基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片、光谱仪及制备方法技术

本发明专利技术实施例提供一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片、光谱仪及制备方法，所述光谱芯片通过在晶圆级别的图像传感器感光区域制备包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，使光调制层能对待测光进行调制，并将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器不同像素上，得到包含待测光的频谱信息图像。本发明专利技术实施例通过在晶圆级别的图像传感器上制备亚波长高对比度光栅，对光的调制能力更强，并将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器上，使光谱检测不再依赖精密移动的分光部件，不但使光谱检测设备体积和成本降低，也不再需要进行光学部件对准，降低后期维护成本，在晶圆级别的图像传感器上实现单片集成，缩小尺寸，大幅提高器件成品率。

【技术实现步骤摘要】
基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片、光谱仪及制备方法
本专利技术涉及光学器件
，尤其涉及一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片、光谱仪及制备方法。
技术介绍
光谱仪可测量物体表面反射的光线，通过应用光学原理，对物质的结构和成分进行分析和处理，因此被广泛使用。现有商用的光谱仪根据工作原理可分为两种：基于单色仪的和基于傅里叶变换。具体为：基于单色仪原理是指通过光栅将不同波长的光在空间上分开，再用狭缝将不同波长的光滤出来，由光敏元件探测；基于傅里叶变换原理是指将光分成两束，经过不同光程后干涉，对干涉谱进行傅里叶变换得到原始光谱。然而，上述现有的这两类光谱仪，都存在以下问题：一方面，这两类光谱仪都需要精密移动的分光部件，如光栅、棱镜、狭缝或反射镜，这些精密光学部件的需求使光谱仪体积庞大、很重且昂贵。第二方面，光谱仪的各光学部件必须保持极其清洁且完美地对准，才能保证产品使用质量，这就使光谱仪的制造昂贵且使仪器非常精密，一旦光学部件失去对准，则修理上非常复杂，导致维护成本很高。第三方面，这两类光谱仪的精度越高，所要求的光经过的路程越长，则需要的内部空间也越大，难以应用到消费级便携式设备上。因此，如何提出一种体积较小的便携式光谱检测设备，并且不依赖于精密光学部件，成为亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术实施例提供一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片、光谱仪及制备方法，用以解决现有技术中光谱检测设备体积较大的缺陷，实现缩小光谱检测设备尺寸且不依赖于精密光学部件。本专利技术实施例提供一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，包括：晶圆级别的图像传感器；所述晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备有包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，所述光调制层对不同波长的入射光的调制作用不同；其中，高对比度光栅结构是指光栅齿的折射率和周围包围它的介质的折射率的比值区间为1.5～6；亚波长是指结构尺寸与入射光波长比值区间为0.05～5；所述光调制层中的光栅结构用于对入射至所述光调制层的待测光进行调制，将所述待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素上，得到包含所述待测光的频谱信息的图像。根据本专利技术一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述光调制层包含周期性的一维光栅结构，或，非周期性的一维光栅结构，或，周期性的一维光栅结构与非周期性一维光栅结构的组合结构。根据本专利技术一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述周期性的一维光栅结构由周期性的条形图案排列形成；所述非周期性的一维光栅结构由非周期性的条形图案排列形成。根据本专利技术一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述光调制层包含周期性的二维光栅结构，或，非周期性的二维光栅结构，或，周期性的二维光栅结构与非周期性二维光栅结构的组合结构。根据本专利技术一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔按照周期性行列图案排列形成；所述非周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔按照非周期性行列图案排列形成，或，所述非周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔自由组合排列形成。根据本专利技术一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述光调制层包含一维光栅结构和二维光栅结构的组合结构，其中，所述一维光栅结构为周期性或非周期性的光栅结构；所述二维光栅结构为周期性或非周期性的光栅结构。根据本专利技术一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述光调制层包含至少一个调制组合，所述调制组合中包含若干组光栅结构和一组空结构，所述若干组光栅结构分别对不同波长的入射光具有窄带滤波作用，所述一组空结构用于直通入射光，以进行直通光强的标定；透过所述若干组光栅结构的光强分别与透过所述一组空结构的直通光强进行差分处理，得到不同波长的入射光经过窄带滤波后的光强。根据本专利技术一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述晶圆级别的图像传感器为前照式，包括：自上而下设置的金属线层和光探测层，所述光调制层集成在所述金属线层远离所述光探测层的一面；或，所述晶圆级别的图像传感器为背照式，包括：自上而下设置的光探测层和金属线层，所述光调制层集成在所述光探测层远离所述金属线层的一面。根据本专利技术一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，当所述晶圆级别的图像传感器为背照式时，在所述光探测层上刻蚀得到所述光调制层。根据本专利技术一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述光调制层包括一层或多层结构；所述亚波长高对比度光栅结构贯穿所述一层或多层结构；或，所述亚波长高对比度光栅结构不贯穿所述一层或多层结构。根据本专利技术一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，还包括：微透镜和/或滤光片；所述微透镜设置在光调制层远离晶圆级别的图像传感器的一面，或，所述微透镜设置在光调制层靠近晶圆级别的图像传感器的一面；所述滤光片设置在光调制层远离晶圆级别的图像传感器的一面，或，所述滤光片设置在光调制层靠近晶圆级别的图像传感器的一面。根据本专利技术一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，还包括：透光介质；所述透光介质在光调制层与晶圆级别的图像传感器之间。本专利技术实施例提供一种光谱仪，包括上述的光谱芯片。本专利技术实施例提供一种光谱芯片制备方法，包括：在晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，所述光调制层对不同波长的入射光的调制作用不同；其中，高对比度光栅结构是指光栅齿的折射率和周围包围它的介质的折射率的比值区间为1.5～6；亚波长是指结构尺寸与入射光波长比值区间为0.05～5；所述光调制层中的光栅结构用于对入射至所述光调制层的待测光进行调制，将所述待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素上，得到包含所述待测光的频谱信息的图像。本专利技术实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片、光谱仪及制备方法，通过在晶圆级别的图像传感器的感光区域制备包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，使得光调制层能够对待测光进行调制，进而可以将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素上，从而得到包含待测光的频谱信息的图像。本专利技术实施例通过在晶圆级别的图像传感器上制备亚波长高对比度光栅，由于高对比度光栅的结构参数是亚波长量级，对光的调制能力更强，光谱响应特性更为丰富，进而使得光谱分辨能力更强，并将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器上，从而使得光谱检测工作不再需要依赖精密移动的分光部件，从而不但使得光谱检测设备的体积和成本大大降低，同时由于不再需要进行光学部件的对准，因此，也大大降低了后期的维护成本，本专利技术将光调制层直接制备在晶圆级别的图像传感器上表面，不仅在晶圆级别的图像传感器上实现单片集成，缩小了尺寸，同时也大幅提高了器件的成品率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，包括：/n晶圆级别的图像传感器；/n所述晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备有包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，所述光调制层对不同波长的入射光的调制作用不同；其中，高对比度光栅结构是指光栅齿的折射率和周围包围它的介质的折射率的比值区间为1.5～6；亚波长是指结构尺寸与入射光波长比值区间为0.05～5；/n所述光调制层中的光栅结构用于对入射至所述光调制层的待测光进行调制，将所述待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素上，得到包含所述待测光的频谱信息的图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，包括：
晶圆级别的图像传感器；
所述晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备有包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，所述光调制层对不同波长的入射光的调制作用不同；其中，高对比度光栅结构是指光栅齿的折射率和周围包围它的介质的折射率的比值区间为1.5～6；亚波长是指结构尺寸与入射光波长比值区间为0.05～5；
所述光调制层中的光栅结构用于对入射至所述光调制层的待测光进行调制，将所述待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素上，得到包含所述待测光的频谱信息的图像。


2.根据权利要求1所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含周期性的一维光栅结构，或，非周期性的一维光栅结构，或，周期性的一维光栅结构与非周期性一维光栅结构的组合结构。


3.根据权利要求2所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述周期性的一维光栅结构由周期性的条形图案排列形成；所述非周期性的一维光栅结构由非周期性的条形图案排列形成。


4.根据权利要求1所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含周期性的二维光栅结构，或，非周期性的二维光栅结构，或，周期性的二维光栅结构与非周期性二维光栅结构的组合结构。


5.根据权利要求4所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔按照周期性行列图案排列形成；
所述非周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔按照非周期性行列图案排列形成，或，所述非周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔自由组合排列形成。


6.根据权利要求1所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含一维光栅结构和二维光栅结构的组合结构，其中，所述一维光栅结构为周期性或非周期性的光栅结构；所述二维光栅结构为周期性或非周期性的光栅结构。


7.根据权利要求1所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含至少一个调制组合，所述调制组合中包含若干组光栅结构和一组空结构，所述若干组光栅结构分别对不同波长的入射光具有窄带滤波作用，所述一组空结构用于直通入射光，以进行直通光强的标定；

【专利技术属性】
技术研发人员：崔开宇，郑泽坤，蔡旭升，黄翊东，张巍，冯雪，刘仿，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11