微型快照式光谱仪
阅读说明：本技术 微型快照式光谱仪 (Miniature snapshot type spectrometer ) 是由 林宏焘 马耀光 李兰 戴浩 李钧颖 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微型快照式光谱仪,所述光谱仪包括自上而下依次设置的角度滤波器、光谱选择层、感光面和读取电路。本发明利用高深宽比光阑阵列实现宽频谱角度滤光功能,构建微纳结构或带隙及折射率可调薄膜在同一平面内实现特定光谱透过。利用感光面将不同光谱选择层的透过光转换成光电流信号,并通过读取电路或外部处理电路对感光面采集的光电流信号进行处理并输出。本发明可实现超小尺寸的快照式光谱仪,从而实现高精度,大光谱范围的光谱分析,而且能够适合各个波段,从而满足不同光谱分析需求。(The invention discloses a miniature snapshot type spectrometer which comprises an angle filter, a spectrum selection layer, a photosensitive surface and a reading circuit which are sequentially arranged from top to bottom. The invention realizes the wide-spectrum angle filtering function by utilizing the high aspect ratio diaphragm array, and constructs a micro-nano structure or a film with adjustable band gap and refractive index to realize specific spectrum transmission in the same plane. The light-sensitive surface is used for converting the transmitted light of different spectrum selection layers into photocurrent signals, and the photocurrent signals collected by the light-sensitive surface are processed and output by a reading circuit or an external processing circuit. The invention can realize the snap-shot spectrometer with ultra-small size, thereby realizing the spectral analysis with high precision and large spectral range, and being suitable for each wave band, thereby meeting the requirements of different spectral analysis.)
技术领域
本发明涉及光谱分析装置，尤其涉及一种微型快照式光谱仪，该光谱仪针对智能物联网及手机终端、显示器等所需超小尺寸光谱仪。
背景技术
光谱分析在食品，生物成分检测，环境监测等方面有非常广泛的应用，除了进一步提高光谱分析分辨率和光谱范围，目前对器件的小型化和高集成方面也提出了更高的要求，如与智能手机，无人机和可穿戴设备的结合，以及高光谱成像等。
利用传统的光谱分析方法很难实现像素级的光谱仪。传统的光谱分析一般是通过色散分光(如光栅，阵列波导)，滤光片，傅里叶变换等方式实现。分光型是基于光程差分光，虽然分辨率通常可以很高，但其分辨率会很大程度上受制于器件尺寸大小，尺寸越小，光程差越小，分辨率越低；滤光片型通常是基于一系列窄带滤波片对光谱信息进行采样，虽然不需要空间光程差累积，但需要阵列式来满足一定光谱范围的要求，同时滤波器的带宽限制了光谱分辨率；而傅里叶型光谱仪虽然可以用单点探测器代替阵列，但需要在时间尺度上进行扫描，降低了时间分辨率。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有角度滤波功能的微型快照式光谱仪。利用半导体微纳工艺可以制备出需要的光谱选择层以及角度滤光器，通过同感光面及读取电路的共封装集成，实现超小尺寸快照式光谱仪模组。利用高深宽比的光阑阵列实现宽频谱角度滤光功能，构建微纳结构或带隙及折射率可调薄膜在同一平面内实现特定光谱透过。利用感光面将不同光谱选择层的透过光转换成电信号，并通过读取电路或外部处理电路将感光面采集的电信号处理转化成光谱信息。同时利用半导体工艺精密加工封装模组夹具，实现自恰式精确封装对准，极大降低封装难度、时间及成本。该微型快照式光谱仪具有极小的体积及功耗，并且通过角度滤光结构实现降噪，利于批量制备及同各种消费电子产品集成，为智能显示，照明等提供环境光谱信息。
本发明的技术方案如下：
一种微型快照式光谱仪，整体结构由角度滤波器，光谱选择层，感光面和读取电路自上而下集成而成。
所述的角度滤波器集成于光谱选择层正上方，角度滤波器上设有光阑阵列，用于遮挡非垂直入射部分的光，从而实现角度滤波的作用。
所述的光谱选择层由对各个波段具有不同透过光谱的微纳结构薄膜构成。角度滤波器的光阑阵列的通孔位置区域和下方光谱选择层的微纳结构区域一一对应。
所述的感光面用于对光谱选择层选取波段的透射光产生光电流响应。感光面包括但不限于硅基传感器、碲镉汞类传感器、化合物半导体传感器、量子点传感器、锗传感器等。
所述的读取电路用于对感光面的光电流信号进行处理并输出。
上述技术方案中，进一步地，所述的角度滤波器厚度可以为50～1000um，由多个高深宽比通孔构成，材料可以为单晶硅或者金属等，和下方光谱选择层阵列的微纳结构区域一一对应，通孔形状可以为圆孔、方孔等各种形状，通孔的深度大于截面圆的直径或者多边形的边长及对角线长。
进一步地，所述的光谱选择层由上层的选择波段透明介质基底(SiO2、硫系玻璃等)和下层具有不同微纳结构的光谱选择性薄膜构成，光谱选择性薄膜的材料包括氮化硅、非晶硅、氧化钛，以及各类硫系材料等。
进一步地，所述的光谱选择层的微纳结构区域可以用三种不同的方式实现。首先，可以采用优化设计得到线性不相关的微纳光谱选择性结构，包括但不限于光子晶体、超表面等的结构阵列；其次，可以采用多层膜、非均匀薄膜等方法实现不同光谱/颜色特性的滤波器，通过控制薄膜的厚度实现不同的光谱响应；同样的，也可以采用渐变带隙材料或折射率可调的相变材料产生不同的光谱响应特性。
进一步地，所述的光谱选择层是紧紧粘贴在感光面上面，也可以同时集成多个感光面形成像素级光谱仪，实现高光谱成像功能。
进一步地，所述的感光面其中CMOS区域一上方正对着光谱选择层的微纳结构，CMOS区域二上方没有任何结构，用以作为光照探测的参考值；
进一步地，通过读取电路可以得到经过不同微纳结构光谱选择层下感光面信号响应的强度结果S(n)，结合事先标定好的各个阵列区域的透射特征光谱A(λ,n)，计算得到最终的复原入射光谱结果。
本发明的发明原理为：
本发明提出的微型光谱仪基于光谱重构的原理，通过对光谱选择结构的光谱进行标定，来复原入射光谱的信息。
在性能方面，传统光栅型光谱仪尺寸大、光路复杂，且抗震及可靠性差、价格昂贵，无法批量生产满足大规模部署需求；本发明可以达到更高精度、更大光谱范围和更高集成度，同时光谱采集速度更快，可以实现单帧时间的光谱输出。另外，此种光谱选择结构的设计原理不受波长限制，可以很容易应用到可见到中远红外任意波段。
同时，现有类似的微型光谱仪(如文献DOI:10.1038/s41467-019-08994-5和专利CN211122509U)仍旧存在探测角度敏感、对非垂直入射光谱的复原能力差、信噪比不高等问题；本发明提出了解决角度选择问题的方法，通过滤除其他大角度入射光的干扰，从而能够提高信噪比。
在制备方面，现有类似的薄膜型快照光谱仪(如文献DOI:10.1038/s41377-021-00545-2)采用多种角度/厚度热蒸发TiO2/SiO2的镀膜工艺也可以制备出具有类似光谱选择作用的滤波片阵列，但是其工艺复杂且CMOS工艺不兼容，成本较高且难以大规模制备；本发明中通过微纳工艺能够实现多种光谱选择性结构的单片单步集成，与CMOS工艺兼容，具有大规模制备的能力；能够进一步同感光面集成，实现光信号转电信号后，使用电路对电信号进行读取并处理，最终输出光谱信号并供后续应用使用。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1)传统光谱仪尺寸大，且光路复杂，抗震及可靠性差，价格昂贵。本发明可实现超小尺寸的快照式光谱仪，从而实现高精度，大光谱范围的光谱分析，而且该方案能够适合各个波段，从而满足不同光谱分析需求。
2)相比于传统光谱仪，本发明利用半导体技术将光谱仪所有关键器件一体化，利用半导体工艺实现光谱选择结构同探测阵列相对位置的微米级定位，将光谱仪实现全集成，极大的降低了封装组件互相对位难度，从而极大降低了封装时间及成本。
3)相比于类似的微型快照式光谱仪，本发明利用高深宽比孔洞阵列或光阑阵列实现宽频谱角度滤光功能，从而使得入射角为10°以内的光能够通过光谱选择层到达感光面，从而实现光谱探测过程中的降噪功能。
附图说明
以下对本发明或者实施例中使用的附图作出简单的介绍。
图1是实施例一/二的微型快照光谱仪的结构示意图；
图2是实施例一/二中角度滤波器(剖视)和光谱选择层对准封装后的示意图；
图3是实施例一/二中的光谱选择层的结构示意图；
图4是实施例一/二中的光谱重构的过程示意图。
其中，1、角度滤波器；2、光谱选择层；3、感光面；4、读取电路；5、CMOS区域一；6、CMOS区域二；7、高深宽比光阑阵列结构；8、微纳结构；9、选择波段透明介质基底；10、光子晶体阵列；11、超表面阵列；12、光谱/颜色滤波器的光谱选择层；13、可调相变材料的光谱选择层；14、像素级光谱仪；15、复原入射光谱。
具体实施方式
如图1为本发明的微型快照光谱仪，自上而下由角度滤波器1，光谱选择层2，感光面3和读取电路4集成而成，其中角度滤波器1(如图2)集成于光谱选择层2上方，角度滤波器1上设有高深宽比光阑阵列7，用于遮挡非垂直入射部分的光。光谱选择层2由对各个波段具有不同透过光谱的微纳结构构成(如图2)。感光面3可以为硅基传感器、碲镉汞类传感器、化合物半导体传感器、量子点传感器、锗传感器等，用于对光谱选择层2选取波段的透射光产生光电流响应，其中CMOS区域一5上方正对着光谱选择层的微纳结构，CMOS区域二6上方没有任何结构，仅用以作为光照参考值。读取电路4用于将感光面3的信号进行处理并转换成图片输出。其中角度滤波器1的通孔位置区域和下方光谱选择层2的微纳结构8区域一一对应，光谱选择层2紧贴于感光面3表面，由光子晶体阵列10或者超表面阵列11构成，读取电路4和感光面3构成具有照相功能的成像模块。
在图2中，光谱选择层2由上层的选择波段透明介质基底9(SiO2、硫系玻璃等)和下层具有不同微纳结构8的光谱选择性薄膜构成，光谱选择性薄膜的材料可包括氮化硅、非晶硅、氧化钛，以及各类硫系材料等。光谱选择层2的上方为角度滤波器1，光谱选择层的厚度大于200um，角度滤波器1由高深宽比光阑阵列7构成，材料可以为单晶硅或者金属等，和下方的光谱选择层的微纳结构8一一对应，通孔形状可以为圆孔、方孔等各种形状。
在图3中，光谱选择层2的微纳结构8可以用三种不同的方式实现：1)采用优化设计得到线性不相关的微纳结构，包括但不限于光子晶体阵列10、超表面阵列11等结构阵列；
2)可以采用多层膜、非均匀薄膜得到光谱/颜色滤波器的光谱选择层12，通过控制多层膜的厚度实现不同的光谱响应；3)可以采用折射率可调的相变材料得到可调相变材料(如GST、GSST等)的光谱选择层13，从而产生不同的光谱响应特性。光谱选择层2紧紧粘贴在感光面3上，可以集成多个感光面3形成像素级光谱仪14，实现高光谱成像功能。
在图4中，通过读取电路4可以得到经过具有不同微纳结构的光谱选择层2下感光面3信号响应的强度结果S(n)，结合事先标定好的各个阵列区域的透射特征光谱A(λ,n)，利用重构算法可以得到最终的复原入射光谱15。
实施例1
角度滤波器1基板材料是单晶硅圆，厚度约1mm，通过深硅刻蚀生成圆形通孔阵列，通孔周期20μm，直径16μm，实现对入射光～1°以内的角度选择；
光谱选择层2的选择波段透明介质基底9是0.3mm厚的石英晶圆。在其背部沉积约500nm厚的GSS薄膜，利用光刻的工艺将36个具有不同周期和透射光谱的微纳结构8，光子晶体阵列10生成在光刻胶上，并通过干法刻蚀的工艺将结构转移到GSS薄膜层生成纳米孔结构，目标光谱响应范围为450～750nm。光子晶体纳米孔的周期300～600nm，直径100～300nm，两个周期方向夹角为30°～90°，结构的尺寸约16um。每组不同的光子晶体纳米孔间距20um，与上层角度滤波器1的通孔结构周期相对应。
感光面3为1.3M像素的黑白CMOS传感器，光谱响应范围约为350～800nm，获取透过光谱选择层2中光子晶体纳米孔阵列的光产生电流响应。
读取电路4包含各种信号处理的集成单板，并将感光面3中CMOS传感器阵面上的电流响应处理并输出。
光谱选择层2的每组光子晶体纳米孔都与角度滤波器1中的圆形通孔一一对应(图2)，保证透过角度滤波器1中的入射光能打到光谱选择层2的光子晶体纳米孔上。光谱选择层2中所有的光子晶体结构都落在感光面3传感器阵面的CMOS区域一5上，且感光面3的CMOS区域二6上方没有任何结构，可用于检测入射光信号的基准。光谱选择层2中36个光子晶体纳米孔阵列构成单像素微型光谱薄膜，通过重复相同的阵列组构成高光谱成像阵列薄膜(图3)。
对光子晶体纳米孔阵列的透过光谱进行标定，获得550～750nm下的标准透射光谱矩阵。通过对光谱选择层2中每组光子晶体成像的照片进行边缘获取和灰度提取，从而计算出光子晶体下CMOS传感器的电流响应值，并基于测得的光子晶体纳米孔标准透射光谱矩阵，通过算法重构出入射光的目标光谱结果。
通过对光子晶体结构参数的优化设计和CMOS传感器的选择，该架构可以符合550～750nm波段的光谱仪设计。
实施例2
角度滤波器1的基板材料是金属Al，厚度约5mm，通过湿法腐蚀的方法生成圆形通孔阵列，通孔周期100μm，直径80μm，实现对入射光～1°以内的角度选择；
光谱选择层2的选择波段透明介质基底9是0.5mm厚的CaF2衬底。在其背部沉积约1μm厚的GSST薄膜，利用紫外光刻的工艺将36个具有不同形状和透射光谱的微纳结构8，超表面阵列11生成在光刻胶上，并通过干法刻蚀的工艺将结构转移到GSST薄膜层生成超表面结构，目标光谱响应范围为3.5～5μm。超表面结构的周期2μm，结构的尺寸约80um。每组不同的超表面间距100um，与上层角度滤波器1的通孔结构周期相对应。
感光面3为碲化铅(PbTe)中红外传感器，光谱响应范围约为3.5～5μm，获取透过光谱选择层2中超表面阵列的光产生电流响应。
读取电路4作用于感光面3，读取电路4包含各种信号处理的集成单板，并将感光面3中CMOS传感器阵面上的电流响应处理并输出。
光谱选择层2的每组超表面结构都与角度滤波器1中的圆形通孔一一对应(图2)，保证透过角度滤波器1中的入射光能打到光谱选择层2的超表面结构上。光谱选择层2中所有的超表面结构都落在感光面3传感器阵面的结构5区域上，且感光面3的部分区域6上方没有任何结构，可用于检测入射光信号的基准。光谱选择层2中36个超表面结构阵列构成单像素微型光谱薄膜，通过重复相同的阵列组构成高光谱成像阵列薄膜(图3)。
对超表面结构阵列的透过光谱进行标定，获得3.5～5μm下的标准透射光谱矩阵。通过对光谱选择层2中每组超表面结构成像的照片进行边缘获取和灰度提取，从而计算出超表面结构下CMOS传感器的电流响应值，并基于测得的超表面结构标准透射光谱矩阵，通过算法重构出入射光的目标光谱结果。
通过对超表面结构参数的优化设计和CMOS传感器的选择，该架构可以符合3.5～5μm波段的光谱仪设计。
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