引言

Pratyasha Sahani 團隊在《Applied Optics》發表研究，針對傳統光譜儀體積龐大、濾光片陣列制備工藝復雜、線性梯度濾光片無法兼顧光譜分析與成像功能的技術瓶頸，提出像素化梯度厚度濾光片創新方案。通過構建二維離散梯度腔厚的法布里 - 珀羅濾波器（FPF）陣列，實現單傳感器單次采集即可完成光譜與成像雙重功能，為便攜式光譜檢測設備的微型化、低成本化發展提供技術支撐。

摘要 Abstract

本研究提出一種微型低成本的像素化梯度厚度光學濾光片，以實現可見光波段的光譜分析功能。該光學濾光片由金屬-介質-金屬薄膜構成的二維陣列組成，陣列中各薄膜采用法布里 - 珀羅濾波器結構，且腔層厚度呈離散變化。

通過在可見光波段測試各濾波器的透射率，完成其波長選擇性表征。將該像素化梯度厚度濾光片與 CMOS 圖像傳感器集成，并通過向其照射不同波長的單色光，評估其作為光譜模塊的性能。利用傳感器記錄的各像素化梯度厚度濾光片輸出信號，成功重構出目標光譜。

該濾光片的技術可行性使其可應用于手持設備，進而擴大其在日常生活中的應用范圍。

實驗方法

光學傳輸性能測試

通過在 400-700 nm 波長范圍測試濾光片陣列中各濾光片像素位置的透射率，表征該像素化梯度厚度濾光片的性能。測試采用Lambda Vision LVmicro-Z顯微分光光度計完成，入射光束直徑設定為 16 微米，以確保入射光落在濾光片像素區域內。

該顯微分光光度儀為光柵型，波長分辨率達 0.5 nm，顯微鏡物鏡的放大倍數設為 5 倍。沿濾光片長度方向，每隔 0.25 毫米（與相鄰像素化梯度厚度濾光片的間距一致）記錄一次濾光片的透射光譜。

（Lambda Vision LVmicro-Z顯微分光光度計）

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結論

本研究設計并制備了一款適用于 400-700 nm 波長范圍光譜分析的像素化梯度厚度濾光片。通過測試濾光片陣列中各濾光片位置的透射率，完成對該像素化梯度厚度濾光片的光譜特性表征。測試結果顯示，每個像素化濾光片的峰值透射率約為 40%，光譜帶寬約為 50 nm。

由于本研究采用銀合金金屬反射鏡，所制備器件存在透射率偏低、光譜帶寬較寬的問題。不過，未來研究中可采用高反射率介質反射鏡（如分布式布拉格反射器）替代金屬反射鏡，以實現更高的透射率和更窄的光譜帶寬，提升濾光片性能。濾光片陣列中每個梯度厚度濾光片的尺寸為 50 微米 ×50 微米，未來可進一步縮小至與 CMOS 圖像傳感器像素尺寸相當的水平。但需注意，濾光片尺寸減小后，需提高其與 CMOS 圖像像素的對準精度，減少色彩串擾，避免圖像質量下降。

濾光片陣列中相鄰行像素化濾光片的波長間隔約為 6 nm。測試發現，各濾光片的峰值透射波長隨濾光片像素位置呈線性變化，與線性梯度厚度濾光片的變化趨勢一致，證實該器件的像素化設計取得成功。

為驗證該技術方案的可行性，本研究將該像素化梯度厚度濾光片與商用單色 CMOS 相機模塊集成，搭建了實驗室驗證模型。通過向濾光片逐一照射不同波長的單色光，并記錄對應波長下的灰度圖像，利用蒂霍諾夫正則化方法對 CMOS 圖像傳感器記錄的輸出信號進行處理，成功重構出目標光譜。重構光譜的峰值波長與光譜帶寬均與實際目標光譜高度吻合，證實所制備器件具備優異的光譜模塊性能。

該像素化梯度厚度濾光片滿足小巧、輕便、低成本的設計需求，可應用于便攜式設備，為各類 “現場應用" 場景提供支持。