基于超构表面的时域分光光谱成像芯片的制作方法

1.本发明涉及一种基于超构表面的时域分光光谱成像芯片，属于光谱成像技术领域。


背景技术：

2.光谱成像仪是将光谱特征以及空间图像信息相结合的设备，当中的核心技术就是光谱成像技术，其主要作用就是将物质吸收或发射出的成分复杂的光进行空间分光、调制处理或者计算近似等，来还原入射光的光谱信息，在无损的基础上对物质的组成成分和相对含量进行分析。光谱成像仪通常由光学部分与控制显示部分所组成，其中光学部分决定了光谱成像仪的光学性能(如光谱分辨率、光谱灵敏度、成像效率等)，根据光学系统对光的重构原理可以将多光谱成像仪分为三大类：色散型光谱成像仪、滤波型光谱成像仪以及调制型光谱成像仪。
3.色散型光谱成像仪是利用色散元件如棱镜、衍射光栅，把光信号在空间上按波长分散为多条光束并聚焦在光电探测器上；调制型多光谱成像仪则是利用调制原理(如傅里叶变换)的圆孔进光的非空间分光。这两种多光谱成像仪都面临着重量大、体积大的缺点，为了适应当前设备轻量化、微型化的特点，使用滤波器作为分光元件可以实现与光电探测器在垂直维度上的堆叠，大大减小光学系统的重量及体积，并且实现了光谱和空间图像区域的连续取样。而对于滤波器的选择，目前绝大部分的滤波器可以大致分为两种：平面分布的多通道窄带滤波器，以及平面分布的多通道宽带滤波器，并可以将他们统称为空分滤波分光滤波方法，前者与色散分光的重构方法类似，后者是利用基于压缩感知等算法进行计算近似重构光谱。两者相比较，利用窄带滤波器的重构方法需要对滤波器的滤波性能(如半峰宽、滤波效率等)要求非常高；利用宽带滤波器的重构方法可以对宽带滤波器有较为宽松的要求，但对算法优化的要求非常高，但无论是窄带滤波还是宽带滤波都是基于空分滤波分光方法，必须通过增加滤波通道来增加重构光谱的精度，意味着在增强光谱成像性能的同时需要增加平面尺寸而牺牲了光谱成像仪的轻便性。
4.本发明提出一种新的滤波性光谱成像芯片技术——基于超构表面的时分滤波分光光谱成像芯片。新的超构表面通过亚波长厚度的薄层结构可以进行光的调控，基于米氏共振理论利用介质超构表面实现的滤波器克服了高损耗、低效率的缺点，并且可以通过改变亚波长结构的尺寸实现波长选择功能，把不同尺寸的亚波长结构在小幅面范围内阵列，实现在单个芯片上的宽波段范围内的窄波长滤波。在此基础上，时分滤波方式是通过在滤波器(如刚才所说的超构表面滤波器)上集成相变材料、液晶材料等折射率可变材料，充分利用时间维度，通过电控手段实现滤波波峰的时间动态变化，而无需通过调整并阵列亚波长结构的方法进行多通道的滤波，意味着我们可以仅用单通道的滤波器即可以实现极小面积上的光谱成像功能。将超构表面与相变材料相结合实现的时分滤波方法，既在三维尺寸上是实现极致的缩减，又可以实现高质量的光谱重构且无需高难度的计算优化算法，对于光谱成像仪性能、体积、重量、简易性上无疑是最好的选择。
5.空分窄带滤波分光方法局限于在二维平面上布置多个窄带滤波通道来提高重构光谱的性能(如光谱分辨率、重构精度等)，因此不可避免地需要占用相对较大的面积。同时利用窄带滤波实现的光谱重建对于窄带滤波的性能要求非常高，例如波峰精准、半峰宽小、效率高等。对于窄带滤波的超构表面而言，微纳制造技术制备高精度、稳定的微纳结构是相对困难的，而布置多通道的窄带滤波片无疑于增加微纳结构制备的难度。
6.空分宽带滤波分光方法为一个将超构表面宽带滤波器与压缩感知算法相结合的空分宽带滤波光谱仪，其核心方法是利用无规律的宽带频谱作为压缩感知算法的亚取样过程，以预设光谱hi(λ)作为观察矩阵，cmos获取的强度信号i
i
作为观察值，通过下式
[0007][0008]
最终计算可以得出待测光谱f(λ)。这种方法可以在较少滤波通道n的情况下获得较高分辨率(即m较大)的还原光谱。
[0009]
与空分窄带滤波分光方法一样，空分宽带滤波分光虽然无需高质量的滤波性能，可以用过计算方法弥补光学性能的差距，并且无需太多的通道即可实现相对于窄带滤波方法的高分辨率的高精度光谱重构，但总体而言，性能依然受限于滤波通道的数量，因此还是需要占用相对较大的平面面积。同时利用计算方法重构光谱需要对算法进行优化来弥补光学性能的不足，因此这种技术依旧存在缺陷。tiabc＝(超表面or超构表面ormetasurface)and tiabc＝(可变折射率or折射率可变or相变材料or液晶材料)；tiabc＝(超表面or超构表面ormetasurface)and tiabc＝(可变折射率or折射率可变or变材料or液晶材料)滤波。


技术实现要素：

[0010]
本发明将超构表面与折射率可变材料相结合，实现可以动态调节的超构表面滤波器，作为光谱成像芯片的核心元件，可以充分利用时间维度，使一个动态滤波片可以在不同时刻分别拥有多个不同的静态滤波片的光谱特性，将提高频域光谱分辨率的手段从增加滤波片数量转化为增加测量次数(折射率改变次数)，实现了滤波片数量的压缩，让同时获得优秀的光谱频域分辨率和成像空间分辨率成为可能。
[0011]
本发明的目的是优化滤波型光谱成像仪的不足，绝大部分的滤波型光谱成像仪是基于空间分布的滤波器，本发明打破了固有的方法模型，利用折射率可变材料与超构表面技术的动态可调超构表面代替传统滤波器，大大减少了传统滤波器的体积和重量，与超构表面技术的结合，可以实现高性能、体积小、重量轻、工艺简单、算法需求小的光谱成像芯片。
[0012]
时域分光光谱成像芯片主要由以下5种构件组成。分别依次是cmos图像处理器1、超构表面基底2、ito导电层ⅰ3、动态超构表面结构4、ito导电层ⅱ5。超构表面基地2为高透过率的石英基底，ito导电层ⅰ为百纳米级别的ito沉积在石英基地上作为导电层与固定层作用。动态超构表面结构4主要由两个部分所组成：第一个部分是超构表面结构，由亚波长尺度的阵列结构所组成，材料为全介电介质如二氧化钛，其单元结构参数、形状及周期可用于调控光谱性能，第二个部分是折射率可变层，常见的为液晶材料等，通过液晶封装工艺，将超构表面与液晶层相结合，组成动态超构表面结构。ito导电层ⅱ基本结构与材料与ito
导电层ⅰ3相同，主要用于导电及分固定层、间隔层等。
[0013]
如图1所示为时域分光光谱成像芯片的结构示意图，本发明将由原理方案、芯片结构及集成方法两大部分组成。
[0014]
超构表面是一种以亚波长尺度结构组成的超平、超薄、超轻的新型光学元件。以米氏共振理论作为指导理论，介电纳米结构在可见光波段范围内能激发出更强烈的偶极子共振，在电偶极子与磁偶极子谐振相互作用下会产生依赖于波长的强烈散射现象，而共振波长受结构自身与周围环境的折射率影响。通过改变结构折射率(例如使结构材料相变)，或环境折射率(例如液晶材料的分子取向)，即可使共振频率发生变化，改变反射峰在频谱中的位置。将亚波长尺度的介电纳米结构与米氏理论相结合，即可以获得一个极小体积的可见光滤波器作为光谱成像芯片的分光元件。
[0015]
可知输入光谱成像芯片的光信号通常是不随时间变化的，因此可在不同时刻设置不同的折射率，使同一个滤波像素的介电纳米结构，可以在不同时刻产生不同频率的共振反射峰。而静态滤波片的反射光谱是固定的，无法改变，若想获得更高的频域分辨率，只能增加滤波片数量来获取更多的光谱，这将降低成像的空间分辨率，并增加制造难度与成本。本专利有效利用时间维度，使一个动态滤波片可以在不同时刻分别拥有多个不同的静态滤波片的光谱特性，将提高频域光谱分辨率的手段从增加滤波片数量转化为增加测量次数(折射率改变次数)，实现了滤波片数量的压缩，让同时获得优秀的光谱频域分辨率和成像空间分辨率成为可能。
[0016]
相比于金属纳米结构，本发明使用介电纳米材料作为阵列结构的谐振单元，避免了固有的金属内部损耗的同时，可以获得高反射率、窄半峰宽的反射光谱，并且可以通过改变纳米结构的形状、几何参数、阵列周期，可以在可见光波段内灵活调整谐振特性，其原理示意图如图2、图3所示。据此我们设计了一种高效、高分辨率、低成本、小体积的滤波片。
[0017]
本发明具有如下有益效果：
[0018]
cmos阵列与超构表面滤波片的垂直堆叠可以实现多光谱成像芯片集成的微型化，且利用超构表面实现的滤波片性能(光谱分辨率、滤波效率等)更加优异。此外，与常用的静态滤波片不同，本专利通过动态滤波片可在不同时刻采集不同频率的光信号，再将其计算合成以得到更高的光谱分辨率，大大降低了滤波片在空间分布数量的要求，缓和了多光谱成像仪高空间分辨率与高频域分辨率不可兼得的矛盾。
[0019]
本发明中，涉及到的折射率可变材料除了使用液晶和常见的相变材料之外，还可包括其余可改变环境折射率的手段(如光致变、热致变、微流道等)。
附图说明
[0020]
图1时域分光光谱成像芯片的结构示意图。
[0021]
图2时域分光光谱成像芯片的原理示意图。
[0022]
图3时域分光光谱成像芯片的光谱原理示意图。
具体实施方式
[0023]
具体实施方法可以用以下概括：物体经过光(可以是日常照射或者特定照射)的照射后，入射到时域分光光谱成像芯片，此时芯片从cmos部分获取了此时此刻的光强数据i1
(此时i1为数据集，指此时刻芯片上所有像素获得的光强数据)。通过调控折射率可变层，改变环境折射率，可以改变芯片中滤波片的滤波参数，从而获得光强数据i2,再次通过数次的改变，获得光强数据i
1.2
.3.4
…
，待收集完满足需求的数据集后，即可通过pc、主机端收集、处理数据等实现光谱采集功能，结合cmos的成像功能，最终实现光谱成像功能。
[0024]
具体方案如下：每组阵列像素由m
×
m个滤波像素所组成，第1至m2
‑
1个滤波像素由不同几何形状、几何参数的介质纳米阵列结构所组成，每个像素还可在不同时刻变化n次折射率，对应不同的反射光谱特性，覆盖整个可见光波段，反射峰波长记为λ
m,n
(m为像素序号，n为折射率时序)，第m2个像素将不做任何结构，作为接收不经滤波的光信号的参考像素。在光谱测量过程中，入射光将通过滤波片，被cmos光电探测器所记录，第1至m2
‑
1个像素在第n个时刻的折射率下接收的光信号记为i(i
1,n
、i
2,n
......i
m2
‑
1,n
)，参考像素接收的光信号为i
o
，从下标n看出，最终用于重建光谱的光信号数量与探测的次数(时刻数量)呈线性关系，即最终光谱的频域分辨率可随着探测总时长的增加而不断提高。由于滤波片属于反射型滤波片，cmos采集获得的光强信号为复色光光强信号，利用未经滤波的参考像素与每个滤波像素相减即可获得指定的单色光的光谱响应曲线，记为i’(i
‘
1,n
、i’2,n
……
i’m2
‑
1,n
)，结合每个像素预设的反射光谱，通过多元矩阵计算的方式得到每个成像像素的入射光重建光谱。i光强信号强度,下标m和n主要代表像素的序号及时序。i’指经过像素计算之后得到的光强。