[发明专利]微型快照式光谱仪

说明书

本发明公开了一种微型快照式光谱仪，所述光谱仪包括自上而下依次设置的角度滤波器、光谱选择层、感光面和读取电路。本发明利用高深宽比光阑阵列实现宽频谱角度滤光功能，构建微纳结构或带隙及折射率可调薄膜在同一平面内实现特定光谱透过。利用感光面将不同光谱选择层的透过光转换成光电流信号，并通过读取电路或外部处理电路对感光面采集的光电流信号进行处理并输出。本发明可实现超小尺寸的快照式光谱仪，从而实现高精度，大光谱范围的光谱分析，而且能够适合各个波段，从而满足不同光谱分析需求。

技术领域

本发明涉及光谱分析装置，尤其涉及一种微型快照式光谱仪，该光谱仪针对智能物联网及手机终端、显示器等所需超小尺寸光谱仪。

背景技术

光谱分析在食品，生物成分检测，环境监测等方面有非常广泛的应用，除了进一步提高光谱分析分辨率和光谱范围，目前对器件的小型化和高集成方面也提出了更高的要求，如与智能手机，无人机和可穿戴设备的结合，以及高光谱成像等。

利用传统的光谱分析方法很难实现像素级的光谱仪。传统的光谱分析一般是通过色散分光(如光栅，阵列波导)，滤光片，傅里叶变换等方式实现。分光型是基于光程差分光，虽然分辨率通常可以很高，但其分辨率会很大程度上受制于器件尺寸大小，尺寸越小，光程差越小，分辨率越低；滤光片型通常是基于一系列窄带滤波片对光谱信息进行采样，虽然不需要空间光程差累积，但需要阵列式来满足一定光谱范围的要求，同时滤波器的带宽限制了光谱分辨率；而傅里叶型光谱仪虽然可以用单点探测器代替阵列，但需要在时间尺度上进行扫描，降低了时间分辨率。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有角度滤波功能的微型快照式光谱仪。利用半导体微纳工艺可以制备出需要的光谱选择层以及角度滤光器，通过同感光面及读取电路的共封装集成，实现超小尺寸快照式光谱仪模组。利用高深宽比的光阑阵列实现宽频谱角度滤光功能，构建微纳结构或带隙及折射率可调薄膜在同一平面内实现特定光谱透过。利用感光面将不同光谱选择层的透过光转换成电信号，并通过读取电路或外部处理电路将感光面采集的电信号处理转化成光谱信息。同时利用半导体工艺精密加工封装模组夹具，实现自恰式精确封装对准，极大降低封装难度、时间及成本。该微型快照式光谱仪具有极小的体积及功耗，并且通过角度滤光结构实现降噪，利于批量制备及同各种消费电子产品集成，为智能显示，照明等提供环境光谱信息。

本发明的技术方案如下：

一种微型快照式光谱仪，整体结构由角度滤波器，光谱选择层，感光面和读取电路自上而下集成而成。

所述的角度滤波器集成于光谱选择层正上方，角度滤波器上设有光阑阵列，用于遮挡非垂直入射部分的光，从而实现角度滤波的作用。

所述的光谱选择层由对各个波段具有不同透过光谱的微纳结构薄膜构成。角度滤波器的光阑阵列的通孔位置区域和下方光谱选择层的微纳结构区域一一对应。

所述的感光面用于对光谱选择层选取波段的透射光产生光电流响应。感光面包括但不限于硅基传感器、碲镉汞类传感器、化合物半导体传感器、量子点传感器、锗传感器等。

所述的读取电路用于对感光面的光电流信号进行处理并输出。

上述技术方案中，进一步地，所述的角度滤波器厚度可以为50～1000um，由多个高深宽比通孔构成，材料可以为单晶硅或者金属等，和下方光谱选择层阵列的微纳结构区域一一对应，通孔形状可以为圆孔、方孔等各种形状，通孔的深度大于截面圆的直径或者多边形的边长及对角线长。

进一步地，所述的光谱选择层由上层的选择波段透明介质基底(SiO₂、硫系玻璃等)和下层具有不同微纳结构的光谱选择性薄膜构成，光谱选择性薄膜的材料包括氮化硅、非晶硅、氧化钛，以及各类硫系材料等。