CN111811648A - 光谱仪及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种光谱仪及其制备方法。所述光谱仪包括谐振腔，所述谐振腔包括相对设置的第一反射层及第二反射层。所述光谱仪还包括超表面结构，所述超表面结构形成于所述第一反射层朝向所述第二反射层的一侧，所述超表面结构与所述第二反射层间隔设置。所述超表面结构包括多个间隔排布的结构单元，所述结构单元包括多个阵列排布的柱状结构。同一所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积相同，至少两个所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积不同。
Description
技术领域
本申请涉及光检测技术领域，特别涉及一种光谱仪及其制备方法。
背景技术
光谱仪在生物医学、环境检测、材料表征等领域都是重要的分析工具。体积较小的光谱仪具有便于携带、成本低等优点，是研究的热点。
目前利用阵列带通滤波器与光检测器阵列相结合的光谱仪，其体积较小，便于用户携带。但是该类型的光谱仪的分辨率较低，使其应用受到了一些限制。
发明内容
根据本申请实施例的第一方面，提供了一种光谱仪。所述光谱仪包括谐振腔，所述谐振腔包括相对设置的第一反射层及第二反射层；
所述光谱仪还包括超表面结构，所述超表面结构形成于所述第一反射层朝向所述第二反射层的一侧，所述超表面结构与所述第二反射层间隔设置；所述超表面结构包括多个间隔排布的结构单元，所述结构单元包括多个阵列排布的柱状结构；同一所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积相同，至少两个所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积不同。
在一个实施例中，各个所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积均不同。
在一个实施例中，所述柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积范围为1.26×10-15m2～1.52×10-13m2。
在一个实施例中，所述柱状结构的高度范围为记作h，h满足如下关系式：
λ/Δn＜h＜λ；
式中，λ——光谱仪可检测的光线的中心波长；
Δn——柱状结构的材料的折射率与谐振腔中环境的折射率的差值
在一个实施例中，所述柱状结构材料包括a-Si、p-Si、SixNy、SiO2、TiO2、K3N及Ge中的至少一种。
在一个实施例中，所述第一反射层和/或所述第二反射层包括交替叠加的第一膜层及第二膜层，所述第一膜层的折射率大于所述第二膜层的折射率。
在一个实施例中，所述第一膜层的材料包括a-Si、p-Si、SimNn及TiO2中的至少一种，所述第二膜层的材料SiO2或硅酸盐类非金属材料中的至少一种。
在一个实施例中，所述光谱仪还包括缓冲层，所述缓冲层位于所述第一反射层与所述第二反射层之间，且所述缓冲层分别与所述第一反射层及所述第二反射层相抵。
根据本申请实施例的第二方面，提供了一种光谱仪的制备方法，所述光谱仪包括谐振腔，所述谐振腔包括相对设置的第一反射层及第二反射层；所述制备方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成第一反射层；
在所述第一反射层背离所述衬底的一侧形成超表面结构，所述超表面结构包括多个间隔排布的结构单元，所述结构单元包括多个阵列排布的柱状结构；同一所述结构单元的柱状结构在所述衬底上的正投影的面积相同，至少两个所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积不同；
形成第二反射层，所述第二反射层位于所述超表面结构背离所述第一反射层的一侧，且所述第二反射层与所述超表面结构间隔设置。
在一个实施例中，各个所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积均不同；和/或，
所述柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积范围为1.26×10-15m2～1.52×10-13m2。
本申请实施例所达到的主要技术效果是：
本申请实施例提供的光谱仪及其制备方法，光谱仪的谐振腔包括相对设置的第一反射层与第二反射层，超表面结构包括多个结构单元，至少两个结构单元的柱状结构在第一反射层上的正投影的面积不同，超表面结构可改变入射至谐振腔的光的相位，柱状结构在第一反射层上的正投影的面积不同的结构单元对入射光相位的改变量不同，因而待检测光线进入到光谱仪的谐振腔后，光谱仪可检测出待检测光线的不同波段的光，通过设置多个结构单元的柱状结构在第一反射层上的正投影的面积不同，可使得本申请实施例提供的光谱仪检测出较多波段的光，提升光谱仪的分辨率。
附图说明
图1是本申请一示例性实施例提供的光谱仪的剖视图；
图2是本申请一示例性实施例提供的光谱仪的超表面结构的俯视图；
图3是本申请另一示例性实施例提供的柱状结构的半径与柱状结构对光的相位改变量的关系图；
图4是本申请再一示例性实施例提供的光谱仪检测出的多个波段的光的波长分布与透射率的关系图；
图5是本申请一示例性实施例提供的光谱仪的制备方法的流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
本申请实施例提供了一种光谱仪及其制备方法，可解决上述问题。下面结合附图，对本申请实施例中的光谱仪及其制备方法进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互补充或相互组合。
本申请实施例提供了一种光谱仪。参见图1及图2，所述光谱仪100包括谐振腔，所述谐振腔包括相对设置的第一反射层20与第二反射层30。
所述光谱仪还包括超表面结构40，所述超表面结构40形成于所述第一反射层20朝向所述第二反射层30的一侧，也即是超表面结构40位于第一反射层20与第二反射层30之间。所述超表面结构40与所述第二反射层30间隔设置，超表面结构40与第二反射层30不直接接触。所述超表面结构40包括多个间隔排布的结构单元41，所述结构单元41包括多个阵列排布的柱状结构411，同一所述结构单元41的多个柱状结构411在所述第一反射层20上的正投影的面积相同，至少两个所述结构单元41的柱状结构411在所述第一反射层20上的正投影的面积不同。
本申请实施例提供的光谱仪100，光谱仪100的谐振腔包括相对设置的第一反射层20与第二反射层30，超表面结构40包括多个结构单元31，至少两个结构单元31的柱状结构311在第一反射层20上的正投影的面积不同，超表面结构30可改变入射至谐振腔的光的相位，柱状结构411在第一反射层20上的正投影的面积不同的结构单元41对入射光相位的改变量不同，因而待检测光线进入到光谱仪的谐振腔后，光谱仪100可检测出待检测光线的不同波段的光，通过设置多个结构单元41的柱状结构411在第一反射层20上的正投影的面积不同，可使得本申请实施例提供的光谱仪100检测出较多波段的光，提升光谱仪100的分辨率。
在一个实施例中，所述光谱仪100还包括衬底10，第一反射层20可形成在衬底10上。衬底10的材质可以是二氧化硅或硅酸盐类非金属材料等。衬底10可起到支撑第一反射层20的作用。
在一个实施例中，所述光谱仪100还包括缓冲层50，缓冲层50位于第一反射层20与第二反射层30之间，且缓冲层50分别与第一反射层20及第二反射层30相抵。缓冲层50上设有容纳槽，柱状结构411收容于对应的容纳槽内。缓冲层50支撑第二反射层30，防止第二反射层30向下凹陷。缓冲层50的材质为透明的有机材料，对光的透过率较高，可防止缓冲层50影响光线的传播。缓冲层50的材料例如可以是光刻胶、PMMA(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)或PS(Polystyrene，聚苯乙烯系塑料)，光刻胶例如可以是SU-8胶。
在一个实施例中，第一反射层20和第二反射层30可以是DBR(distributed Braggreflection，分布式布拉格反射镜)，DBR是由两种不同折射率的膜层交替叠加而成的周期结构，每层材料的光学厚度为待检测光线的中心波长的1/4。第一反射层与第二反射层膜层结构可相同。第一反射层与第二反射层膜层结构相同时，可提高光谱仪可检测的子波段的品质因子，进而有助于提升光谱仪的检测极限及分辨率。
在一个实施例中，再次参见图1，所述第一反射层20和/或第二反射层30包括交替叠加的第一膜层21及第二膜层22，所述第一膜层21的折射率大于所述第二膜层22的折射率，第一膜层21与第二膜层22的光学厚度均为中心波长的1/4。所述第一反射层20中第一膜层21的数量与第二膜层22的数量相同，第二反射层20中第一膜层21的数量与第二膜层22的数量相同。需要说明的是，第一膜层21与第二膜层22交替叠加指的是，一层第一膜层21与一层第二膜层22交替设置，也即是，第一反射层20与第二反射层30包括一层第一膜层21与一层第二膜层22；或者，第一反射层20与第二反射层30包括两个或两个以上的第一膜层21，相邻两个第一膜层21之间仅设置有一层第二膜层22，相邻两层第二膜层22之间进设置有一层第一膜层21。
在一个示例性实施例中，第一膜层21的光学厚度满足如下表达式(1)，第二膜层22的光学厚度满足如下表达式(2)：
式中，LM——第一膜层的光学厚度；
nM——第一膜层的折射率；
dM——第一膜层的厚度；
LN——第二膜层的光学厚度；
nN——第二膜层的折射率；
dN——第二膜层的厚度；
λ——待检测光线的中心波长。
由上述公式可知，通过改变第一膜层21与第二膜层22的材料，或者通过改变第一膜层21与第二膜层22的厚度，可改变光谱仪可检测的光线的中心波长。增加第一反射层20中第一膜层21与第二膜层22的数量，可提高光谱仪100检测的子波段的品质因子，进而提升光谱仪的分辨率。
在一个实施例中，所述第一膜层21的材料包括a-Si、p-Si、SimNn及TiO2中的至少一种，所述第二膜层22的材料SiO2或硅酸盐类非金属材料中的至少一种。如此设置，可使得第一膜层21与第二膜层22的材料易于得到，且第一膜层21与第二膜层22对待检测光线的吸收率较低。
图示实施例中，超表面结构40包括的结构单元41的数量为二十四个。在其他实施例中，超表面结构40包括的结构单元41的数量可不同于二十四个。
图示实施例中，每一结构单元41包括二十五个柱状结构411，二十五个柱状结构411分为五列，每列包括五个柱状结构411。在其他实施例中，每一结构单元41中柱状结构411的数量可不同于二十五个。
在一个实施例中，所述柱状结构411的材料包括a-Si、p-Si、SixNy、SiO2、TiO2、K3N及Ge中的至少一种。如此设置，柱状结构411的材料易于获得，且柱状结构411的材料对光的吸收率较低，不会影响光的强度。柱状结构411采用上述材料时，结构单元41可调控可见光或者红外波段的光的相位，光谱仪100可用于不同检测可见光或红外波段的光。
在一个实施例中，所述柱状结构411的高度范围为记作h，h满足如下关系式：
λ/Δn＜h＜λ；
式中，λ——光谱仪可检测的光线的中心波长；
Δn——柱状结构的材料的折射率与谐振腔中环境的折射率的差值。
第一反射层20与第二反射层30之间设置有缓冲层50时，谐振腔中环境的折射率指的是缓冲层50的折射率，Δn为柱状结构的材料的折射率与缓冲层50的折射率的差值。柱状结构411的高度指的是柱状结构411背离第一反射层20的表面到第一反射层20的距离。柱状结构411的高度需使得其对光线的相位的改变量在0至2π的范围内。如此设置，既可避免柱状结构411的高度太小而导致光谱仪100可检测的光线的带宽较小，也可避免柱状结构411的高度太大而导致在制备过程中柱状结构411容易发生断裂。
在一个实施例中，同一所述结构单元41中，相邻两个所述柱状结构411的中心轴之间的距离与光谱仪可检测的光线的中心波长相近。如此设置，既可避免相邻两个所述柱状结构411的中心轴之间的距离太大而导致光谱仪的尺寸较大，也可避免相邻两个所述柱状结构411的中心轴之间的距离太小影响柱状结构对光线的相位的调制效果，可能会导致产生高阶衍射，不利于对光线的检测。
结构单元41的柱状结构411可改变进入到谐振腔中的光的相位，结构单元41的柱状结构411在第一反射层20上的投影面积不同，结构单元41改变的光的相位的量不同。因此可选择柱状结构41的尺寸，来使得结构单元41选择相应的波段。
在一个实施例中，超表面结构40中，各个所述结构单元41的柱状结构411在所述第一反射层20上的正投影的面积均不同。每一个结构单元41对应待检测光线的一个波段的光线，不同的结构单元41对应不同波段的光线，通过设置各个结构单元41的柱状结构411在第一反射层20上的正投影的面积均不同，可使得光谱仪100可检测出较多波段的光线，可提升光谱仪的分辨率较高。
在一个实施例中，各所述结构单元中，所述柱状结构411在所述第一反射层20上的正投影的面积变化范围为1.26×10-15m2～1.52×10-13m2。柱状结构411在第一反射层20上的正投影的面积越大，柱状结构411对应波段的光线的中心波长越大。通过设置柱状结构411在第一反射层20上的正投影的面积变化范围为1.26×10-15m2～1.52×10-13m2，柱状结构411在第一反射层20上的投影面积变化范围较大，可设置较多投影面积不同的柱状结构411，有助于光谱仪100检测出较多波段的光线，使光谱仪100的分辨率较高。
图示实施例中，柱状结构411为圆柱形，柱状结构411的半径的范围为0.02μm～0.22μm。结构单元41的相邻柱状结构411的中心轴之间的距离为600nm，缓冲层50的材质为SU-8胶，且柱状结构411的半径的范围为0.02μm～0.22μm时，柱状结构411使光的相位的改变量范围为-115°～85°。图3为柱状结构411的半径与柱状结构对光的相位改变量的关系图。从图3可以看出，柱状结构411的半径不同，光的相位改变量不同。在其他实施例中，柱状结构411的形状可以是球形、长方体形或者立方体形等。
本申请实施例提供的光谱仪100检测出的子波段的中心波长满足如下表达式(3)：
式中，m表示第一反射层20中第一膜层21与第二膜层22的数量，第二反射层20中第一膜层21与第二膜层22的数量也为m；n表示缓冲层的折射率；L表示缓冲层50的厚度，也即是第一反射层20与第二反射层30之间的距离；λC表示光谱仪100检测出的光线的一个波段的中心波长；
表示结构单元41引起的光的相位改变量；k表示结构单元41的标号，不同柱状结构411对应的k的值不同。其中，结构单元41的柱状结构411在第一反射层20上的投影面积不同时，结构单元41对应的
的值也不同。
由上述表达式(3)可知，
的值不同时，对应的λC的值也不同，超表面结构40包括多个
值不同的结构单元41时，光谱仪可检测出多个不同波段的光线。
本申请实施例提供的光谱仪100，通过改变第一膜层21与第二膜层22的厚度、材料以及柱状结构411的材料，改变光谱仪100可检测的光线的中心波长；通过改变第一反射层10与第二反射层20中膜层的叠层数目，可改变光谱仪100的分辨率。因此本申请实施例提供的光谱仪100的应用范围较广，设计的可扩展性较大。并且，本申请实施例提供的光谱仪100，体积较小，便于携带。
在一个示例性实施例中，光谱仪100的衬底10的材料为石英玻璃，折射率为1.45，厚度为2μm。第一反射层20与第二反射层30均包括四个第一膜层21及四个第二膜层22；第一膜层21的材料为a-Si，第一膜层21的厚度为112nm，第一膜层21的折射率为3.4；第二膜层的材料为SiO2，第二膜层22的厚度为258nm，第二膜层22的折射率为1.45。第一反射层20与第二反射层30之间的缓冲层50的厚度为1200nm。超表面结构30的结构单元41中，柱状结构411的高度为400nm，相邻柱状结构411的中心轴之间的距离为600nm；柱状结构411为圆柱形，多个结构单元41的柱状结构411的半径的变化范围为0.02μm～0.3μm。
为了验证光谱仪检测波段的能力，对该实施例提供的光谱仪对中红外波段的光进行模拟测试，光谱仪100检测出的多个波段的光的波长分布与透射率的关系如图4所示。通过图4可以看出，本申请实施例提供的光谱仪可检测出较多不同波段的光，且各波段的光线的品质因子较高，光谱仪的分辨率较高。
本申请实施例还提供了一种光谱仪的制备方法。参见图5，所述制备方法包括如下步骤110至步骤140。
在步骤110中，提供衬底。
在一个实施例中，衬底10的材质可以是二氧化硅或硅酸盐类非金属材料等。
在步骤120中，在所述衬底上形成第一反射层。
在一个实施例中，第一反射层20为DBR。第一反射层20包括交替叠加的第一膜层21及第二膜层22，所述第一膜层21的折射率大于所述第二膜层22的折射率，第一膜层21与第二膜层22的光学厚度均为中心波长的1/4。所述第一反射层20中第一膜层21的数量与第二膜层22的数量相同。需要说明的是，第一膜层21与第二膜层22交替叠加指的是，一层第一膜层21与一层第二膜层22交替设置。也即是，第一反射层20与第二反射层30包括一层第一膜层21与一层第二膜层22；或者，第一反射层20与第二反射层30包括两个或两个以上的第一膜层21，相邻两个第一膜层21之间仅设置有一层第二膜层22，相邻两层第二膜层22之间仅设置有一层第一膜层21。
在一个实施例中，所述第一膜层21的材料包括a-Si、p-Si、SimNn及TiO2中的至少一种，所述第二膜层22的材料包括SiO2或硅酸盐类非金属材料中的至少一种。
在步骤130中，在所述第一反射层背离所述衬底的一侧形成超表面结构，所述超表面结构包括多个间隔排布的结构单元，所述结构单元包括多个阵列排布的柱状结构。
其中，同一所述结构单元的柱状结构在所述衬底上的正投影的面积相同，至少两个所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积不同。
在该步骤中，在形成超表面结构40时，首先在第一反射层20上形成超表面膜层，超表面层膜层覆盖第一反射层20。之后，对超表面膜层进行图形化处理，以得到多个间隔排布的柱状结构411，相邻的几个柱状结构411为一个结构单元41。
在一个实施例中，超表面结构40中，各个所述结构单元41的柱状结构411在所述第一反射层20上的正投影的面积均不同。
在一个实施例中，各所述结构单元中，所述柱状结构411在所述第一反射层20上的正投影的面积变化范围为1.26×10-15m2～1.52×10-13m2。
在一个实施例中，柱状结构411为圆柱形，柱状结构411的半径的范围为0.02μm～0.22μm。在其他实施例中，柱状结构411的形状可以是球形、长方体形或者立方体形等。
在一个实施例中，所述柱状结构411的高度范围为记作h，h满足如下关系式：
λ/Δn＜h＜λ；
式中，λ——光谱仪可检测的光线的中心波长；
Δn——柱状结构的材料的折射率与谐振腔中环境的折射率的差值。
在一个实施例中，同一所述结构单元41中，相邻两个所述柱状结构411的中心轴之间的距离与光谱仪可检测的光线的中心波长相近。
在一个实施例中，所述柱状结构411的材料包括a-Si、p-Si、SixNy、SiO2、TiO2、K3N及Ge中的至少一种。
在步骤140中，形成第二反射层，所述第二反射层位于所述超表面结构背离所述第一反射层的一侧，且所述第二反射层与所述超表面结构间隔设置。
在一个实施例中，第二反射层30为DBR。第二反射层30包括交替叠加的第一膜层21及第二膜层22，所述第一膜层21的折射率大于所述第二膜层22的折射率，第一膜层21与第二膜层22的光学厚度均为中心波长的1/4。所述第二反射层20中第一膜层21的数量与第二膜层22的数量相同。
在一个实施例中，所述第一膜层21的材料包括a-Si、p-Si、SimNn及TiO2中的至少一种，所述第二膜层22的材料包括SiO2或硅酸盐类非金属材料中的至少一种。
在一个实施例中，步骤140之前，所述制备方法还包括：形成缓冲层50，缓冲层50形成于第一反射层20上，包覆柱状结构411。第二反射层30形成于缓冲层50上。
缓冲层50采用透光率较高的材料，以避免影响光线传播。缓冲层50的材料例如可以是光刻胶、PMMA或PS(Polystyrene，聚苯乙烯系塑料)，光刻胶例如可以是SU-8胶。
在一个实施例中，在形成第二反射层的步骤140包括如下过程：
提供载板，在所述载板上形成第二反射层；随后将第二反射层从载板上剥离；随后将第二反射层贴附在缓冲层50上。第二反射层可通过粘胶层贴附在缓冲层50上。
本申请实施例提供的光谱仪的制备方法，其工艺与CMOS工艺兼容，可采用CMOS工艺制备光谱仪，不需要新的制备工具，光谱仪更易于制备。
需要指出的是，在附图中，为了图示的清晰可能夸大了层和区域的尺寸。而且可以理解，当元件或层被称为在另一元件或层“上”时，它可以直接在其他元件上，或者可以存在中间的层。另外，可以理解，当元件或层被称为在另一元件或层“下”时，它可以直接在其他元件下，或者可以存在一个以上的中间的层或元件。另外，还可以理解，当层或元件被称为在两层或两个元件“之间”时，它可以为两层或两个元件之间唯一的层，或还可以存在一个以上的中间层或元件。通篇相似的参考标记指示相似的元件。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括谐振腔，所述谐振腔包括相对设置的第一反射层及第二反射层；
所述光谱仪还包括超表面结构，所述超表面结构形成于所述第一反射层朝向所述第二反射层的一侧，所述超表面结构与所述第二反射层间隔设置；所述超表面结构包括多个间隔排布的结构单元，所述结构单元包括多个阵列排布的柱状结构；同一所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积相同，至少两个所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积不同。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，各个所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积均不同。
3.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积范围为1.26×10-15m2～1.52×10-13m2。
4.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述柱状结构的高度记作h，h满足如下关系式：
λ/Δn＜h＜λ；
式中，λ——光谱仪可检测的光线的中心波长；
Δn——柱状结构的材料的折射率与谐振腔中环境的折射率的差值。
5.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述柱状结构材料包括a-Si、p-Si、SixNy、SiO2、TiO2、K3N及Ge中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述第一反射层和/或所述第二反射层包括交替叠加的第一膜层及第二膜层，所述第一膜层的折射率大于所述第二膜层的折射率。
7.根据权利要求6所述的光谱仪，其特征在于，所述第一膜层的材料包括a-Si、p-Si、SimNn及TiO2中的至少一种，所述第二膜层的材料SiO2或硅酸盐类非金属材料中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪还包括缓冲层，所述缓冲层位于所述第一反射层与所述第二反射层之间，且所述缓冲层分别与所述第一反射层及所述第二反射层相抵。
9.一种光谱仪的制备方法，其特征在于，所述光谱仪包括谐振腔，所述谐振腔包括相对设置的第一反射层及第二反射层；所述制备方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成第一反射层；
在所述第一反射层背离所述衬底的一侧形成超表面结构，所述超表面结构包括多个间隔排布的结构单元，所述结构单元包括多个阵列排布的柱状结构；同一所述结构单元的柱状结构在所述衬底上的正投影的面积相同，至少两个所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积不同；
形成第二反射层，所述第二反射层位于所述超表面结构背离所述第一反射层的一侧，且所述第二反射层与所述超表面结构间隔设置。
10.根据权利要求9所述的光谱仪的制备方法，其特征在于，各个所述结构单元的柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积均不同；和/或，
所述柱状结构在所述第一反射层上的正投影的面积范围为1.26×10-15m2～1.52×10- 13m2。
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|---|---|---|---|---|
| CN113345925A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-09-03 | 北京京东方技术开发有限公司 | 像素单元、图像传感器及光谱仪 |
| CN113568101A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-10-29 | 南方科技大学 | 一种偏振依赖的红外窄带滤波器及其制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN110632692A (zh) * | 2019-11-07 | 2019-12-31 | 南方科技大学 | 一种滤波器及其制备方法、光谱探测系统 |
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| CN110632692A (zh) * | 2019-11-07 | 2019-12-31 | 南方科技大学 | 一种滤波器及其制备方法、光谱探测系统 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113345925A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-09-03 | 北京京东方技术开发有限公司 | 像素单元、图像传感器及光谱仪 |
| CN113345925B (zh) * | 2021-05-31 | 2024-04-12 | 北京京东方技术开发有限公司 | 像素单元、图像传感器及光谱仪 |
| CN113568101A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-10-29 | 南方科技大学 | 一种偏振依赖的红外窄带滤波器及其制备方法 |
| CN113568101B (zh) * | 2021-08-10 | 2023-03-10 | 南方科技大学 | 一种偏振依赖的红外窄带滤波器及其制备方法 |
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