[發(fā)明專利]基于濾光器陣列的光譜分析模組提高分辨率的方法

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• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN114252154A
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設計）人: 孫志軍
• 申請（專利權）人: 廈門脈馳科技有限公司
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 廈門市天富勤知識產權代理事務所(普通合伙) 35244
• 代理人: 顧克帥

本發(fā)明提供了對基于具有金屬微納結構的濾光器陣列的光譜分析模組提高分辨率的方法，主要涉及對濾光器陣列中各個濾光器單元的結構參數變量的布局規(guī)劃，其中將所有濾光器單元劃分為若干個濾光器單元群，通過在不同的濾光器單元群之間實現對濾光器單元縱向結構參數的調變，實現對濾光器陣列中不同濾光器單元的透射光譜中特征波長的變化步長的精細調控。本發(fā)明提供的方法使對濾光器單元的縱向結構參數進行調變的工藝變得簡單、可控，克服了僅靠有限的微納加工工藝精度對濾光器單元的橫向結構參數變量的控制精度的不足而對所述光譜分析模組分辨率的制約。

技術領域

本發(fā)明涉及基于濾光器陣列的光譜分析模組，尤其是涉及提高這種光譜分析模組分辨率的方法。

背景技術

光譜儀是一種非常重要的光學儀器。現行常見的光譜儀概括來說有兩類：一類是以光柵光譜儀為代表的色散分光型；另一類是以基于干涉儀的傅里葉變換光譜儀為代表的調制型。實驗室級別的專業(yè)型光譜儀一般都體積較大、價格昂貴，其整體性能往往伴隨著儀器尺寸的縮小而減弱。

近年來，隨著信息技術的發(fā)展、生產生活智能化、和人們對食品安全、環(huán)境污染、醫(yī)療健康等需求的增長，微型集成光譜分析模組受到關注。其應用目標向作為智能化設備和消費類電子產品(如智能手機和可穿戴設備等)的傳感組件的運用來發(fā)展。

其中，基于濾光器陣列的微型光譜分析模組受到廣泛關注。這種光譜分析模組是將通過濾光器陣列中具有不同透射光譜特性的濾光器結構單元的透射光照射在探測器陣列中相應的探測器單元上進行光電轉換，然再通過后端數據處理來進行光譜重構。

用于光譜分析模組中常見的濾光器陣列結構包括：基于具有不同腔長的垂直型Fabry-Perot諧振腔陣列結構；基于金屬微納結構的濾光器陣列結構；基于介質材料光子晶體結構的濾光器陣列結構；以及基于具有不同吸收譜的半導體量子點或量子線的陣列結構；等。

其中，隨著近年來微納光學和等離激元光學的興起與蓬勃發(fā)展，基于金屬微納結構的濾光器陣列在發(fā)展新型光譜分析模組中的應用尤其受到重視【如以下公開發(fā)明專利所涉及：中國發(fā)明專利CN 105092035B、CN 109642822A、CN 108731806 A、CN 110873911 A、CN110243471 A、CN 10954311 A、CN109564323 A、等；美國發(fā)明專利US 8542359 B2、US7426040 B2、等】。由于光波在金屬微納結構中能被耦合到等離激元光學模式，從而可在亞波長尺度內對光波的傳播和諧振進行控制，以使這種金屬微納結構的透射光譜具有濾光特性。

對于基于金屬微納結構的濾光器陣列，一般是其各個濾光器單元內具有不同的結構參數，從而各個濾光器單元具有不同的透射光譜特性(也即濾光特性)。基于濾光器陣列的光譜分析模組的光譜分辨率嚴重依賴于其濾光器陣列中不同濾光器單元的透射光譜中特征波長的變化步長；而且，這種在硬件層面的依賴性是根本的、決定性的。也因為如此，用于制備金屬微納結構的微納加工設備的工藝精度就在很大程度上決定了所述基于濾光器陣列的光譜分析模組的光譜分辨率。

舉例來說，基于金屬微納結構的濾光器陣列中不同濾光器單元中金屬微納結構在襯底平面內橫向方向上(也即是在襯底平面內)的結構尺寸的變化步長(設為Δx)與其透射光譜中特征波長的變化步長(Δλ)之間的關系，一般近似有Δλ≈nΔx，其中n約稍大于金屬微納結構鄰近介質的光學折射率(如二氧化硅的光學折射率為約1.5)。

目前，用于制備所述濾光器陣列中金屬微納結構的加工設備(如紫外光刻、納米壓印、電子束曝光和等離子體刻蝕等設備)所能達到的工藝精度也就能夠實現大約如Δx＝10～20nm，這樣的工藝精度是很難使光譜分析模組實現足夠高的光譜分辨率(如Δλ5nm)以滿足許多不同應用的需要的。

雖然現有微納加工工藝精度的水平還比較有限，但是光學鍍膜工藝中薄膜厚度的控制精度是比較高的(如Δz5nm甚至更小)。而且，濾光器單元的透射光譜中特征波長的變化步長(Δλ)比其中金屬微納結構鄰近的介質薄膜層厚度的變化步長(Δz)一般要小的多，如Δλ≈Δz/(5～10)。