混合材料多光譜凝視陣列傳感器的製造方法
2023-10-24 13:59:02 5
混合材料多光譜凝視陣列傳感器的製造方法
【專利摘要】一種多光譜凝視陣列，其中包括：至少兩個傳感器，其中每個傳感器適於以不同的預定光譜感光度檢測圖像；用於聚焦捕獲光譜帶的第一透鏡；透鏡和傳感器之間的光譜濾波器，用於細分入射光譜帶；以及第二透鏡，用於將細分的入射光譜帶引導和聚焦到每個傳感器上。
【專利說明】混合材料多光譜凝視陣列傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多光譜凝視陣列傳感器。
【背景技術】
[0002]多光譜成像系統收集並記錄多個不同光譜帶中的電磁能，包括來自於光譜的可見光和近紅外(VNIR)、紫外(UV)以及紅外(IR)波長的光。通過將光譜帶信息組合在一個或多個頻道內以形成圖像的灰度或彩色表示，顯示所形成的圖像。多光譜成像設備是一系列光譜儀，這些光譜儀在圖像傳感器的大量空間圖像元素(稱為像素)上同時記錄多個離散光譜帶中的能量。標準的寬帶成像器在每個像素上為寬光譜上所有檢測到的入射能量記錄一個值，並通過檢測器的二維陣列生成兩個空間維度內的圖像。多光譜成像設備與標準的寬帶成像器不同，區別在於其以附加的光譜維度生成圖像。每個多光譜像素可記錄幾十或幾百個波長值，其中每個值被視為子像素。凝視陣列(staring array)是一種成像設備，其中位於焦平面的檢測器元件的二維陣列捕獲選定光譜帶中的能量，從而可以通過像素和子像素直接構造圖像。
【發明內容】
[0003]本發明的一方面涉及多光譜凝視陣列。所述多光譜凝視陣列包括至少兩個傳感器，每個傳感器適於以不同的預定光譜感光度檢測圖像；用於聚焦入射光譜帶的第一透鏡；透鏡和至少兩個傳感器之間的光譜濾波器，其中所述光譜濾波器配置為細分入射光譜帶；第二透鏡，所述第二透鏡配置為將細分的入射光譜帶引導和聚焦到所述至少兩個傳感器的每一個上。
[0004]作為優選，至少兩個傳感器在單個晶片上。
[0005]作為優選，第二透鏡是微透鏡陣列。
[0006]作為優選，光譜濾波器在所述透鏡和所述微透鏡陣列之間。
[0007]作為優選，還包括所述微透鏡陣列和所述至少兩個傳感器的每一個之間的光導管。
[0008]作為優選，還包括固定反光鏡，所述固定反光鏡將光從所述微透鏡陣列引導到所述至少兩個傳感器的每一個。
[0009]作為優選，還包括所述透鏡和所述光譜濾波器之間的致動反光鏡。
[0010]作為優選，還包括所述透鏡和所述光譜濾波器之間的可變形反光鏡。
[0011]作為優選，至少兩個傳感器是共面的。
[0012]作為優選，預定光譜感光度在可見光和近紅外(VNIR)、紫外(UV)和紅外(IR)的至少一個中最大。
[0013]作為優選，入射光譜帶是連續的。
【專利附圖】
【附圖說明】[0014]圖中:
[0015]圖1是根據本發明的實施例的多光譜凝視陣列的示意圖。
[0016]圖2是根據本發明的另一個實施例的多光譜凝視陣列的示意圖。
[0017]圖3是根據本發明的再一個實施例的多光譜凝視陣列的示意圖。
[0018]圖4是根據本發明的實施例的混合材料檢測器的示意圖。
[0019]圖5是根據本發明的另一個實施例的混合材料檢測器的示意圖。
[0020]圖6是根據本發明的實施例的具有圖4和圖5的混合材料檢測器的多光譜凝視陣列的不意圖。
【具體實施方式】
[0021]在【背景技術】和以下描述中，出於解釋的目的，闡述多個特定細節以提供對本文所述技術的詳細理解。但是，對本領域技術人員顯而易見的是，可以在缺少這些特定細節的情況下實施示例性實施例。在其他情況下，以圖形形式顯示結構和設備以利於示例性實施例的描述。
[0022]參考附圖描述示例性實施例。這些附圖顯示了實施本文所述技術的特定實施例的某些細節。但是，附圖不應被理解為強加了附圖中表示的任何限制。
[0023]實施例中公開的多光譜凝視陣列的技術效果包括大幅降低了需要採集可見光和紅外光的感測系統的複雜度。傳感器的聯合降低了光學複雜度，並允許製造單個的多功能半導體。因此，實施例中公開的實施凝視陣列的多光譜成像設備可以構造成較小的尺寸形狀，比相應的傳統設備重量更輕、功率需求更低。此外，本發明的實施例中公開的將不同傳感器類型整合為單個半導體維持了系統可用的總光功率，而其在複雜的分光技術中通常會喪失。通過在單個半導體晶片上整合具有不同光譜感光度的傳感器，本發明實施的多光譜成像設備可以形成基本上實時的高動態範圍圖像。最後，多光譜凝視陣列的實施例保持採樣一致性。
[0024]圖1顯示了根據本發明的一個實施例的多光譜凝視陣列10。多光譜凝視陣列10基於從物體12反射或輻射的電磁能的一系列帶寬的強度檢測物體12的圖像。多光譜凝視陣列10包括以不同的光譜感光度隔離和檢測光譜帶的元件。光譜感光度是以光的波長為函數的光的相對檢測效率。檢測到的光的帶寬由光譜感光度非零的波長的跨度確定。可能影響檢測到的入射光的光譜感光度的多光譜凝視陣列的元件包括光譜濾波器20、22，例如微透鏡陣列24、26的透鏡，以及傳感器28、30。優選地，傳感器是能夠檢測來自於VNIR、UR和IR光譜的多個部分的波長的光的混合材料傳感器。或者，每個傳感器能夠檢測來自於VNIR、UR和IR光譜的單個部分的波長的光。在該實施方式中，通過增加附加傳感器可以檢測附加光譜。此外，多光譜凝視陣列10包括成像光學元件，其可包括透鏡14和反光鏡16。應理解，多光譜凝視陣列中的光學元件的數量和設置可根據實施方式變化。
[0025]陣列10包括入射孔，例如透鏡14。透鏡14配置為收集入射電磁能。如圖1所示，電磁能通過透鏡14傳輸到反光鏡16。電磁能被反光鏡16反射並通過光譜濾波器22。由於光譜濾波器的波長響應根據位置而變化，因此光譜濾波器22配置為將寬帶電磁能細分為一系列光譜帶。
[0026]然後，電磁能的被細分的光譜帶到達微透鏡陣列26。微透鏡陣列26的每個微透鏡將電磁能的細分光譜帶引導並聚焦在傳感器28上，例如從微透鏡陣列26到傳感器28的一系列光束32和34所示。傳感器28位於光譜濾波器22的像平面40上。傳感器28是檢測器陣列，其中每個檢測器可配置為檢測具有預定光譜感光度的光譜帶的電磁能。
[0027]光譜濾波器22、微透鏡陣列26和傳感器28配置為陣列中的每個檢測器將檢測與一部分被成像物體12對應的特定光譜帶的電磁能。通過這種方式，傳感器28包括設置形成被成像物體12的多光譜像素的檢測器元件。檢測從被成像物體12的特定區域反射或輻射的入射電磁能的傳感器28上的一系列檢測器元件形成多光譜像素。
[0028]如圖1所示，諸如萬向架(gimbal)的驅動器36可以致動反光鏡16至第二位置18。或者可採用可變形反光鏡從第一對準位置致動到第二對準位置，以影響從反光鏡16的第一位置到反光鏡18的第二位置的光路的重定向。然後，通過自由空間傳播或光導管(lightpipe)，電磁能的光路可以從反光鏡18前進到第二光譜濾波器20。與第一光譜濾波器22類似，第二光譜濾波器20配置為將寬帶電磁能細分為一系列光譜帶。然後，電磁能的被細分的光譜帶到達第二微透鏡陣列24，並在第二傳感器30上成像。第二傳感器30位於像平面42上。
[0029]第二空間濾波器20、第二微透鏡陣列24和第二傳感器30的冗餘元件能實現高配置的成像器。第二空間濾波器20可配置為具有與第一光譜濾波器22不同的波長響應。類似的，第二傳感器30可包括檢測器陣列，其中每個檢測器配置為檢測具有與第一傳感器28的模擬檢測器不同的光譜感光度的一系列光譜帶。通過這種方式，多光譜凝視陣列10可獲得較高的光譜解析度，即相比於使用從反光鏡16到第一傳感器28的經過第一光譜濾波器22和第一微透鏡陣列26的單一光路，每像素檢測的光譜帶的數量更高。
[0030]或者，多光譜凝視陣列10可獲得較高的動態範圍，即對於相同的光譜帶寬，使用具有不同光譜感光度的兩個傳感器28和30比使用單個傳感器可檢測的亮度的界限更寬。此外，根據本發明的實施例，通過改變反光鏡切換的時機，多光譜凝視陣列10可以進一步增強高動態範圍(HDR)成像。例如，16處的反光鏡在第一位置16花費較短時間啟動傳感器28以捕獲圖像較亮區域中場景亮度的變化，在第二位置18花費較長時間啟動傳感器30以捕獲圖像較暗區域中場景亮度的變化。
[0031]圖2顯示了根據本發明的另一個實施例的多光譜凝視陣列100。入射孔包括用於聚焦入射光的透鏡14。光通過配置為細分入射光譜帶的光譜濾波器110。
[0032]然後，電磁能的細分光譜帶到達微透鏡陣列112。微透鏡陣列112的每個微透鏡將電磁能的細分光譜帶引導並聚焦到三個傳感器114、116和118之一上。通過這種方式，微透鏡陣列112與圖1中的致動反光鏡16和18以相同的性能起作用。微透鏡陣列112中的第一子集的微透鏡可以將細分的入射光譜帶引導和聚焦至位於像平面120上的第一傳感器114。類似的，微透鏡陣列112的第二和第三子集的微透鏡將細分的入射光譜帶分別引導和聚焦至位於像平面122和124的第二傳感器116和第三傳感器118。和圖1的實施例相同，每個傳感器可包括檢測器陣列，檢測器陣列配置為檢測不同系列的預定光譜感光度，從而增強多光譜凝視陣列100的光譜解析度或動態範圍。
[0033]圖3顯示了根據本發明的再一個實施例的多光譜凝視陣列。與圖1和2中相同，入射孔包括用於聚焦入射光的透鏡14。與圖2中相同，光通過配置為細分入射光譜帶的光譜濾波器110，然後電磁能的細分光譜帶到達例如微透鏡陣列112的透鏡。微透鏡陣列112的每個微透鏡將電磁能的細分光譜帶引導和聚焦到均位於像平面226、228和230的三個傳感器210、214和216之一上。在本發明的該實施例中，至傳感器214和216的光路分別包括反光鏡220和218的反射。
[0034]與圖2的實施例相同，傳感器210、214和216可以配置為影響不同的光譜感光度。反光鏡218和220由支架222和224靜態支撐。因此，不需要在不同位置之間致動反光鏡，三個傳感器210、214和216就可以同時檢測圖像。但是，可以致動反光鏡218和220以配置光射在傳感器214和216的時間量，從而如上所述增強HDR成像。
[0035]為了實現本發明的實施例，圖1的實施例中的傳感器28和30、圖2的實施例中的114、116和118、以及圖3的實施例中的210、214和216可包括具有不同光譜感光度的檢測器元件或者根據不同的致動時間轉向的反光鏡。圖4顯示了根據本發明的實施例的混合材料傳感器300，其能夠響應從IR到VNIR以及進入UV光譜的一系列光譜帶。傳感器300是混合材料凝視陣列成像半導體。半導體具有VNIR檢測器陣列310、IR檢測器陣列312和UV檢測器陣列314的一個或多個實例。不同類型的檢測器整合在單個半導體中，並且是共面的。檢測器陣列310、312和314均由可包括圖像的子像素的多個檢測器元件形成。每個元件響應可以是針對檢測器陣列的光譜帶的子集的光譜帶。例如，圖4中顯示了由九個子像素元件(例如316和318)形成的VNIR檢測器陣列。九個元件中的每一個可響應VNIR光譜中的不同子帶。根據該實施方式，特定檢測器陣列的每一個陣列元件可以響應對於特定檢測器陣列中的子像素唯一的光譜子帶。但是，在一些實施方式中，檢測器陣列中的每個子像素可以響應相同的光譜帶。在這些實施方式中，例如圖1的實施例中的22的光譜濾波器可以對入射在特定子像素上的電磁能的光譜帶進行濾波。在本發明的一個實施例中，經濾波的光譜帶，無論其通過光譜濾波器、混合材料傳感器還是二者組合的配置，均是連續的(contiguous)以將多光譜凝視陣列呈現為高光譜成像設備。
[0036]在如圖5所示的混合材料傳感器的另一個實施例中，VNIR檢測器陣列310、IR檢測器陣列312和UV檢測器陣列314元件被嵌為簡單的模式，均勻地分布不同的光檢測器陣列310、312和314。或者物理上較大的IR檢測器陣列312元件可以與UV檢測器陣列314元件和VNIR檢測器310元件的具有相當尺寸的組合堆疊。如圖5所示，VNIR檢測器陣列310顯示為由12個子像素元件形成。12個元件中的每一個可響應VNIR光譜中的不同子帶。根據實施方式，檢測器陣列的其他配置也是可能的。雖然圖5所示的配置可引起針對不同光譜帶的場景的空間均勻採樣，但是根據特定的光學設計參數可能需要其他配置。
[0037]已知可在成像檢測器的製造中使用多種半導體材料。在本發明的任意實施例中，這些材料可以組合在單個晶片上。例如，UV和VNIR波長檢測器310和314可基於電荷耦合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)的變形。IR檢測器312可以是由碲化物、銦或其他合金製造的光電探測器，並與VNIR和UV檢測器310、314合併。當通過用於多種檢測器類型的共襯底(例如矽)在相同半導體上堆疊多種檢測器類型時，使用多種摻雜和蝕刻步驟製造層狀混合波長光電探測器，從而在相同的基片上生產檢測器。例如，UV檢測器314可構造在基於CXD的VNIR檢測器310的柵漏上。圖6顯示了根據本發明的實施例的具有圖4或圖5實施例的混合材料檢測器的多光譜凝視陣列。雖然圖1-3中的多光譜凝視陣列的任意實施例均可以通過圖4或圖5中示例的混合材料傳感器300來實施，但是具有圖5中的混合材料檢測器的多光譜凝視陣列400顯示了本發明的特別簡單的實施例。入射孔包括用於收集入射光的透鏡14。光通過配置為細分入射光譜帶的光譜濾波器110。然後電磁能的細分光譜帶到達例如微透鏡陣列112的透鏡。微透鏡陣列112的每個微透鏡將電磁能的細分光譜帶引導和聚焦到混合材料傳感器410上。微透鏡陣列112用於將入射在混合材料傳感器410上的光引導和聚焦至每個檢測器，例如圖4或圖5的實施例中的310、312和314，從而保證像素的確定性覆蓋和物理分配。傳感器410位於像平面412上。
[0038]本書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳實施例，並使任何本領域技術人員能實施本發明，包括製造和使用任何設備或系統以及執行任何包含的方法。本發明的可專利範圍由權利要求書限定，並且可以包括本領域的技術人員想到的其它示例。這樣的其它示例旨在屬於權利要求書的範圍內，只要它們具有與該權利要求書的文字語言沒有區別的結構元件，或者只要它們包括與該權利要求的文字語言無實質區別的等效結構元件。
【權利要求】
1.一種多光譜凝視陣列,包括: 至少兩個傳感器，每個傳感器適於以不同的預定光譜感光度檢測圖像； 第一透鏡，所述第一透鏡用於捕獲入射光譜帶； 所述透鏡和所述至少兩個傳感器之間的光譜濾波器，其中所述光譜濾波器配置為細分所述入射光譜帶，以及 第二透鏡，所述第二透鏡配置為將細分的入射光譜帶引導和聚焦到所述至少兩個傳感器的每一個上。
2.根據權利要求1所述的多光譜凝視陣列，其特徵在於，所述至少兩個傳感器在單個晶片上。
3.根據權利要求1所述的多光譜凝視陣列，其特徵在於，所述第二透鏡是微透鏡陣列。
4.根據權利要求3所述的多光譜凝視陣列，其特徵在於，所述光譜濾波器在所述透鏡和所述微透鏡陣列之間。
5.根據權利要求3所述的多光譜凝視陣列，還包括所述微透鏡陣列和所述至少兩個傳感器的每一個之間的光導管。
6.根據權利要求3所述的多光譜凝視陣列，還包括固定反光鏡，所述固定反光鏡將光從所述微透鏡陣列引導到所述至少兩個傳感器的每一個。
7.根據權利要求1所述的多光譜凝視陣列，還包括所述透鏡和所述光譜濾波器之間的致動反光鏡。
8.根據權利要求1所述的多光譜凝視陣列，還包括所述透鏡和所述光譜濾波器之間的可變形反光鏡。
9.根據權利要求1所述的多光譜凝視陣列，其特徵在於，所述至少兩個傳感器是共面的。
10.根據權利要求1所述的多光譜凝視陣列，其特徵在於，所述預定光譜感光度在可見光和近紅外(VNIR)、紫外(UV)和紅外(IR)的至少一個中最大。
11.根據權利要求1所述的多光譜凝視陣列，其特徵在於，所述入射光譜帶是連續的。
【文檔編號】G01J3/28GK103808409SQ201310553498
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月8日 優先權日:2012年11月9日
【發明者】T.B.塞巴斯蒂安, S.C.M.斯託茨, E.D.比勒, B.T.奧基平蒂 申請人:通用電氣航空系統有限責任公司