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#氮化硅超透镜 #多光谱成像 #DBR反射镜 #步进式光刻 #6寸DUV光刻

摘要：实时单次拍摄多光谱成像系统对于环境监测和医学成像至关重要。大多数单次拍摄多光谱成像仪依赖于复杂的计算后端，这使得实时操作变得不可能。在本研究中，我们利用工程化光子材料所提供的光谱选择性，在光学领域执行大部分的多光谱数据提取，从而避免了对繁重后端计算的需求。我们使用我们的成像仪，在400−900 nm波长范围内的8个预定义光谱通道提取两个实际物体的多光谱数据。对于这两个物体，使用提取的多光谱数据构建的RGB图像与使用手机相机拍摄的图像表现出良好的吻合，从而验证了我们的成像方法。我们相信，所提出的系统可以为高压缩性和低延迟的多光谱成像技术的发展提供新的途径。

关键词：多光谱成像，色散金属透镜阵列，多波段传输滤光器，低延迟，可见光和近红外波长范围

划重点 --6英寸150nmDUVKRF 光栅 超结构 流片

划重点 --DBR反射镜 ，增透膜 镀膜加工

划重点 --氮化硅超透镜流片（有经验）

划重点 --磁控溅射镀氮化硅，更好的膜厚精度

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■ 引言
多光谱成像系统能够获取给定场景的时空光谱数据，这使得它们在从国防和监视到农业和食品健康监测等广泛应用中具有重要价值。大多数市售的多光谱成像仪使用的传感器要么扫描场景的空间域，要么扫描光谱域，从而重建其多光谱数据立方体。然而，扫描过程导致这些系统的数据采集时间较长。一种有前景的替代方法是快照式多光谱成像，它通过单次测量进行数据重建，从而实现更快的数据获取。

近年来，越来越多的推动力集中在微型化多光谱成像系统，使其能够集成到移动平台中。传统的多光谱成像仪由于包含多个光学组件和活动部件，通常体积庞大且昂贵。光子设备提供了开发紧凑型多光谱成像仪的新途径，因为它们能够在紧凑的形态下实现多种光学功能。近年来，已经开发了几种基于人工工程纳米结构和商用随机扩散器的快照式多光谱成像系统。虽然光子快照式多光谱成像仪在尺寸上比传统的扫描型系统大大减小，但它们对大量计算的依赖使得实时操作变得不可行，限制了它们的实际应用。

在本研究中，我们利用光子设备的多功能性，构建了一种多光谱成像仪，在光学领域执行大部分的光谱判别，从而避免了大量计算的需求。我们的成像仪设计用于在400−900 nm波长范围内的8个波长（称为光谱通道）提取物体的多光谱切片。

图 1. 多光谱成像仪工作原理示意图。

图1展示了说明成像仪基本工作原理的示意图。物体反射的光通过一个具有8个狭窄通带的传输滤波器，位于400−900 nm波长范围内。经过滤波的光照射到一个由8个超透镜组成的阵列上，每个超透镜都被设计成聚焦到其中一个光谱通道的光。超透镜阵列在其焦平面上生成物体多光谱切片的空间分离图像，这些图像被单色相机传感器捕捉。

我们注意到，近期的研究已经使用超透镜阵列与具有空间变化传输共振的单共振滤波器结合，进行750−950 nm波长范围的多光谱成像。在这里，我们使用改进的滤波器设计，将操作波长范围显著扩展到400−900 nm。通过利用传统双曲面超透镜的固有色散性，我们弥补了由于滤波器的多共振特性而导致的光谱选择性损失，这种色散性在大多数成像应用中通常被认为是不理想的。我们的系统配置能够在广泛的波长范围内进行多光谱数据提取，而无需大量的计算后处理。

在下一部分，我们将详细描述多光谱成像仪组件的结构和功能，即多波段传输滤光器和超透镜阵列。随后，我们使用我们的成像仪提取两个实际物体在可见光和近红外波长范围内的多光谱数据。我们相信，我们的成像方法为开发高度紧凑的快照式多光谱成像仪提供了新的途径，以实现实时操作。

多光谱成像仪的组成部分

如图1所示，成像仪由多波段传输滤波器和一个强色散超透镜阵列组成。传输滤波器的目的是隔离给定场景对应的8个波长（在400−900 nm范围内）的空间信息。为了实现这一目标，我们设计了一个其传输光谱包含多个狭窄共振的滤波器，工作在该波长范围内。该滤波器由50 nm厚的SiO2层夹在两个逐渐变化的Si3N4−SiO2分布布拉格反射器（DBRs）之间，每个DBR有21层（图2a）。由于Si3N4和SiO2之间的折射率对比度较低，因此由这些材料构成的传统周期性DBR不太可能在400−900 nm波长范围内具有停止带。为了实现宽带反射，我们使用了逐渐变化的DBR，其层厚从上到下线性增加。第i层的厚度选择为λi / 4ni，其中λi是400到900 nm之间的21个等距波长之一，ni是该层的折射率。在设计滤波器时，我们忽略了材料的损失和色散，并认为Si3N4和SiO2的折射率分别为2.04和1.45。

我们注意到，基于逐渐变化的DBR和等离子体纳米结构的多共振反射滤波器，最近已被提议用于计算高光谱成像和多波长全息技术应用。尽管这些滤波器在工作带宽上与本研究中的滤波器相当，但我们所采用的全介质设计使我们能够产生比使用有损超透镜纳米结构更窄的传输共振。我们认为，这种多共振传输滤波器除了能够提供基于束缚态连续谱（BiC）超表面的光谱调制外，还能为光谱定制提供新的途径。

我们通过交替沉积Si3N4和SiO2在熔融硅芯片上，使用等离子体增强化学气相沉积（SPTS Technologies Ltd., Delta LPX）制造了43层的多波段传输滤波器。

图2. (a) 基于逐渐变化的DBR的多波段传输滤波器示意图。 (b) 滤波器的模拟和实验测量传输光谱。

图2b展示了该多波段滤波器的测量传输光谱（实线蓝色曲线）。我们观察到，滤波器在400−900 nm波长范围内显示出10个狭窄的传输共振。我们使用位于450 nm以上的8个共振的峰值位置来定义本研究中收集多光谱数据的通道。为了对比，我们还展示了使用传输矩阵公式计算的滤波器传输光谱（虚线黑色曲线）。虽然两个光谱很好地吻合，但测量光谱中的共振略微蓝移，并且宽度大约是计算光谱的两倍。这可以归因于实际材料的损失以及它们的折射率略微偏离计算时假设的值。

图3. (a) 超透镜阵列的示意图，插图中显示了单个组成纳米柱。 (b) 使用手机相机拍摄的制造好的超透镜阵列图像。 (c) 其中一个超透镜的扫描电子显微镜图像。 (d) 超透镜阵列粘贴到多共振传输滤波器上的手机拍摄图像。

我们的多光谱成像仪的第二个组件是一个由8个强色散超透镜组成的阵列（图3a）。该阵列被设计为将对应于8个光谱通道的场景信息成像到其焦平面上的空间分离位置。为了实现这一点，我们设计了每个超透镜为一个4 mm直径的双曲面，能够将入射光聚焦到距离其10 mm的一个光谱通道（f/# = 2.5）。我们注意到，虽然多波段滤波器传输与其所有8个通带相对应的场景信息，但超透镜仅成像其各自工作波长的空间内容。因此，与其他成像应用不同，我们的多光谱成像仪利用传统双曲面超透镜的固有色散性，在多波段传输滤波器的基础上实现了额外的波长选择性。

每个超透镜由高度为h = 1 μm的方形Si3N4纳米柱组成，放置在SiO2基板上，柱间中心至中心的间距为p = 300 nm（图3a插图）。在给定的超透镜中，纳米柱的宽度被选择以在相应的工作波长处实现双曲相位轮廓。超透镜阵列采用标准电子束光刻技术制造（有关超透镜设计和制造过程的详细信息，见“方法”部分）。图3b展示了使用手机相机拍摄的制造好的超透镜阵列的图像，而图3c展示了其中一个超透镜的扫描电子显微镜图像。在多光谱数据采集过程中，超透镜阵列被粘贴到传输滤波器上，如图3d所示。

在下一部分，我们将使用我们的成像仪提取两个实际物体在400−900 nm波长范围内的多光谱信息。

结果与讨论

图4. (a) 使用手机相机拍摄的色卡目标物体图像。 (b) 我们的多光谱成像仪生成的物体图像。 (c) 物体的处理后的多光谱切片。 (d) 通过组合重建的RGB通道得到的物体RGB图像。 (e) 第一到第七个多光谱切片的空间反射率图与从光谱目录中获得的反射率图之间的相关矩阵。x轴和y轴表示与这7个切片对应的波长。

作为我们系统的第一个测试对象，我们选择了一个标准色卡目标（图4a）。该色卡包含24个反射色方块，通常用于摄影系统的校准。支持信息的第S3部分提供了我们用于提取给定物体多光谱切片的实验设置的详细信息。我们注意到，我们的成像方法不需要除滤波器和透镜阵列外的任何光学元件，因此提供了一种简化的多光谱数据提取方式。图4b展示了使用我们的多光谱成像仪和单色相机记录的物体图像。图像显示了8个空间分离的物体副本，每个副本对应于物体的一个多光谱切片，且由于使用的超透镜而产生了额外的伪影。

为了恢复给定物体的更准确的多光谱信息，我们从相机图像中分离出单独的切片并进行后处理。支持信息的第S4部分提供了用于使用维纳去卷积和雾霾减少技术改善捕获切片质量的计算后端的详细信息。处理后的色卡物体的多光谱切片展示在图4c中。为了验证我们的多光谱成像方法的有效性，我们使用8个切片和一个颜色映射函数来恢复其RGB通道。通过组合重建的RGB通道（图4d），得到的物体图像与使用智能手机相机拍摄的图像（图4a）在质量上高度一致。我们进一步通过计算8个切片的空间反射率图与从色卡光谱中获得的图谱之间的相关性来量化我们方法的正确性（详细信息见支持信息的第S5部分）。图4d展示了结果的7×7相关矩阵，原因是超过780 nm波长的光谱图谱不可用。矩阵的带对角线特性验证了我们系统获得的多光谱数据。

图5. (a) 使用手机相机拍摄的花卉和叶片图像。 (b) 物体的处理后的多光谱切片。 (c) 通过组合重建的RGB通道得到的物体RGB图像。

作为我们多光谱成像方法的第二个演示，我们使用了一个由花卉和叶片组成的场景（图5a）。图5b展示了使用与图4中相同的方法获得的该场景的处理后的多光谱切片。我们观察到，场景的光谱内容与其中各种物体的颜色一致。例如，橙色花朵在较长波长（切片3到8）下显得更亮，这是由于黄色和红色的存在，而粉色花朵也在较短波长下可见，这是因为其组成颜色蓝色。我们注意到，由于原始场景中的绿叶没有得到充分照明，它在所有多光谱切片中的显示都比较暗淡。使用颜色映射函数，我们重建了物体的R、G和B通道，并将其合并以创建RGB图像（图5c）。该图像与使用手机相机拍摄的物体图像（图5a）在质量上高度一致，从而进一步证明了我们多光谱成像方法的有效性。

结论

在本研究中，我们提出了一种在400−900 nm波长范围内工作的8通道多光谱成像仪。该成像仪首先利用多共振传输滤波器隔离给定场景中包含在8个窄通带中的空间内容，这些通带位于感兴趣的波长通道中心。然后，使用8个金属透镜阵列分别聚焦光线到8个波长通道之一，以在单色相机传感器上形成场景光谱内容的空间分离图像。这种光谱信息的空间分离使我们的系统能够在最小的计算后处理下提取多光谱数据。我们通过提取两个不同实际物体的多光谱切片并使用这些数据重建它们的R、G和B通道，测试了我们方法的有效性。通过结合它们各自的三通道数据得到的物体彩色图像与使用标准手机相机拍摄的图像高度一致。

我们注意到，所提出的多光谱成像系统存在两个主要局限性。首先，对于一个一般的N通道系统，阵列中的每个超透镜接收到的光功率最多为多波段滤波器传输功率的1/N。对于接收到的总功率，给定的超透镜仅将其操作波长对应的功率聚焦到相机传感器上，同时传输其余部分。这显著降低了捕获的多光谱数据的信噪比。我们注意到，对于本研究中考虑的测试物体，除其设计波长外，超透镜在其他波长下传输的光会导致手机拍摄图像和重建RGB图像之间的颜色差异。此外，对于给定的相机传感器，恢复的多光谱数据的空间分辨率低于原始场景，降低的程度取决于所提取的波长通道数量。

尽管存在上述局限性，所提出的系统展示了一种便捷的实时多光谱数据获取方法。未来的研究可以探索替代超透镜阵列的方式，以实现光谱数据的高效空间分离。例如，除了创建多个单色金属透镜阵列外，还可以设计一个单一的大面积超光学器件，根据波长将入射光聚焦到不同的空间位置。这样的设备可以使给定场景的不同光谱成分以最小的串扰成像到相机传感器上的不同空间位置，从而实现无需计算的数据提取。

方法

超透镜阵列的设计。阵列中的每个超透镜被设计为在其工作波长下，对垂直入射的平面波施加双曲相位轮廓。由金属透镜中心到其某一点距离r处引起的相位延迟由以下方程给出：

在这里，λ是透镜的工作波长（对应于8个光谱通道中的一个），f是其焦距，固定为10 mm。

我们开始设计过程，通过构建一个Si3N4纳米柱库，纳米柱的高度为1 μm，周期为300 nm，宽度在84 nm到264 nm之间变化。该库包含使用严格耦合波分析（RCWA）模拟计算得到的纳米柱的波长依赖性传输振幅和相位。接下来，我们将每个超透镜的圆对称相位轮廓分成8个级别。对于每个级别，我们从库中选择一个元原子，使其在透镜的工作波长下施加所需的相位。透镜通过将所选的纳米柱放置在各自的半径位置上形成。

超透镜阵列的制造

超透镜是通过电子束光刻（EBL）工艺制造的。首先，通过等离子体增强化学气相沉积（SPTS Technologies Ltd., Delta LPX）将1 μm厚的Si3N4层沉积在0.5 mm厚的熔融硅芯片上。然后，在5000 rpm的转速下，将电子束抗蚀剂（ZEP-520A）旋涂到芯片上，并通过电子束光刻（JEOL Ltd., JBX-6300FS）进行图案化。接着，使用电子束辅助蒸发（CHA Industries, SEC-600）在图案化的抗蚀剂上创建100 nm厚的Al2O3硬掩模，之后在90°C的N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶液中浸泡8小时，去除抗蚀剂。然后，Si3N4层通过氟基反应离子刻蚀工艺（Oxford, PlasmaLab 100, ICP-180）进行刻蚀。

作者；Romil Audhkhasi,* Ningzhi Xie, Johannes E. Fröch, and Arka Majumdar