IMEC晶圆级滤光片突破：片上光谱成像赋能卫星遥感
光谱成像技术通过获取物体在不同波长下的光谱响应信息，能够揭示肉眼无法感知的物质特征。这项技术在天基观测、环境监测、农业评估、军事侦察等领域有着广泛应用。然而，传统光谱成像系统往往体积庞大、造价高昂，限制了其在小型化平台上的部署。
如何在保持光谱分辨率的同时实现系统的紧凑化，是近年来光学工程领域的一个重要研究方向。比利时微电子研究中心（IMEC）近期在SPIE Defense + Security 2026会议上发表的研究成果，展示了一种基于晶圆级集成的多光谱成像滤光片方案，为这一挑战提供了新的解题思路。
技术背景：光谱成像的基本原理与挑战
多光谱与高光谱成像
在讨论具体技术之前，有必要厘清几个相关概念。多光谱成像（Multispectral Imaging）通常指在几个到十几个离散光谱波段获取图像信息，每个波段对应特定波长范围。高光谱成像（Hyperspectral Imaging）则进一步提升光谱分辨率，在连续的光谱范围内获取数十甚至数百个波段的信息，能够构建更精细的光谱曲线。
两者各有应用场景。多光谱成像系统相对简单，适合对光谱分辨率要求不高但对实时性有要求的任务；高光谱成像则适用于需要精细物质识别的专业领域，如矿物勘探、农作物病害诊断等。
传统滤光片方案的局限
实现光谱分离的经典方法包括棱镜分光、光栅色散和滤光片转轮等。滤光片转轮方案通过在不同位置放置多个窄带滤光片，实现多波段成像，但机械结构复杂、切换速度慢、体积重量较大。
另一种方案是采用可调谐滤光片（如液晶可调谐滤光片LCTF或声光可调谐滤光片AOTF），能够灵活选择透过波长，但这类器件成本高昂，且在某些性能指标上存在局限。
干涉滤光片的优势
法布里-珀罗（Fabry-Pérot）干涉滤光片是一种基于多光束干涉原理的窄带滤光片。它由两块平行放置的高反射率镜面夹持一层低折射率间隔层构成，只有满足干涉加强条件（腔内光往返光程差为波长的整数倍）的波长才能透过。
这种滤光片的核心优势在于：通过调整间隔层的厚度，可以精确控制透过波长，实现波长可调谐或固定多波段的滤光功能。相比机械转轮方案，法布里-珀罗滤光片没有运动部件，可靠性更高，更适合空间应用。
IMEC方案：晶圆级集成的技术路径
研究团队与论文背景
IMEC的研究人员B. Delauré、B. Berteloot和K. Tack组成的团队，在SPIE Defense + Security 2026会议的"Sensors and Systems for Space Applications XIX"分会场发表了最新研究成果。论文题目为《Monolithic and hybrid integrated on chip optical filters for compact multi- and hyperspectral imaging payloads》，系统阐述了IMEC在片上滤光片集成方面的技术方案。
可见光至近红外波段方案
IMEC展示的第一种方案面向450至900纳米波段，这一范围覆盖了可见光和近红外区域，是地球观测中最常用的光谱窗口。
该方案基于CMOS图像传感器平台，在传感器像素上方直接集成法布里-珀罗干涉滤光片。关键创新在于滤光片的晶圆级制造——通过半导体工艺在整片晶圆上批量加工间隔层和反射镜结构，然后切割成单个芯片，实现与CMOS传感器的单片集成。
这种 monolithic（单片式）集成的优势显而易见：省去了分立滤光片与传感器之间的对准和贴合工序，消除了元件之间的光路空隙，既减小了系统体积，又提升了光能利用效率。
短波红外波段方案
第二种方案将工作波段扩展到短波红外（SWIR），即1000至1700纳米甚至更宽的范围。这一波段对于观测植被含水量、土壤矿物成分、某些气体成分等具有重要价值。
SWIR方案需要与InGaAs（铟镓砷）探测器配合使用，因为传统硅基CMOS传感器在这一波段的灵敏度较低。IMEC展示了两种实现路径：一种是延续单片集成思路，在InGaAs探测器上直接加工滤光片结构；另一种是采用混合集成方式，将CMOS兼容工艺加工的滤光片与InGaAs探测器通过键合技术组合。
值得注意的是，SWIR方案采用了加宽半高宽（Full Width at Half Maximum, FWHM）的响应设计策略。与追求极窄带宽的多光谱方案不同，加宽FWHM可以覆盖更宽的波段范围，虽然光谱分辨率有所降低，但能够以更少的滤光层级实现多波段采样，在有限的资源约束下实现功能最大化。
技术意义：向轻量化仪器迈进的里程碑
传统方案对比
将IMEC的方案与传统的空间遥感光谱仪进行对比，可以更清晰地理解其技术意义。
传统上，卫星和飞机平台上的光谱成像仪往往是独立的载荷设备，配备专用的光学系统、探测器阵列和复杂的机械结构。以欧空局Sentinel-2多光谱成像仪为例，其设计强调高信噪比和大面积覆盖，但系统复杂度高、功耗和体积都相当可观。
IMEC方案的价值在于探索一种“传感器级集成”的路径——将光谱分离功能直接嵌入探测器芯片，使得未来的光谱载荷可以做得更小、更轻、更适合小型卫星平台。
可扩展性分析
IMEC强调，其技术方案具有良好的可扩展性。一方面，晶圆级加工工艺天然适合大规模量产，成本随产量提升而摊薄；另一方面，波段数量、带宽配置等参数可以根据具体任务需求灵活调整，形成差异化的产品系列。
这种可扩展性为未来轻量化、多功能的机载和星载仪器开发提供了技术基础。特别是随着微小卫星（CubeSat）和无人机平台的发展，市场对紧凑型光谱载荷的需求正在增长。
应用前景：卫星遥感的新可能
机载观测的机遇
在机载观测领域，紧凑型光谱传感器可以部署在更轻量的无人机平台上，实现更高灵活性、更高频次的数据采集。这对于农业病虫害监测、环境突发事件响应、城市热岛效应分析等时效性要求高的应用场景尤为重要。
传统上这类任务需要有人飞机或大型无人机平台，成本高、调度难。轻量化光谱载荷的普及，有望改变这一局面。
星载观测的变革
在星载观测领域，微小卫星星座正在成为重要的数据采集手段。相比大型卫星，微小卫星具有发射成本低、重访周期短、风险分散等优势，但载荷能力的限制一直是瓶颈。
IMEC展示的技术方向，如果能够实现工程化应用，将为基于微小卫星星座的高光谱观测提供可能。当然，星载应用对器件的抗辐射性能、长期可靠性、环境稳定性等有着更苛刻的要求，技术成熟度还需要进一步验证。
地面应用的延伸
除了航空航天领域，紧凑型光谱传感技术在地面应用场景中同样有潜力。工业在线检测、食品品质分级、医疗诊断辅助、文物鉴定分析等专业领域，都是潜在的应用方向。这些场景对成本和体积的敏感度低于航空航天，但同样追求性能提升。
技术挑战与产业展望
走向成熟的必经之路
尽管IMEC的展示令人鼓舞，但从实验室成果到成熟的工业产品，仍有相当的距离。以下几个技术挑战值得关注：
批量生产一致性：晶圆级加工虽然便于量产，但确保每片芯片的性能一致性是工业品质的基本要求。间隔层厚度的均匀性、反射镜膜层的缺陷控制、器件性能的统计分布，都需要严谨的工艺管控。
环境适应性：对于空间应用，器件需要在真空、冷热交变、辐射等极端环境下保持稳定工作。聚合物基材料和半导体工艺的长期耐受性，需要专门的宇航级认证。
与系统集成的适配：滤光片性能的发挥，还取决于光源条件、信号处理算法、配套光学系统等环节的配合。如何提供完整的解决方案而非单一元器件，是产业化的关键。
学术与产业的桥梁
IMEC作为欧洲知名的微电子研究机构，其技术路线图的特色在于与半导体产业的深度结合。相比纯粹的学术研究，IMEC更注重工程可行性和产业对接，这为其技术成果的转化提供了便利。
从行业角度看，IMEC的方案为图像传感器厂商、光学元件供应商、仪器系统集成商提供了一个共同的对话基础。通过建立开放的技术生态，有望吸引更多产业伙伴参与推动技术成熟。
未来展望
光谱成像技术的小型化和集成化，是光学遥感领域的一个重要趋势。IMEC的工作为这一趋势提供了有价值的技术路径探索。
可以预见，未来的光谱观测系统将呈现分化格局：一端是以欧空局哥白尼计划、中国高分辨率对地观测系统为代表的大型专业载荷，追求极致性能；另一端是基于微纳卫星和轻量化载荷的分布式观测网络，追求灵活性和时效性。IMEC展示的片上滤光片技术，有望在后一类系统中找到自己的位置。
随着更多研究机构和企业加入这一领域的技术竞争，光谱成像的创新步伐有望进一步加快。对于关注光学技术前沿的专业人士而言，持续跟踪这一方向的发展将是必要的。
转载来源：本文基于SPIE会议论文集摘要撰写 ，论文：Delauré, B. et al. "Monolithic and hybrid integrated on chip optical filters for compact multi- and hyperspectral imaging payloads." SPIE Proceedings Volume 14052, 2026