[发明专利]一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片，包括面阵图像传感器和超表面结构滤光片阵列，所述超表面结构滤光片阵列包括两层纳米膜钝化层及位于两层纳米膜钝化层之间的金属纳米孔周期阵列结构；所述超表面结构滤光片阵列位于面阵图像传感器上；所述金属纳米孔周期阵列结构包括金属介质膜层，所述金属介质膜层上具有不同尺寸的周期性纳米孔阵列。本发明通过在同一厚度金属介质膜层上制备不同尺寸的周期性纳米结构阵列，实现对目标图像在多光谱谱段上的窄带滤光；本发明适用于更精细的图谱信息采集，在图像传感器表面制备金属纳米周期性结构，实现面阵多光谱芯片，在工艺上更易于实现，并具有广泛的适用性。

技术领域

本发明涉及一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片，尤其涉及一种基于金属纳米结构的表面等离子体共振和表面等离子体激元局域增强透射效应窄带滤光的光谱芯片及其实现技术。

背景技术

超表面窄带滤光是一种基于金属纳米结构表面等离子体共振和表面等离激元子局域增强透射效应的干涉滤光片，即在单一平面上改变金属纳米结构阵列的尺寸和周期从而调整其滤光属性，进而实现对目标图像的光谱进行精细的波长选择，精确捕获目标光谱纹理的图谱曲线，从而获得有价值的物体属性信息。光谱芯片作为一种常用图像传感器，在物质成分研究、食品安全检查、药物制备、医学病例分析、废旧物分拣、回收等科学研究领域有广泛的应用。

传统的光学滤光片有两种工作模式，一种是基于颜色染剂的化学方法，另一种是法布里-珀罗干涉滤光的物理方法。化学方法利用特定颜色的染色剂可以吸收特定波长的特点，达到滤取特定波长的目的，这种滤光片主要应用在显示系统如液晶显示器中。其缺点是染色剂在长期受到光照射后，会发生褪色或者变质从而导致滤光效能退化的情况。而采用物理方法的法布里-珀罗干涉滤光器件，主要包括全介质滤光片和金属干涉滤光片。前一种是通过改变膜层材料以及膜层数来调节滤光属性，后者则是通过改变金属层中的介质厚度来调节滤光波长，且透射率较低。两种滤光设计均采用了多光束干涉滤光原理，当要实现多光谱滤光时，由于要针对某一特定波长则需要选取特定的膜层厚度或者膜层数量，因而需要在同一芯片上实现不同膜厚的滤光单元阵列的制备，其工艺实现难度很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种基于超表面窄带滤光的光谱芯片，在面阵COMS或CCD图像传感器表面上制备超表面结构，通过金属超表面结构的表面等离子体共振和表面等离子体激元局域增强透射效应实现窄带滤光，其次通过不同滤光单元组合和信息提取方式可实现两种物体图谱信息的获取。所有的滤光单元可在同一厚度膜层上制备，工艺实现上更加容易，并且滤光性能好。

本发明的技术解决方案是提供一种基于超表面窄带滤光的多光谱芯片，其特殊之处在于：包括面阵图像传感器和超表面结构滤光片阵列，上述超表面结构滤光片阵列包括两层纳米膜钝化层及位于两层纳米膜钝化层之间的金属纳米孔周期阵列结构；上述超表面结构滤光片阵列位于面阵图像传感器上；

上述金属纳米孔周期阵列结构包括金属介质膜层，上述金属介质膜层上具有不同尺寸的周期性纳米孔阵列。

根据超表面结构滤光片组成原理，图像信息中特定波长的光在特定周期性金属纳米结构单元表面激发表面等离子体激元发生共振和增强透射并且被CMOS或CCD图像传感器接收，而其它波长的光则被反射不能透过，从而实现在图像传感器上对物体图谱信息的获取。

当光学系统为多孔径复眼成像系统，上述周期性纳米孔阵列包括多个滤光区域，每个滤光区域对应图像传感器的多个像元，每个滤光区域包括孔径和周期相同的金属纳米孔阵列，不同滤光区域金属纳米孔阵列的孔径和周期不同；图像传感器直接接收不同滤光区域的图像信号，获取多幅连续或离散谱段上的物体图像信息。