CN107076665B - 包括光栅结构的光传感器模块和光谱仪 - Google Patents

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Abstract

一种光电模块包括光导，所述光导被布置来接收光，诸如环境光或由物体反射的光。所述光导具有包括多个区段的衍射光栅，所述多个区段中的每个区段被调谐成相应的波长或窄波带。所述模块还包括多个光敏元件，所述多个光敏元件中的每个光敏元件被布置来接收由所述衍射光栅的所述区段中的相应一个所衍射的光。所述模块可例如被集成为光谱仪或用于光学确定物体的特性的其他设备的一部分。

Description

包括光栅结构的光传感器模块和光谱仪
公开领域
本公开涉及包括光栅结构的光传感器模块和光谱仪。
背景
各种制造和其他过程涉及测量并收集光学辐射源的光学辐射数据，具体为光谱发射特性。制造或其他过程可以是光学辐射用作执行所述过程的一部分或者光学辐射由所述过程产生的过程。在一些情况中，诸如成像应用，可能希望测量并确定环境光的光谱发射特性。
概述
本公开描述包括光栅结构的光电模块，并且在各种实现方式中，所述光电模块可用于涉及检测或测量光学辐射的光谱特性的范围广泛的应用。光电模块可用于各种应用，以检测环境光或由物体反射的光的特性。
例如，在一方面中，光电模块包括被布置来接收来自模块外的光的光导。光导具有包括多个区段的衍射光栅，所述多个区段中的每个区段被调谐成相应的波长或窄波带。所述模块还包括多个光敏元件，所述多个光敏元件中的每个光敏元件被布置来接收由衍射光栅的区段中的相应一个所衍射的光。
在另一方面中，分析光的组成的方法包括接收光、将所接收的光分成其光谱分量、并且沿着光导引导所分离的光谱分量。所述方法还包括使用在光导中形成的衍射光栅来将多个波长或窄波带中的每个波长或窄波带从光谱分量中衍射到相应的光敏元件，所述光敏元件中的每个光敏元件分别与波长或窄波带中的特定一个相关联。
一些实现方式包括以下特征中的一个或多个。例如，衍射光栅的不同区段可具有彼此不同的周期性光栅结构。衍射光栅可包括例如次波长结构或多层涂覆光栅结构。衍射光栅可例如被设置在光导的传感器侧上。
在一些情况下，光电模块还包括被布置来接收光的光学组件，其中光导具有被布置来将所接收的光衍射成其光谱分量的至少一个其他衍射光栅。在一些实例中，所述至少一个其他衍射光栅包括被设置在光导的光学组件侧上的第一衍射光栅以及被设置成与穿过第一衍射光栅的零阶光束相交的第二衍射光栅。
模块中的光敏元件可例如被实现为CMOS或CCD传感器中的像素。在一些情况下，光敏元件被实现为离散光传感器。
光电模块可包括用于防止来自相邻光学通道的杂散光由光敏元件感测到的装置。例如，在一些情况下，一个或多个相应的滤光器存在于光敏元件中的至少一些的上方。在一些实例中，不透光间隔物将光敏元件彼此分离。
本公开还描述用于光学确定物体的特性的设备(例如，光谱仪)。所述设备包括可操作来生成在一个或多个特定波长或波长范围下的光的发射器，以及用于检测由物体反射的光的模块。所述模块可包括被布置来接收由物体反射的光中的至少一些的光导，所述光导具有包括多个区段的衍射光栅，所述多个区段中的每个区段被调谐成相应的波长或窄波带。所述模块还包括多个光敏元件，所述多个光敏元件中的每个光敏元件被布置来接收由衍射光栅的区段中的相应一个所衍射的光。如本公开所述的模块的其他特征也可并入一些实现方式中。
在一些实现方式中，所述设备还包括光学部件，其被布置来将由发射器生成的光中的至少一些朝向模块引导。
在一些实例中，光学部件可移动，以使得当光学部件处于第一位置中时，来自发射器的光由光学部件朝向模块来引导，并且当光学部件处于第二位置中时，来自发射器的光由光学元件朝向物体来引导。
各种实现方式包括以下优势中的一个或多个。例如，所述模块可提供用于检测环境光或其他光的光谱分量或者用于光学地检测物体的特性的相对紧凑且成本有效的方式。
其他方面、特征和优点将通过以下详述、附图和权利要求书而容易显而易见。
附图简述
图1示出光电模块的示例。
图2示出光电模块的另一个示例。
图3示出在光导中行进的光束的示例。
图4A和图4B示出在光导的传感器侧上的光栅结构的底视图的示例。
图5A和图5B示出包括光电模块的光谱仪的示例
详细描述
如图1所示，可操作为紧凑光谱仪的光电模块20包括壳体22，在一些实现方式中壳体22的壁对于特定波长或波长范围的光是基本上不透光或不透明的。光可以是来自诸如太阳、户内或户外照明、钠蒸汽灯、发光二极管(LED)或可见光和/或不可见光的其他来源的各种来源中的一个或多个的环境光。在一些实例中，光可通过与模块20相关联的发射器而引导到物体上并且从物体反射离开。例如，在一些情况下，发射的光与反射回到光电模块20的光(即，由物体吸收的光)之间的比较可提供关于物体的重要信息。在一些实现方式中，模块20用作可生成并检测光谱的可见、红外(“IR”)、近红外(“近IR”)和/或其他部分中的辐射的光谱仪。
壳体22具有开口，光学组件28被设置在所述开口中。光学组件28可包括一个或多个透镜、棱镜或其他光束成形光学元件，并且可具有相对较宽(例如，等于或大于120°)的视场(FOV)。模块20还包括光导30以将所接收的光引导到光传感器24。光导30可例如由玻璃或另一种基本上透明的材料组成。
光传感器24可例如实现为具有多个光敏元件(即像素)26的硅CMOS或CCD传感器，多个光敏元件26中的每个光敏元件被布置来分别检测光谱的不同部分(即，不同波长或窄波长范围)。传感器24可包括例如在二维网格中组织的像素阵列。在特定实现方式中，CMOS传感器像素阵列可具有100x100像素的尺寸。传感器24可例如安装在诸如印刷电路板(PCB)42的基板上。
在替代实现方式中，如图2中所示，模块20A可包括离散光传感器24A，诸如光电二极管作为光敏元件，来替代具有多个像素26的CMOS或CCD传感器。此外，在一些实例中，传感器24对近IR敏感，并且例如使用基于砷化镓的传感器来实现。传感器24A可安装在诸如印刷电路板(PCB)42的基板上。
壳体22可例如附接到传感器24(见图1)的传感器侧或PCB 42(见图2)。壳体22的不透明材料可包括例如包含不透明填充物(例如，碳黑、色素、无机填充物或染料)的聚合物材料(例如，环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯或硅树脂)。本公开中所使用的术语“不透光的”、“透明的”和“不透明的”参考可由模块中的传感器24的光敏部分检测的特定波长。因此，特定特征例如可考虑为“不透明的”，即使其可允许其他波长的光穿过。
如图1和图2的示例所示，光导30具有反射倾斜表面32、34和衍射光栅36、38、40。如图3所示，第一光栅36可在光导30的光学组件侧处形成，而第二光栅38在光导30的传感器侧处形成。第一衍射光栅36和第二衍射光栅38将入射光102衍射成其光谱分量，其中所述光谱分量被衍射成具有相应的衍射角，并且共同地有助于沿着光导30将光引导到第三衍射光栅40。具体地说，可例如实现为方波光栅的第一光栅36将入射光102衍射成各种衍射级m＝0、+1、+2等的光束。级m>111的光束104可朝向倾斜表面32衍射，所述倾斜表面32沿着光导30反射光束，从而保留相应的光谱分量的衍射角。级m＝0的光束106朝向第二光栅38行进，所述第二光栅38也可例如实现为方波光栅。第二光栅38将光束106衍射成其光谱分量108，其中所述光谱分量被衍射成具有相应的衍射角。当光束104、108沿着光导30行进时，它们可被光导30的表面44和/或光导30的远端处的反射表面34反射，以使得保留相应的光谱分量的衍射角。
第三光栅40在光导30的传感器侧中形成并且将感兴趣的特定波长衍射到光敏元件26(图1)或光电二极管24A(图2)中的对应一个。第三光栅40可例如实现为连续变化的衍射光栅，其中光栅结构的周期和/或轮廓形状变化，以使得光栅的每个区段(例如，40A、40B、40C、40D、40E)被调谐成特定波长或窄波带。也就是说，光栅结构40A、40B、40C、40D、40E被构造成使得它们的相应耦合效率被针对特定入射角和入射光波长来优化。第三光栅40可例如实现为次波长结构或者实现为多层涂覆光栅结构。一般而言，第三光栅40的每个区段40A、40B等对于波长(或窄波带)以及因区段不同而不同的特定入射角具有选择性，因此如图3所示，光栅40的第一区段40A被调谐成第一波长λ1(或窄波长范围)，第二区段40B被调谐成不同的第二波长λ2(或窄波长范围)，第三区段40C被调谐成又一波长λ3(或窄波长范围)，并且第四区段40D被调谐成再一波长λ4(或窄波长范围)。
在一些实例中，第三光栅40的每个区段可例如被调谐成具有至少十纳米分辨率的窄波长范围。光栅40的各个区段可共同例如覆盖基本上从400nm-700nm的整个可见光谱范围，并且在一些实例中，可覆盖光谱的UV或IR部分的部分。
在一些情况下，光栅40的多个区段可被调谐成相同波长(或窄波带)。例如，如图4A所示，光栅40的一些区段被调谐成第一波长λ1，光栅40的一些区段被调谐成第二波长λ2，并且光栅40的一些区段被调谐成第三波长λ3。被调谐成每个特定波长(或窄波带)的区段的数量不需要相同。因此，如图4B的示例所示，光栅40的被调谐成第二波长λ2的区段的数量大于被调谐成第一波长λ1或第三波长λ3的区段的数量。此外，光导30的表面的在其上形成第三光栅40的一些区段可不包括光栅结构，并且因此对于任何特定波长可能是无选择性。例如，如图4B所示，光导表面的区域48不包括光栅结构，并且因此不专用于特定波长或窄波长范围。
根据所述实现方式，一个或多个光敏元件26(图1)或24A(图2)被直接布置在光栅40的每个相应区段40A、40B等的下方。光栅40的每个区段40A、40B等被布置成使得具有特定光栅区段针对其被调谐的波长的光束被衍射到下面的光敏元件。因此，每个光敏元件26或24A与特定波长(或窄波带)相关联。光敏元件可直接定位在光导30的每个区段48下方。由于此类区段48不被调谐成特定波长，所以检测穿过那些区段的光的光敏元件可用来检测环境光的总体水平。
为了有助于防止来自相邻通道的杂散光入射到光敏元件26上，可在光敏元件26(见图1)中的一些或全部的上方提供滤光器52。在一些情况下，可在光敏元件26中的一些或全部的上方提供微透镜54，以有助于将光聚焦到相应像素上。如图2所示，在光敏元件上方提供(或不提供)滤光器52的同时，可提供基本上不透光的间隔物44以将相邻光学通道彼此分离，并且有助于防止不同通道之间的光学串扰。间隔物42可例如由与壳体22相同的材料组成。
控制和处理电路60被布置来读出来自光敏元件26(或24A)的信号。来自光敏元件(即，像素26(图1)或离散检测器24A(图2))的输出信号因此被提供到控制和处理电路60(见图2)，所述控制和处理电路60被配置来处理光电流并识别入射光中的对应波长，光敏元件基于此来生成每个特定输出信号。控制和处理电路60可包括存储表格的存储器，所述表格将每个光敏元件26(或24A)与对应的波长(或窄波带)相关联。处理电路60可使用表格中的信息来确定与从光敏元件26(或24A)中的任何一个接收的信号相关联的对应波长(或窄波带)。控制和处理电路60可生成指示由模块针对每个波长或窄波带检测的入射光的绝对量或相对量的输出(例如，图形文本)。由电路60生成的输出然后可例如在显示装置上显示，诸如计算装置(例如，膝上计算机)的显示屏。
控制和处理电路60可例如实现为具有适当数字逻辑的一个或多个半导体芯片和/或其他硬件部件(例如，读出寄存器；放大器；模数转换器；时钟驱动器；定时逻辑；信号处理电路；和/或微处理器)中的一个或多个集成电路。因此，处理电路被配置来实现并执行与此类电路相关联的各种功能。控制和处理电路60可在模块20(或20A)的外部。在一些情况下，控制和处理电路60可安装在PCB基板42上。
在一些实现方式中，第三衍射光栅40的效率等级可例如允许衍射波长的高达10nm或甚至20nm的偏差。在一些实例中，可能期望较少的偏差。
上述技术可在范围广泛的应用中应用，包括处理可能需要周围环境的光谱发射特性的监控或者可能需要辐射源的调谐的半导体加工。所述技术还可用于光谱测定法应用。此外，所述技术还可在成像应用中有利，其中可能期望测量并确定环境光的光谱发射特性。
图5A示出包括模块20(或20A)的光谱仪200的示例。光谱仪200还包括可操作来朝向物体204发射已知波长或波长范围的光束203的发射器202。发射器202可例如由一个或多个LED来实现。如果提供多个LED，那么LED中的一些可生成不同于其他LED的波长的光。基于朝向模块20(或20A)反射回来的光，所述模块可检测哪个波长由物体204吸收。在其他实现方式中，发射器可以是白光光源。反射回所述模块的光(即，由物体吸收的光)的分析可提供关于物体204的信息，诸如其颜色。
如图5B所示，在一些实例中，光谱仪200A可包括将由发射器202发射的光203A中的一些朝向模块20(或20A)引导的光学部件206。光学部件206可例如包括任何数量的折射、衍射和/或反射光学元件。此外，在一些实现方式中，光学部件206是可致动的，以使得其可在两个或更多个位置之间移动。在第一时刻，在光学部件206处于第一位置中的情况下，光102A可从光学部件206反射到光电模块20(或20A)。随后，光学部件206可在另一时刻被重新定位，以使得光203入射在物体204上。光电模块20(或20A)可收集从物体204反射的光102。因此，模块20或20A可被集成用于与用于光谱测定法/光谱学应用的光束分离器一起使用。可比较在两个时刻由模块20(或20A)所收集的数据，并且可识别由物体204吸收的光的波长，以提供关于物体的信息。
可在上述公开的精神内作出各种修改。因此，其他实现方式也在权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种光电模块，其包括：
光学组件，所述光学组件被布置来接收来自所述模块外部的光；
光导，所述光导接受来自所述光学组件的光；
第一衍射光栅和第二衍射光栅，所述第一衍射光栅被设置在所述光导的光学组件侧上，所述第二衍射光栅被设置成与穿过所述第一衍射光栅的零阶光束相交，其中所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅被布置来将光衍射成其光谱分量，
所述光导具有包括多个区段的第三衍射光栅，所述多个区段中的每个区段被调谐成所述光谱分量的相应的波长或窄波带；以及
多个光敏元件，所述多个光敏元件中的每个光敏元件被布置来接收由所述第三衍射光栅的所述区段中的相应一个所衍射的光。
2.如权利要求1所述的光电模块，其中所述第三衍射光栅的不同区段具有彼此不同的周期性光栅结构。
3.如权利要求1所述的光电模块，其中所述第三衍射光栅包括次波长结构或多层涂覆光栅结构。
4.如权利要求1所述的光电模块，其中所述光敏元件是CMOS或CCD传感器中的像素。
5.如权利要求1所述的光电模块，其中所述光敏元件是离散光传感器。
6.如权利要求1所述的光电模块，其还包括用于防止来自相邻光学通道的杂散光由所述光敏元件感测的装置。
7.如权利要求1所述的光电模块，其还包括在所述光敏元件的至少一些上方的一个或多个相应的滤光器。
8.如权利要求1所述的光电模块，其还包括将所述光敏元件彼此分离的不透光间隔物。
9.如权利要求1所述的光电模块，其中所述第三衍射光栅被设置在所述光导的第二侧上，所述第二侧位于与所述光导的所述光学组件侧相对的所述光导的一侧。
10.一种分析光的组成的方法，所述方法包括：
将所述光接收在光电模块中；
使用第一衍射光栅和第二衍射光栅来将所述接收的光分离成其光谱分量，其中所述第二衍射光栅与所述第一衍射光栅接收的零阶光束相交；
沿着光导引导所述分离的光谱分量；以及
使用第三衍射光栅来将多个波长或窄波带中的每个波长或窄波带从所述光导中行进的所述光谱分量中衍射到相应的光敏元件，所述光敏元件中的每个光敏元件分别与所述波长或窄波带中的特定一个相关联。
11.如权利要求10所述的方法，其还包括提供指示所述波长或窄波带中的每个波长或窄波带中的所述光的相应量的输出。
12.一种用于光学确定物体的特性的设备，所述设备包括：
发射器，所述发射器可操作来以一个或多个特定波长或波长范围来生成光，所述光中的至少一些被朝向所述物体引导；
模块，所述模块包括：
光学组件，所述光学组件被布置来接收由所述物体反射的所述光，所述物体位于所述模块外部；
光导，所述光导接收来自所述光学组件的光；
第一衍射光栅和第二衍射光栅，所述第一衍射光栅被设置在所述光导的光学组件侧上，所述第二衍射光栅被设置成与穿过所述第一衍射光栅的零阶光束相交，其中所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅被布置来将光衍射成其光谱分量，所述光导具有包括多个区段的第三衍射光栅，所述多个区段中的每个区段被调谐成所述光谱分量的相应的波长或窄波带；以及
多个光敏元件，所述多个光敏元件中的每个光敏元件被布置来接收由所述第三衍射光栅的所述区段中的相应一个所衍射的光。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述光敏元件是CMOS或CCD传感器中的像素。
14.如权利要求12所述的设备，其中所述光敏元件是离散光传感器。
15.如权利要求12所述的设备，其中所述模块还包括用于防止来自相邻光学通道的杂散光由所述光敏元件感测到的装置。
16.如权利要求12所述的设备，其还包括在所述光敏元件的至少一些上方的一个或多个相应的滤光器。
17.如权利要求12所述的设备，其还包括将所述光敏元件彼此分离的不透光间隔物。
18.如权利要求12所述的设备，其中所述第三衍射光栅被设置在所述光导的第二侧上，所述第二侧位于与所述光导的所述光学组件侧相对的所述光导的一侧。
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