一种双色焦平面探测器的制作方法及双色图像获取方法
阅读说明：本技术 一种双色焦平面探测器的制作方法及双色图像获取方法 (Manufacturing method of double-color focal plane detector and double-color image obtaining method ) 是由 冯斌 李琳 康超 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双色焦平面探测器的制作方法及双色图像获取方法,通过在基底上镀制呈梳状周期排布的单色滤光膜形成微滤光片阵列、在焦平面探测器的焦平面上粘贴微滤光片阵列构成双色焦平面探测器、获取双色焦平面探测器直接输出的宽波段图像和第一幅窄波段图像、将宽波段图像和第一幅窄波段图像沿垂直于滤光膜延展方向分别进行两倍放大处理、在全尺寸的宽波段图像中去除全尺寸的第一幅窄波段图像得到全尺寸的第二幅窄波段图像,提出的双色焦平面探测器的制作方法及双色图像获取方法具有制造工艺简单、结构紧凑、集成度高、可快照式成像、成本低的优点。(The invention discloses a method for manufacturing a double-color focal plane detector and a method for acquiring a double-color image, the manufacturing method of the two-color focal plane detector and the two-color image acquisition method have the advantages of simple manufacturing process, compact structure, high integration level, capability of snapshot imaging and low cost.)
技术领域
本发明属于光电成像技术领域，具体涉及一种双色焦平面探测器的制作方法及双色图像获取方法。
背景技术
目前双色成像方法按结构主要分为三类：第一类是由响应不同波段的两套单色成像系统组合(例如，授权专利公布号：CN 103974039B)；第二类是两个焦平面探测器共用一个光学系统，在光路中利用分光元件将入射光在波段上分离为两路，并分别由两个焦平面探测器响应(例如，授权专利公布号：CN105227818B)；第三类是由一个响应两个波段的双色焦平面探测器前面加一个光学系统构成(例如，授权专利公布号：CN 105244357B)。前两类双色成像系统由于结构庞大、成本高、且两探测器间容易存在空间配准误差、可靠性差等缺点，在应用中受到限制。第三类双色成像方法具有集成度高、小型化、空间配准误差小等优点。其中，双色焦平面探测器是第三类成像系统的核心器件。
目前双色焦平面探测器的结构主要有两种类型：第一种是阵列型双色焦平面探测器，其焦平面探测器中相邻像元响应不同的波段，并且两类像元交错排布，探测器的制造工艺难度极高；第二种是叠层型双色焦平面探测器，其焦平面探测器由纵向分布的两个叠层光电二极管或红外光探测量子阱组成，可获得空间上完全对齐的两个波段的辐射(授权专利公布号：CN 105244357B)。两种双色焦平面探测器要求在一个像元或者相邻像元内的较小空间内实现对两种波段的辐射响应和信号读出，对探测器的材料、器件封装和读出电路设计提出相当高的设计和制备工艺要求，从而导致双色焦平面探测器的制备工艺复杂、成本昂贵。综上所述，现有双色成像方法存在系统体积大、制备工艺复杂、成本高的缺点。
目前，文献(可见/红外双波段阵列式滤光片设计与制作工艺研究,2007,36，z1)公开了一种双波段阵列式滤光片设计与制作工艺。该制作方案在蓝宝石基片上采用两个镀制滤光膜工序完成双波段阵列式滤光片，包括第一个工序镀制长波通红外截止滤光膜和第二个工序镀制短波通截止滤光膜。该制作方案在实施第二个镀制滤光膜工序时，需要精确定位第一个工序已镀制滤光膜的位置，保证第二个镀制工序不影响第一个工序已镀制的滤光膜，否则会破坏第一个镀制工序的滤光膜，甚至损坏第一个工序已镀制的滤光膜，从而严重降低阵列式滤光片的整体质量、性能、成品率。
发明内容
本发明针对现有上述方案存在的不足，提供一种双色焦平面探测器制作方法及双色图像获取方法。通过在基底上镀制呈梳状周期排布的单色滤光膜形成微滤光片阵列、在焦平面探测器的焦平面上粘贴微滤光片阵列、获取双色焦平面探测器直接输出的宽波段图像和第一幅窄波段图像、将宽波段图像和第一幅窄波段图像沿垂直于滤光膜延展方向分别进行两倍放大处理、在全尺寸的宽波段图像中去除全尺寸的第一幅窄波段图像得到全尺寸的第二幅窄波段图像，提出具有制造工艺简单、结构紧凑、集成度高、可快照式成像、成本低的双色焦平面探测器制作方法和双色图像获取方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开一种双色焦平面探测器的制作方法，包括如下步骤：
S11：在基底上镀制呈梳状周期排布的单色滤光膜形成微滤光片阵列；
S12：将所述微滤光片阵列粘贴至焦平面探测器的焦平面构成双色焦平面探测器，所述基底和所述焦平面探测器的工作波段具有交集波段I，所述单色滤光膜的工作波段和交集波段I具有交集波段II。
作为本发明的一种优选实施方式：多条所述单色滤光膜在所述基底表面呈梳状周期排布，其中单条所述单色滤光膜的宽度等于其排布周期的1/2。
作为本发明的一种优选实施方式：所述基底的厚度为0.1-2.0mm。
作为本发明的一种优选实施方式：所述焦平面探测器为可见-近红外焦平面探测器(工作波段为0.4-1.0μm)、可见-短波红外焦平面探测器(工作波段为0.4-1.7μm)、短波红外焦平面探测器(工作波段为0.9-1.7μm)中的任何一种。
作为本发明的一种优选实施方式：将所述微滤光片阵列粘贴至所述焦平面探测器的焦平面，所述微滤光片阵列的粘贴面为有所述单色滤光膜的表面和无所述单色滤光膜表面中的任何一种。
作为本发明的一种优选实施方式：所述微滤光片阵列粘贴至所述焦平面探测器，所述微滤光片阵列与所述焦平面探测器的对齐方向为沿所述焦平面探测器的焦平面的水平方向对齐、沿所述焦平面探测器的焦平面的垂直方向对齐两种方向中的任何一种。
作为本发明的一种优选实施方式：所述沿所述焦平面探测器的焦平面的水平方向对齐，所述单色滤光膜的延展方向与所述焦平面探测器的焦平面的水平方向一致，且单条所述单色滤光膜与所述焦平面探测器的n1行像元对齐，n1为正整数。
作为本发明的一种优选实施方式：所述沿焦平面垂直方向对齐，所述单色滤光膜的延展方向与所述焦平面探测器的焦平面的垂直方向一致，且单条所述单色滤光膜与所述焦平面探测器的n2列像元对齐，n2为正整数。
作为本发明的一种优选实施方式：将所述微滤光片阵列粘贴至焦平面探测器的焦平面构成双色焦平面探测器，包括如下步骤：
S21：在所述焦平面探测器的焦平面上涂厚度小于100nm的紫外敏感胶；
S22：通过在LED光源前增加滤光片构成工作光源，其中所述滤光片的工作波段位于所述交集波段I内且与所述单色滤光膜的工作波段无交集；
S23：在所述工作光源照射下，调节所述微滤光片阵列的位置和角度，使得所述微滤光片阵列与所述焦平面探测器的焦平面像元对齐；
S24：利用紫外灯曝光，将所述微滤光片阵列与所述焦平面探测器的焦平面固化在一起。
基于上述双色焦平面探测器，本发明公开一种双色图像获取方法，包括如下步骤：
S31：利用上述任一项实施例所述的双色焦平面探测器的制作方法所制备的双色焦平面探测器中未经所述单色滤光膜作用的像元输出宽波段图像，经所述单色滤光膜作用的像元输出第一幅窄波段图像，从而获得所述宽波段图像和所述第一幅窄波段图像；
S32：利用图像放大处理方法，分别对所述宽波段图像和所述第一幅窄波段图像沿垂直于所述单色滤光膜延展方向进行两倍图像放大处理，对应得到全尺寸的宽波段图像和全尺寸的第一幅窄波段图像；
S33：从所述全尺寸的宽波段图像中去除所述全尺寸的第一幅窄波段图像得到全尺寸的第二幅窄波段图像，从而获得两幅全尺寸的窄波段图像，其中，去除的方法是从β倍的所述全尺寸的宽波段图像中减去所述全尺寸的第一幅窄波段图像得到所述全尺寸的第二幅窄波段图像，所述β值是工作波段处于所述单色滤光膜波段内的光源照射条件下，所述双色焦平面探测器输出的所述第一幅窄波段图像平均值与所述宽波段图像平均值的比值，其中图像平均值为图像中所有像素值的平均值。
作为本发明的一种优选实施方式：所述图像放大处理方法为最近邻插值、线性插值、三次样条插值、深度学习四种方法中的任何一种。
本发明有益效果是：
本发明通过在基底上镀制呈梳状周期排布的单色滤光膜形成微滤光片阵列、在焦平面探测器的焦平面上粘贴微滤光片阵列构成双色焦平面探测器、获取双色焦平面探测器直接输出的宽波段图像和第一幅窄波段图像、将宽波段图像和第一幅窄波段图像沿垂直于滤光膜延展方向分别进行两倍放大处理、在全尺寸的宽波段图像中去除全尺寸的第一幅窄波段图像得到全尺寸的第二幅窄波段图像，使得本发明提出的双色焦平面探测器的制作方法和双色图像获取方法能够同时获取全尺寸的两幅窄波段图像，具有制造工艺简单、结构紧凑、集成度高、可快照式成像、成本低的优点。
此外，本发明提出的双色焦平面探测器仅采用一个工序镀制单色滤光膜，与通过两个工序镀制双色滤光膜的制作方案相比，无疑降低了镀制滤光膜的工艺复杂性和成本。
附图说明
图1是本发明提出的一种双色焦平面探测器的制作方法和双色图像获取方法的流程图；
图2是本发明提出的一种用于沿焦平面水平方向对齐的微滤光片阵列的结构示意图；
图3是本发明提出的一种用于沿焦平面水平方向对齐的双色焦平面探测器的分层示意图；
图4是本发明提出的一种用于沿焦平面水平方向对齐的双色焦平面探测器的示意图；
图5是本发明提出的一种用于沿焦平面垂直方向对齐的微滤光片阵列的结构示意图；
图6是本发明提出的一种用于沿焦平面垂直方向对齐的双色焦平面探测器的分层示意图；
图7是本发明提出的一种用于沿焦平面垂直方向对齐的双色焦平面探测器的示意图。
附图标记说明：
101-透明玻璃的基底；102-用于沿焦平面水平方向对齐的单色滤光膜；103-用于沿焦平面水平方向对齐的微滤光片阵列；104-工作波段为0.4-1.0μm的焦平面探测器；105-焦平面探测器的像元；106-沿焦平面水平方向对齐的双色焦平面探测器；
201-短波红外材料的基底；202-用于沿焦平面垂直方向对齐的单色滤光膜；203-用于沿焦平面垂直方向对齐的微滤光片阵列；204-工作波段为0.9-1.7μm的焦平面探测器；205-焦平面探测器的像元；206-沿焦平面垂直方向对齐的双色焦平面探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参见图1，图1是本发明提出的一种双色焦平面探测器的制作方法和双色图像获取方法的流程图。本发明实施例提出一种双色焦平面探测器制作方法，用于设计一种0.4-0.7μm和0.7-1.0μm的双色成像方法实施例，该双色焦平面探测器制作方法包括以下步骤：
S11：在基底上镀制呈梳状周期排布的单色滤光膜形成微滤光片阵列。
具体地，如图2和图3所示，在透明玻璃的基底101上镀制呈梳状周期排布的工作波段为0.7-1.0μm的单色滤光膜102，形成微滤光片阵列103。
S12：将微滤光片阵列粘贴至焦平面探测器的焦平面构成双色焦平面探测器，基底和焦平面探测器的工作波段具有交集波段I，单色滤光膜的工作波段和交集波段I具有交集波段II。
具体地，如图3和图4所示，微滤光片阵列103粘贴至工作波段为0.4-1.0μm的焦平面探测器104的焦平面上，构成沿焦平面探测器104的焦平面的水平方向对齐的双色焦平面探测器106。
本发明实施例中，基底101可选用工作波段覆盖0.4-1.0μm的玻璃基底，基底101优选K9玻璃作为基底，还可以选用K7、F5玻璃作为基底。
本发明实施例中，单色滤光膜102的工作波段为0.7-1.0μm，K9玻璃基底的工作波段为0.35-2.0μm，焦平面探测器104的工作波段为0.4-1.0μm，单色滤光膜102、基底101、焦平面探测器104的工作波段的交集为0.7-1.0μm。
本发明实施例中，多条单色滤光膜102在基底101表面上呈梳状周期的排布，单条单色滤光膜102的排布周期为9.6μm，单条单色滤光膜102的宽度为4.8μm，单条单色滤光膜102的宽度等于其排布周期的1/2。
本发明实施例中，K9玻璃的基底的厚度为0.8mm。
本发明实施例中，焦平面探测器104可以选用帧曝光CMOS焦平面探测器，工作波段为0.4-1.0μm，帧曝光CMOS焦平面探测器的面阵大小为1280×1024，像元尺寸为4.8μm×4.8μm。
本发明实施例中，微滤光片阵列103粘贴至焦平面探测器104的焦平面，微滤光片阵列103的粘贴面为其上表面和下表面中任何一种。
本发明实施例中，微滤光片阵列103与焦平面探测器104的对齐方向为沿焦平面探测器104的焦平面的水平方向对齐，单色滤光膜102的延展方向与焦平面探测器104的焦平面的水平方向一致，单条单色滤光膜102与焦平面探测器104的n1行像元对齐，n1为正整数。
作为本发明的一种优选实施方式：微滤光片阵列103粘贴至焦平面探测器204的焦平面构成双色焦平面探测器，其粘贴过程包括如下步骤：
S21：在焦平面探测器104的焦平面上涂厚度小于100nm的紫外敏感胶；
S22：通过在LED光源前增加工作波段在0.4-0.7μm内的滤光片构成工作光源；
S23：在工作光源照射下，调节微滤光片阵列103的位置和角度，使得微滤光片阵列103与焦平面探测器104的像元对齐；
S24：利用紫外灯曝光，将微滤光片阵列103与焦平面探测器104的焦平面固化在一起。
请再次参见图1，本实施例还在上述实施例所述的双色焦平面探测器制作方法的基础上提出一种双色图像获取方法，该双色图像获取方法包括如下步骤：
S31：利用上述实施例所制备的双色焦平面探测器探测输出工作波段为0.4-1.0μm的宽波段图像和工作波段为0.7-1.0μm的第一幅窄波段图像；
S32：利用图像放大处理方法，分别对宽波段图像和第一幅窄波段图像沿垂直于单色滤光膜延展方向进行两倍图像放大处理，对应得到全尺寸的宽波段图像和全尺寸的第一幅窄波段图像；
S33：从工作波段为0.4-1.0μm的全尺寸的宽波段图像中去除工作波段为0.7-1.0μm的全尺寸的第一幅窄波段图像得到工作波段为0.4-0.7μm的全尺寸的第二幅窄波段图像，从而获得两幅全尺寸的窄波段图像，其中，去除的方法是从β倍的全尺寸的宽波段图像中减去全尺寸的第一幅窄波段图像得到全尺寸的第二幅窄波段图像，β值是工作波段处为0.7-1.0μm的光源照射条件下，双色焦平面探测器输出的第一幅窄波段图像平均值与宽波段图像平均值的比值，其中图像平均值为图像中所有像素值的平均值。
作为本发明的一种优选实施方式：图像放大处理方法为最近邻插值、线性插值、三次样条插值、深度学习四种方法中的任何一种。
本发明实施例中：优选地选用图像放大处理方法为三次样条插值法。
实施例二
请参见图1，图1是本发明提出的一种双色焦平面探测器的制作方法和双色图像获取方法的流程图。本发明实施例提出一种双色焦平面探测器制作方法，用于设计一种0.9-1.3μm和1.3-1.7μm的双色成像方法实施例，该双色焦平面探测器制作方法包括以下步骤：
S11：在基底上镀制呈梳状周期排布的单色滤光膜形成微滤光片阵列。
具体地，如图5和图6所示，在短波红外材料的基底201上镀制呈梳状周期排布的工作波段为1.3-1.7μm的单色滤光膜202，形成微滤光片阵列203。
S12：将微滤光片阵列粘贴至焦平面探测器的焦平面构成双色焦平面探测器，基底和焦平面探测器的工作波段具有交集波段I，单色滤光膜的工作波段和交集波段I具有交集波段II。
具体地，如图6和图7所示，将微滤光片阵列203粘贴至工作波段为0.9-1.7μm的焦平面探测器204的焦平面上，构成沿焦平面探测器204的焦平面的垂直方向对齐的双色焦平面探测器206。
本发明实施例中，基底201可选用工作波段覆盖0.9-1.7μm的短波红外材料基底，优选氟化镁材料作为基底，还可以选用氟化钙、氟化钡材料作为基底。
本发明实施例中，单色滤光膜202的工作波段为1.3-1.7μm，氟化镁材料基底201的工作波段为0.11-8.5μm，焦平面探测器204的工作波段为0.9-1.7μm，单色滤光膜202、基底201、焦平面探测器204的工作波段的交集为1.3-1.7μm。
本发明实施例中，多条单色滤光膜202在基底201表面上呈梳状周期的排布，单条单色滤光膜的排布周期为30μm，单条单色滤光膜的宽度为15μm，单条单色滤光膜的宽度等于其排布周期的1/2。
本发明实施例中，氟化镁材料的基底的厚度为0.5mm。
本发明实施例中，焦平面探测器204包括可见-短波红外焦平面探测器(工作波段为0.4-1.7μm)或者短波红外焦平面探测器(工作波段为0.9-1.7μm)中的任意一种。
本发明实施例中，焦平面探测器204选用铟镓砷焦平面探测器，工作波段为0.9-1.7μm，铟镓砷焦平面探测器的面阵大小为640×512，像元尺寸为15μm×15μm。
本发明实施例中，微滤光片阵列203粘贴至焦平面探测器204的焦平面上，微滤光片阵列203的粘贴面为其上表面和下表面中的任何一种。
本发明实施例中，微滤光片阵列203与焦平面探测器204的对齐方向为沿焦平面探测器204的焦平面的垂直方向对齐，单条单色滤光膜202的延展方向与焦平面探测器204的焦平面的垂直方向一致，单条单色滤光膜202与焦平面探测器204的n2列像元对齐，n2为正整数。
作为本发明的一种优选实施方式：微滤光片阵列203粘贴至焦平面探测器204的焦平面构成双色焦平面探测器，其粘贴过程包括如下步骤：
S21：在焦平面探测器204的焦平面上涂厚度小于100nm的紫外敏感胶；
S22：通过在LED光源前增加工作波段在0.9-1.3μm范围内的滤光片构成工作光源；
S23：在工作光源照射下，调节微滤光片阵列203的位置和角度，使得微滤光片阵列203与焦平面探测器204的像元205对齐；
S24：利用紫外灯曝光，将微滤光片阵列203与焦平面探测器204的焦平面固化在一起。
请再次参见图1，本实施例还在上述实施例所述的双色焦平面探测器制作方法的基础上提出一种双色图像获取方法，该双色图像获取方法包括如下步骤：
S31：利用上述实施例所制备的双色焦平面探测器探测输出工作波段为0.9-1.7μm的宽波段图像和工作波段为1.3-1.7μm的第一幅窄波段图像；
S32：利用图像放大处理方法，分别对宽波段图像和第一幅窄波段图像沿垂直于单色滤光膜延展方向进行两倍图像放大处理，对应得到全尺寸的宽波段图像和全尺寸的第一幅窄波段图像；
S33：从工作波段为0.9-1.7μm的全尺寸的宽波段图像中去除工作波段为1.3-1.7μm的全尺寸的第一幅窄波段图像得到工作波段为0.9-1.3μm的全尺寸的第二幅窄波段图像，从而获得两幅全尺寸的窄波段图像，其中，去除的方法是从β倍的全尺寸的宽波段图像中减去全尺寸的第一幅窄波段图像得到全尺寸的第二幅窄波段图像，β值是工作波段处在1.3-1.7μm内的光源照射条件下，双色焦平面探测器输出的第一幅窄波段图像平均值与宽波段图像平均值的比值，其中图像平均值为图像中所有像素值的平均值。
作为本发明的一种优选实施方式：图像放大处理方法为最近邻插值、线性插值、三次样条插值、深度学习四种方法中的任何一种。
本发明实施例中：优选地选用图像放大处理方法为三次样条插值法。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的。本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。