基于滤光器阵列的光谱分析模组提高分辨率的方法与流程

1.本发明涉及基于滤光器阵列的光谱分析模组，尤其是涉及提高这种光谱分析模组分辨率的方法。


背景技术：

2.光谱仪是一种非常重要的光学仪器。现行常见的光谱仪概括来说有两类：一类是以光栅光谱仪为代表的色散分光型；另一类是以基于干涉仪的傅里叶变换光谱仪为代表的调制型。实验室级别的专业型光谱仪一般都体积较大、价格昂贵，其整体性能往往伴随着仪器尺寸的缩小而减弱。
3.近年来，随着信息技术的发展、生产生活智能化、和人们对食品安全、环境污染、医疗健康等需求的增长，微型集成光谱分析模组受到关注。其应用目标向作为智能化设备和消费类电子产品(如智能手机和可穿戴设备等)的传感组件的运用来发展。
4.其中，基于滤光器阵列的微型光谱分析模组受到广泛关注。这种光谱分析模组是将通过滤光器阵列中具有不同透射光谱特性的滤光器结构单元的透射光照射在探测器阵列中相应的探测器单元上进行光电转换，然再通过后端数据处理来进行光谱重构。
5.用于光谱分析模组中常见的滤光器阵列结构包括：基于具有不同腔长的垂直型fabry-perot谐振腔阵列结构；基于金属微纳结构的滤光器阵列结构；基于介质材料光子晶体结构的滤光器阵列结构；以及基于具有不同吸收谱的半导体量子点或量子线的阵列结构；等。
6.其中，随着近年来微纳光学和等离激元光学的兴起与蓬勃发展，基于金属微纳结构的滤光器阵列在发展新型光谱分析模组中的应用尤其受到重视【如以下公开发明专利所涉及：中国发明专利cn 105092035b、cn 109642822a、cn 108731806 a、cn 110873911 a、cn 110243471 a、cn 10954311 a、cn109564323 a、等；美国发明专利us 8542359 b2、us 7426040 b2、等】。由于光波在金属微纳结构中能被耦合到等离激元光学模式，从而可在亚波长尺度内对光波的传播和谐振进行控制，以使这种金属微纳结构的透射光谱具有滤光特性。
7.对于基于金属微纳结构的滤光器阵列，一般是其各个滤光器单元内具有不同的结构参数，从而各个滤光器单元具有不同的透射光谱特性(也即滤光特性)。基于滤光器阵列的光谱分析模组的光谱分辨率严重依赖于其滤光器阵列中不同滤光器单元的透射光谱中特征波长的变化步长；而且，这种在硬件层面的依赖性是根本的、决定性的。也因为如此，用于制备金属微纳结构的微纳加工设备的工艺精度就在很大程度上决定了所述基于滤光器阵列的光谱分析模组的光谱分辨率。
8.举例来说，基于金属微纳结构的滤光器阵列中不同滤光器单元中金属微纳结构在衬底平面内横向方向上(也即是在衬底平面内)的结构尺寸的变化步长(设为δx)与其透射光谱中特征波长的变化步长(δλ)之间的关系，一般近似有δλ≈nδx，其中n约稍大于金属微纳结构邻近介质的光学折射率(如二氧化硅的光学折射率为约1.5)。
9.目前，用于制备所述滤光器阵列中金属微纳结构的加工设备(如紫外光刻、纳米压印、电子束曝光和等离子体刻蚀等设备)所能达到的工艺精度也就能够实现大约如δx＝10～20nm，这样的工艺精度是很难使光谱分析模组实现足够高的光谱分辨率(如δλ《5nm)以满足许多不同应用的需要的。
10.虽然现有微纳加工工艺精度的水平还比较有限，但是光学镀膜工艺中薄膜厚度的控制精度是比较高的(如δz《5nm甚至更小)。而且，滤光器单元的透射光谱中特征波长的变化步长(δλ)比其中金属微纳结构邻近的介质薄膜层厚度的变化步长(δz)一般要小的多，如δλ≈δz/(5～10)。
11.但是，基于金属微纳结构的滤光器阵列中有许多滤光器单元，如为几百个。如果要实现各个滤光器单元内在垂直于衬底平面方向上的结构参数的尺寸的调变，就需要至少上千道工序，极大地增加工艺的难度、复杂性和成本，很不现实；而改变各个滤光器单元内金属微纳结构在衬底平面内的横向方向上的结构参数，可在同一批次内用几道工序就实现，具有与平面工艺兼容的特点。
12.因此，对于基于金属微纳结构的滤光器阵列的设计和加工制备，一般都是通过改变滤光器单元中的金属微纳结构在横向方向上的结构参数的尺寸来实现各个滤光器单元的透射光谱的调变，而保持各个滤光器单元内垂直于衬底平面的方向上的结构参数的尺寸不变。于是，基于金属微纳结构滤光器阵列的光谱分析模组的光谱分辨率也就严重受制于所采用微纳加工设备的工艺精度，而难以实现高分辨率。
13.在对本发明的说明描述中，光谱分析模组的分辨率意指其光谱分辨率或波长分辨率。


技术实现要素：

14.本发明提供了针对基于滤光器阵列的光谱分析模组提高分辨率的方法。
15.本发明实施例涉及的光谱分析模组中包括有滤光器阵列和探测器阵列。
16.所述的滤光器阵列由多个滤光器单元构成。滤光器单元中包括金属图案层和介质薄膜层，其中金属图案层中具有金属微纳结构，金属图案层和介质薄膜层的数目为一层或多层。
17.所述的探测器阵列由其固有的多个探测器单位像素构成。所述探测器阵列可被规划为由多个探测器单元组成，每个探测器单元包含有一个或多个探测器单位像素。
18.所述的滤光器阵列中的各个滤光器单元与探测器阵列中的各个探测器单元相对应。
19.所述的基于滤光器阵列的光谱分析模组在使用前，需要首先对其进行预置校准，以获得预置校准信息；在对来自目标物的信号光的光谱检测中，需要结合预置校准信息和对信号光的测试信息，通过数据处理计算来获得信号光的光谱。
20.所述的滤光器单元中的金属图案层中金属微纳结构的各项结构参数和各个介质薄膜层的厚度等参数被通称为滤光器单元的结构参数。所述的微纳结构指其特征结构参数的尺度在微米或纳米量级，如在约1纳米～100微米的尺度范围。
21.所述的滤光器阵列中各个不同的滤光器单元的结构参数应为不完全相同，即各项结构参数中的一项或多项为不同。若滤光器阵列中存在两个或多个具有完全相同结构参数
的滤光器单元，则在保留其中一个的同时，与之相同的其它滤光器单元所产生的相关数据可被视为无效或做其它特殊处理。具有不完全相同的结构参数的滤光器单元具有不同的透射光谱。
22.所述的滤光器阵列中滤光器单元的透射光谱可为具有通带特性、阻带特性、长波通特性、或短波通特性的光谱，或为由多个谱峰和谱谷所构成的光谱。滤光器单元的透射光谱的特征波长可为其透射光谱中具有通带特性谱峰的中心波长或峰值波长、具有阻带特性的谱谷的中心波长或谷值波长、具有长波通特性或短波通特性光谱的通带与阻带间过渡波段的中心波长、或具有多个谱峰或谱谷的光谱中的某个谱峰的峰值波长或某个谱谷的谷值波长。
23.本发明提供的针对基于上面所述的滤光器阵列的光谱分析模组提高分辨率的方法，主要涉及对滤光器阵列中各个滤光器单元的结构参数变量的布局进行规划，并基于不同的制备工艺对滤光器单元的横向结构参数和纵向结构参数分别进行制备和控制，以克服有限的微纳加工工艺精度对滤光器单元的横向结构参数变量的控制精度的不足而对所述光谱分析模组分辨率的制约。对该方法的说明如下：
24.设滤光器阵列中各个滤光器单元的结构参数包括其横向结构参数和纵向结构参数。
25.所述的滤光器单元的横向结构参数是指滤光器单元中的金属图案层中金属微纳结构在金属图案层平面内的各项结构参数，例如对具有周期性岛状金属薄膜块结构的金属图案层，为其中的结构周期和描述各个金属薄膜块形状、大小的结构参数(如长方形的长度和宽度、圆形的半径等)等。
26.所述的滤光器单元的纵向结构参数是指滤光器单元中在垂直于滤光器阵列平面的方向上的各项结构参数，如为金属图案层的厚度和各个介质薄膜层的厚度。
27.所述的滤光器阵列中的各个滤光器单元被划分到若干个滤光器单元群。
28.所述的滤光器单元群中所有的滤光器单元连成一片区域，不同的滤光器单元群的区域之间不相互重叠。
29.所述的滤光器阵列中的同一个滤光器单元群中各个不同的滤光器单元具有不完全相同的横向结构参数、但具有完全相同的纵向结构参数。
30.所述的滤光器阵列中的各个不同的滤光器单元群中的滤光器单元具有不完全相同的纵向结构参数。
31.所述的滤光器阵列中不同的滤光器单元群中相互对应的滤光器单元之间可具有相同的横向结构参数、但具有不完全相同的纵向结构参数。
32.上面所述的“横向结构参数”和“纵向结构参数”可分别包括具体的多项结构参数。上面所述的“完全相同”是指其所包括的各项结构参数都相同，“不完全相同”是指其所包括的各项结构参数中的其中一项或多项为不同。
33.所述的滤光器阵列的加工制备过程中，所有的滤光器单元群中所有的滤光器单元中的金属图案层中的金属微纳结构可在同一工艺流程中被加工制备；不同的滤光器单元群中具有一项或多项不同纵向结构参数的介质薄膜层可通过重复性的工艺流程分多步在各个滤光器单元群中分别进行制备。
34.本发明的主要特征和优点说明如下：
35.本发明提供的方法涉及对所述滤光器阵列中各个滤光器单元的横向结构参数和纵向结构参数都进行调变。
36.本发明提供的方法对所述滤光器阵列中各个滤光器单元的结构参数变量的布局规划，将所有滤光器单元划分为若干个包含有多个滤光器单元的滤光器单元群。在不同的滤光器单元群之间实现对滤光器单元纵向结构参数的调变，以此实现对滤光器阵列中不同滤光器单元的透射光谱中特征波长的变化步长的精细调控，从而大幅提高基于所述滤光器阵列的光谱分析模组的分辨率。
37.所述滤光器阵列中滤光器单元群的数目远小于其中滤光器单元的数目，且滤光器单元群的区域面积远大于其中滤光器单元的区域面积，因此，可将不同滤光器单元群中具有不同纵向结构参数的滤光器单元中的介质薄膜层的制备工艺大为简化(对光刻等图案制备工艺要求低，且相关工艺流程的重复次数少)。相比于在各个滤光器单元内改变其中介质薄膜层的厚度，大幅降低了工艺要求和复杂程度。
38.概括来说，也就是，对于滤光器阵列中各个滤光器单元的横向结构参数的控制基于高精度的图案制备工艺(如对结构参数的控制精度为约5～20nm尺度)，在无需重复的一个工艺流程中进行制备，实现所述光谱分析模组的低分辨率控制；而对于滤光器阵列中各个滤光器单元的纵向结构参数的控制则基于高精度的薄膜淀积工艺，并结合低精度的图案制备工艺(如对结构参数的控制精度小于10μm)，以重复性的工艺流程来实现在不同的滤光器单元群内不同厚度的介质薄膜层的淀积，从而在前面所述的通过横向结构参数控制实现低分辨率的基础上实现所述光谱分析模组的高分辨率。
附图说明
39.图1是根据本发明实施例涉及的光谱分析模组中的滤光器阵列和探测器阵列的侧视结构示意图。
40.图2是根据本发明实施例涉及的光谱分析模组中滤光器阵列中的滤光器单元为一维周期结构(a)或二维周期结构(b)的侧视结构示意图。
41.图3是根据本发明实施例涉及的光谱分析模组中的滤光器阵列中，在垂直于衬底平面的纵向方向上具有不同的层状结构的滤光器单元的示范例的横截面结构示意图。
42.图4是根据本发明实施例涉及的光谱分析模组中的滤光器阵列中滤光器单元和滤光器单元群的平面分布示意图。
具体实施方式
43.为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图给予详细说明。
44.以下实施例为示范性实施例，它们可以具有不同的形式或变型，而不应被解释为仅限于这里所给出的描述。在对本发明实施例中结构的描述中，如
“……
上”的表述可以包括“以非接触方式在
……
上”和“以接触方式直接在
……
上”；如
“……
下”的表述可以包括“以非接触方式在
……
下”和“以接触方式直接在
……
下”；如“包括
……”
的表述意指“包括但不限于仅有
……”
。
45.图1示出根据本发明实施例涉及的光谱分析模组中的滤光器阵列100和探测器阵
列200的侧视结构示意图。
46.所述的滤光器阵列100由多个滤光器单元110构成。所述滤光器单元110中含有金属微纳结构。在滤光器阵列100中不同的滤光器单元110具有不同的结构参数和透射光谱特性。
47.所述的探测器阵列200中有多个探测器单元210，它们分别与滤光器阵列100中的各个滤光器单元110相对应。每个探测器单元210包含有一个或多个探测器单位像素。探测器单位像素是探测器阵列200中固有的最小的阵列单元。
48.设滤光器阵列100和探测器阵列200中都有j个阵列单元。所述滤光器阵列100中的各个滤光器单元110按序被标为：f1、f2、f3、
…
、fj、
…
、fj。所述探测器阵列200中的各个探测器单元210按序被标为：d1、d2、d3、
…
、dj、
…
、dj，它们分别对应于滤光器单元110：f1、f2、f3、
…
、fj、
…
、fj。
49.所述的滤光器阵列100和探测器阵列200之间可以是以某种支撑结构相互分立地组合在一起的，也可以是以某些透明介质作为中间媒质接触式地堆叠在一起的。
50.所述光谱分析模组在光谱测试中，信号光被采集后经光束整形光路后照射在滤光器阵列100上，通过滤光器阵列100中不同的滤光器单元110的透射光分别被照射在对应的探测器单元210上；由各个探测器单元210所接收的光信号转换为电信号后，经过后端数据处理计算实现光谱重构。
51.图2示出根据本发明实施例涉及的光谱分析模组中滤光器阵列100中的滤光器单元110为一维或二维周期结构的侧视结构示意图。图2(a)和图2(b)所示的示范例中，滤光器单元110中设有衬底111、具有不同折射率的介质薄膜层113和114、以及具有金属微纳结构的金属图案层112。
52.所述衬底111为厚度为几十微米至几毫米的透明介质，或为位于所述探测器阵列之上的厚度为几十纳米至几百微米的透明介质。
53.所述金属图案层112中的金属微纳结构及其阵列的形状、形态可为满足本发明所述滤光器阵列需要的任何形式，在此没有具体限定，但它们都可被包括在本发明所提供方法的适用范围内。
54.图3示出根据本发明实施例涉及的光谱分析模组中的滤光器阵列100中具有不同特点的层状结构的滤光器单元110的示范例的横截面结构示意图。图3(a)中所示结构对应于图2中所示结构。图3(b)中所示结构是在图3(a)所示结构中的金属图案层112上面覆盖了一层介质薄膜层115。图3(c)所示结构中，具有不同折射率的介质薄膜层113和114位于金属图案层112和衬底111之上。图3(d)所示结构是在图3(a)所示结构中的金属图案层112上方又设有具有不同折射率的介质薄膜层116和117。图3(a)-(d)中所示结构为示范例，其中具有不同折射率的介质薄膜层(如113和114、116和117)可不仅为只有两层，也可为单层或两层以上的更多层。
55.在本发明的说明中，“介质薄膜层”即是对类似于图3所示的示范例中的介质薄膜层113、114、115、116、117、及存在于金属图案层附近的、其它类似的介质薄膜层的通称。
56.图4示出根据本发明实施例涉及的光谱分析模组中的滤光器阵列100中滤光器单元110和滤光器单元群120的平面分布示意图。
57.所述的滤光器阵列100中的所有滤光器单元110被规划为i个滤光器单元群120，各
个滤光器单元群120中包括有j个滤光器单元110(注：各个滤光器单元群120中的滤光器单元110的数目可为不同，此处为方便统一表达和描述而设为相同)，即所述滤光器阵列100中共有i
×
j个滤光器单元110。
58.如图4中所示，用f
ij
(i＝1,2,
…
,i；j＝1,2,
…
,j)来表示所述滤光器阵列100中的各个滤光器单元110，即滤光器单元110f
ij
是滤光器阵列100中位于其第i个滤光器单元群120中的第j个滤光器单元110。
59.下式中用s
ij
来表示滤光器单元110f
ij
的结构参数：
60.s
ij
＝(l
ij
；v
ij
)＝(p
ij
,a
ij
,b
ij
,
…
；t
mij
,t
d(1)ij
,t
d(2)ij
,
…
)
61.其中：l
ij
＝(p
ij
,a
ij
,b
ij
,
…
)表示滤光器单元110f
ij
的横向结构参数，如p
ij
,a
ij
,b
ij
,
…
为其中金属图案层中描述金属微纳结构的周期、形状和大小等的结构参数；v
ij
＝(t
mij
,t
d(1)ij
,t
d(2)ij
,
…
)表示滤光器单元110f
ij
的纵向结构参数，如t
mij
,t
d(1)ij
,t
d(2)ij
,
…
为其中金属图案层的厚度(t
mij
)和各个介质薄膜层的厚度(t
d(1)ij
,t
d(2)ij
,
…
)。
62.一般化的实施例：
63.在对所述的滤光器阵列100的设计中，如在同一个(如为第i个，i＝1,2,
…
,i)滤光器单元群120中，各个滤光器单元110f
ij
(j＝1,2,
…
,j)的横向结构参数l
ij
＝(p
ij
,a
ij
,b
ij
,
…
)中的至少一项互不相同，但其纵向结构参数v
ij
＝(t
mij
,t
d(1)ij
,t
d(2)ij
,
…
)中的各项都完全相同；对于不同的滤光器单元群120，即对不同的i(i＝1,2,
…
,i)，其中滤光器单元110f
ij
的纵向结构参数v
ij
＝(t
mij
,t
d(1)ij
,t
d(2)ij
,
…
)互不相同，而对其中j(j＝1,2,
…
,j)相同的属于不同滤光器单元群120的各个滤光器单元110f
ij
的横向结构参数l
ij
＝(p
ij
,a
ij
,b
ij
,
…
)可为相同或不同。
64.在对所述的滤光器阵列100的设计中，为了减少在制造中加工制备工艺的复杂程度和成本，可尽量减少滤光器单元110的结构参数中结构参数变量的数目，尤其是其纵向结构参数v
ij
＝(t
mij
,t
d(1)ij
,t
d(2)ij
,
…
)中结构参数变量的数目。而且，对于纵向结构参数，最好是只改变其中某一介质薄膜层的厚度(如为t
d(1)ij
，或t
d(2)ij
,
…
其中之一)，而一般不改变金属图案层厚度(t
mij
)。
65.优化的实施例：
66.以下实施例说明对滤光器阵列100中各个滤光器单元110的结构参数变量的优选设计。
67.在如图4所示的滤光器阵列100中，不同的滤光器单元群120中对应的各个滤光器单元110具有相同的横向结构参数，即
68.l
11
＝l
21
＝l
31
＝
…
＝l
i1
＝
…
＝l
i1
＝l1(p1,a1,b1,
…
)，
69.l
12
＝l
22
＝l
32
＝
…
＝l
i2
＝
…
＝l
i2
＝l2(p2,a2,b2,
…
)，
70.l
13
＝l
23
＝l
33
＝
…
＝l
i3
＝
…
＝l
i3
＝l3(p3,a3,b3,
…
)，
71.……
以此类推
……
72.l
1j
＝l
2j
＝l
3j
＝
…
＝l
ij
＝
…
＝l
ij
＝lj(pj,aj,bj,
…
)。
73.但每个滤光器单元群120中的各个滤光器单元110具有不完全相同的横向结构参数，即
74.l1(p1,a1,b1,
…
)≠l2(p2,a2,b2,
…
)≠l3(p3,a3,b3,
…
)≠
…
≠lj(pj,aj,bj,
…
)
…
≠lj(pj,aj,bj,
…
)。
75.在此，lj(pj,aj,bj,
…
)(j＝1,2,
…
,j)的各项参数中，对不同的j可有一项或若干项(如为pj和aj)不同，而其它参数(如为bj,
…
)相同。
76.还需有，每个滤光器单元群120中的各个滤光器单元110具有相同的纵向结构参数，即
[0077]v11
＝v
12
＝v
13
＝
…
＝v
1j
＝
…
＝v
1j
＝v1(t
d1
)，
[0078]v21
＝l
22
＝v
23
＝
…
＝v
2j
＝
…
＝v
2j
＝v2(t
d2
)，
[0079]v31
＝v
32
＝v
33
＝
…
＝v
3j
＝
…
＝v
3j
＝v3(t
d3
)，
[0080]
……
以此类推
……
[0081]vi1
＝v
i2
＝v
i3
＝
…
＝v
ij
＝
…
＝v
ij
＝vi(t
di
)。
[0082]
但不同的滤光器单元群120中的滤光器单元110的纵向结构参数不同，即
[0083]v1
(t
d1
)≠v2(t
d2
)≠v3(t
d3
)≠
…
≠vi(t
di
)
…
≠vi(t
di
)。
[0084]
其中t
di
(i＝1,2,
…
,i)为t
d(1)ij
,t
d(2)ij
,
…
所指的各个介质薄膜层中的其中一层的厚度，其它介质薄膜层的厚度和金属图案层的厚度对滤光器阵列100中的所有滤光器单元110可设为相同。
[0085]
此外，滤光器单元群120的数目i不宜太大，应远小于每个滤光器单元群120中滤光器单元110的数目j，即i《《j。例如，可设计(i,j)＝(4,100)，(5，80)或如(6，100)等，使滤光器阵列100中具有i
×
j＝400或600个滤光器单元110，由此可获得在一定光谱波段范围[λ1,λ2]内滤光器单元110的透射光谱的特征波长变化步长为大约δλ＝(λ
2-λ1)/(i
×
j)(在此设结构参数的变化使所述特征波长在光谱波段范围内近似地均匀分布)。通过提高i和j，可获得较小的δλ，使之有利于提高所述光谱分析模组的分辨率。其中，j的提高主要受限于微纳加工设备的工艺精度，而i的提高会相应地提高加工制备工艺的复杂度和成本，所以i和j的选择需要综合考虑工艺精度和成本。
[0086]
所述的滤光器阵列100的加工制备过程中，所有的滤光器单元群120中所有的滤光器单元110中的金属图案层可在同一工艺流程中被加工制备；不同的滤光器单元群中具有不同厚度的那一层介质薄膜层可通过若干次(如为i次)重复性的工艺流程分多步在各个滤光器单元群120中分别进行制备。
[0087]
对于上面所述所有滤光器单元110中横向结构参数的控制，需要基于高精度的图案制备工艺来实现(如使用高精度euv极紫外光刻、电子束光刻和纳米压印等设备，对图案尺寸的控制精度如至少在约5～20nm尺度)。
[0088]
对于上面所述在不同滤光器单元群120中纵向结构参数的控制，可以基于高精度的薄膜淀积工艺(如使用先进的光学镀膜机等)；其中涉及到在不同的滤光器单元群120内具有不同厚度的介质薄膜层的淀积，可结合低精度的图案制备工艺(如使用普通的紫外光刻机等，要求其对结构参数的控制精度如小于10μm)，通过重复性的工艺流程来实现。
[0089]
在上述方法中，通过对各个滤光器单元的横向结构参数的控制来实现所述光谱分析模组的低分辨率；在此基础上，分别在各个滤光器单元群内通过各个滤光器单元的纵向结构参数的控制来进一步实现所述光谱分析模组的高分辨率。
[0090]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。