光譜儀在材料分析、天文學、食品化學以及醫學診斷等許多領域都有應用。市場需求正在迅速增長，但光譜儀的尺寸阻礙了其在更廣泛領域的普及。因此，市場急需高性能的緊湊型光譜儀，不斷縮小光譜傳感器尺寸已成為當前的研究熱點。為了使光譜儀小型化，已經進行了各種嘗試，例如傳統的色散方法、傅里葉變換干涉技術（FTI），以及使用帶有隨機濾波器陣列和窄帶通濾波器的探測器等。

與色散和傅里葉變換干涉系統相比，濾波器陣列與探測器的集成，由于無需長光路和光學元件的精確對準來獲得高分辨率而具有優勢。此外，將濾波器陣列與電荷耦合器件（CCD）或CMOS圖像傳感器（CIS）等探測器集成，可以通過單次捕捉二維圖像實現高光譜成像。特別是，與隨機濾波器方案相比，窄帶通濾波器陣列的集成無需進行后處理分析。然而，為了獲得高分辨率需要大量的信道，意味著更復雜的制造工藝，例如蝕刻和沉積，因為每個信道都需要不同厚度的薄膜。

為了解決這個問題，有研究使用組合蝕刻技術來制造多信道。業界對光譜儀中使用的窄帶通濾波器的諧振結構進行了研究，但大多數研究僅限于改變電介質多層膜的厚度，以形成不同波長和品質因數的光學腔。這對于器件的大規模生產很麻煩，因為它需要過多的電介質沉積、蝕刻和光刻步驟，尤其是在像素尺寸級別的制造工藝。

據麥姆斯咨詢介紹，三星高級技術研究所光子器件實驗室的Jaesoong Lee及其同事通過將被稱為超表面的亞波長納米結構集成到直接位于CMOS圖像傳感器頂部的帶通濾波器陣列中，開發出了一種緊湊型超光譜（meta-spectral）圖像傳感器。由于窄帶通濾波是通過亞波長光柵結構而不是通過改變層的厚度來調諧的，因此所有信道都可以通過一步光刻工藝制造。這種方案簡化了制造，并且與CMOS工藝完全兼容。這種緊湊型超光譜圖像傳感器具有窄帶高效率、與相鄰信道的低串擾和高光譜分辨率。利用該器件，研究人員從波長混合圖像中獲得了高光譜圖像。

超光譜圖像傳感器示意圖

超光譜圖像傳感器制造

研究人員在CMOS圖像傳感器晶圓（三星S5K4E8）上采用標準的潔凈室工藝（包括PECVD和干法蝕刻）制作了超表面帶通濾波器陣列。首先，研究人員為底部介質反射器沉積了多層硅和二氧化硅；然后利用電子束光刻定義納米柱陣列；再使用電感耦合等離子體反應離子刻蝕（ICP-RIE）形成納米柱陣列，并再次沉積二氧化硅以填充納米柱之間的間隙；然后進行化學機械拋光（CMP）工藝，以平整二氧化硅頂面；最后，為頂部反射器沉積了一層由硅和二氧化硅制成的多層膜。

超光譜圖像傳感器制造過程示意圖

高光譜成像

為了驗證演示其高光譜成像性能，研究人員拍攝了由3 x 5顆多波長LED組成的LED面板的光譜圖像。每顆LED可以發射多個波長的組合，這些波長被選擇以顯示以下大寫字母：770 nm顯示“S”，810 nm顯示“I”，850 nm顯示“A”，950 nm顯示“T”，如下圖（a）底部所示。

超光譜成像儀的高光譜成像演示

作為概念證明，研究人員拍攝了一張所有LED都打開的面板照片，如上圖（b）頂部所示。圖像中的所有字母都無法區分，因為面板上的所有LED都已打開。通過將這個組合圖像分成20個信道，如上圖（b）底部所示，研究人員發現了隱藏的“SAIT”字母。在對應829.1 nm的信道11處，由于810 nm和850 nm LED的寬帶發射，“I”和“A”被結合在一起。對于更長的波長（信道12和信道13），研究人員觀察到字母“I”變得更模糊，而字母“A”變得更清晰。通過實驗結果，研究人員證實了這款超光譜圖像傳感器具有良好的光譜成像性能。

結語

研究人員提出了一種基于超表面濾波器陣列的緊湊型光譜圖像傳感器，并對其高光譜成像性能進行了實驗驗證。直接集成在CMOS圖像傳感器上的超表面帶通濾波器陣列，可以生成高分辨率高光譜圖像，無需長光路和光學元件的精確對準。此外，由于與CMOS工藝完全兼容，因此它還與傳統手機應用的CMOS圖像傳感器兼容，可以高可靠地應用于各種便攜式設備。隨著進一步的改進，研究人員預計該器件有望開發成為光譜成像的新平臺，開辟生物傳感、食品檢測和移動醫療等應用的新時代。