光谱成像芯片、设备及光谱成像方法

本发明涉及光谱设备，尤其涉及一种光谱成像芯片、设备及光谱成像方法。

背景技术：

1、光谱成像技术是一种将光谱探测和成像有机结合的技术，能够对某一物体进行不同光谱下的成像，同时获得被探测物体的几何形状信息和光谱特征。光谱成像技术已经成为对地观测和深空探测的重要手段，应用领域广泛。在天文领域中，同时具备高空间分辨率和高光谱分辨率的光谱成像芯片技术可以获取银河系星云、河外星系等展源的二维光谱数据，通过这些二维光谱数据，可以对确定天体的组成成分、揭示天体和星系的形成及演化过程提供重要的观测依据。

2、现有技术中，传统的光谱成像设备，例如积分视场成像光谱仪，是在光谱仪前增加微透镜阵列、光纤束或像切分器等单元，改变展源图像的空间分布，之后通过光谱仪色散获得三维成像光谱。这种形式对前端单元的光学设计和加工要求很高，并且设备体积大、仪器自重大、价格高昂。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的至少一个方面的技术问题，本发明提供了一种光谱成像芯片、设备及光谱成像方法，可以实现光谱成像设备的小型化，降低成本。

2、本发明提供的光谱成像芯片，包括：依次层叠设置的光调制层、图像传感器层和信号处理电路层，所述光调制层上分布有多个微纳结构阵列，多个所述微纳结构阵列沿第一方向排布形成微纳结构阵列组；在第一方向上，任意一个所述微纳结构阵列与其他微纳结构阵列不相同。

3、根据本发明的一个实施例，沿第二方向，设置有至少两个所述微纳结构阵列组，所述第二方向垂直于所述第一方向。

4、根据本发明的一个实施例，所述光调制层包括两个层叠设置的分布式布拉格反射镜结构和位于两个所述分布式布拉格反射镜结构中间的超表面层。

5、根据本发明的一个实施例，所述分布式布拉格反射镜结构为由氮化硅层和二氧化硅层交替排列组成的周期结构，所述氮化硅层和所述二氧化硅层的总层数至少为2层。

6、根据本发明的一个实施例，所述光调制层包括多个二维光栅结构。

7、根据本发明的一个实施例，所述图像传感器层为ccd或者spad阵列。

8、根据本发明的一个实施例，所述图像传感器层为cis晶圆，且所述cis晶圆包括：光探测层和金属线层，所述光探测层位于所述金属线层下方，所述光调制层与所述金属线层集成在一起。

9、根据本发明的一个实施例，所述图像传感器层为cis晶圆，且所述cis晶圆包括：光探测层和金属线层，所述光探测层位于所述金属线层上方，所述光调制层与所述光探测层集成在一起。

10、本发明提供了一种光谱成像设备，包括如上所述的光谱成像芯片。

11、本发明提供了一种基于上述中的光谱成像设备的光谱成像方法，包括：获取待成像物体的入射光；

12、对所述入射光进行光调制，以得到至少一个调制后的光谱信息；

13、将所述光谱信息传递至所述图像传感器层，以使所述图像传感器层将所述光谱转化成电信号，所述图像传感器层将所述电信号传递至所述信号处理电路层，所述信号处理电路层将所述电信号转化成光谱图像。

14、根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

15、沿第一方向移动所述光谱成像设备，扫描待成像物体；

16、其中，在设定曝光时间内，通过移动使所述光谱成像设备与所述待成像物体的相对位置不变。

17、根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

18、当完成单次曝光测量后，通过移动光谱成像芯片产生设定位移，使所述待成像物体在图像传感器层上的探测图像整体移动设定个微纳结构阵列的距离，并进行下一次曝光测量。

19、根据本发明提供的光谱成像芯片、设备及光谱成像方法，通过在光调制层上设置沿第一方向排布的微纳结构阵列，且沿第一方向排布的多个微纳结构阵列之间互不相同，不同的微纳结构阵列具有不同的滤波作用，即对入射光的频谱具有不同的调制作用。沿第一方向扫描待成像物体，待成像物体的某一点对应的光信号依次被不同的微纳结构阵列调制，并由图像传感器层转换成电信号，再由信号处理电路层进行处理输出。根据待成像物体上的某一点被第一方向上所有微纳结构阵列调制后探测得到的电信号，就可以得到该点处的光谱信息，进一步地，可以得到待成像物体上各点的光谱信息，即该待成像物体的光谱图像。因此，应用本发明提供的光谱成像芯片获取待成像物体的光谱图像，可以实现光谱成像设备的小型化，降低成本。

技术特征：

1.一种光谱成像芯片，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的光谱成像芯片，其特征在于，沿第二方向，设置有至少两个所述微纳结构阵列组，所述第二方向垂直于所述第一方向。

3.根据权利要求1所述的光谱成像芯片，其特征在于，所述光调制层包括两个层叠设置的分布式布拉格反射镜结构和位于两个所述分布式布拉格反射镜结构中间的超表面层。

4.根据权利要求3所述的光谱成像芯片，其特征在于，所述分布式布拉格反射镜结构为由氮化硅层和二氧化硅层交替排列组成的周期结构，所述氮化硅层和所述二氧化硅层的总层数至少为2层。

5.根据权利要求1所述的光谱成像芯片，其特征在于，所述光调制层包括多个二维光栅结构。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的光谱成像芯片，其特征在于，所述图像传感器层为ccd或者spad阵列。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的光谱成像芯片，其特征在于，所述图像传感器层为cis晶圆，且所述cis晶圆包括：光探测层和金属线层，所述光探测层位于所述金属线层下方，所述光调制层与所述金属线层集成在一起。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的光谱成像芯片，其特征在于，所述图像传感器层为cis晶圆，且所述cis晶圆包括：光探测层和金属线层，所述光探测层位于所述金属线层上方，所述光调制层与所述光探测层集成在一起。

9.一种光谱成像设备，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的光谱成像芯片。

10.一种基于权利要求9所述的光谱成像设备的光谱成像方法，其特征在于，所述方法包括：

11.根据权利要求10所述的光谱成像方法，其特征在于，所述方法还包括：

12.根据权利要求11所述的光谱成像方法，其特征在于，所述方法还包括：

技术总结
本发明提供了一种光谱成像芯片、设备及光谱成像方法，涉及光谱设备技术领域。光谱成像芯片包括依次层叠设置的光调制层、图像传感器层和信号处理电路层，光调制层上分布有多个微纳结构阵列，多个微纳结构阵列沿第一方向排布形成微纳结构阵列组；在第一方向上，任意一个微纳结构阵列与其他微纳结构阵列不相同。本发明提供的光谱成像芯片、设备及光谱成像方法，可以实现光谱成像设备的小型化，降低成本。

技术研发人员：崔开宇,杨家伟,黄翊东,张巍,冯雪,刘仿
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11