基于集成法布里-珀羅微腔陣列的16 通道快照式多光譜成像*

方靖岳 文之豪 朱海碧濤 李欣幸 鄧聯(lián)文?

1) (中南大學(xué)電子信息學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083)

2) (中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,蘇州 215123)

通過(guò)將窄帶法布里-珀羅微腔陣列與可見光探測(cè)器焦平面陣列粘貼集成,展示了一種微小緊湊型多光譜成像探測(cè)器.通過(guò)四次分形組合蝕刻工藝,先在石英基底上獲得了以4×4 為基本重復(fù)單元、共計(jì)2048 像素×2048 像素的微腔濾光陣列;再與探測(cè)器芯片貼合后形成了微小型多光譜成像探測(cè)器.微區(qū)光譜檢測(cè)表明,微腔陣列樣品的響應(yīng)光譜峰值在520—680 nm 之間變化,半峰處的全寬小于10 nm,透過(guò)率約70%.可調(diào)諧波長(zhǎng)單色光合作光源檢測(cè)表明,該多光譜成像探測(cè)器具有16 個(gè)不同的窄帶響應(yīng)譜;利用光譜通道能清晰分辨目標(biāo)特征光譜;通過(guò)光譜通道圖像相減,能有效消除視野中背景,提高目標(biāo)對(duì)比度.它有望應(yīng)用于皮膚表面觀測(cè)等輔助診斷,以及逆光條件下目標(biāo)觀測(cè)的高動(dòng)態(tài)范圍成像等.

1 引言

光譜成像的起源可追溯到19 世紀(jì),天文學(xué)家Janssen[1]用雙縫單色儀觀察日冕.大約30 年后,法布里和珀羅[2]開發(fā)出了能調(diào)諧中心波長(zhǎng)的干涉濾光片,使人們能夠看到更暗的物體.按照分光的不同,傳統(tǒng)光譜成像系統(tǒng)主要分為色散型和干涉型.色散型成像光譜技術(shù)的分光元件主要是色散棱鏡和衍射光柵,也包括沿軸向色散的二元光學(xué)元件,以及基于聲光可調(diào)諧濾波器的體位相光柵.干涉型成像光譜技術(shù)的主要方法是邁克爾遜干涉法、雙折射干涉法、三角共路干涉法、法布里-珀羅(Fabry-Perot,FP)多光束干涉法和液晶可調(diào)諧濾波器等.目前在光譜成像領(lǐng)域,絕大多數(shù)使用的是掃描式設(shè)備,采用經(jīng)典或改進(jìn)形式的車爾尼-特納(Czerny-Turner)、奧夫納(Offner)和邁克爾遜光學(xué)結(jié)構(gòu)[3],體積大且價(jià)格昂貴.另一方面,快照式光譜成像儀采用FP 多光束干涉分光微腔陣列的光學(xué)設(shè)計(jì),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、質(zhì)量輕、集成度高、可靠性高、功耗小、成本低和抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可提供新的功能,并開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域[4,5].王少偉團(tuán)隊(duì)[6]基于組合沉積技術(shù),開創(chuàng)性地在單一基片上加工了集成窄帶濾波器,制備了一個(gè)128 通道的陣列,隨后開發(fā)出多種微型快照式多光譜成像儀[7-13].胡長(zhǎng)虹研究組[14]也研發(fā)了基于像素級(jí)分光技術(shù)的視頻高光譜相機(jī).美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室研制了具有3×3 通道微納濾波陣列的短波紅外焦平面探測(cè)器[15],以獲取短波紅外動(dòng)態(tài)視頻.歐洲微電子研究中心(Interuniversity Microelectronics Centre,IMEC)通過(guò)使用半導(dǎo)體薄膜制備技術(shù),實(shí)現(xiàn)了像素級(jí)窄帶光譜濾波器的應(yīng)用[16].

我們致力于研究集成化微型多光譜成像探測(cè)器,推動(dòng)基于多光譜成像的微弱目標(biāo)檢測(cè)和高動(dòng)態(tài)范圍成像等應(yīng)用的微型化和智能化發(fā)展[17,18].本文基于周期性多層膜研制了可見光波段4×4 的馬賽克快照式多光譜成像探測(cè)器,具有體積小、集成度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),利用不同光譜通道進(jìn)行圖像差分消背景獲得較好效果,有望在遠(yuǎn)距離微弱目標(biāo)檢測(cè)等方面具備應(yīng)用潛力.

2 微腔陣列的制備

微腔陣列采用半導(dǎo)體工藝制備,其主要工藝流程如圖1 所示.首先,以λ1=589 nm 為中心波長(zhǎng),設(shè)計(jì)窄帶濾光膜系F1: Sub | H (LH)46L (HL)5|Air.其中,Sub 表示0.5 mm 厚的石英基底(n0=1.52),Air 表示空氣介質(zhì),H 表示高折射率(nH=2.117)材料Ta2O5,L 表示低折射率(nL=1.473)材料SiO2.

圖1 16 通道快照式多光譜FP 微腔陣列的制作工藝 (a) 底部分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector,DBR)和空腔層沉積在石英基底上;(b) 通過(guò)UV 光刻和反應(yīng)離子刻蝕組合工藝處理空腔層;(c) 頂部DBR 沉積在處理過(guò)的空腔層上,并形成具有4×4 個(gè)不同F(xiàn)P 腔厚度的微腔陣列Fig.1.Fabrication process of a 16-channel snapshot type multispectral Fabry Perot microcavity array: (a) Bottom distributed Bragg reflector (DBR) and cavity layer are deposited on a quartz substrate;(b) cavity layer is processed by a combined process of UV photolithography and reactive ion etching;(c) top DBR is deposited on the treated cavity layer and formed with 4 × 4 microcavity arrays with different FP cavity thicknesses.

光學(xué)膜系是利用離子束沉積光學(xué)鍍膜系統(tǒng)(VEECO SPECTOR)分兩次制備的,先鍍制下部布拉格周期層及FP 腔層(圖1(a)).然后,通過(guò)紫外曝光(SUSS,MA6)形成光刻膠掩膜,結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(Oxford Instruments,Plasmalab 80 Plus),改變FP 腔層的厚度;利用掩膜圖形的分形組合(要考慮探測(cè)器焦平面陣列大小和像素尺寸),通過(guò)四次連續(xù)的紫外曝光套刻和刻蝕工藝,將設(shè)計(jì)的刻蝕區(qū)域和深度轉(zhuǎn)移到FP 腔層上,實(shí)現(xiàn)FP 腔層厚度的像素化改造,獲得以4×4 陣列為基本重復(fù)單元的馬賽克周期性微腔結(jié)構(gòu)(圖1(b)).再下一步,鍍制上部布拉格周期層,形成完整的窄帶微腔濾波陣列(圖1(c)).隨后,將樣品裂片,使其尺寸與探測(cè)器焦平面相匹配,并在光學(xué)顯微輔助下,利用多維精密位移臺(tái),將微腔濾光陣列與可見光探測(cè)器焦平面陣列(長(zhǎng)光辰芯,GSENSE400)像素級(jí)對(duì)準(zhǔn)(單個(gè)像素尺寸11 μm × 11 μm),利用紫外光敏膠完成粘貼集成,構(gòu)成一種微小緊湊型多光譜成像探測(cè)器.期間,要進(jìn)行微腔濾光陣列的微區(qū)透過(guò)率檢測(cè)和多光譜相機(jī)光譜通道的檢驗(yàn).在工藝步驟中,分形組合的四次反應(yīng)離子刻蝕是關(guān)鍵,因?yàn)榭涛g的深度和精度將分別決定窄帶光譜通道中心波長(zhǎng)的分布和偏移量.

3 結(jié)果與討論

3.1 微腔陣列的形貌與光譜表征

對(duì)于窄帶膜系F1,當(dāng)FP 腔層厚度依次被刻蝕掉Δhi=2inm (i=0,1,···,6),計(jì)算結(jié)果表明,窄帶膜系中心波長(zhǎng)隨著FP 腔層厚度減薄,向短波方向移動(dòng)(圖2(a)).通過(guò)數(shù)據(jù)擬合,得到峰位偏移量Δλi隨厚度改變?chǔ)i近似滿足線性關(guān)系Δλi=0.065＋0.569Δhi(圖2(b)).因此,若要求通過(guò)刻蝕調(diào)腔獲得的光譜通道的實(shí)際工作波長(zhǎng),相對(duì)設(shè)計(jì)值的偏差為Δλ=±1 nm,則反應(yīng)離子刻蝕的精度應(yīng)滿足Δh＜ 16.43 ? (1 ?=10-10m).通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)離子刻蝕工藝參數(shù),我們的工藝采用刻蝕速率v0=3.6 ?/s,能滿足設(shè)計(jì)需求.

圖2 (a) 窄帶膜系透射峰位置隨FP 腔厚度發(fā)生改變(Δh 表示FP 腔厚度的改變量);(b) 峰位改變量Δλ 隨厚度改變?chǔ) 的關(guān)系(紅色直線為擬合結(jié)果)Fig.2.(a) Transmission peak position of the narrowband film system changes with the thickness of the FP cavity (Δh represents the amount of change in the thickness of the FP cavity);(b) relationship between peak position change Δλ and thickness change Δh(Red line represents the fitting result).

在完成下部布拉格周期層及FP 腔的制備后,依次使用掩膜A,B,C 和D,連續(xù)對(duì)FP 腔層進(jìn)行四次反應(yīng)離子蝕刻(圖3(a)),而每次刻蝕的區(qū)域和深度不同(圖3(b)—(e)),稱之為分形組合的刻蝕.最終形成了具有不同相對(duì)高度的16 個(gè)微腔,每個(gè)微濾光單元的中心波長(zhǎng),是由微腔厚度決定的.為獲得一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)相對(duì)均勻分布的16 個(gè)光譜通道,我們?cè)O(shè)計(jì)的刻蝕深度分別為h1=108 nm,h2=54 nm,h3=10 nm 和h4=25 nm (圖3).因此,如果沿A方向掃描樣品表面輪廓,得到的臺(tái)階相對(duì)高度應(yīng)分別為ΔhA1=10 nm,ΔhA2=108 nm和ΔhA3=118 nm;如果沿B方向掃描樣品表面輪廓,得到的臺(tái)階相對(duì)高度應(yīng)分別為ΔhB1=25 nm,ΔhB2=54 nm 和ΔhB3=79 nm.根據(jù)v0=3.6 ?/s的刻蝕速率,可以確定每一次刻蝕的時(shí)間.實(shí)驗(yàn)中,四次刻蝕的時(shí)間分別為t1=300 s,t2=150 s,t3=27.8 s 和t4=69.4 s.

圖3 (a) 依次使用A,B,C,D 掩膜(以8×8 陣列為例)對(duì)FP 腔進(jìn)行四步反應(yīng)離子刻蝕的示意圖;(b)—(e) 順序進(jìn)行的四步反應(yīng)離子刻蝕的相對(duì)深度(顏色表示刻蝕區(qū)域,數(shù)字表示臺(tái)階的相對(duì)高度)Fig.3.(a) Using masks A,B,C,and D in sequence (with 8 × 8 array) schematic diagram of four step reactive-ion etching of FP cavity;(b)-(e) the relative depth of four steps of Reactive-ion etching in sequence (Color indicates the etching area,and number indicates the elevation of the steps).

四次分形組合的反應(yīng)離子刻蝕,每次工藝完成后,均對(duì)FP 腔層進(jìn)行反射式光學(xué)顯微拍照(圖4).結(jié)果表明,反應(yīng)離子蝕刻有效地將掩膜圖形轉(zhuǎn)移到了FP 腔層上,形成了以4×4 微腔陣列為重復(fù)單元的馬賽克周期性結(jié)構(gòu).又因?yàn)槲g刻具有不同的深度,所以光學(xué)薄膜(還不是完整的窄帶膜系)因干涉而表現(xiàn)出明顯的周期性顏色分布.

圖4 (a)—(d)依次使用A,B,C,D 掩膜進(jìn)行刻蝕后,FP 腔層(18×24 微腔陣列區(qū)域)的光學(xué)顯微圖像Fig.4.Optical microscopic image of FP cavity layer (18 × 24 microcavity array area) after etching with (a) A,(b) B,(c) C,and(d) D masks in sequence.

利用臺(tái)階儀(KLA Tencor,P-7)測(cè)量樣品表面輪廓(掃描速度50 μm/s,采樣率200 Hz,作用力2 mg),以驗(yàn)證工藝是按照設(shè)計(jì)執(zhí)行的.分別沿A方向和B方向(圖3(d))進(jìn)行掃描,得到如圖5所示的輪廓曲線.結(jié)果表明,樣品表面呈現(xiàn)出周期性臺(tái)階,輪廓曲線的相對(duì)高度,基本符合圖3 所示的臺(tái)階設(shè)計(jì)要求,稍有偏離.通過(guò)測(cè)量曲線上臺(tái)階的相對(duì)高度,可以獲得FP 腔層被刻蝕調(diào)控的厚度.多次掃描測(cè)量的結(jié)果(表1 和表2)表明,反應(yīng)離子刻蝕速率為(3.6±0.2) ?/s,工藝較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)預(yù)期,工藝穩(wěn)定可控.

表1 沿A 方向測(cè)得的高差Table 1.Measured height difference along direction A.

表2 沿B 方向測(cè)得的高差Table 2.Measured height difference along direction B.

圖5 分別沿(a) A 方向和(b) B 方向掃描,測(cè)量得到的樣品臺(tái)階輪廓曲線Fig.5.Measured step contour curves which are scanned along the (a) A and (b) B direction,respectively.

在完成四次分形組合蝕刻工藝后,繼續(xù)制備上部布拉格周期層,在石英基底上獲得了2048×2048 的微腔濾光陣列(圖6(a)).光學(xué)顯微圖像(圖6(b))顯示,不同微濾光單元因?yàn)V光特性不同而表現(xiàn)為不同的顏色.它們以4×4 為基本重復(fù)單元分布,形成了16 通道快照馬賽克式微腔濾光陣列.掃描電子顯微圖像(Hitachi S4800)進(jìn)一步清晰地表明,不同微濾光單元之間因其微腔高度不同,而具有明顯的臺(tái)階起伏(圖6(c)).原子力顯微鏡(Oxford Asylum Research MFP-3 D)對(duì)微腔濾光陣列表面掃描結(jié)果證明(圖6(d)和圖6(e)),濾光單元是以11 μm × 11 μm 的尺寸規(guī)則排列,且基本重復(fù)單元因刻蝕深度不同形成了16 個(gè)高低不同的臺(tái)階.

圖6 微腔陣列樣品 (a) 實(shí)物照片;(b) 光學(xué)顯微照片(左半部分為正片,右半部分為負(fù)片);(c) 掃描電子顯微圖像;(d),(e) 原子力顯微鏡形貌圖及局部放大的4×4 重復(fù)單元的階梯狀三維形貌(橫軸和縱軸是空間坐標(biāo);顏色條表示AFM 掃描的相對(duì)高度)Fig.6.Microcavity array sample: (a) Physical photos;(b) optical micrographs (positive in the left half and negative in the right half);(c) scanning electron microscopy image of the Fabry Perot microcavity array sample;(d),(e) atomic force microscope morphology and step like three-dimensional morphology of locally enlarged 4×4 repeating units (Horizontal and vertical axes are spatial coordinates;the color bar indicates the relative height of the AFM scan).

FP 微腔的色散效應(yīng)可以將不同波長(zhǎng)的光分開,各色光干涉極大不發(fā)生級(jí)次交疊的最大波長(zhǎng)范圍稱為自由光譜范圍(free spectral range,FSR).對(duì)于靠近條紋中心的某一點(diǎn)(光線折射角β=0)處,若波長(zhǎng)λ2的第m-1 級(jí)條紋與波長(zhǎng)λ1的第m級(jí)條紋發(fā)生重疊時(shí),其光程差相等,因此(Δλ)FSR=λ2-λ1=,其中,d是FP 腔反射鏡間距,β 是光線折射角,m是干涉級(jí)次,n2為FP 腔內(nèi)的折射率.可見,通過(guò)減小FP 腔間距(低階操作),FSR 將變大;此外,FSR 的大小與工作波長(zhǎng)有關(guān),紅外波段比可見光波段的FSR 更大.當(dāng)入射角和工作波長(zhǎng)一定的情況下(一般為正入射或小角度入射,cosβ ≈ 1),即使FP 腔光學(xué)間距小到只有一個(gè)半波長(zhǎng),它能實(shí)現(xiàn)的最大FSR 也只是等于工作波長(zhǎng)(工藝實(shí)現(xiàn)的FP 腔光學(xué)間距一般在4 個(gè)半波長(zhǎng)以上).因此,在可見光范圍,FP 微腔的FSR一般為100 nm 量級(jí)寬度,無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍工作.可以考慮拼接使用多個(gè)不同工作波長(zhǎng)的法布里珀羅干涉儀,或者使用金屬反射鏡替代分布式布拉格反射鏡,以達(dá)到擴(kuò)展光譜工作范圍的效果.圖7(a)顯示了4×4 微腔陣列的微區(qū)透過(guò)率的設(shè)計(jì)值與實(shí)際測(cè)量曲線,結(jié)果表明,樣品各個(gè)光譜通道的透過(guò)率中心波長(zhǎng)與設(shè)計(jì)值吻合較好(圖7(b)),16 個(gè)光譜通道的透射峰較均勻地分布在520—680 nm 波長(zhǎng)內(nèi),其FSR 為160 nm.當(dāng)然,在測(cè)試微腔干涉濾光陣列的透射特性時(shí),入射光束如果是非平行光(或準(zhǔn)平行光),則中心波長(zhǎng)處的半高寬將向短波方向發(fā)生展寬[19].這是因?yàn)?FP 干涉濾光片的工作波長(zhǎng),隨入射角增大而向短波方向移動(dòng),這是光的干涉效應(yīng)引起的.

通道1#—5#都具有2 個(gè)透射峰(圖7(a)),這是在特定波長(zhǎng)條件下,FP 腔光學(xué)厚度滿足相干相長(zhǎng)條件的兩個(gè)相鄰級(jí)次透射峰.通道11#的透過(guò)率測(cè)量曲線如圖7(c)所示,透射峰位于λ0=590 nm,峰值50%處的波長(zhǎng)為λa=586.44 nm 和λb=593.48 nm,帶寬Δλ0.5=|λa－λb|=7.04 nm.透射峰值10%處的波長(zhǎng)為λA=580.60 nm 和λB=600.20 nm,寬度Δλ0.1=|λA－λB|=19.60 nm.因此,相對(duì)半寬度Δλ0.5/λ0=1.19%,波形系數(shù)η=Δλ0.1/Δλ0.5=2.78.

當(dāng)相鄰光譜通道的透射譜存在重疊,發(fā)生光譜混疊時(shí),意味著FP 腔分光作用變?nèi)?該光譜通道的帶寬增加或光譜分辨率降低.由于FP 腔能分辨的最小波長(zhǎng)差(分辨極限) Δλ ∝λ(1-r2)/(2mπr),r是振幅反射率,因此可以通過(guò)提高反射鏡反射率或高階操作改善光譜分辨率.高反射率,可以獲得高的精細(xì)度F=4r2/(1-r2)2,使條紋更為細(xì)銳;高階工作,可以獲得窄的光譜寬度,提高光譜分辨率.然而,大光學(xué)厚度FP 腔,將導(dǎo)致更小的FSR,從而減小器件調(diào)諧范圍.因此,對(duì)于具體的應(yīng)用,應(yīng)仔細(xì)平衡它們.此外,若工藝制備中存在鍍膜均勻性問題,將導(dǎo)致不同區(qū)域的4×4 微腔陣列透過(guò)率存在偏差.這是在光學(xué)鍍膜過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)竭力避免的.

3.2 多光譜成像探測(cè)器的裝配

如圖8(a)所示,CMOS 固連在xyz手動(dòng)位移臺(tái)上,微腔濾光陣列真空吸附在樣品夾具上.樣品夾具固連在由二維弧擺臺(tái),xyz電控位移臺(tái)(精調(diào),精度為10 nm),xyz手動(dòng)位移臺(tái)(粗調(diào),精度為10 μm)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)組成的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上.CMOS 與微腔濾光陣列之間存在初始間距,它們的空間位置,可以在顯微鏡(配備×50 和×100 的長(zhǎng)工作距離物鏡)輔助下,分別獨(dú)立地調(diào)節(jié).當(dāng)微腔濾光陣列和圖像傳感器完成精確對(duì)位,使微濾光單元和CMOS 芯片像元一一對(duì)應(yīng)時(shí),在CMOS 四周涂覆紫外固化膠,精細(xì)調(diào)節(jié)z軸位移,使兩者貼合,并進(jìn)行紫外輻照固化.最后,解除真空吸附,完成封裝.圖8(b)所示,即為完成封裝的16 通道多光譜相機(jī),它由集成了FP 微腔陣列的CMOS 組件、成像鏡頭、圖像處理組件和相機(jī)控制管理組件等四部分組成.

圖8 (a) 光學(xué)顯微精密裝配裝置;(b) 多光譜相機(jī)Fig.8.(a) Precision assembly device for optical microscopy;(b) multi spectral camera.

當(dāng)馬賽克式像素級(jí)微腔濾光陣列和CMOS 完成對(duì)齊貼合后,由于微濾光單元尺寸較小,當(dāng)平行光透過(guò)濾光陣列時(shí),顯然存在衍射效應(yīng).但是,當(dāng)微濾光單元(孔徑)與CMOS 像素表面緊密貼合,其間距(傳播距離)位于菲涅爾深區(qū),衍射效應(yīng)很弱,可近似為幾何投影,不影響強(qiáng)度成像[20].另外,FP 干涉濾光片的工作波長(zhǎng),因干涉效應(yīng)將隨入射角增大向短波方向移動(dòng).應(yīng)采用高折射率材料組,并在基本膜堆中增加高折射率材料厚度,或減小FP 腔厚度(帶寬將變大),以減弱角度效應(yīng).我們使用基于微腔濾光陣列的多光譜相機(jī)成像時(shí),為避免角度效應(yīng)引起的波長(zhǎng)偏差,應(yīng)對(duì)小角度入射目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè).

3.3 多光譜成像探測(cè)器的成像特性

采用氙燈和單色儀(北光世紀(jì),WDG 30-Z)作為可調(diào)諧波長(zhǎng)單色光合作光源,單色光經(jīng)光纖引導(dǎo)、擴(kuò)束準(zhǔn)直,投射在磨砂玻璃散射片上,形成明亮的單色光光斑(圖9).分析光斑圖像的灰度分布,以檢驗(yàn)16 通道快照式多光譜成像在像素級(jí)尺度上的效果.

以一個(gè)4×4 重復(fù)單元為考察對(duì)象,圖10 結(jié)果表明,對(duì)不同單色光,總會(huì)出現(xiàn)最大灰度響應(yīng)的像素pmn(m,n=1,2,3,4;pmn是光譜通道Pmn的一個(gè)像素),并在其鄰近伴有2—3 個(gè)次極大灰度響應(yīng)像素.例如,在圖10(a)中,像素p44對(duì)波長(zhǎng)為553 nm 的單色光是高透的,而附近像素p34和p43的灰度值也相對(duì)較大.這是因?yàn)?p34和p43的工作波長(zhǎng)與553 nm 鄰近,雖然它們的帶寬Δλ0.5未發(fā)生重疊,但p34和p43的寬度Δλ0.1都與p44的寬度Δλ0.1有交疊,相鄰光譜通道存在光譜混疊.對(duì)每個(gè)合作單色光,若希望去除次極大值,僅保留最大灰度響應(yīng)像素,需要綜合考慮膜系帶寬和FP 腔厚調(diào)控(決定光譜通道的工作波長(zhǎng)間隔,或光譜分辨率)等因素.

圖10 (a)—(p) 分別以553,558,567,574,582,588,593,601,608,614,627,634,643,651,663 和546 nm 單色光入射時(shí),某個(gè)4×4 重復(fù)單元的像素級(jí)灰度響應(yīng)結(jié)果Fig.10.(a)-(p) Pixel level grayscale response results of a 4 × 4 repeating unit when incident with monochromatic light at 553,558,567,574,582,588,593,601,608,614,627,634,643,651,663,and 546 nm,respectively.

圖10(a)—(p)中,隨著波長(zhǎng)變化,最大灰度響應(yīng)像素的位置發(fā)生改變,記錄得到如圖11 所示的多光譜通道RGB 顏色示意圖,與圖3(e)所示刻蝕深度變化的規(guī)律保持一致;與圖7(a)透過(guò)率曲線的通道相對(duì)應(yīng).圖12(a)與圖10(m),以及圖12(b)與圖10(o),均具有相同的最大灰度響應(yīng)像素(分別是p22和p21).這是因?yàn)?該像素的FP 腔光學(xué)厚度滿足兩個(gè)相鄰級(jí)次透射峰的相干相長(zhǎng)條件,該像素對(duì)兩個(gè)透射峰峰值波長(zhǎng)的單色光都高透,都具有最大灰度響應(yīng).為避免出現(xiàn)光譜通道的混亂,可以加裝帶通濾光片,將16 通道以外的入射光截止.

圖11 多光譜通道RGB 顏色示意圖Fig.11.Schematic diagram of RGB color in multispectral channels.

圖12 (a),(b) 波長(zhǎng)為529 和540 nm 的單色光入射引起的灰度響應(yīng)Fig.12.(a),(b) Grayscale response caused by monochromatic light incidence with wavelengths of 529 and 540 nm.

在環(huán)境光照明條件下,利用單色光模擬物體的特征光譜,可以驗(yàn)證多光譜相機(jī)抓取物體光譜特征的能力.選擇了通道9#和13#的峰值波長(zhǎng)(分別為582 nm 和608 nm)作為可調(diào)諧單色光合作光源的波長(zhǎng),在室內(nèi)照明條件下,獲取了散射片光屏上單色光光斑的多光譜圖像(未加裝帶通濾光片),進(jìn)而獲取了16 個(gè)光譜通道的光譜圖(圖13(a)和圖13(b)).P33,P34,P43和P44等通道對(duì)波長(zhǎng)582 nm的單色光斑能清晰成像;P11,P12和P21等通道對(duì)波長(zhǎng)608 nm 的單色光斑能清晰成像.結(jié)果表明,利用多光譜通道,可以清晰分辨目標(biāo)特征光譜.通過(guò)提高光譜分辨率、加裝截止濾光片等措施,能進(jìn)一步提高特征光譜抓取能力.

圖13 合作光源的多光譜觀測(cè)結(jié)果Fig.13.Multispectral observation results of cooperative light sources.

針對(duì)已知目標(biāo)特征光譜成像時(shí),對(duì)于某一幀多光譜圖像,選擇合適的光譜通道,易于通過(guò)圖像相減消除視野中背景.在暗室條件下,以中心波長(zhǎng)為528 nm 和589 nm 的LED (大恒光電,GCI-060402,GCI-060403)為光源(圖14(a)),利用多光譜相機(jī)采集圖像(圖14(b)).優(yōu)選地,將光譜通道P14和P44光譜圖相減(圖14(c)).結(jié)果表明,背景被有效消除,目標(biāo)對(duì)比度明顯增強(qiáng).因此,通過(guò)光譜差分強(qiáng)度相減,可以有效地降低背景噪聲的影響,提高目標(biāo)抓取的準(zhǔn)確性和靈敏度.這種方法是基于快照式多光譜相機(jī)在某一幀圖像中,包含了用于差分的數(shù)據(jù)源,不需要圖像對(duì)齊等操作,能降低數(shù)據(jù)處理需求,適用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)分析.但該方法的能量利用率低,會(huì)降低空間分辨率.

圖14 多光譜消背景觀測(cè)結(jié)果 (a) 目標(biāo)場(chǎng)景;(b) 多光譜圖像;(c) 光譜差分結(jié)果Fig.14.Multi spectral background cancellation observation results: (a) Target scenario;(b) multi spectral images;(c) spectral difference results.

4 結(jié)論

通過(guò)將窄帶FP 微腔陣列與可見光探測(cè)器焦平面陣列粘貼集成,制作了一個(gè)快照馬賽克式多光譜成像探測(cè)器用于演示,它具有16 個(gè)不同的窄帶響應(yīng)譜,光譜峰值在520—680 nm 之間變化,其半峰寬小于10 nm,透過(guò)率約70%.可調(diào)諧波長(zhǎng)單色光合作光源檢測(cè)表明,光譜通道能有效獲取特征光譜信號(hào);利用光譜差分圖像相減的方法,能有效地降低背景噪聲.有望在微弱運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮作用.這種在圖像傳感器陣面改裝而成的多光譜相機(jī),只適用于小范圍的定制化應(yīng)用.在傳統(tǒng)圖像傳感器制備流程中,加入FP 微腔陣列工藝,直接在像素上集成微濾光單元,能刪減對(duì)準(zhǔn)貼合步驟,消除裝配間隙引入的不良干涉衍射效應(yīng),減少裝配誤差引入的雜散光,提高器件可靠性,降低成本,推動(dòng)微型光譜成像探測(cè)器向高精度、陣列化、微型化、集成化和批量化制造發(fā)展.

感謝中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所王少偉研究員以及國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院吳素勇副研究員在光學(xué)鍍膜上給與的支持,感謝中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米放生研究所隋展鵬副研究員提供形貌表征測(cè)試幫助,感謝中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所加工平臺(tái)提供半導(dǎo)體工藝加工條件.