三星高級技術(shù)研究所（Samsung Advanced Institute of Technology，簡稱SAIT）光子器件實驗室的一個研究團(tuán)隊開發(fā)出了一款緊湊型超光譜圖像傳感器，并對其高光譜成像性能進(jìn)行了驗證。
該研究團(tuán)隊將一種被稱為超表面的亞波長納米結(jié)構(gòu)，集成到CMOS圖像傳感器頂部的帶通濾波器陣列中。窄帶通濾波的調(diào)諧手段是通過亞波長光柵結(jié)構(gòu)，不再需要通過改變層的厚度來調(diào)諧，因此，所有信道都可以在一道光刻工藝中完成，從而簡化了生產(chǎn)流程。同時，這種設(shè)計可以與CMOS工藝完美兼容。
通過將超表面帶通濾波器陣列集成到CMOS圖像傳感器上，不需要將光學(xué)器件和長光路進(jìn)行精確對準(zhǔn)，就可以生成高分辨率的高光譜圖像。
超光譜圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
研究人員先在CMOS圖像傳感器晶圓的底部介質(zhì)反射器上沉淀了多層硅和二氧化硅，再利用電子束光刻對納米陣列進(jìn)行定義，接著使用電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕形成納米柱陣列，然后進(jìn)行二氧化硅再次沉淀，來對納米柱之間的空隙進(jìn)行填充，隨后采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝對二氧化硅頂面進(jìn)行平整。一個由硅和二氧化硅組成的多層膜就制作成功了。
這就是超表面帶通濾波器陣列的制作過程，整個制作都是采用了標(biāo)準(zhǔn)的潔凈室工藝，包括干法蝕刻和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積。
這款緊湊型超光譜圖像傳感器具有與相鄰信道串?dāng)_低、光譜分辨率高和窄帶通效率高等特點。研究人員利用該緊湊型超光譜圖像傳感器從波長混合圖像中，獲取了高光譜圖像。
研究人員對一個由15顆多波長LED組成的LED面板（三行五列）的光譜圖像進(jìn)行了拍攝，來檢驗這款緊湊型超光譜圖像傳感器的高光譜成像性能。LED面板中的每顆LED都可以發(fā)射多個波長的組合，每個波長的光會顯示不同的大寫字母：950nm的光顯示T，850nm的光顯示A，810nm的光顯示I，770nm的光顯示S。
研究人員專門拍攝了一張所有LED都打開時的面板照片，結(jié)果圖像中的字母全部都無法區(qū)分。如果將這個組合圖像分成20個信道，可以區(qū)分字母S、A、I、T。因為810nm和850nm LED的帶寬發(fā)射，在對應(yīng)829.1nm的信道11的地方，字母A和I合在了一起。
對于像信道12和信道13這樣更長的波長，字母I變模糊，字母A變得更加清晰。這樣就驗證了這款超光譜圖像傳感器的良好的光譜成像性能。
該超光譜圖像傳感器還能很好的兼容CMOS工藝，可以應(yīng)用在各種便攜式設(shè)備上，比如智能手機(jī)，而且可靠性非常好。隨著研發(fā)的進(jìn)一步深入，這款光譜圖像傳感器有可能在光譜成像領(lǐng)域大放異彩，未來被應(yīng)用到食品檢測、遠(yuǎn)程醫(yī)療和生物傳感方面也是非常有可能的。
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