本發(fā)明涉及一種基于超表面窄帶濾光的多光譜芯片，尤其涉及一種基于金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振和表面等離子體激元局域增強(qiáng)透射效應(yīng)窄帶濾光的光譜芯片及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

背景技術(shù)：

超表面窄帶濾光是一種基于金屬納米結(jié)構(gòu)表面等離子體共振和表面等離激元子局域增強(qiáng)透射效應(yīng)的干涉濾光片，即在單一平面上改變金屬納米結(jié)構(gòu)陣列的尺寸和周期從而調(diào)整其濾光屬性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像的光譜進(jìn)行精細(xì)的波長(zhǎng)選擇，精確捕獲目標(biāo)光譜紋理的圖譜曲線，從而獲得有價(jià)值的物體屬性信息。光譜芯片作為一種常用圖像傳感器，在物質(zhì)成分研究、食品安全檢查、藥物制備、醫(yī)學(xué)病例分析、廢舊物分揀、回收等科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的光學(xué)濾光片有兩種工作模式，一種是基于顏色染劑的化學(xué)方法，另一種是法布里-珀羅干涉濾光的物理方法。化學(xué)方法利用特定顏色的染色劑可以吸收特定波長(zhǎng)的特點(diǎn)，達(dá)到濾取特定波長(zhǎng)的目的，這種濾光片主要應(yīng)用在顯示系統(tǒng)如液晶顯示器中。其缺點(diǎn)是染色劑在長(zhǎng)期受到光照射后，會(huì)發(fā)生褪色或者變質(zhì)從而導(dǎo)致濾光效能退化的情況。而采用物理方法的法布里-珀羅干涉濾光器件，主要包括全介質(zhì)濾光片和金屬干涉濾光片。前一種是通過(guò)改變膜層材料以及膜層數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)濾光屬性，后者則是通過(guò)改變金屬層中的介質(zhì)厚度來(lái)調(diào)節(jié)濾光波長(zhǎng)，且透射率較低。兩種濾光設(shè)計(jì)均采用了多光束干涉濾光原理，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)多光譜濾光時(shí)，由于要針對(duì)某一特定波長(zhǎng)則需要選取特定的膜層厚度或者膜層數(shù)量，因而需要在同一芯片上實(shí)現(xiàn)不同膜厚的濾光單元陣列的制備，其工藝實(shí)現(xiàn)難度很大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種基于超表面窄帶濾光的光譜芯片，在面陣COMS或CCD圖像傳感器表面上制備超表面結(jié)構(gòu)，通過(guò)金屬超表面結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振和表面等離子體激元局域增強(qiáng)透射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)窄帶濾光，其次通過(guò)不同濾光單元組合和信息提取方式可實(shí)現(xiàn)兩種物體圖譜信息的獲取。所有的濾光單元可在同一厚度膜層上制備，工藝實(shí)現(xiàn)上更加容易，并且濾光性能好。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種基于超表面窄帶濾光的多光譜芯片，其特殊之處在于：包括面陣圖像傳感器和超表面結(jié)構(gòu)濾光片陣列，上述超表面結(jié)構(gòu)濾光片陣列包括兩層納米膜鈍化層及位于兩層納米膜鈍化層之間的金屬納米孔周期陣列結(jié)構(gòu)；上述超表面結(jié)構(gòu)濾光片陣列位于面陣圖像傳感器上；

上述金屬納米孔周期陣列結(jié)構(gòu)包括金屬介質(zhì)膜層，上述金屬介質(zhì)膜層上具有不同尺寸的周期性納米孔陣列。

根據(jù)超表面結(jié)構(gòu)濾光片組成原理，圖像信息中特定波長(zhǎng)的光在特定周期性金屬納米結(jié)構(gòu)單元表面激發(fā)表面等離子體激元發(fā)生共振和增強(qiáng)透射并且被CMOS或CCD圖像傳感器接收，而其它波長(zhǎng)的光則被反射不能透過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)在圖像傳感器上對(duì)物體圖譜信息的獲取。

當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)為多孔徑復(fù)眼成像系統(tǒng)，上述周期性納米孔陣列包括多個(gè)濾光區(qū)域，每個(gè)濾光區(qū)域?qū)?yīng)圖像傳感器的多個(gè)像元，每個(gè)濾光區(qū)域包括孔徑和周期相同的金屬納米孔陣列，不同濾光區(qū)域金屬納米孔陣列的孔徑和周期不同；圖像傳感器直接接收不同濾光區(qū)域的圖像信號(hào)，獲取多幅連續(xù)或離散譜段上的物體圖像信息。

當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)為常規(guī)的單孔徑光學(xué)系統(tǒng)，上述金屬納米孔周期陣列結(jié)構(gòu)包括N個(gè)相同的濾光區(qū)域，每一個(gè)濾光區(qū)域包括M種不同孔徑和周期的金屬納米孔陣列，每種金屬納米孔陣列視為一個(gè)濾光片單元，上述濾光片單元的大小與圖像傳感器像元大小相同。圖像傳感器面陣將直接接收到的濾波片上不同區(qū)域的圖像信號(hào)進(jìn)行收集，從而獲取一幅具有高光譜分辨率的完整圖像信息。

上述兩層納米膜鈍化層的厚度相等。

本發(fā)明還提供了一種制備上述的基于超表面窄帶濾光的多光譜芯片的方法，首先在圖像傳感器面陣上沉積二氧化硅納米膜鈍化層；其次在該膜層表面生長(zhǎng)金屬納米薄膜，并利用納米加工方法在金屬納米薄膜上制備周期性納米孔陣列結(jié)構(gòu)；最后在金屬納米孔陣列表面再沉積一層二氧化硅納米膜鈍化保護(hù)層。

上述特定周期的金屬納米孔陣列只對(duì)圖像特定波長(zhǎng)光信號(hào)進(jìn)行選擇透射，其主要依賴于金屬表面等離子體激元的激發(fā)。通常在一定波長(zhǎng)的入射光下，金屬表面等離子體激元的波矢量為，

其中ω為入射光角頻率，λ為入射光的波長(zhǎng)，ε_m(ω)，ε_d(ω)分別為金屬層與鈍化層的介電常數(shù)。而入射光在超表面結(jié)構(gòu)衍射的波矢量為k(a,b)，其中a，b是與金屬納米孔陣列排布方式以及具體結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的量。當(dāng)相位匹配條件k(a,b)＝k_sp(ω)得以滿足時(shí)有，

從上式中可以注意到通過(guò)改變a，b的參數(shù)可以對(duì)激發(fā)等離子體激元的入射光波長(zhǎng)的透射進(jìn)行選擇，而超表面結(jié)構(gòu)濾光片部分正是依據(jù)對(duì)于金屬納米結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)控達(dá)到濾光選擇，從而實(shí)現(xiàn)圖像的多光譜信息獲取功能。

基于超表面結(jié)構(gòu)原理的濾光片，其透射光譜仍然具有高斯分布輪廓，而通過(guò)精確調(diào)控超表面結(jié)構(gòu)中金屬納米孔陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其光譜強(qiáng)度分布的半高全寬(FWHM)有效壓縮，達(dá)到高分辨率光譜窄帶濾光的目的。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明通過(guò)在同一厚度金屬介質(zhì)膜層上制備不同尺寸的周期性納米結(jié)構(gòu)陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像在多光譜譜段上的窄帶濾光；

2.本發(fā)明適用于更精細(xì)的圖譜信息采集，在圖像傳感器表面制備金屬納米周期性結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)面陣多光譜芯片，在工藝上更易于實(shí)現(xiàn)，并具有廣泛的適用性。

附圖說(shuō)明

圖1為超表面濾光多光譜芯片結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為超表面結(jié)構(gòu)濾光片陣列示意圖。

圖3為局域重復(fù)單元組合分布的面陣多光譜芯片原理示意圖。

圖4為局域非重復(fù)單元組合分布的面陣多光譜芯片原理示意圖。

圖中附圖標(biāo)記為：1-鈍化層，2-金屬納米孔周期陣列結(jié)構(gòu)，3-圖像傳感器。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明提出了一種基于超表面窄帶濾光的面陣多光譜芯片，通過(guò)在面陣COMS圖像傳感器表面制備超表面結(jié)構(gòu)，即金屬納米結(jié)構(gòu)，利用金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離子激元效應(yīng)實(shí)現(xiàn)窄帶濾光，進(jìn)而捕獲目標(biāo)物體更精確詳細(xì)的圖譜紋理信息。

如圖1所示，本發(fā)明光譜芯片主要由面陣圖像傳感器和超表面結(jié)構(gòu)濾光片陣列組成。超表面結(jié)構(gòu)濾光片主要由納米膜鈍化層、金屬納米孔周期陣列結(jié)構(gòu)、納米膜鈍化層三部分組成。目標(biāo)物體的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭后在超表面結(jié)構(gòu)濾光片表面呈現(xiàn)圖像信息。

本發(fā)明通過(guò)改變超表面結(jié)構(gòu)濾光片中金屬納米孔陣列的排列方式和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定，將會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像信息中特定波長(zhǎng)信號(hào)的選擇接收。

將超表面結(jié)構(gòu)濾光單元按照一定排布規(guī)則制作在同一圖像傳感器表面，形成面陣型的多光譜芯片，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體圖像的多光譜信息獲取。

如圖2所示，通過(guò)下述方法制備本發(fā)明的光譜芯片，首先在COMS圖像傳感器面陣上沉積厚度為d₁的二氧化硅納米膜鈍化層，其次在該膜層表面生長(zhǎng)厚度為d₂的金屬納米薄膜，并利用納米加工方法在其上制備周期性納米孔陣列結(jié)構(gòu)，納米孔直徑為D，周期為P。最后在金屬納米孔陣列表面再沉積一層厚度為d₁的二氧化硅納米膜鈍化保護(hù)層。

如圖3所示，超表面結(jié)構(gòu)濾光片的分布形式為局域單元重復(fù)組合，這里根據(jù)圖譜信息提取方式將光譜芯片表面分為n個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)圖像傳感器多個(gè)像元。將各區(qū)域標(biāo)記為A₁，A₂，A₃……A_n，各區(qū)域里面金屬納米孔陣列的孔徑和周期相同，不同區(qū)域金屬納米孔陣列的孔徑和周期又各不相同，孔徑分別為D₁，D₂……D_n，周期分別為P₁，P₂……P_n。與這種光譜芯片配套的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)為多孔徑復(fù)眼成像系統(tǒng)，物體經(jīng)過(guò)多孔徑復(fù)眼透鏡陣列成像后得到多個(gè)重復(fù)的相同圖像信號(hào)，每個(gè)圖像落在不同的超表面結(jié)構(gòu)濾波片區(qū)域A_n上。如先前技術(shù)解決方案所述，基于金屬表面等離子激元效應(yīng)，不同的金屬納米孔陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)和排列方式會(huì)對(duì)入射光透射波長(zhǎng)具有選擇作用，因此通過(guò)改變金屬納米結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以保證在不同的超表面結(jié)構(gòu)濾光片區(qū)域A_n選擇透過(guò)對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)λ_n，從而可以實(shí)現(xiàn)在連續(xù)或離散譜段上波長(zhǎng)光的選擇透過(guò)。當(dāng)光透過(guò)濾光片的納米孔陣列之后，圖像傳感器將直接接收不同濾光區(qū)域的圖像信號(hào)，以獲取多幅連續(xù)或離散譜段上的物體圖像信息。

如圖4所示，超表面結(jié)構(gòu)濾光片陣列的分布形式還可以為局域非重復(fù)單元組合，這里每個(gè)濾光片單元大小與圖像傳感器像元大小相同，多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的像元級(jí)濾光片單元組成一個(gè)區(qū)域，而整個(gè)光譜芯片上有這些區(qū)域在二維方向重復(fù)組成。將各區(qū)域標(biāo)記為B₁，B₂，B₃……B_n，每一區(qū)域由M種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的金屬納米孔陣列組成，每種金屬納米孔陣列即一個(gè)濾光片單元，其納米孔徑大小為D₁，D₂……D_M，周期大小為P₁，P₂……P_M，相應(yīng)的透射波長(zhǎng)為λ₁，λ₂，λ₃……λ_M。這里與其匹配的光學(xué)系統(tǒng)為常規(guī)的單孔徑光學(xué)系統(tǒng)。目標(biāo)物體經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)所成的圖像入射到超表面結(jié)構(gòu)上后，超表面結(jié)構(gòu)濾光片上的B_n區(qū)域?qū)⒉东@到目標(biāo)圖像一部分結(jié)構(gòu)的信息，而每個(gè)區(qū)域中(D_M，P_M)決定了目標(biāo)圖像部分結(jié)構(gòu)的信號(hào)中只有特定波長(zhǎng)λ_M的光可以透過(guò)，圖像傳感器面陣將直接接收到的濾波片上不同區(qū)域的圖像信號(hào)進(jìn)行收集，從而獲取一幅具有高光譜分辨率的完整圖像信息。

本發(fā)明旨在通過(guò)采用超表面結(jié)構(gòu)濾光片的原理實(shí)現(xiàn)面陣多光譜芯片，獲取物體的多光譜圖像信息。通過(guò)精確調(diào)控超表面結(jié)構(gòu)中金屬納米孔陣列的參數(shù)，可以使特定透射譜段的光譜半高全寬(FWHM)得以有效壓縮，實(shí)現(xiàn)高分辨率光譜窄帶濾光的目的。