更多的目标信息是光谱/偏振成像系统永恒的发展方向。随着成像目标属性及其周边环境的日趋复杂，研制高分辨率、微型化、多体制的光谱/偏振成像系统迫在眉睫。在现有的多光谱成像/偏振系统中，主要采用将滤波轮固定在镜头前端或者镜头和焦平面之间，通过滤波轮转动获取成像目标在不同谱段、不同偏振态下的光谱信息。由于滤波轮的工作方式以及体积、重量等因素的限制，整个系统集成度偏低、体积大、难以适应实时和高频速的成像需求。

随着微加工工艺及焦平面探测技术的不断发展，基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical system,MEMS)技术的快照式多光谱滤波芯片取得了快速进展。多光谱滤波芯片同探测器的一体集成可以实现不同波段的窄带调谐及瞬时宽带成像。早在2004年，美国DARPA就启动了“自适应焦平面阵列”的研制，旨在开发出可以自主滤波的焦平面探测器，实现自适应光谱选择。2005年，美国洛克威尔科技公司研制了中长波红外双波段自适应焦平面阵列(Proc.SPIE,2005,5783:366-376.)，将MEMS可调谐滤波阵列同焦平面耦联，实现了长波红外波段(8-10.7μm)窄带调谐，中波红外波段(3-5μm)瞬时成像，滤波芯片的单元大小与焦平面像元尺寸一致。2009年特丹利科学成像公司基于此双波段焦平面阵列研制了长波红外光谱成像微系统(Proc.SPIE,2009,7298:729821.)，每个滤波单元覆盖一个10×10的焦平面像元子阵列，光谱调制范围在8-11μm之间。尽管这种可调滤波阵列能够实现像素级的光谱调制，但是滤波带宽较窄导致系统的探测灵敏度偏低，并且整个制备流程对工艺条件要求极高，加工成本也随之上升；此外，可调谐滤波阵列的抗震抗冲击性能较差，限制了其在众多领域的应用。

比利时微电子研究中心是较早开展多光谱微纳滤波芯片研究的机构之一，至2015年，研制的三款可见光至近红外波段的多光谱滤波芯片已实现了商业级的工程应用(Proc.SPIE,2015.9374:937414)。多光谱滤波芯片基于多层薄膜干涉滤波的机理，制备工艺与CMOS工艺相兼容，可以直接在图像传感器工艺基础上完成滤波芯片的制备，但是需要进行多层薄膜沉积及多次套刻，工艺步骤繁多易引入大量的误差。因此，本专利针对可定制化固定结构的单片式滤波芯片，发明了一种窗口集成式光谱/偏振成像系统。

发明内容

发明目的

针对目前MEMS可调谐滤波芯片抗震抗冲击性能差、加工工艺复杂、波长可调制范围受限；而基于像素级滤波探测阵列的成像系统制备成本高、研发周期长等技术缺陷，发明了一种窗口集成式光谱/偏振成像系统。选用固定结构的单片式滤波芯片，滤波范围涵盖所有可成像波段。根据实际成像需求，进行滤波芯片通道数目、通道尺寸、透射中心波长及带宽、偏振特性的定制，通过滤波芯片同图像传感器的无缝贴合及像素匹配，实现光谱/偏振成像系统的微型化及集成化。此成像系统在快速获取目标的光谱维及状态信息、提高系统性能稳定性、缩短研发周期、降低研发成本等方面具有诸多优势。

技术方案