Bildverarbeitung
CMOS-Integration von Bildsensor und Fabry-Pérot-Filter
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Die Herausforderung: Mikro-HSI als Massenware
Die Herstellung von HSI-Kameras in einer Baugröße, die ihre Integration in endoskopische Instrumente erlaubt, setzt die Weiterentwicklung der gegenwärtigen HSI-Technologie um mehrere Größenordnungen voraus. Das betrifft ihre Verkleinerung auf Formfaktoren von wenigen Kubikzentimetern oder sogar Kubikmillimetern, ihre Kostenreduktion von mehreren zehntausend auf wenige Dollar pro System und eine geringere Komplexität, so dass jeder Praktiker oder auch Laie sie einfach einsetzen kann.
Dieser Sprung ist möglich, wenn die komplette HSI-Erfassung und Verarbeitung auf einem Chip integriert werden kann. Ein solches System ließe sich dann mit den gleichen Werkzeugen und zu vergleichbaren Kosten wie gängige Standard-Chips für Massenanwendungen produzieren.
Das Schlüsselkonzept, das wir zu diesem Zweck untersucht haben, sind interferometrische Fabry-Pérot-Filter (Bild 2). Ein Fabry-Pérot-Filter besteht aus zwei eng benachbarten parallelen Spiegeloberflächen, zwischen denen ein einfallender Lichtstrahl reflektiert wird und mit sich selbst interferiert.
Dieser Interferenzeffekt, der sowohl konstruktiv wie destruktiv wirkt, erlaubt den Durchgang bestimmter Wellenlängen, während andere ausgefiltert werden. Durch sorgfältiges Einstellen der Entfernung zwischen den reflektierenden Oberflächen lässt sich ein Filter so auslegen, dass es nur ein spezifisches, eng begrenztes Wellenlängenband passieren lässt.
Um ein vollständiges Spektrum mit schmalen, benachbarten Bändern abzudecken, setzen wir ein Array von Fabry-Pérot-Filtern für jedes dieser schmalen Bänder ein. Als Hilfsvorstellung dient das Konzept der Fabry-Pérot-Treppe (Bild 3): Im Querschnitt stellt die Anordnung eine Treppe mit winzigen Stufen dar, wobei jede Stufe einem optischen Filter entspricht.
Die Interferenz zwischen der Oberkante jeder Stufe und der unteren Ebene der Treppe stellt sicher, dass die Stufe nur ein bestimmtes Spektralband zum darunter befindlichen Bildsensor passieren lässt.
Die Treppe ersetzt also das Beugungsgitter, das in traditionellen HSI-Kameras das Licht in unterschiedliche Wellenlängen aufteilt (Bild 4). Wir erzeugen diese Treppen durch Deposition auf einem Wafer mit Bildsensor-Chips. Sie werden somit durch monolithische Integration zu einem Teil des Chips.
Diese neuartige Vorgehensweise ist unseres Wissens noch nirgendwo anders verfolgt worden. Ausschlaggebend für die erfolgreiche Entwicklung dieses Prozesses war die enge Design-Kooperation zwischen der Imec-Forschergruppe für Vision-Systeme und dem Team für Silizium-Fabprozesse mit breiten Erfahrungen in der Fertigung innovativer Silizium-Designs mit CMOS-Prozess-Werkzeugen.
- CMOS-Integration von Bildsensor und Fabry-Pérot-Filter
- Die Herausforderung: Mikro-HSI als Massenware
- 1 cm³ großer Prototyp
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