一种高光谱探测集成模块及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高光谱探测集成模块及其制造方法，其中，该模块包括：玻璃固定翼条、外罩、电荷耦合元件CCD芯片陶瓷基座、CCD阵面及多通道或线性渐变滤光片；其中，所述CCD芯片陶瓷基座中有一凹槽，该凹槽的底部设有CCD阵面；所述多通道或线性渐变滤光片通过所述玻璃固定翼条固定在外罩上，所述外罩与所述CCD芯片陶瓷基座上表面通过树脂胶粘合密封；所述多通道或线性渐变滤光片伸入该凹槽中且与所述CCD阵面的距离小于预设值。通过采用本发明公开的高光谱探测集成模块及其制造方法，简化了光谱成像探测系统的复杂性，缩短了系统的设计周期和生产成本，提高了模块集成度。
【专利说明】一种高光谱探测集成模块及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光谱成像【技术领域】，尤其涉及一种高光谱探测集成模块及其制造方 法。
【背景技术】
[0002] 随着现代精密仪器技术的进步和探测要求的提高，光谱探测和光谱成像探测系统 逐渐朝着微型化、集成化方向发展，同时光谱分辨率也越来越高。光谱成像探测根据分光方 式不同可划分为棱镜分光型、滤光片分光型、光栅分光型和干涉型。棱镜和光栅色散型光谱 成像仪出现较早，技术最为成熟，绝大多数的光谱成像仪均采用此类分光技术。
[0003] 棱镜和光栅的典型应用方式如图la-图lb狭缝位于准直镜的前焦面上，入射光经 过准直光学系统后，被棱镜或光栅色散，成像系统再将不同波长的入射光成像在探测器的 不同位置。
[0004] 干涉型光谱成像探测技术在光路中加入干涉仪，如迈克尔逊干涉仪或Sagnac (萨 格纳克）仪，通过干涉采样结果与光谱之间的傅立叶变换关系推算光谱信息。使用Sagnac 干涉仪的光谱成像仪原理如图2所示。
[0005] 由于棱镜、光栅色散型光谱成像探测和干涉型光谱成像探测系统的分光器件占用 了系统很大一部分空间，无法做到轻量化和小型化，同时大体积色散元件的存在也降低了 系统的稳定性。
[0006] 目前，滤光片型光谱成像仪所使用的滤光片主要分为可调谐带通滤光片和薄膜干 涉滤光片两大类。其中可调谐带通滤光片又分为液晶可调谐滤光片（LCTF)和声光可调谐 滤光片（A0TF)。
[0007] LCTF的原理为光线通过液晶时产生相位差，由于双折射液晶造成的相位差可以通 过电压进行调节，即通过施加不同的电压可以使其不同波长的光发生干涉，从而实现分光 扫描的作用。通常情况液晶可调谐滤光片LCTF在光谱成像系统中有两种放置方式，一种 是LCTF位于镜头前，另一种是放在两镜头之间，即位于准直镜头和成像镜头之间。然而，受 LCTF的位置限制，同时需要液晶电压控制模块，系统的复杂性和体积比本发明要大，因此 LCTF光谱成像探测系统的分光元件和探测器无法集成化和微型化。
[0008] A0TF光谱成像仪的光学系统包括前置准直镜、A0TF和成像镜。光束经前置镜准直 后进入A0TF，经A0TF调谐后产生零级衍射光和正负一级偏振态正交的0与E衍射光，零级 光采用光学陷阱消除，正负一级衍射光经各自的成像光学系统后分别会聚在图像传感器阵 面上。然而，分光元件位于准直镜头和成像镜头之间，无法进行模块化集成；同时A0TF晶体 的物理特性使得光谱探测系统视场角较大的限制，因此该技术不适用于大视场光谱成像探 测环境的要求；此外，声光模块增加复杂性和体积。
[0009] 此外，目前光谱成像探测技术几乎都采用分光元件和探测器分离的方法，采用 LCTF和A0TF的光谱成像探测技术还需要额外的电压模块或声光换能模块，系统的复杂性 高、体积大、抗扰性差且适用范围窄，无法进行模块化集成。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是提供一种高光谱探测集成模块及其制造方法，简化了光谱成像探 测系统的复杂性，缩短了系统的设计周期和生产成本，提高了模块集成度。
[0011] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0012] 一种高光谱探测集成模块，该模块包括：玻璃固定翼条、外罩、电荷耦合元件CCD 芯片陶瓷基座、(XD阵面及多通道或线性渐变滤光片；
[0013] 其中，所述C⑶芯片陶瓷基座中有一凹槽，该凹槽的底部设有(XD阵面；所述多通 道或线性渐变滤光片通过所述玻璃固定翼条固定在外罩上，所述外罩与所述CCD芯片陶瓷 基座上表面通过树脂胶粘合密封；所述多通道或线性渐变滤光片伸入该凹槽中且与所述 C⑶阵面的距离小于预设值。
[0014] 一种高光谱探测集成模块的制造方法，该方法包括：
[0015] 根据C⑶芯片陶瓷基座的尺寸加工一凹槽模板，基于该凹槽模板将所述多通道或 线性渐变滤光片的两端分别与玻璃固定翼条胶合后，通过该玻璃固定翼条固定在外罩上；
[0016] 再将所述外罩安装在CCD芯片陶瓷基座上表面，并通过树脂胶粘合密封；其中，所 述多通道或线性渐变滤光片伸入所述CCD芯片陶瓷基座的凹槽中且与所述CCD芯片陶瓷基 座底部设置的C⑶阵面的距离小于预设值。
[0017] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，将多通道滤光片或渐变滤光片与C⑶芯 片集成耦合，能够极大简化光谱成像探测系统的复杂性，缩短系统的设计周期和生产成本； 并将多通道或线性渐变滤光片所述CCD阵面的保持在较小的距离，可减小甚至消除光谱混 叠对光谱成像探测精度的影响；此外，通过配备不同焦距和孔径数的镜头，还可适应不同的 空间分辨率及信噪比下的探测要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0019] 图la为本发明【背景技术】提供的棱镜色散型光谱成像仪的示意图；
[0020] 图lb为本发明【背景技术】提供的光栅色散型光谱成像仪的示意图；
[0021] 图2为本发明【背景技术】提供的Sagnac干涉仪的光谱成像仪成像原理的示意图；
[0022] 图3为本发明实施例一提供的一种高光谱探测集成模块的结构示意图；
[0023] 图4为本发明实施例二提供的一种高光谱探测集成模块制造方法的流程图；
[0024] 图5为本发明实施例二提供的滤光片玻璃固定翼条安装过程的示意图；
[0025] 图6为本发明实施例二提供的滤光片外罩安装过程的示意图；
[0026] 图7为本发明实施例二提供的整体耦合过程的示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明的保护范围。
[0028] 实施例一
[0029] 图3为本发明实施例一提供的一种高光谱探测集成模块的结构示意图。如图3所 示，其主要包括：玻璃固定翼条11、外罩12、CCD(电荷耦合元件）芯片陶瓷基座13、C⑶阵 面14及多通道或线性渐变滤光片15 ;
[0030] 其中，所述(XD芯片陶瓷基座13中有一凹槽，该凹槽的底部设有C⑶阵面14 ;所述 多通道或线性渐变滤光片15通过所述玻璃固定翼条固定11在外罩12上，所述外罩12与 所述CCD芯片陶瓷基座13上表面通过树脂16胶粘合密封；所述多通道或线性渐变滤光片 15伸入该凹槽中且与所述C⑶阵面14的距离小于预设值。
[0031] 进一步的，所述外罩12与所述(XD芯片陶瓷基座13上表面通过树脂16胶粘合密 封后，通过所述外罩上的通气孔注入惰性气体或抽真空17。
[0032] 另外，图3中的附图标记18为该(XD芯片的引脚。
[0033] 本发明实施例所提供的高光谱探测集成模块相对现有技术而言主要具有以下优 占·
[0034] 1)将多通道滤光片或渐变滤光片与(XD芯片集成耦合，能够极大简化光谱成像探 测系统的复杂性，缩短系统的设计周期和生产成本。
[0035] 2)精确控制滤光片镀膜面和CCD阵面的距离，减小和消除光谱混叠对探测精度的 影响。
[0036] 3)滤光片通过外罩进行固定，集成模块的稳定性高；同时外罩具有密封的作用， 通过将滤光片与CCD芯片之间的部分抽真空或充满惰性气体可以扩大该模块的使用场合 范围，增加模块的使用寿命。
[0037] 4)该模块可以配合不同孔径/焦距的镜头，满足不同空间分辨率和信噪比的探测 要求。
[0038] 5)模块的技术工艺适用于各种带通或渐渐滤光片与C⑶或CMOS芯片的耦合集成， 以满足不同光谱分辨率和信噪比的探测要求。
[0039] 实施例二
[0040] 本发明实施例提供一种高光谱探测集成模块的制造方法，该方法包括：
[0041] 根据C⑶芯片陶瓷基座的尺寸加工一凹槽模板，基于该凹槽模板将所述多通道或 线性渐变滤光片的两端分别与玻璃固定翼条胶合后，通过该玻璃固定翼条固定在外罩上；
[0042] 再将所述外罩安装在CCD芯片陶瓷基座上表面，并通过树脂胶粘合密封；其中，所 述多通道或线性渐变滤光片伸入所述CCD芯片陶瓷基座的凹槽中且与所述CCD芯片陶瓷基 座底部设置的C⑶阵面的距离小于预设值。
[0043] 为了便于理解，下面结合附图4-图7对本发明做进一步说明。
[0044] 如图4所示，该制造方法主要包括如下步骤：
[0045] 1)拆除保护玻璃。
[0046] C⑶芯片上表面通常有一块保护玻璃，该保护玻璃通过树脂胶固定在陶瓷基底上， 起到密封光敏面的作用，有时还会在玻璃表面镀制增透膜来提升芯片探测效果。为了将滤 光片和CCD芯片耦合，需要对该保护玻璃进行拆除。本发明实施例中，可以采用电热法拆除 CCD芯片的保护玻璃，具体的：在CCD电路板表面和保护玻璃中心覆盖一层石棉片，调节电 热烘机温度稍高于玻璃粘胶熔点（约200度左右），对保护玻璃边缘进行加热，待保护玻璃 松动时将其移除。
[0047] 2) (XD芯片外形参数检测
[0048] 精确测量(XD芯片外形参数是保证后续工艺进行的基础，需要测量的主要外形参 数主要是(XD阵面和陶瓷基底上表面的垂直距离d。
[0049] 3)模版加工
[0050] 本发明的模板加工是指根据C⑶芯片的外形参数，在玻璃或金属基板上加工出合 适的凹槽，凹槽的宽度与滤光片宽度匹配，长度需大于滤光片长度，深度t比CCD阵面与陶 瓷基底上表面垂直距离d略小，具体可根据集成要求设定，以消除滤光片光谱混叠的影响， 集成后的模块中滤光片镀膜面到CCD阵面的距离取决于凹槽深度t，为h = d-t。凹槽底部 需有很高的表面光洁度，以保证后续工艺过程中滤光片镀膜面与其接触而不产生损伤。
[0051] 4)滤光片玻璃固定翼条安装。
[0052] 对加工完成后的模板进行检测之后，根据选择最合适的凹槽，摆放好滤光片（包 括，多通道或线性渐变滤光片）和玻璃固定翼条并且胶合。其操作过程可如图5所示，其中， 附图标记11表示玻璃固定翼条，19表示凹槽模版，15表示滤光片。
[0053] 5)滤光片外罩安装。
[0054] 胶合了玻璃固定翼条的滤光片并无法直接与CCD芯片耦合，需通过外罩最终与 CCD芯片集成为一个整体。同时，外罩还具有遮挡边缘光线以及密封的作用。安装外罩之后 的滤光片如图6所示；其中，图6中的a、b、c分别为底视图、顶视图、截面图；附图标记20 表不导气槽，21表不密封口。
[0055] 6)整体耦合。
[0056] 如图7所示，采用与所述外罩匹配的外罩夹持叉将该外罩固定在高精度六维调节 台上，通过调节该高精度六维调节台使所述外罩接近所述CCD芯片陶瓷基座；同时，将扩束 后的激光通过所述多通道或线性渐变滤光片垂直照射所述CCD阵面，根据所述多通道或线 性渐变滤光片相对方位与CCD成像结果的关系调整六维平台，确保滤光片达到最理想的位 置状态。其中，对于线性渐变滤光片，扩束激光产生的成像结果为一条亮线；对于多通道带 通滤光片，扩束激光产生的成像结果为一条亮带；当所述亮线或亮带与图像X轴垂直时，则 达到最理想的位置状态。
[0057] 此外，为防止使用过程中C⑶表面氧化并增加系统的适用范围，可通过外罩上的 通气孔抽真空或充满惰性气体进行密封。
[0058] 本发明实施例所提供的高光谱探测集成模块相对现有技术而言主要具有以下优 占·
[0059] 1)将多通道滤光片或渐变滤光片与(XD芯片集成耦合，能够极大简化光谱成像探 测系统的复杂性，缩短系统的设计周期和生产成本。
[0060] 2)使用模板法精确控制滤光片镀膜面和CCD阵面的距离，减小和消除光谱混叠对 探测精度的影响。
[0061] 3)使用激光器和高精度六维台配合调节能够精准控制滤光片与CCD阵列的相对 位置，有效提高该集成模块的生产质量。
[0062] 4)滤光片通过外罩进行固定，集成模块的稳定性高；同时外罩具有密封的作用， 通过将滤光片与CCD芯片之间的部分抽真空或充满惰性气体可以扩大该模块的使用场合 范围，增加模块的使用寿命。
[0063] 5)该模块可以配合不同孔径/焦距的镜头，满足不同空间分辨率和信噪比的探测 要求。
[0064] 6)模块的技术工艺适用于各种带通或渐渐滤光片与C⑶或CMOS芯片的耦合集成， 以满足不同光谱分辨率和信噪比的探测要求。
[0065] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
【权利要求】
1. 一种高光谱探测集成模块，其特征在于，该模块包括：玻璃固定翼条、外罩、电荷耦 合元件C⑶芯片陶瓷基座、(XD阵面及多通道或线性渐变滤光片； 其中，所述CCD芯片陶瓷基座中有一凹槽，该凹槽的底部设有CCD阵面；所述多通道或 线性渐变滤光片通过所述玻璃固定翼条固定在外罩上，所述外罩与所述CCD芯片陶瓷基座 上表面通过树脂胶粘合密封；所述多通道或线性渐变滤光片伸入该凹槽中且与所述CCD阵 面的距离小于预设值。
2. 根据权利要求1所述的高光谱探测集成模块，其特征在于，所述外罩与所述CCD芯 片陶瓷基座上表面通过树脂胶粘合密封后，通过所述外罩上的通气孔注入惰性气体或抽真 空。
3. -种高光谱探测集成模块的制造方法，其特征在于，该方法包括： 根据C⑶芯片陶瓷基座的尺寸加工一凹槽模板，基于该凹槽模板将所述多通道或线性 渐变滤光片的两端分别与玻璃固定翼条胶合后，通过该玻璃固定翼条固定在外罩上； 再将所述外罩安装在CCD芯片陶瓷基座上表面，并通过树脂胶粘合密封；其中，所述多 通道或线性渐变滤光片伸入所述CCD芯片陶瓷基座的凹槽中且与所述CCD芯片陶瓷基座底 部设置的C⑶阵面的距离小于预设值。
4. 根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述根据CCD芯片陶瓷基座的尺寸加 工一凹槽模板包括： 根据所述CCD芯片陶瓷基座的外形参数，在玻璃或者金属基板上加工一凹槽模板； 其中，该凹槽的长度大于所述多通道或线性渐变滤光片，其深度小于C⑶阵面至该(XD 芯片陶瓷基座垂直距离。
5. 根据权利要求3或4所述的制造方法，其特征在于，所述根据CCD芯片陶瓷基座的尺 寸加工一凹槽模板之前包括： 采用电热法拆除CCD芯片上表面的保护玻璃； 测量所述CCD芯片陶瓷基座的尺寸包括，CCD阵面和陶瓷基底的水平距离以及垂直距 离。
6. 根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述将所述外罩安装在所述CCD芯片 陶瓷基座上表面包括： 采用与所述外罩匹配的外罩夹持叉将该外罩固定在高精度六维调节台上，通过调节该 高精度六维调节台使所述外罩接近所述CCD芯片陶瓷基座； 将扩束后的激光通过所述多通道或线性渐变滤光片垂直照射所述CCD阵面，根据所述 多通道或线性渐变滤光片相对方位与CCD成像结果的关系调整六维平台，确保滤光片达到 最理想的位置状态。
7. 根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述确保滤光片达到最理想的位置 状态包括： 对于线性渐变滤光片，扩束激光产生的成像结果为一条亮线； 对于多通道带通滤光片，扩束激光产生的成像结果为一条亮带； 当所述亮线或亮带与图像X轴垂直时，则达到最理想的位置状态。
8. 根据权利要求3、4、6或7所述的制造方法，其特征在于，该方法还包括： 所述外罩与所述CCD芯片陶瓷基座上表面通过树脂胶粘合密封后，通过所述外罩上的
【文档编号】G01J3/02GK104154995SQ201410415881
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】柳青, 张桂峰, 李杨, 周志胜, 周锦松, 聂云峰 申请人:中国科学院光电研究院