CN107110636A

CN107110636A - 法布里‑珀罗光谱图像测量

Info

Publication number: CN107110636A
Application number: CN201580053621.9A
Authority: CN
Inventors: T.利尔蒙思; H.芬克尔斯泰恩
Original assignee: Trutag Technologies Inc
Current assignee: Trutag Technologies Inc
Priority date: 2014-11-03
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2017-08-29
Also published as: EP3215805B1; EP3215805A1; JP2018501462A; US10012542B2; US20160123809A1; US9677935B2; US20170248468A1; WO2016073226A1; EP3215805A4

Abstract

一种用于宽范围光谱测量的系统包括一个或多个宽带源、可调整法布里‑珀罗标准具以及检测器。所述一个或多个宽带源将照射样本，其中，所述一个或多个宽带源具有短宽带源相干长度。可调整法布里‑珀罗标准具将以光学方式处理反射光以便提取具有精细光谱分辨率的光谱信息。检测器将检测来自样本的反射光，其中，该反射光包括具有长相干长度的照明光的多个窄带子集，并且使用用于可调整法布里‑珀罗标准具的多个设置以光学方式处理该反射光，并且其中，所述多个设置包括法布里‑珀罗标准具板的间隔，其大于宽带源相干长度但小于该长相干长度。

Description

法布里-珀罗光谱图像测量

其他申请的交叉引用

本申请要求2014年11月3日提交的题为MONOLITHIC TUNABLE IMAGING FABRY-PEROTINTERFEROMETER的美国临时专利申请号62/074,455的优先权，其出于一切目的通过引用结合到本文中。

背景技术

物品（包括此类物品的成分和组分）的生产者或转售者（例如制造商，而且包括整个供销链中的其它各方，诸如供应商、批发商、经销商、再包装商以及零售商）尤其是但不限于高价值物品面临物品的伪造。伪造包括物品的与其预期产品规格相比的成分或组分的替换、稀释、添加或遗漏以及已包装物品从其预期销售路线的转移或歪曲。这导致潜在收益的损失，因为伪造物品代替真实物品被出售。并且，可能存在由并非使用与伪造品相对照的正宗物品而引起的健康或产品相关损害，例如，伪造品与正宗物品相比可能表现不同或者根本不起作用。这在可能影响健康和安全的行业中尤其敏感，诸如涉及到制药、营养补充剂、医疗装置、食品和饮料、建筑、运输以及防御的行业。

随着国际犯罪组织变得更加复杂，正在证明现有的包装安全是不够的。许多行业供应链（例如制药行业的供应链）的复杂性有助于作为掺假或仿造产品的进入点，常常存在于在谨慎伪造且高质量包装中且有时在已被盗窃或者作为再包装操作的一部分的正宗包装中。

在复杂的产品供应链和具有可变定价的市场中，存在对于使无道德的各方在没有对基础产品进行任何改变的情况下歪曲产品定价且因此在金钱上获利（例如，作为返回、折扣或退款欺诈）的用于套利交易的机会。交易的任一侧的金钱损益也可能是由记录保持中的错误而引起的。

除伪造或产品歪曲之外，在物理上看起来相同或类似的物品（例如某些营养补充剂）可能实际上包含不同的成分或组分，但是由于类似的外观而可能被非故意地不正确地包装或标记。即使物品原本是相同的，其也可能具有与特定批次或批号条件相关联的不同性质；例如原本看起来相同的药品可能具有不同的到期日并且由于用以确定此类差别的质量保证协议的失效或限制而被不正确地标记。

对于产品开发和研究而言，有时研究并认证看起来相同但被不同地制造的物品的性能以获悉那些差别是否或如何影响最终使用可能是有益的。有时，在此类研究中（例如在导致药品开发的临床掩蔽（或‘盲’）研究中）能够在不向研究参与者显露真实身份的情况下充满信心地识别基础物品是重要的。在药品开发和临床试验的情况下，例如在将各种产品配方再包装成掩蔽单位剂量的合同研究组织处可能引入物品级身份错误。许多时间、成本以及努力投入到统计采样和化学分析中以验证最终施予的单位剂量的真实身份。

在以更加有成本效益且及时的方式达到积极的健康结果的努力中，保健提供商需要聚焦于对健康生活规则的遵守，而不仅仅是特定药物的效力。理解了医生何时、在哪里和多长时间开一次药方、准确地且即时地从药店分配、被患者接收到并被患者消耗在理解并验证总体健康生活规则的有效性方面是有帮助的。在也能够在每个阶段确认药物的基础身份的同时记录并收集该数据以用于适当的分析和研究对所收集信息的可靠性而言是重要的。

附图说明

在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。

图1是图示出标签的实施例的图像。

图2是图示出标签测量几何结构的实施例的图。

图3是图示出与几何结构相关联的光谱相关性的实施例的图。

图4是图示出法布里-珀罗标准具的实施例的图。

图5A是图示出标准具的透射的实施例的曲线图。

图5B是图示出作为标准具的表面的反射率的函数的精细度的实施例的曲线图。

图6是图示出用于表面之间的不同间隙的透射通过法布里-珀罗标准具的中心波长的实施例的曲线图。

图7是图示出用于相对光谱测量的系统的实施例的图。

图8是图示出用于相对光谱测量的系统的实施例的图。

图9是图示出具有法布里-珀罗标准具和邻近检测器的集成装置的实施例的图。

图10A是图示出生产集成装置时的步骤的实施例的图。

图10B是图示出生产集成装置时的步骤的实施例的图。

图11A是图示出生产集成装置时的步骤的实施例的图。

图11B是图示出生产集成装置时的步骤的实施例的图。

图12是图示出生产集成装置时的步骤的实施例的图。

图13是图示出具有法布里-珀罗标准具和邻近检测器的集成装置的实施例的图。

图14是图示出用于进行相对光谱测量的过程的实施例的流程图。

具体实施方式

可以用许多方式来实现本发明，包括作为过程；设备；系统；组合物；体现在计算机可读存储介质上的计算机程序产品；和/或处理器，诸如被配置成执行存储在被耦合到处理器的存储器上和/或由该存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实施方式或本发明可以采取的任何其它形式可以称为技术。一般地，在本发明的范围内可以改变公开过程的步骤的顺序。除非另外说明，可以将被描述为被配置成执行任务的诸如处理器或存储器之类的组件实现为被临时地配置成在给定时间执行任务的通用组件或被制造成执行该任务的特定组件。如本文所使用的术语‘处理器’指代被配置成处理数据的一个或多个装置、电路和/或处理核，诸如计算机程序指令。

下面连同图示出本发明的原理的附图一起提供本发明的一个或多个实施例的详细描述。结合此类实施例描述了本发明，但本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅仅受到权利要求的限制，并且本发明涵盖许多替换方式、修改和等同物。在以下描述中阐述了许多特定细节以便提供本发明的透彻理解。这些细节是为了示例的目的而提供的，并且根据权利要求可以在没有这些特定细节中的某些或全部的情况下实践本发明。出于清楚的目的，尚未详细地描述在本发明相关的技术领域内已知的技术材料，使得不会使本发明不必要地含糊难懂。

公开了一种用于宽范围光谱测量的系统。该系统包括一个或多个宽带源、可调整法布里-珀罗标准具以及检测器。所述一个或多个宽带源将照射样本，其中，所述一个或多个宽带源具有短宽带源相干长度。可调整法布里-珀罗标准具将以光学方式处理反射光以便提取具有精细光谱分辨率的光谱信息。检测器将检测来自样本的反射光，其中，该反射光包括具有长相干长度的照明光的多个窄带子集，并且使用用于可调整法布里-珀罗标准具的多个设置以光学方式处理该反射光。所述多个设置包括法布里-珀罗标准具板的间隔，其大于宽带源相干长度但小于反射峰的相干长度。

在某些实施例中，关于系统设置独有的是使用一个或多个宽带源（这通常意味着短相干长度），但标签解码系统要求非常精细的光谱分辨率（其在傅立叶型FPI中意味着标准具板需要被扫描达长的距离）。这通常是自相矛盾的（即，如果在大的板间隔上失去相干，则不能获取干涉图样且系统不能操作）。然而，目标标签生成窄反射峰，其因此具有长的相干长度并且如此该系统能够作为总体来操作。

在某些实施例中，用于相对光谱测量的系统具体地被配置成测量标签（例如，褶皱标签）。在各种实施例中，标签包括以下材料中的一个：硅、二氧化硅、氮化硅、掺杂硅或任何其它适当材料。在某些实施例中，标签由硅石（被FDA认为“公认安全”—或GRAS）制成，致使其在生物上是惰性的且可食用。每个几乎看不见的标签包含被选择成从而唯一地识别或认证特定产品的定制制造的光谱特征。以足以使得能够有成本效益地识别市售产品量的数量来制造具有给定光谱特征的标签。可用光谱特征的组合的数目范围从识别产品制造商或品牌至产品类型或型号至跨多个行业和市场的单独批次或批号。

在某些实施例中，可以使用绝对或相对光谱测量装置、设备或系统来读取每个标签的唯一光学特征。在某些实施例中，标签包括被蚀刻成具有由该蚀刻编码的光谱码的硅晶片的表面。来自被蚀刻晶片的表面的薄层被去除并划分成小标签，并且结果得到的标签包含在电化学合成期间被编程以显示唯一反射率谱的复杂多孔纳米结构。然后用高温烘烤步骤将标签氧化以使晶状的纳米多孔硅标签转变成无定形的纳米多孔硅石。此烘烤步骤使纳米多孔结构稳定以防止进一步的氧化（因此使光谱特征稳定），并且为标签被表征为GRAS赋形剂（excipient）做准备。

在某些实施例中，在绝对或相对光谱测量系统中测量一个或多个标签的光谱，然后针对作为数据库的一部分或者位于标记或包装上的其它信息进行验证。在某些实施例中，单独地使用标签，其仅仅充当用于质量保证或其它目的的标记。信息容量是基于可能唯一的光谱的数目，使用不同的峰数目、峰放置、峰褶皱阶段和/或峰振幅作为调制参数。标签是无源的、不显眼的，并且可以附着到药物或食物产品的外面以便例如通过透明或半透明塑料气泡包装被读取，或者作为法医赋形剂（forensic excipient）而混合到药物或食物中，以便作为由经授权的安全或质量保证人员进行的调查或检查过程的一部分被读取。

在各种实施例中，标签性质包括以下各项中的一个或多个：

• 不显眼的尺寸范围（≈50至100微米）允许隐蔽或半隐蔽使用

• 食用和生物学惰性

• 抗高温—在1000℃以上的熔点

• 无源—没有能量输入或输出

• 在产品、包装、标记或安全纤维中或其上面使用

• 经由喷雾、涂覆、清漆或作为层压件的一部分而应用

• 在许多制造阶段处集成

• 可能的高安全水平：可以进行缩放以适应于特定产品需要

• 被制造成从而是自认证的，并且由此与具有在线数据库和维护的系统相比具有降低的成本和安全风险。

在某些实施例中，用于相对光谱测量的系统包括用于以良好的工作距离和视场（例如，～10mm直径视场、具有～0.05—0.07的数值孔径（NA）的2x物镜，以及～3—7mm的工作距离）从样本收集光的透镜。在某些实施例中，将使物镜在远心布置中操作以确保系统捕捉到倾斜的标签。

在某些实施例中，用于光谱测量的系统中的透镜存在是为了将法布里-珀罗标准具的NA与系统的其余部分的NA分离。系统在法布里-珀罗标准具处具有低NA以避免因为光已经以许多不同的角度行进穿过装置而使干涉图模糊。在某些实施例中，所有透镜都是宽带的—不需要对光进行滤波，法布里-珀罗标准具是例外情况。在某些实施例中，对到达检测器的光进行带通滤波：通过连续地用频带限制源进行照射或者通过在源与贴标签的对象之间放置一系列带通滤波器或者通过在对象与检测器之间的反射路径中放置一组滤波器或者通过利用检测器本身上的一组滤波器或使用上述各项的组合。在各种实施例中，法布里-珀罗标准具由铝涂覆的熔融硅石、玻璃或另一种电介质或任何其它适当材料制成。在某些实施例中，法布里-珀罗标准具的外表面涂覆有防反射涂层。可以将法布里-珀罗标准具的扫描范围从板被粘贴在一起之前的最小可实现间隙（例如，～500nm或更小）调谐成在该处不再存在相干信号的间隙（例如，～40um）。根据法布里-珀罗标准具精细度，用于系统的信号处理不同：

a. 低精细度法布里-珀罗标准具—在背景补偿和可选地标签检测之后取干涉图的窗口傅立叶变换以获得标签光谱。

b. 中等精细度法布里-珀罗标准具—在背景补偿和潜在地标签检测之后，取傅立叶变换；虽然光谱包含特征，但处理特征的存在而不是尝试将其解卷积。

c. 高精细度法布里-珀罗标准具—在背景补偿和潜在地定位标签位置之后，记录透射光的图像，通过如在本领域中已知的那样用已知RGB滤色器响应来解卷积以确定干涉级的相对贡献，并且持续至所有波长带都被覆盖。

d. 使用反射标签光谱的先验知识以便检测超低信噪比状况下的光谱特征。

在某些实施例中，由于法布里-珀罗标准具的远心位置，样本上的每个光斑被成像为法布里-珀罗标准具上的单个光斑。不要求法布里-珀罗标准具各处保持相同间隙，因为只要求相对光谱测量。在某些实施例中，不要求绝对平行性，但是要求某些参考以便使系统—例如激光器—进行校准。在某些实施例中，我们可能能够在没有参考的情况下工作（例如，通过在标签中应用已知光谱特征，充当锚定器），因此简化了系统并为系统降低了成本。可以独立地处理图像中的每个对象/标签，而不需要针对板间隔中的差异进行归一化。这不同于大多数成像干涉仪应用，并且允许关于光学平坦度和涂覆均匀度以及甚至法布里-珀罗标准具的共面性的放松规格。

图1是图示出标签的实施例的图像。在所示示例中，标签100是具有50um至100um尺寸的不规则形状标签。标签为20um厚。用来自卤素源的宽带照射使用Ocean OpticsUSB2000+光谱仪对这些标签进行成像。

图2是图示出标签测量几何结构的实施例的图。在所示示例中，标签202被部分地嵌入基板200中（例如，以与基板的表面的一定角度）。照射光束（例如，光束205）入射在以207和208为轮廓的有角圆椎体内。收集孔径不同于照射光束且以203和204为轮廓。在这种情况下，与照射光束相比较大的收集孔径使得能够从倾斜标签收集反射光。在某些实施例中，光束206是来自入射光束205的反射光束。

图3是图示出与几何结构相关联的光谱相关性的实施例的图。在所示的示例中，标签352表面法线是相对于入射光355的角Ɵ。反射光谱峰位置是标签内的光束的光学路径长度的函数。该路径是光射线与标签的表面之间的角的函数，并且与d/cos(Ɵ)成比例。因此，来自倾斜标签的光谱移位。另外，峰变宽并变得更低（可能是由于在标签内的散射）。在某些实施例中，光束356是来自入射光束355的反射光束。

在某些实施例中，处于不同角度的多个标签的反射将加宽反射峰。在某些实施例中，标签的变化也将加宽反射峰。

在某些实施例中，标签是镜面反射体而非漫反射体。因此，可以以正交于对象表面的大角度照射标签，或者可以使用漫射器和透镜将各标签组合以形成正交于表面的组合多光谱高NA光束。

图4是图示出法布里-珀罗标准具的实施例的图。相关装置是法布里-珀罗干涉仪或标准具。法布里-珀罗标准具（例如，标准具452）的核心是间隔开几百纳米至几厘米（例如，d）的一对部分反射表面（例如，表面464和表面466）。光与表面464的法线成角度θ入射。第一反射456是R₀。在标准具452内，光与表面466的法线的成角度α而行进（还参见特写）。标准具的变化透射函数是由光在两个反射表面之间的多个反射的干涉引起的。产生透射460（T1。T2。T3等）和反射462（R1、R2、R3等）的光束。如果透射光束同相，则发生相长干涉，并且这对应于标准具的高透射峰。如果透射光束异相，则发生相消干涉，并且这对应于透射最小值。多个反射光束是否同相取决于光的波长（λ），光穿过标准具的角度（α）以及标准具的局部厚度（d）。在下面的等式中，板被具有折射率n（例如，针对空气n＝1）的空间分离，并且光到板中的传播是可忽略的或者与波长无关。每个连续透射对（例如，T2－T1）之间的相位差由δ给定：

δ = (2π/λ) 2nd cosα

如果两个表面都具有反射率R，则标准具的透射比函数由下式给定：

其中，精细度（F）的系数是

。

图5A是图示出标准具的透射的实施例的曲线图。在所示示例中，当每个透射光束之间的光学路径长度差2ndcosα是波长（λ）的整数倍时，发生标准具的最大透射（T_e＝1）。在不存在吸收的情况下，标准具的反射率R_e是透射比的补数，使得T_e+R_e＝1。最大反射率由下式给定：

并且这在路径长度差等于波长的半奇倍数时发生。高精细度标准具（F＝10）示出了比低精细度标准具（F＝2）更陡峭的峰和更低的透射最小值。邻近透射峰之间的波长间隔称为标准具的自由光谱范围（FSR），即Δλ，并且由下式给定：

Δλ = λ² ₀/(2 n d cos α + λ₀)

其中，λ₀是最近透射峰的中心波长。FSR通过称为精细度的量与任何一个透射带的半峰全宽δλ相关：

。

法布里-珀罗标准具能够调整反射表面之间的距离d以便改变在标准具中出现透射峰时的波长。由于透射的角相关性，通过相对于光束旋转标准具或者如果光束以一定角度进入标准具，也可以使峰移位。在这种情况下，透射波长将移动其与板的角的余弦。此结果是重要的，因为其意味着如果光并未在其进入标准具时完美地准直，则透射峰将变宽，并且光谱分辨率将降低。此角相关性根据在其中使用标准具的光学配置而具有不同的效果。在远心情况下，在标准具的入射平面上的每个位置处，射线以不同的角度进入。因此，每个位置处的光谱响应将是不同的，虽然板平坦度或非共面性的效果将减少。针对给定板间隔，多个波长将透射通过装置。针对给定精细度，随着波长分辨率增加，FSR减小。

图5B是图示出作为标准具的表面的反射率的函数的精细度的实施例的曲线图。在所示示例中，高精细度因数对应于标准具表面的高反射率。

图6是图示出用于表面之间的不同间隙的透射通过法布里-珀罗标准具的中心波长的实施例的曲线图。针对给定板间隔，多个波长将透射通过装置。在某些实施例中，插入带通滤波器确保来自仅一个干涉图样的波长进入法布里-珀罗标准具。通过使用不同的带通滤波器，可以识别通过法布里-珀罗标准具的不同阶。例如，在法布里-珀罗标准具的出口处使用多光谱图像传感器，使得通过查看不同像素上的光的相对振幅可以推断哪些谐波透射通过法布里-珀罗标准具。在某些实施例中，串联地使用两个法布里-珀罗标准具以将一个阶隔离—第一阶具有低精细度并充当带通滤波器以选择光的有限波段，比具有高精细度（具有低FSR的低FWHM）的第二法布里-珀罗标准具的FSR窄。请注意，其中使用该装置作为带通滤波器的实施方式就其能量利用而言是非常有损耗的，因为只有很小一部分的入射光透射通过装置并被用于生成光谱。

针对典型的傅立叶变换法布里-珀罗干涉仪（FT FPI），以不同的方式利用法布里-珀罗标准具的两个平行的部分反射的反射镜。FT-FPI获得针对每个板间间隔的离开法布里-珀罗标准具的单色光（在理想情况下）的2D图像，以产生超谱立方体。换言之，设定板间间隔（d），并且获得被照射对象的二维图像，其给出从对象反射的光的频率信息。为了获得整个光谱的的准确表示，在干涉图中必须包括零间隔（例如，d＝0）图像。然而，考虑到到玻璃涂层材料中的光子穿透深度和2个平板在被紧密接近地放置的情况下将粘附的趋势两方面，这是不切实际的。已经开发了多个方法以便避开这个问题，包括从干涉图的可访问部分的傅立叶变换以及要测量的光谱的先验知识来推断干涉图的小间隙部分。为了生产具有诸如测量标签的窄定义函数的装置，更多的先验知识可用，并且这不那么成问题。

并且，对于FT-FPI而言理想地，入射光针对期望测量的所有波长具有长相干长度。FT-FPI的操作是基于反射光的相干。换言之，随着波前通过多个反射，其必须保持同相以便使其一致地干涉。这对于高度相干的激光而言不那么成问题，但是当（例如，来自LED的）宽带或白光源多次通过远远分开地放置的板时，这可以对系统施加临界约束。例如，采用板之间的1mm的最大间隔和使得反射光的振幅在10次反射之后仍然显著的反射率，这转换成10mm的总相干长度要求。但是宽带或白光源的典型相干长度是几百纳米至几微米。这可以限制在变换中使用的干涉级的数目和因此的由FT-FPI测量的结果得到的光谱的质量。

测量标签的特性使得能够实现傅立叶变换法布里-珀罗干涉仪的专用变体。用于相对光谱测量的系统与FT-FPI不同如下：

• 在入口处不需要带通滤波器（例如，在样本与法布里-珀罗标准具之间没有带通滤波器）。标签的光谱位置（例如，褶皱峰）保证较长波长中的充分低的光谱含量。因此，在入口处不要求带通或低通滤波器以防止结果得到的光谱中的模糊。

• 可以用不相干宽带源（例如400—900nm）来扫描大距离d范围。标签生成的峰是相当窄的（5 nm—20 nm）。由于相干长度随着线宽的倒数而增加，所以标签反射率特性实际上扩展FT-FPI的可用范围。例如，在850nm处，褶皱峰的相干长度的保守估计是36μm，具有20nm（可能的最宽）峰FWHM。因此，可以用长间隔范围来操作该装置以产生良好的傅立叶变换结果。相反地，如果峰不存在且我们正在尝试用200nm光谱含量对对象进行成像，则相干长度会已经是仅3.6μm，并且我们将不能生成可靠的傅立叶变换。典型的FT-FPI将不能跨所需光谱范围适当地起作用，除非诸如标签之类的对象显著地减小观察对象的线宽。

• 可以大大地放松制造公差（例如，数十纳米）。具体地，由于光谱响应是表面之间的间隔的函数，所以任一表面的不平坦或粗糙导致光谱变宽（例如，相位的局部化求平均）以及作为装置上的位置的函数的光谱响应—不能将图像中的每个点解释为对应于同一波长（或者在FT-FPI的曲面的情况下，平滑变化的波长）。然而，由于仅测量相对光谱测量，所以可以单独地不绝对地解释每个图像点，并且因此单独地校准。作为示例，针对该相对测量系统，每个元件对对象的唯一面积元素进行采样，约为或小于单个标签（例如，使用10 M像素传感器对100 mm²区域成像，则100μm直径标签将跨越0.1²/10²×10⁷＝1,000像素）。每个此类面积元素将具有略有不同的光谱响应，但是FWHM仍将是窄的，尤其是在保持低的板反射率的情况下，使得每个光束在其被显著地衰减之前实现仅一次往返。

• 没有对板的零间隔的要求。可以在不知道绝对波长的情况下将标签信号解码：如上文所讨论的，关于FT-FPI的在先工作要求从零间隔至足够大的间隔扫描OPD（使得许多干涉级被记录）以便执行傅立叶变换。这对板的设计施加困难的约束，以防止其粘在一起。我们从有限间隔开始执行有限傅立叶变换并遗漏某些较低干涉级。因此，严格地说，系统不包括傅立叶变换法布里-珀罗干涉仪，而是包括有限傅立叶变换法布里-珀罗干涉仪，并且不递送绝对光谱而是递送跨检测器阵列按位置改变的相对光谱。虽然对于大多数超谱成像应用而言不可接受，但这对于将标签解码而言绝对是可接受的，并且使得能够实现较低复杂性和较低成本的装置。

图7是图示出用于相对光谱测量的系统的实施例的图。在所示示例中，源700向坐在基板714上或在其中的样本提供宽带照射。例如，源700包括白色发光二极管、钨源、白炽光源或任何其它适当源。来自源700的光沿着路径702传播并使用透镜704准直。光沿着路径706传播且至少一部分通过物镜710被分束器708反射，在路径712上行进，并且聚焦在基板714上的样本上。来自样本基板714上的样本的反射光沿着路径716传播。入射光束的数值孔径不同于反射光束的数值孔径（例如，入射光束的NA小于反射光束的NA）。

在所示示例中，来自样本的反射光被准直并沿着718传播，光束的至少一部分透射通过分束器708。使用透镜720对反射光聚焦以聚焦到路径722上的法布里-珀罗标准具724上。例如，样本的反射光被成像到法布里-珀罗标准具（例如，法布里-珀罗标准具724）上。通过法布里-珀罗标准具724的透射光沿着路径726传播至透镜728和透镜732，使得透射光沿着路径730和路径734传播。透射光聚焦在检测器736上。例如，来自样本的已滤波反射光被成像到检测器（例如，检测器736）上。检测器736、法布里-珀罗标准具724以及样本基板714上的样本每个在光学上处于同一点处（例如，远心）。在某些实施例中，检测器736和法布里-珀罗标准具724被成像光学件（一个或多个透镜）分离。

图8是图示出用于相对光谱测量的系统的实施例的图。在所示示例中，源800向坐在基板814上或在其中的样本提供宽带照射。例如，源800包括白色发光二极管、钨源、白炽光源或任何其它适当源。来自源800的光沿着路径802传播并被使用透镜804准直。光沿着路径806传播且至少一部分通过物镜810被分束器808反射，在路径812上行进，并且聚焦在基板814上的样本上。来自样本基板814上的样本的反射光沿着路径816传播。入射光束的数值孔径不同于反射光束的数值孔径（例如，入射光束的NA小于反射光束的NA）。

在所示示例中，来自样本的反射光被准直并沿着818传播，光束的至少一部分透射通过分束器808。使用透镜820对反射光聚焦以聚焦到路径822上的法布里-珀罗标准具824上。通过法布里-珀罗标准具824的透射光直接地传播到检测器836。检测器836、法布里-珀罗标准具824以及样本基板814上的样本每个在光学上接近于同一点。

在某些实施例中，法布里-珀罗标准具824和检测器836被组合在集成装置中。该集成装置解决了以下问题：

• 法布里-珀罗腔与检测器在焦平面上的共同定位以使空间和光谱性能最大化。

• 通过减少光学元件的数目降低了系统复杂性、稳健性以及成本。

在某些实施例中，集成器件将图像传感器（例如，互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器、电荷耦合器件（CCD）或任何其它阵列传感器）集成为法布里-珀罗标准具的背反射器。通常，法布里-珀罗标准具表面或板需要具有以下性能：

• 已知且优选地控制的反射率（例如，通过施加特定涂层）

• 平坦的，通常小于要通过FPI的光的最短波长。

在某些实施例中，不使用CMOS图像传感器（CIS）的前表面。具体地，因为CIS的前表面包含被电介质分离的一堆金属线，在顶部上具有附加结构，所以顶面通常具有在微米范围内的局部非平面性，并且甚至抛光不能实现数十纳米峰至谷的平坦度。此外，由于此原因且因为顶面的图案化，反射率跨CIS管芯的顶面改变。

在一些实施例中，背面照射（BSI）CIS技术具有被背磨的CIS晶片的背表面，并且撞击在管芯的背表面上的光子在硅中被吸收且如前所述地被收集和处理。在此方案中，暴露于光的侧面是平坦的（例如，未图案化且通常被抛光的硅）。此侧面可以被涂敷防反射涂层以减少或控制其反射率。在某些实施例中，该表面被抛光以达到跨管芯的数十纳米峰至谷的“光学”质量。可以使用此表面作为法布里-珀罗标准具的背板。

在各种实施例中，相对光谱测量装置包括固定和/或可调谐法布里-珀罗标准具，两者与阵列检测器集成，使得其形成单片单元。

图9是图示出具有法布里-珀罗标准具和邻近检测器的集成装置的实施例的图。在某些实施例中，使用图9的集成装置来实现图8的法布里-珀罗标准具824和检测器836。在所示示例中，玻璃900具有被间隔物903和间隔物904与防反射涂层906分离的薄金属涂层902。在各种实施例中，间隔物903和间隔物904包括多个静态间隔物、活动间隔物、微机电系统（MEMS）移动器或台阶器、压电移动器或台阶或者前反射器和CMOS检测器管芯之间的任何其它适当间隔物。在某些实施例中，三个台阶被附着，使得通过调整台阶在法布里-珀罗标准具的两个表面之间可实现共面性。防反射涂层906被耦合到具有光电二极管907的硅基板908。具有光电二极管907的硅基板908用嵌入的金属线（例如，金属线910、金属线912和金属线914）与二氧化硅金属间电介质918耦合。顶部包括集成装置的正面916。照射来自底部。

在某些实施例中，BSI晶片的背表面被抛光以实现期望的平坦度。

在某些实施例中，在晶片的背表面上沉积蚀刻终止层，使得形成均匀厚度层—例如，使用原子层沉积。

在某些实施例中，在硅管芯的背面上存在防反射涂层。在某些实施例中，在硅管芯的背面上不存在防反射涂层。在某些实施例中，在硅晶片的背面上存在薄金属涂层而在防反射涂层上不存在薄金属涂层。在不使用涂层的情况下，当计算单片装置的光谱响应时必须将作为波长的函数的硅表面的反射率考虑在内。在某些实施例中，设计防反射涂层的光谱响应—例如，使得其补充硅表面的反射率，导致光谱平坦响应。在某些实施例中，在硅表面上施加薄金属涂层，使得达到目标反射率，同时光的足够高的部分（例如，20%反射率和80%透射率）被透射到硅管芯中的光电二极管。

在某些实施例中，玻璃-BSI CMOS-间隔物和具有可调谐MEMS插入件配置的玻璃BSI CMOS的重要特征是其经得起晶圆级集成的检验，并且因此是非常有成本效益的。

图10A是图示出生产集成装置时的步骤的实施例的图。在所示示例中，制造CIS晶片。具有光电二极管1007的硅基板1008用嵌入的金属线（例如，金属线1010、金属线1012和金属线1014）与二氧化硅金属间电介质1018耦合。顶部包括集成装置的正面1016。

图10B是图示出生产集成装置时的步骤的实施例的图。在所示示例中，将操作晶片1070附着到前表面1066，并且将硅基板1058蚀刻至期望的厚度且随后抛光至期望的平坦度。具有光电二极管1057的硅基板1058用嵌入的金属线（例如，金属线1060、金属线1062和金属线1064）与二氧化硅金属间电介质1068耦合。顶部包括集成装置的正面1016。

图11A是图示出生产集成装置时的步骤的实施例的图。在所示的示例中，用金属膜1102（例如，金属涂层）涂覆玻璃或石英晶片1100（例如，标称厚度或先前背磨并可选地从底部附着到操作晶片）。

图11B是图示出生产集成装置时的步骤的实施例的图。在所示的示例中，用金属膜1152（例如，金属涂层）涂覆玻璃或石英晶片1150（例如，标称厚度和先前背磨并可选地从底部附着到操作晶片）。沉积间隔物（例如，间隔物1153和1154）并图案化（例如，使用聚酰亚胺）或者进行晶片结合（例如，类似于如在本行业中已知的插入件晶片的结合）或者在薄金属膜涂敷之前从原始玻璃晶片进行蚀刻。在所有情况下，对间隔物进行图案化，使得晶片的间隔类似于CIS晶片上的管芯的尺寸。更具体地，在聚酰亚胺间隔物的情况下，该过程流程是：

○ 自旋涂覆聚酰亚胺并固化

○ 可选地对聚酰亚胺抛光

○ 用光刻法蚀刻非间隔物区域。

图12是图示出生产集成装置时的步骤的实施例的图。在所示的示例中，将玻璃晶片和CIS晶片对准并结合—例如，通过在同时地使各晶片共面的同时将聚酰亚胺层加热并冷却。玻璃1200具有被间隔物1203和间隔物1204与硅基板1208分离的薄金属涂层1202。在各种实施例中，间隔物1203和间隔物1204包括静态间隔物、活动间隔物、微机电系统（MEMS）、压电移动器或者任何其它适当间隔物。硅基板1208包括光电二极管1207。具有光电二极管1207的硅基板1208用嵌入的金属线（例如，金属线1210、金属线1212和金属线1214）与二氧化硅金属间电介质1218耦合。操作晶片1220被附着到前表面1216。在某些实施例中，将操作晶片剥离。

在某些实施例中，如在CIS照相机模块中所做的那样将CIS电且机械地结合到电基板。

图13是图示出具有法布里-珀罗标准具和邻近检测器的集成装置的实施例的图。在某些实施例中，使用图13的集成装置来实现图8的法布里-珀罗标准具824和检测器836。在所示示例中，玻璃1300具有通过间隔物1303和间隔物1303与防反射涂层1306分离的薄金属涂层1302及光谱滤波器1305。在各种实施例中，间隔物1303和间隔物1304包括静态间隔物、活动间隔物、微机电系统（MEMS）、压电移动器或者任何其它适当间隔物。防反射涂层1306被耦合到具有光电二极管1307的硅基板1308。具有光电二极管1307的硅基板1308用嵌入的金属线（例如，金属线1310、金属线1312以及金属线1314）与二氧化硅金属间电介质1318耦合。顶部包括集成装置的正面1316。

在某些实施例中，在CIS晶片的背面上沉积光谱（例如，色彩）滤波器阵列，使得不同像素的光谱响应改变。在某些实施例中，在硅晶片与防反射或金属膜层之间沉积滤波器阵列。在某些实施例中，色彩滤波器阵列的图案密度高于要从对象收集的信息的空间密度（即，该对象被空间过采样）。在某些实施例中，通过在多个像素上对图像过采样（每个像素具有不同的滤波器和因此的不同的光谱响应）来分辨作为法布里-珀罗标准具的伪像的谐波，并且因此使装置的可用光谱范围延伸超过其自由光谱范围。在某些实施例中，在玻璃板上沉积色彩滤波器阵列且然后钝化。在某些实施例中，在晶片的平坦的背表面上而不在前表面上沉积色彩滤波器阵列。在某些实施例中，在色彩滤波器阵列的顶部上沉积平面化层—例如以SiO2的低温化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）的形式且然后通过化学和/或机械抛光来平面化。

在某些实施例中，法布里-珀罗干涉仪具有有限的光谱范围，并且因此针对这些干涉仪，系统包括串联的两个标准具—一个处于用以选择波长带的低精细度模式且另一个处于高精细度模式。在某些实施例中，BSI-CMOS标准具是此配置中的第二个（例如，高精细度标准具）。

在某些实施例中，一个或多个MEMS晶片具有与BSI CMOS管芯相同尺寸的管芯，并且包括线性致动器（每个管芯），其可以调整玻璃晶片与BSI CMOS晶片之间的间距。作为图案化间隔物（例如，如上所述）的替代或除此之外，放置MEMS晶片或一堆MEMS晶片。使用对MEMS装置的直接访问（在该堆被切块之后）或者用其它手段（诸如但不限于通过到CMOS BSI晶片上的硅通孔（TSV）的电接触）来实现能够调整所述间距的调整的电接点。

在某些实施例中，在法布里-珀罗标准具的玻璃板的表面上沉积金属电容元件，并且将这些路由到信号发生器和测量电路以监视电容和因此的板间间隔。在各种实施例中，在前剥离板上沉积电容板并接地，并且在CMOS前表面上（刚好在玻璃钝化下面）沉积第二电容板并例如使用TSV连接到CMOS管芯上的电容测量电路，或者使用TSV连接到管芯的顶面上的焊盘，其被电连接到片外电容测量电路，或者以任何其它适当方式。

在各种实施例中，将玻璃晶片或BSI CMOS晶片与一个或多个图案化层（例如，压电换能器）结合或者另外涂敷该图案化层，其在被用电场致动时可以改变玻璃与BSI晶片之间的间隔。

在某些实施例中，用于制造装置的过程流程如下：

• 制造CMOS BSI晶片；

• 将CMOS BSI晶片临时地结合到载体晶片的正面；

• 对结合的CMOS BSI晶片进行背磨，使得实现图像传感器的期望性能—例如，足够薄以减少串话，但是并未薄到从而减少串话或降低电气性能。

• 在每个BSI CMOS管芯的周界上形成硅通孔（TSV）（例如，使用“后穿孔”过程）。

• 在CMOS BSI晶片上形成或转印压电换能器（例如，PZT）图案，使得针对所有管芯重复该图案，管芯的中心没有PZT，并且压电材料的厚度为约几微米至数十微米。压电材料被电结合到CMOS BSI晶片上的TSV。替换地，可以在第二、玻璃或石英晶片上形成或转印此图案化压电换能器图案；

• 将玻璃和BSI CMOS晶片结合并切块以形成法布里-珀罗标准具。

在某些实施例中，使用技术来实现上述晶片间隔物和两个晶片的结合。多个示例如下：

• 使用光敏聚合物层的粘合剂晶片结合。在晶片中的一个上旋涂聚合物层（优选地，玻璃晶片、以光刻方式图案化，软烘烤，对准到CMOS晶片并结合）；

• UV可固化粘合剂（经由玻璃晶片的UV固化）或激光可固化粘合剂；

• 晶圆级相机模块间隔物附着过程。

图14是图示出用于进行相对光谱测量的过程的实施例的流程图。在所示示例中，在1400中，提供宽带源以照射样本。例如，一个或多个宽带源提供用来照射样本的光照，并且一个或多个宽带源具有短的宽带源相干长度。在1402中，提供用以从样本收集反射光的透镜。在1404中，提供可调整法布里-珀罗标准具以对反射光进行滤波。例如，可调整法布里-珀罗标准具将以光学方式处理反射光以便提取具有精细光谱分辨率的光谱信息。在1406中，提供了检测器以检测来自样本的反射光，其中，该反射光包括具有长相干长度的照明光的多个窄带子集，并且使用用于可调整法布里-珀罗标准具的多个设置以光学方式处理该反射光，并且其中，所述多个设置包括法布里-珀罗标准具板的间隔，其大于宽带源相干长度但小于该长相干长度。在某些实施例中，检测器检测与用于可调整法布里-珀罗标准具的多个设置相关联的反射光，其中，所述多个设置没有法布里-珀罗标准具板的零间隔的设置。

虽然已出于理解清楚的目的而相当详细地描述了前述实施例，但本发明不限于所提供的细节。存在实现本发明的许多替换方式。公开的实施例是说明性而非限制性的。

Claims

1.一种用于宽范围光谱测量的系统，包括：

一个或多个宽带源，其用以照射样本，其中，所述一个或多个宽带源具有短宽带源相干长度；

可调整法布里-珀罗标准具，其用来以光学方式处理反射光以便提取具有精细光谱分辨率的光谱信息；以及

检测器，其用以检测来自样本的反射光，其中，该反射光包括具有长相干长度的照明光的多个窄带子集，并且使用用于可调整法布里-珀罗标准具的多个设置以光学方式处理该反射光，并且其中，所述多个设置包括法布里-珀罗标准具板的间隔，其大于宽带源相干长度但小于该长相干长度。

2.如权利要求1所述的系统，其中，来自宽带源的光被分束器朝着透镜反射以照射样本。

3.如权利要求2所述的系统，其中，来自宽带源的光以第一数值孔径照射样本。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述透镜用来以第二数值孔径从样本收集反射光。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述第二数值孔径大于所述第一数值孔径。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述反射光被成像到所述可调整法布里-珀罗标准具上。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述可调整法布里-珀罗标准具被设定在第一间隔距离处以测量第一波长处的响应。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述可调整法布里-珀罗标准具被设定在第二间隔距离处以测量第二波长处的响应。

9.如权利要求1所述的系统，其中，经光学处理的反射光被成像到所述检测器上。

10.如权利要求1所述的系统，其中，所述可调整法布里-珀罗标准具通过成像光学件与检测器分离。

11.如权利要求10所述的系统，其中，所述成像光学件包括一个或多个透镜。

12.如权利要求1所述的系统，其中，所述可调整法布里-珀罗标准具和所述检测器被组合在集成装置中。

13.如权利要求12所述的系统，其中，所述集成装置包括背面成像传感器。

14.如权利要求12所述的系统，其中，所述集成装置包括法布里-珀罗标准具。

15.如权利要求12所述的系统，其中，所述集成装置包括一个或多个移动器。

16.如权利要求15所述的系统，其中，所述一个或多个移动器中的一移动器包括MEMS移动器。

17.如权利要求15所述的系统，其中，所述一个或多个移动器中的一移动器包括压电移动器。

18.一种相对光谱测量的方法，包括：

提供用以照射样本的一个或多个宽带源，其中，所述一个或多个宽带源具有短宽带源相干长度；

提供可调整法布里-珀罗标准具，其用来以光学方式处理反射光以便提取具有精细光谱分辨率的光谱信息；以及

提供检测器，其用以检测来自样本的反射光，其中，该反射光包括具有长相干长度的照明光的多个窄带子集，并且使用用于可调整法布里-珀罗标准具的多个设置以光学方式处理该反射光，并且其中，所述多个设置包括法布里-珀罗标准具板的间隔，其大于宽带源相干长度但小于该长相干长度。