CN106404684A - 光谱测量装置 - Google Patents

Abstract

一种光谱测量装置，包括一多频带通滤波器、一滤波阵列、以及一感测层。多频带通滤波器允许一光束的一第一波段、一第二波段以及一第三波段通过。光束通过多频带通滤波器后形成一多波段光束。滤波阵列设置于多频带通滤波器之下。滤波阵列包括允许多波段光束长于一第一波长的波长通过的一第一滤光片、允许多波段光束长于一第二波长的波长通过的一第二滤光片、以及允许多波段光束长于一第三波长的波长通过的一第三滤光片。第二波段为第一波长与第二波长的范围之间，且第三波段为第二波长至第三波长的范围之间。

Description

光谱测量装置

技术领域

本发明主要关于一种光谱测量装置，特别涉及一种具有滤波阵列的光谱测量装置。

背景技术

现有的光谱测量仪为具有大量的例如分光镜、平行光管仪(collimator)、聚焦镜、以及线性感测器等光学元件的光学系统。分光镜可为棱镜或是光栅。平行光管仪以及聚焦镜用以缩短光学系统内的光学路径。因此，现有的光谱测量仪具有庞大的体积与重量，且具有昂贵的制造成本。

此外，由于现有的光谱测量仪的线性感测器为线性排列。现有的光谱测量仪仅能测量一个样本的线性光谱，因此限制了现有的光谱测量仪的运用。

虽然现有的光谱测量仪达到了一般性的目的，然而并未满足所有的方面。因此需要提供改良光谱测量仪的技术方案。

发明内容

本发明提供具有体积小及重量轻的光谱测量装置。此外，光谱测量装置可测量样本的二维光谱。

本发明提供一光谱测量装置包括一多频带通滤波器、一滤波阵列、以及一感测层。多频带通滤波器允许一光束的一第一波段、一第二波段以及一第三波段通过。该光束通过该多频带通滤波器后形成一多波段光束。该滤波阵列设置于该多频带通滤波器之下。

滤波阵列包括一第一滤光片、一第二滤光片、以及一第三滤光片。第一滤光片允许该多波段光束长于一第一波长的波长通过，第二滤光片允许该多波段光束长于一第二波长的波长通过，且第三滤光片允许该多波段光束长于一第三波长的波长通过。

感测层设置于该滤波阵列之下。该第二波段为该第一波长至该第二波长的范围之间，且该第三波段为该第二波长至该第三波长的范围之间。

本发明提供一光谱测量装置，包括一多频带通滤波器、一滤波阵列、以及一感测层。多频带通滤波器，允许一光束的一第一波段、一第二波段以及一第三波段通过。该光束通过该多频带通滤波器后形成一多波段光束。滤波阵列设置于该多频带通滤波器之下。

滤波阵列包括一第一滤光片、一第二滤光片、以及一第三滤光片。第一滤光片允许该多波段光束短于一第一波长的波长通过。第二滤光片允许该多波段光束短于一第二波长的波长通过。第三滤光片允许该多波段光束短于一第三波长的波长通过。

感测层设置于该滤波阵列之下。该第二波段为该第一波长至该第二波长的范围之间，且该第三波段为该第二波长至该第三波长的范围之间。

综上所述，由于滤波阵列以及感测层由半导体工艺所制成，因此减少了光谱测量装置的尺寸以及重量，且不需要许多光学元件。此外，通过滤波阵列，光谱测量装置可用以检测样本的二维光谱，且可增进样本的光谱影像的解析度。

附图说明

图1为于本发明的一些实施例中，一光谱测量装置的示意图。

图2为于本发明的一些实施例中，多波段光束的穿透率对波长图。

图3为于本发明的一些实施例中，滤波阵列的穿透率对波长图。

图4为本发明的一些实施例中，一滤波阵列的示意图。

图5A至5F为本发明的一些实施例中的像素群的示意图。

图6A和6B为于本发明的一些实施例中，滤波阵列的穿透率对波长图。

图7为于本发明的一些实施例中，光谱测量装置的示意图。

附图标记说明：

光谱测量装置 1

多频带通滤波器 10

入射面 11

出光面 12

透镜模块 20

透镜 21

滤波阵列 30

像素群 31

滤光片 32、32a、32b、32c、32d、32e、32f、32g

感测层 40

感测单元 41、41a、41b、41c、41d

处理模块 50

微透镜 60

波段 A1

波段 A11、A12、A13、A14

光束 B1

多波段光束 B2

第一光束 B31

第二光束 B32

第三光束 B33

第四光束 B34

峰值波长 P1、P11、P12、P13、P14

线性路径 T1

U型路径 T2

波状路径 T3

锯齿状路径 T4

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。例如，第一特征在一第二特征上或上方的结构的描述包括了第一和第二特征之间直接接触，或是以另一特征设置于第一和第二特征之间，以致于第一和第二特征并不是直接接触。

此外，本说明书于不同的例子中沿用了相同的元件标号及/或文字。前述的沿用仅为了简化以及明确，并不表示于不同的实施例以及设定之间必定有关联。再者，附图中的形状、尺寸或是厚度可能为了清楚对其进行说明目的而未依照比例绘制或是被简化，仅提供对其进行说明用。

图1为于本发明的一些实施例中一光谱测量装置1的示意图。光谱测量装置1用以感测经由样本产生或反射的一光束B1的可见光波段以及不可见光波段样本。

光谱测量装置1包括一多频带通滤波器(multi-band pass filter)10、一透镜模块20、一滤波阵列30、以及一感测层40。多频带通滤波器10、透镜模块20、滤波阵列30、以及感测层40依序相互叠置。

多频带通滤波器10为一平板状结构，平行于一平面。多频带通滤波器10允许光束B1的多个波段(waveband)通过，且止挡光束B1剩余的波段通过。

多频带通滤波器10具有一入射面11以及一出光面12。入射面11平行于出光面12。光束B1经由入射面11进入多频带通滤波器10，且经由出光面12离开多频带通滤波器10。光束B1通过多频带通滤波器10后形成一多波段光束B2。

图2为于本发明的一些实施例中多波段光束B2的穿透率对波长图。于一些实施例中，多频带通滤波器10对于波段A1内的光束B1的穿透率大于20％、30％、或是40％。于一些实施例中，多频带通滤波器10对于波段A1内的光束B1的穿透率为约20％至99.9％的范围之间或是约30％至99.9％的范围之间。于一些实施例中，多频带通滤波器10对于不位于波段A1内的光束B1的穿透率小于20％、30％或是40％。

每一波段A1包括一峰值波长(peak wavelength)P1。于一些实施例中，多频带通滤波器10对于在峰值波长P1的光束B1的穿透率大于70％、80％或是90％。于一些实施例中，多频带通滤波器10对于在峰值波长P1的光束B1的穿透率约为70％至99.9％、80％至99.9％、或是90％至99.9％的范围之间。

波段A1的数目可大于2、3、4或是5。于此实施例中，波段A1的数目为4。每一波段A1可为对应于可见光光谱的一可见光波段，或对应于不可见光光谱的一不可见光波段。于一些实施例中，一些波段A1为可见光波段A1，且另一些波段A1为不可见光波段A1。于一些实施例中，全部的波段A1为不可见光波段A1。

于一些实施例中，波段A11为对应于不可见光光谱的一不可见光波段，例如一红外线光谱或是一远红外线光谱。举例而言，波段A11约为830nm至870nm的范围之间。波段A11内的峰值波长P11约为850nm。于一些实施例中，峰值波长P11长于或等于700nm。

于一些实施例中，波段A12为对于可见光光谱的一可见光波段，例如红光光谱。举例而言，波段A12约为630nm至670nm的范围之间。波段A12内的峰值波长P12约为650nm。

于一些实施例中，波段A13为对应于可见光光谱的一可见光波段，例如黄光光谱。举例而言，波段A13约为530nm至570nm的范围之间。波段A13内的峰值波长P13约为550nm。

于一些实施例中，波段A14为对应于可见光光谱的一可见光波段，例如蓝光光谱。举例而言，波段A14约为430nm至470nm的范围之间。波段A14内的峰值波长P14约为450nm。于一些实施例中，波段A14为对应于不可见光光谱的一不可见光波段，例如紫外线光谱。

再者，所有的波段A1并不相互重叠。波段A11内的波长或是峰值波长P11长于波段A12内的波长或是峰值波长P12。波段A12内的波长或是峰值波长P12长于波段A13内的波长或是峰值波长P13。波段A13内的波长或是峰值波长P13长于波段A14内的波长或是峰值波长P14。

如图1所示，透镜模块20位于多频带通滤波器10以及滤波阵列30之间。透镜模块20用以将多波段光束B2聚焦于滤波阵列30或是感测层40。于一些实施例中，透镜模块20为一远心透镜模块20。透镜模块20用以将通过多频带通滤波器10的多波段光束B2均匀的照射于滤波阵列30。于一些实施例中，透镜模块20包括一或是多个透镜21。

滤波阵列30位于多频带通滤波器10以及感测层40之间。如图1所示，滤波阵列30设置于多频带通滤波器10的下，且连接于感测层40。于一些实施例中，滤波阵列30排列于平行于多频带通滤波器10以及感测层40的一平面。

滤波阵列30包括排列于一像素阵列的多个像素群(pixel group)31。每一像素群31包括多种滤光片32。每一滤光片32允许多波段光束B2长于一特定波长或是于一特定范围内的波长通过。于此实施例中，每一像素群31包括四种滤光片(filter)32a、32b、32c、32d。

图3为于本发明的一些实施例中滤波阵列30的穿透率(transmittance)对波长图。于一些实施例中，滤光片32a允许多波段光束B2长于一第一波长的波长通过。举例而言，第一波长约为800nm。因此，多波段光束B2的波段A11可通过滤光片32a，且形成一第一光束B31。多波段光束B2的波段A12、A13、A14被滤光片32a所止挡。

于一些实施例中，滤光片32b允许多波段光束B2长于一第二波长的波长通过。举例而言，第二波长约为600nm。因此，多波段光束B2的波段A11、A12可通过滤光片32b，且形成一第二光束B32。多波段光束B2的波段A13、A14被滤光片32b所止挡。

于一些实施例中，滤光片32c允许多波段光束B2长于一第三波长的波长通过。举例而言，第三波长约为500nm。因此，多波段光束B2的波段A11、A12、A13可通过滤光片32c，且形成一第三光束B33。多波段光束B2的波段A14被滤光片32c所止挡。

于一些实施例中，滤光片32d允许多波段光束B2长于一第四波长的波长通过。举例而言，第四波长约为400nm。因此，多波段光束B2的波段A11、A12、A13、A14可通过滤光片32c，且形成一第三光束B33。于此实施例中，滤光片32d允许多波段光束B2于一特定范围且长于第一波长的波长通过。举例而言，特定范围约为410nm至490nm之间。因此，多波段光束B2的波段A11、A14可通过滤光片32d，且形成一第四光束B34。多波段光束B2的波段A12、A13被滤光片32d所止挡。

于此实施例中，第一波长长于第二波长。第二波长长于第三波长。第三波长长于第四波长。此外，峰值波长P11长于第一波长。波段A12为第一波长至第二波长的范围之间，且峰值波长P12长于第二波长。

再者，波段A13为第二波长至第三波长的范围之间，且峰值波长P13长于第三波长。于一些实施例中，波段A14为第三波长至第四波长的范围之间，且峰值波长P14长于第四波长。于此实施例中，峰值波长P14及/或波段A14为约为相对于滤光片32d的410nm至490nm的特定范围之间。

如图1所示，感测层40位于滤波阵列30之下。于此实施例中，感测层40平行于多频带通滤波器10，且直接接触滤波阵列30。感测层40包括排列于一感测阵列的多个感测单元41。感测单元41位于平行于多频带通滤波器10的一平面。

于一些实施例中，滤波阵列30以及感测层40由半导体工艺所制成。滤波阵列30以及感测层40形成一影像感测器，例如互补式金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)感测器、前侧式(Frontside illumination)或是背照式(BSI，backside illumination)CMOS感测器，或是其他适合的感测器。因此，可减少及减轻滤波阵列30以及感测层40的体积以及重量。

于此实施例中，感测单元41包括感测单元41a、41b、41c、41d。每一感测单元41a位于滤光片32a中之一者之下。每一感测单元41a用以根据照射于其上的第一光束B31的强度产生一第一强度信号。

每一感测单元41b设置于滤光片32b中之一者之下。每一感测单元41b用以根据照射于其上的第二光束B32产生一第二强度信号。

每一感测单元41c设置于滤光片32c中之一者之下。每一感测单元41c用以根据照设于其上的第三光束B33产生一第三强度信号。

每一感测单元41d设置于滤光片32d中之一者之下。每一感测单元41d用以根据照设于其上的第四光束B34产生一第四强度信号。

光谱测量装置1还包括一处理模块50，电性连接于每一感测单元41。处理模块50接收强度信号，且根据每一强度信号产生一强度值。

于此实施例中，处理模块50接收第一强度信号，且产生根据第一强度信号产生一第一强度值。处理模块50接收第二强度信号，且根据第二强度信号产生一第二强度值。

处理模块50接收第三强度信号，且根据第三强度信号产生一第三强度值。处理模块50接收第四强度信号，且根据第四强度信号产生一第四强度值。

之后，处理模块50根据第一强度值取得第一光谱值。处理模块50将第二强度值减去第一强度值藉以取得第二光谱值。处理模块50将第三强度值减去第二强度值藉以取得第三光谱值。换句话说，第N个光谱值通过第N个强度值减去第N-1个强度值来取得。上述N为一整数。

第一光谱值对应于光束B1的波段A11的光谱的强度。第二光谱值对应于光束B1的波段A11、A12的光谱的强度。第三光谱值对应于光束B1的波段A11、A12、A13的光谱的强度。第四光谱值对应于光束B1的波段A11、A14的光谱的强度。

于一些实施例中，处理模块50根据第一强度值取得第一光谱值。处理模块50将第二强度值减去第一强度值藉以取得第二光谱值。处理模块50将第三强度值减去第二强度值藉以取得第三光谱值。处理模块50将第四强度值减去第一强度值取得第四光谱值。

因此，像素群31中之一者的对应于滤光片32a、32b、32c、32d的光谱值形成样本的光谱影像中的一像素。由于像素群31排列于一像素阵列，因此处理模块50可根据光谱值产生样本的二维光谱影像。

由于滤波阵列30以及感测层40由半导体工艺所制成，滤光片32以及感测单元41的密度很高，且增进了样本的光谱影像的解析度。

再者，通过多频带通滤波器10、滤光片32、以及感测单元41的结构，不需要设置例如分光镜、平行光管仪、以及聚焦镜等光学元件，因此可减少光谱测量装置的尺寸以及重量。

图4为本发明的一些实施例中的滤波阵列30的示意图。像素群31排列于一像素阵列。每一像素群31包括四种滤光片32a、32b、32c、32d。滤光片32a、32b、32c、32d排列于2x2阵列。

图5A至5F为本发明的一些实施例中的像素群31的示意图。图5A至5B绘制了图4中的滤光片32a、32b、32c、32d的不同排列，用以对应不同种类的样本。

如图1、图5C至5F所示，像素群31包括六个滤光片32。滤光片32a邻近或是连接于滤光片32b，滤光片32b邻近或是连接于滤光片32c，且滤光片32c邻近或是连接于滤光片32d。滤光片32d邻近或是连接于滤光片32e，滤光片32e邻近或是连接于滤光片32f。

滤光片32e允许多波段光束B2长于一第五波长的波长通过。滤光片32f允许多波段光束B2长于一第六波长的波长通过。第四波长长于第五波长。第五波长长于第六波长。

于一些实施例中，第一波长约为900nm，第二波长约为800nm，第三波长约为700nm，第四波长约为600nm，第五波长约为500nm，且第六波长约为400nm。换句话说，第一至第六波长的波长长度逐渐增加。

如图5C所示，第一滤光片32a至第六滤光片32f依序沿一线性路径T1排列。如图5D所示，第一滤光片32a至第六滤光片32f依序沿一U型路径T2排列。如图5E所示，第一滤光片32a至第六滤光片32f依序沿一波状路径T3。如图5F所示，第一滤光片32a至第六滤光片32f依序沿一锯齿状路径T4排列。

图6A为于本发明的一些实施例中滤波阵列30的穿透率对波长图。于一些实施例中，滤光片32a允许多波段光束B2长于一第一波长的波长通过。举例而言，第一波长约为800nm。

滤光片32b允许多波段光束B2长于一第二波长的波长通过。举例而言，第二波长约为600nm。滤光片32c允许多波段光束B2长于一第三波长的波长通过。举例而言，第三波长约为500nm。

滤光片32d允许多波段光束B2长于一第四波长的波长通过。举例而言，第四波长约为400nm或是410nm。因此，第一波长长于第二波长，第二波长长于第三波长，且第三波长长于第四波长。

于波段A11中的波长及/或峰值波长P11长于第一波长。波段A12为第一波长至第二波长的范围之间。波段A13为第二波长至第三波长的范围之间。波段A14为第三波长与第四波长的范围之间。

图6B为于本发明的一些实施例中滤波阵列30的穿透率对波长图。于一些实施例中，滤光片32a允许多波段光束B2短于一第一波长的波长通过。举例而言，第一波长约为500nm。

滤光片32b允许多波段光束B2短于一第二波长的波长通过。举例而言，第二波长约为600nm。滤光片32c允许多波段光束B2短于一第三波长的波长通过。举例而言，第三波长约为800nm。

滤光片32d允许多波段光束B2短于一第四波长的波长通过。举例而言，第四波长约为900nm。因此，第一波长短于第二波长，第二波长短于第三波长，且第三波长短于第四波长。

波段A11为第三波长至第四波长的范围之间。波段A12为第二波长至第三波长的范围之间。波段A13为第一波长至第二波长的范围之间。于波段A14内的波长及/或峰值波长P14短于第一波长。

图7为于本发明的一些实施例中一光谱测量装置1的示意图。透镜模块20位于多频带通滤波器10以及滤波阵列30之上。光谱测量装置1还包括设置于滤波阵列30的多个微透镜60。微透镜60用以将多波段光束B2聚焦于滤光片32或感测单元41。

综上所述，由于滤波阵列以及感测层由半导体工艺所制成，因此减少了光谱测量装置的尺寸以及重量，且不需要许多光学元件。此外，通过滤波阵列，光谱测量装置可用以检测样本的二维光谱，且可增进样本的光谱影像的解析度。

上述已公开的特征能以任何适当方式与一或多个已公开的实施例相互组合、修饰、置换或转用，并不限定于特定的实施例。

本发明虽以各种实施例公开如上，然而其仅为范例参考而非用以限定本发明的范围，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的变动与润饰。因此上述实施例并非用以限定本发明的范围，本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种光谱测量装置，包括：

一多频带通滤波器，允许一光束的一第一波段、一第二波段以及一第三波段通过，其中该光束通过该多频带通滤波器后形成一多波段光束；

一滤波阵列，设置于该多频带通滤波器之下，包括：

一第一滤光片，允许该多波段光束长于一第一波长的波长通过；

一第二滤光片，允许该多波段光束长于一第二波长的波长通过；以及

一第三滤光片，允许该多波段光束长于一第三波长的波长通过；以及

一感测层，设置于该滤波阵列之下；

其中该第二波段为该第一波长至该第二波长的范围之间，且该第三波段为该第二波长至该第三波长的范围之间。

2.如权利要求1所述的光谱测量装置，其中该第一波长长于该第二波长，该第二波长长于该第三波长，该第一波段内的一第一峰值波长长于该第二波段内的一第二峰值波长，且该第二波段内的该第二峰值波长长于该第三波段内的一第三峰值波长，其中该第一峰值波长长于该第一波长。

3.如权利要求1所述的光谱测量装置，其中该第一滤光片邻近于该第二滤光片，且该第二滤光片邻近于该第三滤光片。

4.如权利要求1所述的光谱测量装置，其中该多波段光束通过该第一滤光片后形成一第一光束、通过该第二滤光片后形成一第二光束、以及通过该第三滤光片后形成一第三光束，且该感测层还包括：

一第一感测单元，设置于该第一滤光片之下，用以根据照射于其上的该第一光束的强度产生一第一强度信号；

一第二感测单元，设置于该第二滤光片之下，用以根据照射于其上的该第二光束的强度产生一第二强度信号；以及

一第三感测单元，设置于该第三滤光片之下，用以根据照射于其上的该第三光束的强度产生一第三强度信号。

5.如权利要求4所述的光谱测量装置，其中一第一强度值根据该第一强度信号产生，一第二强度值根据该第二强度信号产生，且一第三强度值根据该第三强度信号产生；

其中对应于该第一波段的一第一光谱值根据该第一强度值取得，对应于该第二波段的一第二光谱值根据该第二强度值减去该第一强度值取得，以及对应于该第三波段的一第三光谱值通过该第三强度值减去该第二强度值取得。

6.一种光谱测量装置，包括：

一多频带通滤波器，允许一光束的一第一波段、一第二波段以及一第三波段通过，其中该光束通过该多频带通滤波器后形成一多波段光束；

一滤波阵列，设置于该多频带通滤波器之下，包括：

一第一滤光片，允许该多波段光束短于一第一波长的波长通过；

一第二滤光片，允许该多波段光束短于一第二波长的波长通过；以及

一第三滤光片，允许该多波段光束短于一第三波长的波长通过；以及

一感测层，设置于该滤波阵列之下；

其中该第二波段为该第一波长至该第二波长的范围之间，且该第三波段为该第二波长至该第三波长的范围之间。

7.如权利要求6所述的光谱测量装置，其中该第一波长短于该第二波长，该第二波长短于该第三波长，该第一波段内的一第一峰值波长短于该第二波段内的一第二峰值波长，且该第二波段内的该第二峰值波长短于该第三波段内的一第三峰值波长，其中该第一峰值波长短于该第一波长。

8.如权利要求6所述的光谱测量装置，其中该第一滤光片邻近于该第二滤光片，且该第二滤光片邻近于该第三滤光片。

9.如权利要求6所述的光谱测量装置，其中该多波段光束通过该第一滤光片后形成一第一光束、通过该第二滤光片后形成一第二光束、以及通过该第三滤光片后形成一第三光束，且该感测层还包括：

一第一感测单元，设置于该第一滤光片之下，用以根据照射于其上的该第一光束的强度产生一第一强度信号；

一第二感测单元，设置于该第二滤光片之下，用以根据照射于其上的该第二光束的强度产生一第二强度信号；以及

一第三感测单元，设置于该第三滤光片之下，用以根据照射于其上的该第三光束的强度产生一第三强度信号。

10.如权利要求9所述的光谱测量装置，其中一第一强度值根据该第一强度信号产生，一第二强度值根据该第二强度信号产生，且一第三强度值根据该第三强度信号产生；

其中对应于该第一波段的一第一光谱值根据该第一强度值取得，对应于该第二波段的一第二光谱值根据该第二强度值减去该第一强度值取得，以及对应于该第三波段的一第三光谱值通过该第三强度值减去该第二强度值取得。