[发明专利]基于半导体光电二极管的高集成度光谱探测系统

说明书

本发明提供的是一种基于半导体光电二极管的高集成度光谱探测系统，由半导体光电二极管探测阵列、偏置电压电路、跨阻放大器(TIA)阵列、模拟数字(AD)转换电路阵列、光谱重构系统、信息显示系统和光谱响应函数系统组成，可实现结构简单的高性能小型化光谱仪，可广泛应用于光学检测、生物化学分析、工业自动监测、军事侦察、天文研究等领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于半导体光电二极管的高集成度光谱探测系统，可实现结构简单的高性能小型化光谱仪，可广泛应用于光学检测、生物化学分析、工业自动监测、军事侦察、天文研究等领域，属于光谱仪技术领域。

(二)背景技术

传统光谱仪体积大并且昂贵，通常采用基于色散系统的结构，由于光谱分辨率和光程长度成比例从而限制了传统光谱仪的小型化；近些年来，不断出现新技术使光谱仪小型化，采取的方法有采用窄带滤光片选择性地透射特定波长的光以取代色散系统，或者采用傅里叶变换系统将干涉仪产生的干涉信息转换为光谱信息，但是这些方法采用衍射光学元件或者微机电系统(MEMS)干涉仪，小型化受到光学元件尺寸和光程长度等因素限制，并且减低光谱仪尺寸会相应带来其性能的下降。

最近出现了基于光谱重构技术的光谱仪，设备利用了计算机处理能力并且可以结合机器学习技术；这种技术能够补偿由于进一步小型化而对检测器性能造成的影响，这代表了实现超紧凑型高性能光谱仪的途径，这样的光谱仪不仅可以利用硬件的技术进步，还可以利用新的算法进行处理，可应用在许多以前无法访问的科研、工业和消费电子平台。

为了利用光谱重构技术实现具有高性能的小型化光谱仪，Peng Wang等人设计的光谱仪由宽带衍射光学器件和传感器阵列组成，通过创建特征码图案的策略来实现重构光谱，输出将是由各个单独波长创建的按比例缩放的特征码图案叠加(Peng Wang，RajeshMenon，“Computational spectrometer based on abroadband diffractive optic，”Opt.Express 22,2014)；Eric Huang等人通过将光学谐振器阵列放置在CCD检测器前面实现采样，CCD检测器对谐振器传输的光进行编码以记录强度值，将标准具响应和测得的标准具强度输入到重建算法中以重建入射光的光谱(Eric Huang，et al.，“Etalon ArrayReconstructive Spectrometry”SCIENTIFIC REPORTS,7,40693,January,2017)；AhasanAhamad等人通过将硅光电二极管探测阵列里每个光电二极管探测器件设计具有独特光子俘获结构(表面上不同形状大小的光子捕获孔)以获得独特的光响应度，以光谱响应工程策略来重构光谱(AhasanAhamad，et al.，“Smart nanophotonics silicon spectrometerarray for hyperspectral imaging”OSA,2020)；Jiajun Meng等人设计的探测阵列芯片里每个像素都包含一个形成在平面光电探测器上方的硅纳米线，半导体纳米线充当纳米级光波导，光谱响应可通过改变纳米线半径来调整，每个像素结合了波长选择性和光电检测功能(Jiajun Meng，et al.，“Detector-Only Spectrometer Based on StructurallyColored Silicon Nanowires and a Reconstruction Algorithm”Nano Lett,2020)；王少伟等于2020年公开了“一种无分光系统的量子点光源芯片光谱仪及光谱重构方法”(中国专利：CN202010324658.3)，通过使用一系列不同发光波长量子点构成的发光光源芯片，利用该光源芯片发出的光照射到被测物体上后被探测器检测，再结合光谱重构技术就能实现光谱检测功能。