专利名称：用于光谱成像系统的集成电路的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种用于成像系统的集成电路，该集成电路具有光学传感器阵列和光学滤波器阵列，还涉及相应的系统、方法以及计算机程序，特别是涉及一种高光谱成像(HyperSpectral Imaging, HIS)系统,包括应用驱动系统设计和集成以及制造工艺技术的多个方面。
背景技术：
现有高光谱成像系统的操作高光谱成像涉及跨电磁波谱收集和处理信息的成像技术。人眼只能看到可见光，但是高光谱成像系统不仅能看到可见光，而且能看见紫外至红外。因此，高光谱传感器利用电磁波谱的较大部分观测对象，如以下网页所描述的 http://en. wikipedia. org/wiki/Hyperspectral_imaging特定的对象会在该部分电磁波谱上留下独特的“指纹”。这些“指纹”称为光谱标记，并能够识别构成扫描对象的材料。这种成像系统的高光谱能力能够辨识不同类型的对象，这些对象在人眼看来可能是表现出相同的颜色。多光谱成像处理在分离且相对窄谱带处的若干图像，而高光谱成像处理在连续光谱范围内对窄光谱带成像。它可以对场景内的所有像素产生光谱。当具有覆盖VIS，NIR，SWIR，NWIR和LWIR的20个分离谱带的传感器被视为多光谱时，当另外一个也具有20个谱带的传感器覆盖从500nm到700nm并具有20个IOnm宽的谱带时，它被视为高光谱。高光谱传感器收集信息作为一组“图像”。每个图像表示一电磁波谱范围并已知为光谱带。这些图像中每个都具有两个空间维度，如果一系列不同光谱带的图像有效地叠加从而形成立方体，那么第三个维度可以是光谱维度。这种三维高光谱立方体对于图像的进一步处理和分析是有用的表示。这些传感器的精度通常都是以光谱分辨率测量，该分辨率为被捕捉的光谱的每个谱带的宽度。如果扫描器拾取了大量相对窄的频带，那么即使仅在少数像素内捕捉到对象，也有可能标识所述对象。但是，除了光谱分辨率外，空间分辨率也是一个因素。如果像素过大，那么多个对象在同一个像素内被捕捉，变得难以标识。如果像素过小，那么每个传感器单元捕捉的能量较低，信噪比的降低使被测量特征的可靠性降低。目前的高光谱相机产生高光谱数据立方体或图像立方体，其由在场景的χ-y平面内的2D图像层叠构成，其中层叠的每个图像包括不同频带或光谱带的信息。捕捉的光谱范围不限于可见光，可横跨红外(IR)和/或紫外(UV)。利用本质上为2D传感器的传感器，由高光谱成像器捕捉3D图像立方体。因此，需要使用一些形式的扫描，如图I所示，其示出了光谱维度在垂直方向延伸的立方体的透视呈现，立方体切片的4个视图a)到d)如下顶视图(a)示出了需要捕捉的场景。左视图(b)示出了立方体的垂直切片，表示由线扫描器得到的图像对场景的一个空间线捕捉所有的光谱带，从而产生ID视图。线扫描器或推扫(pushbroom)系统以并行的方式在所有光谱带内捕捉2D场景的单个线。为了覆盖所有场景的所有空间像素，这种类型的系统随后在时间上扫描不同的线，例如通过扫描器和场景的相对移动。右视图(C)示出了水平切片，其示出了由凝视者获得的图像在一个光谱带内捕捉完整的2D场景。凝视者或凝视系统(staring system)通过2D传感器阵列每次在单个光谱带内捕捉完整的场景，并且扫描不同的光谱带以产生3D高光谱图像立方体。底视图(d)示出了穿过立方体的倾斜切片或对角线切片，表示由混合线扫描器/凝视者得到的图像完整的2D场景被捕捉，但是每个空间线处于立方体的不同高度，所以是不同的光谱带。在该情况下，获得了完整的空间图像，但是每条线位于不同的光谱带。在单个帧内，不同的光谱带被捕捉用于不同的空间线。为了利用对于所有空间线的所有光谱带捕捉完整的3D图像立方体，还需要组合的空间/光谱扫描，例如通过场景和2D传感器阵列之间的相对运动。
已知高光谱成像系统的构造
高光谱成像系统或相机可由不同的分离组件构成，例如用于接收入射电磁波谱的光学子系统，用于在接收的光谱内创建不同谱带的光谱单元，以及用于检测不同谱带的图像传感器阵列。光学子系统可由单个或不同透镜、孔径和/或狭缝的组合构成。光谱单元可由一个或多个棱镜，光栅，光学滤波器，声光可调滤波器，液晶可调滤波器等，或它们的组合构成。高光谱成像的主要优点在于，由于整个光谱是在每个点处获得的，操作者无需预知样品，并且后续处理允许数据集中的所有可用信息被开发。主要缺点是成本和复杂度。快速处理的计算机，灵敏的检测器，以及大数据存储能力都是分析高光谱数据所需要的。巨大的数据存储能力是必须的，因为高光谱立方体是大的多维数据集，可能会超过数百兆字节。所有这些因素极大地增加了获得和处理高光谱数据的成本。因此，目前的高光谱成像器或者作为研究仪器，因为它们太慢并且非常贵，或者被设计为特定的工业应用，由此缺乏灵活性。
发明内容
本发明的目标是提供一种改进的设备或方法。第一方面提供一种根据独立权利要求I所述的用于成像系统的集成电路。这些特征的效果是从光学传感器阵列的读出可被加速，或者对于给定的读出速度可以使用更大的阵列。这种更快的读出可降低由传感器阵列和被成像对象之间的相对运动所造成的模糊，或者可以增加图像的分辨率或质量。传感器组可通过多种方式安排，例如间隔布置，或线性连接。如果需要，由传感器组的布置模式所产生的图像伪像可通过后续的图像处理来补偿。第二方面提供了一种根据权利要求5所述的用于成像系统的集成电路。光学滤波器的厚度沿着线进行改变，以在某些点增加而在其他点降低，这样的效果是使得相邻的光学滤波器都更厚，或者都更薄，以产生脊或谷，或者使得光学滤波器簇覆盖重叠的光谱带。第三方面提供了一种根据独立权利要求13所述的用于成像系统的集成电路。沿着条带进行厚度改变的效果是改进感测中的光谱精度或提高产出，或降低图像处理的需求，或者在给定的产出或精度下实现更大的阵列。
第四方面提供了一种根据独立权利要求14所述的用于成像系统的集成电路。具有波长选择器的读出电路的效果在于它使得例如在光谱二次采样或光谱移动中对于各种可能的失真进行补偿成为可能，所述的波长选择器是用于在不同光学滤波器的相应像素的读出信号之间选择或内插。这又可以使得晶片的产出增加和/或成本降低，这是由于对于通过且因此被检测的波长的给定精度可以容许更多的厚度改变。另外一个方面提供了具有这种集成电路的成像系统。其他方面提供使用该系统的相应成像方法，以及用于光谱立方体图像处理的相应计算机程序。任意的附加特征可与上述方面中的任一个进行组合或结合。其他的优点对于本领域技术人员来说也是显而易见的，特别是相对于现有技术而言。在不脱离本发明要求保护的范围的情况下可进行多种变形和改变。因此，应该清楚地理解出，本发明的形式只是说明性的，并不旨在对本发明范围的限制。
现在将要在参考附图的基础上以实例的形式来描述本发明如何实现其效果，其中图I示出了高光谱图像立方体的获取。图2示出了使用法布里-珀罗波长选择的光学滤波器，(a)法布里-珀罗工作原理，多个光线被反射，在半反射镜之间的距离I处以及入射角度Θ下，基于光的波长会导致相长和相消的干涉。(b)高阶同样被选择，这导致阶选择问题。图3示出了滤波器光学参数的定义。图4示出了入射到楔形的入射角度对出射光瞳的尺寸的依赖关系。图5示出了法布里-珀罗干涉仪形式的光学滤波器对入射角度的敏感性。图6a_b示出了集成成像系统(a)截面(b)顶视7示出了法布里-珀罗干涉仪的光谱范围。图8示出了阶梯形结构的二进制或对数图案化原理。图9_a到e示出了制造法布里-珀罗干涉仪的示意性流程。图ΙΟ-a到e示出了制造法布里-珀罗干涉仪的替换示意性流程。图11示出了滤波器特性处理容限的影响。图12示出了一种集成成像系统形式的集成电路，被设计用于容忍处理技术的容限。图13示出了具有几个带重叠的集成成像系统，其考虑了蚀刻容限。图14示出了一种集成成像系统，其中滤波器被重新排序。图15a_c示出了图像传感器对于滤波器性能的影响。图16示出了集成成像系统的读取。 图17示出了在光学滤波器下具有多个传感器线的集成成像系统的读出。图18示出了与物镜组合为系统的集成成像系统。图19示出了与准直器进行组合的集成成像系统。图20示出了准直对光谱分辨率的影响。图21示出了集成成像系统中狭缝尺寸与光谱分辨率之间的关系。
图22a_b示出了孔径尺寸对于集成成像系统的光谱分辨率的影响。图23，24，27和28示出了根据本发明实施例的集成电路的示意图。图25和26示出了光学滤波器厚度的可选择轮廓，其中具有增加或减少的厚度。图29示出了根据实施例的成像系统的示意图，图30示出了包括带楔形滤波器阵列的准直系统的成像系统的光学部件的侧视图，以及图31示出了具有带楔形滤波器阵列的集成电路的未准直系统的视图。
具体实施例方式本发明将在参考特定附图的基础上以特定的实施例进行描述，但是本发明并不限 于这些，而仅由权利要求所限定。所描述的附图仅仅是示意性，而非限制性。在附图中，某些元件的尺寸为了描述目的可能被放大，并不是按照比例进行绘制的。其中在说明和权利要求中使用的词术语“包括”并不排除其他的元素或步骤。当涉及到单数名词所使用的“一”或“一个”等定冠词和不定冠词，可包括多数个，除非另外进行了特定的说明。权利要求中使用的术语“包括”不应该被理解为是对所列装置的限制；它并不排除其他的元素或步骤。所描述接收器的元件或部件可包括编码在介质内的用于运行任意类型信息处理的逻辑。逻辑可包括编码在盘片或者其他计算机可读介质内的软件和/或编码在专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)，或其他处理器或硬件内的指令。对软件的引用可包括由处理器直接或间接执行的任意语言的任意类型程序。对逻辑，硬件，处理器或电路的引用可包括任意类型的逻辑或模拟电路，可为任意集成度，并不限于通用处理器，数字信号处理器，ASIC，FPGA，离散的组件或晶体管逻辑门等
坐寸ο对光学的引用旨在包含至少人类可见波长范围，红外波长，以及更短的延伸到紫外波带的波长，其中对于光学滤波器厚度制造变化的灵敏度被着重说明。在一些实施例中，光学滤波器和光学传感器可限于这些波长任意子集的范围内，这些子集例如仅可见波长，或可见和更短波长。对光学滤波器阵列或光学传感器阵列的引用旨在包括I维线性阵列，2维阵列，例如矩形或非矩形阵列，规则间距阵列，以及非平面阵列。对集成电路的引用旨在包括至少管芯或封装的管芯(例如具有单片集成到传感器阵列上的光学滤波器阵列)或器件，在该器件中，光学滤波器阵列被分开制造并随后被增加到管芯或相同集成电路封装上。对波长光谱的引用旨在涵盖例如连续光谱或一系列几乎相邻的离散谱带。对并行读出的像素的引用旨在包含其中所有像素具有用于读出的分离线的实例，以及其中给定部分平行安排，两个或多个像素共享线并在不同时间启用输出的实例。另外，说明书和权利要求中的术语第一，第二，第三等等只是用于区分相似的元素，并非意欲表示顺序或时间次序。可以理解，这些术语在合适的环境下是可互换的，并且本文所描述的本发明实施例能够以本文描述或说明之外的其他顺序操作。
另外，在说明书和权利要求中的顶，底，在……之上，在……之下以及类似的术语是用于说明的目的，并非意欲描述相对位置关系。可以理解，这些术语在合适的环境下是可互换的，并且本文所描述的本发明实施例能够以本文描述或说明之外的其他取向操作。说明书中提到的“一个实施例”或“一实施例”的表示与该实施例相关地描述的特定特征，结构或特性至少包含在本发明的一个实施例中。因此，说明书中各处出现的语句“在一个实施例中”或“在实施例中”并非意欲指向同一实施例，但是也可能指的是同一实施例。另外，特定的特征，结构或特性可以任意合适的形式在一个或多个实施例中进行组合，这对本领域普通技术人员就本公开来看是显而易见的。相似的，可以理解，在本发明示例性实施例的描述中，为了实现使公开简单明了以及便于理解各种发明方面的中一个或多个，本发明的各种特征有时是在单个实施例或其附
图、描述中组合在一起。然而，本公开的方法不解释为反映要求保护的发明要求比准确陈述在每个权利要求中的特征更多的特征的发明。相反，如下面的权利要求所反映的那样，发明方面在于少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，详细说明之后的权利要求应当认为是包括在该详细说明中，每个权利要求就其本身而言可作为本发明单独实施例。另外，虽然本文描述的一些实施例包括了一些特征，但是并未包括其他实施例中的另外一些特征，但是对于不同实施例中特征的组合落在本发明范围内并形成不同的实施例，这对于本领域技术人员来说是可以理解的。例如，在下面的权利要求中，所要求保护的实施例中的任何一个都能够被用于任意的组合中。本文所提供的说明中，阐述了很多具体的细节。但是，可以理解，本发明的实施例可在没有这些具体细节的情况下实现。在其他实例中，已知的方法、结构和技术并未详细示出，这是为了便于说明书的理解。现在，将通过本发明几个实施例的详细描述对本发明进行描述。可以理解，在不脱离本发明技术教导的前提下，根据本领域技术人员的知识可构造本发明的其他实施例，本发明的范围仅仅是由附加的权利要求所限定的。 对由实施例解决的一些问题的介绍。期望一种具有图像传感器阵列的组合光谱单元。这种集成组件需要与光学子系统进行组合以形成完整的高光谱相机系统。这样的高光谱成像系统应该是紧凑的，能够以低成本制造并且是可重新配置的。在某些方面，工艺技术方面与系统集成和图像处理技术组合以减轻集成电路制造工艺的要求。在一些实施例中，公开了一种包括具有光谱单元的集成电路的高光谱成像系统，其中光谱单元与形成图像传感器阵列的光学传感器阵列单片集成在一起。在优选的实施例中，使用半导体处理工艺将光谱单元与图像传感器阵列进行集成，即使用半导体处理工艺和处理步骤将光谱单元在包括图像传感器阵列的衬底上进行后续加工。这样半导体工艺的例子是互补金属氧化物半导体(CMOS)处理，借此图像传感器阵列是CMOS传感器，电荷耦合器件(CCD)处理，借此传感器阵列是CCD传感器。这些制造技术是理想地适合于生产集成电子电路。这样的单片集成使得制造成本低廉并且提供更高的性能，这是由于不需要界面层来将光谱单元附连到衬底上。因此，显著降低杂散光影响。对于大规模的技术时代，可以选择以更低成本的技术来生产具有例如130nm大临界尺寸(CD)的imec传感器，导致图像传感器阵列的更大像素以及更小空间分辨率。
可替换地，选择以更高成本技术来制造图像传感器阵列，其具有例如45nm的较小临界尺寸(CD)，导致图像传感器阵列的较小像素和较高空间分辨率。图像传感器阵列可以是前照射传感器，借此在包括传感器的衬底的顶部对光谱单元进行后续处理。可选的，该衬底可在之后进行减薄，以减小衬底的体积，从而留下包含单片集成有图像传感器阵列和光谱单元的薄片。可替换地，图像传感器阵列可以是后照射传感器，借此包括传感器的衬底首先从背侧向前进行减薄。在经减薄衬底的背侧，光谱单元被后续处理。优选的，光谱单元是法布里-珀罗滤波器的顺序I维或2维阵列。该阵列可以是单调变化的，借此法布里-珀罗滤波器的厚度从阵列的一侧到另一侧单调减少。可替换地，该阵列也可以是非单调的，其中法布里-珀罗滤波器的厚度从阵列的一侧到另一侧是非单调变化的。公开一种制造这种法布里-珀罗滤波器的方法。虽然可以制造任意阶数的法布里-珀罗滤波器，但是优选在图像传感器阵列上形成仅第I阶法布里-珀罗滤波器，这样可以降低移除和/或阻挡高阶组分的复杂性。因此， 高光谱系统的操作复杂性降低了。由于光谱单元在包括传感器的衬底上被直接后续处理，所以光谱单元可被制造的很薄，并能够制造第I阶法布里-珀罗滤波器。将高光谱成像与第I阶法布里-珀罗滤波器单片集成作为光谱单元通常不需要光学子系统中的聚焦透镜。公开包括光学子系统和单片集成的光谱单元和图像传感器阵列的完整高光谱成像系统的实例。这些完整的成像系统利用单片集成的优点，允许光学子系统的设计自由度。另外，还公开根据第一方面实施例的高光谱成像系统的设计和操作方法。这些设计和操作方法利用单片集成成像系统的制造特点，从而能够容忍更大的制造窗口。在一些实施例中，使用光谱过采样来校正制造技术中的工艺容限和缺陷。高光谱成像系统被设计为比目标应用的要求具有更高的光谱分辨率和更多的谱带。这样设计的成像系统的法布里-珀罗滤波器对于引入的工序容限具有降低的灵敏度，特别是对于由一阶法布里-珀罗滤波器的严格规范引入的容限。另外，这样的设计使得可以通过在运行时间调节光学系统来以可配置的方式降低光谱分辨率以增加速度。因此不再需要准直器和狭缝，得到成本更低的高光谱成像系统。在一些实施例中，范围延伸被用于校正制造技术中的过程容限和缺陷。顺序的一维或二维法布里-珀罗滤波器阵列是以特定的非单调次序，范围扩展以及有意的步骤重叠/再现进行设计。这样设计的成像系统的法布里-珀罗滤波器对于引入的过程容限具有降低的灵敏度，特别是对于由一阶法布里-珀罗滤波器的严格规范所引入的容限。此外，滤波器的设计(例如限定滤波器腔长的厚度)也可考虑特定滤波器在芯片上的位置，以降低对于入射电磁波谱入射角度变化的依赖性。单片集成滤波器在图像传感器阵列的顶部被后续处理并且每一阶都与图像传感器阵列的一个或多个行或列对准。楔形的每一阶过滤掉不同的光谱带。结果，传感器和楔形滤波器的组合可被用于推扫、线扫描器类型或线扫描器/凝视器混合类型的高光谱成像器。高光谱相机系统可包括在前述定义的图像传感器阵列上后续处理的光学滤波器，该系统还可以包括物镜和/或狭缝和/或准直器。集成光谱模块是形成该相机子系统的集成电路，并且由集成在图像传感器顶部的不同光学线滤波器构建。现有的楔形滤波器是分离的组件，其在制造后组装到图像传感器上。作为本公开一个方面的一部分的单片集成的结果，其中滤波器在成像器的顶部被直接后续处理，在滤波器和图像传感器之间的杂散光量可以显著降低。结果，相对于离散集成的滤波器，光谱分辨率得到了改进。优选使用例如CMOS成像器或CCD成像器之类的半导体成像器来单片集成法布里-珀罗滤波器。所提出的高光谱模块是可单片集成的，意味着滤波器结构可在图像传感器的顶部直接后续处理。这样，与单独制 造然后再与成像器组装的滤波器结构相比，这种集成具有非常重要的优点和结果。单片集成的优点包括通过标准的CMOS生产步骤降低成本，降低了杂散光，允许一阶设计并且无需聚焦透镜。与其中滤波器结构被单独制造然后与图像传感器组装进高光谱模块的混合集成相比，该提出的方法具有一些非常明显的优点。首先，与滤波器结构被单独制造然后与图像传感器被组装进模块的混合集成相t匕，将两个生产序列组合为一个组合流程使得生产总体上简化并降低了成本。特别是对于这种滤波器的情况，因为滤波器结构的生产后只要求CMOS兼容的制造步骤，像沉积，图案化以及刻蚀。通过将这些步骤增加到图像传感器的正常生产流程中，避免昂贵的，易于产生错误的以及劳动力密集的组装步骤。例如，对于在布拉格层叠中具有具有氧化物和非晶硅的3层和在腔内具有127阶的滤波器，大约需要50次循环(lot-turn)，这相对于标准的CMOS成像器增加约20%的成本。如果可以在同一工具中一层接一层地沉积不同的层，那么对于顶部和底部反射镜层的沉积的循环数量可以进一步减少。第二，通过将滤波器结构直接制造在成像器像素的顶部，光子可直接穿过滤波器进入下面的像素。对于前照射传感器来说，光子会首先穿过金属化层和一些介电层。如果滤波器结构被单独制造并层叠到图像传感器的顶部，那么在这两个结构之间总会存在非功能层或间隙。甚至当滤波器和衬底的组合被翻转而滤波器位于支撑衬底和图像传感器之间时，在入射到图像传感器光电二极管之前，光首先会穿过衬底，然后穿过滤波器并最终穿过薄的空气或胶间隙层。当滤波器结构与图像传感器进行组合时，它们彼此层叠在顶部并在不同层之间具有空气或胶，这种介于滤波器结构和下面像素行之间的额外衬底总是会产生一定的性能降级，这是因为I.串扰从某个像素上方的滤波器出射的光子可穿过间隙并落入相邻的像素内。当通过将滤波器直接后续处理到像素上而降低或完全移除间隙时，上述的效应将被极大地降低。但是由于进入到一个像素上方的滤波器内的光子还会继续传播穿过滤波器并落入相邻的像素内，所以滤波器本身的厚度会引起一些串扰。通过设计更薄的滤波器以及控制入射角度可降低这种效应。2.杂散光如果折射率不匹配(参见下面的方程8)，额外的非功能层会导致其界面处的额外反射并因此会增加上述讨论的串扰顶部的额外杂散光。对于不同的入射角度，通过减少滤波器与图像传感器的像素阵列之间的有效距离S，可以降低杂散光。对于较小的距离S来说，例如lnm，杂散光(D)传播的距离正好处于普通的像素尺寸(也即I到15_m)内。对于较宏观的集成距离来说情况则并非如此，例如Imm的衬底，在这种情况下，传播光距离D横跨几十到几百个像素，这导致了空间和光谱分辨率的严重恶化。在一些情况中，距离D可变的很大，此时就需要附加的聚焦透镜来将光聚焦回像素内。3.由于杂散光顶部的寄生法布里-珀罗另外，正如现有技术所显示出的，光电二极管顶部的介电堆叠以及金属反射部分光。连同由异质集成和腔底部镜导致的间隙一起，这形成了与实际法布里-珀罗干涉的寄生法布里-珀罗。这可以通过单片集成来优化，因为成像器内的介电层变成了底部布拉格层叠的一部分，其由相似材料(例如氧化物)制造并且对于这些层的宽度不非常敏感。这种问题在生产后组装到图像传感器上的混合过滤器结构上表现的很严重的一个重要原因在于这样一个事实，其中非常薄的滤波器结构单独地需要额外插入(透明的)支撑结构以机械支撑滤波器并能够进行堆叠。当这个层被置于滤波器和图像传感器之间时，该层以及位于支撑层和图像传感器之间的附加空气或胶间隙就组成了非功能间隙。当将支撑结构置于顶部时，它还会产生额外的反射并需要独立进行优化(例如通过增加抗反射涂层)，但是在滤波器和图像传感器之间还是会存在空气或胶层。通过在图像传感器的顶 部直接后处理滤波器结构，所有这些都是多余的，正如上面所讨论的。第三，与非常精确的CMOS制造技术组合的单片集成使得滤波器结构的构造具有小得多的厚度。正如后面将要讨论的，法布里-珀罗滤波器结构被设计为通过调谐腔长来选择特定的波长。滤波器越薄，对入射角越不敏感，因为对非垂直的入射，滤波器的内反射覆盖较短距离。较厚的滤波器会经历传播光束的更大位移D，范围超过10mm。这会导致空间和光谱分辨率的严重降低，因为穿过滤波器的光会落入其他行或列的像素上。因此，这种宏观滤波器需要聚焦透镜。而薄的滤波器对此的灵敏度要小得多，并且位移D在大多数情况下都小于像素尺寸，例如，对于除了最大的入射角度和最小像素尺寸之外的所有情况来说，优选在I-IOnm范围。与滤波器结构和图像传感器的混合集成进行组合，传统的生产技术不能达到制造一阶法布里-珀罗滤波器所要求的精度。因此，只能使用高阶的法布里-珀罗结构。在这种情况下，必须向模块中增加二向色或其他滤波器以只选择需要的阶。这产生了额外的能量损失，额外的成本并因此降低了整个系统的优化性。最后，当法布里-珀罗滤波器被置于距图像传感器一定距离时，滤波器的输出会显示出相差，当使用透镜进行聚焦时相差会以同心圆的形式呈现出来。同心圆是不同干涉波的结果，其中在不同的位置会呈现相长或相消干涉。对于宏观滤波器，因为滤波器内的反射覆盖的是大距离，因此需要聚焦透镜，以便将所有这些反射聚焦回一个像素。在此公开的集成成像模块中，滤波器结构和图像传感器之间的距离非常小并且由于滤波器被设计为一阶，所以不再需要聚焦透镜。薄的滤波器不需要聚焦透镜，因为内反射覆盖了小得多的距离，对于该滤波器来说，所有的光会落入一个像素内(在大量的内反射后，光线中超出单个像素尺寸剩余的能量可以忽略不计)。由相位差造成的同心圆是还会存在，但是全部会被聚焦在同一像素内部，并且它们的效果都会全部的集中到那个像素的输出中。在有源IC (在该情况下是图像传感器)的顶部的滤波器结构直接后续处理应当与该IC的污染、机械、温度限制以及其他的限制相兼容。这意味着例如制造滤波器使用的所有步骤不能使用会对下面的图像传感器造成损伤的材料或处理步骤。正如将在下面将要讨论的，考虑到CMOS的生产环境，最重要的限制之一是对可用材料的约束。在提出的滤波器中，材料选择被执行成使用标准材料，该材料与标准的制造过程是完全兼容的。但是有些材料则是不能使用的，例如金或银，因为它们易于扩散进入不同的层中以及进入到工具当中，并因此对于当前、甚至后面的处理步骤产生负面影响。在一些情况中，当沉积是在正常的生产线之外进行的并且当所述工具只用于该目的时，则这样的层只能作为最后步骤(顶层)。这仅能作为最后一步执行，因为在该操作之后晶片不能进入正常流程内。与材料选择相关的另一限制是可用于加工的温度预算或温度窗口。需要在不损伤图像传感器的情况下实现后续处理。为了防止损伤，处理步骤的最大温度不应超过特定最大值，例如400摄氏度。这同样限制了材料的选择以及可用于该设计的结晶度。相对于混合方法，其中图像传感器和单独制造的滤波器结构后续被组装到模块内，此处的自由度更少。在单片集成的情况下，在贯穿整个设计当中都需要考虑这些限制。如果在图像传感器本身的设计当中可极性特定的设计选择，为例缓解滤波器处理上的限制(例如可提高后续处理的允许温度)，则可以将这些考虑在内。此时，这导致模块级的优化问题，而非分别针对图像传感器和滤波器结构。总是对滤波器结构施加约束，因为它后续图像传感器的顶部被处理。光学滤波器
图像传感器的每个像素可具有其自己的、对一个特定波长敏感的光学滤波器。传感器上不同光学滤波器的组织依赖于它们的用途。线扫描器要求同一线上的每个像素具有相同的波长选择性，在这种情况下，它被称为线滤波器。存在不同类型的滤波器。本公开中使用的类型为法布里-珀罗干涉仪。法布里-珀罗滤波器图2示出了法布里-珀罗波长选择。(a)法布里-珀罗工作原理，多个光线被反射，基于光波长、半反射镜之间的距离I以及入射角Θ，会产生相长或相消干涉。(b)更高的阶数也被选择，这导致阶选择问题。滤波器的操作是基于已知的法布里-珀罗原理，其中每一阶的高度被调谐到被过滤的光谱带。每一阶形成共振腔，其共振频率由阶的高度确定。在腔的顶部和底部，设置有半透明的反射镜以部分地反射光线。由于反射，引入了光程差，这会导致相长或相消的干涉(依赖于入射波长)，如图2a所示。法布里-珀罗滤波器由透明层(被称为腔)构成，在该透明层的每一侧具有两个反射面设置。反射面的透明度和反射率必须关于法布里-珀罗滤波器的目标波长范围来考量。作为波长的函数，光的透射在相应于腔共振的中心波长周围显示出窄峰。如图2a所示，腔内的光被多次反射，对于穿过滤波器的光，产生光程差和相移，输出端的多个光线导致依赖于腔内引入的相移的干涉。很多的干涉光线导致强选择性的光学滤波器，其透射函数由方程I给出。
rj-t2Te =-5--
e I +R2-IRcosS (I)引入的相移δ (对于入射角Θ )等于s = 4—cos6 (2)当相移等于O或2的倍数时就会发生相长干涉。在这种情况中，方程I的分子等于分母，透射率为100%。方程3描述了法布里-珀罗滤波器的透射率与腔长、入射角以及腔折射率的函数关系。从这个方程中，法布里-珀罗滤波器可通过改变腔长而被设计为用于特定的波长。在相长干涉中，方程I中的分子等于分母，透射率为100%。方程3给出了透射率为100%的波长与腔长、入射角以及腔折射率之间的函数关系。在这个方程中，通过改变腔长1，法布里-珀罗滤波器可被设计用于特定的波长。m λ = 2nlcos Θ ⑶法布里-珀罗滤波器的中心波长是唯一重要的光学参数。由于当相移等于2的倍数时，都会发生相长干涉，多个波长(也称为高阶)将会通过滤波器。如图3所示，滤波器的两个透射峰之间的波长间隔称为自由光谱范围。这个参数越大，与高阶波长相关的问题发生得越少。被设计为用于一阶波长的法布里-珀罗干涉仪能够提供最大的自由光谱范围。的确，对于700nm的一阶中心波长，自由光谱范围为350nm，其二阶在350nm处。如果一阶中心波长为1400nm，在二阶选择700nm，三阶为466nm，对于700nm来说，这将自由光谱范围减少至233nm。第二个参数是滤波器质量，它被定义为相对中心波长的滤波器带宽。该带宽由滤波器的FWHM或半高宽表示，它被定义为二分之一最大透射率处的通过带带宽，如图 3所示。同样用于表示滤波器质量的第三个参数是法布里-珀罗干涉仪的精细度F，它由方程4中的自由光谱范围Λ λ与FWHM δ λ之间关系定义。对于固定的自由光谱范围，更高的精细度将自动导致较低的FWHM或更好的光谱分辨率(看下文)。如方程5所示，精细度只依赖于反射表明的反射率。对于相同的自由光谱范围，反射率越高，光学滤波器的精细度越高、带宽或FWHM越窄。
权利要求
1.一种用于成像系统的集成电路，所述集成电路具有光学传感器阵列和光学滤波器阵列，每个光学滤波器被配置为将一波长带传递到传感器的一个或多个上，所述光学滤波器阵列与所述传感器阵列集成，并且所述集成电路还具有从所述传感器阵列读出像素值以表示图像的读出电路， 光学滤波器中的不同光学滤波器被配置为具有不同的厚度，以借助干涉传递不同的波长带，并允许波长光谱的检测，传感器中的至少一些在光学滤波器中的相同一个下安排成组，并且 用于所述组的读出电路包括两个或更多输出电路，其中每个输出电路耦合到所述组中的不同传感器，以使得所述组的多个像素能够在所述输出电路上并行读出。
2.如权利要求I所述的集成电路，光学滤波器的每一个具有作为跨所述集成电路的带的布局，光学滤波器中相应一个的传感器组具有延伸为相应带的布局。
3.如权利要求I或2所述的集成电路，传感器组具有被配置成与带布局对应的两行或多行传感器的布局，每行传感器耦合到不同的输出电路。
4.如权利要求I，2或3中任一项所述的集成电路，所述读出电路具有波长选择器，所述波长选择器用于在不同光学滤波器的相应像素的读出信号之间选择或对其进行组合，以将输出调谐成对应于特定波长。
5.一种用于成像系统的集成电路，所述集成电路具有光学传感器阵列和光学滤波器阵列，每个光学滤波器被配置为将一波长带传递到传感器的一个或多个上，所述光学滤波器阵列与所述光学传感器阵列集成，并且所述集成电路还具有从所述传感器阵列读出像素值以表不图像的读出电路， 光学滤波器中的不同光学滤波器被配置为具有不同的厚度，以借助干涉传递不同的波长带，并允许波长光谱的检测，以及 光学滤波器中的不同光学滤波器的位置被安排成沿着不同滤波器的行跨越所述光学滤波器阵列，厚度被设置为变化以沿着该行在一些点处增加而在其他点处减小。
6.如权利要求5所述的集成电路，所述光学滤波器的位置被安排成使用于光学传感器较不敏感的波长的光学滤波器位于入射照射具有较高强度的位置。
7.如权利要求5或6所述的集成电路，所述位置被安排成提供具有不同厚度的相邻光学滤波器的簇以能够在第一光谱范围上检测，并且提供具有不同厚度的邻近簇以能够在第二光谱范围上检测，使得第一和第二光谱范围重叠。
8.如权利要求5-7中任一项所述的集成电路，传感器中的至少一些被安排成组，每个组从光学滤波器中的相应一个接收光，以及 读出电路包括与相应组中的传感器相耦合的至少一个输出电路，以及所述集成电路还具有波长选择器，所述波长选择器用于在与不同光学滤波器对应的不同组的读出信号之间选择或对其进行组合，以对这些组提供调谐成对应于特定波长的输出。
9.如权利要求5-8中任一项所述的集成电路，光学滤波器中的每一个具有作为跨所述集成电路的带的布局，用于光学滤波器中相应一个的传感器组具有延伸为相应带的布局。
10.如权利要求5-9中任一项所述的集成电路，所述位置被安排成提供具有都较厚或较薄的相邻带的给定光学滤波器，以分别提供谷或脊结构。
11.如权利要求5-10中任一项所述的集成电路，光学滤波器的厚度被配置成补偿跨所述光学滤波器阵列上的不同位置处光入射角的不同。
12.如权利要求5-11中任一项所述的集成电路，所述位置被安排成提供光学滤波器簇，每个簇覆盖相邻波长的范围，相邻的簇具有重叠的波长范围，并且读出电路具有用于每个簇的波长选择器，所述波长选择器用于在簇的不同光学滤波器的相应像素的读出信号之间选择或内插，所述波长选择器被配置成采用共同的选择或内插操作，以移动所述传感器阵列整个输出的波长测量。
13.一种用于成像系统的集成电路，所述集成电路具有光学和/或红外传感器阵列，以及光学滤波器阵列，每个光学滤波器被配置成将一波长带传递到传感器的一个或多个上，以及读出电路，所述读出电路从所述传感器阵列读出像素值以表示图像， 光学滤波器中的不同光学滤波器被配置成具有不同的厚度，以借助干涉传递不同的波长带，以允许波长光谱的检测， 光学滤波器的每一个具有作为跨所述集成电路的带的布局，用于光学滤波器中相应一个的传感器组具有延伸为相应带的布局，以及 相应光学滤波器的厚度沿着所述带的长度配置，以补偿沿所述带的不同位置处的不同光入射角。
14.一种用于成像系统的集成电路，所述集成电路具有光学传感器阵列，以及光学滤波器阵列，每个光学滤波器被配置成将一波长带传递到传感器的一个或多个上，所述光学滤波器阵列与所述光学传感器阵列集成，并且所述集成电路还具有从所述传感器阵列读出像素值以表示图像的读出电路， 光学滤波器中的不同光学滤波器被配置成具有不同的厚度，以借助干涉传递不同的波长带，并允许波长光谱的检测，以及 所述读出电路具有波长选择器，所述波长选择器用于在不同光学滤波器的相应像素的读出信号之间选择或对其进行组合，以将输出调谐成对应于特定波长。
15.如权利要求14所述的集成电路，所述波长选择器被安排成输出表示比设置在所述光学滤波器阵列上的不同光学滤波器的数量成比例减少的波长的信号，以提供成比例的光谱二次采样。
16.如权利要求14或15所述的集成电路,所述波长选择器被安排成输出表不与设置在所述光学滤波器阵列上的不同光学滤波器的数量类似的波长数的信号，以提供输出信号的波长测量的移动。
17.如权利要求16所述的集成电路，所述波长选择器被安排成根据所述光学滤波器阵列中的位置改变移动量，以补偿不同位置处光学滤波器厚度的制造变化。
18.如权利要求14-17中任一项所述的集成电路，传感器中的至少一些被安排在光学滤波器中相同一个下的组中，以及 用于所述组的读出电路包括两个或更多输出电路，每个输出电路耦合到所述组的不同传感器，使得所述组的多个像素能够在所述输出电路上并行读出。
19.如权利要求14-18中任一项所述的集成电路，所述光学滤波器的每一个具有作为跨所述集成电路的带的布局，用于光学滤波器中相应一个的传感器组具有延伸为相应带的布局。
20.一种成像系统，具有前述任一权利要求所述的集成电路，以及外部图像处理部，其被耦合以接收表示图像的像素值并输出所接收图像的图像处理版本。
21.如权利要求20所述的成像系统，被配置成通过所述集成电路和成像对象的相对移动，产生并存储对象的图像立方体，所述图像立方体具有X和I空间维度，以及光谱维度。
22.如权利要求20或21所述的成像系统，被配置成采用λ选择或λ组合图像处理功能，以在光谱维度上二次采样图像立方体。
23.如权利要求20或21所述的成像系统，被配置成采用λ选择或组合图像处理功能，以在光谱维度上移动图像立方体。
24.如权利要求23所述的成像系统，被配置成根据所述光学滤波器阵 列上的位置改变光谱移动量。
25.如权利要求24所述的成像系统，根据位置的改变适于补偿下面中的任一个或多个不同位置处光学滤波器厚度的制造变化、由于通过光学滤波器的光路的入射角的变化引起的失真、高阶去除以及来自其他光学组件的失真。
26.如权利要求20-25中任一项所述的成像系统，还具有如下的任一个或多个位于所述光学滤波器阵列之前的光路上的物镜、狭缝以及准直器。
27.如权利要求20-26中任一项所述的成像系统,光学滤波器中的至少一些具有适于区分高阶干涉的厚度，并且图像处理器被配置成根据由这些光学滤波器区分的高阶干涉的量，补偿图像表示的其余部分中的高阶干涉效应。
28.如权利要求20-27中任一项所述的成像系统，所述光学滤波器阵列被单片集成到所述光学传感器阵列上。
29.一种操作如权利要求20到28中任一项所述的成像系统以产生输出图像的方法。
全文摘要
一种用于成像系统的集成电路，具有光学传感器阵列(40)和光学滤波器阵列(10)，每个光学滤波器被配置为使一波长带传递至一个或多个传感器，光学滤波器阵列与传感器阵列集成，并且该集成电路还具有从传感器阵列读出像素值以表示图像的读出电路(30)，不同的光学滤波器被配置为具有不同的厚度，以借助干涉传递不同的波长带，并允许波长光谱的检测。读出电路可以使得位于一个光学滤波器下的多个像素以并行读出。厚度可以跨阵列非单调变化。读出或后面的图像处理可包括波长之间的选择或内插，以实施光谱采样或移动，以补偿厚度误差。
文档编号G01J3/28GK102741671SQ201080054366
公开日2012年10月17日 申请日期2010年11月30日 优先权日2009年11月30日
发明者A·兰布雷切茨, K·塔克, L·哈斯佩思拉夫 申请人:Imec公司