手持式多光谱成像仪的制作方法

本发明涉及光谱成像，尤其涉及一种手持式多光谱成像仪。

背景技术：

1、高光谱成像系统(hyper spectral imaging，简称hsi)，可以获得二维空间图像信息与一维光谱信息构成的具有“图谱合一”特性的三维光谱图像，它既可以观测到二维分布的空间信息，又可以观测到每一个像素点上的光谱信息。

2、图像空间信息反映目标物的大小、形状和缺陷等外部特征，光谱信息能够反映目标物体的物理和化学成分。因此可以通过分析处理光谱信息来识别物质材料、材质和组份等理化信息，还可以通过图像的空间信息快速地、直观地识别相关位置和范围。

3、在经典的hsi系统中，由于系统是基于单个分立器件的，为了保证空间分辨率和光谱分辨率，必须引入物镜、光阑、准直器、各类透镜等光学器件，同时必须考虑各种器件之间的聚焦和准直问题，这就导致传统的hsi系统复杂度很高，体积较大，成本很高，应用范围受到极大限制。

4、再者，为了完成目标特征谱段的滤出，实现目标区分，在图像传感器上集成窄带滤光膜，可实现在所需波段中心滤波的可调谐(如图6所示，窄带滤光膜中心波长在一定范围内可调谐)。但是由于现有高低材料折射率的限制，光谱带宽范围不能覆盖全谱段(如图6所示，截止带宽不到200nm)，存在其他波段信号的干扰如图7所示，除了所需波段外，有其他波段影响。需要外置截止滤波膜(如图8所示)，截止干扰波段。现有外置的截止滤波膜通过单独镀制再贴合到图像传感器上的方式，会减小光谱透过率，导致量子效率降低，影响成像效果。

5、现有的手持便携式光谱成像设备，通常采用传统机制，即分光与成像部组件分立，包括以下三种常见方案。方案一，在图像传感器前方设置切换的滤光片。该方案在同一时刻仅可对一个谱段进行成像，当需要切换至另一谱段时，通过机械结构将所需的新滤光片移动/转动至成像部件前方。此种设计方式引入了大量可动机构，严重影响了系统的集成度和稳定度，降低了系统无故障运行时间，提高了维修维护难度。同时，可动机构及滤波片阵列的存在，势必导致系统总体积的增加；且获取同一画面的多个谱段图像，需要保持凝视和多次切换滤波片成像，无法实现快速获取完整光谱数据立方体的目的。方案二，在图像传感器前方设置液晶可调谐滤波(lctf)单元。电压控制lctf调整至可透过某一波长，之后图像传感器进行成像，再调整至下一波长，如此反复。过程类似于方案一。此种方法除了成像速率低和需要保持凝视的缺点以外，还有光透过率低且视野内透过率不均匀的问题。在通常的光源下，基本上很难对目标进行清晰的成像。方案三，在图像传感器前方设置mems-fp腔(微机电系统-法布里珀罗谐振腔)滤波单元。此种方案类似于上述方案二，是通过mems机构控制fp腔的厚度，实现不同谱段滤波的效果。此种方案除具备上述缺点外，现有mems-fp腔滤波片视场很难做到mm级别以上，且透过率低，仅适用于单点式探测，很难用于成像探测。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

2、本发明提供了一种手持式多光谱成像仪，该手持式多光谱成像仪包括图像传感器，图像传感器包括：像素感光单元，像素感光单元用于实现图像采集和数据读出；分光结构，分光结构包括呈周期式分布的多个周期，每个周期包括窄带滤光膜，窄带滤光膜一体式沉积生长在像素感光单元上，窄带滤光膜用于实现在所需波段中心波长的可调谐；窄带滤光膜包括呈马赛克式分布的多个fp腔结构；过渡层，过渡层一体式沉积生长在分光结构上；第一截止滤波膜，第一截止滤波膜一体式沉积生长在过渡层上，第一截止滤波膜用于截止第一干扰波段；过渡层用于过渡窄带滤光膜和第一截止滤波膜两个膜系；第二截止滤波膜，第二截止滤波膜设置在第一截止滤波膜上，第二截止滤波膜用于截止第二干扰波段，第二干扰波段与第一干扰波段不同；第三截止滤波膜，第三截止滤波膜设置在第二截止滤波膜上，第三截止滤波膜用于截止第三干扰波段，第三干扰波段与第一干扰波段以及第二干扰波段均不同。

3、进一步地，图像传感器的膜系结构为sub|h(lh)^s12nl(hl)^s1 h ln1(w1)^s2n2(w2)^s3n3(w3)^s4|air，h(lh)^s12nl(hl)^s1 h为窄带滤光膜的膜系结构，l为过渡层的膜系结构，w1、w2和w3均包括高折射率材料和低折射率材料，n1(w1)^s2为第一截止滤波膜的膜系结构，n2(w2)^s3为第二截止滤波膜的膜系结构，n3(w3)^s4为第三截止滤波膜的膜系结构，h为高折射率材料，l为低折射率材料，s1、s2、s3和s4为叠加次数，n为窄带滤光膜的膜层厚度调整系数，n1为第一截止滤波膜的膜层厚度调整系数，n2为第二截止滤波膜的膜层厚度调整系数，n3为第三截止滤波膜的膜层厚度调整系数。

4、进一步地，在第一截止滤波膜的膜系结构中，w1包括(0.5lh0.5l)或(0.5hl0.5h)；在第二截止滤波膜中，w2包括(0.5lh0.5l)或(0.5hl0.5h)；在第三截止滤波膜中，w3包括(0.5lh0.5l)或(0.5hl0.5h)。

5、进一步地，第一截止滤波膜、第二截止滤波膜和第三截止滤波膜均采用高折射率材料和低折射率材料交替沉积制备，第一截止滤波膜、第二截止滤波膜和第三截止滤波膜的高折射率材料均包括ta2o5、ti3o5、tio2、si3n4或nb2o5，第一截止滤波膜、第二截止滤波膜和第三截止滤波膜的低折射率材料均包括sio2、mgf2和al2o3中的至少一种。

6、进一步地，第二截止滤波膜粘贴设置在第一截止滤波膜上。

7、进一步地，第二截止滤波膜一体式沉积生长在第一截止滤波膜上。

8、进一步地，第三截止滤波膜粘贴设置在第二截止滤波膜上。

9、进一步地，第三截止滤波膜一体式沉积生长在第二截止滤波膜上。

10、进一步地，每个周期还包括偏振方向不同的多个偏振滤波结构，多个偏振滤波结构与多个fp腔结构随机排列。

11、进一步地，每个周期包括四个偏振滤波结构，四个偏振滤波结构的偏振角度分别为0°、45°、90°和135°。

12、进一步地，每个周期还包括至少一个全透谱段结构，至少一个全透谱段结构与多个偏振滤波结构和多个fp腔结构随机排列。

13、进一步地，每个周期还包括至少一个带通宽谱滤波结构，至少一个带通宽谱滤波结构与多个偏振滤波结构和多个fp腔结构随机排列。

14、进一步地，手持式多光谱成像仪还包括：成像镜组，成像镜组用于透过手持式多光谱成像仪光谱范围指标内的光，将透过的光汇聚在图像传感器上；读出电路，读出电路与图像传感器连接；控制电路，控制电路包括处理器和通讯模块，处理器分别与读出电路和通讯模块连接。

15、应用本发明的技术方案，提供了一种手持式多光谱成像仪，该手持式多光谱成像仪包括图像传感器，该图像传感器通过将窄带滤光膜一体式沉积生长在像素感光单元上，过渡层一体式沉积生长在窄带滤光膜上，第一截止滤波膜一体式沉积生长在过渡层上，第一截止滤波膜、过渡层、窄带滤光膜和像素感光单元之间没有空隙，光谱透过率高，减小了能量损耗，一次制备工艺一体成型，不受外部环境污染，有更好的牢固度，制备效率和集成度更高；通过将第二截止滤波膜设置在第一截止滤波膜上，将第三截止滤波膜设置在第二截止滤波膜上，能够有效扩宽干扰波段的截止范围。此外，由于窄带滤光膜和第一截止滤波膜两种膜系的等效折射率不同，直接叠加会影响峰值透过率，通过在窄带滤光膜和第一截止滤波膜之间设置过渡层，从而能够有效提高图像传感器的峰值透过率。本发明所提供的手持式多光谱成像仪中的图像传感器与现有技术外置贴合截止滤波膜相比，将第一截止滤波膜和窄带滤光膜集成在图像传感器中，极大地提高了量子效率和光谱透过率；将第二截止滤波膜设置在第一截止滤波膜上，将第三截止滤波膜设置在第二截止滤波膜上，能够扩宽干扰波段的截止范围；在窄带滤光膜和第一截止滤波膜之间设置过渡层，有效提高了图像传感器的峰值透过率，能够有效提高手持式多光谱成像仪的光谱分辨能力。