像素级光学滤波-探测集成器件的研究进展
余晓畅1,2，赵建村1,2，虞益挺1,2*
(1. 西北工业大学 空天微纳系统教育部重点实验室，陕西 西安 710072；2. 西北工业大学 陕西省微纳机电系统重点实验室，陕西 西安 710072)
摘要： 传统光谱成像系统采用探测器与传统分光元件耦合的方式，体积较大、定制化能力不足。微/纳光机电系统的快速发展，为微型化光谱成像系统提供了解决途径。基于表面等离激元学和光学超表面的微纳滤波结构，可实现像素级的光场调控，有望替代传统滤波器件并具有与成像系统片上集成的潜力。近年来，集成了动态或静态滤波结构的光谱成像微系统已崭露头角，逐渐构建起全新的光谱成像方法，但在原理机制、器件性能、制造成本、集成装配工艺等方面还有许多需要攻克的难题。本文综述了国内外在像素级微纳滤波结构、滤波和成像器件的集成制造和装配等方面的研究进展，梳理了光学滤波-探测集成器件的发展脉络，探讨了其局限性并展望了发展趋势。
关 键 词: 光谱成像；集成光学器件；光学滤波；光学超表面
1 引 言
第四次工业革命正推动智能化浪潮席卷全球，在智能化系统中，动态感知与智慧识别构成了其关键要义。新一轮世界军事变革同样剑指智能化，美国防部确定的五大颠覆性技术中，自主系统名列榜首，它将引领信息化军队向智能化军队蝶变；此外，激光武器等定向能武器孕育兴起，将下一代作战模式向“光战争”推进。从民用智能系统到未来战争形态，光电探测识别系统都是不可或缺的利器，是智能装备之“眼”，该系统中，滤波、成像等光功能模块就是“画龙点睛”的关键部件。
光谱成像技术在获取目标空间信息的同时还能得到表征理化属性的光谱信息，能极大提升成像信息的维度和量级，成为探测识别领域的核心与前沿。民用上，搭载有光谱成像仪的“嫦娥四号”月球探测器、“高分”系列卫星等，实现感知与识别同步完成，构成了智慧地球的重要部分。军事上，光谱成像技术运用于监视观瞄系统和制导武器，能大幅提升作战效能，成为装备升级换代的典型标志。与其他众多传感技术一样，微型化、集成化、定制化、智能化成为新一代光谱成像系统发展的必然趋势。然而，目前的光谱成像系统大多属于传统光学范畴，一般采用探测器与传统的分光元件(棱镜、光栅、滤波轮等)耦合的方式，不能适应物联网传感和轻量化武器的发展形势。而以液晶可调谐滤波器(Liquid Crystal Tunable Filter, LCTF)[1-4]与声光可调谐滤波器(Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF)[5]为代表的可调谐滤波器，则存在体积大、成本高、可定制化能力有限等不足，也难以满足下一代光谱成像系统的发展要求。
基建档案资料的归档和管理贯穿于整个项目的始终，可以真实地反映工程的质量，一个标准、规范的基建档案可以为整个工程项目在施工过程中提供真实可靠的依据和凭证。
在此背景下，基于微/纳光机电系统(Micro/Nano-Opto-Electro-Mechanical Systems, MOEMS/NOEMS)的微型光学元件，为微型化光谱成像系统提供了解决途径。微米、纳米尺度的滤波结构，可实现像素级的光场调控，将它与成像器件深度融合，为光谱成像系统的片上集成创造了可能，具有动态或静态滤波结构的微型光谱成像系统已崭露头角。本文综述了像素级微纳滤波结构，滤波和成像器件的集成制造，光谱成像微系统装配3方面的研究进展，梳理了像素级光学滤波-探测集成器件的发展脉络，探讨了未来的发展趋势。
2 像素级微纳滤波结构
2.1 像素级动态可调滤波阵列
为了实现光谱成像系统的微型化，提高武器装备的光电探测性能，2004年美国国防高级研究计划局(DARPA)、陆军夜视实验室、空军研究实验室联合启动了“自适应焦平面阵列”项目[6-7]，并将它列入光子学领域的研究计划。该项目提出将宽波段前视红外图像传感和高光谱成像两种探测体制进行片上集成的新概念，在提高成像信息信噪比的同时，减小光谱数据的冗余度，缩短响应时间，进而增强动态成像和对高速运动目标识别的能力。项目设计的目标是覆盖中波红外谱段，具有若干长波谱段，可延展到近红外谱段，光谱分辨率(Δλ/λ)小于1%。为了实现这一目标，DARPA提出在碲镉汞探测器阵列上集成微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)可调珐珀滤波器阵列并进行超紧凑封装。如图1所示，在探测器的每一个像素单元上方，都添加一个基于柔性膜的可调珐珀滤波器，滤波器与探测器之间布置支撑结构和读出电路。此外，该方案的设想较为超前，具有向智能化方向发展的潜质，计划针对特定作战场合和目标辐射特性，对可调滤波阵列进行预编程，在探测识别时让系统自主关注特征谱段，大幅缩短光谱扫描时间，进行动态光谱成像，最终实现“自适应”的项目目标。
欧洲微电子研究中心(IMEC)是最早开展多光谱成像集成器件研究的机构之一，先后研制了100波段线扫描阵列、32波段平铺式阵列和5×5马赛克式阵列。这些器件都采用在焦平面上按像素通道沉积FP干涉薄膜的方法[45]，通过薄膜厚度控制各通道的中心波长，其第二代像元镀膜工艺超光谱成像相机，能覆盖可见光到近红外波段(图10(b))。
图1 DARPA自适应焦平面阵列概念图[7]
Fig.1 Schematic of Adaptive Focal Plane Array (AFPA) by DARPA[7]
图2 像素级液晶可调滤波结构，(a)微纳光栅[2];(b)纳米孔阵列[3]
Fig.2 Pixel-level liquid-crystal tunable color filter.(a)Micro-nano grating[2]; (b)Nanohole arrays[3]
为了避免可动部件带来的技术难题和性能弊端，近年来，在微纳滤波结构的基础上通过填充液晶实现可调滤波成为一个研究热点。该类结构在微纳光栅(图2(a))[2]、纳米孔阵列(图2(b))[3]或其他微纳滤波单元[1,8-9]上增加液晶填充层，通过外接电源的控制，利用液晶的电光效应使不同偏振态的入射光被电压调制，实现滤波功能。这类结构既发挥了微纳滤波结构的微型化优势，又利用了液晶的可调谐性能，具有像素级滤波的能力和阵列化的潜质；但是，这类结构的光学效率普遍不高并具有偏振依赖性，制造工艺相对复杂，较难适用于光谱成像系统。
2.2 微纳滤波原理
为了克服动态滤波结构稳定性和可靠性差、制造和维护成本高等弊端，固定式微纳滤波结构一直备受关注并取得了长足发展，各种类型的静态滤波结构在性能、工艺、应用等方面日益成熟。
1998年，Ebbesen等人[10]在研究银纳米孔的透射性能时发现了光的超常传输现象，激发了人们对金属纳米结构光场调控特性的浓厚兴趣，诞生了表面等离激元学这一新的学科方向。进入21世纪，基于微纳加工技术制造的各种超材料相继问世，展现出负折射率、超常透射、完美吸收、隐身等与传统材料截然不同的奇特性能[11-12]，也突破了人们对自然科学的传统认知。2000～2010年间，有关超材料的研究成果4次入选Science年度十大科学进展。超材料与表面等离激元学作为一项专门课题，在美国防部公布的六大颠覆性基础研究领域中名列榜首。近20年来，在众多超材料研究中，超过一半和光学有关[13]，这些研究连同表面等离激元学一起衍生出一门最前沿的科学——光学超表面[12, 14]，这为许多光学问题开辟了全新的解决路径。
面向光谱成像系统的滤波功能，利用亚波长尺度的微纳结构对光场进行精准高效的调控，是光学超表面的重要应用方向。 这类固定式微纳滤波结构具有丰富的样式，一般可分为纳米孔洞型[15-18]、纳米光栅型[19-21]、纳米颗粒型[22-25]、多膜层型[26-29]以及它们的组合形式[30-31]。
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2.2.1 纳米孔洞型
公共场所英语标识语在很大程度上可以体现一个城市的整体形象，同时在一定程度上也可以反应当地政府的管理能力。政府职能部门要及时加强对公共场所错误标识语的纠正；对英语标识语的翻译进行监督和管理。同时，政府职能部门应该发动全社会的力量，号召和鼓励大家参与到城市英语标识语的纠错活动中，全民配合，全民行动，对找出错误的市民应该给予奖励，并认真做出改正，这样，肯定会提高长春市的整体语言环境。另外，相关职能部门也要重视相关研究者的研究成果，加大执行力度，改善长春市公共场所英语标识语，彰显长春市作为省会城市应有的国际形象和活力。
(1)
其中：P 是孔阵列的周期，ε m和ε d分别代表金属和介质的介电常数，i 和j 是散射级次。由此可见，通过调节孔阵列的周期、孔的尺寸、材料种类以及环境介电常数能够实现对透射波长的选频。
近年来，纳米孔阵列滤波结构已从最初的单层贵金属纳米圆孔衍生出丰富多样的结构和种类：多层金属/金属氧化物纳米圆孔阵列(图3(a))不再局限于金、银贵金属材料，创造性地将铜和金属氧化物运用到颜色滤波中，降低了制造成本，使微纳滤波结构更加贴近实际应用[17]；多层金属圆孔/方孔组合结构(图3(b))综合运用不同形状纳米孔的性能优势，使各层结构分别实现RGB滤波，剥离顶层结构后能够呈现不同颜色，可以运用于防拆封、防伪造等方面[18]。此外，通过改变纳米孔的形状和排布方式，还能对偏振性能进行调控。
图3 纳米孔阵列实现光学滤波
Fig.3 Nanohole arrays for color filtering
本课题组在2017年提出一种正六边形纳米盘/孔复合滤波结构，通过电子束曝光、电子束蒸镀等工艺完成了该结构的制备[32]。如图4所示，通过对结构中边长和周期的改变对滤波特性进行调控，能实现覆盖黄色-洋红-兰青(CMY)的色域，最高透过率在60%以上。基于该方法制作了直径只有400 μm的西北工业大学彩色校徽，单个像素尺寸为330 nm，单个结构便可显色，其分辨率(Dots Per Inch, DPI)可达到约77 000，具有超精细滤波调控的能力。
图4 (a) 纳米盘/孔复合滤波结构(b)滤波结构实现超精细颜色调制[32]
Fig.4 (a)Nanodisk-nanohole hybrid structure arrays with (b)ultrafine color tunability[32]
由式(1)可以发现，对纳米孔洞型滤波阵列中心波长和带宽等属性的控制较为复杂。由于表面等离子体共振和局域表面等离子体共振，纳米孔洞型滤波阵列的光谱曲线时常会出现一些小的共振峰。在实际加工时，亚波长尺度的孔阵列需要电子束曝光(Electron-Beam Lithography, EBL)等昂贵的工艺，难以批量化制造。尽管研究者希望通过一些相对低成本的工艺，如胶体自组装[33,35-36]、喷墨打印技术[37]等实现光场调控，但其加工效果和成品率还有待提升。各种加工工艺存在的共性问题在于：孔阵列，特别是纳米圆孔阵列的形状和尺寸很容易出现偏差，这会导致滤波特性发生明显的变化，进而影响滤波结构的使用性能。
2.2.2 导模共振光栅型
微纳光栅也是一种经典滤波结构，光盘背面反射的彩虹色就是光栅衍射色散产生的。微纳光栅结构除了在尺度上较传统光栅缩小了几个数量级外，表面等离激元金属的引入使微纳光栅在光学衍射的基础上还叠加了表面等离激元的吸收和散射等作用，能够将满足波矢匹配条件的光与表面等离激元相耦合，从而实现光子动量的增强[38]。不论是透射(图5(a))还是反射(图5(b))模式的滤波，微纳周期光栅结构都可以作为色散媒介来进行波段选择。通过改变光栅结构的周期和占空比等参数，可以控制光的吸收、散射、衍射和偏振等特性，从而调节滤波功能。
由于微纳光栅基本由二维直线结构构成，最小线宽在百纳米级别，和纳米孔阵列相比加工相对简单，可采用纳米压印方法实现一步工艺制造，具有与探测器件相兼容的工艺潜质[20]。由于一维光栅结构通常对偏振敏感，直接用于光谱成像的滤波存在困难。如果经过特殊设计或者使用二维光栅，可以实现对偏振不敏感。另一方面，该类结构可以在偏振滤波上发挥其独特作用，并有望实现偏振成像的片上集成[39-40]。
随着社会的发展，女生的经济更加独立，越来越多的女性消费者能够从性价比及自身需求出发，理性地选购适合自己的保险产品。相关调查显示，女性最喜欢投保的是健康险及养老险，经济能力较好的女性还会考虑理财险。由此可见，女性的保险意识在逐渐提升，也逐渐懂得给自己一份保障，那女性该如何合理地为自己购买保险呢？
图5 纳米光栅型滤波结构
Fig.5 Nanogratings for color filtering
以上集成了微纳滤波结构的微小型光谱成像系统，不仅克服了传统分光器件体积大、工艺复杂等诸多缺点，更增强了系统的灵活性、便携性以及可定制能力，具有与智能化系统特别是智能消费电子产品融合的潜力，是未来光谱成像系统发展的必然方向。基于像元镀膜工艺的滤波和光谱成像系统在工艺和性能上都比微纳孔洞型滤波结构具有优势，具备低成本、批量化制造的潜力，有望实现较大规模的实际运用。但是，这种直接在探测器像元上沉积光学薄膜的方法，固定了系统的滤波和成像模式，无法进行系统更新，降低了定制化水平，限制了功能扩增；像元镀膜工艺在探测器焦平面制造完成后，需一次成型，存在较大的工艺风险。因此，有必要创造一种能便于更换光谱滤波通道、可供用户即时决策的光谱成像系统分立式集成装配方案。
近年来，还有许多研究利用纳米粒子、纳米天线进行光场调控，实现光学滤波。金纳米粒子由于其优越的材料性能，成为使用最普遍的材料。在模板辅助和外力作用下，金纳米粒子自组装形成不同的几何排布方式(图6(a))，能在可见光到近红外波段表现明显的散射特性，随着纳米粒子的增多，散射光谱发生红移[22]。2018年，韩国首尔大学联合LG公司等开展的一项手性纳米超材料研究在Nature发表并入选封面报道[23]。他们用氨基酸和多肽来控制金纳米颗粒的手性、手性等离激元共振以及光学活性等性质，不同手性的金纳米颗粒，与圆偏振光的相互作用不同，具有广泛的颜色调制能力(图6(b))。为了进一步提高与相关产业的兼容性，全介质纳米颗粒结构成为研究热点，如图6(c)和6(d)所示，利用硅纳米颗粒[24]和TiO2纳米柱阵列[25]也能够实现滤波调控。但不管是金纳米颗粒还是介质纳米粒子或纳米天线，它们一般都表现为散射特性，强度较弱，大多数只能在暗场下观测，并有较强的偏振相关性，这些都导致难以运用于光谱成像的分光。
图6 纳米粒子阵列型滤波结构
Fig.6 Color filters fabricated by nanoparticle arrays
2.2.4 多膜层型
与上述3种微纳滤波结构重点关注水平面方向的结构布局不同，多膜层滤波结构主要基于垂直方向上多膜层的光场调控作用。根据引起光学滤波的主要物理机制，这种滤波结构可分为两类：基于局域表面等离激元共振的金属/介质/金属(Metal-Insulator-Metal, MIM)型，以及基于多光束干涉的法布里-珀罗(Fabry-Perot, FP)型[27-29]。MIM型滤波结构的顶层金属一般具有微纳结构，顶层的局域表面等离激元共振和上下两层金属的反平行表面电流共同作用，使得MIM结构对特定波段的光具有吸收特性，从而实现滤波功能。FP型滤波结构利用两层半透半反膜构成反射层，中间夹介质层构成谐振腔，利用多光束干涉，使干涉相长的光透过或反射(图7(a))[26]。这种模式不需要顶层的纳米结构，一般只考虑各膜层的光学性能和制造工艺。对透射式FP滤波结构，透过率与结构有关参数的关系可描述为[41]：
基于表面等离激元学和光学超表面的微纳滤波结构，在理论上涉及电、光、磁等诸多方面的问题，亚波长尺度的结构与光的交互原理及其光场调控机理千头万绪，是一门难度很大的交叉科学。目前，研究者一般使用基于麦克斯韦方程、三维时域有限差分方法、多物理场耦合等原理的设计软件进行仿真研究。但是不难发现，众多研究中，实验结果与设计值往往差异较大，这不仅是制造误差的缘故，也和理论基础尚不完善有很大关系。因此，需要不断通过设计、制造、反馈、修正的循环过程，揭示和完善微纳滤波结构的光场调控机理，为集成式光谱成像系统的分光模块提供理论依据。
(2)
式中：
是反射层的反射率；
是介质层厚度，n 是介质层折射率。此外，透射谱线的半高宽也可由以上参数确定。由此可见，通过对反射层和介质层谐振腔进行材料选型和结构设计，就能实现对中心波长、透过率、带宽等主要参数的定制。对目标光谱参数进行提取，可反算出FP结构参数，将不同规格的FP滤波结构进行组合制备，能够实现彩色打印和滤波阵列(图7(b))[30]。除了3层FP结构，累积起来的多膜层结构也能实现透射式滤波(图7(c))，通过多次沉积介质和金属薄膜，并在顶层和底层添加增透膜，可将滤波结构的峰值透过率提高到80%以上[31]。与图3和图6中纳米孔及纳米颗粒滤波结构的光谱曲线相比，FP型滤波结构光谱曲线的对称性、平滑度、可控性都要优越(图7(a))，这对滤波性能十分有利。更重要的是，多膜层滤波结构不需要复杂昂贵的微纳加工工艺，仅需要制备金属或介质纳米膜，适用于大规模制造，具有与光谱成像系统相集成的潜质。
图7 多层纳米膜滤波结构
Fig.7 Color filters using multilayer nanofilms
常规的珐珀滤波结构一般通过制造数十纳米厚的金属层作为反射层，但是超薄的金属层很容易发生氧化、硫化或者脱落，对器件性能造成较大影响。分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflectors, DBRs)利用两种光学材料组成的周期性可调节多层结构，实现设计波段内平稳的高反射率，在光电子器件中应用广泛，形成了较为成熟的设计和制造体系[42-43]。在微纳光学领域，布拉格反射镜可由多层全介质纳米膜构成，这与FP滤波结构具有极好的兼容性。使用布拉格反射膜层替代金属反射层，有望显著提高FP滤波结构的稳定性和光学性能。
城市扩展面积：城市扩展面积指某一时间段内城市扩展的面积，具体数值等于本期城市规模减去上期城市规模。其计算公式如下：
3 光学滤波与像素级探测器件的集成
基于光学超表面的固定式微纳滤波结构，其优势不仅在于能对光场进行精准调控，更重要的是它具有与探测器片上集成的巨大潜力，这对于光谱成像系统以及显示、成像、打印等领域的发展具有革命性的意义。
3.1 纳米孔洞型滤波阵列与探测器的集成制造
过去几年间，国际两大商业巨头索尼公司和三星集团瞄准新型探测成像体制和方法，面向与探测器集成的微纳滤波结构开展了前沿研究，在业内产生了很大影响，有望改变未来光电器件的构造模式。
2013年，索尼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[15]。如图8所示，采用EBL工艺得到3种规格的圆孔阵列，当圆孔的直径分别为240，180，150 nm时，孔阵列的中心透过波长约为650，550，450 nm，实现了RGB滤波，透射谱线半高宽约为200 nm，透过率约为50%。为了与成像器件进行集成，每个滤波通道的规格设计为5.6 μm×5.6 μm，阵列数为360×320；选用像素规格为2.8 μm×2.8 μm、像素数为1 920×1 200的黑白CMOS探测器，在显微镜下通过人工操控的方式将滤波结构与探测器焦平面进行对准贴合。分别使用集成后的CMOS相机与传统相机进行成像性能测试，利用CIE ΔE 2000色差计算方法和Macbeth 24色测试标板进行对比(见图8(c)和8(d))，证明了该方案的可行性，但在成像质量上还有很大的提升空间。
2017年，三星和加州理工大学也提出了一种可与CMOS探测器集成的硅基孔阵列型滤波结构(图9)[16]。该结构同样采用EBL工艺，定义图形区域后采用干法刻蚀制造孔阵列。纳米孔的尺寸比索尼的方案更小，直径为90 nm、周期为250 nm以及直径为240 nm、周期为270 nm的正六边形排布的圆孔分别实现对红色光和蓝色光的选择透过；绿色光通道选用直径为140 nm的圆孔、周期为180 nm的四边形排布方式。该滤波结构的光学效率能达到60%～80%，采用Si和SiO2材料体系，不再局限于金属材料特别是贵金属，与半导体生产工艺具有很好的兼容性，这使得固定式微纳滤波结构和新型集成式成像系统向实际应用迈出了关键一步。
金属纳米孔及其阵列是最经典的微纳滤波结构，从发现超常透射现象开始，基于金属纳米孔的众多研究成果奠定并验证了表面等离激元学的理论基础，建立了纳米孔阵列光场调控的物理和数学模型。研究表明，相邻孔洞的表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)的干涉作用引发了它对光的选择透过。以三角排布的金属纳米圆孔阵列为例，在忽略散射损耗等因素的条件下，该结构的透射波长峰值λ max可表示为[32]：
写生时对于有特征的景物更需特别描写，如此才能体现出地方特点。比如对树木的描写，因其地理环境与条件的差异，花草树木也会呈现出不同的地方特征，在素描与速写时，不能忽视这一富于变化的特征。
图8 索尼公司的研究成果[15]
Fig.8 Achievement of SONY[15]
如2.2.1所述，以上两种微纳滤波结构在性能和加工上都具有纳米孔洞型滤波结构共同的弊端；EBL耗时、昂贵，无法运用于量产；此外，它们都仍属于传统RGB型，还不具有多光谱成像功能。尽管如此，它们都从产业界的角度证明了将固定式微纳滤波结构与探测器集成在应用上具有可行性，在技术上具备前瞻性。
图9 三星集团的研究成果[16]
Fig.9 Achivement of SΛMSUNG[16]
3.2 基于镀膜工艺的光学滤波-探测集成器件
与纳米孔洞型滤波结构与探测器集成不同，另一大类型的光学滤波-探测集成器件利用光学膜层结构进行分光，从而避开制造纳米孔洞结构的困难，但对每一膜层的厚度要求很高。多膜层微纳滤波结构不仅有很强的光场定制能力，而且工艺相对成熟稳定，与探测器成像单元的工艺兼容性也较好，因此，集成了多膜层滤波结构的光学滤波-探测集成器件走在了实际应用的前列。
5.1.1 微纳滤波结构的光场调控机理有待完善
然而，在成像器件上按像元扩增动态滤波结构的工艺难度极高，涉及微结构超精密批量加工、多重微光学系统精密装调、高密度集成电路制造等众多挑战性工艺，DARPA更是专门安排新的项目，解决读出集成电路的难题。不仅如此，集成了可动微机电结构的器件，在抗冲击、抗振动等方面存在原理性的劣势，利用动态扫描的滤波模式识别高速目标的效果不理想。因此，与该项目类似的像素级动态可调滤波阵列一直鲜有报道。
国内一些探测器优势单位也开始重点关注该研究领域。2018年，上海技物所提出一种微型近红外光谱模组(图10(c))[46-48]，选用商用的基于镀膜工艺的线性渐变滤光片作为分光元件，将它紧密耦合在探测器光敏单元表面，具有紧凑的光学结构和稳定的光学特性。实验结果表明，其工作波长为900～1 700 nm，波长准确性优于1.3 nm，光谱分辨率小于通道中心波长的1.25%。
图10 基于镀膜工艺的多光谱成像系统
Fig.10 Multispectral imagers based on multilayer nanofilms
3.3 先进商用型光谱成像集成系统
最近几年，集成了微纳滤波结构的微小型光谱成像系统已推广到实际应用中。2017年，芬兰国家技术研究中心(VTT)研制的一款可见光-近红外超光谱相机(图11(a))[49]，作为微小卫星的有效载荷发射升空。该相机可在500～900 nm波段内实现对探测谱段的编程控制，整机尺寸为5 cm×5 cm×10 cm，约合0.5U立方星的体积。除了用于航天应用，该款相机还能广泛用于各领域的探测成像。
在IMEC像元镀膜工艺的基础上，德国XIMEA公司结合IMEC的高光谱成像器件研制了工业级的微型化高光谱相机“xiQ”(图11(b))[50]，整机质量仅为30余克，最低功耗为0.9～1.8 W，但是光谱灵敏度需要进一步提升。2018年初，基于像元镀膜工艺的IMEC超光谱成像相机(图11(c))[51]，首次亮相美国西部光电技术展，它能实现波长为470～900 nm或600～975 nm，最高150波段的光谱成像。这款相机的最大亮点在于它的响应时间缩短到200 ms以内，极大地提高了光谱成像的效率。信噪比优于200∶1的性能也使它在同类光谱成像相机中具有很强的竞争力。
图11 研制的商用级微小型光谱成像系统
Fig.11 Commercial micro spectral imagers
此外，2018年4月，国际视觉系统设计创新奖评选出4项铂金大奖，美国Keyence公司研制的多光谱成像相机成功入选[52]。这些商用级的小型化光谱成像系统，都证明了将滤波结构与探测器集成的优势，也预示了光谱成像系统未来的发展趋势。
公路路基路面防水施工直接关系到公路工程的整体质量，在汛期雨水量较大时，雨水渗透到公路路基极易导致公路路基路面发生严重的沉降，使路面形成裂缝，更为严重时还会导致路基整体沉陷。而公路路基路面防水施工能够有效提升了公路路基路面的防水性能，提升了公路工程的整体质量，对保证人们安全出行有重要意义。
2.2.3 纳米粒子型
由于在山地路段部分道路沿线存在山地明显多于规划用地的情况，因此设计人员选择将工业园区规划设计在该部分的规划用地中，并适当增加机动车道数、减小人行道以及辅道的宽度，使得道路横断面设计能够同道路自身性质保持良好的协调性。在沿山体路段位置处由于其一侧部分为高边坡的山体，因此在参考道路用地性质的基础上，通过略微减小临近山体一侧的辅道宽度，并运用不对称的形式布设辅道，进而可以在避免增加造价成本的基础上，保障道路横断面设计与其两侧用地性质具有较高的协调性。
4 光学滤波与探测器件的装配方法
4.1 集成装配
综合2节和3节的技术方法，可以构建集成了微纳滤波结构的微小型光谱成像系统，这为实现片上光谱成像系统的高度集成创造了可能。然而，如上所述，不管是用于光场调控的光学超表面还是融合滤波结构的光谱成像系统，都是国际前沿的攻关领域，其制造工艺都是核心技术密集的交叉科学。在解决制造工艺的基础上，把它们模块化地集成于探测器上，又涉及多重微光学系统精密装配的工艺，其难度也随之倍增。
当这种锦鲤情结与企业营销相挂钩，即企业官方社交媒体(以新浪微博和腾讯微信为主)以“话题+福利”方式发布相关讯息，人们随之进行相应的转发与评论，锦鲤式营销便形成了。这种锦鲤式营销利用了社交媒体平台的传播渠道，传播速度快，覆盖范围广。
由于分光和成像系统的总体尺寸在毫米量级，关键控制结构在微米级别，最小加工线宽有纳米尺度，必须采用微装配工艺。对比传统的宏观装配，微装配的精度和公差要小几个数量级，但是伴随着装配对象尺寸的减小，相对误差也明显变大，同时原本在宏观装配中可以忽略的微观力作用显著。在微机械领域，自动装配系统的研究是一个专门课题，精密微装配平台可实现多个自由度的自动装配，对准精度达微米级，装配精度达几微米到几十微米。近年来，综合运用先进的技术手段，微装配平台通过显微视觉[53-54]、精密位移[55]、微型操纵手[56]等方法不断提高装配精度、效率和自动化程度。法国国家科学研究院FEMTO-ST研究所分别于2010年和2016年提出了用于MOEMS器件[57]和柔性光学器件[58]的微装配方法。他们采用可重构的硅基自由空间微光学平台对微光学器件进行自动装配，通过视觉追踪以及对力和位置的精确操控，还能够对柔性器件进行精准装配。目前，这类系统主要针对的是一次性固定装配，要满足微型光谱成像系统中滤波结构对微纳级精度、可拆卸替换的要求，还需要不断创新。
另一方面，在微电子和微机电领域，三维封装提供了解决方案。20世纪90年代，美国防部首次提出制造微芯片级系统，将光电器件、微电子器件和微机电系统集成，形成三维封装系统。DARPA设立微系统技术办公室，致力于微电子封装中系统集成的研究。当前，微电子产业界将三维封装列为第四代封装技术，并开始实现商用化。例如，苹果手机中的处理器，通过在顶部封装体表面分布的焊球阵列与底部封装体实现垂直互连[59]。在众多的三维封装方法中，基于引线键合的芯片堆叠、基于硅通孔的三维封装、基于黏接或插槽的封装堆叠3种方法(图12)，可用于多层结构的垂直封装[60]。2014年，德国弗朗霍夫学会提出了一种基于硅通孔转接板的三维封装概念，以硅通孔互连的硅片为公共衬底平台，在其上下表面制造布线层，利用微凸点在转接板上组装芯片和微器件[61]。但是，和引线键合需要添加外部引线一样，在芯片层制备通孔并减薄也会对芯片的质量产生复杂影响。此时，基于黏接或插槽的封装堆叠方法，不需要破坏各层芯片，具有一定优势，但也无法实现即插即用和元件替换。
图12 常用的三维封装方法[60]
Fig.12 Three-dimensional packaging methods[60]
因此，要想实现探测器焦平面上滤波结构的集成，构建可更新替换、易于拆装的模块化片上光谱成像系统，必须创建一种分立式、无损伤的集成装配新工艺。
4.2 模块化分立式装配
在光学系统中，有关部件的分立式装配并不少见。商用单反相机的镜头、滤光片、遮光罩等模块，可供用户方便快捷地拆装；实验用显微测试平台中，物镜、分束镜、成像相机、光谱仪等部件也能模块化地组装和更换。在电子领域，计算机的扩展卡、手机的SIM卡等，也都是模块化分立式装配的典型应用。
微型快照式光谱成像系统实现模块化分立式装配，主要需要完成滤波结构与探测器焦平面的像素级对准和装配。3.1节中列举的集成方案[15-16]，虽然比像元镀膜工艺更具灵活性，但也都固定了滤波结构的配置，人工手动装配在精度和效率等方面还不够完善。在有关光谱成像系统或偏振成像系统的集成化研究中，胶黏[62]、倒装焊接[40,63]等方案，为成像系统的模块化提供了借鉴，但都难以实现分立式装配。
图13 长波红外滤光片和光谱成像微系统[64]
Fig.13 Infrared filtering chip and micro spectral imager[64]
如图13所示，本课题组利用光刻工艺在长波红外波段实现了孔阵列滤波片的批量化制造，并将它与探测器进行了超紧凑集成[64]。滤波片具有4个波段的通道，每个通道与探测器像素匹配，构建的快照式红外光谱成像系统可用于特定目标的探测和识别。针对蜡烛的成像实验证明，滤波片可有效去除火焰干扰，实现对烛芯的准确识别(图13(b))，这为目标精确识别提供了解决方案。该研究采用高精度3D打印技术制造，用于装配滤波单元的限位装置，将它集成到成像系统探测器的前端，可实现滤波单元的可装可卸、即插即用。这种配置体系极大提高了军民各领域实际应用的灵活机动性，有利于多用户协同和即时决策，同时降低了集成装配工艺的难度。
5 总结与展望
5.1 现有微纳滤波结构和光谱成像集成系统的局限和不足
2014年，美国海军实验室在短波红外焦平面探测器上集成了9通道的多膜层微纳滤波阵列(图10(a))[44]，滤波通道为直径13 μm的圆形，探测器像素单元为边长25 μm的正方形，像素数为640×512。该滤波阵列充分发挥多膜层滤波结构的性能优势，透射谱平均半高宽约为40 nm，峰值最高可达90%。此外，这款基于固定式滤波结构的快照式多光谱成像系统还可以获得动态视频。
金-白云石阶段：形成自然金-方铅矿-黄铜矿、辉银矿等矿物组合，为金的次要成矿阶段，方铅矿、黄铜矿、辉银矿主要在这个阶段富集。
5.1.2 微纳滤波结构的材料体系存在局限
基于表面等离激元学的微纳滤波结构，从早期局限于金、银等贵金属材料，发展到铝、金属氧化物，再到最新的全介质材料，可避免超薄的金属层发生氧化、硫化、脱落等现象，一步步接近实际应用的要求。面向与半导体行业真正融合的目标，实现微纳滤波结构的商用和量产，现有的材料体系还需要不断丰富，这需要物理学、电子学、材料学等领域的研究者通力合作取得突破。由于具有良好的工艺兼容性，基于硅、锗等材料的滤波结构将有很大发展空间，从而替代贵金属材料。
5.1.3 光学滤波-探测集成器件的性能仍有不足
不管是研究阶段的光学滤波-探测集成器件，还是已经迈入商业应用的微型化光谱成像系统，它们在制造成本、批产稳定性、光谱成像性能等方面还有待改善，特别是在探测距离和光谱分辨能力上与传统光谱成像系统相比还存在不足。这一方面是系统微型化后难以避免的问题，另一方面也是因为微纳滤波结构本身及它与系统集成时还有不完善的地方。未来的光谱成像微系统不仅需要提高滤波及成像模块的性能，还可以通过增加像素级微透镜阵列提高响应率，从而提升光谱成像微系统的工作效能。
5.2 像素级光学滤波-探测集成器件的发展前景
5.2.1 光学滤波-探测器件的深度集成化
图1所示为基于十字交叉压缩悬臂梁的变刚度微纳测头，它主要由测球、测杆、中心体、支撑梁、基座、H型柔顺机构、位移传感器及压电驱动装置等组成。
2018年底发射的“嫦娥四号”月球探测器，在月球车上搭载了一台红外光谱成像仪，用来探测月面土壤中的矿物质成分。该设备采用声光可调谐滤波器实现分光，总质量达6 kg，这个体量对于航天应用以及无人机、消费电子产品、轻量化武器来说仍然偏大。随着VTT、IMEC等研究机构不断推出集成式、微型化的光谱成像系统，片上光谱成像新模式展现曙光。深度集成的光学滤波-探测器件在传感网、内窥视诊断、健康监测等广大民用市场以及制导武器、侦察预警等军事领域具有全新的发展契机。
根据动态系统理论，复杂系统具有“动态性”，即复杂系统随时间不断运动变化的属性，随时与所处的环境进行物质信息交换的属性。换言之，复杂系统的状态变量是时间函数；复杂系统状况由其状态变量随时间变化的信息来描述。系统复杂性的主要原因之一就是其动态性。另外，复杂系统始终处于非线性的发展变化中，各部分的非线性相互作用会使许多新的整体特质涌现出来。这些新质并不存在于任何单个部分当中，而是系统从低层次向高层次的过渡，所以人们形象地称其为“涌现”。系统功能之所以往往表现为"整体大于部分之和"，就是因为系统涌现了新质的缘故，其中"大于部分"就是涌现的新质。系统复杂性也主要源于此。
5.2.2 光学滤波-探测集成器件的智能化
智能化系统有三个核心要素：动态感知、智慧识别和自动反应。光谱成像微系统能够在动态感知到智慧识别这一过程中发挥“眼”和“脑”的重要作用。随着智能化深度发展，智能系统将绝不局限于软件模块的数据计算和处理[65]，“硬件智能”将发挥其更大的基础性作用。光学滤波-探测集成器件的发展，除了通过先进的算法实现数据获取和有效信息生成外，还需要将关口前移，在探测前端和滤波结构硬件上实现对成像谱段的智能优选，减少数据冗余度和成像时间。通过不断丰富目标学习样本和光谱数据库，完善光学滤波-探测集成器件的多模块装配工艺，改进预编程方法，相信智能化目标的实现指日可待。
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Research progress of pixel-level integrated devices for spectral imaging
YU Xiao-chang1,2, ZHAO Jian-cun1,2, YU Yi-ting1,2*
(1.Key Laboratory of Micro /Nano Systems for Aerospace ,Ministry of Education ,Northwestern Polytechnical University ,Xi ′an 710072,China ；2.Key Laboratory of Micro -and Nano -Electro -Mechanical Systems of Shanxi Province ,Northwestern Polytechnical University ,Xi ′an 710072,China )
Abstract: The majority of the present spectral imaging systems couple traditional filters with photodetectors, which are too large and cannot be customized. The rapid advances in micro/nano-opto-electro-mechanical systems have provided effective solutions for the continuing miniaturization of spectral imaging systems. Based on plasmonics and optical metasurfaces, micro/nano color filters are capable of regulating light fields at the pixel level and thus have the potential to replace traditional filters and to be integrated with imaging systems on chips. In recent years, microspectral imaging systems integrated with dynamic or static filters have come to the forefront of new research and are enabling the development of new methods of spectral imaging. However, complete understanding of the fundamental theories of plasmonic filters remains elusive. In addition, a host of problems exist in terms of device performance, manufacturing cost, and assembly processes. In this review, we present the research progress of pixel-level integrated microdevices for spectral imaging, including micro/nano color filters, integrated manufacturing of filters and imagers, and assembly techniques of microspectral imaging systems. We also summarize the limitations and discuss the development trends of microspectral imaging systems.
Key words: spectral imaging; integrated optical devices; color filtering; optical metasurfaces
中图分类号： O433; TN256
文献标识码: A
doi: 10.3788/OPE.20192705.0999
收稿日期: 2019-01-29；修订日期:2019-03-13.
基金项目： 国家自然科学基金优秀青年基金资助项目(No.51622509)；装备预研航天科技联合基金资助项目(No.6141B06240205)；军科委先导专项
文章编号 1004-924X(2019)05-0999-14
*Corresponding author ,E -mail :yyt @nwpu .edu .cn
作者简介：
余晓畅(1994-)，男，安徽广德人，博士研究生，2016年于西北工业大学获得学士学位，主要从事微纳滤波及多光谱成像方面的研究。 E-mail：yuxiaochang@mail.nwpu.edu.cn
导师简介：
虞益挺(1980-)，男，浙江宁波人，博士，教授，博士生导师，2003年、2006年、2009年于西北工业大学分别获得学士、硕士和博士学位，现为西北工业大学微系统工程系系主任，主要从事微纳光学成像与传感方面的应用基础研究。E-mail：yyt@nwpu.edu.cn
本文选取随机可拓展STIRPAT模型(stochastic impacts by regression on population，affluence and technology)分析三大典型城市群城镇居民生活用电影响因素。STIRPAT模型基本公式如下:
标签：光谱成像论文; 集成光学器件论文; 光学滤波论文; 光学超表面论文; 西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室论文; 西北工业大学陕西省微纳机电系统重点实验室论文;