CN117213632B - 一种宽谱调制解调型成像光谱芯片及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种宽谱调制解调型成像光谱芯片及其生产方法，属于半导体光学技术领域，解决了现有的成像光谱芯片技术在实际应用中存在的：能量利用率较低、光谱调制度较低、空间分辨率下降、视场角度小、制备工艺复杂、工艺精度需求较高、无法批量生产的问题。所述芯片由上至下依次为：宽普调制结构层，包括宽谱调制结构单元，其在x‑z的平面视图为两个C型，两个C型开口相对镜像设置，用于调制入射光信息；光电图像传感器模块，用于采集调制后的入射光信息，并转变为数字电信号；以及光谱图像解调模块，用于将所述数字电信号进行解调，生成目标多光谱图像信息。本发明适用于食品检测、农业监测、医疗传感、伪装识别、航空航天遥感等场景。

Description

一种宽谱调制解调型成像光谱芯片及生产方法

技术领域

本发明属于半导体光学领域，具体涉及一种成像光谱芯片及其生产方法。

背景技术

成像光谱芯片是光谱成像探测***中的重要部件，可进行目标二维成像的同时，还能探测目标的光谱信息。目前成像光谱芯片研制主要采用滤波片、量子点、法布里-珀罗干涉、光子晶体和超结构表面窄带滤光等方法进行研究。

滤波片法如美国专利文献US9466628B2中，Spectral imaging device andmethod to calibrate the same，通过设置多个滤波片进行分光，并利用图像传感器进行采集，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的光谱图像数据。

量子点法如中国专利文献CN114910165A中记载，光谱芯片及光谱装置，通过在光电图像传感器晶元上制备不同透过曲线的量子点薄膜进行分光，获得与入射光源的强度空间分布有关的信息和光谱信息。

法布里-珀罗干涉法如中国专利文献CN111351573A中记载：光谱芯片、芯片封装结构以及制作方法中，通过在光电图像传感器感光表面研制反射膜构成的法珀腔，实现入射光的分光，再利用光电图像传感器进行入射光信息采集。来实现光谱探测的模块化和小型化。

光子晶体法如中国专利文献CN114279565A中记载，一种非制冷红外光谱芯片及其制备方法、红外光谱仪，通过在光电图像传感器感光表面制备多个不同参数的光子晶体版阵列，实现入射光的宽带分光，同时可通过缩放光子晶体的维数，降低入射光在传感器上的串扰，提升光谱测量精度。

超表面窄带滤光法如中国专利文献CN106847849A中记载，一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片及其制备方法，通过在同一厚度金属介质膜层上制备不同尺寸的周期性孔状纳米结构阵列，实现对目标图像在多光谱谱段上的窄带滤光，可实现小型化、大面阵的成像光谱芯片制备。

上述成像光谱芯片技术实际应用中会存在能量利用率较低、光谱调制度较低、光谱覆盖范围窄、空间分辨率下降和视场角度小等实际技术问题，无法满足日常应用场景需求。同时制备工艺复杂，工艺精度需求较高，无法批量生产。

发明内容

本发明为解决现有的成像光谱芯片技术在实际应用中存在的：能量利用率较低、光谱调制度较低、空间分辨率下降、视场角度小、制备工艺复杂、工艺精度需求较高、无法批量生产的问题，提出一种基于对称C型的三维结构的宽谱调制-解调型成像光谱芯片及其生产方法。

所述芯片由上到下依次为：宽谱调制结构层、光电图像传感器模块以及光谱图像解调模块。

进一步地，提供优选方案：所述宽谱调制结构层由数个宽谱调制结构单元构成，所述数个宽谱调制结构单元构成N×N个通道，每个通道对应一种超材料结构单元阵列。

进一步地，提供优选方案：N的取值为3或4或5。

进一步地，提供优选方案：所述宽谱调制结构单元在x-z的平面视图为两个C型，且所述两个C型开口相对镜像设置。

进一步地，提供优选方案：所述宽谱调制结构单元为长方体，所述长方体在x-z面为正方形，所述正方形的边长L为1μm—10μm，所述长方体沿y轴方向的宽为1μm—10μm。

进一步地，提供优选方案：所述C型的入射端与出射端之间的狭缝宽度ω为0.3μm—3μm；入射端与出射端的厚度为t，C型的内壁槽深度d为0.2μm到2μm，所述C型的内壁槽的宽为h，且有：L=h+2t。

进一步地，提供优选方案：所述宽谱调制结构层中的每个宽谱调制结构单元与所述光电图像传感器模块中的每个像素单元一一对应，且同轴。

进一步地，提供优选方案：所述光电图像传感器模块用于采集调制经所述宽谱调制结构层投射的光信号获得调制光谱信号，并将所述调制光谱信号发送给光谱图像解调模块。

进一步地，提供优选方案：所述光谱图像解调模块用于对所述调制光谱信号进行解调，得到目标图像信息与光谱信息。

进一步地，提供优选方案：所述光电图像传感器模块的表面制备一层感光表面，所述感光表面与所述宽谱调制结构层相匹配。

所述生产方法包括：制备宽谱调制结构层、选取光电图像传感器模块以及光谱图像解调模块，并依次连接，所述宽谱调制结构层的制备方法包括：基片前处理、磁控溅射镀膜、离子束刻蚀结构、清洗基片、旋涂光刻胶、软烘烤、制备掩膜版、对准和曝光、去胶和硬烘、对准标记点、镀制保护层。

本发明提出新技术思路，突破背景技术中所述的几种成像光谱芯片制作原理和结构原理的制约，创新设计了一种基于对称C型三维结构的宽谱调制-解调型成像光谱芯片架构，自主研制了光谱调制超材料结构，以及创新设计了与现有CMOS的光刻生产相兼容的生产工艺，可实现光谱芯片批量制作，所建立的创新型技术路线，具有能量利用率高于50%、光谱分辨率高、视场角大、信息量大、空间分辨率不下降、体积小、成本低以及生产工艺成熟的优点，具有较大的社会效益和广泛的应用价值。

本发明可应用于食品检测、农业监测、医疗传感、伪装识别、航空航天遥感等场景。

附图说明

图1为实施方式一所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片的结构示意图，其中，1为宽谱调制结构层，2为光电图像传感器模块，3为光谱图像解调模块；

图2为实施方式五所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片的实物图；

图3为实施方式一、实施方式五所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片的原理示意图；

图4为实施方式五所述的宽谱调制单元的结构示意图，（a）所述宽谱调制单元的立体图，（b）为所述宽谱调制单元的Au尺寸示意图；所述宽谱调制单元的为其中L为正方形的边长，t为入射端与出射端的厚度，h为C型的内壁槽的宽，ω为C型的入射端与出射端之间的狭缝宽度，d为C型的内壁槽深度；

图5为实施方式五所述的宽谱调制结构层及局部放大图；

图6为实施方式五所述的宽谱调制光谱图；

图7为实施方式五所述的光电图像传感器模块单独1通道增益控制示意图；

图8为实施方式五所述的光电图像传感器模块单独4通道增益控制示意图；

图9为实施方式五所述的光电图像传感器模块单独7通道增益控制示意图；

图10为实施方式五所述的光电图像传感器模块单独2通道增益控制示意图；

图11为实施方式五所述的光电图像传感器模块单独5通道增益控制示意图；

图12为实施方式五所述的光电图像传感器模块单独8通道增益控制示意图；

图13为实施方式五所述的光电图像传感器模块单独3通道增益控制示意图；

图14为实施方式五所述的光电图像传感器模块单独6通道增益控制示意图；

图15为实施方式五所述的光电图像传感器模块单独9通道增益控制示意图；

图16为实施方式五所述的光谱芯片多光谱成像结果的灰度图和多光谱图；

图17为实施方式五所述的光谱芯片8波段成像结果；

图18为实施方式五所述的色块1光谱仪测试结果与芯片光谱反演结果对比图；

图19为实施方式五所述的色块7光谱仪测试结果与芯片光谱反演结果对比图；

图20为实施方式五所述的色块13光谱仪测试结果与芯片光谱反演结果对比图；

图21为实施方式五所述的色块19光谱仪测试结果与芯片光谱反演结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施方式一

参照图1、图3说明本实施方式。

本实施方式所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片，由上到下依次为：宽谱调制结构层1、光电图像传感器模块2以及光谱图像解调模块3。

具体地：

所述宽谱调制结构层1用于调制入射光信息；

所述光电图像传感器模块2与所述宽谱调制结构层1相匹配，用于采集调制后的入射光信息，并转变为数字电信号；

所述光谱图像解调模块3用于将所述数字电信号进行解调，生成目标多光谱图像信息。

所述宽谱调制结构层1为对称C型三维宽谱调制解调结构层，所述光谱图像解调模块3中存有光谱图像解调算法。

所述宽谱调制结构层1由数个宽谱调制结构单元构成，所述数个宽谱调制结构单元构成N×N个通道（包括3×3、4×4、或5×5），每个通道对应一种超材料结构单元阵列，可实现9、16或25通道光谱调制，且从原理上保证了大的视场角。

每种超材料结构单元对应光电图像传感器模块2的像素单元，每个对称C型超材料结构单元和光电图像传感器模块2的像素单元大小相同，中心位于同一轴线上，实现逐像素光谱调制。

所述光电图像传感器模块2根据每种超材料结构单元进行设计，采集调制光谱信号，并对每种通道的周期结构单元进行增益参数调节，适应各个通道的调制特性。

所述光谱图像解调模块3置于所述光电图像传感器模块2的底端，并与其相连，利用光谱图像解调模块3中的解调算法，对光电图像传感器模块2采集到的调制光谱信号进行解调，最终得到目标图像信息与光谱信息。

本实施方式所述的光谱芯片具有：光谱分辨率高、能量利用率高、视场角大、空间分辨率不下降、体积小、整体生产工艺简单成熟的优点。

实施方式二

参照图4说明本实施方式

本实施方式是对实施方式一所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片中所述的宽谱调制结构单元的进一步举例说明。

如图4所示：

本实施方式所述的宽谱调制结构单元在x-z的平面视图为两个C型，且所述两个C型开口相对镜像设置。

具体地：

两个C型的开口相对，所述宽谱调制结构单元的外框为一长方体，所述长方体在x-z面为正方形，所述正方形的边长L为1μm—10μm可调；所述长方体沿y轴方向的宽为1μm—10μm可调。对称C型入射端与出射端狭缝宽度w为0.3μm到3μm可调，对称C型内壁槽深度d为0.2μm到2μm可调，对称C型内壁槽宽h为0.1μm到10μm可调，对称C型入射端与出射端厚度为t，C型的内壁槽的宽为h，且有：L=h+2t。

设计的对称C型立体结构各透射角度的光线，从微观角度分析光程近似相同，所以光谱透过率不变，从原理上保证了大的视场角。

根据上述参数，可实现300-1100nm波段不同频率准正弦连续宽谱调制线型。

该结构依据等离激元共振特性，即当入射光进入结构中时，会进入到对称C型内壁槽中发生反射，依据设计的对称C型内壁槽尺寸，可在金属/介质界面处产生等离子体共振现象。该结构根据传统光栅模型进行了凹槽内嵌设计，将对称C型等效光栅模型，针对影响光栅模型透射性能的主要参数：光栅周期L，占空比、/>，金属光栅高度h以及等效介质光栅折射率n进行模型分析。

根据波导光栅理论，对称C型等效光栅周期L与折射率n、入射波长、入射角度/>、衍射角/>之间关系如下所示:

峰值透过率与狭缝几何参数（入射端与出射端狭缝宽度w、内壁槽深度d）之间的关系可以概括为下面的公式：

约等式右边的几何项代表了由反射损耗导致的透射峰下降，指数项表示了与入射端出射端狭缝宽度w和内壁槽深度d都有关系的欧姆损耗，等式中的d对应于给定缝宽情况下能够满足透射峰输出的狭缝宽度。

对称C型等效光栅在和/>方向的金属光栅之间存在的是一种类F-P共振腔的模式，通过等效介质理论将单层金属光栅周期性结构转化为三层均匀介质结构，即图4（b）中Z方向高度分别为t、h、t的金属层。

在对称C型内部形成的F-P腔的透射规律公式如下：

其中l=h=2d+w，是入射光在光栅表面反射时产生的相变，R₀和T₀是反射和透射系数，上述参数可通过入射光照射对称C型等效光栅获得。

当入射光在腔内发生共振时，反射光线与入射光线在出射界面处发生干涉相消，从而导致光栅透过率低，出现波谷，其他大部分能量被反射。

入射光和反射光在出射界面相遇时的相位差可以用公式表示如下：

K₀为入射光波矢，n_l为介质折射率，h为对称C型内壁槽宽，为光线反射时产生的相变。如果相位差的值为π或者π的奇数倍时就会发生共振，公式表示如下：

m为整数。正是这种共振模式导致了能量被局限在中间介质层中，从而使光栅透过率降低，出现波谷现象。

所述宽谱调制结构单元的大小为微米量级，可以与所述光电图像传感器模块2的像素单元大小一一对应。根据光电图像传感器模块的像素单元尺寸将单元调制结构进行阵列排布，不损失光电图像传感器原有空间分辨率；也可以设计为单个光谱调制结构对应光电图像传感器N个像素，损失部分空间分辨率，单个光谱调制结构对应的入射光能量利用率得到N倍提升。

实施方式三

本实施方式是对实施方式一所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片中所述的光电图像传感器模块2的进一步举例说明。

本实施方式所述的光电图像传感器模块2的表面制备有可匹配所述宽谱调制结构层1的感光表面，可减小入射光角度影响，增大探测视场角，并把调制后的入射光信息转变为数字电信号，所述光电传感器模块2中设置有与所述数个通道相匹配的增益控制功能，可以实现各个单独通道增益控制。

所述光电图像传感器模块2的感光区域的像素尺寸与所述宽谱调制结构单元的尺寸相匹配，其大小在1μm至10μm之间，可根据实际场景应用需求与对称C型三维宽谱调制结构层的宽谱调制单元的尺寸需求进行光电图像传感器模块匹配，并且具备不同通道增益控制功能，以及具备分行和分列N×N组自动增益与本底噪声控制功能。可通过控制增益线性调节各通道响应强度，弥补对称C型三维宽谱调制结构层在调制过程中所带来的动态范围减小现象，保证光电图像传感器动态范围较好，可通过控制增益调节光谱调制线型区域，保障各通道灰度值在合理的动态范围之内。

实施方式四

本实施方式是对实施方式一所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片中所述的光谱图像解调模块3的进一步举例说明。

本实施方式所述的光谱图像解调模块3包括图像信号处理器以及内置的光谱图像反演算法，可实现采集信息解调，最终得到目标图像信息与光谱信息。

具体地：

所述图像信号处理器具备光谱校正功能，由于可见光的频谱和半导体传感器频谱响应度之间存在差别，还有透镜等的影响，得到的光谱会存在偏差，因此必须对光谱进行校正，通常的做法是通过一个N×N的光谱变化矩阵来进行光谱校正。

所述光谱图像反演算法，根据每组N×N个通道（即N×N个对称C型三维宽谱调制结构单元）的光谱透过率，对应周期结构单元的光电图像传感器像素上的灰度值，构成N×N元一次线性方程组，求解该方程组，对整张图像做遍历，即可得到N×N个未知数，该未知数即为N×N个谱段上的强度值，对整张图像做遍历，计算出该目标N×N个谱段的光谱值，即可解调出待测目标的光谱信息。

考虑到第个光电图像传感器像素的输出信号Oi如下式所示。

其中，表示测量对象的光谱，/>表示第/>个光谱传感器相对于波长/>的透过率。乘法项/>在区间/>内具有非零分量，/>是***噪声或扰动。

对于光谱反演可以建模为一个线性方程组，矩阵形式的离散化模型可用下式表示：

求解上述方程中的X，即可得到待测目标光谱图像信息。

实施方式五

参照图7至图21说明本实施方式。

本实施方式是对实施方式一至四所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片的进一步举例说明。

图3所示的一种宽谱调制解调型光谱成像芯片，包括图2所示宽谱调制结构层1、光电图像传感器模块2以及光谱图像解调模块3。宽谱调制结构层由3×3种不同结构参数的超材料单元结构阵列构成，每个对称C型超材料结构单元对应光电图像传感器像素单元，实现逐像素光谱调制；光电图像传感器模块是根据对称C型超材料结构单元进行设计，每种通道周期结构单元进行增益参数调节，适应各个通道调制特性；光谱图像解调算法模块置于光电图像传感器底端与其相连，传输到对称C型三维宽谱调制结构上的光，经结构调制后被光电图像传感器采集生成调制图，输出至光谱图像解调算法模块，再利用光谱图像解调算法模块对采集信息进行解调，最终得到目标图像信息与光谱信息。

宽谱调制光谱图如图4所示，光电图像传感器模块选用国产BF3005型CMOS图像传感器，像素尺寸为6μm×6μm，具备分行和分列3×3组自动增益控制功能，光电图像传感器模块单独通道增益控制如图7至图15所示。可通过控制增益调节光谱调制线型区域，保障各通道灰度值在合理动态范围之内。

本实施方式中以3×3的9宫格为一组的光谱传感器，集成在光电图像传感器3×3的9个像素上。在图5中，表示测量对象的光谱，/>表示第/>个光谱传感器相对于波长/>的透过率。考虑到第/>个光谱传感器的输出信号如下式所示。

其中，乘法项在区间/>内具有非零分量，/>是***噪声。对于光谱反演可以建模为一个线性方程组，矩阵形式的离散化模型可用下式表示：

求解上述方程中的X，即可得到待测目标光谱图像信息。以24色卡成像结果作为示例，其灰度图像如图16（a）所示，多光谱图像如图16（b）所示，光谱芯片8波段成像结果如图17所示，部分色块光谱仪测试结果与芯片光谱反演结果对比如图18—图21所示，光谱匹配度大于80%。

实施方式六

本实施方式所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片的生产方法包括：

制备宽谱调制结构层、选取光电图像传感器模块以及光谱图像解调模块，并依次连接，其特征在于，所述宽谱调制结构层的制备方法包括：基片前处理、磁控溅射镀膜、离子束刻蚀结构、清洗基片、旋涂光刻胶、软烘烤、制备掩膜版、对准和曝光、去胶和硬烘、磁控溅射镀膜、对准标记点、离子束刻蚀结构、镀制保护层。

Claims (5)

1.一种宽谱调制解调型成像光谱芯片，其特征在于，所述芯片由上到下依次为：宽谱调制结构层（1）、光电图像传感器模块（2）以及光谱图像解调模块（3），所述宽谱调制结构层（1）、光电图像传感器模块（2）以及光谱图像解调模块（3）沿z轴方向依次叠加，所述宽谱调制结构层（1）由数个宽谱调制结构单元构成，所述数个宽谱调制结构单元构成N×N个通道，N的取值为3或4或5，每个通道对应一种超材料结构单元阵列，所述宽谱调制结构单元在x-z的平面视图为两个C型，且所述两个C型开口相对镜像设置，所述宽谱调制结构层（1）中的每个宽谱调制结构单元与所述光电图像传感器模块（2）中的每个像素单元一一对应，且同轴。

2.根据权利要求1所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片，其特征在于，所述宽谱调制结构单元的外框为长方体，所述长方体在x-z面为正方形，所述正方形的边长L为1μm—10μm，所述长方体沿y轴方向的宽为1μm—10μm。

3.根据权利要求2所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片，其特征在于，所述C型的入射端与出射端之间的狭缝宽度ω为0.3μm—3μm；入射端与出射端的厚度为t，C型的内壁槽深度d为0.2μm到2μm，所述C型的内壁槽的宽为h，且有：L=h+2t。

4.根据权利要求1所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片，其特征在于，所述光电图像传感器模块（2）用于采集调制经所述宽谱调制结构层（1）投射的光信号获得调制光谱信号，并将所述调制光谱信号发送给光谱图像解调模块（3）。

5.根据权利要求4所述的一种宽谱调制解调型成像光谱芯片，其特征在于，所述光谱图像解调模块（3）用于对所述调制光谱信号进行解调，得到目标图像信息与光谱信息。