LAM 单次全息灰度光刻制备多光谱滤光阵列。 导读
多光谱成像能够获取物体在多个波段下的光谱响应信息，在精准农业、环境监测、医学诊断、文化遗产保护和机器视觉等领域具有广泛应用前景。与传统彩色相机主要依赖红、绿、蓝三通道成像不同，多光谱成像需要在探测器前端集成具有不同透射光谱的滤光单元，使每个像素或像素组能够选择性接收特定波段的光信号。紧凑型多光谱相机通常依赖片上多光谱滤光阵列实现这一功能，其制造质量直接影响成像系统的光谱分辨能力、集成复杂度和应用成本。
现有多光谱滤光阵列制备方法通常依赖复杂的多步光刻、掩模对准、材料沉积或低通量直写工艺。对于包含多种透射峰位置和线宽的滤光阵列而言，不同滤光单元往往需要不同的结构厚度或材料参数，这使得传统制造流程面临步骤多、成本高、对准复杂和可重构性不足等问题。尽管灰度光刻能够通过连续光强调控实现三维形貌加工，但传统掩模灰度光刻需要复杂且昂贵的灰度掩模；基于数字微镜器件（DMD）的投影光刻则受到二值调制方式、像素尺寸和像素间距等因素限制，难以同时兼顾高分辨率、连续灰度和任意图形设计自由度。
近日，英国剑桥大学Oliver J. Burton等研究人员在Light: Advanced Manufacturing发表了题为Single-step holographic grayscale lithography of Fabry-Perot filter arrays的研究论文。研究团队提出了一种基于空间光调制器（Spatial light modulator, SLM）的单次全息灰度光刻方法，通过计算全息图将连续灰度光强图案直接投影到光刻胶上，在一次曝光中制备了具有不同腔厚的法布里-珀罗滤光阵列，为紧凑型多光谱滤光阵列的制造提供了一条崭新的技术路径。
图1：全息灰度光刻制备多光谱滤光阵列示意图
小百科：什么是法布里-珀罗滤光阵列？
法布里-珀罗滤光器是一类基于光学微腔干涉效应工作的窄带滤光结构，通常由两层半反射镜和中间腔层组成。只有满足特定共振条件的光能够高效透过，因此调控腔层厚度、折射率或反射镜参数，就可以改变滤光器的透射峰位置和光谱线宽。当大量具有不同透射特性的法布里-珀罗滤光单元排列成阵列并集成到图像传感器上时，探测器便能够在紧凑结构中同时获取空间和光谱信息，从而实现多光谱或高光谱成像。
该研究的核心是利用计算全息实现连续灰度光强的一次性并行投影。如图2所示，研究人员采用相位型液晶硅空间光调制器加载计算全息图，对入射相干光进行相位调制，再通过傅里叶变换透镜在光刻胶表面重构目标灰度光强分布。与DMD直接投影不同，SLM通过全息衍射在重放平面形成目标图案，可在一定程度上摆脱调制器像素结构对投影图案的直接限制，并实现连续灰度曝光。
图2：基于空间光调制器的全息灰度光刻系统
在器件制备方面，研究人员选择金属-绝缘体-金属结构的法布里-珀罗滤光器作为验证对象。他们首先在石英基底上沉积26 nm银层，并加入2 nm二氧化硅保护层；随后旋涂AZ5214E光刻胶作为可调腔层，初始厚度约为1500 nm。全息灰度曝光和显影后，不同灰度区域形成不同厚度的光刻胶腔层，最后再沉积第二层26 nm银层，完成滤光结构。每次曝光可制备一个4×4滤光阵列，每个滤光单元边长为200 µm，并通过16个灰度级实现系统变化的腔层厚度。
通过调控曝光剂量和全息图时间复用策略，研究人员实现了在一次曝光中制备腔厚约600–1300 nm的滤光阵列，如图3所示。随着腔厚增加，法布里-珀罗共振峰发生可预期红移，说明滤光单元的光谱响应能够通过全息灰度图案进行设计和调控。在所展示样品中，滤光器光谱线宽约为10~30 nm，对应拟合得到的物理厚度分布宽度约为19~50 nm。同时，研究人员利用西门子星图案评估该方法的加工分辨率。实验结果表明，该方法可实现约1 µm的特征尺寸；按更保守的视觉判据，可稳定识别的最小特征小于2.5 µm，已接近该光学系统的经典衍射极限。
图3：全息灰度光刻制备的法布里-珀罗滤光阵列和透射光谱表征
总结与展望
综上所述，该研究提出了一种基于空间光调制器和计算全息的单次全息灰度光刻方法，实现了法布里-珀罗滤光阵列中多种腔厚结构的一次曝光制备。相比传统多步光刻和多次掩模对准工艺，该方法将多种滤光单元的图形化过程合并到一次可编程全息曝光中，降低了制备复杂度，并提升了设计灵活性。未来，随着高速空间光调制器、计算全息算法和散斑调控技术的发展，该方法有望用于紧凑型多光谱成像器件、CMOS兼容光谱传感系统以及片上光学器件制造。（来源：先进制造公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2026.076
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作者：Oliver J. Burton等 来源：《光：先进制造》
