光谱成像技术将光谱技术与成像技术融为一体,可同时获取物质空间信息和光谱信息,具有采集更高维度信息的能力,因此自诞生以来就广泛应用于**侦察、环境监测和资源勘探等领域。2019年美国**高级研究计划局(DARPA)启动“弧形红外成像仪焦阵列”项目[1],试图突破高性能红外焦平面阵列(IRFPA)小型化关键技术,推动**装备向着小型化方向进一步发展,该项目将进一步巩固美军在情报、监视和侦察等领域的领先优势,再一次推动光谱成像相关技术成为各**大国争相抢占的技术高地。

传统光谱成像系统一般采用分光系统与探测模块分立的布局方式,体积较大、工作环境要求严苛,极大地限制了其在轻小型无人机、微小卫星、消费电子产品等平台上的使用。因此微型化光谱成像系统一直以来都受到相关研究人员的广泛关注[2]。片上光谱成像系统将光学元件、探测器以及控制电路全部集成在一个芯片上,结构上超紧凑、布局上芯片化、功能上更集成。近年来,片上光谱成像系统已经在多个领域展现出其独特的优越性和诱人的发展前景。目前光谱成像设备正朝着“掌上应用”方向飞速发展,这也对片上光谱成像系统的研究提出了迫切需求。

本文对片上光谱成像系统在分光与成像元件的研究现状进行了详细综述,介绍了片上光谱成像系统分光模块与成像模块分立制造再集成、一体化制造两种主要集成方法,以及片上光谱成像系统的实际应用,阐明了片上光谱成像系统亟待解决的问题,并探讨了该领域的未来发展方向。

2.1.1 色散式分光系统

色散式分光系统主要使用棱镜、光栅等光学器件[3]。棱镜体积较大,难以集成到芯片上。光栅的一维线性结构,使其具有易于成像系统片上集成的潜力。随着微纳加工技术的不断发展,刻蚀衍射光栅(EDG)和阵列波导光栅(AWG)成为两种典型的易于片上集成的微纳光栅[4-5]。

EDG和AWG大多基于绝缘衬底硅(SOI),芯片分辨率与狭缝数目成正比,因此芯片在尺寸和分辨率上存在矛盾。图1(a)为2013年浙江大学基于EDG设计的一种片上光谱仪[5],该EDG芯片具有510个光栅齿,理论分辨率为0.05 nm,其与互补金属氧化物半导体器件(CMOS)工艺兼容的集成光电探测器阵列可为1100 nm以内波段的高分辨、超紧凑片上光谱分析提供解决方案。图1(b)为AWG芯片含32×32个通道,自由光谱范围(FSR)为52.56 nm,尺寸仅有520 μm×620 μm[6],具备片上分光的能力。

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2.1.2 干涉式分光系统

干涉式分光系统主要采用傅里叶变换分光,包括静态傅里叶变换、驻波傅里叶变换、热调傅里叶变换、数字傅里叶变换和硅基MEMS傅里叶变换等类型[7-11]。如图2(a)所示,一种由32个马赫-曾德尔干涉仪(MZI)构成的静态傅里叶片上分光系统[4],其FSR为0.75 nm,分辨率可达0.04 nm。由于波导具有较强双折射性,目前大多数SOI上MZI都对偏振敏感,所构成的傅里叶变换分光系统易受到光偏振影响且FSR较小,通过将MZI阵列与二维光栅耦合,在消除偏振对系统影响的同时还可以扩大系统的光入射狭缝[12]。

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大多数傅里叶变换干涉式分光系统虽然具有较高的分辨率,但是其工作谱段过窄,还不太适合宽波段光谱成像。近期一种新型无源混合式散斑片上傅里叶变换增强系统[13][图2(b)],创造性地将离散傅里叶变换光谱仪和散斑光谱仪集成到一个芯片上,在实现较高分辨率的同时也大大拓宽了系统的工作波段范围,为基于傅里叶变换干涉式分光系统在片上成像方面的应用提供了一种新的思路。

2.1.3 基于微纳滤波芯片的分光系统

色散式分光系统和干涉式分光系统的光路较为复杂、元件体积较大、可靠性不高,因此不太适合于片上光谱成像系统,目前片上光谱成像系统大多采用基于各种微纳滤波结构的滤波芯片进行分光[14],可分为可调滤波芯片、多通道滤波芯片以及渐变滤波芯片等多种类型。

大量可调滤波芯片的研究主要围绕法布里-珀罗(FP)滤波结构展开。一般来说,相比于色散式和干涉式分光系统,基于FP滤波器的成像系统体积更小,更加具备片上集成的可行性。图3(a)所示为一种通过微表面加工技术制造的128×128的FP滤波阵列[15],工作波段为3~5 μm,该FP滤波阵列可在低温(200 ℃以下)环境下制造,这使其与IRFPA片上一体化集成制造成为了可能。

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相比于空气腔FP滤波器,液晶填充的FP滤波器(LC-FP)则具有更加灵活的性能。一种基于聚合物稳定蓝相液晶的非偏振电调谐FP滤波器[16] [图3(b)],其在可见光范围内调节性能为0.092 nm/V,FSR为16 nm,在近红外范围内调节性能为0.12 nm/V,FSR为97 nm。如何在工作谱段内消除多级透射峰的影响,是FP可调谐滤波器能否在光谱成像技术中顺利获得应用的关键[17]。为克服LC-FP透射峰数目过多,偏移范围过小的困难,研究人员设计出一种基于级联液晶法布里-珀罗结构的电调谐红外滤波器[18],该结构由两个FP腔紧密堆叠而成,腔内分别填充不同深度的向列型液晶材料,工作范围为3~5 μm。

多通道滤光片[19][图4(a)]和渐变滤光片[20]也大量应用于片上光谱成像系统。渐变滤光片以线性渐变滤光片为主,图4(b)所示为一种工作在450~900 nm波段范围内的线性渐变滤光片。

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本课题组于2017年采用电子束曝光、电子束蒸镀等工艺制备了一种新型正六边形纳米盘/孔复合滤波结构[21] [图5(a)],具备片上集成的潜力。通过改变结构边长和阵列周期可实现对黄色-洋红-兰青(CMY)色域波段的精细调控[14],基于此方法,我们制作了直径只有400 μm的西北工业大学彩色校徽,单像素尺寸仅为330 nm[图5(b)]。

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探测器的小型化和高分辨率也推动了片上光谱成像系统的发展。目前,法国ULIS公司、英国BAE系统公司、国内高德红外[22]和艾睿光电[23]等公司都已经拥有了成熟的非制冷红外焦平面探测器产品。这些产品的像元尺寸以17 μm为主,15 μm和12 μm产品也已经在生产[24]。索尼公司2019年推出了一种新型InGaAs图像传感器[25],其光电二极管阵列每个像素通过Cu—Cu键直接连接到硅读出集成电路(ROIC),像素间距缩小为5 μm并且有望实现缩小到1.5 μm,该方法为下一代高像素密度短波红外传感器的制造提供了一种解决方案,为实现片上短波红外光谱成像铺平了道路。

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2013年,索尼公司联合加州理工大学提出一种基于表面等离激元的纳米铝孔滤波阵列[27][图7(a)],为了实现该滤波结构与探测器片上集成,研究人员采用像素大小为2.8 μm×2.8 μm、尺寸为1920 pixel×1920 pixel的CMOS探测器,在显微镜下通过人工操作的方式实现了该滤波结构与探测器焦平面的对准贴合。近年来,各种综合利用显微视觉[28-29]、微型操作手[30]等技术手段的精密装配平台取得了长足的发展,装配精度已达几十微米到几微米,可用于滤波结构与探测器的像素级对准装配。

2017年,浙江大学报道了一种基于MZI的光谱成像仪[31],其分光芯片[图7(b)]通过晶片粘接技术集成到一起[32],整个分光系统集成到片上尺寸仅为11 mm×15 mm。更大尺寸的FP滤波结构可通过垫片或焊盘与IRFPA粘接集成[图7(c)][33],解决了滤波器与探测器集成制造过程中由于温度敏感性不同带来的工艺难题[34]。

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欧洲微电子研究中心(IMEC)研制了一种由一组FP干涉仪集成得到的滤波片,呈阶梯状结构[35] (图8),其不同厚度的滤光带是通过光刻工艺和蚀刻工艺制作而成的,最后采用die-to-die混合集成工艺实现与探测器的片上集成,光谱探测范围为1100~1650 nm,具有128个波段,分辨率小于10 nm。

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DARPA于2004年启动“自适应焦平面阵列”项目[36]。如图9(a)所示,该项目提出在碲镉汞探测器单像元上集成可调FP滤波器,在滤波器与探测器之间布置支撑结构以及读出电路,对片上光谱成像系统一体化制造进行了前瞻性的探索。

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早期集成制造方法中提到[37-38],可先在HgCdTe上制作探测器[图9(b)],然后在特定温度环境下利用热蒸发法沉积底部的布拉格镜面再依次沉积间隔层、支撑结构、氮化硅。沉积完成后利用光刻技术确定上镜面形状,然后采用干法蚀刻工艺确定氮化硅膜。最后通过光刻胶显影剂和临界点干燥技术将间隔层中间层去除,完成探测器与FP滤波结构的一体化制造,无需再装配,但由于探测器和滤波器对温度敏感性不同,因此制造过程需要严格控制温度,工艺较为复杂。

2014年,IMEC将拜耳彩色成像概念扩展到多光谱成像,通过直接在焦平面上周期性沉积FP干涉薄膜[图10(a)],摒弃了传统光谱成像系统所需要的前置光学元件,极大地提高了成像系统紧凑性的同时也大大降低了系统的质量和尺寸[39]。

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2016年芬兰国家技术研究中心(VTT)成功开发出了世界首款高光谱移动应用设备[40],如图11(a)所示,研究人员通过在iPhone 5s镜头上集成超薄电可调微光机电结构(MOEMS),成功实现光谱成像系统的片上集成[41],将iPhone转换成一台便携式高光谱成像设备,让高光谱成像技术从实验室正式步入移动应用时代。近年来,片上光谱成像系统已在生物医学、**装备、食品检测、农林监测等多个领域崭露头角,为传统光谱成像技术开拓了崭新的应用前景。

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多光谱成像技术在生物医学领域的应用由来已久[42-43],但是一般临床多光谱成像设备存在体积大、不易放置、流动性差等缺点,严重限制了其在现场急救、野外作业、移动健康等场景下的使用。片上光谱成像系统则为这些问题的解决带来了希望。

早在2012年,集成式的光谱成像系统就已成功应用于黑色素瘤的筛查[44]。除了临床以外,医疗设备的小型化、便携化对于移动健康也具有重要意义。常规人体血红蛋白含量检测方法所需要仪器体积庞大且无法实现连续实时监测,与手机镜头前集成MOEMS[41]不同,美国普渡大学研究人员通过光谱超分辨技术将手机普通RGB摄像头转换成一个高光谱成像仪,成功实现一个非侵入性、低成本、移动式的人体血红蛋白含量监测设备[45],这为片上光谱成像系统在移动健康领域的应用打开了一个新的思路,未来片上光谱成像系统将与各种智能算法深度结合,在更多更复杂疾病的筛查、监测等方面发挥更大的作用。

光谱成像技术在**上应用也相当广泛。近年来随着智能化战争理念[46]的提出,微型化、芯片化光谱成像系统在单兵装备、情报侦察等方面的意义愈加凸显。

早在2015年美军就计划部署一种体积小、成本低的多光谱、具有较小焦平面阵列的第三代红外成像仪[47]。这种焦平面器件在同一阵列中集成了多光谱成像探测器、信号处理元件和微透镜光学元件等,满足单兵装备的要求,对于提高美军在战场上识别伪装的能力具有重要意义。

随着科技进一步发展,未来微型侦察装备将会成为各国在情报侦察领域角逐的技术关键点。2017年美国国家航空航天局在“小型企业技术转移计划”中就将立方星超光谱成像仪列为十九项重要技术之一[48]。2018年一颗体积仅为22.7 cm×10 cm×10 cm,质量约为2.4 kg的芬兰微小卫星已经搭载世界上最小的红外高光谱相机顺利升空[49]。为了全面争夺太空信息优势,掌握战争主动权,目前世界上的航空航天大国都在积极探索新一代侦察技术,片上光谱成像系统大大缩小了光谱成像设备的体积,有助于微小光学侦察卫星的实现。这些微小卫星可以通过“集群编队”的方式捕获高分辨率、大空间维度的图像,为传统遥感技术注入新的活力。

掌握信息就掌握了战争的主动权,可以预见的是未来基于片上光谱成像系统的微型光谱成像设备将会颠覆传统的作战模式。

近年来食品、农业和工业等领域对片上光谱成像的需求也在不断攀升,国际上占据技术优势的组织、企业也在加紧对片上光谱成像相关产品的研发。图12为IMEC基于一种阶梯状结构FP滤波芯片与探测器片上集成搭建的超紧凑光谱成像系统。2015年,IMEC设计了一款直接在CMOS传感器上整体集成像素级FP滤波结构的多光谱相机Ximea xiQ[50],该相机可在可见光(VIS,470~620 nm)16个波段上获得272 pixel×512 pixel的图像立方体,机身非常紧凑,整机尺寸仅为26 mm×26 mm×30 mm。如图13所示,实验结果证明该相机能够分辨视觉所不能分辨的颜色光谱特征,未来能够应用在诸如材料识别、药物区分、真伪鉴别、光学分选等多种场景之中。

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2017年芬兰SPECIM公司也发布了一款智能型、超紧凑、轻量级的高光谱相机SPECIM IQ(图14)。该相机覆盖400~1000 nm波段范围,分辨率可达3 nm,整机质量为1.3 kg,集高光谱数据采集、分析处理和数据可视化等功能于一体[51],在现场检测、实时数据分析等实际应用中具有重要意义。研究人员已经成功利用SPECIM IQ精确测量拟南芥叶绿素含量以及准确评估大麦植株白粉病的严重性[52],展现了便携式光谱成像设备在农林行业的广阔应用前景。除此之外,SPECIM公司还展示了该相机在刑侦、艺术品研究等领域的应用,均取得了良好效果。

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虽然片上光谱成像系统的发展已经取得了令人瞩目的成果,但是在分光原理、集成工艺等方面还面临着诸多挑战[53]。目前片上光谱成像系统大多是深度耦合的,器件通用性差、互换性弱,缺少标准化,阻碍了片上光谱成像设备市场化的进程。

未来的片上光谱成像系统有三大发展方向:1)向着“系统内紧耦合,系统外弱耦合”的模块化方向发展;2)向着标准化、通用化方向迈进;3)物理尺寸进一步缩小,功能进一步集成,同时将与物联网深度融合,解决传统物联网感知层对于物质成分信息获取和感知能力匮乏的缺陷[54],在智慧城市、智能制造、智能家居等领域获得广泛应用。未来,基于片上光谱成像系统的各种光谱成像设备将会真正进入掌上时代,深度融入个人日常生活,在食品安全[55-56]、移动健康等方面展现出其独特的魅力。