引言

Pratyasha Sahani 團(tuán)隊(duì)在《Applied Optics》發(fā)表研究，針對(duì)傳統(tǒng)光譜儀體積龐大、濾光片陣列制備工藝復(fù)雜、線性梯度濾光片無法兼顧光譜分析與成像功能的技術(shù)瓶頸，提出像素化梯度厚度濾光片創(chuàng)新方案。通過構(gòu)建二維離散梯度腔厚的法布里 - 珀羅濾波器（FPF）陣列，實(shí)現(xiàn)單傳感器單次采集即可完成光譜與成像雙重功能，為便攜式光譜檢測(cè)設(shè)備的微型化、低成本化發(fā)展提供技術(shù)支撐。

摘要 Abstract 

本研究提出一種微型低成本的像素化梯度厚度光學(xué)濾光片，以實(shí)現(xiàn)可見光波段的光譜分析功能。該光學(xué)濾光片由金屬-介質(zhì)-金屬薄膜構(gòu)成的二維陣列組成，陣列中各薄膜采用法布里 - 珀羅濾波器結(jié)構(gòu)，且腔層厚度呈離散變化。

通過在可見光波段測(cè)試各濾波器的透射率，完成其波長(zhǎng)選擇性表征。將該像素化梯度厚度濾光片與 CMOS 圖像傳感器集成，并通過向其照射不同波長(zhǎng)的單色光，評(píng)估其作為光譜模塊的性能。利用傳感器記錄的各像素化梯度厚度濾光片輸出信號(hào)，成功重構(gòu)出目標(biāo)光譜。

該濾光片的技術(shù)可行性使其可應(yīng)用于手持設(shè)備，進(jìn)而擴(kuò)大其在日常生活中的應(yīng)用范圍。

實(shí)驗(yàn)方法

光學(xué)傳輸性能測(cè)試

通過在 400-700 nm 波長(zhǎng)范圍測(cè)試濾光片陣列中各濾光片像素位置的透射率，表征該像素化梯度厚度濾光片的性能。測(cè)試采用Lambda Vision LVmicro-Z顯微分光光度計(jì)完成，入射光束直徑設(shè)定為 16 微米，以確保入射光落在濾光片像素區(qū)域內(nèi)。

該顯微分光光度儀為光柵型，波長(zhǎng)分辨率達(dá) 0.5 nm，顯微鏡物鏡的放大倍數(shù)設(shè)為 5 倍。沿濾光片長(zhǎng)度方向，每隔 0.25 毫米（與相鄰像素化梯度厚度濾光片的間距一致）記錄一次濾光片的透射光譜。

（Lambda Vision LVmicro-Z顯微分光光度計(jì)）

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結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)并制備了一款適用于 400-700 nm 波長(zhǎng)范圍光譜分析的像素化梯度厚度濾光片。通過測(cè)試濾光片陣列中各濾光片位置的透射率，完成對(duì)該像素化梯度厚度濾光片的光譜特性表征。測(cè)試結(jié)果顯示，每個(gè)像素化濾光片的峰值透射率約為 40%，光譜帶寬約為 50 nm。

由于本研究采用銀合金金屬反射鏡，所制備器件存在透射率偏低、光譜帶寬較寬的問題。不過，未來研究中可采用高反射率介質(zhì)反射鏡（如分布式布拉格反射器）替代金屬反射鏡，以實(shí)現(xiàn)更高的透射率和更窄的光譜帶寬，提升濾光片性能。濾光片陣列中每個(gè)梯度厚度濾光片的尺寸為 50 微米 ×50 微米，未來可進(jìn)一步縮小至與 CMOS 圖像傳感器像素尺寸相當(dāng)?shù)乃健５枳⒁?，濾光片尺寸減小后，需提高其與 CMOS 圖像像素的對(duì)準(zhǔn)精度，以最大限度減少色彩串?dāng)_，避免圖像質(zhì)量下降。

濾光片陣列中相鄰行像素化濾光片的波長(zhǎng)間隔約為 6 nm。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，各濾光片的峰值透射波長(zhǎng)隨濾光片像素位置呈線性變化，與線性梯度厚度濾光片的變化趨勢(shì)一致，證實(shí)該器件的像素化設(shè)計(jì)取得成功。

為驗(yàn)證該技術(shù)方案的可行性，本研究將該像素化梯度厚度濾光片與商用單色 CMOS 相機(jī)模塊集成，搭建了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證模型。通過向?yàn)V光片逐一照射不同波長(zhǎng)的單色光，并記錄對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)下的灰度圖像，利用蒂霍諾夫正則化方法對(duì) CMOS 圖像傳感器記錄的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，成功重構(gòu)出目標(biāo)光譜。重構(gòu)光譜的峰值波長(zhǎng)與光譜帶寬均與實(shí)際目標(biāo)光譜高度吻合，證實(shí)所制備器件具備優(yōu)異的光譜模塊性能。

該像素化梯度厚度濾光片滿足小巧、輕便、低成本的設(shè)計(jì)需求，可應(yīng)用于便攜式設(shè)備，為各類 “現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用" 場(chǎng)景提供支持。