LVmicro-Z显微分光光度计在CMOS图像传感器的应用 引言

引言

Pratyasha Sahani 团队在《Applied Optics》发表研究，针对传统光谱仪体积庞大、滤光片阵列制备工艺复杂、线性梯度滤光片无法兼顾光谱分析与成像功能的技术瓶颈，提出像素化梯度厚度滤光片创新方案。通过构建二维离散梯度腔厚的法布里 - 珀罗滤波器（FPF）阵列，实现单传感器单次采集即可完成光谱与成像双重功能，为便携式光谱检测设备的微型化、低成本化发展提供技术支撑。

摘要 Abstract 

本研究提出一种微型低成本的像素化梯度厚度光学滤光片，以实现可见光波段的光谱分析功能。该光学滤光片由金属-介质-金属薄膜构成的二维阵列组成，阵列中各薄膜采用法布里 - 珀罗滤波器结构，且腔层厚度呈离散变化。

通过在可见光波段测试各滤波器的透射率，完成其波长选择性表征。将该像素化梯度厚度滤光片与 CMOS 图像传感器集成，并通过向其照射不同波长的单色光，评估其作为光谱模块的性能。利用传感器记录的各像素化梯度厚度滤光片输出信号，成功重构出目标光谱。

该滤光片的技术可行性使其可应用于手持设备，进而扩大其在日常生活中的应用范围。

实验方法

光学传输性能测试

通过在 400-700 nm 波长范围测试滤光片阵列中各滤光片像素位置的透射率，表征该像素化梯度厚度滤光片的性能。测试采用Lambda Vision LVmicro-Z显微分光光度计完成，入射光束直径设定为 16 微米，以确保入射光落在滤光片像素区域内。

该显微分光光度仪为光栅型，波长分辨率达 0.5 nm，显微镜物镜的放大倍数设为 5 倍。沿滤光片长度方向，每隔 0.25 毫米（与相邻像素化梯度厚度滤光片的间距一致）记录一次滤光片的透射光谱。

（Lambda Vision LVmicro-Z显微分光光度计）

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结论

本研究设计并制备了一款适用于 400-700 nm 波长范围光谱分析的像素化梯度厚度滤光片。通过测试滤光片阵列中各滤光片位置的透射率，完成对该像素化梯度厚度滤光片的光谱特性表征。测试结果显示，每个像素化滤光片的峰值透射率约为 40%，光谱带宽约为 50 nm。

由于本研究采用银合金金属反射镜，所制备器件存在透射率偏低、光谱带宽较宽的问题。不过，未来研究中可采用高反射率介质反射镜（如分布式布拉格反射器）替代金属反射镜，以实现更高的透射率和更窄的光谱带宽，提升滤光片性能。滤光片阵列中每个梯度厚度滤光片的尺寸为 50 微米 ×50 微米，未来可进一步缩小至与 CMOS 图像传感器像素尺寸相当的水平。但需注意，滤光片尺寸减小后，需提高其与 CMOS 图像像素的对准精度，以最大限度减少色彩串扰，避免图像质量下降。

滤光片阵列中相邻行像素化滤光片的波长间隔约为 6 nm。测试发现，各滤光片的峰值透射波长随滤光片像素位置呈线性变化，与线性梯度厚度滤光片的变化趋势一致，证实该器件的像素化设计取得成功。

为验证该技术方案的可行性，本研究将该像素化梯度厚度滤光片与商用单色 CMOS 相机模块集成，搭建了实验室验证模型。通过向滤光片逐一照射不同波长的单色光，并记录对应波长下的灰度图像，利用蒂霍诺夫正则化方法对 CMOS 图像传感器记录的输出信号进行处理，成功重构出目标光谱。重构光谱的峰值波长与光谱带宽均与实际目标光谱高度吻合，证实所制备器件具备优异的光谱模块性能。

该像素化梯度厚度滤光片满足小巧、轻便、低成本的设计需求，可应用于便携式设备，为各类 “现场应用" 场景提供支持。