CN111811651A - 光谱芯片、光谱仪及光谱芯片制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光谱芯片、光谱仪及光谱芯片制备方法，芯片包括：在晶圆级别的图像传感器的感光区域的表面制备有光调制层，光调制层由金属和介质两种材料交替排布形成；光调制层包含由多个微纳单元组成的单元阵列；微纳单元包含有多组微纳结构阵列，每组微纳结构阵列由二维光栅结构形成，每组微纳结构阵列中的二维光栅结构为具有偏振无关特性的光栅结构；各微纳单元的多组微纳结构阵列中的二维光栅结构用于对入射光进行调制，将入射光的频谱信息编码到晶圆的不同像素点上，得到包含频谱信息的图像。本发明提供的光谱芯片对入射角度、偏振不敏感，从而使得光谱测量结果不会受到待测光入射角度和偏振特性的影响，进而能够保证光谱测量性能的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种光谱芯片、光谱仪及光谱芯片制备方法。
背景技术
现有的光谱仪需要通过分光元件将入射光的不同波长成分分离，再进行探测，而分光元件往往对不同角度、不同偏振的入射光有不同的响应；在实际使用中，无法事先知道待测光的入射角度和偏振特性，因此，现有的光谱仪通常需要增加准直元件、偏振片，这不仅增加了器件的体积和成本，而且降低了器件的工作稳定性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种光谱芯片、光谱仪及光谱芯片制备方法，该光谱芯片对入射角度、偏振不敏感，从而使得光谱测量结果不会受到待测光入射角度和偏振特性的影响，进而能够保证光谱测量性能的稳定性，同时，本发明实施例提供的光谱芯片，将对入射角、偏振不敏感的光调制层与晶圆级别的图像传感器单片集成，无分立元件，不需要外加准直元件、偏振片等复杂光学器件，因此有利于提高器件的稳定性、降低器件的体积和成本。
具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种光谱芯片，包括：
晶圆级别的图像传感器；
所述晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备有光调制层，所述光调制层沿光调制层平铺方向由金属和介质交替排布形成；
所述光调制层包含由多个微纳单元组成的单元阵列，每个微纳单元对应晶圆级别的图像传感器上的一个或多个像素点；
所述微纳单元包含有多组微纳结构阵列，每组微纳结构阵列由二维光栅结构形成，其中，每组微纳结构阵列中的二维光栅结构为具有偏振无关特性的光栅结构；
各微纳单元的多组微纳结构阵列中的二维光栅结构用于对入射光进行调制，将所述入射光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素点上，得到包含所述入射光的频谱信息的图像。
进一步地，每组微纳结构阵列对应的二维光栅结构为满足四重旋转对称性的二维光栅结构。
进一步地，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元包含的多组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，多组微纳结构阵列对入射光分别具有不同的调制作用。
进一步地，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元包含的多组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，每组微纳结构阵列均具有窄带滤波作用，只允许特定预设波长的入射光通过。
进一步地，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元均包含有一组空结构，且其余组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，所述空结构用于直通入射光，进行直通光强的标定；所述其余组微纳结构阵列对入射光分别具有不同的调制作用。
进一步地，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元均包含有一组空结构，且其余组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，所述空结构用于直通入射光，进行直通光强的标定；所述其余组微纳结构阵列中的每组微纳结构阵列均具有窄带滤波作用，只允许特定预设波长的入射光通过。
进一步地，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元包含的多组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，且每个微纳单元包含的多组微纳结构阵列中有若干组微纳结构阵列用于对入射光进行调制，剩余组微纳结构阵列具有窄带滤波作用，只允许特定预设波长的入射光通过。
进一步地，所述光调制层与所述晶圆级别的图像传感器之间设置有透光介质层。
进一步地，所述晶圆级别的图像传感器为前照式，包括：自上而下设置的金属线层和光探测层，所述光调制层集成在所述金属线层远离所述光探测层的一面；或，
所述晶圆级别的图像传感器为背照式，包括：自上而下设置的光探测层和金属线层，所述光调制层集成在所述光探测层远离所述金属线层的一面。
进一步地，所述光调制层为单层结构或多层结构。
进一步地，所述光调制层为两层结构，其中，第一层结构由第一金属和第一介质沿光调制层平铺方向交替排布形成；第二层结构由第二金属和第二介质沿光调制层平铺方向交替排布形成。
进一步地，所述光调制层为单层结构，所述光调制层由金属和介质沿光调制层平铺方向交替排布形成，且所述金属区域的厚度低于或高于所述介质区域的厚度。
进一步地，所述的光谱芯片还包括：微透镜和/或滤光片；
所述微透镜设置在光调制层远离晶圆级别的图像传感器的一面，或，所述微透镜设置在光调制层靠近晶圆级别的图像传感器的一面；
所述滤光片设置在光调制层远离晶圆级别的图像传感器的一面，或，所述滤光片设置在光调制层靠近晶圆级别的图像传感器的一面。
进一步地，所述的光谱芯片还包括：与所述晶圆级别的图像传感器连接的信号处理电路；
所述信号处理电路用于对包含所述入射光的频谱信息的图像进行处理，得到所述入射光的频谱信息。
第二方面，本发明实施例提供了一种光谱仪，包括：如第一方面所述的光谱芯片。
第三方面，本发明实施例提供了一种光谱芯片制备方法，包括：
准备晶圆级别的图像传感器；
在所述晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备光调制层，所述光调制层沿光调制层平铺方向由金属和介质交替排布形成；
所述光调制层包含由多个微纳单元组成的单元阵列，每个微纳单元对应晶圆级别的图像传感器上的一个或多个像素点；
所述微纳单元包含有多组微纳结构阵列，每组微纳结构阵列由二维光栅结构形成，其中，每组微纳结构阵列中的二维光栅结构为具有偏振无关特性的光栅结构；
各微纳单元的多组微纳结构阵列中的二维光栅结构用于对入射光进行调制，将所述入射光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素点上，得到包含所述入射光的频谱信息的图像。
根据上面的技术方案可知，本发明实施例提供的光谱芯片、光谱仪及光谱芯片制备方法，利用金属-介质交替排布的二维光栅结构中的纵向谐振效应，使得光调制层对入射光的入射角不敏感；此外，由于每组微纳结构阵列中的二维光栅结构为具有偏振无关特性的光栅结构，因此使得光调制层对入射光的偏振不敏感，从而实现了对入射角、偏振均不敏感的光谱芯片。本发明实施例提供的光谱芯片，从晶圆级别直接在晶圆级别的图像传感器上单片集成光调制层，利用CMOS工艺一次流片即可完成对入射角、偏振均不敏感的光谱芯片制备。与传统光谱成像设备相比，本发明实施例将对入射角、偏振均不敏感的光调制层与图像传感器单片集成，无分立元件，不需要外加准直元件、偏振片，有利于提高器件的稳定性，降低器件的体积和成本。由此可见，本发明实施例提供的光谱芯片对待测光的入射角以及偏振特性不敏感，即光谱测量结果不会受到待测光的入射角度和偏振特性的影响，从而可以保证光谱测量性能的稳定性。本发明实施例可以通过CMOS工艺一次流片完成对光谱芯片的制备，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，并降低成本。本发明实施例将对入射角、偏振均不敏感的光调制层与晶圆级别的图像传感器单片集成，无分立元件，不需要外加准直元件或偏振片，有利于提高器件的稳定性，极大促进成像光谱仪的小型化和轻量化，在小型平台如小卫星、无人机等上的应用有着广阔的前景。本发明实施例在晶圆级别实现单片集成，可以最大程度减小传感器与光调制层之间的距离，有利于缩小单元的尺寸，实现更高的光谱分辨率并降低封装成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种光谱芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种光调制层的俯视图；
图3是本发明实施例提供的另一种光调制层的俯视图；
图4是本发明实施例提供的又一种光调制层的俯视图；
图5是本发明实施例提供的另又一种光调制层的俯视图；
图6是本发明实施例提供的再又一种光调制层的俯视图；
图7是本发明实施例提供的包含透明介质层的光谱芯片的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的前照式晶圆级别的图像传感器的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的背照式晶圆级别的图像传感器的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的在背照式晶圆级别的图像传感器的探测器层直接刻蚀得到光调制层的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的当光调制层为一层结构时的一种示意图；
图12是本发明实施例提供的当光调制层为一层结构时的另一种示意图；
图13是本发明实施例提供的当光调制层为一层结构时的又一种示意图；
图14是本发明实施例提供的当光调制层为双层结构时的示意图；
图15和图16是本发明实施例提供的集成有微透镜的光谱芯片的结构示意图；
图17和图18是本发明实施例提供的集成有滤光片的光谱芯片的结构示意图；
图19和图20是本发明实施例提供的集成有微透镜和滤光片的光谱芯片的结构示意图；
图21是本发明实施例提供的光谱芯片的拆解示意图；
图22是本发明实施例提供的光谱芯片的工作过程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的光谱仪需要通过分光元件将入射光的不同波长成分分离，再进行探测，而分光元件往往对不同角度、不同偏振的入射光有不同的响应；在实际使用中，无法事先知道待测光的入射角度和偏振特性，因此，现有的光谱仪通常需要增加准直元件、偏振片，这不仅增加了器件的体积和成本，而且降低了器件的工作稳定性，因此，实现对入射角度、偏振均不敏感的光谱器件，在实际应用中有着重要的意义。为此，本发明实施例提供了一种光谱芯片，该光谱芯片可以测量入射光的频谱信息，且在一定范围内不受入射角度、入射光的偏振特性的影响，也即该光谱芯片对入射角度、偏振不敏感，从而使得光谱测量结果不会受到待测光入射角度和偏振特性的影响，进而能够保证光谱测量性能的稳定性，同时，本发明实施例提供的光谱芯片，将对入射角、偏振不敏感的光调制层与晶圆级别的图像传感器单片集成，无分立元件，不需要外加准直元件、偏振片等复杂光学器件，因此有利于提高器件的稳定性、降低器件的体积和成本。下面将通过具体实施例对本发明提供的光谱芯片进行详细解释和说明。
图1是本发明实施例提供的一种光谱芯片的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种光谱芯片，包括：晶圆级别的图像传感器2，所述晶圆级别的图像传感器2的感光区域的上表面制备有光调制层1，所述光调制层1沿光调制层1的平铺方向由金属11和介质12交替排布形成；
如图2所示，所述光调制层1包含由多个微纳单元(如图2中的11A、22A、33A、44A、55A、66A)组成的单元阵列，每个微纳单元对应晶圆级别的图像传感器上的一个或多个像素点；
所述微纳单元包含有多组微纳结构阵列，如图2所示，微纳单元11A中包括多组微纳结构阵列，分别为110、111、112和113，其中，每组微纳结构阵列由二维光栅结构形成，其中，每组微纳结构阵列中的二维光栅结构为具有偏振无关特性的光栅结构，因此使得光调制层对入射光的偏振不敏感，此外，每组微纳结构阵列都是由金属-介质交替排布形成的二维光栅，相当于一个纵向谐振器阵列，利用这些相互独立的纵向谐振效应，实现了对入射光的入射角不敏感的特性。由此可见，本实施例实现对入射角度、偏振均不敏感的微型光谱芯片。
在本实施例中，每组微纳结构阵列中的二维光栅结构为具有偏振无关特性的光栅结构，在一种实现方式中，每组微纳结构阵列中的二维光栅结构为具有偏振无关特性的光栅结构可以通过使得每组微纳结构阵列中的二维光栅结构满足四重旋转对称性实现。如图2中的一组微纳结构阵列110，其为由圆形孔经行列排布形成的二维光栅结构，其中，每组微纳结构阵列中的二维光栅结构满足四重旋转对称性，使得光调制层对入射光的偏振不敏感。
在本实施例中，不同微纳单元中相同位置处的微纳结构阵列可以相同，如图2所示，微纳单元11A左上角的一组微纳结构阵列与微纳单元22A左上角的一组微纳结构阵列相同，微纳单元11A右上角的一组微纳结构阵列与微纳单元22A右上角的一组微纳结构阵列相同，微纳单元11A左下角的一组微纳结构阵列与微纳单元22A左下角的一组微纳结构阵列相同，微纳单元11A右下角的一组微纳结构阵列与微纳单元22A右下角的一组微纳结构阵列相同。此外，不同微纳单元中相同位置处的微纳结构阵列也可以不同，本实施例对此不作限定。
其中，各微纳单元的多组微纳结构阵列中的二维光栅结构用于对入射光进行调制，将所述入射光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素点上，得到包含所述入射光的频谱信息的图像。
在本实施例中，如图1所示，光调制层1为金属11和介质12两种材料层交替排布的光栅结构，厚度与目标波长范围相关，对于波长400nm～10μm，光栅结构的厚度可以为50nm～5μm。金属材料要求其损耗小，具体可包括金、银、铝等；介质材料要求其折射率高、损耗小，具体可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、III-V族材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。例如，光调制层1中的高折射率介质材料可以为多晶硅，对于波段400nm～10μm，多晶硅层的厚度可以为50nm-5μm。光调制层1可以包含500～200000个微纳单元，每个微纳单元整体尺寸可以为100μm2～40000μm2，每组微纳结构为同一形状的周期排布，占空比可以为10％～90％。
在本实施例中，需要说明的是，入射光经过光调制层1后，光调制层1上的二维光栅结构对入射光进行调制，将入射光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素点上，得到包含所述入射光的频谱信息的图像，也即入射光经过光调制层1后，由晶圆级别的图像传感器2转换成电信号，形成包含所述入射光的频谱信息的图像，最后由与晶圆级别的图像传感器2连接的信号处理电路对包含所述入射光的频谱信息的图像进行处理，进而得到所述入射光的频谱信息。
在本实施例中，需要说明的是，光调制层1中的每组微纳结构阵列都是金属-介质交替排布的二维光栅，相当于一个纵向谐振器阵列，利用这些相互独立的纵向谐振效应，实现了对入射角度不敏感的特性；同时，各组微纳结构阵列均要满足四重旋转对称性，从而实现对入射光偏振不敏感的效果。这些微纳结构对入射光的不同波长成分具有不同的调制作用，通过探测光通过各个单元后的响应，借助算法可以恢复出待测光的频谱信息。与现有的光谱器件相比，本实施例在无需外加准直元件、偏振片的情况下，实现了对入射角度、偏振均不敏感的光谱测量，在提高器件性能稳定性的同时，减小了光谱器件的体积、重量和成本。
在本实施例中，需要说明的是，光调制层1由在晶圆级别的图像传感器感光区域表面直接制备的微纳单元阵列组成，每个微纳单元对不同波长光的调制作用不同，并且对入射角、偏振均不敏感，每个微纳单元与一个或多个晶圆级别的图像传感器感光像素在垂直方向上相对应。
在本实施例中，晶圆级别的图像传感器可以采用CIS晶圆实现，此外，还可以采用其他种类的晶圆实现，本实施例对此不作限定。
如图1所示，从纵向上看，光调制层1中的每个单元是金属11和介质12两种层交替排列的光栅结构，可以通过在晶圆级别的图像传感器2上直接生长一层或多层介质材料，再进行刻蚀，在除去用于刻蚀的牺牲层之前，沉积金属材料，最后再移除牺牲层，进行制备得到。通过设计微纳结构的尺寸参数，各个单元能够对目标范围内不同波长的光有不同的调制作用，并且该调制作用对入射角度、偏振均不敏感。光调制层1的厚度与所用的介质材料、目标波长范围等相关，以波长范围400nm～10μm为例，1的厚度在50nm～5μm，1中的每个单元对应晶圆级别的图像传感器2上一个或多个像素。其中，光调制层1是直接在晶圆级别的图像传感器2上制备得到的。
需要说明的是，光调制层1由在晶圆级别的图像传感器感光区域表面直接制备的微纳结构单元阵列组成，每个单元对不同波长光的调制作用不同，并且对入射角、偏振均不敏感，每个单元与一个或多个晶圆级别的图像传感器感光像素在垂直方向上相对应。在横向上看，光调制层1可有图2、图3、图4、图5和图6所示的五种方案，后续实施例将对这五种方案分别进行解释和说明。
根据上面的技术方案可知，本实施例提供的光谱芯片，利用金属-介质交替排布的二维光栅结构中的纵向谐振效应，使得光调制层对入射光的入射角不敏感；此外，由于每组微纳结构阵列中的二维光栅结构为具有偏振无关特性的光栅结构，因此使得光调制层对入射光的偏振不敏感，从而实现了对入射角、偏振均不敏感的光谱芯片。本发明实施例提供的光谱芯片，从晶圆级别直接在晶圆级别的图像传感器上单片集成光调制层，利用CMOS工艺一次流片即可完成对入射角、偏振均不敏感的光谱芯片制备。与传统光谱成像设备相比，本发明实施例将对入射角、偏振均不敏感的光调制层与图像传感器单片集成，无分立元件，不需要外加准直元件、偏振片，有利于提高器件的稳定性，降低器件的体积和成本。由此可见，本发明实施例提供的光谱芯片对待测光的入射角以及偏振特性不敏感，即光谱测量结果不会受到待测光的入射角度和偏振特性的影响，从而可以保证光谱测量性能的稳定性。本发明实施例可以通过CMOS工艺一次流片完成对光谱芯片的制备，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，并降低成本。本发明实施例将对入射角、偏振均不敏感的光调制层与晶圆级别的图像传感器单片集成，无分立元件，不需要外加准直元件或偏振片，有利于提高器件的稳定性，极大促进成像光谱仪的小型化和轻量化，在小型平台如小卫星、无人机等上的应用有着广阔的前景。本发明实施例在晶圆级别实现单片集成，可以最大程度减小传感器与光调制层之间的距离，有利于缩小单元的尺寸，实现更高的光谱分辨率并降低封装成本。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元包含的多组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，多组微纳结构阵列对入射光分别具有不同的调制作用。
下面结合图2所示例子进行举例说明，在本实施例中，如图2所示，光调制层1包含多个重复的微纳单元，如11A、22A、33A、44A、55A、66A，每个微纳单元由多组微纳结构阵列组成，多组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，不同单元中相同位置处的微纳结构阵列相同，微纳结构阵列采用金属-高折射率介质交替排布的二维光栅结构，光栅中的调制孔形状可为圆、十字、正多边形、矩形等具有四重旋转对称性的结构，即结构旋转90°、180°、270°后，与原来的结构重合，从而使得结构具有偏振无关的特性。
如图2所示，每个微纳单元均包括四组微纳结构阵列，四组微纳结构阵列中的二维光栅结构分别采用四种不同形状的调制孔形成，四组微纳结构阵列用于对入射光具有不同的调制作用。需要说明的是，这里只是以包括四组微纳结构阵列的微纳单元进行举例说明，并不起到限制作用，在实际应用中，还可以根据需要设置包括六组、八组或其他数量组微纳结构阵列的微纳单元。在本实施例中，四种不同形状可以为圆形、十字形、正多边形和矩形(不限于此)。
在本实施例中，微纳单元内的每组微纳结构阵列对不同波长的光具有不同的调制作用，并且各组微纳结构之间对输入光的调制作用也不同，具体的调制方式包括但不限于散射、吸收、干涉、表面等离激元、谐振增强等。通过设计微纳结构参数，使得光通过不同组的微纳结构后，对应的透射谱不同，并且对入射角度、入射光偏振不敏感。每组微纳结构阵列下方有对应的传感器(即晶圆级别的图像传感器的探测器层)，光经过微纳结构阵列的调制作用后，由下方的光传感器探测到光强。每个单元与其下方的光传感器构成一个像素点，通过恢复算法可以得到每个像素点上的光谱信息，即各个波长的强度分布，多个像素点构成一幅包含光谱信息的图像。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元包含的多组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，每组微纳结构阵列均具有窄带滤波作用，只允许特定预设波长的入射光通过。
下面结合图3所示例子进行举例说明，在本实施例中，如图3所示，光调制层1包含多个重复的微纳单元，如11A、22A、33A、44A、55A、66A，与上述实施例所不同的是，通过设计微纳单元内各组微纳结构的周期、占空比、半径、边长等尺寸参数，使其具有窄带滤波作用，即只有一个波长的光可以通过，并且对入射角度、入射光偏振不敏感。光经过窄带滤波后，由其下方的光传感器探测到该波长下的光强，每个微纳单元与其下方的光传感器构成一个像素点，通过不同微纳单元相同位置处的微纳结构阵列即可获得某一波长下的图像，多个像素点构成一幅包含多个频谱信息的图像。需要说明的是，光调制层同一微纳单元内的不同微纳结构阵列所具有的窄带滤波作用对应的波长是不一样的。也就是说，不同微纳结构阵列测量的是不同波长成分的频谱；这样，多组微纳结构阵列结合在一起就能够得到整个目标波段的频谱。
如图3所示，每个微纳单元均包括四组微纳结构阵列，四组微纳结构阵列中的二维光栅结构分别采用四种不同形状的调制孔形成，四组微纳结构阵列具有窄带滤波作用，只允许特定预设波长的入射光通过。需要说明的是，这里只是以包括四组微纳结构阵列的微纳单元进行举例说明，并不起到限制作用，在实际应用中，还可以根据需要设置包括六组、八组或其他数量组微纳结构阵列的微纳单元。在本实施例中，四种不同形状可以为圆形、十字形、正多边形和矩形(不限于此)。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元均包含有一组空结构，且其余组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，所述空结构用于直通入射光，进行直通光强的标定；所述其余组微纳结构阵列对入射光分别具有不同的调制作用。
下面结合图4所示例子进行举例说明，在本实施例中，如图4所示，光调制层1包含多个重复的微纳单元，如11A、22A、33A、44A、55A、66A，每个微纳单元包括多组不同微纳结构阵列，不同单元中相同位置的微纳结构阵列相同，每一组微纳结构阵列下方有对应的传感器。该方案采用的微纳结构阵列与图2类似，所不同的是，其中有一组的位置无微纳结构，入射光直通，目的是对待测光的绝对光强进行测量，也即用于该单元直通光强的标定。
如图4所示，每个微纳单元均包括四组微纳结构阵列，其中，三组微纳结构阵列中的二维光栅结构分别采用三种不同形状的调制孔形成，剩余一组微纳结构阵列为空结构；所述三组微纳结构阵列用于对入射光进行不同的调制，所述空结构用于直通入射光，并用于进行直通光强的标定。需要说明的是，这里只是以包括四组微纳结构阵列的微纳单元进行举例说明，并不起到限制作用，在实际应用中，还可以根据需要设置包括六组、八组或其他数量组微纳结构阵列的微纳单元。在本实施例中，四种不同形状可以为圆形、十字形、正多边形和矩形(不限于此)。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元均包含有一组空结构，且其余组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，所述空结构用于直通入射光，进行直通光强的标定；所述其余组微纳结构阵列中的每组微纳结构阵列均具有窄带滤波作用，只允许特定预设波长的入射光通过。
下面结合图5所示例子进行举例说明，在本实施例中，如图5所示，光调制层1包含多个重复的微纳单元，如11A、22A、33A、44A、55A、66A，每个微纳单元包括多组不同微纳结构阵列，不同单元中相同位置的微纳结构阵列相同，每一组微纳结构阵列下方有对应的传感器。该方案采用的微纳结构阵列与图3类似，所不同的是，其中有一组的位置无微纳结构，入射光直通，可用于该单元直通光强的标定。
如图5所示，每个微纳单元均包括四组微纳结构阵列，其中，三组微纳结构阵列中的二维光栅结构分别采用三种不同形状的调制孔形成，剩余一组微纳结构阵列为空结构；所述三组微纳结构阵列具有窄带滤波作用，只允许特定预设波长的入射光通过，所述空结构用于直通入射光，并用于进行直通光强的标定。需要说明的是，这里只是以包括四组微纳结构阵列的微纳单元进行举例说明，并不起到限制作用，在实际应用中，还可以根据需要设置包括六组、八组或其他数量组微纳结构阵列的微纳单元。在本实施例中，四种不同形状可以为圆形、十字形、正多边形和矩形(不限于此)。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元包含的多组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，且每个微纳单元包含的多组微纳结构阵列中有若干组微纳结构阵列用于对入射光进行调制，剩余组微纳结构阵列具有窄带滤波作用，只允许特定预设波长的入射光通过。
下面结合图6所示例子进行举例说明，在本实施例中，如图6所示，光调制层1包含多个重复的微纳单元，如11A、22A、33A、44A、55A、66A，与图2和图3所示方案不同的是，在本实施例中，微纳单元内的各组微纳结构阵列，有的是起到窄带滤波作用，有的是宽带调制作用，并且都对入射角度、入射光偏振不敏感。该方案可以看成是图2和图3所示方案的组合，本实施例提供的这种结构可以提高入射光的调制分辨率，进而可以提高包含多个频谱信息的图像的恢复精度，从而提高光谱的分辨率。
可以理解的是，单元内的各组微纳结构阵列，有的是起到窄带滤波作用，有的是宽带调制作用，因此，单元内透射谱的类型就更加丰富，即对入射光的调制类型更加丰富，这样后续在利用算法进行恢复时，得到的光谱分辨率会更高。
如图6所示，每个微纳单元均包括四组微纳结构阵列，其中，四组微纳结构阵列中的二维光栅结构分别采用四种不同形状的调制孔形成，且四组微纳结构阵列中有若干组微纳结构阵列用于对入射光进行调制，剩余组微纳结构阵列具有窄带滤波作用，只允许特定预设波长的入射光通过。需要说明的是，这里只是以包括四组微纳结构阵列的微纳单元进行举例说明，并不起到限制作用，在实际应用中，还可以根据需要设置包括六组、八组或其他数量组微纳结构阵列的微纳单元。在本实施例中，四种不同形状可以为圆形、十字形、正多边形和矩形(不限于此)。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光调制层与所述晶圆级别的图像传感器之间设置有透光介质层。
在本实施例中，需要说明的是，在所述光调制层与所述晶圆级别的图像传感器之间设置透光介质层，可以有效将光调制层晶圆级别的图像传感器层分开，避免两者相互干扰。
在本实施例中，如图7所示，与图1的主要区别在于纵向结构，在光调制层1和晶圆级别的图像传感器2之间加入了一层透光介质层6，厚度可以设置为50nm～1μm，材料可为二氧化硅。若为直接沉积生长的工艺方案，可在晶圆级别的图像传感器上通过化学气相沉积、溅射、旋涂等方式制备该透光介质层，然后在其上方进行光调制层结构的沉积、刻蚀即可。若为转移的工艺方案，则可在二氧化硅上先进行微纳结构的制备，再将这两部分整体转移到晶圆级别的图像传感器上。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述晶圆级别的图像传感器为前照式，包括：自上而下设置的金属线层和光探测层，所述光调制层集成在所述金属线层远离所述光探测层的一面；或，
所述晶圆级别的图像传感器为背照式，包括：自上而下设置的光探测层和金属线层，所述光调制层集成在所述光探测层远离所述金属线层的一面。
在本实施例中，如图8所示为前照式级别的图像传感器，光探测层21在金属线层22下方，晶圆级别的图像传感器上未集成微透镜和滤光片，光调制层1直接集成到金属线层22上。
在本实施例中，与图8不同的是，图9所示为背照式级别的图像传感器，光探测层21在金属线层22上方，晶圆级别的图像传感器上未集成微透镜和滤光片，光调制层1直接集成到光探测层21上。
需要说明的是，对于背照式晶圆级别的图像传感器，光探测层21在金属线层22上方，可以减少金属线层对入射光的影响，从而可以提高器件的量子效率。
如图10所示，光调制层1是在背照式晶圆级别的图像传感器的探测器层21上直接刻蚀后，再沉积金属进行制备的，对于波长400nm～10μm，刻蚀深度可以为50nm～5μm。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光调制层为单层结构或多层结构。
在本实施例中，如图11、图12和图13所示，所述光调制层为单层结构。
如图11所示，光调制层1为金属11和介质层12两种材料层交替排布的单层光栅结构，厚度与目标波长范围相关，对于波长400nm～10μm，光栅结构的厚度可以为50nm～5μm。金属材料要求其损耗小，具体可包括金、银、铝等；介质材料要求其折射率高、损耗小，具体可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、III-V族材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。
需要说明的是，为增加光调制层对入射光的在频谱上的调制能力和采样能力，以利于提高光谱恢复精度。光调制层1在纵向上还可以为如图12和图13所示的单层结构。
如图12和图13所示，光调制层1同样为金属11和介质12两种材料层交替排布的单层光栅结构，与图11不同的是，金属材料的沉积厚度可以适当高于或低于介质材料的厚度，这样不但增加了工艺制备和参数设计的灵活性，而且有助于提高光谱恢复精度。
此外，需要说明的是，为增加光调制层对入射光的在频谱上的调制能力和采样能力，以利于提高光谱恢复精度。光调制层1在纵向上还可以为如图14所示的双层结构。
如图14所示，所述光调制层为两层结构，其中，第一层结构由第一金属和第一介质沿光调制层平铺方向交替排布形成；第二层结构由第二金属和第二介质沿光调制层平铺方向交替排布形成。
如图14所示，与图11、图12和图13不同的是，光调制层1可以为多层结构，图14中以两层结构为例，110、111是两种不同的介质材料，120、121是两种不同的金属材料；厚度与目标波长范围相关，对于波长400nm～10μm，两层结构总的厚度可以为50nm～5μm。
举例来说，110可以为硅层，111可以为氮化硅层，120可以为银，121可以为金。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，光谱芯片，还包括：微透镜和/或滤光片；
所述微透镜设置在光调制层远离晶圆级别的图像传感器的一面，或，所述微透镜设置在光调制层靠近晶圆级别的图像传感器的一面；
所述滤光片设置在光调制层远离晶圆级别的图像传感器的一面，或，所述滤光片设置在光调制层靠近晶圆级别的图像传感器的一面。
在本实施例中，如图15、图16、图17、图18、图19和图20所示，本实施例与图1的主要差别在于：光谱芯片集成了微透镜4或滤光片5或两者兼有。如图15和16所示，光谱芯片集成了微透镜4，微透镜可在光调制层1的上方(图15)或下方(图16)；如图17和18所示，光谱芯片集成了滤光片5，滤光片可在光调制层1的上方(图17)或下方(图18)；如图19和20所示，光谱芯片集成了微透镜4和滤光片5，其位置可在光调制层1的上方(图19)或下方(图20)。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，如图21所示，光谱芯片，还包括：与所述晶圆级别的图像传感器2进行电连接的信号处理电路3；
所述信号处理电路3用于对包含所述入射光的频谱信息的图像进行处理，得到所述入射光的频谱信息。
在本实施例中，光调制层包含多个重复单元，每个单元对应的信号处理电路可以恢复出该单元处的光谱信息。信号处理电路的输入是CIS晶圆的每个感光像素探测到的光强信号，利用这些光强值，结合事先实验测得的各组微纳结构阵列的透射谱，就可以通过相应的算法，恢复出输入光的光谱信息。在实际应用中，可以根据需求，采用不同的算法对包含所述入射光的频谱信息的图像进行处理，进而得到所述入射光的频谱信息。
在本实施例中，对于多光谱图像采集的完整流程为：如图22所示，可见光到近红外的宽谱光源100照射到目标物体200上，然后反射光由光谱芯片300采集，或者目标物体直接向外辐射的光由光谱芯片300采集。每个单元与其下方的光传感器构成一个像素点，通过恢复算法可以得到每个像素点上的光谱信息，多个像素点构成一幅包含光谱信息的图像。光调制层1和晶圆级别的图像传感器2都可以由半导体CMOS集成工艺制造，在晶圆级别实现单片集成，有利于减小传感器与光调制层之间的距离，缩小器件的体积，实现更高的光谱分辨率并降低封装成本。
在本实施例中，需要说明的是，如图21所示，光谱芯片包括光调制层1、晶圆级别的图像传感器2和信号处理电路3。光调制层1直接在晶圆级别的图像传感器上制备，具有对入射角度、偏振均不敏感的特性，其横向结构如图2所示，光调制层包含多个重复单元，每个单元内部划分为四组不同的微纳结构阵列110、111、112、113，对入射光具有不同的宽谱调制作用，且具有对入射角度、偏振均不敏感的特性；不同单元相同位置处的微纳结构阵列相同。各组微纳结构采用金属和高折射率介质交替排布的二维光栅结构，介质区域的几何形状可以是圆、十字形、正多边形等具有四重旋转对称性的结构。晶圆级别的图像传感器2的具体结构如图8或图9所示，21是硅探测器层，22是金属线层，响应范围为可见到近红外波段；晶圆级别的图像传感器是裸露的，未制备上拜尔滤光片阵列和微透镜阵列。每个单元或每组微纳结构对应晶圆级别的图像传感器2上的一个或多个传感器单元。
需要说明的是，本实施例利用金属-介质交替排布的二维光栅结构中的纵向谐振效应，使得光调制层对入射光的入射角不敏感；利用四重旋转对称性，使得光调制层对入射光的偏振不敏感，从而实现了对入射角、偏振均不敏感的光谱芯片。此外，本实施例从晶圆级别直接在晶圆级别的图像传感器上单片集成光调制层，利用CMOS工艺一次流片即可完成对入射角、偏振均不敏感的光谱芯片制备。与传统光谱成像设备相比，本实施例将对入射角、偏振均不敏感的光调制层与图像传感器单片集成，无分立元件，不需要外加准直元件、偏振片，有利于提高器件的稳定性，降低器件的体积和成本。
本实施例中对入射角、偏振均不敏感的光谱芯片有以下效果：对待测光的入射角以及偏振特性不敏感，即光谱测量结果不会受到待测光的入射角度和偏振特性的影响，保证光谱测量性能的稳定性。可以通过CMOS工艺一次流片完成对光谱芯片的制备，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，并降低成本。将对入射角、偏振均不敏感的光调制层与图像传感器单片集成，无分立元件，不需要外加准直元件或偏振片，有利于提高器件的稳定性，极大促进成像光谱仪的小型化和轻量化，在小型平台如小卫星、无人机等上的应用有着广阔的前景。在晶圆级别实现单片集成，可以最大程度减小传感器与光调制层之间的距离，有利于缩小单元的尺寸，实现更高的光谱分辨率并降低封装成本。
基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供了一种光谱仪，包括：如上面实施例所述的光谱芯片。
由于本实施例提供的光谱仪包括上述实施例所述的光谱芯片，因此，本实施例提供的光谱仪具备上述实施例所述的光谱芯片的全部有益效果，由于上述实施例已经对此进行了较为详尽的描述，因此本实施例不再赘述。
基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供了一种如上面所述实施例的光谱芯片的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤101：准备晶圆级别的图像传感器；
步骤102：在所述晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备光调制层，所述光调制层沿光调制层平铺方向由金属和介质交替排布形成；
所述光调制层包含由多个微纳单元组成的单元阵列，每个微纳单元对应晶圆级别的图像传感器上的一个或多个像素点；
所述微纳单元包含有多组微纳结构阵列，每组微纳结构阵列由二维光栅结构形成，其中，每组微纳结构阵列中的二维光栅结构为具有偏振无关特性的光栅结构；
各微纳单元的多组微纳结构阵列中的二维光栅结构用于对入射光进行调制，将所述入射光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素点上，得到包含所述入射光的频谱信息的图像。
在本实施例中，需要说明的是，如图1所示，从纵向上看，光调制层1中的每个单元是金属11和介质12两种材料层交替排列的光栅结构，可以通过在晶圆级别的图像传感器2上直接生长一层或多层介质材料，再进行刻蚀，在除去用于刻蚀的牺牲层之前，沉积金属材料，最后再移除牺牲层，进行制备得到。通过设计微纳结构的尺寸参数，各个单元能够对目标范围内不同波长的光有不同的调制作用，并且该调制作用对入射角度、偏振均不敏感。光调制层1的厚度与所用的介质材料、目标波长范围等相关，以波长范围400nm～10μm为例，1的厚度在50nm～5μm，光调制层1中的每个单元对应晶圆级别的图像传感器2上一个或多个像素。1是直接在2上制备的。
在本实施例中，需要说明的是，如图10所示，假设晶圆级别的图像传感器2为背照式结构，则光调制层1可以在背照式晶圆级别的图像传感器的探测器层21上直接刻蚀，然后再沉积金属进行制备得到，对于波长400nm～10μm，刻蚀深度可以为50nm～5μm。
此外，需要说明的是，所述光调制层上的微纳结构可以通过光刻的方式实现，根据微纳结构的形状进行相应的刻蚀即可，本实施例对此不再详细介绍。
此外，需要说明的是，由于本实施例提供的制备方法是上述实施例中的光谱芯片的制备方法，因此，关于一些原理和结构等方面的详细内容，可以参见上述实施例的介绍，本实施例对此不再赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (16)
1.一种光谱芯片，其特征在于，包括：
晶圆级别的图像传感器；
所述晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备有光调制层，所述光调制层沿光调制层平铺方向由金属和介质交替排布形成；
所述光调制层包含由多个微纳单元组成的单元阵列，每个微纳单元对应晶圆级别的图像传感器上的一个或多个像素点；
所述微纳单元包含有多组微纳结构阵列，每组微纳结构阵列由二维光栅结构形成，其中，每组微纳结构阵列中的二维光栅结构为具有偏振无关特性的光栅结构；
各微纳单元的多组微纳结构阵列中的二维光栅结构用于对入射光进行调制，将所述入射光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素点上，得到包含所述入射光的频谱信息的图像。
2.根据权利要求1所述的光谱芯片，其特征在于，每组微纳结构阵列对应的二维光栅结构为满足四重旋转对称性的二维光栅结构。
3.根据权利要求1所述的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元包含的多组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，多组微纳结构阵列对入射光分别具有不同的调制作用。
4.根据权利要求1所述的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元包含的多组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，每组微纳结构阵列均具有窄带滤波作用，只允许特定预设波长的入射光通过。
5.根据权利要求1所述的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元均包含有一组空结构，且其余组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，所述空结构用于直通入射光，进行直通光强的标定；所述其余组微纳结构阵列对入射光分别具有不同的调制作用。
6.根据权利要求1所述的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元均包含有一组空结构，且其余组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，所述空结构用于直通入射光，进行直通光强的标定；所述其余组微纳结构阵列中的每组微纳结构阵列均具有窄带滤波作用，只允许特定预设波长的入射光通过。
7.根据权利要求1所述的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含多个微纳单元，多个微纳单元的结构相同或不同；对于任一微纳单元包含的多组微纳结构阵列对应的二维光栅结构互不相同，且每个微纳单元包含的多组微纳结构阵列中有若干组微纳结构阵列用于对入射光进行调制，剩余组微纳结构阵列具有窄带滤波作用，只允许特定预设波长的入射光通过。
8.根据权利要求1所述的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层与所述晶圆级别的图像传感器之间设置有透光介质层。
9.根据权利要求1所述的光谱芯片，其特征在于，所述晶圆级别的图像传感器为前照式，包括：自上而下设置的金属线层和光探测层，所述光调制层集成在所述金属线层远离所述光探测层的一面；或，
所述晶圆级别的图像传感器为背照式，包括：自上而下设置的光探测层和金属线层，所述光调制层集成在所述光探测层远离所述金属线层的一面。
10.根据权利要求1所述的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层为单层结构或多层结构。
11.根据权利要求10所述的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层为两层结构，其中，第一层结构由第一金属和第一介质沿光调制层平铺方向交替排布形成；第二层结构由第二金属和第二介质沿光调制层平铺方向交替排布形成。
12.根据权利要求10所述的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层为单层结构，所述光调制层由金属和介质沿光调制层平铺方向交替排布形成，且所述金属区域的厚度低于或高于所述介质区域的厚度。
13.根据权利要求1所述的光谱芯片，其特征在于，还包括：微透镜和/或滤光片；
所述微透镜设置在光调制层远离晶圆级别的图像传感器的一面，或，所述微透镜设置在光调制层靠近晶圆级别的图像传感器的一面；
所述滤光片设置在光调制层远离晶圆级别的图像传感器的一面，或，所述滤光片设置在光调制层靠近晶圆级别的图像传感器的一面。
14.根据权利要求1～13任一项所述的光谱芯片，其特征在于，还包括：与所述晶圆级别的图像传感器连接的信号处理电路；
所述信号处理电路用于对包含所述入射光的频谱信息的图像进行处理，得到所述入射光的频谱信息。
15.一种光谱仪，其特征在于，包括：如权利要求1～14任一项所述的光谱芯片。
16.一种光谱芯片制备方法，其特征在于，包括：
准备晶圆级别的图像传感器；
在所述晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备光调制层，所述光调制层沿光调制层平铺方向由金属和介质交替排布形成；
所述光调制层包含由多个微纳单元组成的单元阵列，每个微纳单元对应晶圆级别的图像传感器上的一个或多个像素点；
所述微纳单元包含有多组微纳结构阵列，每组微纳结构阵列由二维光栅结构形成，其中，每组微纳结构阵列中的二维光栅结构为具有偏振无关特性的光栅结构；
各微纳单元的多组微纳结构阵列中的二维光栅结构用于对入射光进行调制，将所述入射光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素点上，得到包含所述入射光的频谱信息的图像。
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