CN105806796A - 分子传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种分子传感器，包括照明模块和光谱模块，光谱模块依次包括初级透镜阵列、滤波片阵列、次级透镜阵列、微孔阵列、支撑结构阵列、传感器阵列，初级透镜阵列用于漫射来自样品的入射光；滤波片阵列用于使漫射光变为多条独立光路；次级透镜阵列用于对来自滤波片阵列的入射光进行傅里叶变换，微孔阵列包括多个微孔，支撑结构阵列内部包含多条支撑结构和用于抑制不同光通道之间串扰的非透光材料组成的多个光传输通道，本发明具有笔直的光轴、短的光程，笔直的光轴和短的光路能够使得分子传感器产品尺寸更小、成本更低，能够融入到蜂窝电话这一类的消费类电子设备中，而且能有足够的灵敏度和分辨率去获得样品的多个频段波长下的光谱。
Description
技术领域
本发明涉及光谱探测、红外识别领域，具体是一种可以对物质的光谱进行分析的分子传感器。
背景技术
分子传感器可以被用于各个方面。比如分子传感器可以用于对工业生产过程中产品缺陷的探测，卫星以及航空航天的成像，实验室研究等。但是应用于这些领域的分子传感器设备体积都太大，对于消费市场售价太高。
分子传感器从样品中探测光谱辐射，并对获取到的光谱信号进行处理，得到的信息结果包括样品的光谱、物理以及化学信息。这一装置一般还包括一些对光谱进行甄别的光学元件，分离样品发出的辐射波长，这些光学元件包括一个透镜，能够将辐射聚焦在成像平面上。
现有的分子传感器在一些性能方面不是特别理想。以前的分子传感器如果提高分辨率，但是会造成应用在便携式设备上的体积又会太大，设备太过笨重，信息传输不方便，光学元件也需要更多校准。
现有的分子传感器的感光性不是特别理想，由于传感器感光区域材质的原因，感光二极管对可见-近红外波段光谱的响应率较低，特别在光线不充足的情况下，图像传感器的质量会变得不理想。
尽管以前提出提高探测器的光吸收率的方法，但是需要加装透镜，增加了分子传感器的复杂度和尺寸。与之对应的提出过减小分子传感器尺寸的方法，虽然分子传感器的尺寸和光程得到减少，但是分辨率、灵敏度以及精准度却下降了。
一种增强型的分子传感器需要克服上述的一些缺陷，理想情况下的分子传感器能够在不增加原有尺寸的情况下增加探测器的光谱吸收率，提高图像传感器的图像质量。而且应该能够足够紧凑，可以集成到消费类设备上。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种分子传感器。
本发明技术方案如下：
一种分子传感器，包括照明模块和光谱模块，光谱模块沿入射光方向依次包括初级透镜阵列、滤波片阵列、次级透镜阵列、微孔阵列、支撑结构阵列、传感器阵列，其中：
所述初级透镜阵列：包括多块初级微透镜，用于漫射来自样品的入射光；
所述滤波片阵列：包括多块传输不同波长光线的滤波片，用于使初级透镜阵列射出的漫射光变为多条独立光路；每一独立光路从滤波片发出，经次级透镜阵列、微孔阵列、支撑结构阵列，延伸到传感器阵列的活性区域；
所述次级透镜阵列：用于对来自滤波片阵列的入射光进行傅里叶变换，包括多块次级微透镜，每一次级微透镜与其所在的独立光路上的滤波片的位置和尺寸对应；
微孔阵列：包括多个微孔，每一微孔与其所在的独立光路上的次级透镜阵列的微透镜的位置和尺寸对应,所述微孔由非透光材料组成；
支撑结构阵列：内部包含多条支撑结构和用于抑制不同光通道之间串扰的非透光材料组成的多个光传输通道，光传输通道的通道壁上包含了用于吸收次级透镜阵列的漫射光的吸光材料；每一光传输通道与其所在的独立光路上的微孔的位置和尺寸对应；
传感器阵列：包含多块活性区域，活性区域是指传感器单元内部能够吸收入射光的感光层的区域。每块活性区域内包含了多个传感器单元，每个活性区域与其所在的独立光路上的滤波片、次级微透镜、微孔、光传输通道的位置和尺寸对应；
照明模块：包括产生样品入射光的辐射源。
独立光路的优势在于能够减少光路之间的串扰，并且允许分子传感器在减少仪器长度尺寸的情况下增加分辨率。
每一个位置的传感器单元对应某一光波长，光波长是由该位置所接收光线的角度、微透镜的焦距以及滤波片的中心波长决定的。
作为优选方式，所述传感器单元采用多层结构红外CMOS图像传感器，所述传感器包括黑硅感光层和黑硅感光层上的钝化层。这样可以在简化传感器结构的基础上增加探测器的响应度。感光层之上覆盖一层降低反射率的钝化层，提高了探测器的光吸收率。黑硅层的厚度为微米量级。
作为优选方式，所述照明模块，包括初级辐射源、与初级辐射源发射的辐射波长范围不同的次级辐射源。
作为优选方式，滤波片阵列的滤波片之间波长范围有重叠。现有的传感器结构使光谱的边缘不容易得到很好地采集，滤波片之间波长范围重叠的话处于边缘位置的光谱就可以更好的采集。
作为优选方式，初级微透镜和次级微透镜的光学表面是非球面的，部分微透镜有两个都是凸起的光学表面。
作为优选方式，滤波片阵列中的滤波片以矩形、圆形、或椭圆形排列。
作为优选方式，支撑结构阵列的每一光传输通道的高度和与其在同一独立光通道上的次级微透镜的焦距相同。
作为优选方式，所述的滤波片是带通滤波干涉滤波片。这样干涉滤波片传输通过的光谱波长会随入射光线角度的变化而改变。
作为优选方式，滤波片阵列包含了两面基底，基底的两面均包含了防止各独立光通道相互串扰的涂层。
作为优选方式，初级辐射源包含多种发光二极管或者激光二极管，次级辐射源由一个荧光平面构成。
本发明的有益效果为：本发明具有笔直的光轴、短的光程，笔直的光轴和短的光路能够使得分子传感器产品尺寸更小、成本更低，以黑硅作为感光材料的改进型探测器简化了探测器的复杂度和结构，能够融入到蜂窝电话这一类的消费类电子设备中，而且能有足够的灵敏度和分辨率去获得样品的多个频段波长下的光谱。
附图说明
图1是本发明实施例提供的光学布局的原理图。
图2是本发明实施例提供的分子传感器探头的原理图。
图3是本发明实施例提供的初级透镜阵列的原理图。
图4是本发明实施例提供的照明模块的原理图。
图5是本发明实施例提供的光谱模块的原理图。
其中，2为分子传感器，3为光谱模块，4为初级透镜阵列，5为入射光，6为滤波片阵列，7为次级透镜阵列，8为传感器阵列，9为分子传感器探头，11为发光二极管光，12为照明模块，13为照明窗，14为调制平面，15为柔性电路板，16为电动装置，17为固定支架，18为加固板，19为荧光粉，24为滤波片，26为微孔阵列，28为光传输通道。31为光谱窗，33为支撑结构阵列，34为活性区域，35为次级微透镜，36为滤光片，37为支撑结构，41为初级微透镜，42为基底，43为漫射光。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图5所示，一种分子传感器2，包括照明模块12和光谱模块3，光谱模块沿入射光方向依次包括初级透镜阵列4、滤波片阵列6、次级透镜阵列7、微孔阵列26、支撑结构阵列33、传感器阵列8，其中：
所述初级透镜阵列：包括多块初级微透镜，初级微透镜用于漫射来自样品的入射光；普通平行光(或者部分平行光)照射到初级透镜阵列上，产生的漫射光接着照射到滤光片阵列上。初级透镜阵列可以在滤波片阵列6处产生朗伯光分布。优选的，初级透镜阵列的表面可包含一层增加入射光透射率的增透膜。初级透镜阵列下方还包含一块滤光片36，该滤光片36较厚，可吸收波长低于阈值波长的光。初级透镜阵列使得所有滤波片能获得一致的光分布，出射的漫射光有着一致平均能量分布的光线。初级透镜阵列将入射到它上面的光线均匀地按角度和能量分布，漫射光以基本一致的角度分布形貌和能量分布形貌的光线射向滤波片阵列的每个滤波片。
所述滤波片阵列：包括多块传输不同波长光线的滤波片24，用于使初级透镜阵列射出的漫射光变为多条独立光路；每一独立光路从滤波片发出，经次级透镜阵列、微孔阵列、支撑结构阵列，延伸到传感器阵列的活性区域；滤波片所能通过的光谱范围定义为，入射到滤波片表面光束的全宽半高分布(FWHM)。滤波片的波长范围可以由滤波片的中心波长和光谱宽度所决定。中心波长是指能通过滤波片光线的平均波长，光谱带宽是通过这块滤波片光线的最大最小波长之差。比如，一块滤波片的中心波长和波长范围分别为250nm和20nm，它能传播过的光线的波长是从240nm到260nm，滤光片不会透过波长小于240nm和大于260nm的光线。每一块滤波片被构造来传输某一波长范围的光线，不同滤波片之间传播的光线中心波长不同，滤波片阵列的滤波片之间波长范围有重叠。现有的传感器结构使光谱的边缘不容易得到很好地采集，滤波片之间波长范围重叠的话处于边缘位置的光谱就可以更好的采集。
单一滤波片的使用会限制分子传感器可识别的光谱范围。比如，如果入射光的角度大于25度，由于大角度下透镜的像差和探测器效率的下降，分子传感器的可识别光谱范围太窄，不能产生强度足够的信号，这个范围对于基于分子传感器的应用是不够的。一个由多个子滤光片组成的滤光片阵列可以有更大光谱范围，子滤波片以平铺的方式在滤光片阵列进行排布，每一块子滤波片都有一个不同的中心波长，这样就可以覆盖光谱的不同部分。
所述次级透镜阵列4：用于对来自滤波片阵列的入射光进行傅里叶变换，包括多块次级微透镜35，每一次级微透镜与其所在的独立光路上的滤波片的位置和尺寸对应；次级微透镜的数量和滤波片阵列中滤波片的数量相同。滤波片阵列与次级透镜阵列紧贴或者间隔一条空气层，间隔一条空气层可以更好的传输来自滤波片的光线。
微孔阵列26：包括多个微孔，每一微孔与其所在的独立光路上的次级透镜阵列的微透镜的位置和尺寸对应,所述微孔由非透光材料组成，可以防止滤波片之间的串扰。
支撑结构阵列33：内部包含多条支撑结构37和用于抑制不同光通道之间串扰的非透光材料组成的多个光传输通道28，光传输通道的通道壁上包含了用于吸收次级透镜阵列的漫射光的吸光材料；每一光传输通道与其所在的独立光路上的微孔的位置和尺寸对应；支撑结构比较坚硬，可以增加光传输通道28的刚度，可以支撑次级透镜阵列7和滤波片阵列6。用于抑制不同光通道之间串扰的非透光材料可以为一种黑色非透光涂层，非透光吸收材料能大大减弱通道间的串扰，防止杂散光进出。支撑结构阵列的每一光传输通道的高度和与其在同一独立光通道上的次级微透镜的焦距相同。使得透过每一块微透镜的光都能在传感器上聚焦。
传感器阵列：包含多块活性区域34，活性区域是指传感器单元内部能够吸收入射光的感光层的区域。每块区域内包含了多个传感器单元，每个传感器单元对应某一个传感器像素点。每个活性区域与其所在的独立光路上的滤波片、次级微透镜、微孔、光传输通道的位置和尺寸对应；
照明模块12：包括产生样品入射光的辐射源、与初级辐射源发射的辐射波长范围不同的次级辐射源。
上文所述的位置和尺寸对应，是指同一独立光路上的滤波片、次级微透镜、微孔、光传输通道在位置上对齐且相应的尺寸相同。
所述滤波片阵列、次级透镜阵列、微孔阵列、支撑结构阵列、传感器阵列中的每一列都对齐在一个共同的光轴上，即在同一条独立光路上。
独立光路的优势在于能够减少光路之间的串扰，并且允许分子传感器在减少仪器长度尺寸的情况下增加分辨率。
每一个位置的传感器单元对应某一光波长，光波长是由该位置所接收光线的角度、微透镜的焦距以及滤波片的中心波长决定的。
本发明的工作原理是：入射光线照射到初级透镜阵列上，漫射光接着以某一角度范围的传播角度照射到滤波片阵列上，通过滤波片的光谱是经过角度编码的。经过角度编码的光线接着透过次级透镜阵列(比如傅里叶变换聚焦元件)，次级透镜阵列会对角度编码光线进行傅里叶变换，将其变换为空间编码的光谱。最后光线到达传感器。传感器单元的位置与光线波长对应的透镜阵列光轴有关，对于某一像元位置的波长，是由基于与像元位置有关的透镜阵列的光轴来决定的。传感器单元记录下光强度，比如传感器上像元的位置函数(例如像元的编号或者参考位置的坐标)从而对应了该位置解析的光波长。
所述传感器单元采用多层结构红外CMOS图像传感器，所述传感器包括黑硅感光层和黑硅感光层上的钝化层。黑硅层的厚度为微米量级，传感器使用黑硅作为感光层，可以感应一条或者多条紫外波长，可见光波长或者红外波长光线。这样在简化传感器结构的基础上增加探测器的响应度。微米量级的黑硅层可以基本全部吸收入射的可见光和近红外光，提高了传感器的光响应率。感光层之上覆盖一层降低反射率的钝化层，用于降低入射光线的反射率，增加传感器的光吸收率和灵敏度，增强探测器的图像质量。钝化层可以是氧化铝或者氧化钛。
传感器可以被放置在一个预定的平面上。预定平面可以是透镜阵列的焦平面。不同波长的光线(Y1、Y2、Y3、Y4和Y5)到达传感器是一组同心圆，同心圆的半径与波长成非线性比例的关系。
每一组传感器单元被构造来接收宽光谱范围的信号，多组传感器单元覆盖的光谱范围可达几百纳米。
初级微透镜和次级微透镜的光学表面是非球面的，部分微透镜有两个都是凸起的光学表面。
滤波片阵列中的滤波片以矩形、圆形、或椭圆形排列。这样可以抑制不同滤波片发出的光在探测器上产生的串扰，减小杂散光的影响。比如，阵列是由4×5的滤波片形式组成的，滤波片矩阵呈一个矩形，有6个滤波片位于矩阵的内部，14个滤波片位于矩阵的周围。被选择在内部的6个滤波片能够通过边缘波长范围的光线。
所述的滤波片是带通滤波干涉滤波片。这样干涉滤波片传输通过的光谱波长会随入射光线角度的变化而改变。比如，可以使用一个对通带之外(至少是300nm)具有宽阻塞范围的窄带滤波片(小于等于20nm)。滤波器的中心波长(CWL)可以随照射在其表面的光线的入射角度变化而改变。
滤波片中心频带的中心波长可以超过20nm，通过滤波片的有效范围的波长是远远大于滤波片的带宽的。在许多的实施例中，滤波片的中心波长变化的范围要比带宽大更多。比如说，在传感器的整个视场内，带通滤波片的带宽不超过20nm，但是中心频带的波长会变化超过20nm。
滤波片阵列包含了两面基底42，基底42的两面均包含了防止各独立光通道相互串扰的涂层。第二面的涂层是一种有着极高频率精细度的带通干涉滤光片，在滤波片阵列第一面的涂层包括一种平衡机械压力的涂层，还包含一种可以选择性通过红外光线的红外滤波片。
初级辐射源包含多种发光二极管或者激光二极管，次级辐射源由一个荧光平面构成。
图2展示了实施例中分子传感器探头的原理图。分子传感器2包含一个分子传感器探头9。该分子传感器探头包含一个或多个光谱模块3以及一个照明模块12。每个模块都覆盖着一个模块窗。该光谱模块3包含一个光谱窗31，照明模块12包含一个照明窗13。照明模块和光谱模块在安装时需覆盖样品观测的视场。模块的光轴可以相互朝向或者相互垂直。
图3展示了初级透镜阵列的原理图。平行的入射光5进入初级透镜阵列4中，初级透镜阵列包括初级微透镜41和基底42，出射的漫射光43具有某一固定角度轮廓θ。漫射光的角度分布与入射光线的角度无关，两者相互独立。
入射光5是经样品反射或者漫射的光源光线，光源光线由照明模块发出。初级透镜阵列是一种随机阵列结构。初级透镜阵列的每个微透镜单元是一个独立的漫射单元，每个微透镜单元可以独自控制所漫射的入射光。
初级透镜阵列4的每一块微透镜的分布是依据某一种概率分布函数，概率分布函数是根据入射光的强度或者应用场景决定的，比如，可见光或者红外光的应用情况。微透镜可以通过自身表面纹路质量和位置，控制漫射光的分布和位置。微米量级的微透镜构成的微透镜阵列可以提供非常广的兼容性，可以对宽光谱范围波长的光线进行控制，在整个入射平面内处理光束的分布，有效的控制光的空间轮廓和强度分布。
初级透镜阵列出射的漫射光允许多种光分布图样照射到滤波片阵列上，包括圆形、椭圆形和方形，这依赖于滤波片阵列排列的形状。初级透镜阵列4最终以特定的发散角θ传输出射的漫射光。在一些实施例中，微透镜阵列会包含一层提高入射光透射率的增透膜。
图4为照明模块原理图。该照明模块发出的光线照射样品。该照明模块包含一个照明窗13。该照明窗能密封照明模块。照明模块发出的光能穿过该照明窗。例如，该照明窗可以是锗。照明模块含有一个或者多个发光二极管光源11。
如图所示，光源11安装在一个固定支架17上。该固定支架包含一种导热封装。固定支架可以安装在一个柔性电路板15上，该柔性电路板15安装在一个加固板18上，从而减小照明模块的移动，该柔性电路板是分子传感器PCB电路的一部分。
光源11产生的光波长可被一个调制平面14调制。调制平面14是一种荧光平面，荧光平面是由嵌入荧光粉19的玻璃组成。该调制平面是一种次级辐射源，该次级辐射源吸收来自初级辐射源的光并释放出频率比吸收光线频率更低的光线。初级辐射源产生可见光，调制平面14吸收该光线并发出近红外光。固定支架17封装含有一个散热片，调制平面与固定支架相连，可以传导调制平面的热量。
照明模块还包含一个电动装置16，用于调整照明模块光轴的倾斜角度。照明模块和光谱模块的光轴的倾斜角度可以随样品探测距离的不同通过电动装置进行调整，使得照明模块和光谱模块的光轴汇聚于样品，最终光谱模块接收被样品反射或者漫射的发射光线。
传感器阵列8的每一块活性区域在每个不同支撑结构的正下方。一条独立的光路路径的建立是，从滤波器阵列的一块单一滤波片到微孔阵列的一个单一微孔再到传感器阵列上一块活性区域上。近似的，相互平行的光线路径都是在滤波片阵列的每一块滤波片建立的，这样在滤波片阵列的滤波片上就有相同数量的平行光路径被建立。
传感器阵列8可以被安装在柔性的印刷电路板上。印刷电路板可以被附着在一个加固板上。加固板是一个能够防止分子识别模型相对于分子传感器探头移动的金属加固板。
支撑结构37可以被放置接触传感器顶端的封装，传感器封装的一部分非感光区域与支撑结构阵列相接触，非感光区域与感光区域相远离。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种分子传感器，其特征在于，包括照明模块和光谱模块，光谱模块沿入射光方向依次包括初级透镜阵列、滤波片阵列、次级透镜阵列、微孔阵列、支撑结构阵列、传感器阵列，其中：
所述初级透镜阵列：包括多块初级微透镜，用于漫射来自样品的入射光；
所述滤波片阵列：包括多块传输不同波长光线的滤波片，用于使初级透镜阵列射出的漫射光变为多条独立光路；每一独立光路从滤波片发出，经次级透镜阵列、微孔阵列、支撑结构阵列，延伸到传感器阵列的活性区域；
所述次级透镜阵列：用于对来自滤波片阵列的入射光进行傅里叶变换，包括多块次级微透镜，每一次级微透镜与其所在的独立光路上的滤波片的位置和尺寸对应；
微孔阵列：包括多个微孔，每一微孔与其所在的独立光路上的次级透镜阵列的微透镜的位置和尺寸对应,所述微孔由非透光材料组成；
支撑结构阵列：内部包含多条支撑结构和用于抑制不同光通道之间串扰的非透光材料组成的多个光传输通道，光传输通道的通道壁上包含了用于吸收次级透镜阵列的漫射光的吸光材料；每一光传输通道与其所在的独立光路上的微孔的位置和尺寸对应；
传感器阵列：包含多块活性区域，每块区域内包含了多个传感器单元，每个活性区域与其所在的独立光路上的滤波片、次级微透镜、微孔、光传输通道的位置和尺寸对应；
照明模块：包括产生样品入射光的辐射源。
2.根据权利要求1所述的分子传感器，其特征在于：所述传感器单元采用多层结构红外CMOS图像传感器，所述传感器包括黑硅感光层和黑硅感光层上的钝化层。
3.根据权利要求1所述的分子传感器，其特征在于：所述照明模块，包括初级辐射源、与初级辐射源发射的辐射波长范围不同的次级辐射源。
4.根据权利要求1所述的分子传感器，其特征在于：滤波片阵列的滤波片之间波长范围有重叠。
5.如权利要求1所述的一种分子传感器，其特征在于：初级微透镜和次级微透镜的光学表面是非球面的，部分微透镜有两个都是凸起的光学表面。
6.如权利要求1所述的一种分子传感器，其特征在于，其特征在于：滤波片阵列中的滤波片以矩形、圆形、或椭圆形排列。
7.如权利要求1所述的一种分子传感器，其特征在于，其特征在于：支撑结构阵列的每一光传输通道的高度和与其在同一独立光通道上的次级微透镜的焦距相同。
8.如权利要求1所述的一种分子传感器，其特征在于，其特征在于：所述的滤波片是带通滤波干涉滤波片。
9.如权利要求1所述的一种分子传感器，其特征在于，其特征在于：滤波片阵列包含了两面基底，基底的两面均包含了防止各独立光通道相互串扰的涂层。
10.如权利要求3所述的一种分子传感器，其特征在于，其特征在于：初级辐射源包含多种发光二极管或者激光二极管，次级辐射源由一个荧光平面构成。
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