一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪制造技术

本发明专利技术提供了一种基于适度随机光学共振响应的芯片光谱仪，包括：适度随机光学共振响应光调制层，感光元件，透明保护窗组成

【技术实现步骤摘要】
一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪


[0001]本专利技术涉及光谱成像技术以及微纳光学器件领域，尤其涉及一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪
。

技术介绍

[0002]光谱仪是一种获取入射光频谱信息的检测仪器
。
光谱携带着丰富的信息，可广泛用于食品卫生
、
天文
、
农业
、
生物医学应用
、
化学
、
环境检测
、
荧光测量等领域
。
[0003]传统的光谱仪需要借助分光元件将入射的复色光分解成不同波长的单色光，然后将不同波长光衍射到不同的空间位置，而后通过图像传感器测出一定波长范围内的光谱
。
但是，高分辨率的光谱仪其分光元件通常体积较大，制作成本高，安装调试复杂且要求高
。
[0004]基于采用不同形状，规则排布的微纳结构单元对入射光进行光调制，而后通过算法可以从探测器中反演出入射光的频谱信息，该种方式为微型光谱仪提供了新的思路
。
这种方式可以实现光谱仪的小型化，便捷化，从而拓展了光谱仪的应用场景
。
[0005]然而现有报道的利用微结构制备而成的光谱仪器件需要精确设计结构，并需要对微小单元结构进行精确加工才能满足测试需要；而微小单元结构的精确加工大大提升了器件的加工难度
、
急剧增加加工成本
、
降低加工效率
。
因此，如何提出一种可集成度高<br/>、
体积小
、
加工成本低的芯片光谱仪成为急于解决的问题
。
[0006]本专利技术提供了一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪，其中适度随机光学共振响应薄膜包含众多光学响应不同的微小单元，这些微单元的面积与图像传感器的感光单元相当；实验中，将对入射光频谱信息的响应投射到感光单元上，而后通过人工智能等算法进行学习训练，并建立起入射光频谱信息与感光单元测得的光强矩阵之间的映射关系，从而获得高稳定性
、
高准确度的频谱信息，以及频谱图像
。
本专利技术中的适度随机光学共振响应薄膜可以在微纳加工过程中天然形成，无需复杂的参数控制，因此降低了器件制备难度与加工成本
。
除此之外，采用人工智能算法进行学习训练，将有效提升光谱分辨率
。
这为制备高度集成，高效率的芯片光谱仪提供了全新的研究方案
。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于提供一种基于基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪，用于解决器件的制备难度大
、
高昂的加工成本
、
低稳定以及低效率的问题，实现高精度
、
高稳定性
、
高度集成度的芯片光谱仪
。
[0008]本专利技术提供的一种基于基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪，包括感光元件
、
感光元件上的随机分布的微纳结构阵列的光调制层以及透明保护窗
。
[0009]本专利技术中，所述的光调制层是由众多面积不一的微纳结构阵列微小单元构成，不同微小单元内的微纳结构数量不一定相同，且微纳结构的大小分布是不均匀的，每个所述的微小单元面积大小为
0.2 μ
m2~ 20000 μ
m
2 ；不同微小单元对入射光的调制效果也不尽相同
。
[0010]本专利技术中，所述的不同微小单元构包括但不限于以下类别，如：由自组装过程中随机形成的微区
、
单个微小结构
、
随机分布的单个量子点
、
单个纳米颗粒以及二维材料等
。
其中微小单元内的微结构数量以及尺寸的不同，导致微结构单元的光学共振响应不同
。
[0011]本专利技术中，所述的光调制层与感光元件结合，光调制层中微纳结构微区并非一定要与感光单元一一对应，有些大面积较大的微小单元可以覆盖多个感光单元，反之，存在某些感光单元对应多个微小单元
。
[0012]本专利技术所述的随机分布的微结构阵列可以采用微球自组装技术
、
材料沉积技术和等离子体刻蚀技术进行加工制备；本专利技术实施中所提供的一种制备方式：即先将不同粒径的微球溶液均匀混合在一起，其中微球粒径的变化范围在 0.2 μ
m ~ 10 μ
m
；而后采用微球自组装技术将微球单层排列在透明基底上，由于微球自组装过程的无序性，使得形成了天然随机分布的微小单元；由于微结构的随机分布以及尺寸不一使得相邻微区对不同波长的入射光的调制能力产生差异
。
需注意的是这里微结构可以是平面结构，也可以是三维结构，结构形貌不限于如：圆孔
、
星形
、
十字形
、
多边形等
。
[0013]本专利技术中，制备好纳米结构阵列表面正对或转移到感光元件表面，目的是缩小结构与感光阵列的距离，减小因为衍射带来的误差
。
[0014]本专利技术中，所述的基底以及透明保护窗可以采用石英或者其他透明材料
。
[0015]根据本专利技术提供的一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪，每个微小单元内微结构的数量，尺寸大小均不相同且随机分布，每个像素单元所对应的微结构阵列对不同波长光的调制作用不同，充分利用微随机分布，以及动态可调的微小单元内部微尺寸分布不同这两个自由度，得到对入射光丰富的调制作用，提高了反演光谱的精度，而后借助人工智能算法实现对入射光谱的高精度测量
。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有的技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单介绍
。
[0017]图1为本专利技术实施例提供的一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪的纵向结构示意图
。
[0018]图2为本专利技术实施例提供的一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪中的光调制层的横向结构示意图
。
[0019]图3本专利技术实施例提供的一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪中的光调制层中微小单元可能出现的几种类型示意图：图
a
是通过自组装所形成的随机分布，面积大小不一的微小单元；且每个微小单元因排布晶向不同，为小单元内的微纳结构也有所不同，如图
a
右方上下两图所示；图
b
旨在说明单个微小单元可以是单个结构，量子点或单个颗粒等，其形貌，晶向，尺寸有所不同；图
c
表示微小单元可以是二维材料，其亦可满足要求
。
[0020]图4为本专利技术实施例提供的一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪中可能出现的情况（光调制层（左）和感光元件（右）的纵向结构示意图）
。
具体实施方式
[0021]下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪，其特征在于：该光谱仪由位于感光元件（1）上的适度随机光学共振响应薄膜光调制层（2）以及透明保护窗（3）组成；所述适度随机光学共振响应薄膜包含众多空间上随机分布的
、
光学响应不一的微小单元，每个微小单元面积与单个感光单元相当，微小单元的光学共振响应可以在任意波长或波段范围内
。2. 根据权利要求1所述的一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪，其特征在于： 适度随机光学共振响应薄膜中微小单元包括但不限于以下类别，如：由自组装过程中随机形成的微区
、
单个微小结构
、
随机分布的单个量子点
、
单个纳米颗粒以及二维材料等
。3. 根据权利要求1所述的一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪，其特征在于：所述的光学响应微小单元的面积大小为
0.001 um
2 ~ 20000 um2，并随机分布
。4.
每个感光单元平均对应1个或者1个以上的光学响应微小单元，因而相邻感光单元所对应的光学共振响应是不同的
。5.
根据权利要求1所述的一种基于适度随机光学共振响应薄膜的芯片光谱仪，其特征在于：其适度随机光学共振响应薄膜薄膜可以由二维材料
、
钙钛矿
、
微米或者纳米颗粒
、
量子点
、
人工金属或者介质结构
、
多轴光子晶体薄膜等组成
。...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯宜栋，黄珊珊，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：