一种滤波器件、视频光谱成像系统及其制备方法

技术领域

本发明属于一种成像系统，具体涉及一种滤波器件、视频光谱成像系统及其制备方法。

背景技术

普通的彩色成像技术中，每个像素点均包括了红绿蓝三个谱段的信息，从而可以识别并还原目标的色彩信息，并进一步组建目标的形状信息。多光谱成像技术在普通的彩色成像技术之上，包含了更多人眼无法观察到的信息。在高光谱成像技术中，同时对纵向的一维光谱信息和横向的二维空间图像信息进行收集，并组建数据立方，不仅可以通过分析各个像素点上的光谱信息来识别对应位置目标物体的材料及组份等特性，还可以根据成像的图像空间信息来快速地、实时地、直观地识别其位置及移动路径，图谱合一的特性使其在分析上具有更深更广的优势，在遥感技术、农业科学、生物技术、太空探索、食品安全等方面取得了广泛应用。

相比于普通的彩色成像系统，多光谱成像系统需要具有工作能力更强的光谱调制器件，从而增加收集光谱信息的通道。传统的光谱仪和光谱成像系统一般采用棱镜、光栅、干涉仪或滤波片转台作为分光器件。但是，这些分光器件受工作原理和器件尺寸的限制，本身会具有较大的空间体积，而分光器件与物镜系统和接收系统之间的组装，也会进一步使光谱成像系统的体积增大、结构更加复杂、集成度降低。随着现代微电子技术的发展，各种常用器件的尺寸都在不断缩小，未来小型化和片上集成化的光谱成像系统也将成为光谱成像技术发展的主流之一，很显然，现有的分光器件、分光器件与物镜系统和接收系统之间的组装，都无法满足光谱成像系统未来的发展。

发明内容

本发明为解决传统光谱仪和光谱成像系统中的分光器件自身空间体积大，与物镜系统和接收系统之间的组装，会进一步使光谱成像系统的体积增大、结构复杂化、集成度降低的技术问题，提供一种滤波器件、视频光谱成像系统及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种滤波器件，其特殊之处在于，包括多个滤波结构，所述滤波结构包括由上至下依次贴合设置的上反射镜、谐振腔和下反射镜；

所述上反射镜和下反射镜均为布拉格反射镜，且上反射镜和下反射镜的结构关于谐振腔镜像对称；所述谐振腔内填充有N组光子晶体结构，N为大于1的整数，每组光子晶体结构对应形成一个光谱通道，各组光子晶体结构在谐振腔内的填充率不同；

所述谐振腔内光子晶体结构的空隙处填充有无机化合物。

进一步地，各组光子晶体结构的材质不同。

进一步地，所有光子晶体结构的高度相同。

进一步地，所述上反射镜包括五层二氧化硅层和五层二氧化钛层，各二氧化硅层和各二氧化钛层依次交替设置，且位于最外侧的是二氧化硅层。

进一步地，所述二氧化硅层和所述二氧化钛层的厚度相同，且均为谐振腔工作波长的四分之一。

进一步地，所述无机化合物为二氧化硅。

同时，本发明提供了一种视频光谱成像系统，其特殊之处在于，包括物镜模块、探测器、以及上述的滤波器件；

所述物镜模块位于滤波器件的上反射镜上方，物镜模块下表面与上反射镜上表面之间留有间隔，物镜模块用于对待测目标的反射光进行汇聚和准直后，传递至滤波器件的上反射镜；

所述下反射镜与探测器接收面贴合。

相应的，本发明还提供了一种上述视频光谱成像系统的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1，采用原子层沉积法，在探测器的接收面上制备下反射镜；

S2，采用电子束刻蚀法，在下反射镜的上表面，对应各滤波结构中的各光谱通道，分别刻蚀填充率不同的光子晶体结构，在所有光子晶体结构的空隙处填充有无机化合物，得到位于下反射镜上方的谐振腔；

S3，采用原子层沉积法，在谐振腔上表面制备上反射镜；

S4，在上反射镜上方安装物镜模块，使物镜模块下表面与上反射镜上表面之间留有间隔，完成视频光谱成像系统的制备。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提出一种滤波器件，上反射镜和下反射镜均为布拉格反射镜，与谐振腔共同组成的F-P腔，并在谐振腔内填充光子晶体结构，其中，各滤波结构中又设置多个光谱通道，对应每个光谱通道的光子晶体结构在谐振腔中的填充率不同，可通过调控光子晶体结构的填充率来改变滤波器件整体的滤光能力，在一定程度上对比现有的片上阶梯式及马赛克式滤波器，加工难度有所降低，另外，与传统滤光器相比，尺寸能够更小且结构简单，符合未来光谱成像系统小型化、集成化、轻量化的发展趋势。

2.本发明各组光子晶体结构的材质不同，能够有效扩展滤波器件的工作带宽。

3.本发明中所有光子晶体结构的高度相同，使滤波结构在纵向上没有复杂结构，在保证滤波效果的同时，进一步简化了滤波结构的复杂度。

4.本发明中的上反射镜和下反射镜均采用二氧化硅层和二氧化钛层，这两种材料在可见或近红外波段吸收极低可忽略不计，使滤波器件的透过率能够达到98％以上，配合多层结构，能够进一步缩小透过风的半高宽，使滤波器件的光谱分辨率进一步提高。

5.本发明还提出了一种视频光谱成像系统，将光谱分析系统和快照式成像系统结合，可对目标进行实时的信息采集，同时结构简单，在实现多光谱成像的同时，一定程度上提高了其透过率和分辨率，使用了上述滤波器件，使成像系统在仅调节部分结构参数的情况下，就能够改变滤波器件的工作谱段。本发明的成像系统具有适用于各种场景的潜力，通过结构设计，在一定情况下，也可作为光谱分析仪器进行使用。

6.相对应的，本发明还提出了上述成像系统的制备方法，整体采用一体化的制备方法，可将滤波器件直接加工在探测器上，规避了后期组装的过程，在一定程度上，避免了因后期组装可能带来的加工误差。

附图说明

图1为本发明一种视频光谱成像系统的示意图；

图2为本发明滤波器件实施例中的滤波结构示意图；

图3为本发明滤波器件实施例中各组光子晶体结构填充率不同的示意图；

图4为本发明滤波器件实施例中包含四个光谱通道的示意图；

图5为本发明一种视频光谱成像系统实施例中，滤波器件包含九个滤波结构，每个滤波结构包含九个光谱通道的示意图；

图6为本发明一种视频光谱成像系统实施例的透过率仿真结果示意图。

其中：1-物镜模块、2-滤波器件、3-探测器、4-滤波结构、5-上反射镜、6-谐振腔、7-下反射镜、8-反射镜结构、9-二氧化硅层、10-二氧化钛层、11-光子晶体结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

如图1所示，本发明提出一种具有高透过率和高分辨率的，可见光或近红外波段光多光谱视频成像系统，包括物镜模块1、滤波器件2和探测器3。物镜模块1，用于收集外部待测目标的反射光，作为成像系统的入射光，物镜模块1在一定程度上对入射光进行汇聚与准直，再在汇聚与准直后将传递至滤波器件2，通过滤波器件2再对入射光进行分光，最后由探测器3接收。可对整个结构进行封装，用以维持其稳定性。其中，滤波器件2含有基于光子晶体调控的布拉格谐振组成的谐振腔6，用于代替传统的滤光器，并在此之上通过调整谐振腔6内光子晶体结构11的填充率来改变其滤波特性，从而实现多光谱通道的建立，本发明的成像系统结构紧凑、稳定性高、加工简便、可满足多光谱成像微系统的设计要求。

滤波器件2中包括多个滤波结构4，每个滤波结构4对应一个像元。如图2所示，滤波结构4包括上反射镜5、谐振腔6和下反射镜7，在本发明的一个具体实施例中，上反射镜5和下反射镜7均由二氧化钛层10与二氧化硅层9交替组成，分别构成布拉格反射镜，具有良好的反射效果，并在一定程度上可以起到增加反射率的效果。作为一种优选方案，上反射镜5和下反射镜7均由五层二氧化硅层9与五层二氧化钛层10依次交替堆叠，一层二氧化硅层9和一层二氧化钛层10组成一组反射镜结构8，即上反射镜5和下反射镜7中均包括五组反射镜结构8，且最外层均为二氧化硅层9，谐振腔6位于上反射镜5中位于最下层的二氧化钛和下反射镜7中位于最上层的二氧化钛之间，使谐振腔6位于上反射镜5和下反射镜7之间，下反射镜7的下表面与探测器3上表面贴合。在本发明的其他实施例中，二氧化硅层9和二氧化钛层10的顺序可调整，位于最外侧的是二氧化硅层9还是二氧化钛层10也可调整，只要下反射镜7与上反射镜5结构一致，并以谐振腔6为中心镜面对称即可。上反射镜5、下反射镜7和谐振腔6组成的滤波结构4，实际构成一个法布里-珀罗(F-P)腔。上反射镜5和下反射镜7均可以使用原子层沉积法进行制备，并可直接加工于探测器3上，实现滤波器与探测器3的一体化加工。

谐振腔6内填充有二氧化钛亚波长光子晶体结构11，在不改变光子晶体结构11高度的情况下，可以通过控制光子晶体结构11的横向填充率，横向填充率又可以通过改变光子晶体结构11的周期和特征尺寸参数来调节，进而控制谐振腔6的有效折射率，谐振腔6内有效折射率的变化会导致其谐振频率发生变化，从而使滤波结构4的滤波能力发生变化，有效简化了加工过程。如图3所示，示出了一个滤波结构4的谐振腔6中，对应不同的光谱通道，各组光子晶体结构11的填充率不同，且在图3所示的实施例中，各组光子晶体结构11的材质也并不相同。当光子晶体结构11的周期尺寸小于选定波长的半个波长时，光子晶体结构11的具体结构仅会对本身的有效折射率产生影响，通过对光子晶体超结构的填充率调控，可以将光子晶体层的有效折射率控制在在一个范围内。

每个滤波结构4的谐振腔6内填充的二氧化钛亚波长光子晶体结构11又包括N个波段的光谱通道，其中N>1且N为整数，N个光谱通道组成一个马赛克型多光谱的滤波结构4，一个马赛克型多光谱的滤波结构4视为一个像元，集成多个滤波结构4组成滤波器件2，起到成像的效果。

在本发明的其他实施例中，光子晶体结构11的材料也可采用二氧化钛之外的其他各种材料，可根据使用场景、实际加工具体应用进行具体选择。另外，光子晶体结构11的材料，也可同时选用多种材料，来扩展滤波结构4的工作带宽，比如，在红外波段引入硅材料的光子晶体结构11。在上反射镜5、谐振腔6中光子晶体结构11、下反射镜7选择材料时，可尽量选择高透射率的材质，原则上，应当使滤波器件2的整体透射率大于等于90％。另外，二氧化钛层10和二氧化硅层9的光学厚度为选定谐振腔6工作波长的1/4，若换为其他材质，也可对应采用该厚度。

因此，本发明中的滤波结构4是基于光子晶体调控的布拉格谐振滤波器组成的F-P腔，其滤光性能受到其谐振腔6内有效折射率的影响，将亚波长光子晶体结构11加入到谐振腔6后，即可通过对光子晶体结构11填充率的调控来调控F-P腔滤波特性，即调节滤波器的透射峰。另外，滤波器件2的工作波段与二氧化钛和二氧化硅的光学厚度有关，通过调节其光学厚度，可以灵活的改变其工作区域，使其可覆盖可见光及红外光波段范围。

如图4所示，为本发明滤波器件2的一个实施例，其中包括多个滤波结构4，每个滤波结构4中包含四个光谱通道，各光谱通道中的光子晶体结构11高度一致，仅周期与特征尺寸不同，因此，制备得到的滤波结构4在纵向上没有复杂结构。

在制备视频光谱成像系统时，可以直接在探测器3上沉积滤波结构4，滤波结构4具体的，使用原子层沉积法将下反射镜7先制备到探测器3表面，再使用电子束刻蚀法在下反射镜7上表面，针对不同的光谱通道，在不同光谱通道对应的区域，刻蚀所需的亚波长光子晶体结构11，各光谱通道对应的光子晶体结构11的周期和特征尺寸不同，刻蚀完毕后再采用原子层沉积技术在光子晶体空隙处填充二氧化硅，填充完毕后得到谐振腔6，在谐振腔6上表面再使用原子层沉积法制备上反射镜5，得到滤波结构4。滤波器件2整体的制备，就是将多个滤波结构4集成在一起。各滤波结构4的上反射镜5、下反射镜7、谐振腔6中光子晶体空隙处的填充均一致。在本发明的其他实施例中，光子晶体空隙处填充的物质，也可以是其他种类的无机化合物。

图5所示为N＝9的滤波结构4和包含9个滤波结构4的滤波器件2示意图，将多个像元对应的滤波结构4集成到探测器3上表面上，构成马赛克式成像结构，马赛克式成像结构中每个像素均为具有N个光谱通道输出的的单个像元。通过在探测器3上集成大量排布的滤波结构4，从而实现高图像分辨率的成像效果，借助探测器3的实时成像功能，即可实现可见或近红外波段的实时视频高光谱成像。探测器3可采用CCD探测器3或CMOS探测器3。

如图6所示，为图5所示滤波器件2的透射峰仿真结果示意图，其中，横坐标表示波段，纵坐标表示透射率。由于滤波器件2的上反射镜5和下反射镜7具体选取的材料为二氧化钛与二氧化硅，这两种材料在可见或近红外波段吸收极低可忽略不计，由该材料制备的滤波器件2，理论上透过率可以达到98％以上，具有极高的透过率，而多层的布拉格反射镜的存在也使透过峰的半高宽进一步缩小，使得滤波器件2的光谱分辨率被进一步提高。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。