(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111811652 A(43)申请公布日 2020.10.23
(21)申请号 202010718471.1(22)申请日 2020.07.23
(71)申请人 清华大学
地址 100084 北京市海淀区双清路30号清
华大学(72)发明人 崔开宇 郑泽坤 蔡旭升 黄翊东
张巍 冯雪 刘仿 (74)专利代理机构 北京路浩知识产权代理有限
公司 11002
代理人 杨云云(51)Int.Cl.
G01J 3/433(2006.01)G01J 3/02(2006.01)G01N 21/25(2006.01)
权利要求书2页 说明书15页 附图9页
(54)发明名称
基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片、光谱仪及制备方法(57)摘要
本发明实施例提供一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片、光谱仪及制备方法，所述光谱芯片通过在晶圆级别的图像传感器感光区域制备包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，使光调制层能对待测光进行调制，并将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器不同像素上，得到包含待测光的频谱信息图像。本发明实施例通过在晶圆级别的图像传感器上制备亚波长高对比度光栅，对光的调制能力更强，并将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器上，使光谱检测不再依赖精密移动的分光部件，不但使光谱检测设备体积和成本降低，也不再需要进行光学部件对准，降低后期维护成本，在晶圆级别的图像传感器上实现单片集成，缩小尺寸，大幅提高器件成品率。
CN 111811652 ACN 111811652 A
权 利 要 求 书
1/2页
1.一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，包括：晶圆级别的图像传感器；
所述晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备有包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，所述光调制层对不同波长的入射光的调制作用不同；其中，高对比度光栅结构是指光栅齿的折射率和周围包围它的介质的折射率的比值区间为1.5～6；亚波长是指结构尺寸与入射光波长比值区间为0.05～5；
所述光调制层中的光栅结构用于对入射至所述光调制层的待测光进行调制，将所述待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素上，得到包含所述待测光的频谱信息的图像。
2.根据权利要求1所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含周期性的一维光栅结构，或，非周期性的一维光栅结构，或，周期性的一维光栅结构与非周期性一维光栅结构的组合结构。
3.根据权利要求2所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述周期性的一维光栅结构由周期性的条形图案排列形成；所述非周期性的一维光栅结构由非周期性的条形图案排列形成。
4.根据权利要求1所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含周期性的二维光栅结构，或，非周期性的二维光栅结构，或，周期性的二维光栅结构与非周期性二维光栅结构的组合结构。
5.根据权利要求4所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔按照周期性行列图案排列形成；
所述非周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔按照非周期性行列图案排列形成，或，所述非周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔自由组合排列形成。
6.根据权利要求1所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含一维光栅结构和二维光栅结构的组合结构，其中，所述一维光栅结构为周期性或非周期性的光栅结构；所述二维光栅结构为周期性或非周期性的光栅结构。
7.根据权利要求1所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包含至少一个调制组合，所述调制组合中包含若干组光栅结构和一组空结构，所述若干组光栅结构分别对不同波长的入射光具有窄带滤波作用，所述一组空结构用于直通入射光，以进行直通光强的标定；
透过所述若干组光栅结构的光强分别与透过所述一组空结构的直通光强进行差分处理，得到不同波长的入射光经过窄带滤波后的光强。
8.根据权利要求1所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述晶圆级别的图像传感器为前照式，包括：自上而下设置的金属线层和光探测层，所述光调制层集成在所述金属线层远离所述光探测层的一面；或，
所述晶圆级别的图像传感器为背照式，包括：自上而下设置的光探测层和金属线层，所述光调制层集成在所述光探测层远离所述金属线层的一面。
9.根据权利要求8所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，当所述晶圆级别的图像传感器为背照式时，在所述光探测层上刻蚀得到所述光调制层。
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CN 111811652 A
权 利 要 求 书
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10.根据权利要求1所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，所述光调制层包括一层或多层结构；
所述亚波长高对比度光栅结构贯穿所述一层或多层结构；或，所述亚波长高对比度光栅结构不贯穿所述一层或多层结构。
11.根据权利要求1所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，还包括：微透镜和/或滤光片；
所述微透镜设置在光调制层远离晶圆级别的图像传感器的一面，或，所述微透镜设置在光调制层靠近晶圆级别的图像传感器的一面；
所述滤光片设置在光调制层远离晶圆级别的图像传感器的一面，或，所述滤光片设置在光调制层靠近晶圆级别的图像传感器的一面。
12.根据权利要求1～11任一项所述的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，其特征在于，还包括：透光介质；
所述透光介质在光调制层与晶圆级别的图像传感器之间。13.一种光谱仪，其特征在于，包括：如权利要求1～12任一项所述的光谱芯片。14.一种光谱芯片制备方法，其特征在于，包括：
在晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，所述光调制层对不同波长的入射光的调制作用不同；其中，高对比度光栅结构是指光栅齿的折射率和周围包围它的介质的折射率的比值区间为1.5～6；亚波长是指结构尺寸与入射光波长比值区间为0.05～5；
所述光调制层中的光栅结构用于对入射至所述光调制层的待测光进行调制，将所述待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素上，得到包含所述待测光的频谱信息的图像。
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CN 111811652 A
说 明 书
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基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片、光谱仪及制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片、光谱仪及制备方法。背景技术
[0002]光谱仪可测量物体表面反射的光线，通过应用光学原理，对物质的结构和成分进行分析和处理，因此被广泛使用。
[0003]现有商用的光谱仪根据工作原理可分为两种：基于单色仪的和基于傅里叶变换。具体为：基于单色仪原理是指通过光栅将不同波长的光在空间上分开，再用狭缝将不同波长的光滤出来，由光敏元件探测；基于傅里叶变换原理是指将光分成两束，经过不同光程后干涉，对干涉谱进行傅里叶变换得到原始光谱。[0004]然而，上述现有的这两类光谱仪，都存在以下问题：一方面，这两类光谱仪都需要精密移动的分光部件，如光栅、棱镜、狭缝或反射镜，这些精密光学部件的需求使光谱仪体积庞大、很重且昂贵。第二方面，光谱仪的各光学部件必须保持极其清洁且完美地对准，才能保证产品使用质量，这就使光谱仪的制造昂贵且使仪器非常精密，一旦光学部件失去对准，则修理上非常复杂，导致维护成本很高。第三方面，这两类光谱仪的精度越高，所要求的光经过的路程越长，则需要的内部空间也越大，难以应用到消费级便携式设备上。[0005]因此，如何提出一种体积较小的便携式光谱检测设备，并且不依赖于精密光学部件，成为亟待解决的问题。发明内容
[0006]针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片、光谱仪及制备方法，用以解决现有技术中光谱检测设备体积较大的缺陷，实现缩小光谱检测设备尺寸且不依赖于精密光学部件。
[0007]本发明实施例提供一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，包括：[0008]晶圆级别的图像传感器；
[0009]所述晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备有包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，所述光调制层对不同波长的入射光的调制作用不同；其中，高对比度光栅结构是指光栅齿的折射率和周围包围它的介质的折射率的比值区间为1.5～6；亚波长是指结构尺寸与入射光波长比值区间为0.05～5；
[0010]所述光调制层中的光栅结构用于对入射至所述光调制层的待测光进行调制，将所述待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素上，得到包含所述待测光的频谱信息的图像。
[0011]根据本发明一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述光调制层包含周期性的一维光栅结构，或，非周期性的一维光栅结构，或，周期性的一维光栅结构与非周期性一维光栅结构的组合结构。
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说 明 书
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根据本发明一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述周期性的一
维光栅结构由周期性的条形图案排列形成；所述非周期性的一维光栅结构由非周期性的条形图案排列形成。
[0013]根据本发明一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述光调制层包含周期性的二维光栅结构，或，非周期性的二维光栅结构，或，周期性的二维光栅结构与非周期性二维光栅结构的组合结构。
[0014]根据本发明一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔按照周期性行列图案排列形成；
[0015]所述非周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔按照非周期性行列图案排列形成，或，所述非周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔自由组合排列形成。
[0016]根据本发明一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述光调制层包含一维光栅结构和二维光栅结构的组合结构，其中，所述一维光栅结构为周期性或非周期性的光栅结构；所述二维光栅结构为周期性或非周期性的光栅结构。
[0017]根据本发明一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述光调制层包含至少一个调制组合，所述调制组合中包含若干组光栅结构和一组空结构，所述若干组光栅结构分别对不同波长的入射光具有窄带滤波作用，所述一组空结构用于直通入射光，以进行直通光强的标定；
[0018]透过所述若干组光栅结构的光强分别与透过所述一组空结构的直通光强进行差分处理，得到不同波长的入射光经过窄带滤波后的光强。
[0019]根据本发明一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述晶圆级别的图像传感器为前照式，包括：自上而下设置的金属线层和光探测层，所述光调制层集成在所述金属线层远离所述光探测层的一面；或，
[0020]所述晶圆级别的图像传感器为背照式，包括：自上而下设置的光探测层和金属线层，所述光调制层集成在所述光探测层远离所述金属线层的一面。
[0021]根据本发明一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，当所述晶圆级别的图像传感器为背照式时，在所述光探测层上刻蚀得到所述光调制层。[0022]根据本发明一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，所述光调制层包括一层或多层结构；
[0023]所述亚波长高对比度光栅结构贯穿所述一层或多层结构；或，所述亚波长高对比度光栅结构不贯穿所述一层或多层结构。
[0024]根据本发明一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，还包括：微透镜和/或滤光片；
[0025]所述微透镜设置在光调制层远离晶圆级别的图像传感器的一面，或，所述微透镜设置在光调制层靠近晶圆级别的图像传感器的一面；
[0026]所述滤光片设置在光调制层远离晶圆级别的图像传感器的一面，或，所述滤光片设置在光调制层靠近晶圆级别的图像传感器的一面。
[0027]根据本发明一个实施例的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，还包括：透光介质；
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说 明 书
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所述透光介质在光调制层与晶圆级别的图像传感器之间。
[0029]本发明实施例提供一种光谱仪，包括上述的光谱芯片。[0030]本发明实施例提供一种光谱芯片制备方法，包括：
[0031]在晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，所述光调制层对不同波长的入射光的调制作用不同；其中，高对比度光栅结构是指光栅齿的折射率和周围包围它的介质的折射率的比值区间为1.5～6；亚波长是指结构尺寸与入射光波长比值区间为0.05～5；
[0032]所述光调制层中的光栅结构用于对入射至所述光调制层的待测光进行调制，将所述待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素上，得到包含所述待测光的频谱信息的图像。
[0033]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片、光谱仪及制备方法，通过在晶圆级别的图像传感器的感光区域制备包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，使得光调制层能够对待测光进行调制，进而可以将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素上，从而得到包含待测光的频谱信息的图像。本发明实施例通过在晶圆级别的图像传感器上制备亚波长高对比度光栅，由于高对比度光栅的结构参数是亚波长量级，对光的调制能力更强，光谱响应特性更为丰富，进而使得光谱分辨能力更强，并将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器上，从而使得光谱检测工作不再需要依赖精密移动的分光部件，从而不但使得光谱检测设备的体积和成本大大降低，同时由于不再需要进行光学部件的对准，因此，也大大降低了后期的维护成本，本发明将光调制层直接制备在晶圆级别的图像传感器上表面，不仅在晶圆级别的图像传感器上实现单片集成，缩小了尺寸，同时也大幅提高了器件的成品率。附图说明
[0034]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]图1是本发明实施例提供的一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片的结构示意图；
[0036]图2是本发明实施例提供的包含周期性一维光栅结构的光调制层示意图；[0037]图3是本发明实施例提供的包含非周期性一维光栅结构的光调制层示意图；
[0038]图4是本发明实施例提供的包含周期性和非周期性一维光栅结构的光调制层示意图；
[0039]图5是本发明实施例提供的包含周期性二维光栅结构的光调制层示意图；[0040]图6是本发明实施例提供的包含非周期性二维光栅结构的光调制层示意图；[0041]图7是本发明实施例提供的又一包含非周期性二维光栅结构的光调制层示意图；[0042]图8是本发明实施例提供的包含周期性和非周期性二维光栅结构的光调制层示意图；
[0043]图9是本发明实施例提供的包含一维光栅结构和二维光栅结构的光调制层示意
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图；
图10是本发明实施例提供的包含调制组合的光调制层示意图；
[0045]图11是本发明实施例提供的晶圆级别的图像传感器结构示意图；[0046]图12是本发明实施例提供的又一晶圆级别的图像传感器结构示意图；[0047]图13是本发明实施例提供的刻蚀光调制层的结构示意图；[0048]图14是本发明实施例提供的单层材料的光调制层示意图；[0049]图15是本发明实施例提供的多层材料的光调制层示意图；[0050]图16是本发明实施例提供的又一多层材料的光调制层示意图；[0051]图17是本发明实施例提供的另一多层材料的光调制层示意图；[0052]图18是本发明实施例提供的另一多层材料的光调制层示意图；[0053]图19是本发明实施例提供的集成微透镜的光谱芯片结构示意图；
[0054]图20是本发明实施例提供的又一集成微透镜的光谱芯片结构示意图；[0055]图21是本发明实施例提供的集成滤光片的光谱芯片结构示意图；[0056]图22是本发明实施例提供的又一集成滤光片的光谱芯片结构示意图；[0057]图23是本发明实施例提供的集成微透镜和滤光片的光谱芯片结构示意图；[0058]图24是本发明实施例提供的又一集成微透镜和滤光片的光谱芯片结构示意图；[0059]图25是本发明实施例提供的又一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片的结构示意图；
[0060]图26是本发明实施例提供的另一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片的结构示意图；
[0061]图27是本发明实施例提供的再一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片的结构示意图；
[0062]附图标记：[0063]101：光调制层；102：晶圆级别的图像传感器；201：第一周期性一维光栅结构；202：第一矩形条；301：第一非周期性一维光栅结构；302：第二矩形条；401：第二周期性一维光栅结构；402：第三矩形条；403：第二非周期性一维光栅结构；404：第四矩形条；501：第一周期性二维光栅结构；502：第一调制孔；503：第二周期性二维光栅结构；504：第二调制孔；505：第三周期性二维光栅结构；506：第三调制孔；507：第四周期性二维光栅结构；508：第四调制孔；601：第一非周期性二维光栅结构；602：第五调制孔；701：第二非周期性二维光栅结构；702：第六调制孔；901：一维光栅结构；902：第五矩形条；1001：第一调制组合；1002：第二调制组合；1003：第三调制组合；1004：第四调制组合；1005：第五调制组合；1006：第六调制组合；1007：第一光栅结构；1008：第二光栅结构；1009：第三光栅结构；1010：空结构；1101：光探测层；1102：金属线层；1401：第一材料层；1501：第二材料层；1601：第三材料层；1901：微透镜；2101：滤光片；2501：信号处理电路；2601：透光介质。具体实施方式
[0064]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
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[0044]
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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0065]下面结合图1-图27描述本发明实施例的一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，可以测量入射光的频谱信息。该光谱芯片在晶圆级别的图像传感器的感光区域表面上直接制备包含亚波长高对比度光栅的光调制层，该光调制层对不同波长光调制作用不同，将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器不同像素上，用算法对各单元阵列响应进行处理可以重构得到原始光谱信息。光谱芯片的光调制层中有多个光栅结构，其中全部或部分为亚波长高对比度光栅，高对比度光栅可以是周期或非周期结构，可以是一维或二维结构，结构参数是亚波长量级。由于光栅齿与周围介质折射率的高对比度以及亚比长量级的结构，高对比度光栅对光的调制能力比普通微纳结构更强，可以实现宽带的高反射或高透射，可以调控光的相位，可以实现光束聚焦等，因此高对比度光栅的光谱响应特性更为丰富，进而使得光谱分辨能力更强。本发明实施例在晶圆级别的图像传感器上单片集成光调制层，利用CMOS工艺一次流片可完成光谱芯片的制备。与传统光谱仪相比，本发明实施例将分光部件与晶圆级别的图像传感器单片集成，有利于提高器件的稳定性，并且由于亚波长的量级，光调制层上的单元尺寸可以进一步减小，进而降低器件的大小和成本。
[0066]图1是本发明实施例提供的一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，包括：[0067]晶圆级别的图像传感器102；
[0068]晶圆级别的图像传感器102的感光区域的上表面制备有包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层101，光调制层101对不同波长的入射光的调制作用不同；其中，高对比度光栅结构是指光栅齿的折射率和周围包围它的介质的折射率的比值区间为1.5～6；亚波长是指结构尺寸与入射光波长比值区间为0.05～5；
[0069]光调制层101中的光栅结构用于对入射至光调制层101的待测光进行调制，将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器102的不同像素上，得到包含待测光的频谱信息的图像。
[0070]具体地，在晶圆级别的图像传感器102感光区域表面直接制备包含亚波长高对比度光栅的光调制层101，光调制层101对不同波长光的调制作用不同，每个结构单元与一个或多个晶圆级别的图像传感器102感光像素在垂直方向上相对应。[0071]在本实施例中，晶圆级别的图像传感器可以采用CIS晶圆实现，此外，还可以采用其他种类的晶圆实现，本实施例对此不作限定。
[0072]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，可以测量入射光的频谱信息。该光谱芯片在晶圆级别的图像传感器102的感光区域表面上直接制备包含亚波长高对比度光栅的光调制层101，该光调制层101对不同波长光调制作用不同，将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器102不同像素上，用算法对各单元阵列响应进行处理可以重构得到原始光谱信息。[0073]在本实施例中，光调制层的具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属、III-V族材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。[0074]在本实施例中，需要说明的是，由于高对比度光栅结构中光栅齿与周围介质折射率的高对比度以及亚波长量级的结构，高对比度光栅对光的调制能力比普通微纳结构更强，可以实现宽带的高反射或高透射，可以调控光的相位，可以实现光束聚焦等，因此高对
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比度光栅的光谱响应特性更为丰富，进而使得光谱分辨能力更强。并且由于亚波长的量级，光调制层101上的单元尺寸可以进一步减小，从而解决现有的光谱仪过于依赖精密光学部件而使得光谱仪体积庞大、很重且昂贵的缺陷。
[0075]本发明实施例中由于高对比度光栅的结构参数是亚波长量级，对光的调制能力更强，光谱响应特性更为丰富，进而使得光谱分辨能力更强，同时通过CMOS工艺一次流片完成光谱芯片的制备，有利于降低器件失效率，提高器件的成品良率，并降低成本，在晶圆级别的图像传感器上实现单片集成，可以最大程度减小晶圆级别的图像传感器与光调制层之间的距离，有利于缩小单元的尺寸，实现更高的分辨率并降低封装成本。[0076]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，通过在晶圆级别的图像传感器的感光区域制备包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，使得光调制层能够对待测光进行调制，进而可以将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素上，从而得到包含待测光的频谱信息的图像。本发明实施例通过在晶圆级别的图像传感器上制备亚波长高对比度光栅，由于高对比度光栅的结构参数是亚波长量级，对光的调制能力更强，光谱响应特性更为丰富，进而使得光谱分辨能力更强，并将待测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器上，从而使得光谱检测工作不再需要依赖精密移动的分光部件，从而不但使得光谱检测设备的体积和成本大大降低，同时由于不再需要进行光学部件的对准，因此，也大大降低了后期的维护成本，本发明将光调制层直接制备在晶圆级别的图像传感器上表面，不仅在晶圆级别的图像传感器上实现单片集成，缩小了尺寸，同时也大幅提高了器件的成品率。
[0077]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，光调制层101包含周期性的一维光栅结构，或，非周期性的一维光栅结构，或，周期性的一维光栅结构与非周期性一维光栅结构的组合结构。[0078]具体地，图2是本发明实施例提供的包含周期性一维光栅结构的光调制层示意图，如图2所示，光调制层101上刻有多个一维光栅结构，且所有一维光栅结构均是周期性结构，例如，在第一周期性一维光栅结构201中，包括了多个第一矩形条202，多个第一矩形条202按照预设的周期排列方式进行排布。第二周期性一维光栅结构401，由周期性的第三矩形条402排列而成，第二周期性一维光栅结构401与第一周期性一维光栅结构201周期不同。[0079]图3是本发明实施例提供的包含非周期性一维光栅结构的光调制层示意图，如图3所示，光调制层101上刻有多个一维光栅结构，且所有一维光栅结构均是非周期性结构，例如，在第一非周期性一维光栅结构301中，包括了多个第二矩形条302，多个第二矩形条302的排列方式为非周期排布。第二非周期性一维光栅结构403中，第四矩形条404的排列顺序为非周期排布，第二非周期性一维光栅结构403与在第一非周期性一维光栅结构301的排布方式不同。
[0080]图4是本发明实施例提供的包含周期性和非周期性一维光栅结构的光调制层示意图，如图4所示，光调制层101上刻有多个一维光栅结构，包含周期性和非周期性一维光栅结构，例如，在第一周期性一维光栅结构201中，第一矩形条202的排列顺序为按照预设的周期顺序逐列排布；第一非周期性一维光栅结构301中，第二矩形条302的排列顺序为非周期排布。
[0081]可以理解的是，本发明实施例中光调制层101包含的一维光栅结构，可以根据不同
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波长的光谱进行组合设置，本发明实施例对此不作具体限定。
[0082]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，光调制层包含周期性的一维光栅结构，或，非周期性的一维光栅结构，或，周期性的一维光栅结构与非周期性一维光栅结构的组合结构，从而能够针对不同波长的光谱进行调制。[0083]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，周期性的一维光栅结构由周期性的条形图案排列形成；非周期性的一维光栅结构由非周期性的条形图案排列形成。[0084]具体地，如图4所示，光调制层101上的第一周期性一维光栅结构201，由周期性的第一矩形条202排列而成，即排列顺序为按照预设的周期顺序逐列排布，第一矩形条202以空气隙为间隔，第一矩形条202长度相同，宽度相同，空气隙宽度相同。例如，第一矩形条202的长度为1μm，宽度为80nm，空气隙的宽度为20nm，高对比度光栅的周期为100nm。光调制层101上的第二周期性一维光栅结构401，由周期性的第三矩形条402排列而成，第三矩形条402的长度为1μm，宽度为30nm，空气隙的宽度为50nm，高对比度光栅的周期为80nm。[0085]第一非周期性一维光栅结构301中，第二矩形条302的排列顺序为非周期排布，第二矩形条302长度相同，宽度相同或不同，空气隙宽度相同或不同；同样，第二非周期性一维光栅结构403中，第四矩形条404的排列顺序为非周期排布，第四矩形条404长度相同，宽度相同或不同，空气隙宽度相同或不同。[0086]可以理解的是，每个一维光栅结构作为一个调制单元，都具有不同的调制作用，并且能针对不同波长的光谱进行调制，例如可以根据调制需要改变第一周期性一维光栅结构201中第一矩形条202的结构参数如矩形条的长度、宽度、空气隙宽度等，即可改变第一周期性一维光栅结构201的调制作用和/或调制对象。
[0087]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，周期性的一维光栅结构由周期性的条形图案排列形成，非周期性的一维光栅结构由非周期性的条形图案排列形成，从而可以根据调制需要进行组合或者改变结构参数，针对不同波长改变光栅结构的调制作用。
[0088]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，光调制层包含周期性的二维光栅结构，或，非周期性的二维光栅结构，或，周期性的二维光栅结构与非周期性二维光栅结构的组合结构。
[0089]具体地，图5是本发明实施例提供的包含周期性二维光栅结构的光调制层示意图，如图5所示，光调制层101上刻有多个二维光栅结构，且所有二维光栅结构均是周期性结构，例如，第一周期性二维光栅结构501中，第一调制孔502具有相同的截面形状；第二周期性二维光栅结构503中，第二调制孔504具有不同的截面形状；第三周期性二维光栅结构505中，第三调制孔506具有不同的截面形状；第四周期性二维光栅结构507中，第四调制孔508具有相同的截面形状；上述周期性二维光栅结构中的各个调制孔均按照预设周期顺序逐行或逐列排布。
[0090]图6是本发明实施例提供的包含非周期性二维光栅结构的光调制层示意图，如图6所示，光调制层101上刻有第一非周期性二维光栅结构601，第五调制孔602具有不同的截面形状，第五调制孔602按照结构参数大小如调制孔短轴长度的渐变顺序呈阵列式排布，其中结构参数还可以包括调制孔的内径、长轴长度、旋转角度、边长或角数等。
[0091]图7是本发明实施例提供的又一包含非周期性二维光栅结构的光调制层示意图，
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如图7所示，光调制层101上刻有一个整体的第二非周期性二维光栅结构701，第六调制孔702分别具有各自的特定截面形状，并按照特定的截面形状进行自由组合排列。在该二维光栅结构内，部分调制孔的特定截面形状相同，具有相同特定截面形状的各个调制孔构成了多个调制孔组，各个调制孔组的特定截面形状互不相同，且所有的调制孔均自由组合。该二维光栅结构整体可视为针对一种特定波长的光谱进行调制，也可以将其自由分割成具有若干个调制孔的二维光栅结构，从而可以针对多种不同波长的光谱进行调制，以增加光调制的灵活性和多样性。该二维光栅结构的图形整体范围可以为长是25μm、宽是18μm的矩形结构。
[0092]图8是本发明实施例提供的包含周期性和非周期性二维光栅结构的光调制层示意图，如图8所示，第一周期性二维光栅结构501中，第一调制孔502具有相同的截面形状；第二周期性二维光栅结构503中，第二调制孔504具有不同的截面形状；第三周期性二维光栅结构505中，第三调制孔506具有不同的截面形状；第四周期性二维光栅结构507中，第四调制孔508具有相同的截面形状；第一非周期性二维光栅结构601，第五调制孔602具有不同的截面形状，第五调制孔602按照结构参数大小如调制孔短轴长度的渐变顺序呈阵列式排布。需要说明的是，图8中的第一非周期性二维光栅结构601可以根据实际需求替换为其它任意的光栅结构，本发明实施例对此不作具体限定。
[0093]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，光调制层包含周期性的二维光栅结构，或，非周期性的二维光栅结构，或，周期性的二维光栅结构与非周期性二维光栅结构的组合结构，从而能够针对不同波长的光谱进行自由组合调制。[0094]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔按照周期性行列图案排列形成；
[0095]非周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔按照非周期性行列图案排列形成，或，非周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔自由组合排列形成。
[0096]如图8所示，第一周期性二维光栅结构501中，第一调制孔502具有相同的截面形状；第二周期性二维光栅结构503中，第二调制孔504具有不同的截面形状；第三周期性二维光栅结构505中，第三调制孔506具有不同的截面形状；第四周期性二维光栅结构507中，第四调制孔508具有相同的截面形状；其中，调制孔的截面形状可以包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形。第一非周期性二维光栅结构601，第五调制孔602具有不同的截面形状，第五调制孔602按照结构参数大小如调制孔短轴长度的渐变顺序呈阵列式排布；如图7所示，第二非周期性二维光栅结构701，第六调制孔702分别具有各自的特定截面形状，并按照特定的截面形状进行自由组合排列。
[0097]每个调二维光栅结构都具有不同的调制作用，并且能针对不同波长的光谱进行调制。根据调制需要改变二维光栅结构内的调制孔的结构参数和排列方式，即可改变调制作用。第一周期性二维光栅结构501、第二周期性二维光栅结构503、第三周期性二维光栅结构505、第四周期性二维光栅结构507的周期在50nm-350nm之间取值，占空比在5％-95％之间取值。
[0098]第一非周期性二维光栅结构601内的所有调制孔均具有相同的特定截面形状，以椭圆形为例。所有调制孔的长轴长度和短轴长度分别逐行逐列增大，组成了一个整体二维
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结构。具体结构为：对调制孔的短轴和旋转角度进行渐变调整，椭圆长轴选取40nm-100nm中的定值，例如为50nm；短轴长度在20-60nm范围内变化，椭圆的旋转角度在0-90°范围内变化，椭圆的排列周期为50-200nm中的定值，例如为100nm。该二维结构长为15μm、宽为10μm。调制孔的特定形状包括但不限于圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形等，也可以为上述各形状的任意组合。调制孔的结构参数包括但不限于内径、长轴长度、短轴长度、旋转角度、角数或边长等。
[0099]不同光栅结构对光谱的调制作用不同，光谱调制作用可包括但不限于散射、吸收、透射、反射、干涉、表面等离子激元、谐振等作用。改变光栅结构内的调制孔的结构参数(包括但不限于周期、半径、边长、占空比和厚度等参数中的一种或各参数的任意组合)和排列方式，即可改变调制作用，通过增加单元数量可以提高对不同光谱之间差异的灵敏度。[0100]其中，每个二维光栅结构下方有对应的光传感器。每组二维光栅结构阵列对不同波长的光有不同的调制作用，各组之间对输入光谱的调制方式不同，不同的调制方式可包括但不限于散射、吸收、透射、反射、干涉、激元、谐振增强等作用，调制作用的最终效果是不同波长的光通过二维光栅结构阵列后的透射谱不同。光通过二维光栅结构阵列调制作用后，由二维光栅结构下方的光传感器探测到光强。每个单元与其下方的光传感器构成一个像素点。通过算法可以得到一个像素点上各个波长的强度分布。通过不同单元的相同二维光栅结构像素可获得某一调制方式下的图像，多个像素点构成一幅包含多个频谱信息的图像。
[0101]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔按照周期性行列图案排列形成，非周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔按照非周期性行列图案排列形成，或非周期性的二维光栅结构由具有相同或不同形状的多个调制孔自由组合排列形成，从而能够针对不同波长的光谱进行自由组合调制。[0102]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，调制孔的形状包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形和矩阵中的一种或多种。[0103]具体地，二维光栅结构中调制孔的形状包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形和矩阵中的一种或多种，可以根据实际需要自由组合调制孔的形状，以满足对不同波长光谱进行调制的需求。
[0104]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，调制孔的形状包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形和矩阵中的一种或多种，从而能够针对不同波长的光谱进行自由组合调制。
[0105]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，光调制层101包含一维光栅结构和二维光栅结构的组合结构，其中，一维光栅结构为周期性或非周期性的光栅结构；二维光栅结构为周期性或非周期性的光栅结构。[0106]具体地，光调制层101还可以包含一维光栅结构和二维光栅结构的组合结构，其中全部或部分为亚波长高对比度光栅，光栅可以是周期或非周期结构。图9是本发明实施例提供的包含一维光栅结构和二维光栅结构的光调制层示意图，如图9所示，光调制层101包含第一周期性二维光栅结构501，在周期性二维光栅结构501中，包含多个第一调制孔502，多个第一调制孔502具有相同的截面形状；第二周期性二维光栅结构503中，第二调制孔504具
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有不同的截面形状；第三周期性二维光栅结构505中，第三调制孔506具有不同的截面形状；第四周期性二维光栅结构507中，第四调制孔508具有相同的截面形状；一维光栅结构901，其中一维光栅结构901可以是周期或是非周期结构，若为周期结构，则第五矩形条902按照预设的周期顺序逐列排布，如以空气隙为间隔，矩形条长度相同，宽度相同，空气隙宽度相同；若为非周期结构，则第五矩形条902按照非周期顺序排列，如矩形条长度相同，宽度相同或不同，空气隙宽度相同或不同。其中，光调制层101包含一维光栅结构和二维光栅结构中全部或部分为亚波长高对比度光栅。图9中整体范围可以是长为20μm、宽为16μm的矩形。每个光栅结构都具有不同的调制作用，并且能针对不同波长的光谱进行调制。根据调制需要改变光栅结构内的矩形条或调制孔的结构参数的渐变顺序和/或矩形条或调制孔的特定截面形状，即可改变当前光栅结构的调制作用和/或调制对象。
[0107]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，光调制层包含一维光栅结构和二维光栅结构的组合结构，从而能够针对不同波长的光谱进行自由组合调制。[0108]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，光调制层101包含至少一个调制组合，调制组合中包含若干组光栅结构和一组空结构，若干组光栅结构分别对不同波长的入射光具有窄带滤波作用，一组空结构用于直通入射光，以进行直通光强的标定；
[0109]透过若干组光栅结构的光强分别与透过一组空结构的直通光强进行差分处理，得到不同波长的入射光经过窄带滤波后的光强。[0110]具体地，光调制层101包含至少一个调制组合，调制组合中包含若干组光栅结构和一组空结构，其中一组空结构，入射光直通，可用于直通光强的标定。其余若干组光栅结构分别对应特定某一个波长的光，有窄带滤波作用。光通过若干组光栅结构窄带滤波后，有光栅结构下方的光传感器探测到光强，分别与直通的入射光进行差分，可得到每一个波长的光经过窄带滤波后的光强。每个光栅结构与光栅结构下方的光传感器构成一个像素点，通过不同光栅结构的相同阵列像素可获得某一波长下的图像，多个像素点构成一幅包含多个频谱信息的图像。
[0111]图10是本发明实施例提供的包含调制组合的光调制层示意图，如图10所示，光调制层101上有多个调制组合：第一调制组合1001、第二调制组合1002、第三调制组合1003、第四调制组合1004、第五调制组合1005、第六调制组合1006，每个调制组合划分为四组不同的结构阵列：第一光栅结构1007、第二光栅结构1008、第三光栅结构1009、空结构1010，其中第一光栅结构1007、第二光栅结构1008和第三光栅结构1009中分别对应某一个特定波长的光有窄带滤波作用，全部或部分为亚波长高对比度光栅，光栅可以是周期或非周期结构。空结构1010无光栅结构，入射光直通。第一光栅结构1007、第二光栅结构1008、第三光栅结构1009和空结构1010下方分别有对应的光传感器，光通过第一光栅结构1007、第二光栅结构1008、第三光栅结构1009窄带滤波后，由下方的光传感器探测到光强。第一光栅结构1007、第二光栅结构1008、第三光栅结构1009分别与空结构1010的差分可以得到每一个波长的经过窄带滤波后的光强。空结构1010还可用于该单元直通光强的标定。不同调制组合中相同位置的结构相同，第一调制组合1001、第二调制组合1002、第三调制组合1003、第四调制组合1004、第五调制组合1005、第六调制组合1006与其下方的光传感器构成一个像素点，通过不同单元构成多个像素，可获得各个波长下目标物体的图像和各个点的光谱，多个像素点构成一幅包含多频谱信息的图像。
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可以理解的是，上述实施例可通过改变光栅结构几何形状来改变这种调制作用，
几何形状可包括但不限于圆、十字、正多边形、矩形以及它们的任意组合。还可通过改变光栅结构的参数来改变这种调制作用，结构参数的改变可包括但不限于光栅结构周期、半径、边长、占空比、厚度等参数以及它们的任意组合。在光谱芯片中可使用任意方案或任意方案的任意组合，光调制层上的光栅结构可以为贯穿平板的孔，也可为具有一定深度的结构。[0113]上述光栅结构包括但不限于一维光子晶体、二维光子晶体、表面等离子激元、超材料、超表面等。具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属、III-V族材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。[0114]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，光调制层包含至少一个调制组合，调制组合中包含若干组光栅结构和一组空结构，从而可以对不同波长的光谱进行调制。
[0115]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，晶圆级别的图像传感器102为前照式，包括：自上而下设置的金属线层和光探测层，所述光调制层集成在所述金属线层远离所述光探测层的一面；或，
[0116]晶圆级别的图像传感器102为背照式，包括：自上而下设置的光探测层和金属线层，所述光调制层集成在所述光探测层远离所述金属线层的一面。
[0117]图11是本发明实施例提供的晶圆级别的图像传感器结构示意图，如图11所示，晶圆级别的图像传感器102是前照式的，光探测层1101在金属线层1102下方，晶圆级别的图像传感器102未集成上微透镜和滤光片，光调制层101直接集成到金属线层1102上。[0118]图12是本发明实施例提供的又一晶圆级别的图像传感器结构示意图，如图12所示，所选的晶圆级别的图像传感器102是背照式的，光探测层1101在金属线层1102上方，晶圆级别的图像传感器102未集成上微透镜和滤光片，光调制层101直接集成到光探测层1101上。相较于图11中的结构，光探测层1101在金属线层1102上方，减少了金属线层1102对入射光的影响，提高了器件的量子效率。
[0119]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，设置晶圆级别的图像传感器，不仅缩小了光谱检测设备的尺寸，而且使光谱检测不依赖于精密光学部件。[0120]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，当晶圆级别的图像传感器102为背照式时，在光探测层1101上刻蚀得到光调制层101。[0121]具体地，图13是本发明实施例提供的刻蚀光调制层的结构示意图，如图13所示，光调制层101是在晶圆级别的图像传感器102上直接生长一层或多层材料再通过刻蚀制备出亚波长高对比度光栅结构，或者在晶圆级别的图像传感器102上直接刻蚀制备出光栅结构，刻蚀深度可以为60～1200nm。光调制层101能对多个设计波长的光有不同调制作用，光调制层101中可以有多个光栅结构，其中全部或部分为亚波长高对比度光栅，每个光栅结构对应晶圆级别的图像传感器102上一个或多个像素。
[0122]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，当晶圆级别的图像传感器为背照式时，在光探测层上刻蚀得到光调制层，从而能够实现对多个设计波长的光进行调制。
[0123]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，光调制层101包括一层或多层结构；每层的厚度为60-1200nm；
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亚波长高对比度光栅结构贯穿所述一层或多层结构；或，亚波长高对比度光栅结
构不贯穿所述一层或多层结构。[0125]具体地，在纵向上，光调制层101可以由一层或多层材料构成，以增加光调制层101对入射光的在频谱上的调制能力，对入射光采样能力更强，有利于提高光谱恢复精度。[0126]图14是本发明实施例提供的单层材料的光调制层示意图，如图14所示，光调制层101为单一材料层，包括第一材料层1401，厚度为60～1200nm。其中，光调制层101上的亚波长高对比度光栅结构贯穿第一材料层1401，第一材料层1401具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属、III-V族材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。
[0127]图15是本发明实施例提供的多层材料的光调制层示意图，如图15所示，光调制层101为两层材料构成，包括第一材料层1401和第二材料层1501，且第一材料层1401和第二材料层1501为不同材料，其中，光调制层101上的亚波长高对比度光栅结构贯穿第一材料层1401和第二材料层1501，各层的厚度为60～1200nm。第一材料层1401和第二材料层1501具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属、III-V族材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。
[0128]图16是本发明实施例提供的又一多层材料的光调制层示意图，如图16所示，光调制层101为三层材料构成，包括第一材料层1401、第二材料层1501和第三材料层1601，且第一材料层1401、第二材料层1501和第三材料层1601为不同材料，其中，光调制层101上的亚波长高对比度光栅结构贯穿第一材料层1401、第二材料层1501和第三材料层1601，各层的厚度为60～1200nm。具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属、III-V族材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。[0129]图17是本发明实施例提供的另一多层材料的光调制层示意图，如图17所示，光调制层101为两层材料构成，包括第一材料层1401和第二材料层1501，且第一材料层1401和第二材料层1501为不同材料，其中，光调制层101上的亚波长高对比度光栅结构贯穿第一材料层1401，没有贯穿第二材料层1501，各层的厚度为60～1200nm。具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属、III-V族材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。如第一材料层1401可以为硅层，第二材料层1501可以为金层。[0130]图18是本发明实施例提供的另一多层材料的光调制层示意图，如图18所示，光调制层101为单一材料层，包括第一材料层1401，厚度为60～1200nm。其中，光调制层101上的亚波长高对比度光栅结构没有贯穿第一材料层1401，第一材料层1401具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属、III-V族材料等，其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅、碳化硅等。
[0131]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，光调制层包括一层或多层结构，亚波长高对比度光栅结构贯穿一层或多层结构，或亚波长高对比度光栅结构不贯穿一层或多层结构，以增加光调制层对入射光的在频谱上的调制能力，对入射光采样能力更强，有利于提高光谱恢复精度。[0132]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，还包括：微透镜1901和/或滤光片2101；
[0133]微透镜1901设置在光调制层101远离晶圆级别的图像传感器102的一面，或，微透
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镜1901设置在光调制层101靠近晶圆级别的图像传感器102的一面；
[0134]滤光片2101设置在光调制层101远离晶圆级别的图像传感器102的一面，或，滤光片2101设置在光调制层101靠近晶圆级别的图像传感器102的一面。[0135]具体地，光谱芯片集成了微透镜1901或滤光片2101或两者兼有。图19是本发明实施例提供的集成微透镜的光谱芯片结构示意图，光谱芯片集成了微透镜1901，微透镜1901在光调制层101的下方；图20是本发明实施例提供的又一集成微透镜的光谱芯片结构示意图，光谱芯片集成了微透镜1901，微透镜1901在光调制层101的上方；图21是本发明实施例提供的集成滤光片的光谱芯片结构示意图，光谱芯片集成了滤光片2101，滤光片2101在光调制层101的下方；图22是本发明实施例提供的又一集成滤光片的光谱芯片结构示意图，光谱芯片集成了滤光片2101，滤光片2101在光调制层101的上方；图23是本发明实施例提供的集成微透镜和滤光片的光谱芯片结构示意图，光谱芯片集成了微透镜1901和滤光片2101，微透镜1901和滤光片2101的位置在光调制层101的上方；图24是本发明实施例提供的又一集成微透镜和滤光片的光谱芯片结构示意图，光谱芯片集成了微透镜1901和滤光片2101，微透镜1901和滤光片2101的位置在光调制层101的下方。
[0136]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，通过在光谱芯片上集成微透镜和/或滤光片，提高了感光单元接受的光能，从而能针对不同波长的光谱进行调制。
[0137]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，当入射光为380-780nm的可见光时，所述光栅结构的光栅周期为50nm-350nm；[0138]当入射光为780-2526nm的近红外光时，所述光栅结构的光栅周期为100nm-700nm。[0139]具体地，光调制层101中有多个光栅结构，其中全部或部分为亚波长高对比度光栅。高对比度光栅可以是周期或非周期结构，可以是一维或二维结构，结构参数是亚波长量级。当入射光为380-780nm的可见光，光栅周期为50nm-350nm，占空比为5％-95％之间任意值，对于780-2526nm的近红外光，光栅周期可以为100nm-700nm，占空比为5％-95％之间任意值。
[0140]由于光栅齿与周围介质折射率的高对比度以及亚比长量级的结构，高对比度光栅对光的调制能力比普通微纳结构更强，可以实现宽带的高反射或高透射，可以调控光的相位，可以实现光束聚焦等，因此高对比度光栅的光谱响应特性更为丰富，进而使得光谱分辨能力更强。
[0141]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，通过在光谱芯片上设置亚波长高对比度光栅，可以实现宽带的高反射或高透射，可以调控光的相位，进而使得光谱分辨能力更强。
[0142]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，还包括：与晶圆级别的图像传感器102连接的信号处理电路2501；[0143]信号处理电路2501用于对包含待测光的频谱信息的图像进行处理，得到待测光的频谱信息。
[0144]图25是本发明实施例提供的又一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片的结构示意图，入射光经过光调制层101后由晶圆级别的图像传感器102转换成电信号，由信号处理电路2501进行处理输出。光调制层101是直接在晶圆级别的图像传感器102上制备的，晶
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圆级别的图像传感器102和信号处理电路2501之间通过电接触进行连接。信号处理电路2501用于对包含所述待测光的频谱信息的图像进行处理，得到所述待测光的频谱信息。[0145]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，通过设置与晶圆级别的图像传感器连接的信号处理电路，从而对包含待测光的频谱信息的图像进行处理，得到待测光的频谱信息。
[0146]在本实施例中，光调制层包含多个光栅结构，每个光栅结构对应的信号处理电路可以恢复出该光栅结构处的光谱信息。信号处理电路的输入是CIS晶圆的每个感光像素探测到的光强信号，利用这些光强值，结合事先实验测得的各个光栅结构的透射谱，就可以通过相应的算法，恢复出输入光的光谱信息。在实际应用中，可以根据需求，采用不同的算法对包含所述入射光的频谱信息的图像进行处理，进而得到所述入射光的频谱信息。[0147]基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，还包括：透光介质；[0148]所述透光介质在光调制层与晶圆级别的图像传感器之间。
[0149]图26是本发明实施例提供的另一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片的结构示意图，在纵向结构上，如图26所示，在光调制层101和晶圆级别的图像传感器102之间加入了一层透光介质2601，厚度为50nm～1μm，材料可为二氧化硅。若为直接沉积生长的工艺方案，可在晶圆级别的图像传感器102上通过化学气相沉积、溅射、旋涂等方式覆盖该透光介质层，然后在其上方进行微纳结构部分的沉积、刻蚀即可。若为转移的工艺方案，则可在二氧化硅上先进行微纳结构部分的加工，然后将这两部分整体转移到晶圆级别的图像传感器上。
[0150]图27是本发明实施例提供的再一种基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片的结构示意图，在纵向结构上，如图27所示，光调制层101中的光栅结构不是贯穿平板结构的孔，为具有一定深度的结构，即光调制层101未被贯穿，厚度为60～1200nm，整个平板的厚度为120～2000nm，且此结构也可在光调制层101和晶圆级别的图像传感器102之间加入透光介质2601。
[0151]本发明实施例提供的基于亚波长高对比度光栅的光谱芯片，通过在光调制层与晶圆级别的图像传感器之间设置透光介质，可以将光调制层与晶圆级别的图像传感器层分开，避免两者相互干扰，从而能够准确对光进行调制。[0152]基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供了一种光谱仪，包括：如上面实施例所述的光谱芯片。
[0153]由于本实施例提供的光谱仪包括上述实施例所述的光谱芯片，因此，本实施例提供的光谱仪具备上述实施例所述的光谱芯片的全部有益效果，由于上述实施例已经对此进行了较为详尽的描述，因此本实施例不再赘述。[0154]基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供了一种如上面所述实施例的光谱芯片的制备方法，具体包括如下步骤：
[0155]在晶圆级别的图像传感器的感光区域的上表面制备包含亚波长高对比度光栅结构的光调制层，光调制层对不同波长的入射光的调制作用不同；其中，高对比度光栅结构是指光栅齿的折射率和周围包围它的介质的折射率的比值区间为1.5～6；亚波长是指结构尺寸与入射光波长比值区间为0.05～5；
[0156]光调制层中的光栅结构用于对入射至所述光调制层的待测光进行调制，将所述待
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测光的频谱信息编码到晶圆级别的图像传感器的不同像素上，得到包含所述待测光的频谱信息的图像。
[0157]光调制层是在晶圆级别的图像传感器上直接生长一层或多层材料再通过刻蚀制备出亚波长高对比度光栅结构，或者在晶圆级别的图像传感器上直接刻蚀制备出光栅结构，刻蚀深度可以为60～1200nm。光调制层能对多个设计波长的光有不同调制作用，光调制层中刻蚀有多个光栅结构，其中全部或部分为亚波长高对比度光栅，每个光栅结构对应晶圆级别的图像传感器上一个或多个像素。[0158]另外,在光调制层和晶圆级别的图像传感器之间还可加入一层透光介质，厚度可以为50nm～1μm，材料可为二氧化硅。若为直接沉积生长的工艺方案，可在晶圆级别的图像传感器上通过化学气相沉积、溅射、旋涂等方式覆盖该透光介质层，然后在其上方进行微纳结构部分的沉积、刻蚀即可。若为转移的工艺方案，则可在二氧化硅上先进行微纳结构部分的加工，然后将这两部分整体转移到晶圆级别的图像传感器上。[0159]此外，需要说明的是，由于本实施例提供的制备方法是上述实施例中的光谱芯片的制备方法，因此，关于一些原理和结构等方面的详细内容，可以参见上述实施例的介绍，本实施例对此不再赘述。[0160]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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