CN106324739A - 一种基于表面等离激元的光谱成像微滤光片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于表面等离激元的光谱成像微滤光片及其制备方法。所述微滤光片是在石英、硅片、柔性介质等衬底上制备周期性微纳结构。利用光与周期性微纳结构相互作用产生的表面等离激元共振效应，实现光与表面等离激元之间能量转换，完成对光的操控与调制，达到窄带滤波的目的。表面等离激元滤波单元与CCD探测器成像单元一一匹配，可以实现多通道直接光谱成像。该微滤波器具有集成度高、质量轻、可靠性高等优点，在可穿戴设备、纳米集成光路、无人机大范围扫描的光谱应用等领域，具有很高的实用价值。

Description

一种基于表面等离激元的光谱成像微滤光片及其制备方法

技术领域

本发明涉及表面等离激元技术、光学微器件制备、纳米光子学及遥感探测领域，特别涉及一种基于表面等离激元的多通道光谱成像技术，具体地讲，涉及一种利用不同工作波长的表面等离激元进行多通道窄带滤波的光谱成像。

背景技术

不同于传统黑白或者RGB三色成像，光谱成像可以从光谱维度上获得若干个任意通道。光谱成像滤光片和CCD探测器结合，不仅有图像的信息，并且可以获得图像上每个像素点的光谱数据，丰富了检测结果。目前，常见的光谱成像技术包括，光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光和芯片镀膜等。但是，光栅分光、声光可调谐滤波分光和棱镜分光的方案，制造相当复杂，并且结构尺寸较大，不便于光电子器件大规模集成。

芯片镀膜光谱成像技术具有微小尺寸，集成度高，需要利用半导体工艺进行制备。欧洲微电子研究中心（IMEC）利用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片，开发了一种高光谱成像技术。具体地讲，他们在CCD探测器的像元上分别镀上不同工作波长的滤波膜，于是不同的像元会接收到不同波长的光谱信息，实现光谱成像。这种光谱成像方式不需要额外的附件，降低了光谱成像设备的体积和成本。目前，IMEC提供三种光谱探测器：100波带的线扫描探测器，32波带的瓷砖式镀膜探测器，16波带以4×4为一个波段的马赛克式镀膜探测器。芯片镀膜光谱成像技术的优点是，可以同时获得光谱分辨率和空间分辨率，可以快速、高效地获得光谱信息和空间信息，集成度高，成本低。缺点是，其光谱灵敏度较低，一般大于10 nm；而且，滤波通道越多，工艺越复杂，与CCD像元对应的窄带滤波单元的边缘容易受到工序的影响，无法与像元实现完全匹配，性能难以保障。

1998年，Ebbesen等人在Nature上报道了在金属薄膜上制作亚波长纳米孔阵列，可以实现特定波长的光波的选择性透射，这是利用了表面等离激元现象。表面等离激元（surface plasmon polaritons）简称SPPs，它是一种在金属和介质界面传播的表面波，在垂直于界面的方向上是指数衰减的。当光波入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子集体振荡，光波与金属表面自由电子耦合形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波，当表面电子的振荡频率与入射光波频率一致时，发生共振，此时电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能。SPPs具有近场增强、表面受限、短波长等特性。基于SPPs的光子器件克服了光学的衍射极限，大大减小了器件的空间尺寸和电磁场的相互作用距离，其近场增强特性补偿了光场能量的损失，能进行亚波长范围内的光学集成。

早在20世纪70年代，人们就发现粗糙的金、银、铜表面可以产生高强度的拉曼散射，增益达到10⁴~10⁵倍，此现象称为表面增强拉曼散射，是与SPPs有关的光学现象。SPPs还可以帮助科学家实现近场范围内操控光子。1998年，Ebbesen等人发现光通过金属薄膜上的二维孔阵列时，由于表面等离激元共振增强效应，光通过每一个孔的通光效率都可以大于1，且通光效率受到阵列周期、孔径等参数的调制。继而，他们发现一些特殊表面形貌的微结构，可以在几微米内控制出射光束半高宽维持在半波长左右，表现出束流效应。这种对光子运动的控制，在本世纪初引起了科学界对SPPs的研究热潮，相应的理论和实验研究层出不穷，得到不断的完善。

SPPs的亚波长结构，采用传统CMOS工艺，可以做成小型化器件，具有紧凑的尺寸，方便集成，而且可以制作在柔性衬底上，在表面技术和光学集成方面有广泛应用。据此，我们提出了一种基于SPPs的光谱成像滤波方案。利用成熟的微纳光学仿真软件（比如FDTDSolutions），设计出对不同波长具有窄带滤波特性的周期性微结构，然后采用光刻、镀膜和刻蚀技术获得多通道光谱成像微滤光片。该技术原理清晰，制作简单，方便使用，有望大大降低光谱成像的成本，具有很高的实用价值。

发明内容

发明目的：克服现有光谱成像技术中的不足，提供一种基于表面等离激元的光谱成像微滤光片及其制备方法，该微滤光片与CCD探测器配套使用，可以同时获得观测物体的光谱信息和空间信息。该微滤光片易加工、成本低、质量轻、集成度高、可靠性高，方便使用，具有很高实用价值。

一种基于表面等离激元的光谱成像微滤光片，包括表面等离激元和衬底，表面等离激元制备在衬底上。

上述技术方案中，所述表面等离激元与CCD探测器成像单元相匹配，或者表面等离激元直接加工在CCD成像单元像素上。

上述技术方案中，所述表面等离激元包括多个表面等离激元功能单元，表面等离激元功能单元与表面等离激元功能单元之间由金属遮光栅格隔离，金属遮光栅格制备在衬底上，可以降低不同功能单元之间的干扰。

上述技术方案中，所述的衬底采用石英衬底或硅片衬底、柔性材料衬底。

上述技术方案中，所述表面等离激元制备衬底上采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和剥离工艺加工装备。

上述技术方案中，所述的金属遮光栅格制备在衬底上采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜和剥离工艺加工制备。

一种基于表面等离激元的光谱成像微滤光片的制备方法：包括下述步骤：

（1）在石英衬底或硅片衬底、柔性材料衬底上采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜和剥离工艺，制作套刻标记和表面等离激元功能单元之间的金属遮光栅格；

（2）在金属遮光栅格之间的衬底上采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和剥离工艺，加工表面等离激元功能单元；或者采用电子束曝光和刻蚀的方法，加工表面等离激元功能单元；

（3）将上述制成的基于表面等离激元的光谱成像微滤光片与CCD探测器组装好，使得表面等离激元功能单元与CCD探测器成像单元一一对应。

上述技术方案中，所述表面等离激元可以采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和剥离的工艺制备在衬底上，根据表面等离激元的材质不同，如果是硅材料，可以采用电子束曝光和反应离子刻蚀的方法制备，如果是金属材质，可以采用电子束曝光和聚焦离子束刻蚀的方法制备。

实现本发明的具体步骤是：首先，设计不同工作波长的表面等离激元微结构，达到一定的滤波带宽、抑止和透过率；然后，利用紫外光刻、电子束曝光、电子束蒸发镀膜、剥离和刻蚀技术完成微滤光片的制备；最后，装配表面等离激元微滤光片与CCD探测器，将滤光单元与成像单元一一匹配，可以实现多通道的光谱成像。

本发明的微滤光片包括产生表面等离激元的周期性微结构和衬底，周期性微结构产生表面等离激元，进而达到滤光目的的功能结构，衬底用于支撑该功能结构，衬底对所滤波长具有高透性。

对于具有特殊曲面结构的成像探测器，可以将表面等离激元微结构加工在柔性衬底上。

根据CCD探测器的像元大小和像素多少，设计制备该微滤光片，根据实际需求确定滤光通道数目，结合适当的数据处理算法，获取多通道光谱图像；

通过改变表面等离激元的周期、形状、尺寸和材质，可以实现对滤光通道的任意调节。

上述技术方案中，所采用的电子束曝光、紫外光刻、电子束蒸发镀膜、剥离、反应离子刻蚀、离子束刻蚀等均为本领域公知的成熟技术。使用上述方法所需的设备均可市购：电子束曝光系统可以采用德国Raith的eLINE Plus电子束曝光机；紫外光刻系统可以采用德国SUSS MicroTec公司的SUSS MA/BA6光刻机；电子束蒸发镀膜系统可以采用美国Kurt J.Lesker公司的PVD 75蒸发镀膜系统；反应离子刻蚀机可以采用德国Sentech公司的SI 500C系统；聚焦离子束刻蚀系统可以采用Vecco的NEXUS IBE-420i离子束蚀刻系统。

本发明的显著效果及优点：

（1）设计灵活，实现多通道窄带滤波光谱成像；

（2）结构简单，制作方便，成本低；

（3）结构紧凑，集成度高，便于使用；

（4）可靠性高，便于维护。

附图说明

图1为微滤光片制备的工艺流程图；图1中，1是衬底，2是金属遮光栅格，3是表面等离激元功能单元，(a)是准备基片，(b)是在基片上制备遮光线，(c)是制备表面等离激元微结构；

图2为微滤光片一个像素单元的放大图；图2中，31~34是分别对应4个特征波长的等离激元微结构图形；

图3为微滤光片和CCD探测器的装配示意图；图3中，4是微滤光片，5是CCD探测器，6是CCD探测器的像元。

具体实施方式

本发明的一种基于表面等离激元的光谱成像微滤光片，包括表面等离激元和衬底，表面等离激元制备在衬底上，所述表面等离激元与CCD探测器成像单元相匹配，所述表面等离激元包括多个表面等离激元功能单元，表面等离激元功能单元与表面等离激元功能单元之间由金属遮光栅格隔离，金属遮光栅格制备在衬底上，所述的衬底采用石英衬底或硅片衬底、柔性材料衬底，所述表面等离激元制备衬底上采用电子束曝光和刻蚀工艺加工装备，所述的金属遮光栅格制备在衬底上采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜和剥离工艺加工制备。

一种基于表面等离激元的光谱成像微滤光片的制备方法，包括下述步骤：

（1）在石英衬底或硅片衬底、柔性材料衬底上采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜和剥离工艺，制作套刻标记和表面等离激元功能单元之间的金属遮光栅格；

（2）在金属遮光栅格之间的衬底上采用电子束曝光和刻蚀工艺，制作加工出表面等离激元功能单元；

（3）将上述制成的基于表面等离激元的光谱成像微滤光片与CCD探测器组装好，使得表面等离激元功能单元与CCD探测器成像单元一一对应。

实现本发明的具体步骤是：首先，利用FDTD Solutions软件，设计不同工作波长的表面等离激元微结构，达到一定的滤波带宽、抑止和透过率；然后，利用紫外光刻、电子束曝光、离子束刻蚀技术完成微滤光片的制备；最后，装配表面等离激元微滤光片与CCD探测器，将滤光单元与成像单元一一匹配，可以实现多通道的光谱成像。

本发明的基于表面等离激元的多通道光谱成像窄带滤波片，是根据光与周期性微结构相互作用产生的表面等离激元效应，实现窄带滤波的。

上述技术方案中，所述表面等离激元的形状、尺寸、周期和材质，根据滤光波长、滤光带宽、抑止和透过率进行设计，可以实现多通道同时滤波。

上述技术方案中，所述表面等离激元的滤光单元与CCD探测器的成像单元必须一一对应，以实现多通道光谱成像。

为了实现多通道光谱成像，可以采用如下步骤：

（1）仿真计算，设计合理的周期性微结构；

（2）利用传统半导体工艺加工制备微滤光片；

（3）装配微滤光片和CCD探测器。

时域有限差分（FDTD）法是一种研究光子晶体特性的常用方法，该方法从麦克斯韦方程出发，对电磁场在空间和时间上采取交替抽样的离散方式，使含时间变量的麦克斯韦旋度方程转化为一组差分方程，并在时间轴上逐步推进地求解空间电磁场。利用软件Matlab编程仿真，或者使用软件FDTD Solutions，可以数值模拟一定角度入射的光波透过表面等离激元微滤光片的过程，得到透射谱和电场、磁场分布。据此设计表面等离激元微滤波器，通过改变结构参数，可以研究微结构周期、形状、尺寸和材料各参数对滤波效果的影响，得到最优设计方案。

完成微结构设计后，利用光刻、镀膜、剥离和刻蚀这些传统半导体工艺进行微滤光片的加工制作。以下通过本发明的具体实施例，结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：

（1）在如图1(a)所示石英衬底上，采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜和剥离技术，制作套刻标记以及滤光单元之间的遮光线，得到图1(b)所示效果。

（2）先后采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜、电子束曝光和离子束刻蚀技术，在衬底上加工出金属微纳结构。不同的滤光单元因为滤光波长不同而具有不同的形状尺寸。

（3）将微滤光片和CCD探测器组装好，使得微滤光单元和CCD成像单元一一对应（图3）。

实施例2：

（1）在如图1(a)所示硅片衬底上，采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜和剥离技术，制作套刻标记以及滤光单元之间的遮光线，得到图1(b)所示效果。

（2）先后采用电子束曝光和反应离子刻蚀技术，在硅衬底上加工出硅的微纳结构。不同的滤光单元因为滤光波长不同而具有不同的形状尺寸。

（3）将微滤光片和CCD探测器组装好，使得微滤光单元和CCD成像单元一一对应（图3）。

实施例3：

（1）在如图1(a)所示柔性材料衬底上，采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜和剥离技术，制作套刻标记以及滤光单元之间的遮光线，得到图1(b)所示效果。

（2）先后采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜、电子束曝光和离子束刻蚀技术，在柔性材料衬底上加工出金属微纳结构。不同的滤光单元因为滤光波长不同而具有不同的形状尺寸。

（3）将微滤光片和CCD探测器组装好，使得微滤光单元和CCD成像单元一一对应（图3）。

上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明技术方案和技术构思所做出其它各种相应的改变、改进和润饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于表面等离激元的光谱成像微滤光片，其特征在于：包括表面等离激元和衬底，表面等离激元制备在衬底上。

2.根据权利要求1所述的光谱成像微滤光片，其特征在于：所述表面等离激元与CCD探测器成像单元相匹配，或者表面等离激元直接加工在CCD成像单元像素上。

3.根据权利要求1所述的光谱成像微滤光片，其特征在于：所述表面等离激元包括多个表面等离激元功能单元，表面等离激元功能单元与表面等离激元功能单元之间由金属遮光栅格隔离，金属遮光栅格制备在衬底上。

4.根据权利要求1所述的光谱成像微滤光片，其特征在于：所述的衬底采用石英衬底或硅片衬底、柔性材料衬底。

5.根据权利要求1所述的光谱成像微滤光片，其特征在于：所述表面等离激元制备衬底上采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和剥离工艺加工装备。

6.根据权利要求1所述的光谱成像微滤光片，其特征在于：所述的金属遮光栅格制备在衬底上采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜和剥离工艺加工制备。

7.一种基于表面等离激元的光谱成像微滤光片的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：

（1）在石英衬底或硅片衬底、柔性材料衬底上采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜和剥离工艺，制作套刻标记和表面等离激元功能单元之间的金属遮光栅格；

（2）在金属遮光栅格之间的衬底上采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和剥离工艺，加工表面等离激元功能单元；或者采用电子束曝光和刻蚀的方法，加工表面等离激元功能单元；

（3）将上述制成的基于表面等离激元的光谱成像微滤光片与CCD探测器组装好，使得表面等离激元功能单元与CCD探测器成像单元一一对应。