[发明专利]基于滤光器阵列的光谱分析模组提高分辨率的方法在审

专利信息
申请号: 202011022860.7 申请日: 2020-09-25
公开(公告)号: CN114252154A 公开(公告)日: 2022-03-29
发明(设计)人: 孙志军 申请(专利权)人: 厦门脉驰科技有限公司
主分类号: G01J3/28 分类号: G01J3/28
代理公司: 厦门市天富勤知识产权代理事务所(普通合伙) 35244 代理人: 顾克帅
地址: 361000 福建省*** 国省代码: 福建;35
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摘要:
搜索关键词: 基于 滤光 阵列 光谱分析 模组 提高 分辨率 方法
【说明书】:

本发明提供了对基于具有金属微纳结构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规划,其中将所有滤光器单元划分为若干个滤光器单元群,通过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,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。本发明提供的方法使对滤光器单元的纵向结构参数进行调变的工艺变得简单、可控,克服了仅靠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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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、CN110243471 A、CN 10954311 A、CN109564323 A、等;美国发明专利US 8542359 B2、US7426040 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。

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。

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)。

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Δλ5nm)以满足许多不同应用的需要的。

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Δz5nm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)。

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