一种基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片及其制备方法，本发明专利技术宽谱编码阵列滤光片包括基板、第一反射层、调制层和第二反射层；调制层包括多个阵列排布的调制单元，每个调制单元由若干膜堆堆叠而成，且组成同一调制单元的若干膜堆的结构各不相同。调制单元的具体结构由基于协方差的优化函数优化设计得到，从而提高了滤光区块光谱响应的非相关度和滤光片的编码效率。本发明专利技术的制备方法通过单次光刻后多次沉积形成膜堆结构，可制备介质层厚度变化范围显著增大且介质层成分可变的宽谱编码阵列滤光片，简化加工工序，可推广应用于微型光谱芯片/光谱模组/光谱仪等产品，有望广泛应用于便携式工业检测、农业检测、消费电子等领域。子等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片及其制备方法


[0001]本专利技术属于光谱分析
，具体涉及一种基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，得益于微纳加工技术与人工智能算法的进步，计算重构型微型光谱仪应运而生。该方案利用压缩感知、深度神经网络等算法，从一组经宽谱探测器或宽谱滤光片编码的光谱响应中反演入射光谱。为实现光谱重构，需要宽带编码滤光片来获取不同的光谱信息用于后续的神经网络中的处理。
[0003]理论上，通过调节其结构以产生不同宽光谱响应的光学元件都可以作为编码元件，如量子点、纳米线、薄膜、液晶、光子晶体、超表面等。基于薄膜结构的阵列滤光片因其成本低、可批量生产、工艺稳定而成为微型光谱仪产业化中一条颇具竞争力的技术路线。
[0004]传统的二元光刻分离的方法(公开号为CN109932058A的中国专利文献)通过调节中间介质层的腔长，获得不同中心波长的单窄峰透过，无法构造宽带多峰谷光谱从而影响了光谱的有效编码，而且只能制备具有固定梯度厚度变化的编码滤光片，导致其光谱响应区分不明显，非相关性低。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片及其制备方法，该制备方法提出了设置基于协方差的目标优化函数来优化设计滤光区块结构，有效提高了个滤光区块光谱响应的非相关度，进而提高滤光片的编码效率；同时通过设置膜堆结构，利用紫外光刻、磁控溅射等微纳加工技术和薄膜沉积技术，可制备介质层厚度变化范围显著增大且介质层成分可变的宽谱编码阵列滤光片，并简化加工工序。由该制备方法制备的阵列滤光片的单个滤光区块尺寸为微米级，可大幅减小光谱芯片、光谱模组、光谱仪的物理尺寸，实现相关产品批量化生产。
[0006]一种基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片，包括基板；
[0007]还包括依次沉积于基板上的第一反射层、调制层和第二反射层；
[0008]调制层包括多个阵列排布的调制单元，每个调制单元与对应的第一反射层、第二反射层和基板共同组成一个滤光区块；
[0009]每个调制单元由若干膜堆堆叠而成，且组成同一调制单元的若干膜堆的结构各不相同。
[0010]上述结构中，调制单元由大于等于0个膜堆堆叠而成，当一个调制单元由大于等于2的多个膜堆组成时，组成该调制单元的多个膜堆的结构各不相同。
[0011]在本专利技术中，所述探测全波段(工作波段)为紫外
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可见
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红外波段，根据需要选择具体波段。
[0012]作为优选，基板材料为透明材料，在紫外
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可见
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近红外波段选自玻璃或塑料；优选
的，所述基板为K9玻璃或PET塑料；
[0013]在中远红外波段选自硅、锗、硫化锌、硒化锌、氟化钇、氟化镱等氟化物。
[0014]作为优选，膜堆选用工作波段内的透明材料或低吸收材料。
[0015]同时我们对上述结构进一步优化，改善每一次镀膜时的膜堆组成，比如可以选取若干种材料形成一个若干膜层的膜堆，每一种材料对应的镀膜厚度可以通过前期设计得到。这样得到的滤光片在非相关光谱响应等方面都会具有更好的优势。
[0016]作为优选，所述膜堆为高、低折射率材料层交替堆叠的多层全介质膜。
[0017]作为进一步优选，在紫外
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可见
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近红外波段，高折射率材料选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌中的一种或至少两种的组合；低折射率材料选自二氧化硅、三氧化二铝、金属氟化物中的一种或至少两种的组合；
[0018]在中远红外波段，高折射率材料选自硅、锗、硫化锌、硒化锌中的一种或至少两种的组合；低折射率材料中远红外波段选自硫化锌、硒化锌、金属氟化物的一种或至少两种的组合。
[0019]作为更进一步优选，所述金属氟化物可以为氟化镱。
[0020]作为进一步优选，所述膜堆的层数为1～50层。进一步优选为3～20层。更进一步优选为3～10层。
[0021]作为进一步优选，膜堆中单层膜的厚度为5～3000nm。各层厚度可以相同也可以不同。
[0022]作为优选，第一反射层、第二反射层各自独立地为高、低折射率材料层交替堆叠而成的多层介质膜或单层金属膜。
[0023]作为进一步优选，当第一反射层、第二反射层各自独立地为高、低折射率材料层交替堆叠而成的多层介质膜时：
[0024]介质膜材料在紫外
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可见
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近红外波段选自二氧化硅、三氧化二铝、金属氟化物、二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌中的一种或至少两种的组合；
[0025]介质膜材料在中红外波段选自硅、锗、硫化锌、硒化锌、金属氟化物中的一种或至少两种的组合。
[0026]更近一步地，金属氟化物可以是氟化镱。
[0027]作为进一步优选，当第一反射层、第二反射层分别为单层金属膜时，金属膜材料选自金、银、铝、铜中的一种或至少两种的合金。
[0028]作为进一步优选，所述第一反射层、第二反射层为多层介质膜时，其中单层膜的厚度为5～3000nm。各层厚度可以相同也可以不同。
[0029]作为进一步优选，所述第一反射层、第二反射层为单层金属膜时，单层金属膜的厚度为6
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100nm。第一反射层与第二反射层的厚度可以相同也可以不同。
[0030]所述宽谱编码阵列滤光片中每个滤光区块由上下反射层和中间若干(大于等于0组)膜堆交替堆叠的调制单元组成，膜堆的组成由多个高、低折射率材料膜层交替堆叠而成，膜层的厚度可以相同或不同，不同滤光区块间相同的膜堆的组成与厚度一致，其中某一膜堆采用所述图形化方法和薄膜沉积方法制得所述的结构。
[0031]本专利技术的宽谱编码阵列滤光片由同一基板上不同宽谱编码滤光区块按一定规则排布而成，各滤光片包含共用膜层和独立膜层。单个滤光区块结构，由基底和在基底上沉积
的反射层和调制层组成，构成一个类法布里
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珀罗腔结构，通过改变调制层膜系的组成和厚度来调节宽谱编码滤光片的峰谷个数、中心波长、带宽等。上、下反射层用以提高宽谱编码滤光片的峰谷透过率差值，从而提高编码效率。一般的，反射层为共用膜层，即所有滤光区块均相同；调制层为独立膜层，即所有滤光区块各不相同。具体地，调制层由若干高低折射率膜堆组合而成。
[0032]应当指出的是，本文中所述若干是指大于等于0。
[0033]一种基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片的制备方法，包括：采用图形化技术在基板上实现图形化阵列；在得到的阵列图形上采用薄膜沉积的方法在基板上镀制多层薄膜；随后进行liftoff工艺，得到第一层所需的膜堆。使用设定的掩模板进行多次套刻，并进行薄膜沉积和liftoff工艺，最终获得由多个膜系结构完全不同的滤光区块组成的宽谱编码阵列滤光片。
[0034]一种基于协本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片，包括基板；其特征在于，还包括依次沉积于基板上的第一反射层、调制层和第二反射层；调制层包括多个阵列排布的调制单元，每个调制单元与对应的第一反射层、第二反射层和基板共同组成一个滤光区块；每个调制单元由若干膜堆堆叠而成，且组成同一调制单元的若干膜堆的结构各不相同。2.根据权利要求1所述的基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片，其特征在于，所述膜堆为高、低折射率材料层交替堆叠的多层全介质膜。3.根据权利要求2所述的基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片，其特征在于，在紫外
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可见
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近红外波段，高折射率材料选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌中的一种或至少两种的组合；低折射率材料选自二氧化硅、三氧化二铝、金属氟化物中的一种或至少两种的组合；在中远红外波段，高折射率材料选自硅、锗、硫化锌、硒化锌中的一种或至少两种的组合；低折射率材料中远红外波段选自硫化锌、硒化锌、金属氟化物的一种或至少两种的组合。4.根据权利要求2所述的基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片，其特征在于，所述膜堆的层数为1～50层；膜堆中单层膜的厚度为5～3000nm。5.根据权利要求1所述的基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片，其特征在于，第一反射层、第二反射层各自独立地为高、低折射率材料层交替堆叠而成的多层介质膜或单层金属膜。6.根据权利要求5所述的基于协方差设计的宽谱编码阵列滤光片，其特征在于，当第一反射层、第二反射层各自独立地为高、低折射率材料层交替堆叠而成的多层介质膜时：介质膜材料在紫外
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可见
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近红外波段选自二氧化硅、三氧化二铝、金属氟化物、二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌中的一种或至少两种的组合；介质膜材料在中红外波段选自硅、锗、硫化锌、硒化锌、金属氟化物中的一种或至少两种的组合。7.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨陈楹，邵煜，温俊仁，林杰，高海淇，梁涛，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：