[发明专利]兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片及其制备方法

权利要求书

1.兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片，包括光电转换基底、设置在光电转换基底上面的滤光薄膜；其中，所述光电转换基底，用于将光信号转化为电信号并以数字信号或者编码输出；所述滤光薄膜，用于将入射光光谱进行区分；其特征在于，所述滤光薄膜为单层结构，其是由已知且透光率不同的N种材料通过逐一涂覆、刻蚀后拼接而成，滤光薄膜包括N个周期，每个周期包括T₁、T₂......T_n个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的M个像素，其中M大于等于1，所有单元构成周期性结构，覆盖光电转换基底上的所有像素，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率，实现光谱分光；另外，与每个像素对应的滤光薄膜的光谱透过率均为已知的，通过该光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，结合所有像素的组合，进而反演出图像信息，实现高精度的成像功能。

2.根据权利要求1所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片，其特征在于：在所述滤光薄膜上设置有微透镜阵列，所述微透镜阵列上的每个微透镜与光电转换基底的光电转换基底像素一一对应，用于将入射光光束进行汇聚。

3.根据权利要求1所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片，其特征在于，所述光电转换基底为硅基图像传感器，具体为CMOS图像传感器或CCD图像传感器。

4.权利要求1所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S1、根据使用场景情况，选择合适的光电转换基底；

步骤S2、选择N种光谱透过率不同的滤光薄膜材料，先在光电转换基底上涂覆第一种滤光薄膜材料，再涂覆一层刻蚀层，根据与光电转换基底像素的对应关系，将需要的地方保留，将不需要的地方刻蚀掉；之后涂覆第二种滤光薄膜材料，再涂覆一层刻蚀层，根据与光电转换基底像素的对应关系，将需要的地方保留，将不需要的地方刻蚀掉；依次循环，直至将N种滤光薄膜材料全部涂覆到光电转换基底上，上述N种滤光薄膜材料经过逐一的涂覆和刻蚀后，最后形成一层完整的具有N个周期性的滤光薄膜，每个周期包括T₁、T₂......T_n个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的M个像素，M大于等于1，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率。

5.权利要求4所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，其特征在于，在所述滤光薄膜上还加工有微透镜阵列，制备微透镜阵列时，首先在滤光薄膜上面涂覆一层用于制备微透镜阵列的透明光刻胶，然后采用激光直写或者掩膜光刻的方法刻蚀不需要的部分，保留下来的部分便构成了微透镜阵列，微透镜阵列上的每个微透镜与光电转换基底的光电转换基底像素一一对应。

6.权利要求4所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，其特征在于，步骤S2进行涂覆时，涂覆方法为标准的喷涂或者旋涂方法。

7.权利要求4所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，其特征在于，步骤S2进行刻蚀时，采用激光直写刻蚀方法、掩膜光刻刻蚀方法、离子束刻蚀方法或电子束刻蚀方法。

8.权利要求4所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，其特征在于，步骤S2采用掩膜光刻刻蚀时，在每种滤光薄膜材料上均涂覆一层光刻胶；之后经过曝光、显影、烘干、刻蚀、后烘干标准光刻工艺完成刻蚀。

9.权利要求4所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的制备方法，其特征在于，所述滤光薄膜材料为聚酰亚胺类材料。

10.权利要求2所述的兼具光谱和成像功能的成像光谱芯片的使用方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S1、入射光照射到成像光谱芯片表面后，微透镜阵列汇聚入射光，阵列中的每个微透镜将入射光的光束直径缩小，汇聚到下面对应的滤光薄膜和像素的光敏区；

步骤S2、经过微透镜阵列汇聚的入射光束穿过中间层的滤光薄膜，在穿过的过程中，被滤光薄膜的光谱透过率影响，其透射光谱线型发生变化，每个单元中不同像素上的滤光薄膜透射特性不同，组合起来可以复原出入射光的光谱线型，实现光谱功能；不同单元按照周期排列，覆盖所有像素，实现对所有入射信号进行滤光；

步骤S3、经过滤光薄膜的光信号进入底层的光电转换基底，光电转换基底将入射光信号转换为电信号，并经过放大及模数转换后转为数字信号或者编码输出；

步骤S4：图像和光谱反演：对于步骤S3输出的信号，根据每个像素上的光谱对应已知的光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，修正方法为该像素上的光信号强度值除以该像素上的光谱透过率值；结合所有像素的组合，即可反演出图像信息，实现高精度的成像功能；同时由于该像素上的光谱透过率已知，在由N个像素组成的周期性结构中，根据光谱透过率曲线，N个像素组合，反演计算出N个像素的入射光谱值，计算方法如公式(1)所示，

S_i＝∫I(λ)T_i(λ)η(λ)dλ， (1)

其中，S为探测器上的输出光信号强度值，I为入射光谱，是待求解信号，T为滤光薄膜的光谱透过率，η为探测器的量子效率，λ为入射波长。