本發(fā)明涉及表面等離激元技術(shù)、光學(xué)微器件制備、納米光子學(xué)及遙感探測領(lǐng)域，特別涉及一種基于表面等離激元的多通道光譜成像技術(shù)，具體地講，涉及一種利用不同工作波長的表面等離激元進(jìn)行多通道窄帶濾波的光譜成像。

背景技術(shù)：

不同于傳統(tǒng)黑白或者RGB三色成像，光譜成像可以從光譜維度上獲得若干個任意通道。光譜成像濾光片和CCD探測器結(jié)合，不僅有圖像的信息，并且可以獲得圖像上每個像素點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)，豐富了檢測結(jié)果。目前，常見的光譜成像技術(shù)包括，光柵分光、聲光可調(diào)諧濾波分光、棱鏡分光和芯片鍍膜等。但是，光柵分光、聲光可調(diào)諧濾波分光和棱鏡分光的方案，制造相當(dāng)復(fù)雜，并且結(jié)構(gòu)尺寸較大，不便于光電子器件大規(guī)模集成。

芯片鍍膜光譜成像技術(shù)具有微小尺寸，集成度高，需要利用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行制備。歐洲微電子研究中心（IMEC）利用高靈敏CCD芯片及SCMOS芯片，開發(fā)了一種高光譜成像技術(shù)。具體地講，他們在CCD探測器的像元上分別鍍上不同工作波長的濾波膜，于是不同的像元會接收到不同波長的光譜信息，實(shí)現(xiàn)光譜成像。這種光譜成像方式不需要額外的附件，降低了光譜成像設(shè)備的體積和成本。目前，IMEC提供三種光譜探測器：100波帶的線掃描探測器，32波帶的瓷磚式鍍膜探測器，16波帶以4×4為一個波段的馬賽克式鍍膜探測器。芯片鍍膜光譜成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，可以同時獲得光譜分辨率和空間分辨率，可以快速、高效地獲得光譜信息和空間信息，集成度高，成本低。缺點(diǎn)是，其光譜靈敏度較低，一般大于10 nm；而且，濾波通道越多，工藝越復(fù)雜，與CCD像元對應(yīng)的窄帶濾波單元的邊緣容易受到工序的影響，無法與像元實(shí)現(xiàn)完全匹配，性能難以保障。

1998年，Ebbesen等人在Nature上報道了在金屬薄膜上制作亞波長納米孔陣列，可以實(shí)現(xiàn)特定波長的光波的選擇性透射，這是利用了表面等離激元現(xiàn)象。表面等離激元（surface plasmon polaritons）簡稱SPPs，它是一種在金屬和介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ谋砻娌ǎ诖怪庇诮缑娴姆较蛏鲜侵笖?shù)衰減的。當(dāng)光波入射到金屬與介質(zhì)分界面時，金屬表面的自由電子集體振蕩，光波與金屬表面自由電子耦合形成一種沿著金屬表面?zhèn)鞑サ慕鼒鲭姶挪?，?dāng)表面電子的振蕩頻率與入射光波頻率一致時，發(fā)生共振，此時電磁場的能量被有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俦砻孀杂呻娮拥募w振動能。SPPs具有近場增強(qiáng)、表面受限、短波長等特性?；赟PPs的光子器件克服了光學(xué)的衍射極限，大大減小了器件的空間尺寸和電磁場的相互作用距離，其近場增強(qiáng)特性補(bǔ)償了光場能量的損失，能進(jìn)行亞波長范圍內(nèi)的光學(xué)集成。

早在20世紀(jì)70年代，人們就發(fā)現(xiàn)粗糙的金、銀、銅表面可以產(chǎn)生高強(qiáng)度的拉曼散射，增益達(dá)到10⁴~10⁵倍，此現(xiàn)象稱為表面增強(qiáng)拉曼散射，是與SPPs有關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象。SPPs還可以幫助科學(xué)家實(shí)現(xiàn)近場范圍內(nèi)操控光子。1998年，Ebbesen等人發(fā)現(xiàn)光通過金屬薄膜上的二維孔陣列時，由于表面等離激元共振增強(qiáng)效應(yīng)，光通過每一個孔的通光效率都可以大于1，且通光效率受到陣列周期、孔徑等參數(shù)的調(diào)制。繼而，他們發(fā)現(xiàn)一些特殊表面形貌的微結(jié)構(gòu)，可以在幾微米內(nèi)控制出射光束半高寬維持在半波長左右，表現(xiàn)出束流效應(yīng)。這種對光子運(yùn)動的控制，在本世紀(jì)初引起了科學(xué)界對SPPs的研究熱潮，相應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究層出不窮，得到不斷的完善。

SPPs的亞波長結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)CMOS工藝，可以做成小型化器件，具有緊湊的尺寸，方便集成，而且可以制作在柔性襯底上，在表面技術(shù)和光學(xué)集成方面有廣泛應(yīng)用。據(jù)此，我們提出了一種基于SPPs的光譜成像濾波方案。利用成熟的微納光學(xué)仿真軟件（比如FDTD Solutions），設(shè)計出對不同波長具有窄帶濾波特性的周期性微結(jié)構(gòu)，然后采用光刻、鍍膜和刻蝕技術(shù)獲得多通道光譜成像微濾光片。該技術(shù)原理清晰，制作簡單，方便使用，有望大大降低光譜成像的成本，具有很高的實(shí)用價值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：克服現(xiàn)有光譜成像技術(shù)中的不足，提供一種基于表面等離激元的光譜成像微濾光片及其制備方法，該微濾光片與CCD探測器配套使用，可以同時獲得觀測物體的光譜信息和空間信息。該微濾光片易加工、成本低、質(zhì)量輕、集成度高、可靠性高，方便使用，具有很高實(shí)用價值。

一種基于表面等離激元的光譜成像微濾光片，包括表面等離激元和襯底，表面等離激元制備在襯底上。

上述技術(shù)方案中，所述表面等離激元與CCD探測器成像單元相匹配，或者表面等離激元直接加工在CCD成像單元像素上。

上述技術(shù)方案中，所述表面等離激元包括多個表面等離激元功能單元，表面等離激元功能單元與表面等離激元功能單元之間由金屬遮光柵格隔離，金屬遮光柵格制備在襯底上，可以降低不同功能單元之間的干擾。

上述技術(shù)方案中，所述的襯底采用石英襯底或硅片襯底、柔性材料襯底。

上述技術(shù)方案中，所述表面等離激元制備襯底上采用電子束曝光、電子束蒸發(fā)鍍膜和剝離工藝加工裝備。

上述技術(shù)方案中，所述的金屬遮光柵格制備在襯底上采用紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜和剝離工藝加工制備。

一種基于表面等離激元的光譜成像微濾光片的制備方法：包括下述步驟：

（1）在石英襯底或硅片襯底、柔性材料襯底上采用紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜和剝離工藝，制作套刻標(biāo)記和表面等離激元功能單元之間的金屬遮光柵格；

（2）在金屬遮光柵格之間的襯底上采用電子束曝光、電子束蒸發(fā)鍍膜和剝離工藝，加工表面等離激元功能單元；或者采用電子束曝光和刻蝕的方法，加工表面等離激元功能單元；

（3）將上述制成的基于表面等離激元的光譜成像微濾光片與CCD探測器組裝好，使得表面等離激元功能單元與CCD探測器成像單元一一對應(yīng)。

上述技術(shù)方案中，所述表面等離激元可以采用電子束曝光、電子束蒸發(fā)鍍膜和剝離的工藝制備在襯底上，根據(jù)表面等離激元的材質(zhì)不同，如果是硅材料，可以采用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕的方法制備，如果是金屬材質(zhì)，可以采用電子束曝光和聚焦離子束刻蝕的方法制備。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體步驟是：首先，設(shè)計不同工作波長的表面等離激元微結(jié)構(gòu)，達(dá)到一定的濾波帶寬、抑止和透過率；然后，利用紫外光刻、電子束曝光、電子束蒸發(fā)鍍膜、剝離和刻蝕技術(shù)完成微濾光片的制備；最后，裝配表面等離激元微濾光片與CCD探測器，將濾光單元與成像單元一一匹配，可以實(shí)現(xiàn)多通道的光譜成像。

本發(fā)明的微濾光片包括產(chǎn)生表面等離激元的周期性微結(jié)構(gòu)和襯底，周期性微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生表面等離激元，進(jìn)而達(dá)到濾光目的的功能結(jié)構(gòu)，襯底用于支撐該功能結(jié)構(gòu)，襯底對所濾波長具有高透性。

對于具有特殊曲面結(jié)構(gòu)的成像探測器，可以將表面等離激元微結(jié)構(gòu)加工在柔性襯底上。

根據(jù)CCD探測器的像元大小和像素多少，設(shè)計制備該微濾光片，根據(jù)實(shí)際需求確定濾光通道數(shù)目，結(jié)合適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理算法，獲取多通道光譜圖像；

通過改變表面等離激元的周期、形狀、尺寸和材質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)對濾光通道的任意調(diào)節(jié)。

上述技術(shù)方案中，所采用的電子束曝光、紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜、剝離、反應(yīng)離子刻蝕、離子束刻蝕等均為本領(lǐng)域公知的成熟技術(shù)。使用上述方法所需的設(shè)備均可市購：電子束曝光系統(tǒng)可以采用德國Raith的eLINE Plus電子束曝光機(jī)；紫外光刻系統(tǒng)可以采用德國SUSS MicroTec公司的SUSS MA/BA6光刻機(jī)；電子束蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)可以采用美國Kurt J. Lesker公司的PVD 75蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)；反應(yīng)離子刻蝕機(jī)可以采用德國Sentech公司的SI 500 C系統(tǒng)；聚焦離子束刻蝕系統(tǒng)可以采用Vecco的NEXUS IBE-420i離子束蝕刻系統(tǒng)。

本發(fā)明的顯著效果及優(yōu)點(diǎn)：

（1）設(shè)計靈活，實(shí)現(xiàn)多通道窄帶濾波光譜成像；

（2）結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，成本低；

（3）結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，便于使用；

（4）可靠性高，便于維護(hù)。

附圖說明

圖1為微濾光片制備的工藝流程圖；圖1中，1是襯底，2是金屬遮光柵格，3是表面等離激元功能單元，(a)是準(zhǔn)備基片，(b)是在基片上制備遮光線，(c)是制備表面等離激元微結(jié)構(gòu)；

圖2為微濾光片一個像素單元的放大圖；圖2中，31~34是分別對應(yīng)4個特征波長的等離激元微結(jié)構(gòu)圖形；

圖3為微濾光片和CCD探測器的裝配示意圖；圖3中，4是微濾光片，5是CCD探測器，6是CCD探測器的像元。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的一種基于表面等離激元的光譜成像微濾光片，包括表面等離激元和襯底，表面等離激元制備在襯底上，所述表面等離激元與CCD探測器成像單元相匹配，所述表面等離激元包括多個表面等離激元功能單元，表面等離激元功能單元與表面等離激元功能單元之間由金屬遮光柵格隔離，金屬遮光柵格制備在襯底上，所述的襯底采用石英襯底或硅片襯底、柔性材料襯底，所述表面等離激元制備襯底上采用電子束曝光和刻蝕工藝加工裝備，所述的金屬遮光柵格制備在襯底上采用紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜和剝離工藝加工制備。

一種基于表面等離激元的光譜成像微濾光片的制備方法，包括下述步驟：

（1）在石英襯底或硅片襯底、柔性材料襯底上采用紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜和剝離工藝，制作套刻標(biāo)記和表面等離激元功能單元之間的金屬遮光柵格；

（2）在金屬遮光柵格之間的襯底上采用電子束曝光和刻蝕工藝，制作加工出表面等離激元功能單元；

（3）將上述制成的基于表面等離激元的光譜成像微濾光片與CCD探測器組裝好，使得表面等離激元功能單元與CCD探測器成像單元一一對應(yīng)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體步驟是：首先，利用FDTD Solutions軟件，設(shè)計不同工作波長的表面等離激元微結(jié)構(gòu)，達(dá)到一定的濾波帶寬、抑止和透過率；然后，利用紫外光刻、電子束曝光、離子束刻蝕技術(shù)完成微濾光片的制備；最后，裝配表面等離激元微濾光片與CCD探測器，將濾光單元與成像單元一一匹配，可以實(shí)現(xiàn)多通道的光譜成像。

本發(fā)明的基于表面等離激元的多通道光譜成像窄帶濾波片，是根據(jù)光與周期性微結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的表面等離激元效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)窄帶濾波的。

上述技術(shù)方案中，所述表面等離激元的形狀、尺寸、周期和材質(zhì)，根據(jù)濾光波長、濾光帶寬、抑止和透過率進(jìn)行設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)多通道同時濾波。

上述技術(shù)方案中，所述表面等離激元的濾光單元與CCD探測器的成像單元必須一一對應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)多通道光譜成像。

為了實(shí)現(xiàn)多通道光譜成像，可以采用如下步驟：

（1）仿真計算，設(shè)計合理的周期性微結(jié)構(gòu)；

（2）利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝加工制備微濾光片；

（3）裝配微濾光片和CCD探測器。

時域有限差分（FDTD）法是一種研究光子晶體特性的常用方法，該方法從麥克斯韋方程出發(fā)，對電磁場在空間和時間上采取交替抽樣的離散方式，使含時間變量的麥克斯韋旋度方程轉(zhuǎn)化為一組差分方程，并在時間軸上逐步推進(jìn)地求解空間電磁場。利用軟件Matlab編程仿真，或者使用軟件FDTD Solutions，可以數(shù)值模擬一定角度入射的光波透過表面等離激元微濾光片的過程，得到透射譜和電場、磁場分布。據(jù)此設(shè)計表面等離激元微濾波器，通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以研究微結(jié)構(gòu)周期、形狀、尺寸和材料各參數(shù)對濾波效果的影響，得到最優(yōu)設(shè)計方案。

完成微結(jié)構(gòu)設(shè)計后，利用光刻、鍍膜、剝離和刻蝕這些傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝進(jìn)行微濾光片的加工制作。以下通過本發(fā)明的具體實(shí)施例，結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例1：

（1）在如圖1(a)所示石英襯底上，采用紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜和剝離技術(shù)，制作套刻標(biāo)記以及濾光單元之間的遮光線，得到圖1(b)所示效果。

（2）先后采用紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜、電子束曝光和離子束刻蝕技術(shù)，在襯底上加工出金屬微納結(jié)構(gòu)。不同的濾光單元因?yàn)闉V光波長不同而具有不同的形狀尺寸。

（3）將微濾光片和CCD探測器組裝好，使得微濾光單元和CCD成像單元一一對應(yīng)（圖3）。

實(shí)施例2：

（1）在如圖1(a)所示硅片襯底上，采用紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜和剝離技術(shù)，制作套刻標(biāo)記以及濾光單元之間的遮光線，得到圖1(b)所示效果。

（2）先后采用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，在硅襯底上加工出硅的微納結(jié)構(gòu)。不同的濾光單元因?yàn)闉V光波長不同而具有不同的形狀尺寸。

（3）將微濾光片和CCD探測器組裝好，使得微濾光單元和CCD成像單元一一對應(yīng)（圖3）。

實(shí)施例3：

（1）在如圖1(a)所示柔性材料襯底上，采用紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜和剝離技術(shù)，制作套刻標(biāo)記以及濾光單元之間的遮光線，得到圖1(b)所示效果。

（2）先后采用紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜、電子束曝光和離子束刻蝕技術(shù)，在柔性材料襯底上加工出金屬微納結(jié)構(gòu)。不同的濾光單元因?yàn)闉V光波長不同而具有不同的形狀尺寸。

（3）將微濾光片和CCD探測器組裝好，使得微濾光單元和CCD成像單元一一對應(yīng)（圖3）。

上述實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案和技術(shù)構(gòu)思所做出其它各種相應(yīng)的改變、改進(jìn)和潤飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。