一种基于集成微腔的光谱探测芯片及重构方法

摘要

本发明公开了一种基于集成微腔的光谱探测芯片及重构方法，本发明的光谱探测芯片是在普通阵列探测器芯片上，通过纳米压印技术和镀膜技术制作多通道集成分光结构，使得原探测器芯片上不同像元对入射光的响应不同，再利用光谱重构的方法还原出样品光谱。本发明的光谱探测芯片将分光和探测集于一体，使探测器本身就具备了光谱分辨能力，实现芯片级光谱仪器，具有体积小、成本低、分辨率高、制作方便等优点，在光谱分析领域具有重要的应用价值。

权利要求

1.一种基于集成微腔的光谱探测芯片，其特征在于:

所述的光谱探测芯片的结构为：在探测器部件(1)上依次为第一高反射层(2)，纳米压印制作的阶梯状中间层(3)，第二高反射层(4)，带通滤光片(5)，其中带通滤光片通过外部支架悬架于探测器结构框架之上；

所述的阶梯状中间层(3)的材料为紫外纳米压印胶或热纳米压印胶，采用纳米压印技术制作，其阶梯状中间层(3)为一维阶梯状或者二维阶梯状介质层，台阶个数和探测器像元相匹配，台阶厚度由需要探测的波段范围和设计的分辨率决定。

2.一种基于权利要求1所述，基于集成微腔的光谱探测芯片的光谱重构方法，其特征在于方法如下：首先，利用精密光谱设备对探测器像元的光谱响应进行标定，提取出不同台阶所对应像元的光响应谱；其次，取对应不同台阶的探测器像元的光谱向量组成透射矩阵T，T中每行代表对应探测器像元的光谱离散值，且行数和台阶数一致，光谱向量所选用的波段应为该器件的有效探测波段，光谱向量离散点个数应与台阶数匹配，满足所述的透射矩阵T为满秩方矩阵。

按如下公式进行重构：

F＝T-1Y

其中，所述的列向量F为最终获得的样品光谱在所选择波段的离散值；所述的列向量Y为不同阶梯所对应的探测器像元响应值。

说明书

一种基于集成微腔的光谱探测芯片及重构方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光谱测量仪器技术领域，具体涉及一种光谱探测芯片，特别涉及一种基于多通道法布里珀罗分光原理的集成微腔光谱探测芯片。

背景技术

[0002] 光谱学是一门主要涉及物理学及化学的重要交叉学科，人们可以通过光与物质作用前后光谱的变化来分析物质的成分和结构。由于光谱分析具有速度快、效率高、成本低、可重现性好等优点，被广泛应用于尾气分析、农作物生产检测、大气检测、食品检测、药品检测、临床疾病检测、商品鉴定等多种领域。

[0003] 目前市面上大部分光谱仪基于棱镜分光、光栅分光或傅里叶干涉变换的原理，其体积庞大、抗震能力低，只能应用于车间、实验室等固定场所，无法满足现场检测和野外检测的需求。

[0004] 近几年来，微型光谱仪发展十分迅速，最具代表性的是美国海洋光学公司发明的光纤光谱仪，其分光系统加上探测器系统能做到饭盒大小。但是由于其采用光栅分光原理，分辨率与光栅到探测器的距离成反比，即距离越近，分辨率越低，因此限制了其进一步的发展。

[0005] 2013年申请号为201310132029.0的专利公布了一种利用集成滤光片和阵列探测器获得透射光谱曲线，再通过非负矩阵满秩分解的方法进行光谱重构，最终获得样品光光
谱的方案。利用该方案能制作芯片级的光谱探测器，但是该方案存在几点不足：

[0006] 1、制作多通道滤光片需要反复套刻，工艺复杂；

[0007] 2、直接在探测器芯片上进行刻蚀会因为离子轰击的影响对原有的探测器芯片造成不可逆的损伤；

[0008] 3、通过非负矩阵满秩分解求伪逆得到的解是该方程的最小二阶范数解，然而最小二阶范数解在一般情况下并不是样品光谱解，之后通过滤波等手段也很难还原出样品光谱
解。

发明内容

[0009] 有鉴于此，本发明利用集成法布里玻罗分光原理和纳米压印技术，提供一种基于集成微腔的光谱探测芯片及重构方法。

[0010] 本发明的光谱探测芯片，其特征在于，包括：从下往上依次为探测器部件 1、第一高反射层2、纳米压印制作的阶梯状中间层3、第二高反射层4、带通滤光片5。

[0011] 所述的探测器部件1为阵列探测器芯片，可将入射光信号转化为电信号输出，包括热探测器、本征探测器、非本征探测器、光发射探测器和量子阱探测器芯片。

[0012] 所述的高反射层2、4为高、低折射率材料交替生长的介质反射层，对所选定波段的光有高的反射率。其材料包括:Si、Ge、Ta2O5、TiO2、Nb2O5、Bi2O3、 CdS、CdTe、CeO2、CdSe、Gr2O3、金刚石、Dy2O3、Fe2O3、GaAs、HfO2、Ho2O3、 InAs、InSb、In2O3、PbTe、PbCl2、PbF2、Se、Sb2O3、Sb2S3、SnO2、Si3N4、 Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO2、Al2O3、AlOxNy、AlF3、BiF3、BaF2、CaF2、 CeF3、CsBr、CsI、Eu2O3、Gd2O3、LiF、LaF3、La2O3、MgF2、MgO、NaF、 Na3Al3F6、Nd2O3、NdF3、Pr6O11、Sc2O3、SrF2、SmF3、Sm2O3、ThF4、YbF3、 Y2O3、ZrO2。

[0013] 所述的阶梯状中间层3材料为紫外纳米压印胶或热纳米压印胶，采用纳米压印技术制作，其阶梯状中间层(3)为一维阶梯状或者二维阶梯状介质层，台阶个数和探测器像元相匹配，台阶厚度主要由需要探测的波段范围和设计的分辨率决定，据经验所得，其厚度所在区间为[0,10μm]。其与上下高反射层2、4 结合，形成法布里珀罗滤光片，能让特定波长的光通过，不同厚度中间层的共振波长不同，因此透过不同波长的光，达到多通道滤光的目
的。其中，纳米压印技术包括紫外纳米压印技术和热纳米印技术。

[0014] 所述的阶梯状中间层3的材料为紫外纳米压印胶或热纳米压印胶，采用纳米压印技术制作，其阶梯状中间层(3)为一维阶梯状或者二维阶梯状介质层，台阶个数和探测器像元相匹配，台阶厚度由需要探测的波段范围和设计的分辨率决定。

[0015] 所述的带通滤光片5为镀有高、低折射率材料的介质带通滤光片，将探测波段以外的光都滤掉。其材料包括:Si、Ge、Ta2O5、TiO2、Nb2O5、Bi2O3、CdS、 CdTe、CeO2、CdSe、Gr2O3、金刚石、Dy2O3、Fe2O3、GaAs、HfO2、Ho2O3、 InAs、InSb、In2O3、PbTe、PbCl2、PbF2、Se、Sb2O3、Sb2S3、SnO2、Si3N4、 Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO2、Al2O3、AlOxNy、AlF3、BiF3、BaF2、CaF2、 CeF3、CsBr、CsI、Eu2O3、Gd2O3、LiF、LaF3、La2O3、MgF2、MgO、NaF、 Na3Al3F6、Nd2O3、NdF3、Pr6O11、Sc2O3、SrF2、SmF3、Sm2O3、ThF4、YbF3、 Y2O3、ZrO2。其通过外部支架悬架于第二高反射层4之上。

[0016] 所述的探测器光谱由满秩方矩阵光谱重构技术得到，该光谱重构技术包括以下步骤：

[0017] (a)利用精密光谱设备(如傅里叶光谱仪、光栅光谱仪)对探测器像元的光谱响应进行标定，提取出不同光通道所对应像元的光响应谱In，其中In为一维行向量，代表第n个探测器的光响应谱，In大小为1×m，，m代表滤光片通道数，在测量波段内等间距取值，m越大，取值越精细，分辨率越高。

[0018] (b)将所有的In组成方矩阵T，其中T矩阵每一行代表不同探测器的光响应谱，其中要求探测器响应光谱的离散值数目和滤光片通道数相同。

[0019]

[0020] (c)将样品光谱照射至探测器芯片上，提取对应像元的响应值yn，组成列向量Y，其中yn代表第n个探测器像元的响应值。

[0021]

[0022] (d)利用公式F＝T-1Y，反解出出射光谱F。

[0023] 由于整个反演过程采用满秩方矩阵求逆的方法，其重构结果具有唯一性和准确性。

[0024] 本发明的优点如下：

[0025] 1、直接将分光结构与探测器单片集成，使探测器本身就具备光谱分辨能力，去掉了结构复杂、体积庞大的传统分光系统。

[0026] 2、采用纳米压印技术制作阶梯状中间腔层，避免了多次套刻刻蚀的复杂工艺，能大面积快速制作阶梯状中间腔层。同时，也能避免由于等离子体刻蚀对器件造成的不可逆
的损伤。

[0027] 3、由于滤光片通道数可以做到足够多，所以可以采用方矩阵光谱反演技术进行快速重构，在保证分辨率的同时，其方程的光谱解是唯一的，因此能够准确反映出原始光谱的信息。

[0028] 下面结合附图和具体实施方式进行进一步说明。

附图说明

[0029] 图1为本发明实施例1的光谱探测芯片结构示意图。

[0030] 图2为本发明实施例1的带通滤光片透射率谱。

[0031] 图3为本发明实施例1的光谱探测芯片的制作方法示意图。

[0032] 图4为本发明实施例1的可见波段探测器像元的光响应谱图。

[0033] 图5为本发明实施例1的可见波段探测器像元的光谱重构图，其中实线代表原始光谱图，虚线代表通过光谱反演算法还原的光谱图样。

[0034] 图6为本发明实施例2的带通滤光片透射率谱。

[0035] 图7为本发明实施例2的可见波段探测器像元的光响应谱图。

[0036] 图8为本发明实施例2的可见波段探测器像元的光谱重构图，其中实线代表原始光谱图，虚线代表通过光谱反演算法还原的光谱图样。

[0037] 图9为本发明实施例3的红外光谱探测芯片结构示意图。

[0038] 图10为本发明实施例3的红外波段探测器像元的光谱重构图，其中实线代表原始光谱图，虚线代表通过光谱反演算法还原的光谱曲线。

具体实施方式

[0039] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0040] 实施例一

[0041] 在本实施例中，我们展示可见光波段的光谱探测芯片及利用紫外纳米压印技术制作阶梯状中间腔层的方法。

[0042] 芯片级光谱仪结构如图1所示，其中：1为普通阵列探测器，这里选用黑白CCD芯片；2为第一介质高反射膜，选用材料为Ta2O5和SiO2；3为利用紫外纳米压印技术制作的二维阶梯状中间腔层；4为第二介质高反射膜，选用材料为Ta2O5和SiO2；5为带通滤光片。

[0043] 介质反射膜2结构为:λ＝633nm,H-Ta2O5,L-SiO2，(LH)5 1.4L。

[0044] 介质反射膜4结构为:λ＝633nm,H-Ta2O5,L-SiO2，(HL)5。

[0045] 阶梯状中间腔层3为二维网格阶梯状介质层，本实施例中采用16×16级阶梯，阶梯高度离散分布于区间(0nm，200nm)。

[0046] 带通滤光片5结构为:衬底材料为有色玻璃；前表面膜层λ＝530nm,H-TiO2, L-SiO2，0.95H 0.87L 0.83H 0.77L 0.85H 0.85L 0.88H 0.91L 0.92H 0.92L 0.89H 0.90L 
0.90H 0.91L 0.72H 0.81L 0.93H；后表面膜层λ＝775nm,H-TiO2,L-SiO2，1.17H 1.18L 
1.94H 1.20L 1.15H 1.15L 1.21H 1.26L 1.38H 1.55L 1.40H 1.17L 1.13H 1.18L 1.29H 
1.51L 1.81H 1.42L 2.16H 1.54L 1.36H 1.36L 2.05H 1.67L 1.55H 1.73L 1.50H 1.48L 
2.27H 1.40L 1.59H。其作用为：只让620nm～680nm范围波段的光透过，透射谱如图2所示。

[0047] 光谱芯片的制作流程如图3所示：

[0048] (1)在CCD芯片上利用电子束蒸镀介质高反射膜(λ＝633nm,H-Ta2O5, L-SiO2，(LH)5 1.4L)。

[0049] (2)在反射膜上旋涂紫外纳米压印胶，将二维阶梯状紫外纳米压印模板压在纳米压印胶上，进行紫外曝光固化。

[0050] (3)揭掉模板，形成阶梯状的介质层。

[0051] (4)在压印介质层上蒸镀介质高反射膜(λ＝633nm,H-Ta2O5,L-SiO2，(HL)5)。至此，完成光谱芯片的制作。该光谱芯片响应波段为620nm-680nm，分辨率为 0.4nm。

[0052] (5)利用光栅光谱仪对探测器像元的光响应谱进行标定，标定示意图如图4 所示，为了简明起见，这里只展示了其中50个通道的探测器响应示意图。

[0053] 将对应不同通道的探测器像元响应谱提取出来组成256×256的方矩阵，将该矩阵命名为透过率矩阵T。T中每一行代表对应探测器像元的响应光谱在 600nm～700nm的256个
离散值。

[0054] 当外界平行光垂直照射在探测器上，不同通道处探测器像元的响应值用向量表示为：Y＝[y1y2y3…y256]；其中yn代表第n个探测器像元响应值。

[0055] 则样品光谱为：F＝T-1Y

[0056] 对反解出的光谱F进行滤波，完成光谱反演，其样品光谱和反演光谱如图 5所示，二者非常吻合，可以很好地重构出样品的光谱。

[0057] 实施例二

[0058] 在本实施例中，我们展示了可见光波段的光谱探测芯片及利用热纳米压印技术制作阶梯状中间腔层的方法。

[0059] 芯片级光谱仪结构如图1所示，其中：1为普通阵列探测器，这里选用黑白CCD芯片；2为第一介质高反射膜，选用材料为Ta2O5和SiO2；3为利用紫外纳米压印技术制作的二维阶梯状中间腔层；4为第二介质高反射膜，选用材料为Ta2O5和SiO2；5为带通滤光片。

[0060] 介质反射膜2结构为:λ＝633nm,H-Ta2O5,L-SiO2，(LH)5 1.4L。

[0061] 介质反射膜4结构为:λ＝633nm,H-Ta2O5,L-SiO2，(HL)5。

[0062] 阶梯状中间腔层3为二维网格阶梯状介质层，本实施例中采用16×16级阶梯，阶梯高度离散分布于区间(0nm，200nm)。

[0063] 带通滤光片5结构为:衬底材料为有色玻璃；前表面膜层λ＝530nm,H-TiO2, L-SiO2，0.95H 0.87L 0.83H 0.77L 0.85H 0.85L 0.88H 0.91L 0.92H 0.92L 0.89H 0.90L 
0.90H 0.91L 0.72H 0.81L 0.93H；后表面膜层λ＝775nm,H-TiO2,L-SiO2， 1.17H 1.18L 
1.94H 1.20L 1.15H 1.15L 1.21H 1.26L 1.38H 1.55L 1.40H 1.17L 1.13H 1.18L 1.29H 
1.51L 1.81H 1.42L 2.16H 1.54L 1.36H 1.36L 2.05H 1.67L 1.55H 1.73L 1.50H 1.48L 
2.27H 1.40L 1.59H。其作用为：只让相应波段的光透过，透射谱如图6所示。

[0064] 光谱芯片的制作流程如图3所示：

[0065] (1)在CCD芯片上利用电子束蒸镀介质高反射膜(λ＝633nm,H-Ta2O5, L-SiO2，(LH)5 1.4L)。

[0066] (2)在反射膜上旋涂热固型纳米压印胶，将二维阶梯状纳米压印模板压在热固型纳米压印胶上，施加0.5～1.5个大气压的压力(所施加的压力应注意不损坏CCD探测器芯
片)，对压印胶进行加热使之固化。

[0067] (3)揭掉模板，形成阶梯状的介质层。

[0068] (4)在压印介质层上蒸镀介质高反射膜(λ＝633nm,H-Ta2O5,L-SiO2，(HL)5) 至此，完成光谱芯片的制作。该光谱芯片响应波段为620nm-680nm，分辨率为 0.4nm。

[0069] (5)利用光栅光谱仪对探测器像元的光响应谱进行标定，标定示意图如图7 所示，为了简便起见，这里只展示了其中50个通道的探测器响应示意图。

[0070] 将对应不同通道的探测器像元响应谱提取出来组成256×256的方矩阵，将该矩阵命名为透过率矩阵T。T中每一行代表对应探测器像元的响应光谱在 600nm～700nm的256个
等间距离散值。

[0071] 当外界平行光垂直照射在探测器上，不同通道处探测器像元的响应值用向量表示为：Y＝[y1y2y3…y256]；其中yn代表第n个探测器像元响应值。

[0072] 则样品光谱为：F＝T-1Y

[0073] 对反解出的光谱F进行滤波，完成光谱反演，其样品光谱和反演光谱如图 8所示，二者非常吻合，可以很好地重构出样品的光谱。

[0074] 实施例三

[0075] 在本实施例中，我们展示红外光波段的光谱探测芯片及利用紫外纳米压印技术制作阶梯状中间腔层的方法。

[0076] 芯片级光谱仪结构如图1所示，其中：1为红外面阵探测器，这里选用低温碲镉汞红外探测器芯片；2为第一介质高反射膜，选用材料为Si和SiO；3 为利用紫外纳米压印技术制作的中间腔层；4为第二介质高反射膜，选用材料为Si和SiO；5带通滤光片。

[0077] 探测器1选用法国Sofradia的MARS MW探测器芯片及相应组件。

[0078] 介质反射膜2结构为:λ＝3833nm,H-Si,L-SiO，(LH)5 1.4L。

[0079] 介质反射膜4结构为:λ＝3833nm,H-Si,L-SiO，(HL)5。

[0080] 阶梯状中间腔层3为二维网格阶梯状介质层，本实施例中采用16×16级阶梯，阶梯高度离散分布于区间(0nm，200nm)。

[0081] 带通滤光片5为MARS MW探测器自带的滤光片和自制的后截止滤光片的组合，透过3.7μm～4.4μm范围的红外光。MARS MW探测器自带的滤光片的透射范围为3.7μm-4.8μm，后截止滤光片结构为：λ＝5150nm,H-Si,L-SiO， (HL)8，将4.4μm～4.8μm的光截止。

[0082] 光谱芯片的制作流程如图3所示：

[0083] (1)在红外探测器芯片上利用电子束蒸镀介质高反射膜，λ＝3833nm,H-Si, L-SiO,(LH)5 1.4L。

[0084] (2)在反射膜上旋涂紫外纳米压印胶，将二维阶梯状紫外纳米压印模板压在纳米压印胶上，进行紫外曝光固化。

[0085] (3)揭掉模板，形成阶梯状的介质层。

[0086] (4)在压印介质层上蒸镀介质高反射膜，λ＝3833nm,H-Si,L-SiO,(HL)5。至此，完成光谱芯片的制作。该光谱芯片响应波段为3800nm-4300nm，分辨率为 2nm。

[0087] (5)用傅里叶光谱仪对探测器像元的光响应谱进行标定，标定示意图如图9 所示，为了简明起见，这里只展示了其中50个通道的探测器响应示意图。

[0088] 将对应不同通道的探测器像元响应谱提取出来组成256×256的方矩阵，将该矩阵命名为透过率矩阵T。T中每一列代表对应探测器像元的响应光谱在 3800nm～4300nm的256
个等间距离散值。

[0089] 当外界平行光垂直照射在探测器上，不同通道处探测器像元的响应值用向量表示为：Y＝[y1y2y3…y256]；其中yn代表第n个探测器像元响应值。

[0090] 则样品光光谱为：F＝T-1Y

[0091] 对反解出的光谱F进行滤波，完成光谱反演。其样品光谱和反演光谱如图 10所示，二者非常吻合，可以很好地重构出样品的光谱。

[0092] 虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求
所限定的范围之内。