一种基于Fabry–Pérot腔的透射式超构表面多光谱成像仪

摘要

本发明公开了一种基于Fabry–Pérot腔的透射式超构表面多光谱成像仪，包括CMOS、FP腔超构表面滤波片。FP腔超构表面滤波片包括透明基底、金属层、介质层、微纳结构等，其连接主要由各层材料的粘附性实现，无需所提工艺之外的额外工序。入射光通过FP腔超构表面滤波片透射特定波长(即滤波)，透射光到达CMOS图像处理器上由CMOS记录经过滤波的光信号强度，进行光谱重建。本发明拥有更多的自由度来调控滤波性能，同时大大减少了加工的难度，有利于拓展滤波通道，提高多光谱成像仪的性能。本发明实现了透射式滤波，使CMOS在处理光强数据的时候更加简单，提高了多光谱成像仪的处理速度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于Fabry–Pérot腔的透射式超构表面多光谱成像仪，属于多光谱成像技术领域。

背景技术

多光谱成像仪是将光谱特征以及空间图像信息相结合的设备，当中的核心技术就是多光谱成像技术，其主要作用就是将成分复杂的光分解为若干个窄波段的光，然后通过对若干个窄波段的入射光的光谱测量可以获得被检测物的各种信息。多光谱成像仪通常由分光系统、探测成像系统及信息传输系统组成，根据分光系统的分光原理可以将多光谱成像仪分为三大类：色散型多光谱成像仪、调制型多光谱成像仪以及滤波型多光谱成像仪。色散型多光谱成像仪是利用色散元件如棱镜、衍射、干涉光栅，把光信号在空间上按波长分散为多条光束并聚焦在光电探测器上；调制型多光谱成像仪则是利用调制原理(如傅里叶变换)的圆孔进光的非空间分光。这两种多光谱成像仪都面临着重量大、体积大的缺点，为了适应当前设备轻量化、微型化的特点，使用平面滤波器(即滤波片)作为分光元件可以实现与光电探测器在垂直维度上的堆叠，大大减小光学系统的重量及体积，并且实现了光谱和空间图像区域的连续取样。滤波器是一种选择性透射不同波长的光的光学器件，它在超高分辨率成像、光电系统和光学防伪等国防安全和民用经济领域的都有着广泛的应用。

而对于滤波器的选择，新兴的超构表面通过亚波长厚度的薄层结构可以进行光的调控，基于米氏理论利用介质超构表面实现的滤波器克服了高损耗、低效率的缺点，并且可以通过改变亚波长结构的尺寸实现波长选择功能，把不同尺寸的亚波长结构在小幅面范围内阵列，实现在单个芯片上的宽波段范围内的窄波长滤波。这种基于超构表面的滤波片与CMOS结合的多光谱成像芯片，对于多光谱成像仪性能、体积、重量上无疑是最好的选择。

但常见的超构表面滤波片基于其谐振理论，往往是反射式滤波器，对多光谱成像系统的集成与功能实现都是不利的，因此将超构表面与Fabry–Pérot腔滤色片技术相结合，可以实现透射式的滤波器，有利于多光谱成像系统的集成与功能实现。

而对于滤波器材料的选择，纳米结构光子材料能够在亚波长范围内控制和操纵光，并表现出独特的光学功能。并且可以通过改变亚波长结构的尺寸实现波长选择功能，把不同尺寸的亚波长结构在小幅面范围内阵列，实现在单个芯片上的宽波段范围内的窄波长滤波。特别介质材料(如硅、二氧化钛等)，与金属材料相比，突破了在可见光范围内没有巨大的内部损耗与昂贵的原料(如金、银等)及其纳米制造相关的问题(如成本、制造缺陷、表面粗糙度)的限制，因此，使用介质材料，有利于大面积、高精度的制备滤波器。

无论是光谱仪还是多光谱成像仪(芯片)，均有采用了FP腔技术作为滤色器。Fabry–Pérot腔全彩滤色器具有宽色域、高对比度和小尺寸等方面的优点，现如今的FP腔核心单元是由阶跃式纳米台阶阵列所组成的。其制造工艺主要包括镀膜技术与光刻技术，镀膜技术主要有电子束蒸发、离子束溅射和热蒸镀等，光刻技术主要包括紫外光刻，电子束曝光，离子束曝光等。(来源：Dai P,Wang Y,Hu Y,et al.Accurate inverse design ofFabry–Perot-cavity-based color filters far beyond sRGB via a bidirectionalartificial neural network[J].Photonics Research,2021)；FP腔滤波型光谱仪采用的FP腔滤波片，大多通过改变介质层、金属层的厚度对滤波性能进行调控，对于光谱成像仪(芯片)而言，最直接提高光谱性能的方法是增加滤波通道，意味着要在单片上制备更多的不同高度的结构或薄膜，每增加一个通道，其加工难度会大幅增加，在微纳加工领域尤其是光刻技术领域上是非常具有挑战性的，同时在芯片集成上也非常困难。

基于米氏理论的超构表面滤波器，介电纳米结构在可见光波段范围内能激发出更强烈的偶极子共振，在电偶极子与磁偶极子谐振相互作用下会产生依赖于波长的强烈散射现象，即实现滤波功能。相比于金属纳米结构，本发明使用介电纳米材料作为阵列结构的谐振单元，避免了固有的金属内部损耗的同时，可以获得高反射率、窄半峰宽的反射光谱，并且可以通过改变纳米结构的形状、几何参数、阵列周期，可以在可见光波段内灵活调整谐振特性。据此可以实现一种高效、高分辨率、低成本、小体积的滤波片。(来源：Yang JH,Babicheva V E,Yu M W,et al.Structural colors enabledby lattice resonance onsilicon nitride metasurfaces[J].ACS nano,2020)

基于米氏理论的超构表面滤波片大部分表现为反射型滤波片，对多光谱成像系统的集成与功能实现都是不利的，因此将超构表面与Fabry–Pérot腔滤色片技术相结合，可以实现透射式的滤波器，有利于多光谱成像系统的集成与功能实现。

发明内容

本发明的目的是将传统的多光谱成像仪改良，将FP腔技术与超构表面技术相结合，制备出小体积、高效率、高光谱分辨率的分光元件，实现高效、微型、加工简单、集成方便的多光谱成像仪(芯片)。

基于超构表面FP腔的多光谱成像仪的技术方案将由整体结构、核心元件——滤波片及其滤波原理、加工方法三个部分所组成。

本发明整体结构为：入射光通过FP腔超构表面滤波片透射特定波长(即滤波)，透射光到达CMOS图像处理器上由CMOS记录经过滤波的光信号强度，进行光谱重建。

一种基于Fabry–Pérot腔的透射式超构表面多光谱成像仪，包括CMOS1、FP腔超构表面滤波片2。FP腔超构表面滤波片包括透明基底4、金属层、介质层6、微纳结构7等，其连接主要由各层材料的粘附性实现，无需所提工艺之外的额外工序。

FP腔超构表面滤波片由透明基底4、金属层、微纳结构6、介质层7所组成。金属层分为第一金属层51、第二金属层52；透明基底4、微纳结构6和介质层7顺次布置，微纳结构6的顶部与底部上分别设有第一金属层51和第二金属层52。

金属层为Ag层、Al层或Au层，此金属层与FP腔原理中的金属层原理一致。微纳结构6为二氧化钛材料，将微纳结构阵列化，在其阵列化面积中实现滤波功能，其在可见光波段损耗低、高折射率，可以作为良好的光学材料，其结构可根据光谱仿真改变各种几何参数，其中包括几何形状、几何参数、周期等。介质层7用PMMA等光刻胶，主要用于保护微纳结构与支撑上方金属层的作用。

FP腔超构表面滤波片2与CMOS1的连接有多种方式，可通过OCA胶3直接将透明基底与CMOS直接相连接，或者通过其他化学、物理方法进行转移、连接等。

光谱重建过程：入射光经过FP腔超构表面滤波片(下称滤波片)，其中滤波片由多种不同的微纳结构阵列所组成，每种阵列可滤不同波峰的光，因此当入射光经过滤波片时，在平面内获得了多段被分解的窄带光(如图2所示)，平面内多段窄带光再入射到CMOS上，由CMOS探测到光强信息p

p＝Q

在纯FP腔结构中，光谱调控通常由改变介质层的材料、高度，金属层的材料、高度实现；纯超构表面结构中，光谱调控通常由改变微纳结构的材料、几何参数、几何形状、高度实现，而FP腔超构表面则均可通过上述所有参量实现光谱调控。

透明基底4是ITO或者石英玻璃；

本发明多光谱成像仪的核心元件是通过在金属-介质-金属层的介质层的典型FP腔结构中，在确定金属层材料及其厚度的条件下，在介质层中引入不同几何形状、不同几何参数的二维平面介质微纳结构，实现滤波功能，并通过改变微纳结构的结构参数(几何参数、占空比、周期等)，来实现滤波性能的调控，其中包括滤波波峰的峰位、效率、半峰宽、Q因子等等。入射光在进入FP滤色腔后，将在腔内发生多次反射，并与原入射光干涉，通过调制反射光与入射光相位间的差值，即可控制干涉的相长与相消，从而对透射的波长进行选择实现滤色功能。在设计时，通常使用两次反射之间由光的传播产生的动力学相位对相位差值进行控制，动力学相位的大小取决于光在介质中传播的距离(即腔厚)与介质的折射率。Phase＝2πd/λn，其中d为腔厚，n为介质折射率。实际加工时，改变腔体厚度或更换不同折射率的腔内介质的工艺难度高，且单元结构像素较大，不利于器件性能与集成。当超构表面的微纳结构尺寸远小于光的波长时，可以近似为一具有等效折射率neff的均匀介质,通过不同的结构设计，可以使n1≤neff≤n2，其中n1为微纳结构周围介质的折射率，n2为构成微纳结构的介质材料的折射率，进而在不改变腔厚和材料种类的条件下，对动力学相位进行控制，实现不同波段的滤波效果。

介质层中的微纳结构可以是任何图案，不仅限于图示给出的十字形；最小单元可以是圆形结构、圆环形结构、椭圆形结构、矩形结构、光栅结构。

介质层中的填充材料可以不是用光刻胶，可使用其他材料代替；可以使用其他透明介质，如氧化硅，氧化铝等，但是鉴于加工方便，采用光刻胶最好。

FP腔上下的金属层可以使用同一种材料，也可以使用不同材料，比如金属Al(铝)。

与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果。

1、结合FP腔的超构表面透射式多光谱成像仪(芯片)，其核心元件FP腔超构表面滤波器，与传统的FP腔滤波器相比较，拥有更多的自由度来调控滤波性能，同时大大减少了加工的难度，有利于拓展滤波通道，提高多光谱成像仪的性能。

2、结合了FP腔的超构表面透射式多光谱成像仪，其核心元件FP腔超构表面滤波器，与传统的基于米氏理论的超构表面滤波片相比较，实现了透射式滤波，使CMOS在处理光强数据的时候更加简单，提高了多光谱成像仪的处理速度。

附图说明

图1一种基于FP腔超构表面的透射式多光谱成像仪

图2FP腔超构表面滤波片结构示意图

图3FP腔超构表面滤波片的制备过程示意图

具体实施方式

本发明的核心元件——FP腔超构表面滤波片的加工方法：制备过程：(以微纳结构为十字型棱柱体为例)

S1、准备基底；

S2、通过热蒸发或者溅射生长底层金属层Ⅰ；

S3、在金属层上旋涂光刻胶；

S4、使用电子束曝光(EBL)设备进行曝光，将需要制备的结构图案转移到基底上；

S5、使用显影液进行显影、定影；

S6、使用原子层沉积(ALD)设备沉积介质层；

S7、通过离子束刻蚀(IBE)设备将多余的介质层材料去除；

S8、通过蒸发或者溅射生长顶层金属层Ⅱ；

S9、最后在金属层表面生长一层防氧化保护层。

本发明将FP腔中间的介质层用微纳结构代替，来达到透射式滤光的效果。传统的多光谱成像仪主要由分光系统以及探测成像系统所组成，分光元件大多是基于色散原理利用光栅、棱镜空间分光并聚焦在光电探测器上，本作品利用基于FP腔超构表面的阵列式滤波器作为多光谱成像仪的分光元件，可以在垂直维度上将分光元件与图像处理器堆叠，大大减少了光谱成像仪的体积与重量。