TW201807386A - 多光譜攝像裝置 - Google Patents

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史蒂芬妮 泰斯蘭德
羅倫 洛克斯
馬克 修伯特
文森 索格特
奧雷利安 費奧拉
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Ｓｉｌｉｏｓ科技公司
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Abstract

一種多光譜攝像裝置本發明敘述一種多光譜攝像裝置包含：光敏偵測器(DET)，由一像素矩陣構成；一陣列之微透鏡(ML1、ML2、ML3)，再現該像素矩陣；及由一矩陣之獨立濾波器(λ1、λ2、λ3)形成的一濾波模組(MF)，再現該像素矩陣。
該裝置值得注意之處為陣列之微透鏡係被安排與偵測器(DET)直接接觸，及該濾波模組(MF)係被製造於一基板(SS)上，其被放置成與該陣列之微透鏡接觸。

Description

多光譜攝像裝置
本發明關係一多光譜攝像裝置。
光譜分析尤其在於尋找固態、液態、或氣態介質組成的化學成分。其牽涉到記錄介質於反射或透射中的吸收光譜。與介質互動的光在某些波長帶中被吸收。這選擇性吸收讓部分或全部的介質成分有一記號。待測光譜的波長範圍可能落在紫外線範圍及/或可見範圍及/或(近、中、遠)紅外線範圍內。
這項分析一般使用分光計執行。
某些分光計使用至少一種法比-培羅特濾波器。
應被想起此濾波器係是一模板，其一面與被稱為隔片的(通常具低折射率，例如空氣、二氧化矽...)的材料平行，該隔片出現在兩鏡面間。其通常是由真空中的薄層沈積構成。因此，對於其通帶以中心波長λ為中心的一濾波器，該第一鏡面包含m層交替的高折射率材料H及低折 射率材料B，各層皆有一光學厚度λ/4。該鏡面可以同時是一半反射型薄金屬層。該隔片經常包含兩層光學厚度λ/4的低折射率材料B。一般來說，該第二鏡面與第一鏡面對稱。隔片幾何厚度的改變使濾波器能夠被調整到光學厚度等於λ/2倍數的中心波長。
一種已知的技術依賴一濾波模組，其每一分析頻帶皆包含有一濾波器。若頻帶的數目是n，則製造n個濾波器需要n個分離真空沈積製造流程。用於短期製程的成本因此很高(實務上，與頻帶的數目n成正比)及可能變成只對有足夠長度的製程真正有利。更進一步，這項結構小型化的可能性也非常有限及很難想像提供大量的濾波器。
最近被研發之另一種技術，利用擁有兩鏡面的法比-培羅特型濾波器模組，其兩鏡面對於垂直於基板之平面的剖面不平行而是排列成一楔形。在參考Oxy的此平面中，座標軸Ox和Oy分別共線及垂直於該基板，隔片在Oy方向的厚度隨著Ox座標軸的測量位置呈線性函數變化。
美國專利文件US 2006/0209413教示一波長光譜裝置，其包含這一濾波模組。其遵循該裝置的調整波長隨著座標軸Ox持續變化。
那些各種不同的技術讓當想要連續光譜時，以滿意光譜解析度分析一項目成為可能。
他們也非常適用於一些情況，其中有限數目的相對窄通帶足夠以識別所尋找的成分(即，一不連續的光譜對比於一連續的光譜)。
儘管如此，它們假定用於分析的項目係是一不可分離實體，即，它不能被分解於三維空間，並且它們不適合用於識別在該項目本身內的光學透射或反射的變化。
因此，專利文件FR 2 904 432教示一矩陣結構的光學濾波器及一相關的影像感應器。該想法係是用以獲取不同顏色。特別是，基於從可見光譜取得的色彩三原色(紅、綠、藍)，有可能重建大部分的顏色。
在上述的情況之下，一矩陣的濾波器係被使用被安排在一矩陣的偵測器的表面。該矩陣的濾波器係被稱為一「拜爾」濾波器，但這對本發明並不是很重要。該矩陣的偵測器是一主動像素感應器互補式金屬氧化物半導體(APS CMOS)矩陣。該矩陣係是被實作於一表面安排有光敏區域和電子電路及電接連的半導體基板上。
在一個別像素上，光敏區域僅構成整體區域的一部分，該區域的剩餘部份被控制電路佔用。提供微透鏡是必要的，每像素一個用以將入射光聚焦在像素的光敏區域。該矩陣的濾波器係被安排與偵測器接觸，而使該組件的形式係是一由包含偵測器-濾波器-微透鏡之堆疊構成的組件。
具體而言，因為微透鏡的拓樸非常有特點，所以不可能想出在微透鏡上放置該矩陣的濾波器。更進一步，微透鏡都是樹酯構成，因此要在有機材料上製作一無機濾波器是很困難的。
很不幸的，當濾波器被安排於微透鏡下時，入射光在 濾波器上的孔徑角度很巨大。濾波器的反應與這入射光的孔徑角度息息相關。這造成光譜響應的修改。
在這主題上，專利文件US 2014/0268146教示一有加裝偵測器的整合帶通濾波器之一陣列的微透鏡。更進一步，該陣列的微透鏡及偵測器間有一偏轉器。
為了避免在濾波器上入射角的這問題，有可能想到要刪去微透鏡。儘管如此，光敏區域呈現的區域，相對於像素的整體區域是微小的。由微透鏡所提供在敏感度上的增加約50%。因此，藉由刪去微透鏡而損失敏感度似乎不甚妥當。
同時也應該被提及，此類元件的製造良率是相對較低的。總良率基本上是等於下列三種良率的乘積：‧偵測器製造良率；‧濾波器矩陣製造良率；及‧微透鏡陣列製造良率。
由於將三種操作之製造良率相乘的結果，總良率相對地降低。
本發明的一目的是用於提供一不存在有上述限制的多光譜攝像裝置。
根據該發明，一多光譜攝像裝置包含：‧一光敏偵測器，由一像素矩陣構成；‧一陣列之微透鏡，再現該像素矩陣；及 ‧由一矩陣之獨立濾波器形成的一濾波模組，再現該像素矩陣；該裝置特徵在於該陣列之微透鏡被安排與偵測器直接接觸，及上述的濾波模組被製造於一基板上，其被放置成與上述陣列之微透鏡接觸。
為了避免與濾波器上入射角相關的問題，有利地將濾波器排列在微透鏡上。
藉由保存該微透鏡，而保留該裝置的敏感度。
考量到製造良率，本發明的裝置呈現一不可否認的優點。具體而言，有可能分類該濾波模組，以使它們聯繫到同樣自身也被分類完的偵測器。
更進一步，選用於濾波模組及偵測器的配置也有極大的彈性。有可能使濾波適用至一大數目的偵測器上，以提升攝像裝置的某一特定特性：解析度、敏感度、雜訊...。
有利地，該濾波模組係被黏結至該偵測器其周圍。
該濾波模組與該偵測器之間沒有黏著劑，對比於黏著劑鋪於其整個平面上。
此解決方案的第一個優點在保留該微透鏡的光學功能，進而提升光敏區域之光通量50%。因該黏著劑有接近上述透鏡的折射率，所以存在於該濾波模組及該微透鏡之間的黏著劑大幅降低微透鏡的效率。
此解決方案的第二個優點在於無可避免存在於該濾波模組及該檢測器之間的一層空氣而造成的干擾條紋遠低於出現在黏著劑中者(約少十倍)。
根據一額外的特性，上述的濾波模組係被提供有對準圖樣。
在一較佳實施例中，該濾波模組係由隔片分隔之兩片鏡面構成，該濾波模組有複數的濾波晶格，及上述各個濾波晶格擁有至少兩濾波器。
較佳，至少一上述的濾波器擁有一帶通轉移函數。
在特定的安排之下，至少一些上述的濾波器係對齊於第一帶條。
同樣地，至少一些上述的濾波器係對齊於第二帶條，其平行於第一帶條並與之分離。
有利地，至少兩上述鄰近的濾波器中係被一串音隔板所分開。
根據另一額外的特性，該偵測器被以CMOS技術整合。
選用地，至少其中一濾波器是全色性的。
採用廣光譜帶的濾波器之優點在於其於該影像上提供一光度參考。整合於光譜帶中的該光通量等級相等於該「色彩」帶包含的光通量。這作用以避免鄰近全色像素之盲性像素。
FP1‧‧‧濾波器
FP2‧‧‧濾波器
FP3‧‧‧濾波器
MIR1‧‧‧鏡面
MIR2‧‧‧鏡面
SP‧‧‧隔片
SUB‧‧‧基板
TF‧‧‧薄層
OX1‧‧‧氧化層
OX2‧‧‧氧化層
SIL‧‧‧矽基板
PHR1‧‧‧光敏樹脂
PHR2‧‧‧光敏樹脂
M1‧‧‧鏡面
M2‧‧‧鏡面
IF11‧‧‧晶格
IF12‧‧‧晶格
IF13‧‧‧晶格
IF14‧‧‧晶格
IF21‧‧‧晶格
IF22‧‧‧晶格
IF23‧‧‧晶格
IF24‧‧‧晶格
IF31‧‧‧濾波器
IF32‧‧‧濾波器
IF33‧‧‧濾波器
IF34‧‧‧濾波器
IF41‧‧‧晶格
IF42‧‧‧晶格
IF43‧‧‧晶格
IF44‧‧‧晶格
DET‧‧‧偵測器
SS‧‧‧基板
CP1‧‧‧隔間
CP2‧‧‧隔間
CP3‧‧‧隔間
PS1‧‧‧光敏區域
PS2‧‧‧光敏區域
PS3‧‧‧光敏區域
λ1‧‧‧濾波器
λ2‧‧‧濾波器
λ3‧‧‧濾波器
λ4‧‧‧濾波器
λ5‧‧‧濾波器
λ6‧‧‧濾波器
λ7‧‧‧濾波器
λ8‧‧‧濾波器
λ9‧‧‧濾波器
本發明於以下透過繪製及參考附圖的方式詳細敘述實施例之內容，其中：圖1為一維濾波晶格的理論圖，及更多詳細地： 圖1a係是該晶格的平面圖；及圖1b係是該晶格的剖面圖；圖2a至2c顯示用於製造濾波模組的第一技術之三步驟；圖3a至3f顯示用於製造該濾波模組的第二技術之六步驟；圖4是二維濾波模組的理論圖；圖5是具有屏蔽網格的64個濾波器之濾波模組的理論圖；圖6是每晶格有九個濾波器之濾波模組的理論圖；及圖7係是本發明裝置的一剖面圖。
呈現在多個圖式中的元件在各個圖式中皆給予相同的元件符號。
本說明從具有多數大致相同濾波晶格的濾波模組開始。
參考圖1a及1b，一濾波晶格包含三個連續排列成直線以形成一帶條的法比-培羅特(Fabry-Perot)型干擾濾波器FP1、FP2及FP3。
該晶格由一基板SUB上的堆疊所構成，基板例如由玻璃或二氧化矽製成，該堆疊包含第一鏡面MIR1、隔片SP、及第二鏡面MIR2。
定義每個濾波器的中心波長的該隔片SP係因此對於 一給定濾波器是固定值，並且各個濾波器不同。因為每個濾波器皆有一大致上是矩形的平面，所以其剖面為階梯狀的。
以薄膜技術製造該濾波模組的第一方法係透過範例的方式展示。
參考圖2a，該第一鏡面MIR1最初係被沈積在基板SUB上，其後跟隨有一或多個用於定義該隔片SP之介電質層TF。該鏡面係是金屬質或介電質。
參考圖2b，該介電質TF被蝕刻：‧最初，在第二及第三濾波器FP2及FP3中，為了用以定義該隔片SP在第二濾波器FP2中的厚度；及‧隨後，在第三濾波器FP3中，為了用以定義該隔片在第三濾波器中的厚度。
在第一濾波器FP1中的該隔片SP有沈積厚度。
參考圖2c，該第二鏡面MIR2係被沈積在隔片SP上，以完成該三個濾波器。
該隔片SP可以藉由如上所述沈積一介電質TF後跟隨連續的蝕刻來獲得，但也可以藉由連續沈積多層薄膜來獲得。
透過範例，波長範圍800奈米(nm)到1000奈米(nm)可以藉由以範圍1.4λ0/2到2.6λ0/2修改該隔片的光學厚度來被掃瞄(對於λ0=900nm及n=1.45，具有e的變化範圍從217nm到403奈米)。
從這點應該看出，該隔片的厚度需要足夠小，以在予 以測量的於範圍內取得唯一透射帶。特別是，此厚度越大，滿足該條件[ne=kλ/2]的波長數目越多。
製造該濾波模組的第二方法如下所述。
參考圖3a，該方法以從其底面OX1及其頂面OX2熱氧化矽基板SIL開始。
參考圖3b，基板的底面及頂面OX1及OX2係各自被覆蓋上一底層PHR1及一頂層PHR2的光敏樹脂。此後，一矩形開口藉由光微影法形成在該底層PHR1。
參考圖3c，在該底面OX1上的該熱氧化物係被蝕刻與形成在該底層PHR1中的該矩形開口互相對準。該底及頂層PHR1及PHR2然後被移除。
參考圖3d，該基板SIL係受到非等向蝕刻(例如，結晶取向1-0-0)與該矩形開口互相對準，該底面OX1的熱氧化物作為一遮罩及該頂面OX2的氧化物作為一蝕刻停止層。該蝕刻可能是濕式的，使用氫氧化鉀(KOH)或氫氧化四甲銨(TMAH)的溶液，或乾式的，在一電漿中。這項操作的結果係是僅存氧化物薄膜於矩形開口的底部。
參考圖3e，這氧化物係被蝕刻：‧最初在該第二及第三濾波器FP2及FP3中，以定義在該第二濾波器FP2中之隔片SP的厚度；及‧隨後，在該第三濾波器FP3中，以定義在該第三濾波器中之隔片SP的厚度。
參考圖3f，該第一及第二鏡面M1及M2被沈積在基板SIL的底面及頂面OX1及OX2上。
在選用可能的情況下，可藉由沈積一保護層(未出示)在底面及頂面OX1及OX2之一及/或另一上，以終止製造該濾波模組。
本發明使製作一組排列整齊的濾波器成為有可能，所述濾波器可以稱為在一維空間中。
參考圖4，本發明也可能以二維空間組織該濾波晶格成為可能。這樣的組織時常被稱為一矩陣。
四條相同水平帶條，各自包含四個晶格。第一帶條，其出現在圖形的上方，對應到一矩陣的第一列及包含晶格IF11到IF14。第二、三及四帶條各自包含晶格IF21到IF24，濾波器IF31到IF34，及晶格IF41到IF44。
該組織係被稱為是一矩陣，屬於的第j列帶條的因晶格IFjk同時也是包含晶格IF1k,IF2k,...,IF4k的第k行縱條的一部份。
參考圖5，想要濾波模組的各種濾波器被良好分散，以避免任何一個濾波器與相鄰濾波器的部分重疊，及最小化有關串音的問題。為了如此，有可能加裝一網格在該濾波模組上(圖中以黑色顯示)，構成一串音隔板，用於定義所有的濾波器。這網格應該是具吸收性的。透過範例，一具吸收性的網格可以是藉由沈積及蝕刻黑鉻(鉻+氧化鉻)被製成，而一反射網格可以是藉由沈積及蝕刻鉻製成。
參考圖6，每個濾波晶格現在皆有九個濾波器。這些晶格每個都是一正方形的形狀，其內皆有調整到一不同波長λ1,λ2,λ3,λ4,...,λ9的對應濾波器。
在這圖中，為了清晰起見，相較於兩濾波器之間的間距，晶格之間的間距係是自動地增加。自然地，實際上，這些間距是相同的。
該濾波模組係因此相關於一能夠測量由各種濾波器產生的光通量之偵測器。該偵測器係因此由多數隔間形成。
參考圖7，可以看見顯示在圖6中的濾波模組MF。
該偵測器DET係使用CMOS技術在矽構成的基板SS上製成。在每個正方形形狀隔間CP1、CP2、CP3的中間，有一光敏區域PS1、PS2、PS3。
在每個隔間CP1、CP2、CP3上方，有一微透鏡ML1、ML2、ML3，其直徑等於該隔間的側邊。
該濾波模組MF頂住該陣列之微透鏡ML1、ML2、ML3，而使濾波器λ1,λ2,λ3面對微透鏡ML1、ML2、ML3。
此模組MF的定位係是憑藉對準圖樣來執行，此係為熟習於光微影相關領域的技術人員所知的一項技術，因此，並未再作更詳細的說明。
該濾波模組MF被邊緣的黏著劑所固定在該偵測器DET上。
為釐清概念，更指明該等像素通常有大約5微米的大小。
本發明的上述實施例皆有因它們的具體性質而被選取。儘管如此，列出用盡一切涵蓋本發明的全部可能實施例是不可能的。特別是，任何敘述的手段可以在沒有超越 本發明範圍的等效手段所取代。

Claims (10)

  1. 一種多光譜攝像裝置，包含：一光敏偵測器(DET)，由一像素矩陣構成；一陣列之微透鏡(ML1、ML2、ML3)，再現該像素矩陣；及由一矩陣之獨立濾波器(λ1、λ2、λ3)形成的一濾波模組(MF)，再現該像素矩陣；該裝置特徵在於該陣列之微透鏡被安排與該偵測器直接接觸，及該濾波模組係被製造於一基板上，其被放置成與該陣列之微透鏡接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該濾波模組(MF)被黏結至該偵測器(DET)其周圍。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之裝置，其中該濾波模組(MF)被設有對準圖樣。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之裝置，其中該濾波模組(MF)係由隔片(SP)分隔之兩片鏡面(MIR1、MIR2；1、M2)構成，該濾波模組有複數個濾波晶格(IF11、IF12、...、IF44)，及各個所述濾波晶格擁有至少兩濾波器(FP1、FP2)。
  5. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中所述濾波器(FP1、FP2、FP3)的至少之一擁有一帶通轉移函數。
  6. 如申請專利範圍第4或5項之裝置，其中所述濾波晶格(IF11、IF12、IF13、IF14)的至少一部份係對齊於第一帶條。
  7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中所述濾波晶格(IF21-IF24)的至少一部份係對齊於平行於該第一帶條並與之分離的第二帶條。
  8. 如申請專利範圍第4至7項中任一項之裝置，其中所述濾波器(FP1、FP2、FP3)中相鄰的至少兩個係被一串音隔板分開。
  9. 如申請專利範圍第4至8項中任一項之裝置，其中所述濾波器(FP1、FP2、FP3)的至少一個係是全色的。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之裝置，其中該偵測器(DET)被以CMOS技術整合。
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