CN106847849A - 一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片，包括面阵图像传感器和超表面结构滤光片阵列，所述超表面结构滤光片阵列包括两层纳米膜钝化层及位于两层纳米膜钝化层之间的金属纳米孔周期阵列结构；所述超表面结构滤光片阵列位于面阵图像传感器上；所述金属纳米孔周期阵列结构包括金属介质膜层，所述金属介质膜层上具有不同尺寸的周期性纳米孔阵列。本发明通过在同一厚度金属介质膜层上制备不同尺寸的周期性纳米结构阵列，实现对目标图像在多光谱谱段上的窄带滤光；本发明适用于更精细的图谱信息采集，在图像传感器表面制备金属纳米周期性结构，实现面阵多光谱芯片，在工艺上更易于实现，并具有广泛的适用性。

Description

一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片，尤其涉及一种基于金属纳米结构的表面等离子体共振和表面等离子体激元局域增强透射效应窄带滤光的光谱芯片及其实现技术。

背景技术

超表面窄带滤光是一种基于金属纳米结构表面等离子体共振和表面等离激元子局域增强透射效应的干涉滤光片，即在单一平面上改变金属纳米结构阵列的尺寸和周期从而调整其滤光属性，进而实现对目标图像的光谱进行精细的波长选择，精确捕获目标光谱纹理的图谱曲线，从而获得有价值的物体属性信息。光谱芯片作为一种常用图像传感器，在物质成分研究、食品安全检查、药物制备、医学病例分析、废旧物分拣、回收等科学研究领域有广泛的应用。

传统的光学滤光片有两种工作模式，一种是基于颜色染剂的化学方法，另一种是法布里-珀罗干涉滤光的物理方法。化学方法利用特定颜色的染色剂可以吸收特定波长的特点，达到滤取特定波长的目的，这种滤光片主要应用在显示系统如液晶显示器中。其缺点是染色剂在长期受到光照射后，会发生褪色或者变质从而导致滤光效能退化的情况。而采用物理方法的法布里-珀罗干涉滤光器件，主要包括全介质滤光片和金属干涉滤光片。前一种是通过改变膜层材料以及膜层数来调节滤光属性，后者则是通过改变金属层中的介质厚度来调节滤光波长，且透射率较低。两种滤光设计均采用了多光束干涉滤光原理，当要实现多光谱滤光时，由于要针对某一特定波长则需要选取特定的膜层厚度或者膜层数量，因而需要在同一芯片上实现不同膜厚的滤光单元阵列的制备，其工艺实现难度很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种基于超表面窄带滤光的光谱芯片，在面阵COMS或CCD图像传感器表面上制备超表面结构，通过金属超表面结构的表面等离子体共振和表面等离子体激元局域增强透射效应实现窄带滤光，其次通过不同滤光单元组合和信息提取方式可实现两种物体图谱信息的获取。所有的滤光单元可在同一厚度膜层上制备，工艺实现上更加容易，并且滤光性能好。

本发明的技术解决方案是提供一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片，其特殊之处在于：包括面阵图像传感器和超表面结构滤光片阵列，上述超表面结构滤光片阵列包括两层纳米膜钝化层及位于两层纳米膜钝化层之间的金属纳米孔周期阵列结构；上述超表面结构滤光片阵列位于面阵图像传感器上；

上述金属纳米孔周期阵列结构包括金属介质膜层，上述金属介质膜层上具有不同尺寸的周期性纳米孔阵列。

根据超表面结构滤光片组成原理，图像信息中特定波长的光在特定周期性金属纳米结构单元表面激发表面等离子体激元发生共振和增强透射并且被CMOS或CCD图像传感器接收，而其它波长的光则被反射不能透过，从而实现在图像传感器上对物体图谱信息的获取。

当光学系统为多孔径复眼成像系统，上述周期性纳米孔阵列包括多个滤光区域，每个滤光区域对应图像传感器的多个像元，每个滤光区域包括孔径和周期相同的金属纳米孔阵列，不同滤光区域金属纳米孔阵列的孔径和周期不同；图像传感器直接接收不同滤光区域的图像信号，获取多幅连续或离散谱段上的物体图像信息。

当光学系统为常规的单孔径光学系统，上述金属纳米孔周期阵列结构包括N个相同的滤光区域，每一个滤光区域包括M种不同孔径和周期的金属纳米孔阵列，每种金属纳米孔阵列视为一个滤光片单元，上述滤光片单元的大小与图像传感器像元大小相同。图像传感器面阵将直接接收到的滤波片上不同区域的图像信号进行收集，从而获取一幅具有高光谱分辨率的完整图像信息。

上述两层纳米膜钝化层的厚度相等。

本发明还提供了一种制备上述的基于超表面窄带滤光的多光谱芯片的方法，首先在图像传感器面阵上沉积二氧化硅纳米膜钝化层；其次在该膜层表面生长金属纳米薄膜，并利用纳米加工方法在金属纳米薄膜上制备周期性纳米孔阵列结构；最后在金属纳米孔阵列表面再沉积一层二氧化硅纳米膜钝化保护层。

上述特定周期的金属纳米孔阵列只对图像特定波长光信号进行选择透射，其主要依赖于金属表面等离子体激元的激发。通常在一定波长的入射光下，金属表面等离子体激元的波矢量为，

其中ω为入射光角频率，λ为入射光的波长，ε_m(ω)，ε_d(ω)分别为金属层与钝化层的介电常数。而入射光在超表面结构衍射的波矢量为k(a,b)，其中a，b是与金属纳米孔阵列排布方式以及具体结构参数有关的量。当相位匹配条件k(a,b)＝k_sp(ω)得以满足时有，

从上式中可以注意到通过改变a，b的参数可以对激发等离子体激元的入射光波长的透射进行选择，而超表面结构滤光片部分正是依据对于金属纳米结构参数的调控达到滤光选择，从而实现图像的多光谱信息获取功能。

基于超表面结构原理的滤光片，其透射光谱仍然具有高斯分布轮廓，而通过精确调控超表面结构中金属纳米孔阵列的结构参数，可以实现对其光谱强度分布的半高全宽(FWHM)有效压缩，达到高分辨率光谱窄带滤光的目的。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过在同一厚度金属介质膜层上制备不同尺寸的周期性纳米结构阵列，实现对目标图像在多光谱谱段上的窄带滤光；

2.本发明适用于更精细的图谱信息采集，在图像传感器表面制备金属纳米周期性结构，实现面阵多光谱芯片，在工艺上更易于实现，并具有广泛的适用性。

附图说明

图1为超表面滤光多光谱芯片结构示意图。

图2为超表面结构滤光片阵列示意图。

图3为局域重复单元组合分布的面阵多光谱芯片原理示意图。

图4为局域非重复单元组合分布的面阵多光谱芯片原理示意图。

图中附图标记为：1-钝化层，2-金属纳米孔周期阵列结构，3-图像传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明提出了一种基于超表面窄带滤光的面阵多光谱芯片，通过在面阵COMS图像传感器表面制备超表面结构，即金属纳米结构，利用金属纳米结构的表面等离子激元效应实现窄带滤光，进而捕获目标物体更精确详细的图谱纹理信息。

如图1所示，本发明光谱芯片主要由面阵图像传感器和超表面结构滤光片阵列组成。超表面结构滤光片主要由纳米膜钝化层、金属纳米孔周期阵列结构、纳米膜钝化层三部分组成。目标物体的光信号经过光学镜头后在超表面结构滤光片表面呈现图像信息。

本发明通过改变超表面结构滤光片中金属纳米孔阵列的排列方式和结构参数设定，将会实现对图像信息中特定波长信号的选择接收。

将超表面结构滤光单元按照一定排布规则制作在同一图像传感器表面，形成面阵型的多光谱芯片，从而实现对物体图像的多光谱信息获取。

如图2所示，通过下述方法制备本发明的光谱芯片，首先在COMS图像传感器面阵上沉积厚度为d₁的二氧化硅纳米膜钝化层，其次在该膜层表面生长厚度为d₂的金属纳米薄膜，并利用纳米加工方法在其上制备周期性纳米孔阵列结构，纳米孔直径为D，周期为P。最后在金属纳米孔阵列表面再沉积一层厚度为d₁的二氧化硅纳米膜钝化保护层。

如图3所示，超表面结构滤光片的分布形式为局域单元重复组合，这里根据图谱信息提取方式将光谱芯片表面分为n个区域，每个区域对应图像传感器多个像元。将各区域标记为A₁，A₂，A₃……A_n，各区域里面金属纳米孔阵列的孔径和周期相同，不同区域金属纳米孔阵列的孔径和周期又各不相同，孔径分别为D₁，D₂……D_n，周期分别为P₁，P₂……P_n。与这种光谱芯片配套的光学系统应为多孔径复眼成像系统，物体经过多孔径复眼透镜阵列成像后得到多个重复的相同图像信号，每个图像落在不同的超表面结构滤波片区域A_n上。如先前技术解决方案所述，基于金属表面等离子激元效应，不同的金属纳米孔阵列结构参数和排列方式会对入射光透射波长具有选择作用，因此通过改变金属纳米结构参数，可以保证在不同的超表面结构滤光片区域A_n选择透过对应的光波长λ_n，从而可以实现在连续或离散谱段上波长光的选择透过。当光透过滤光片的纳米孔阵列之后，图像传感器将直接接收不同滤光区域的图像信号，以获取多幅连续或离散谱段上的物体图像信息。

如图4所示，超表面结构滤光片阵列的分布形式还可以为局域非重复单元组合，这里每个滤光片单元大小与图像传感器像元大小相同，多个结构参数不同的像元级滤光片单元组成一个区域，而整个光谱芯片上有这些区域在二维方向重复组成。将各区域标记为B₁，B₂，B₃……B_n，每一区域由M种不同结构参数的金属纳米孔阵列组成，每种金属纳米孔阵列即一个滤光片单元，其纳米孔径大小为D₁，D₂……D_M，周期大小为P₁，P₂……P_M，相应的透射波长为λ₁，λ₂，λ₃……λ_M。这里与其匹配的光学系统为常规的单孔径光学系统。目标物体经过光学系统所成的图像入射到超表面结构上后，超表面结构滤光片上的B_n区域将捕获到目标图像一部分结构的信息，而每个区域中(D_M，P_M)决定了目标图像部分结构的信号中只有特定波长λ_M的光可以透过，图像传感器面阵将直接接收到的滤波片上不同区域的图像信号进行收集，从而获取一幅具有高光谱分辨率的完整图像信息。

本发明旨在通过采用超表面结构滤光片的原理实现面阵多光谱芯片，获取物体的多光谱图像信息。通过精确调控超表面结构中金属纳米孔阵列的参数，可以使特定透射谱段的光谱半高全宽(FWHM)得以有效压缩，实现高分辨率光谱窄带滤光的目的。

Claims (6)

1.一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片，其特征在于：包括面阵图像传感器和超表面结构滤光片阵列，所述超表面结构滤光片阵列包括两层纳米膜钝化层及位于两层纳米膜钝化层之间的金属纳米孔周期阵列结构；所述超表面结构滤光片阵列位于面阵图像传感器上；所述金属纳米孔周期阵列结构包括金属介质膜层，所述金属介质膜层上具有不同尺寸的周期性纳米孔阵列。

2.根据权利要求1所述的基于超表面窄带滤光的多光谱芯片，其特征在于：所述周期性纳米孔阵列包括多个滤光区域，每个滤光区域对应图像传感器的多个像元，每个滤光区域包括孔径和周期相同的金属纳米孔阵列，不同滤光区域金属纳米孔阵列的孔径和周期不同。

3.根据权利要求1所述的基于超表面窄带滤光的多光谱芯片，其特征在于：所述金属纳米孔周期阵列结构包括N个相同的滤光区域，每一个滤光区域包括M种不同孔径和周期的金属纳米孔阵列，每种金属纳米孔阵列视为一个滤光片单元，所述滤光片单元的大小与图像传感器像元大小相同。

4.根据权利要求1所述的基于超表面窄带滤光的多光谱芯片，其特征在于：所述金属纳米孔阵列排布满足以下公式：

$k_{sp}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m\left(\mathrm{\ω}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_d\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_m\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\ϵ}}_d\left(\mathrm{\ω}\right)}}---\left(1\right)$

其中ω为入射光角频率，λ为入射光的波长，ε_m(ω)，ε_d(ω)分别为金属层与钝化层的介电常数；k(a,b)为入射光在超表面结构衍射的波矢量，其中a，b是与金属纳米孔阵列排布方式以及具体结构参数有关的量；当相位匹配条件k(a,b)＝k_sp(ω)得以满足时有，

$\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{\π}}{k(a,b)}\·\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m\left(\mathrm{\ω}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_d\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_m\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\ϵ}}_d\left(\mathrm{\ω}\right)}}---\left(2\right).$

5.根据权利要求1所述的基于超表面窄带滤光的多光谱芯片，其特征在于：所述两层纳米膜钝化层的厚度相等。

6.一种制备权利要求1所述的基于超表面窄带滤光的多光谱芯片的方法，其特征在于：首先在图像传感器面阵上沉积二氧化硅纳米膜钝化层；其次在该膜层表面生长金属纳米薄膜，并利用纳米加工方法在金属纳米薄膜上制备周期性纳米孔阵列结构；最后在金属纳米孔阵列表面再沉积一层二氧化硅纳米膜钝化保护层。