混合材料多光譜凝視陣列傳感器的制造方法
【專利摘要】一種多光譜凝視陣列，其中包括：至少兩個(gè)傳感器，其中每個(gè)傳感器適于以不同的預(yù)定光譜感光度檢測圖像；用于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，用于細(xì)分入射光譜帶；以及第二透鏡，用于將細(xì)分的入射光譜帶引導(dǎo)和聚焦到每個(gè)傳感器上。
【專利說明】混合材料多光譜凝視陣列傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多光譜凝視陣列傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]多光譜成像系統(tǒng)收集并記錄多個(gè)不同光譜帶中的電磁能，包括來自于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(gè)或多個(gè)頻道內(nèi)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(shè)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(shí)記錄多個(gè)離散光譜帶中的能量。標(biāo)準(zhǔn)的寬帶成像器在每個(gè)像素上為寬光譜上所有檢測到的入射能量記錄一個(gè)值，并通過檢測器的二維陣列生成兩個(gè)空間維度內(nèi)的圖像。多光譜成像設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)的寬帶成像器不同，區(qū)別在于其以附加的光譜維度生成圖像。每個(gè)多光譜像素可記錄幾十或幾百個(gè)波長值，其中每個(gè)值被視為子像素。凝視陣列(staring array)是一種成像設(shè)備，其中位于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(gòu)造圖像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)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(gè)傳感器，每個(gè)傳感器適于以不同的預(yù)定光譜感光度檢測圖像；用于聚焦入射光譜帶的第一透鏡；透鏡和至少兩個(gè)傳感器之間的光譜濾波器，其中所述光譜濾波器配置為細(xì)分入射光譜帶；第二透鏡，所述第二透鏡配置為將細(xì)分的入射光譜帶引導(dǎo)和聚焦到所述至少兩個(gè)傳感器的每一個(gè)上。
[0004]作為優(yōu)選，至少兩個(gè)傳感器在單個(gè)芯片上。
[0005]作為優(yōu)選，第二透鏡是微透鏡陣列。
[0006]作為優(yōu)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(yōu)選，還包括所述微透鏡陣列和所述至少兩個(gè)傳感器的每一個(gè)之間的光導(dǎo)管。
[0008]作為優(yōu)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(dǎo)到所述至少兩個(gè)傳感器的每一個(gè)。
[0009]作為優(yōu)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(yōu)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(yōu)選，至少兩個(gè)傳感器是共面的。
[0012]作為優(yōu)選，預(yù)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(gè)中最大。
[0013]作為優(yōu)選，入射光譜帶是連續(xù)的。
【專利附圖】

【附圖說明】[0014]圖中:
[0015]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的多光譜凝視陣列的示意圖。
[0016]圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的多光譜凝視陣列的示意圖。
[0017]圖3是根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例的多光譜凝視陣列的示意圖。
[0018]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的混合材料檢測器的示意圖。
[0019]圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的混合材料檢測器的示意圖。
[0020]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(shí)施方式】
[0021]在【背景技術(shù)】和以下描述中，出于解釋的目的，闡述多個(gè)特定細(xì)節(jié)以提供對本文所述技術(shù)的詳細(xì)理解。但是，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以在缺少這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施示例性實(shí)施例。在其他情況下，以圖形形式顯示結(jié)構(gòu)和設(shè)備以利于示例性實(shí)施例的描述。
[0022]參考附圖描述示例性實(shí)施例。這些附圖顯示了實(shí)施本文所述技術(shù)的特定實(shí)施例的某些細(xì)節(jié)。但是，附圖不應(yīng)被理解為強(qiáng)加了附圖中表示的任何限制。
[0023]實(shí)施例中公開的多光譜凝視陣列的技術(shù)效果包括大幅降低了需要采集可見光和紅外光的感測系統(tǒng)的復(fù)雜度。傳感器的聯(lián)合降低了光學(xué)復(fù)雜度，并允許制造單個(gè)的多功能半導(dǎo)體。因此，實(shí)施例中公開的實(shí)施凝視陣列的多光譜成像設(shè)備可以構(gòu)造成較小的尺寸形狀，比相應(yīng)的傳統(tǒng)設(shè)備重量更輕、功率需求更低。此外，本發(fā)明的實(shí)施例中公開的將不同傳感器類型整合為單個(gè)半導(dǎo)體維持了系統(tǒng)可用的總光功率，而其在復(fù)雜的分光技術(shù)中通常會喪失。通過在單個(gè)半導(dǎo)體芯片上整合具有不同光譜感光度的傳感器，本發(fā)明實(shí)施的多光譜成像設(shè)備可以形成基本上實(shí)時(shí)的高動態(tài)范圍圖像。最后，多光譜凝視陣列的實(shí)施例保持采樣一致性。
[0024]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多光譜凝視陣列10。多光譜凝視陣列10基于從物體12反射或輻射的電磁能的一系列帶寬的強(qiáng)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(shù)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(yōu)選地，傳感器是能夠檢測來自于VNIR、UR和IR光譜的多個(gè)部分的波長的光的混合材料傳感器?；蛘撸總€(gè)傳感器能夠檢測來自于VNIR、UR和IR光譜的單個(gè)部分的波長的光。在該實(shí)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(xué)元件，其可包括透鏡14和反光鏡16。應(yīng)理解，多光譜凝視陣列中的光學(xué)元件的數(shù)量和設(shè)置可根據(jù)實(shí)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?shù)椒垂忡R16。電磁能被反光鏡16反射并通過光譜濾波器22。由于光譜濾波器的波長響應(yīng)根據(jù)位置而變化，因此光譜濾波器22配置為將寬帶電磁能細(xì)分為一系列光譜帶。
[0026]然后，電磁能的被細(xì)分的光譜帶到達(dá)微透鏡陣列26。微透鏡陣列26的每個(gè)微透鏡將電磁能的細(xì)分光譜帶引導(dǎo)并聚焦在傳感器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位于光譜濾波器22的像平面40上。傳感器28是檢測器陣列，其中每個(gè)檢測器可配置為檢測具有預(yù)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(gè)檢測器將檢測與一部分被成像物體12對應(yīng)的特定光譜帶的電磁能。通過這種方式，傳感器28包括設(shè)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(qū)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(qū)動器36可以致動反光鏡16至第二位置18?；蛘呖刹捎每勺冃畏垂忡R從第一對準(zhǔn)位置致動到第二對準(zhǔn)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。然后，通過自由空間傳播或光導(dǎo)管(lightpipe)，電磁能的光路可以從反光鏡18前進(jìn)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(xì)分為一系列光譜帶。然后，電磁能的被細(xì)分的光譜帶到達(dá)第二微透鏡陣列24，并在第二傳感器30上成像。第二傳感器30位于像平面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的冗余元件能實(shí)現(xiàn)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(yīng)。類似的，第二傳感器30可包括檢測器陣列，其中每個(gè)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可獲得較高的光譜分辨率，即相比于使用從反光鏡16到第一傳感器28的經(jīng)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(shù)量更高。
[0030]或者，多光譜凝視陣列10可獲得較高的動態(tài)范圍，即對于相同的光譜帶寬，使用具有不同光譜感光度的兩個(gè)傳感器28和30比使用單個(gè)傳感器可檢測的亮度的界限更寬。此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過改變反光鏡切換的時(shí)機(jī)，多光譜凝視陣列10可以進(jìn)一步增強(qiáng)高動態(tài)范圍(HDR)成像。例如，16處的反光鏡在第一位置16花費(fèi)較短時(shí)間啟動傳感器28以捕獲圖像較亮區(qū)域中場景亮度的變化，在第二位置18花費(fèi)較長時(shí)間啟動傳感器30以捕獲圖像較暗區(qū)域中場景亮度的變化。
[0031]圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的多光譜凝視陣列100。入射孔包括用于聚焦入射光的透鏡14。光通過配置為細(xì)分入射光譜帶的光譜濾波器110。
[0032]然后，電磁能的細(xì)分光譜帶到達(dá)微透鏡陣列112。微透鏡陣列112的每個(gè)微透鏡將電磁能的細(xì)分光譜帶引導(dǎo)并聚焦到三個(gè)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(xì)分的入射光譜帶引導(dǎo)和聚焦至位于像平面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(xì)分的入射光譜帶分別引導(dǎo)和聚焦至位于像平面122和124的第二傳感器116和第三傳感器118。和圖1的實(shí)施例相同，每個(gè)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(yù)定光譜感光度，從而增強(qiáng)多光譜凝視陣列100的光譜分辨率或動態(tài)范圍。
[0033]圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例的多光譜凝視陣列。與圖1和2中相同，入射孔包括用于聚焦入射光的透鏡14。與圖2中相同，光通過配置為細(xì)分入射光譜帶的光譜濾波器110，然后電磁能的細(xì)分光譜帶到達(dá)例如微透鏡陣列112的透鏡。微透鏡陣列112的每個(gè)微透鏡將電磁能的細(xì)分光譜帶引導(dǎo)和聚焦到均位于像平面226、228和230的三個(gè)傳感器210、214和216之一上。在本發(fā)明的該實(shí)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(shí)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(tài)支撐。因此，不需要在不同位置之間致動反光鏡，三個(gè)傳感器210、214和216就可以同時(shí)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(shí)間量，從而如上所述增強(qiáng)HDR成像。
[0035]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例，圖1的實(shí)施例中的傳感器28和30、圖2的實(shí)施例中的114、116和118、以及圖3的實(shí)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(jù)不同的致動時(shí)間轉(zhuǎn)向的反光鏡。圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的混合材料傳感器300，其能夠響應(yīng)從IR到VNIR以及進(jìn)入U(xiǎn)V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(dǎo)體。半導(dǎo)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(gè)或多個(gè)實(shí)例。不同類型的檢測器整合在單個(gè)半導(dǎo)體中，并且是共面的。檢測器陣列310、312和314均由可包括圖像的子像素的多個(gè)檢測器元件形成。每個(gè)元件響應(yīng)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(gè)子像素元件(例如316和318)形成的VNIR檢測器陣列。九個(gè)元件中的每一個(gè)可響應(yīng)VNIR光譜中的不同子帶。根據(jù)該實(shí)施方式，特定檢測器陣列的每一個(gè)陣列元件可以響應(yīng)對于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(shí)施方式中，檢測器陣列中的每個(gè)子像素可以響應(yīng)相同的光譜帶。在這些實(shí)施方式中，例如圖1的實(shí)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(jìn)行濾波。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，經(jīng)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(xù)的(contiguous)以將多光譜凝視陣列呈現(xiàn)為高光譜成像設(shè)備。
[0036]在如圖5所示的混合材料傳感器的另一個(gè)實(shí)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?；蛘呶锢砩陷^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(dāng)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(gè)子像素元件形成。12個(gè)元件中的每一個(gè)可響應(yīng)VNIR光譜中的不同子帶。根據(jù)實(shí)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采樣，但是根據(jù)特定的光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)可能需要其他配置。
[0037]已知可在成像檢測器的制造中使用多種半導(dǎo)體材料。在本發(fā)明的任意實(shí)施例中，這些材料可以組合在單個(gè)芯片上。例如，UV和VNIR波長檢測器310和314可基于電荷耦合器件(CCD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的變形。IR檢測器312可以是由碲化物、銦或其他合金制造的光電探測器，并與VNIR和UV檢測器310、314合并。當(dāng)通過用于多種檢測器類型的共襯底(例如硅)在相同半導(dǎo)體上堆疊多種檢測器類型時(shí)，使用多種摻雜和蝕刻步驟制造層狀混合波長光電探測器，從而在相同的基片上生產(chǎn)檢測器。例如，UV檢測器314可構(gòu)造在基于CXD的VNIR檢測器310的柵漏上。圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有圖4或圖5實(shí)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(shí)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(shí)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(fā)明的特別簡單的實(shí)施例。入射孔包括用于收集入射光的透鏡14。光通過配置為細(xì)分入射光譜帶的光譜濾波器110。然后電磁能的細(xì)分光譜帶到達(dá)例如微透鏡陣列112的透鏡。微透鏡陣列112的每個(gè)微透鏡將電磁能的細(xì)分光譜帶引導(dǎo)和聚焦到混合材料傳感器410上。微透鏡陣列112用于將入射在混合材料傳感器410上的光引導(dǎo)和聚焦至每個(gè)檢測器，例如圖4或圖5的實(shí)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位于像平面412上。
[0038]本書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳實(shí)施例，并使任何本領(lǐng)域技術(shù)人員能實(shí)施本發(fā)明，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā)明的可專利范圍由權(quán)利要求書限定，并且可以包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其它示例。這樣的其它示例旨在屬于權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，只要它們具有與該權(quán)利要求書的文字語言沒有區(qū)別的結(jié)構(gòu)元件，或者只要它們包括與該權(quán)利要求的文字語言無實(shí)質(zhì)區(qū)別的等效結(jié)構(gòu)元件。
【權(quán)利要求】
1.一種多光譜凝視陣列,包括: 至少兩個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器適于以不同的預(yù)定光譜感光度檢測圖像； 第一透鏡，所述第一透鏡用于捕獲入射光譜帶； 所述透鏡和所述至少兩個(gè)傳感器之間的光譜濾波器，其中所述光譜濾波器配置為細(xì)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(xì)分的入射光譜帶引導(dǎo)和聚焦到所述至少兩個(gè)傳感器的每一個(gè)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜凝視陣列，其特征在于，所述至少兩個(gè)傳感器在單個(gè)芯片上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜凝視陣列，其特征在于，所述第二透鏡是微透鏡陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多光譜凝視陣列，其特征在于，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(jù)權(quán)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(gè)傳感器的每一個(gè)之間的光導(dǎo)管。
6.根據(jù)權(quán)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(dǎo)到所述至少兩個(gè)傳感器的每一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜凝視陣列，其特征在于，所述至少兩個(gè)傳感器是共面的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜凝視陣列，其特征在于，所述預(yù)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(gè)中最大。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光譜凝視陣列，其特征在于，所述入射光譜帶是連續(xù)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(yōu)先權(quán)日:2012年11月9日
【發(fā)明者】T.B.塞巴斯蒂安, S.C.M.斯托茨, E.D.比勒, B.T.奧基平蒂 申請人:通用電氣航空系統(tǒng)有限責(zé)任公司