一种可调光学滤波器件和光谱成像系统的制作方法

1.本发明涉及一种半导体器件领域，并且特别涉及一种可调光学滤波器件和光谱成像系统。


背景技术：

2.在可见光
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近红外(如400
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1000nm)，近红外
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短波红外(如900nm
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2500nm)和中远红外(如3
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14微米)的高光谱成像有时会用于实时目标识别、语义分割和语义识别等应用。而这些应用往往需要实时采集图像，即要求高光谱图像数据有比较高的图像刷新率(帧率)。
3.基于传统棱镜分光的解决方案由于需要机械扫描来实现二维空间成像，所以不适合高帧率的应用。而基于转轮的解决方案需要机械转轮来实现在某一时间有一特定的滤光片覆盖成像芯片，结果是体积的增加和稳定性的降低。基于棱镜和镜头矩阵的解决方案虽然可以在牺牲空间分辨率的条件下实现较高帧率的成像，但是却极大地增加了系统的复杂度和成本。
4.基于fabry
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perot(法伯腔)干涉的可调滤光器件(tuneable fpi)可以被用来制造微型光谱仪和小型甚至迷你高光谱相机。在前述可见光
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近红外
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短波红外和中远红外范围内法伯腔器件可以提供最紧凑的结构和最简洁的光路设计。传统的可调法伯腔采取类似于机械转轮的分时成像方式，在某一时间只有一个波段的光被选通进入成像芯片。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的可调法伯腔在某一时间只有一个波段的光能被选通进入成像芯片的问题，本发明提出了一种可调光学滤波器件，以试图解决现有可调滤光器件不能同时选通不同波段的光线到成像芯片的不同位置的问题。
6.本发明提出了一种可调光学滤波器件，该器件包括设置有第一反射结构的第一衬底和设置有第二反射结构的第二衬底，第一衬底和第二衬底具有反射结构的表面外围通过键合物相互键合以在反射结构之间形成腔体，且腔体内第一衬底和/或第二衬底具有反射结构的表面分布有不同厚度的光学材料块。凭借在腔体分布设置的不同厚度的光学材料块可以实现该法伯腔同时选通不同波段的光线使其入射到相应的不同位置。
7.优选的，光学材料块采用半导体材料或绝缘体材料制成。选用半导体或绝缘体材料作为红外光谱范围可以透光的介质，利用其不同厚度及不同空间位置得到不同波长的光谱响应。
8.进一步优选的，光学材料块通过在衬底上加工形成，并且衬底以及光学材料块的表面上沉积有反射结构。沉积前在衬底上通过刻蚀等方式提前加工好光学材料块的工艺相对简单，容易实现。
9.进一步优选的，光学材料块为在反射结构上加工形成，反射结构为沉积在衬底上的薄膜材料。通过在沉积后的反射结构上加工形成光学材料块，能够更好地控制光学材料块的厚度，使得整体的滤光特性更加的精准。
10.进一步优选的，不同厚度的光学材料块在第一衬底和/或第二衬底具有反射结构的表面形成阵列式结构。该阵列式结构类似马赛克式图形，单个马赛克对应特定的谐振腔的长度，进而对应特定的选通波长。
11.进一步优选的，多组阵列式结构根据不同的光学材料块的厚度排列组成像素矩阵。组成的像素矩阵可以提供多个不同波长的组合，形成对应的高光谱图像。
12.进一步优选的，腔体中的最厚的光学材料块同时抵接第一反射结构和第二反射结构。光学材料块同时抵接两反射结构的法伯腔形成固定式的法伯腔结构。
13.进一步优选的，阵列式结构中的个别区域不具有光学材料块。不具有光学材料块的区域即为原始未设置光学材料块的法伯腔。
14.优选的，第一反射结构和第二反射结构为布拉格反射器。将反射结构设置为布拉格反射器可以在一定波长的范围内减少反射，增加通光量。
15.进一步优选的，光学材料块中具有最大厚度的光学材料块未抵接其面对的另一衬底的反射结构，且第一衬底和/或第二衬底上设置有用于控制第一衬底和/或第二衬底相对位移的驱动装置，驱动装置包括设置于第一反射结构与键合物之间的第一电极，以及第二反射结构在腔体内与第一电极相对的第二电极。凭借第一电极和第二电极之间形成的电容结构，可以驱动第一衬底和/或第二衬底的相对位移。
16.优选的，第一反射结构和第二反射结构为镜面，镜面的材质包括硅、氧化硅或其组合或银。镜面材质的多样化可根据实际的需求选择合适的材质。
17.进一步优选的，光学材料块中具有最大厚度的光学材料块未抵接其面对的另一衬底的反射结构，且第一衬底和/或第二衬底上设置有用于控制第一衬底和/或第二衬底相对位移的驱动装置，驱动装置包括位于第一衬底与镜面相背的表面的外围硅层的表面上的第三电极和位于镜面上的与第三电极相对的第四电极。凭借第三电极和第四电极之间形成的电容结构，可以驱动第一衬底和/或第二衬底的相对位移。
18.优选的，第一衬底和/或第二衬底与腔体相背的表面中部设置有由硅形成的环形重物。凭借环形重物的设置可以提高衬底工作时的平整度。
19.优选的，第一衬底和第二衬底具有反射结构的表面外围通过键合物相互键合的方式包括共晶键合、聚合物或阳极键合。凭借键合的方式可将两玻璃薄膜结构紧密结合，保证可调光学滤波器件的稳定性。
20.根据本发明的第二方面，提出了一种光谱成像系统，包括上述的可调光学滤波器件，还包括成像芯片，可调光学滤波器件与成像芯片相互键合。凭借可调光学滤波器件与成像芯片的配合，可以实现同时选通不同波段的光线入射到成像芯片相应的不同位置，实现较高帧率的成像。
21.根据本发明的第三方面，提出了一种光谱成像系统，包括上述的可调光学滤波器件，且可调光学滤波器件的第一衬底和第二衬底中的一个为成像芯片。将其中一衬底作为成像芯片，可以实现同时选通不同波段的光线入射到成像芯片相应的不同位置，实现较高帧率的成像。
22.优选的，成像芯片包括可见光
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近红外范围的硅基器件、近红外
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短波红外范围内的铟镓砷探测器、中远红外范围的探测器、热电堆或微辐射热测定仪。
23.本发明的可调光学滤波器件，保留了法伯腔结构紧凑及光路简单的优势，通过在
法伯腔的二维空间上分布设置不同厚度的光学材料块，在法伯腔内形成不同的谐振腔的长度，从而实现了阵列式的马赛克结构的图形，单一的马赛克可以对应特定的谐振腔长度，进而对应特定的选通波长。还提出了一种光谱成像系统，可以通过将可调滤波器件与成像芯片键合或者直接将可调滤波器件的其中一衬底作为成像芯片，使单一马赛克对应成像芯片的单个或若干个成像单元，进而形成高光谱图像。
附图说明
24.包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
25.图1是根据本发明的第一个实施例的可见光
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近红外可调光学滤波器件的截面图；
26.图2是根据本发明的第二个实施例的中远红外可调光学滤波器件的截面图；
27.图3是根据本发明的一个具体的实施例的可调光学滤波器件的远红外光谱仿真结果图；
28.图4是根据本发明的一个实施例的光谱成像系统的截面图。
具体实施方式
29.在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。
30.图1示出了根据本发明的第一个实施例的可见光
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近红外可调光学滤波器件的截面图。如图1所示，该可调光学滤波器件包括第一衬底104和第二衬底108，其中第一衬底104被设置为可位移的衬底结构，第二衬底108被设置为固定的衬底结构。第一衬底104与表面硅层103通过键合的方式紧密结合。利用微加工的方法将光学镜面105和光学镜面107分别沉积在第一衬底104和第二衬底108上并刻蚀成相应的图案，将第一衬底104和第二衬底108有镜面的一侧表面外围通过第一键合物106相互键合形成法布里
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珀罗腔，在表面硅层103的外表面设置有第一电极102，光学镜面105可作为第二电极，第一电极102与光学镜面105可形成用于驱动第一衬底104位移的驱动电容，通过驱动电容驱使第一衬底104位移调节法布里
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珀罗腔的间隙进而实现可调光学滤波的功能，加工成本低且加工工艺更为简单，能够适用于手机等空间尺寸受限的器件。
31.在优选的实施例中，第一衬底104和第二衬底108键合后，光学镜面105与光学镜面107互相平行且在法布里
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珀罗腔内形成反射区，光学镜面105和光学镜面107的材质为金属镜面，材质可以是银或其他金属，金属材质的镜面结构可以通过导电性良好的表面硅层103与第一电极102构成用于驱动第一衬底104位移的驱动电容，镜面材质的可选择性根据实际的需要选择合适的材质作为电极，亦可通过适当掺杂硅薄膜来实现一定的导电性，进而作
为电极使用，第一电极102设置于表面硅层103的外表面可以便于器件的后期封装连接。
32.在具体的实施例中，在法布里
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珀罗腔内分布设置有不同厚度的光学材料块109，不同厚度的光学材料块109在法伯腔的二维空间上形成不同的谐振腔长度，可以选通对应特定的波长。光学材料块109采用半导体材料或者绝缘体材料等在可见光
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近红外光谱范围可以透光的薄膜制成，选用半导体或绝缘体材料作为红外光谱范围可以透光的介质，利用其不同的厚度及不同空间位置得到不同波长的光谱响应。
33.在具体的实施例中，光学材料块109可以通过在衬底上加工形成，并且衬底以及光学材料块109的表面上沉积有光学镜面105。沉积前在衬底上通过刻蚀等方式提前加工好光学材料块109的工艺相对简单，容易实现。在其他实施例中，光学材料块109也可以在光学镜面105上加工形成，光学镜面105为沉积在衬底上的薄膜材料。通过在沉积后的光学镜面105上加工形成光学材料块109，能够更好地控制光学材料块109的厚度，使得整体的滤光特性更加精准。
34.在优选的实施例中，不同厚度的光学材料块109在第一衬底104具有反射结构的表面形成阵列式结构，该阵列式结构类似马赛克式图形，单个马赛克对应特定的谐振腔的长度，进而对应特定的选通波长。进一步优选的，多组阵列式结构根据不同的光学材料块109的厚度排列组成像素矩阵，组成的像素矩阵可以提供多个不同波长的组合，对应形成高光谱图像。
35.虽然图1中示出将光学材料块109设置为不同厚度的光学材料块1091
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1094，形成4*4的像素样式，但是应当认识到，还可以采用其他的组合样式例如2*2、3*3、5*5等其他样式，进而形成一个有效像素，且该像素可以提供4、9、16或25个不同波长的组合，利用该像素可以做矩阵分布，对应形成高光谱图像，该高光谱图像的空间分辨率由像素的大小决定。
36.在具体的实施例中，法伯腔中的最厚的光学材料块109可以同时抵接光学镜面105和光学镜面107，此时的法伯腔为固定式的法伯腔结构，可以无需设置第一电极102。如需可调法伯腔结构，则光学材料块109中具有最大厚度的光学材料块未抵接其面对的另一衬底的光学镜面，且第一衬底104和/或第二衬底108上设置有用于控制第一衬底104和/或第二衬底108相对位移的驱动装置，即第一电极102和第二电极形成的驱动电容。阵列式结构中的个别区域不具有光学材料块109，该区域的光学介质为空气，即为原始未设置光学材料块的法伯腔。可以根据实际应用的需求将法伯腔设置为固定或可调的法伯腔结构，通过对光学材料块109的厚度设置即可实现相应的功能。
37.在优选的实施例中，利用等离子刻蚀的方法将第一衬底104上的表面硅层103部分去除，形成用于加强第一衬底104的平整度的环形重物101，应当认识到，环形重物101的形状不限于圆形，也可以是椭圆、矩形等其他规则或不规则形状，刻蚀方式也不限于等离子刻蚀，也可以是化学试剂刻蚀，根据具体的使用场景选择合适的刻蚀方式刻蚀所需的形状。
38.在具体的实施例中，第一衬底104和第二衬底108之间的键合方式具体可以为共晶键合、聚合物或阳极键合的方式。共晶键合是采用金属作为过渡层从而实现硅
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硅之间的键合，对表面要求不高，键合温度低、键合强度高；阳极键合具有键合温度低，与其他工艺相容性好，键合强度及稳定性高等优点，可用于硅/硅基片之间的键合、非硅材料与硅材料、以及玻璃、金属、半导体、陶瓷之间的互相键合。可针对实际的键合的表面工艺以及材料选择合适的键合方式实现两衬底之间的键合。
39.图2示出了根据本发明的第二个具体实施例的中远红外可调光学滤波器件的截面图。如图2所示，该可调光学滤波器件包括包括第一衬底201和第二衬底207，第一衬底201的一侧设置有第一布拉格反射器203，第二衬底207的一表面设置有第二布拉格反射器206，第二衬底207和第二布拉格反射器206具有比第一衬底201和第一布拉格反射器203更大的外延，第一布拉格反射器203和第二布拉格反射器206的表面的外围通过第二键合物205互相键合以在两布拉格反射器之间形成法布里
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珀罗腔，第一布拉格反射器203与键合物5之间设置有第三电极2041，第二布拉格反射器206在法布里
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珀罗腔内与第三电极2041相对应的位置设置有第四电极2042，通过第三电极2041与第四电极2042之间形成的电容驱动结构可以使得第一布拉格反射器203和第二布拉格反射器206产生相对位移调节法布里
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珀罗腔的间隙进而实现可调光学滤波的功能，第一衬底201和第二衬底207的中部被移除形成可使光线通过的入射区域。
40.在优选的实施例中，第一布拉格反射器203由氧化硅层2031、外围硅层2032、第三键合物2033和外围硅层2034在第一衬底201上通过半导体加工的方式形成，第二布拉格反射器206由互相交替的硅层2061、第四键合物2062、硅层2063和氧化硅层2064在第二衬底207上通过半导体加工的方式形成，其中外围硅层2032和2034通过第三键合物2033相互键合，硅层2061和硅层2063通过第四键合物2062相互键合。凭借设置于第一衬底201和第二衬底207上的布拉格反射器结构，光在经过氧化硅和硅层会产生相应的反射和折射，通过合理的配置，可使得光在不同折射率的薄膜层之间进行反射，且反射回来的光因相位角的改变而进行建设性干涉，然后互相结合在一起，得到强烈反射光，可以使得光线在一定波长的范围内减少反射，增加通光量。
41.在优选的实施例中，第一布拉格反射器203和第二布拉格反射器206通过第二键合物205互相键合后，第一布拉格反射器203与第二布拉格反射器206互相平行且在法布里
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珀罗腔内形成反射区，第三电极2041和第四电极2042为金属电极，利用半导体加工工艺分别于第一布拉格反射器203和第二布拉格反射器206表面加工获得，第三电极2041与相对的位置的第四电极2042构成驱动电容。第四电极2042部分设置于第二布拉格反射器203的横向外延，可为外接电极引线提供便利，以利于后期的封装。
42.在具体的实施例中，在法布里
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珀罗腔内分布设置有不同厚度的光学材料块209，不同厚度的光学材料块209在法伯腔的二维空间上形成不同的谐振腔长度，可以选通对应特定的波长。光学材料块209采用半导体材料或者绝缘体材料等在红外光谱范围可以透光的薄膜制成，选用半导体或绝缘体材料作为红外光谱范围可以透光的介质，可以利用其不同的厚度及不同空间位置得到不同波长的光谱响应。
43.在具体的实施例中，光学材料块209可以通过在衬底上加工形成，并且衬底以及光学材料块的表面上沉积有布拉格反射器。沉积前在衬底上通过刻蚀等方式提前加工好光学材料块209的工艺相对简单，容易实现。在其他实施例中，光学材料块209也可以在布拉格反射器上加工形成，布拉格反射器为沉积在衬底上的薄膜材料。通过在沉积后的布拉格反射器上加工形成光学材料块209，能够更好地控制光学材料块209的厚度，使得整体的滤光特性更加的精准。
44.在优选的实施例中，不同厚度的光学材料块209在第一布拉格反射器203的表面形成阵列式结构，该阵列式结构类似马赛克式图形，单个马赛克对应特定的谐振腔的长度，进
而对应特定的选通波长。进一步优选的，多组阵列式结构根据不同的光学材料块的厚度排列组成像素矩阵，组成的像素矩阵可以提供多个不同波长的组合，对应形成高光谱图像。
45.虽然图2中示出将光学材料块209设置为不同厚度的光学材料块2091
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2094，形成4*4的像素样式，但是应当认识到，还可以采用其他的组合样式例如2*2、3*3、5*5等其他样式，进而形成一个有效像素，且该像素可以提供4、9、16或25个不同波长的组合，利用该像素可以做矩阵分布，对应形成高光谱图像，该高光谱图像的空间分辨率由像素的大小决定。
46.在具体的实施例中，法伯腔中的最厚的光学材料块可以同时抵接第一布拉格反射器203和第二布拉格反射器206，此时的法伯腔为固定式的法伯腔结构，可以无需设置驱动电极204。如需作为可调法伯腔结构，则光学材料块209中具有最大厚度的光学材料块未能抵接其面对的另一衬底的布拉格反射器，且第一布拉格反射器203和第二布拉格反射器206上设置有用于控制第一布拉格反射器203和/或第二布拉格反射器206相对位移的驱动电容装置，即第三电极2041和第四电极2042形成的驱动电容。阵列式结构中的个别区域不具有光学材料块209，该区域的光学介质为空气，即为原始未设置光学材料块的法伯腔。可以根据实际应用的需求将法伯腔设置为固定或可调的法伯腔结构，通过对光学材料块209的厚度设置即可实现相应的功能。
47.第一衬底201和第二衬底207被去除形成环形重物结构202、208和支撑结构，应当认识到，环形重物202、208的形状不限于圆形，也可以是椭圆、矩形等其他规则或不规则形状，去除方式可以为等离子刻蚀，也可以是化学试剂刻蚀，视具体的使用场景选择合适的刻蚀方式刻蚀所需的形状。
48.在具体的实施例中，第一布拉格反射器203和第二布拉格反射器206之间的键合方式具体可以为共晶键合、聚合物或阳极键合的方式。共晶键合是采用金属作为过渡层从而实现硅
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硅之间的键合，对表面要求不高，键合温度低、键合强度高；阳极键合具有键合温度低，与其他工艺相容性好，键合强度及稳定性高等优点，可用于硅/硅基片之间的键合、非硅材料与硅材料、以及玻璃、金属、半导体、陶瓷之间的互相键合。可针对实际的键合的表面工艺以及材料选择合适的键合方式实现两玻璃薄膜之间的键合。
49.继续参考图3，图3示出了本发明的一个具体的实施例的可调光学滤波器件的远红外光谱仿真结果图，如图3所示，在光学材料块(om)为不同厚度时，对应光谱上不同的波长位置，在相同的反射结构和法伯腔结构中仅通过改变空气与光学材料(om)的厚度就可以在不同空间位置得到不同波长的光谱相应，应当注意的是，单个光学材料位置即单个马赛克位置对应的波峰可能大于1个。光学材料(om)可以是绝缘材料(如氧化物)、半导体材料或者有机物等在红外光谱范围可以透光的薄膜。
50.继续参考图4，图4是根据本发明的一个实施例的光谱成像系统的截面图，如图4所示，该光谱成像系统包括如图1所示的可调光学滤波器件，还包括成像芯片402，成像芯片402与图1所示的可调光学滤波器件通过键合物401互相键合形成光谱成像系统。图4仅示出了利用图1所示的可调光学滤波器件与成像芯片402键合形成的光谱成像系统，但应当认识到，还可以利用如图2所示的可调光学滤波器件与成像芯片402键合形成光谱成像系统，同样可以实现本发明的技术效果。
51.在另一实施例中，可以将图1或图2中示出的可调光学滤波器件的其中一衬底作为成像芯片本身，即在成像芯片本身为衬底的基础上制造上述可调光学滤波器件，同样能够
实现本发明中光谱成像系统的技术效果。
52.在优选的实施例中，成像芯片402包括可见光
‑
近红外范围(如400
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1000nm)的ccd、cmos等硅基器件、近红外
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短波红外范围(900
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2500nm)内的铟镓砷探测器、中远红外范围(如3
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14微米)的其他化合物探测器、热电堆或微辐射热测定仪。
53.本发明的可调光学滤波器件利用金属(如银等)或布拉格反射器dbr(如半导体/绝缘层，或半导体/空气层)的宽铺镜面组成法伯腔结构，利用不同厚度的光学材料形成具有马赛克分布法伯腔的谐振腔长度(法伯腔两镜面之间的有效光学距离)，每个谐振腔长度对应一个特定的法伯腔光谱响应，且在一定的光谱范围内，该光谱响应可以出现1个或多个波峰，不同的谐振腔长度的实现可以通过在镜面晶圆的衬底上加工出不同高度的区域，即在镜面薄膜淀积之前通过刻蚀等方法实现；也可以在镜面薄膜淀积之后，即在镜面薄膜上加工出不同区域具有不同高度的光学薄膜材料。根据上述可调光学滤波器件与成像芯片的设置方式提出了光谱成像系统，可以将具有马赛克分布谐振腔长度的法伯腔结构可以作为薄膜直接制造在成像芯片上，即法伯腔的衬底为成像芯片本身；还可以将具有马赛克分布谐振腔长度的法伯腔结构可以作为独立的芯片，通过键合等方式与成像芯片组装构成光谱成像系统。由该马赛克可调法伯腔组成的高光谱成像系统可以实现同时选通不同波段的光线入射到成像芯片相应的不同位置，从而实现较高帧率的成像。
54.显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。