CN111505820A - 单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及成像及光谱识别技术领域，尤其涉及单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备。该芯片的光调制层集成在图像传感层的上面，光调制层包括沿其厚度方向设置的至少一层子调制层；每组像素确认模块均包括调制单元和感应单元，光调制层沿其表面分布有至少一组调制单元，图像传感层上分布有至少一组感应单元，每组调制单元分别与至少一组感应单元上下对应设置；信号处理电路层连接在图像传感层的下面，并分别与各个感应单元电连接。该芯片及设备实现了分光部件与晶圆的单片集成，能实现高光谱成像，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，并且性能稳定，不易受外界环境的影响。

Description

单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备

技术领域

本发明涉及成像及光谱识别技术领域，尤其涉及单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备。

背景技术

高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。高光谱成像技术已经成为对地观测和深空探测的重要手段，被广泛应用于农牧林生产、矿产资源勘查、文物检测、海洋遥感、环境监测、防灾减灾、军事侦察等领域。

随着搭载平台的逐步小型化，如小卫星、无人机等小型平台，以及野外应用的续航需求，对高光谱成像设备小型化、轻量化的需求越来越突出。传统高光谱成像设备分光部件与光探测部分是分立的，入射光经过光栅、棱镜或分束/合束器后，由光探测器阵列探测得到入射光频谱信息。所以传统高光谱成像设备需要对各个分立的部件进行固定、组装、精确对准等操作，这导致了它们结构复杂、体积难以进一步缩小且成本高昂。另外，由于每个分立部件的位置和性能的偏移导致的系统误差会累积，使得现有的高光谱成像设备易受外界环境如温度变化、振动等的干扰，需要严格精确地对准且需要采取各种措施如制冷、减震等保证系统的稳定性。

现有技术中，有将多个滤波器单片集成在CMOS图像传感器(英文简称为CIS，即CMOS imaging sensor)上的结构，将分光部件与CIS晶圆集成在一起，其中作为分光部件的多个滤波器对应中心波长不同的法布里-珀罗干涉仪。但该技术能测量的波段数目有限，无法实现高光谱成像，且制备工艺复杂，需要多次光刻、刻蚀/沉积，存在着工艺误差累积，导致器件性能均匀性较差、器件失效等问题。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供了一种单片集成的图像传感芯片及光谱识别设备，实现了分光部件与晶圆的单片集成，工艺简单，无需多次光刻、刻蚀/沉积，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，而且体积、重量和成本远小于传统高光谱成像器件，并且性能稳定，不易受外界环境的影响。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种图像传感芯片，包括光调制层、图像传感层、信号处理电路层以及至少两组像素确认模块，所述光调制层集成在所述图像传感层的上面，所述光调制层包括沿其厚度方向设置的至少一层子调制层；

每组所述像素确认模块均包括调制单元和感应单元，所述光调制层沿其表面分布有至少一组所述调制单元，所述图像传感层上分布有至少一组所述感应单元，每组所述调制单元分别与至少一组所述感应单元上下对应设置；

所述信号处理电路层连接在所述图像传感层的下面，并分别与各个所述感应单元电连接。

在部分实施例中，所述图像传感层为CIS晶圆。

在部分实施例中，每层所述子调制层上分别分布有沿所述子调制层厚度方向设置的若干个调制孔；所述子调制层为两层或两层以上，且各层的各个所述调制孔上下一一对应设置。

在部分实施例中，位于最下层的所述子调制层上的各个所述调制孔均为通孔或均为盲孔，其余所述子调制层上的各个所述调制孔均为通孔。

在部分实施例中，所述图像传感层包括沿所述图像传感层厚度方向连接的光探测层和第一信号处理层；所述第一信号处理层连接在所述光调制层与所述光探测层之间，或是所述光探测层连接在所述光调制层与所述第一信号处理层之间。

在部分实施例中，所述光调制层直接刻蚀在所述光探测层的上表面。

在部分实施例中，每个所述调制单元内分别设有至少一个调制子单元，每个所述调制子单元内分别设有若干个调制孔，同一所述调制子单元内的各个所述调制孔排布成一具有特定排布规律的二维图形结构，所述二维图形结构的特定排布规律包括：

同一所述二维图形结构内的所有所述调制孔同时具有相同的特定截面形状，各个所述调制孔按照结构参数大小渐变顺序成阵列排布；和/或

同一所述二维图形结构内的各个所述调制孔分别具有特定截面形状，各个所述调制孔按照特定截面形状进行组合排列，并且所述排列的顺序为按照预设周期顺序逐行或逐列排布。

在部分实施例中，所述感应单元包括至少一个感应子单元，各个所述感应子单元成矩阵排列，每个所述感应子单元内分别设有至少一个图像传感器，所有的所述感应子单元之间分别通过所述信号处理电路层电连接。

在部分实施例中，还包括滤光层，所述滤光层包括若干组依序排列的滤光单元，各个所述滤光单元依序连接在所述光调制层的上面或者连接在所述光调制层与所述图像传感层之间。

在部分实施例中，所述滤光单元包括透镜和/或滤光片，并且在所述所述滤光单元包括透镜和滤光片的状态下，所述透镜位于所述滤光片的上面。

本发明还提供了一种光谱识别设备，包括：如上所述的图像传感芯片，设置在待成像物体的一侧，所述图像传感芯片用于接收来自于所述待成像物体的入射光，并利用各组像素确认模块分别对所述入射光进行光调制以得到至少两个调制后的光谱，并对各个所述调制后的光谱的光强分别进行感应探测，以分别确定各个像素点。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：

1、本发明所述的图像传感芯片中，光调制层集成在图像传感层的上面，每组像素确认模块均包括调制单元和感应单元，光调制层沿其表面分布有至少一组调制单元，图像传感层上分布有至少一组感应单元，每组调制单元分别与至少一组感应单元上下对应设置，信号处理电路层连接在图像传感层的下面，并分别与各个感应单元电连接，从而构成单片集成的晶圆级别的图像传感芯片。该芯片可利用CMOS工艺一次流片制备完成，无需过多步骤的沉积、光刻及刻蚀工艺，极大地降低了高光谱图像传感器的工艺难度，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，并降低成本，而且体积、重量和成本远小于传统高光谱成像器件，并且性能稳定，不易受外界环境的影响。

2、本发明所述的图像传感芯片中，光调制层包括沿其厚度方向设置的至少一层子调制层，以增加光调制层对入射光的在频谱上的调制能力，对入射光采样能力更强，有利于提高光谱恢复精度。

3、本发明所述的图像传感芯片中，利用CIS晶圆作为图像传感层，既能将在晶圆级别上实现分光部件与图像传感部件的单片集成，无需设置分立元件，更有利于设备的稳定性，极大地促进诸如成像光谱仪的物体成像设备的小型化和轻量化，在小型平台如小卫星、无人机等上的应用有广阔的前景；又能利用晶圆结构消除CMOS金属材质的信号处理层对入射光的影响，提高了器件的量子效率；还能最大程度减小感应单元与光调制层之间的距离，有利于缩小调制单元和感应单元的尺寸，实现更高的分辨率并降低封装成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本发明实施例的光谱识别设备的成像原理图；

图2为本发明实施例一的图像传感芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例一的图像传感芯片的正视剖视图；

图4为本发明实施例一的光调制层的俯视图；

图5为本发明实施例一的光调制层的正视剖视图；

图6为本发明实施例一的图像传感层的俯视图；

图7为本发明实施例一的图像传感层沿厚度方向的结构示意图；

图8为本发明实施例二的光调制层的正视剖视图；

图9为本发明实施例三的光调制层的正视剖视图；

图10为本发明实施例四的光调制层的正视剖视图；

图11为本发明实施例五的图像传感层沿厚度方向的结构示意图；

图12为本发明实施例七的光调制层的俯视图；

图13为本发明实施例八的光调制层的俯视图；

图14为本发明实施例九的光调制层的俯视图；

图15为本发明实施例十的图像传感芯片的正视剖视图；

图16为本发明实施例十一的图像传感芯片的正视剖视图；

图17为本发明实施例十二的图像传感芯片的结构示意图；

图18为本发明实施例十二的光调制层的俯视图；

图19为本发明实施例十三的图像传感芯片的正视剖视图；

图20为本发明实施例十四的图像传感芯片的正视剖视图；

图21为本发明实施例十五的图像传感芯片的正视剖视图(一)；

图22为本发明实施例十五的图像传感芯片的正视剖视图(二)；

图23为本发明实施例十六的图像传感芯片的正视剖视图(一)；

图24为本发明实施例十六的图像传感芯片的正视剖视图(二)。

附图标记：

100、光源；200、待成像物体；300、图像传感芯片；

1、光调制层；2、图像传感层；3、信号处理电路层；4、透光介质层；5、调制单元；6、调制孔；7、感应单元；8、间隙；9、感应子单元；101、第一子调制层；102、第二子调制层；103、第三子调制层；11、第一调制单元；12、第二调制单元；13、第三调制单元；14、第四调制单元；15、第五调制单元；16、第六调制单元；110、第一子单元；111、第二子单元；112、第三子单元；113、第四子单元；21、第一信号处理层；22、光探测层；23、透镜；24、滤光片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。除非另有说明，否则本发明中所提及的芯片均为图像传感芯片的简称。

本发明各实施例提供了一种图像传感芯片，该芯片为单片集成的晶圆级别的图像传感芯片，可利用CMOS工艺一次流片制备完成，无需过多步骤的沉积、光刻及刻蚀工艺，极大地降低了高光谱图像传感器的工艺难度，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，并降低成本，而且体积、重量和成本远小于传统高光谱成像器件，并且性能稳定，不易受外界环境的影响。

具体的，如图1至图18所示，该芯片300包括光调制层1、图像传感层2、信号处理电路层3以及至少两组像素确认模块。该芯片300中，优选以CIS晶圆作为图像传感层2。光调制层1集成在图像传感层2的上面，信号处理电路层3连接在图像传感层2的下面，并分别与图像传感层2上的各个感应单元电连接，从而构成单片集成的晶圆级别的图像传感芯片。其中，光调制层1用于接收入射光并对该入射光进行调制，图像传感层2用于感应调制后的光谱的光强，从而针对不同波长的光谱的光强确定对应的图像像素点数据，即将光信号数据通过滤波、信号放大等处理转化为电信号，信号处理电路层3用于接收图像传感层2的初级电信号并利用滤波、信号放大及运算等信号处理方式将初级电信号处理为图像。由于图像传感层2为CIS晶圆，故而光调制层1对应制备为晶圆级结构，从而实现分光部件与CIS晶圆的单片集成，相较于现有的物体成像设备而言工艺更为简单，利用CMOS工艺一次流片制备即可，无需过多步骤的沉积、光刻及刻蚀工艺，极大地降低了高光谱图像传感器的工艺难度，有利于降低器件失效率。

本实施例中，每组的像素确认模块均包括调制单元5和感应单元7。光调制层1沿其表面分布有至少一组调制单元5，图像传感层2上分布有至少一组感应单元7，并且每组调制单元5分别与至少一组感应单元7上下对应设置，从而使得每个调制单元5都能对应的向至少一组感应单元7上传输图像像素点数据，即每个感应单元7都会接受至少一组图像像素点数据，再利用信号处理电路层3将所有的图像像素点数据运算整合，即可重构出原输出图像。优选相邻的两个感应单元7之间设有间隙8。

本实施例中，如图5、图8、图9和图10所示，光调制层1包括沿其厚度方向设置的至少一层子调制层，以增加光调制层1对入射光的在频谱上的调制能力，对入射光采样能力更强，有利于提高光谱恢复精度。每层子调制层上分别分布有沿子调制层厚度方向设置的若干个调制孔，调制孔的具体排布结构符合下述调制子单元的结构要求，在此不再赘述。

本实施例中，如图4所示，每个调制单元5内分别设有至少一个调制子单元，每个调制子单元内分别设有若干个沿光调制层1的厚度方向的调制孔6，同一调制子单元内的各个调制孔6排布成一具有特定排布规律的二维图形结构。本实施例的图像传感芯片300能够取代现有的光谱识别设备中的精密光学部件，以实现对入射光的精密调制和像素重构；并且利用该图像传感芯片300可以灵活地实现对不同波长光的调制作用，该调制作用包括但不限于光的散射、吸收、投射、反射、干涉、表面等离子激元以及谐振等作用，提高不同区域间光谱响应的差异性，从而提高图像传感芯片300的分析精度；此外，该芯片300利用每个调制单元5上的一个或多个二维图形结构实现对不同波长的光的调制作用，利用二维图形结构的区别还可以提高不同区域间光谱响应的差异性，从而提高图像传感芯片300的分析精度。

本实施例的芯片300中，信号处理电路层3连接在图像传感层2的下面，并与各个感应单元7之间通过电接触实现电连接，从而能够根据各组像素确认模块感应到的光强测算差分响应，由于每个感应单元7内的传感器都能根据感应到的光强而构成一个像素点，则通过算法可得到一个像素点上各个波长的强度分布。该差分响应是指经过光调制层调制后得到的响应光谱的信号与原光谱的信号之间求差值，或是对各个调制单元5调制后得到的响应光谱的信号之间求差值，或是对各个调制子单元调制后得到的响应光谱的信号之间求差值。原光谱是指射入光调制层1的入射光光谱。

进一步的，图像传感层2包括沿图像传感层2厚度连接的光探测层22和第一信号处理层21，并且，图像传感层2上的每个感应单元7具体包括至少一个感应子单元9，各个感应子单元9成矩阵排列，每个感应子单元9内分别设有至少一个图像传感器，所有的感应子单元9之间分别通过信号处理电路层3电连接，以便于更细致的区分不同组的调制单元5和感应单元7上构成的像素点，从而利用各组相同位置的调制子单元和对应的感应子单元9生成的多个像素点构成一幅包含多个频谱信息的图像。

如图1所示，基于本发明各实施例提出了一种光谱识别设备，该设备包括光源100和图像传感芯片300。光源100用于向待成像物体200发射光谱，以使光谱经过待成像物体200后，作为入射光射入图像传感芯片300上。图像传感芯片300与光源100同时设置在待成像物体200的同一侧。该图像传感芯片300用于利用各组像素确认模块分别对入射光进行光调制以得到至少两个调制后的光谱，并对各个调制后的光谱的光强分别进行感应探测，从而分别确定各个像素点，以便最终将所有像素点进行整合，进而构成图像。

为了便于使光源100的光谱穿过待成像物体200从而使形成的反射光作为芯片300的入射光，优选将光源100与图像传感芯片300同时设置在待成像物体200的同一侧。以图1所示为例，将光源100与图像传感芯片300同时设置在待成像物体200的下侧，利用光的反射原理，光源100产生的可见-近红外光的光谱能穿入待测体200内，并在反射作用下全部光谱形成射入图像传感芯片300中的入射光。该结构设置能够扩大检测空间，提高物体成像和识别的使用便利性。

可理解的是，本发明所述的图像传感芯片300和光谱识别设备可对任一待成像物体200进行成像识别，只需根据成像需要，对图像传感芯片300的各个调制单元5的体积以及入射光的对应波长等参数进行调整即可。

以下具体通过若干个实施例对本发明的图像传感芯片300及光谱识别设备进行详细说明。下述各个实施例所述的芯片300均适用于上述的光谱识别设备。

实施例一

如图2至图7所示，本实施例一提供的图像传感芯片300中，以裸露的CIS晶圆作为图像传感层2，对可见-近红外光响应。光调制层1和CIS晶圆均利用CMOS集成半导体工艺一次流片制备而成，且光调制层1直接集成在CIS晶圆上表面。如图3和图5所示，本实施例一所述的光调制层1包括沿其厚度方向设置的一层第一子调制层101，并且，如图4所示，该光调制层1还包括沿光调制层1的表面分布的多个调制单元5。

可理解的是，由于光调制层1和图像传感层2都可以采用CMOS集成半导体工艺制造，并在晶圆级别上实现单片集成，故而该芯片能更有利于减小传感器与光调制层之间的距离，有利于缩小单元的尺寸，实现更高的分辨率并降低封装成本。

本实施例中，每个调制单元5内的所有调制孔6均贯穿光调制层1，即光调制层1的第一子调制层101上分布的所有调制孔6均为通孔结构。每个调制单元5内由多个调制孔6组成的二维图像结构都具备相同的特定截面形状，本实施例一以图2和图4所示的六个由椭圆形调制孔6阵列组成的调制单元5为例进行说明。每个调制单元5内的所有调制孔6都是按照同样规律的结构参数大小渐变顺序成阵列排布形成二维图形结构。该二维图形结构中，所有调制孔6成阵列排布，并且所有调制孔6按照长轴长度、短轴长度和旋转角度由小到大逐行逐列排布。

可理解的是，如图4所示，由于本实施例的所有调制孔6都是按照同一排布规律进行排列的，即按照长轴长度、短轴长度和旋转角度的结构参数由小到大逐行逐列的渐变排布，故而该光调制层1上可任意分割成若干个调制单元5，划分出的各个调制单元5对于光谱都有不同的调制作用，理论上可获得无穷多组调制后的光谱样本，从而急剧增大了用以重构原光谱的数据量，有助于对于宽带光谱的谱型的恢复。则根据每个调制单元5内的调制孔6结构参数特性确定该调制单元5对不同波长的光的调制作用的效果即可。该重构过程通过数据处理模块实施，数据处理模块包括光谱数据预处理以及数据预测模型。其中，光谱数据预处理是指对上述求得的差分响应数据中存在的噪声进行预处理，该光谱数据预处理所采用的处理方法包括但不限于傅里叶变换、微分和小波变换等。数据预测模型中包括由光谱数据信息得到对待成像物体200的图形参数的预测，其使用的算法包括但不限于最小二乘法、主成分分析以及人工神经网络。

可理解的是，上述的调制孔6的特定截面形状包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形等，也可以为上述各形状的任意组合。则对应的，上述的调制孔6的结构参数包括内径、长轴长度、短轴长度、旋转角度、角数或边长等。

可理解的是，本实施例将每个调制单元5与至少一个感应单元7相对应的上下设置，以便利用感应单元7内的图像传感器将该调制单元5接收的光谱构成一个像素点，通过算法可得到一个像素点上的强度分布。而不同组的像素确认模块对应构成的多个像素点整合可构成一幅包含多个频谱信息的图像。

进一步的，由于每个调制单元5内划分的不同区域(调制子单元)的结构参数不同，则每个调制子单元对于不同波长的光的调制作用不同，调制作用包括但不限于散射、吸收、透射、反射、干涉、激元等作用，调制作用的最终效果是确定不同波长的光透过每个调制单元5的不同调制子单元区域时的透射谱不同，则针对同一输入光谱在经过同一二维图像结构中不同区域的透射谱不同。

本实施例中，每个调制单元5的下方分别对应有至少一个感应单元7，每个感应单元7内分别设有多个传感器，如图6所示，一个或多个感应单元7内的每个传感器分别对应着同一调制单元5内的不同区域，则每个传感器及其对应的区域分别构成一个像素点，故而每组像素确认模块内分别能够构成超过一个像素点，通过算法可得到一个像素点上各个波长的强度分布。而不同组的像素确认模块中相同位置所对应构成的多个像素点整合可构成一幅包含多个频谱信息的图像。

如图7所示，本实施例的图像传感层2包括沿图像传感层2厚度连接的光探测层22和第一信号处理层21。其中，第一信号处理层21连接在光调制层1与光探测层22之间，以使该CIS晶圆构成前照式结构。由于CIS晶圆上并未集成有微透镜23和滤光片24，则光调制层1直接集成到第一信号处理层21上。第一信号处理层21用于对晶圆接收到的光谱信号进行初步的信号处理，以将光信号数据先行转化为电信号，可以加快信号处理电路层3的处理效率，使信号转化和信号运算处理更稳定和更精确，并且有效消除CMOS金属层对入射光的不利影响，提高芯片300的量子效率。

可理解的是，第一信号处理层21内部设有多组金属线结构，各组金属线结构分别与各个感应单元7相对应，以实现对每个感应单元7传输的光信号进行处理和预转化。

基于本实施例一所述的图像传感芯片300，本实施例一还提出了一种光谱识别设备。该设备包括：如本实施例一所述的图像传感芯片300，该图像传感芯片300设置在待成像物体200的一侧。该图像传感芯片300用于接收来自于待成像物体200的入射光，并利用各组像素确认模块分别对入射光进行光调制以得到至少两个调制后的光谱，并对各个调制后的光谱的光强分别进行感应探测，从而分别确定各个像素点。

可理解的是，本实施例一所述的待成像物体200可以通过自发光产生入射光光谱，也可以单独设置光源100，并利用光源100照射待成像物体200，从而促使待成像物体200产生入射光，即如图1所示。

本实施例一所述的光谱识别设备中适用的光源100为可见光到近红外波段的光源，光源100的波长范围为400nm～1100nm。光调制层1的厚度为60nm～1200nm，光调制层1与图像传感层2之间直接连接或者通过透光介质层4连接。图像传感层2与信号处理电路层3之间为电连接。其中，如图4所示，光探测层上共设有六个调制单元5，所有的调制单元5成阵列排布，每个调制单元5中的所有调制孔6均为椭圆形，所有椭圆形调制孔6的短轴长度分别逐行逐列增大，并且以图4中水平向为横轴，竖向为纵轴，则每个调制单元5中的所有椭圆形调制孔6逐行逐列的自纵轴向横轴旋转，其旋转角度逐渐增大。每个调制单元5中的所有调制孔6各自组成了相同的二维图形结构，该二维图形结构整体为一矩阵结构，该矩阵结构的面积范围为200μm²～40000μm²。

具体的，可选取调制孔6的截面形状为椭圆，仅对椭圆形调制孔6的短轴和旋转角度进行渐变调整，椭圆长轴选取200nm～1000nm中的定值，例如500nm；短轴长度在120nm～500nm范围内变化，椭圆的旋转角度在0°～90°范围内变化，椭圆的排列周期为200nm～1000nm中的定值，例如500nm。调制单元5的图形整体面积范围为200μm²～40000μm²的矩形阵列结构。

本实施例的图像传感芯片300在制造时，选用硅基材料同时作为光调制层1和图像传感层2的材料，以便在制备工艺的加工上具有很好的兼容性。在制备光调制层1时，直接以裸露的CIS晶圆作为图像传感层2，并在裸露的CIS晶圆上集成光调制层1，最后将晶圆与信号处理电路层3电连接即可。

本实施例的光谱识别设备对于图像的采集重构的完整流程为：如图1所示，首先，可令可见光到近红外的宽谱光源100照射待成像物体200，以使待成像物体200对射入光吸收并反射到芯片300上，待成像物体200射向芯片300上的反射光即为芯片300的入射光。然后，该入射光射入光调制层1并通过各个调制单元5的光调制作用，在此过程中，各个调制单元5上的不同区域的调制作用不同，则透射谱也不同，且每个调制单元下方分别对应有图像传感层2上的多个感应单元7，并且如图4和图6所示可知，在多组像素确认模块的对应作用下，图4中的每个调制单元5中的各个区域分别能与图6中的至少一个感应单元7中的各个感应子单元9相对应，则每个感应子单元9获得的透射谱不同，故而每个调制子单元与每个感应子单元9分别能构成一组像素确认子模块，每个子模块能分别识别一个像素点内的一部分频谱信息，故而将各个区域的子模块整合即可得到一个像素点的多个频谱信息。进一步整合各个像素点即可获得该图像所有像素点并据此重构得到待成像物体200的图像。可理解的是，由于各个感应子单元9对应的调制单元上的二维图形结构相同，则获得图像不同空间位置的光经过相同调制作用之后的响应，可获得同一频率下的图像。

实施例二

本实施例二的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法与上述实施例相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例所述的光调制层1包括沿其厚度方向排列并对应连接的两层子调制层，即如图8所示的第一子调制层101和第二子调制层102。这两层子调制层中，各层的所有调制孔6分别上下对应设置，以保证每层的每个调制孔6都能上下相对，从而保证光谱信号在光调制层1内沿竖向传输更为顺畅。各层的所有调制孔6上下排列连接并贯穿光调制层1，即是说，第二子调制层102是最下层的子调制层，并且第一子调制层101和第二子调制层102的所有调制孔6都为通孔结构。

可理解的是，本实施例的两层子调制层的分别为两层由不同材料各自制备而成的子调制层，即第一子调制层101和第二子调制层102的材料不同。具体的，第一子调制层101的材料为硅，第二子调制层102的材料为金。

实施例三

本实施例三的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法与上述各实施例相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例所述的光调制层1如图9所示，其中第二子调制层102不贯穿光调制层1，即是说，第二子调制层102是位于最下层的子调制层，并且第二子调制层102内的所有调制孔6均为盲孔结构。由于光调制层1的整体材质均选用透光材质，因此即使第二子调制层102内的所有调制孔6均为盲孔结构也不会影响光谱信号的传输。

实施例四

本实施例四的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法与上述各实施例的相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例所述的光调制层1包括沿其厚度方向排列并对应连接的三层子调制层，即如图10所示的第一子调制层101、第二子调制层102和第三子调制层103。这三层子调制层中，各层的所有调制孔6分别上下对应设置，以保证每层的每个调制孔6都能上下相对。

可理解的是，本实施例的两层子调制层的分别为三层由不同材料各自制备而成的子调制层，即第一子调制层101、第二子调制层102和第三子调制层103的材料互不相同。至少应当保证第一子调制层101与第二子调制层102之间、以及第二子调制层102与第三子调制层103的材料各不相同，但可以令第一子调制层101与第三子调制层103之间的材料相同。具体根据调制需要选择对应材质即可。

实施例五

本实施例五的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法与上述各实施例的相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图11所示，本实施例所述的图像传感层2中，光探测层22连接在光调制层1与第一信号处理层21之间，以使该CIS晶圆构成背照式结构。由于CIS晶圆上并未集成有微透镜23和滤光片24，则光调制层1直接集成到光探测层22上。

实施例六

本实施例六的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法与实施例五结构基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例所述的图像传感层2中，在如图11所示的光探测层22的上表面直接刻蚀有光调制层1，光调制层1的具体结构与上述各实施例所述相同，在此不再赘述。

实施例七

本实施例七的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法均与上述各实施例相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图12所示，本实施例的图像传感芯片300中，光调制层1上设有的各个调制单元5中，各个二维图形结构内的所有调制孔6分别具有各自的特定截面形状，各个调制孔6按照特定截面形状进行自由组合排列(即无规律的任意排列)。具体的，在该二维图形结构内，部分调制孔6的特定截面形状相同，具有相同特定截面形状的各个调制孔6构成了多个调制孔6组，各个调制孔6组的特定截面形状互不相同，且所有的调制孔6均自由组合。

可理解的是，该调制单元5整体可视为针对一种特定波长的光谱进行调制，也可以将其自由分割成若干个微纳调制子单元，从而能针对多种不同波长的光谱进行调制，以增加光调制的灵活性和多样性。

实施例八

本实施例八的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法均与上述各实施例相同之处不再赘述。不同之处在于：

本实施例的图像传感芯片300的光调制层1上排列有两个或两个以上的调制单元5，每个调制单元5中进一步分割为至少两个调制子单元。每个调制子单元内的所有调制孔6分别按照特定截面形状进行组合排列，且其排列的顺序为按照预设的周期顺序逐行或逐列排布；每个调制单元5内的同样区域的调制子单元内的调制孔6的截面形状和排布周期相同。从而使得每个调制单元5的不同位置的调制子单元对同一入射光都具有不同的调制作用。根据调制需要改变调制单元5内的调制孔6结构参数的渐变顺序和/或调制孔6的特定截面形状，即可改变当前调制单元5的调制作用和/或调制对象。

具体如图13所示，光调制层1的光调制层上分布有六个调制单元5，每三个调制单元5为一行，共计两行，具体分别为第一行的第一调制单元11、第二调制单元12、第三调制单元13以及对应排列在第二行的第四调制单元14、第五调制单元15、第六调制单元16。每个调制单元分别按照同样结构比例进一步划分为四个调制子单元，具体分别为位于单元矩阵左上角的第一子单元110、位于单元矩阵右上角的第二子单元111、位于单元矩阵左下角的第三子单元112和位于单元矩阵右下角的第四子单元113。

其中，每个调制单元5上相同区域的调制子单元的调制孔结构参数和排列周期均相同。具体的，第一子单元110和第二子单元111内的调制孔6均为圆形，但调制孔6的内径不同，则第一子单元110对于输入光谱有第一种调制方式，第二子单元111对于输入光谱有第二种调制方式。第三子单元112内的调制孔6均为椭圆形，该第三子单元112对于输入光谱有第三种调制方式；第四子单元113内的调制孔6均为三角形，该第四子单元113内的各个调制孔6按照结构参数大小成周期式逐行逐列排列，则该第四子单元113对于输入光谱有第四种调制方式。则不同调制单元5中相同位置的调制子单元结构相同，但不同位置的调制子单元相互不同，故而每个调制子单元对同一入射光的调制作用不同。每个调制子单元分别对应于图像传感层2上的一个感应子单元。

可以理解的是，本实施例的“对不同波长的光有某种调制方式”可包括但不限于散射、吸收、透射、反射、干涉、表面等离子激元、谐振等作用。第一、第二和第三种光调制方式彼此区别。通过对于调制单元5内的调制孔6结构的设置，可以提高不同单元间光谱响应的差异，通过增加单元数量就可以提高对不同谱之间差异的灵敏度。

可理解的是，针对不同入射光谱测量时，可通过改变各调制单元5内的调制孔6结构参数来改变调制作用，结构参数的改变包括但不限于二维图形结构的调制孔排布周期、调制孔半径以及调制单元的边长、占空比和厚度等各参数中的一种以及它们的任意组合。其中，占空比是指调制孔6的面积和调制单元5整体总面积之比。

本实施例中，光调制层1为厚度200nm～500nm的氮化硅平板制成。光调制层1上共设有1000～250000个调制单元5，每个调制单元5的面积范围为200μm²～40000μm²。每个调制单元5内部选取各种几何形状作为调制孔6的特定截面形状，每个调制单元5内为同一形状的周期排布，其占空比为10％～90％。其余结构均与实施例1或实施例2相同。

每个调制单元5分别与其下方的感应单元构成一个像素点。通过算法可以得到一个像素点上各个波长的强度分布。通过整合不同单元的相同位置的子模块构成像素点的同一调制方式下的图像，多个像素点构成一幅包含多个频谱信息的图像。

实施例九

本实施例九的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法均与上述各实施例相同之处不再赘述。不同之处在于：

每个调制单元5上分别有一相同区域上的调制子单元内不设有任何调制孔6。以图14所示为例，第一子单元110、第二子单元111和第三子单元112分别对应某一个特定波长的光有窄带滤波作用，而第四子单元113中不设有调制孔6，则入射光直接通过该第四子单元113的区域。

对应的，每个调制子单元的下方分别设有对应的感应子单元，则光通过第一子单元110、第二子单元111和第三子单元112各自的窄带滤波后，分别由对应的感应子单元内的光传感器探测到光强，而通过第四子单元113的光由于没有存在窄带滤波作用，则其对应的感应子单元9探测到的光强可作为对比项。将前三组光强分别与第四组光强进行差分处理，从而可以得到每一个波长的经过窄带滤波后的光强。此外，设置第四子单元113还可以用于对物体的边界进行定位。

可理解的是，本实施例的微集成图像传感芯片300中可使用如实施例一的调制单元5或实施例二的调制单元5或实施例三的调制单元5或是实施例一、实施例二和实施例三所述的调制单元5的任意组合。

实施例十

基于上述任一实施例的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法，本实施例十提出了一种图像传感芯片300、光谱识别设备以及物体成像识别方法。本实施例十与前述各实施例之间的相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图15所示，本实施例的图像传感芯片300还包括透光介质层4，该透光介质层4位于光调制层1与图像传感层2之间。具体的，该透光介质层4的厚度为50nm～1μm，材料可为二氧化硅。

本实施例的微集成图像传感芯片300中，若在制备光调制层1时采用直接沉积生长的工艺方案，可在图像传感层2上通过化学气相沉积、溅射以及旋涂等方式覆盖该透光介质层4，然后在其上方进行光调制层1部分的沉积、刻蚀即可。若采用转移的工艺方案，则可将二氧化硅作为光调制层1的制备衬底，并在衬底上半部分直接通过微纳钻孔加工制备光调制层1，然后以二氧化硅衬底的下半部分直接作为透光介质层4，将制备好的光调制层1与透光介质层4这两部分整体转移到图像传感层2上即可。

可理解的是，本实施例的透光介质层4还可以设置为：将图像传感层2上方的光调制层1整体通过外部支撑结构支撑以使之相对于图像传感层2悬空，则光调制层1与图像传感层2之间的空气部分即为透光介质层4。

实施例十一

基于上述任一实施例所述的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法，本实施例十一进一步提出了一种图像传感芯片300、光谱识别设备以及物体成像识别方法。本实施例十一与上述各实施例的相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图16所示，本实施例六的图像传感芯片300中，光调制层1为单层子调制层结构，即该子调制层是唯一子调制层，即位于最下层的子调制层，该层子调制层上的各个调制孔6均不穿透光调制层1，即该层子调制层上的各个调制孔6均为盲孔结构。可理解的是，不论调制孔6是否穿透光调制层1均不会对光调制层1的调制作用造成不利影响，这是因为光调制层1选用的硅基材料或其他材料均为透光材料，光谱入射光调制层1时，受到各个调制单元5的结构影响而发生调制作用，但调制孔6底部对于光谱调制不产生不利影响。

本实施例的图像传感芯片300中，光调制层1的调制孔6底部至光调制层底部的厚度为60nm～1200nm，整个光调制层厚度为120nm～2000nm。

实施例十二

基于上述任一实施例所述的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法，本实施例十二进一步提出了一种图像传感芯片300、光谱识别设备以及物体成像识别方法。本实施例十二与上述各实施例的相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图17和图18所示，本实施例七的图像传感芯片300中，光调制层1的光调制层上分布有六个调制单元5，分别为第一调制单元11、第二调制单元12、第三调制单元13、第四调制单元14、第五调制单元15和第六调制单元16，其中。第一调制单元11、第三调制单元13和第四调制单元14采用实施例三所述的调制单元5的周期结构设置，而第二调制单元12、第五调制单元15和第六调制单元16采用实施例一所述的调制单元5的渐变结构设置。

可理解的是，也可以根据光谱调制需要，在对应位置的调制单元5选择上述各实施例中任一合适的调制单元5的结构设置即可。由此可见，本实施例十一的光调制层1利用不同单元间的不同调制孔6特定截面形状的区别、以及同一单元内特定的调制孔6排列方式，实现利用改变调制孔6特定截面形状、调制孔6的结构参数以及调制孔6排列周期实现对不同波长的光谱进行不同的调制作用。

实施例十三

基于上述任一实施例所述的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法，本实施例十三进一步提出了一种图像传感芯片300、光谱识别设备以及物体成像识别方法。本实施例十三与上述各实施例的相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图19所示，该芯片300还包括滤光层，滤光层即为晶圆级别的微集成滤光部件，可以对入射光的光信号进行辅助滤光处理。本实施例所述的滤光层连接在光调制层1的上面。本实施例所述的滤光层包括若干组依序排列的滤光单元，每组滤光单元依序连接在光调制层1上面。其中，每组滤光单元均包括微透镜23和滤光片24，并且微透镜23位于滤光片24的上面。

实施例十四

基于上述任一实施例所述的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法，本实施例十四进一步提出了一种图像传感芯片300、光谱识别设备以及物体成像识别方法。本实施例十四与上述各实施例的相同之处不再赘述，不同之处在于：如图20所示，本实施例所述的滤光单元依序连接在光调制层1与图像传感层2之间。

实施例十五

基于实施例十三或十四所述的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法，本实施例十五进一步提出了一种图像传感芯片300、光谱识别设备以及物体成像识别方法。本实施例十五与上述各实施例的相同之处不再赘述，不同之处在于：如图21和图22所示，本实施例所述的滤光单元为微透镜23，若干个微透镜23依序连接在光调制层的上面或是依序连接在光调制层1与图像传感层2之间。

实施例十六

基于实施例十三或十四所述的图像传感芯片300及光谱识别设备的结构、原理、物体成像识别方法和芯片制备方法，本实施例十六进一步提出了一种图像传感芯片300、光谱识别设备以及物体成像识别方法。本实施例十六与上述各实施例的相同之处不再赘述，不同之处在于：如图21和图22所示，本实施例所述的滤光单元为滤光片24，若干个微透镜23依序连接在光调制层的上面或是依序连接在光调制层1与图像传感层2之间。

针对上述所有实施例，可理解的是，对于上述各实施例所述的渐变式阵列调制单元5的结构，其任意划分出的调制单元5对于光谱都有不同的调制作用，理论上可获得无穷多组调制后的光谱样本，从而急剧增大了用以重构原光谱的数据量，有助于对于宽带光谱的谱型的恢复。对于上述各实施例所述的周期式调制单元5的结构，其周期结构可产生二维周期的色散、谐振作用，谐振作用包括但不限于光子晶体的能带控制以及二维光栅的谐振等原理。通过谐振作用可增强对于特定波长的探测精度。

如果将上述的各实施例中的不同结构的调制单元5同时应用在芯片300上时，能够综合上述两种优势。并且在切顶光调制层的尺寸范围时，上述各个实施例的图像传感芯片300都可以制备成微米量级甚至更小的结构，这对于微集成图像传感芯片300的小型化微型化生产和使用具有重大意义，芯片300整体尺寸与相机模组相当，可做到小于1cm×1cm×0.4cm的规格，该芯片300可集成在手机、手环等便携式移动设备上。另外，上述的光调制层1配合由不同的图像感应器构成的图像传感层2，在原则上可以实现对于全波段的光谱探测，从而使得图像传感芯片300的宽谱探测性能更加出色。

可理解的是，上述各实施例所述的光调制层1中，子调制层的具体层数包括但不限于上述各实施例中限定的要求。并且，上述的第一子调制层101、第二子调制层102和第三子调制层103以及并未提及的各个子调制层均各自为单一材料层，并且各个子调制层的材料互不相同，至少相邻的子调制层之间的材料不同。各个子调制层的厚度分别为60nm～1200nm。各个子调制层对应的调制孔6的排布结构可以为上述各实施例中所述的调制子单元结构的任一种或几种的组合。各个子调制层选用的材料包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属、以及III-V族材料中的至少一种，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅和碳化硅中的至少一种。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (12)

1.一种单片集成的图像传感芯片，其特征在于，包括光调制层、图像传感层、信号处理电路层以及至少两组像素确认模块，所述光调制层集成在所述图像传感层的上面，所述光调制层包括沿其厚度方向设置的至少一层子调制层；

每组所述像素确认模块均包括调制单元和感应单元，所述光调制层沿其表面分布有至少一组所述调制单元，所述图像传感层上分布有至少一组所述感应单元，每组所述调制单元分别与至少一组所述感应单元上下对应设置；

所述信号处理电路层连接在所述图像传感层的下面，并分别与各个所述感应单元电连接。

2.根据权利要求1所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，所述图像传感层为CIS晶圆。

3.根据权利要求1所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，每层所述子调制层上分别分布有沿所述子调制层厚度方向设置的若干个调制孔；所述子调制层为两层或两层以上，且各层的各个所述调制孔上下一一对应设置。

4.根据权利要求3所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，位于最下层的所述子调制层上的各个所述调制孔均为通孔或均为盲孔，其余所述子调制层上的各个所述调制孔均为通孔。

5.根据权利要求1所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，所述图像传感层包括沿所述图像传感层厚度方向连接的光探测层和第一信号处理层；所述第一信号处理层连接在所述光调制层与所述光探测层之间，或是所述光探测层连接在所述光调制层与所述第一信号处理层之间。

6.根据权利要求5所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，所述光调制层直接刻蚀在所述光探测层的上表面。

7.根据权利要求1-6任一项所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，每个所述调制单元内分别设有至少一个调制子单元，每个所述调制子单元内分别设有若干个调制孔，同一所述调制子单元内的各个所述调制孔排布成一具有特定排布规律的二维图形结构，所述二维图形结构的特定排布规律包括：

同一所述二维图形结构内的所有所述调制孔同时具有相同的特定截面形状，各个所述调制孔按照结构参数大小渐变顺序成阵列排布；和/或

同一所述二维图形结构内的各个所述调制孔分别具有特定截面形状，各个所述调制孔按照特定截面形状进行组合排列，并且所述排列的顺序为按照预设周期顺序逐行或逐列排布。

8.根据权利要求1-6任一项所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，所述感应单元包括至少一个感应子单元，各个所述感应子单元成矩阵排列，每个所述感应子单元内分别设有至少一个图像传感器，所有的所述感应子单元之间分别通过所述信号处理电路层电连接。

9.根据权利要求1-6任一项所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，还包括滤光层，所述滤光层包括若干组依序排列的滤光单元，各个所述滤光单元依序连接在所述光调制层的上面或者连接在所述光调制层与所述图像传感层之间。

10.根据权利要求9所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，所述滤光单元包括透镜和/或滤光片，并且在所述所述滤光单元包括透镜和滤光片的状态下，所述透镜位于所述滤光片的上面。

11.根据权利要求1-6任一项所述的单片集成的图像传感芯片，其特征在于，还包括透光介质层，所述透光介质层位于所述光调制层与所述图像传感层之间。

12.一种光谱识别设备，其特征在于，包括：

如权利要求1-11任一项所述的单片集成的图像传感芯片，设置在待成像物体的一侧，所述图像传感芯片用于接收来自于所述待成像物体的入射光，并利用各组像素确认模块分别对所述入射光进行光调制以得到至少两个调制后的光谱，并对各个所述调制后的光谱的光强分别进行感应探测，以分别确定各个像素点。

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