基于超构表面的时域分光光谱成像芯片的制作方法

技术特征：
1.基于超构表面的时域分光光谱成像芯片，其特征在于：分别依次包括cmos图像处理器(1)、超构表面基底(2)、ito导电层ⅰ(3)、动态超构表面结构(4)、ito导电层ⅱ(5)；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，单元结构参数、形状及周期用于调控光谱性能，第二个部分是折射率可变层为液晶材料；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。2.根据权利要求1所述的基于超构表面的时域分光光谱成像芯片，其特征在于：ito导电层ⅱ基本结构与材料与ito导电层ⅰ(3)相同，用于导电及分固定层、间隔层。3.根据权利要求1所述的基于超构表面的时域分光光谱成像芯片，其特征在于：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，或环境折射率，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。4.根据权利要求1所述的基于超构表面的时域分光光谱成像芯片，其特征在于：使用介电纳米材料作为阵列结构的谐振单元，避免固有的金属内部损耗，获得高反射率、窄半峰宽的反射光谱，通过改变纳米结构的形状、几何参数、阵列周期，在可见光波段内灵活调整谐振特性。5.根据权利要求1所述的基于超构表面的时域分光光谱成像芯片，其特征在于：物体经过光的照射后，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。6.根据权利要求5所述的基于超构表面的时域分光光谱成像芯片，其特征在于：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。

技术总结
本发明公开了基于超构表面的时域分光光谱成像芯片，分别依次是CMOS图像处理器、超构表面基底、ITO导电层Ⅰ、动态超构表面结构、ITO导电层Ⅱ。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。波。波。


技术研发人员：胡跃强 赖嘉杰 娄少臻 李苓 段辉高
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2021.07.09
技术公布日：2021/11/23