光譜儀在材料分析、天文學(xué)、食品化學(xué)以及醫(yī)學(xué)診斷等許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。市場(chǎng)需求正在迅速增長(zhǎng)，但光譜儀的尺寸阻礙了其在更廣泛領(lǐng)域的普及。因此，市場(chǎng)急需高性能的緊湊型光譜儀，不斷縮小光譜傳感器尺寸已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。為了使光譜儀小型化，已經(jīng)進(jìn)行了各種嘗試，例如傳統(tǒng)的色散方法、傅里葉變換干涉技術(shù)（FTI），以及使用帶有隨機(jī)濾波器陣列和窄帶通濾波器的探測(cè)器等。

與色散和傅里葉變換干涉系統(tǒng)相比，濾波器陣列與探測(cè)器的集成，由于無(wú)需長(zhǎng)光路和光學(xué)元件的精確對(duì)準(zhǔn)來(lái)獲得高分辨率而具有優(yōu)勢(shì)。此外，將濾波器陣列與電荷耦合器件（CCD）或CMOS圖像傳感器（CIS）等探測(cè)器集成，可以通過(guò)單次捕捉二維圖像實(shí)現(xiàn)高光譜成像。特別是，與隨機(jī)濾波器方案相比，窄帶通濾波器陣列的集成無(wú)需進(jìn)行后處理分析。然而，為了獲得高分辨率需要大量的信道，意味著更復(fù)雜的制造工藝，例如蝕刻和沉積，因?yàn)槊總€(gè)信道都需要不同厚度的薄膜。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，有研究使用組合蝕刻技術(shù)來(lái)制造多信道。業(yè)界對(duì)光譜儀中使用的窄帶通濾波器的諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，但大多數(shù)研究?jī)H限于改變電介質(zhì)多層膜的厚度，以形成不同波長(zhǎng)和品質(zhì)因數(shù)的光學(xué)腔。這對(duì)于器件的大規(guī)模生產(chǎn)很麻煩，因?yàn)樗枰^(guò)多的電介質(zhì)沉積、蝕刻和光刻步驟，尤其是在像素尺寸級(jí)別的制造工藝。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，三星高級(jí)技術(shù)研究所光子器件實(shí)驗(yàn)室的Jaesoong Lee及其同事通過(guò)將被稱為超表面的亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)集成到直接位于CMOS圖像傳感器頂部的帶通濾波器陣列中，開(kāi)發(fā)出了一種緊湊型超光譜（meta-spectral）圖像傳感器。由于窄帶通濾波是通過(guò)亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)而不是通過(guò)改變層的厚度來(lái)調(diào)諧的，因此所有信道都可以通過(guò)一步光刻工藝制造。這種方案簡(jiǎn)化了制造，并且與CMOS工藝完全兼容。這種緊湊型超光譜圖像傳感器具有窄帶高效率、與相鄰信道的低串?dāng)_和高光譜分辨率。利用該器件，研究人員從波長(zhǎng)混合圖像中獲得了高光譜圖像。

超光譜圖像傳感器示意圖

超光譜圖像傳感器制造

研究人員在CMOS圖像傳感器晶圓（三星S5K4E8）上采用標(biāo)準(zhǔn)的潔凈室工藝（包括PECVD和干法蝕刻）制作了超表面帶通濾波器陣列。首先，研究人員為底部介質(zhì)反射器沉積了多層硅和二氧化硅；然后利用電子束光刻定義納米柱陣列；再使用電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕（ICP-RIE）形成納米柱陣列，并再次沉積二氧化硅以填充納米柱之間的間隙；然后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝，以平整二氧化硅頂面；最后，為頂部反射器沉積了一層由硅和二氧化硅制成的多層膜。

超光譜圖像傳感器制造過(guò)程示意圖

高光譜成像

為了驗(yàn)證演示其高光譜成像性能，研究人員拍攝了由3 x 5顆多波長(zhǎng)LED組成的LED面板的光譜圖像。每顆LED可以發(fā)射多個(gè)波長(zhǎng)的組合，這些波長(zhǎng)被選擇以顯示以下大寫(xiě)字母：770 nm顯示“S”，810 nm顯示“I”，850 nm顯示“A”，950 nm顯示“T”，如下圖（a）底部所示。

超光譜成像儀的高光譜成像演示

作為概念證明，研究人員拍攝了一張所有LED都打開(kāi)的面板照片，如上圖（b）頂部所示。圖像中的所有字母都無(wú)法區(qū)分，因?yàn)槊姘迳系乃蠰ED都已打開(kāi)。通過(guò)將這個(gè)組合圖像分成20個(gè)信道，如上圖（b）底部所示，研究人員發(fā)現(xiàn)了隱藏的“SAIT”字母。在對(duì)應(yīng)829.1 nm的信道11處，由于810 nm和850 nm LED的寬帶發(fā)射，“I”和“A”被結(jié)合在一起。對(duì)于更長(zhǎng)的波長(zhǎng)（信道12和信道13），研究人員觀察到字母“I”變得更模糊，而字母“A”變得更清晰。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究人員證實(shí)了這款超光譜圖像傳感器具有良好的光譜成像性能。

結(jié)語(yǔ)

研究人員提出了一種基于超表面濾波器陣列的緊湊型光譜圖像傳感器，并對(duì)其高光譜成像性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。直接集成在CMOS圖像傳感器上的超表面帶通濾波器陣列，可以生成高分辨率高光譜圖像，無(wú)需長(zhǎng)光路和光學(xué)元件的精確對(duì)準(zhǔn)。此外，由于與CMOS工藝完全兼容，因此它還與傳統(tǒng)手機(jī)應(yīng)用的CMOS圖像傳感器兼容，可以高可靠地應(yīng)用于各種便攜式設(shè)備。隨著進(jìn)一步的改進(jìn)，研究人員預(yù)計(jì)該器件有望開(kāi)發(fā)成為光譜成像的新平臺(tái)，開(kāi)辟生物傳感、食品檢測(cè)和移動(dòng)醫(yī)療等應(yīng)用的新時(shí)代。