CN111579497A

CN111579497A - 片上光谱仪

Info

Publication number: CN111579497A
Application number: CN202010121907.9A
Authority: CN
Inventors: D·G·艾伦
Original assignee: Aidi Technology Co ltd
Current assignee: Aidi Technology Co ltd; Renesas Electronics America Inc
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2020-08-25
Also published as: US10859436B2; US20200264043A1; KR20200101851A

Abstract

本公开的实施例涉及片上光谱仪。提供了具有等离子体滤波器/微透镜布置的光谱仪。该光谱仪可以包括：控制器；图像传感器，其具有由耦合到控制器的多个像素形成的像素阵列；以及在图像传感器之上的光学层。该光学层可以包括：等离子体微透镜阵列，其具有位于间隔物层之上的多个微透镜，等离子体微透镜阵列中的每个微透镜将光聚焦在多个像素中的一个像素上；以及等离子体滤波器阵列，其随着等离子体微透镜阵列被布置，使得入射在多个像素中的每一个像素上的光具有传输函数。微透镜和等离子体滤波器可以由复合结构形成。

Description

片上光谱仪

技术领域

本发明的实施例涉及光谱仪传感器，并且具体地涉及晶片级光谱仪。

背景技术

光谱仪可以被引入到移动设备以用于涉及对目标物质的分析和标识的各种用途。通常，光谱仪是指提供光源以将光提供到物质上，并且然后监控从物质接收的光的设备。由光源提供的光可以是任何频率或频率范围，并且在光谱仪激活期间可以是连续的，也可以是脉冲式的。这些参数取决于特定应用。例如，一个特定应用使用产生红外或近红外辐射的光源。

当被光源辐照时，目标物质吸收由光源发射的至少一部分入射辐射，并且辐射出光的特征频谱，光的特征频谱在被适当地分析时可用于标识物质的组成成分。从目标物质接收的光由光谱仪进行光谱分析，并且所接收的光的光谱组成指示物质的化学组成。

确定物质的化学组成具有许多实际应用。例如，水果和蔬菜的光谱扫描可以帮助确定所提供的成熟度或营养价值。食品或饮料的安全性也可以通过光谱扫描实时确定。光谱扫描还可以用于监控健康问题，例如在无需实际采集血液样本的情况下，监控血液中的氧气或糖分。此外，光谱扫描可以用于监测大气条件(诸如，气体的组成)。

同样，环境光的光谱扫描(在没有来自光源的光的情况下)可以用于调节针对相机的光水平灵敏度。这样的方法可以帮助在你的移动设备上实现更清晰、更准确的照片。

已开发了基于滤波器阵列的光谱仪。在一个示例中，各种滤波器在图像传感器阵列之上被图案化或对准。在每个通道上接收到的光的强度由相应像素之上滤波器的通带来确定。接收到的光的图案可以通过线性变换被变换为光强度的基于波长的表示。

对于芯片上的这种类型的光谱仪，滤波器的透射率可以是角度依赖的。所接收的光强度然后取决于照射角度。校准或等效地频谱变换的推导需要受限的或限定的视场。限制或限定视场的一些方法依赖于外部漫射器、透镜和开孔。已经提供此类光谱仪的一些公司包括Consumer Physics Scio(Consumer Physics作为SCIO^TM，参见www.consumerphysics.com)。在这些系统中所需的组装方法的复杂性是不期望的，并且对于某些消费者应用而言成本过高。

例如，等离子体滤波器也已经由在韩国大田的国家纳米制造中心(NationalNanoFab Center)的nanoLambda所尝试。然而，具有对自然过程变化敏感的传输函数从而导致宽范围变化的光谱形状的等离子体滤波器的制备，对于大规模制造来说是不期望的。附加地，特别是对于易于制造的单金属层设计而言，等离子体滤波器阵列透射可以是角度密切依赖的，这限制了光的收集并且对光的漫射和准直提出了严格的要求。

所有这些问题增加了光谱仪的成本、尺寸和复杂性，其有效地限制了子移动应用中的经济部署。针对典型的高端智能手机的(非图像)传感器总预算可以在5美元的范围，而相机模块的预算为5-20 美元。因此，依赖于类似于相机模块的复杂性的传感器在尺寸和成本方面面临大规模部署的挑战，这一情况已被移动光谱仪已经存在了数年，而在消费者手持设备中却没有大规模部署的事实证明。对于大规模生产，还期望用以使得设备跨过程变化更固有地稳定的改进。

因此，需要开发用于移动设备中的更好、更鲁棒和更可制造的光谱仪。

发明内容

在一些实施例中，提供了具有等离子体滤波器/微透镜布置的光谱仪。根据一些实施例的光谱仪可以包括控制器；具有由多个像素形成的像素阵列的传感器阵列，像素耦合至控制器；以及传感器阵列之上的光学层，光学层包括：位于传感器阵列之上的间隔物层；包括位于间隔物层之上以将光聚焦在多个像素上的多个微透镜的等离子体微透镜阵列；以及等离子体滤波器阵列，其随着等离子体微透镜阵列被布置，使得光根据针对多个像素中的每一个像素的传输函数而入射在相应的像素上，并且其中到传感器阵列中每个像素的透射光谱跨图像传感器的多个像素变化，其中图像传感器阵列像素的多个像素通过光学层选择性地接收来自等离子体微透镜阵列的焦点的光，并且生成由控制器可访问的经空间和光谱滤波的信号。

在一些实施例中，微透镜阵列和等离子体滤波器阵列被形成为单个金属层中的复合滤波器微透镜。在一些实施例中，该复合滤波器微透镜阵列可以是等离子体微区板结构。

在一些实施例中，限制开孔被形成在覆盖光学层的覆盖物中。在一些实施例中，控制器是微控制器。在一些实施例中，微控制器使用对于像素阵列中的每个像素唯一的传递函数来校准光谱仪。

下面参考以下附图来讨论这些和其他实施例。

附图说明

图1图示了并入光谱仪的移动设备。

图2A、图2B、图2C、图2D、图2E和图2F图示了根据一些实施例的可以在图1所示的移动设备中使用的片上光谱仪。

图3A、图3B、图3C和图3D图示了通过针孔(pinhole)的光透射。

图4A、图4B、图4C、图4D、图4E、图4F、图4G和图4H图示了在各种条件下通过针孔的焦点截面。

图5A、图5B、图5C、图5D和图5E图示了通过针孔的透射特性。

图6A和图6B图示了根据一些实施例的等离子体微透镜滤波器的纳米针孔设计。

图7A和7B图示了根据一些实施例的纳米针孔设计的图像。

图8图示了根据一些实施例的针对光谱仪的从传输函数到基于波长的数据的变换。

图9A和图9B图示了频率选择性等离子体滤波器的一些示例。

图10A和图10B图示了图2D所图示的结构的一部分，其具有针对每个像素的多个滤波器/透镜结构。

图11图示了Al纳米孔阵列中透射与波长特性的经严格耦合波分析(RCWA)模拟的角度依赖性。

图12图示了根据本发明的一些实施例的光谱仪中的光源和传感器阵列的视场(FOV)。

图13图示了根据本发明的等离子体滤波器/微透镜的FOV特性。

图14A和图14B图示了不能很好起作用的一些光谱仪的构造。

图15图示了菲涅耳区板。

图16图示了等离子体多区板(multi-zone plate)。

图17A、图17B和图17C图示了根据一些实施例的光谱仪系统的不同像素。

图18图示了根据一些实施例的另一光谱仪系统的像素构造。

图19图示了可以在本发明的一些实施例中使用的复合滤波器微透镜。

下面进一步讨论本发明的实施例的这些方面和其他方面。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了描述本发明的一些实施例的具体细节。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，可以在没有一些或所有这些具体细节的情况下实践一些实施例。本文所公开的具体实施例意在说明而非限制。本领域技术人员可以认识到，尽管这里没有具体描述的其他元件也在本公开的范围和精神内。

该描述说明了创造性方面，并且实施例不应当被认为是限制性的——权利要求限定了受保护的发明。在不脱离本说明书和权利要求书的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。在一些实例中，未示出或详细描述众所周知的结构和技术，以免使本发明不清楚。

本发明的实施例提供了具有晶片级光学件的片上光谱仪，从而提供了不需要外部透镜的波长特定的聚焦。具有等离子体滤波器元件的混合衍射透镜提供良好的光谱峰，其具有的透射最大值主要由过程受控的光刻间距尺寸来限定，而不是由难以控制的纳米直径和蚀刻轮廓来限定。用来自20度或更高角度的有利大视场的光可以对每个像素进行波长特定的过滤，这是对典型等离子体滤波器设计的重大改进。

等离子体滤波器是指具有亚波长尺寸化的孔的阵列的金属膜。这样的结构表现出“非凡的透射性”，其中一些结构在特定波长下的透射率高达90％，而带宽仅为所设计的中心波长的百分之几。

先前的焦点曾在改进衍射透镜的带宽的方法上，即试图使得有利地薄的衍射透镜更像针对宽带可见光或红外光应用的体折射透镜 (bulk refractive lens)。采取不同的方向的本发明的实施例利用并增强了衍射透镜的带宽限制性质，以使得期望的波长聚焦，并且阻挡或不聚焦来自其他波长的光。对先前研究的动力的背离的重要性不言自明。纳米等离子体研究主要由军方资助。在该领域发表的文献经常展示出，除了别的以外的，针对如波长滤波和亚波长成像的惊人的结果。然而，即使不是不可能的，要找到解决离轴性能下降和较差的带宽特性的相应缺陷的文章也是很困难的。为了取得积极的结果，已经存在对有害效果的明确的忽视。本发明的一些实施例具体地利用了那些效果。

本发明实施例后的原理不是简单地用等离子体滤波器对光过滤，或用衍射透镜来聚焦光，而是用衍射透镜聚焦光并且用等离子体滤波器将带宽变窄到足以用于光谱应用。像素形成了在衍射等离子体透镜滤波器之下的开孔(aperture)，其同时限制了带宽并且限定了视场。在传感器之上的构造简单、紧凑的壳体提供了有用的大的限制输入开孔。

在一些实施例中，衍射透镜而不是准齐次(quasi-homogeneous) 滤波器(诸如，干涉滤波器或等离子体纳米孔阵列)被使用。准齐次滤波器中的过程变化生成针对干涉滤波器和纳米孔阵列二者的通带偏移。利用衍射透镜，经光刻限定的间距设置波长。经光刻限定的间距针对大规模制造提供了从根本上可重复的方案。此外，与多层干涉滤波器相比，衍射透镜利用单层工艺生产，这也导致较少的处理。

在一些实施例中，透镜被布置为比像素大得多，以提供空间过滤效果。或是像素具有远小于像素节距的开孔，或是透镜远大于像素节距。该布置不同于使用颜色过滤器和微透镜用于在成像中进行颜色分离的典型相机，其中主要目的是将光集中到像素的有效区域中，以最大化光收集。因此，根据一些实施例的混合衍射等离子体透镜光谱仪的区别在于传感器的有效区域(填充因子)小得多，从而减少了在晶片级别的针对光谱和空间滤波的交换中的光收集。

在一些实施例中，衍射环由等离子体阵列形成。在过去，这已经被用于制造亚波长聚焦透镜，但是尚未被用于波长滤波。实际上，已做出了努力来生产聚焦多个波长的透镜。环间距限制了表面等离子体激元的相互作用长度，并且在扩大共振的同时用于限制角度灵敏度。该效果提供了具有有用的大输入开孔(谱集)的光谱仪，相比于不聚焦的纳米孔阵列滤波器相比提供了明显的优势，并且与具有强角度依赖的标准具型的滤波器相比具有明显的对比。这种将衍射透镜与纳米孔阵列组合的模块化方案允许很大程度地对环和孔的独立优化，从而简化了数值建模。

与使用变化的纳米孔图案阵列的、试图创建有用的大的一组光谱基函数的光谱仪相反，根据一些实施例的混合衍射等离子体透镜滤波器可以在宽范围的波长上缩放。不存在由诸如标准具滤波器所面对的固有的自由光谱范围限制。根据一些实施例的混合衍射等离子体透镜滤波器在如下意义上表现良好，其具有平滑的透射梯度并且没有明显的带外透射。因此，根据一些实施例的混合衍射等离子体透镜滤波器本质上更简单来提供波长变换的构造，这意味着更少的元件可以在制造中被使用。因为制造更鲁棒，所以较少的冗余可以被使用，这意味在实践中较小的(较低的成本和尺寸)像素阵列就足够了。

本发明的实施例提供了传感器阵列，例如，CCD或CMOS传感器、线性传感器阵列或光电二极管阵列。传感器阵列的实施例可具有对应的开孔阵列，开孔阵列例如通过在真空沉积的金属层中的光刻开孔阵列而被制备或集成在阵列上。用于接收光的每个光电二极管具有开孔。在一些实施例中，参考“暗像素”可以形成，其不具有开孔。这些“暗像素”可以被用于校准目的。

所形成的开孔的目的是充当空间光滤波器。然后，间隔物层可以被沉积在开孔阵列之上。接着，复合纳米图案微透镜滤波器阵列被放置在开孔阵列之上。入射在复合微透镜滤波器上的光既经过光谱过滤又朝向开孔阵列被聚焦。开孔阵列允许从限定的视场以及滤波器通带内入射的光进入像素有效区域。复合微透镜滤波器调制光的光谱内容(spectral content)，并且将光聚焦到有效像素区域上。在非常大的像素的情况下，像素可以包括多于一个的开孔。在非常小的像素的情况下，像素有效区域起空间滤波器的作用。传感器阵列前侧照射(FSI)顶部金属、再分布(RDL)层或背侧照射金属(BSI) 金属层可以被用于将开孔阵列图案化。或者开孔阵列可以在滤波器/ 微透镜堆叠的后端处理中添加。最终结果是不需要外部透镜来将光准直，从而大大简化了光谱仪组件的机械要求。

调制入射光的频谱的等离子体滤波器(例如，nanoLambda)已经被展示。将光聚焦到像素上的衍射或等离子体滤波器也已经被展示。在一个示例中，衍射微透镜被使用。此外，等离子体微透镜已经被展示。然而，根据本发明实施例的片上光谱仪使用各种光谱基函数，因此仅聚焦是不够的。本发明的实施例中的光谱传递函数(transfer function)基于滤波器设计的确定性变化而在像素之间变化。等离子体滤波器阵列(无透镜)或微透镜阵列(不变化的滤波) 都不满足这两个条件。本发明的实施例通过提供混合衍射等离子体透镜来解决现有技术中的这个问题，混合衍射等离子体透镜既聚焦光又以变化的方式对光进行光谱滤波。每个微透镜滤波器均具有经限定的输入开孔，该输入开孔对中在开口开孔之上。

光谱仪由像素阵列形成。因为像素的输入开孔限定了接收光的区域，所以微透镜之下的像素本身就是空间滤波器。然而，在一些实施例中，光谱仪可以使用这样的滤波器，其用比图像传感器通常提供的视场更小的视场而光学地执行。在这种情况下，减小的像素开孔可以被提供，但是像素大小和开孔大小的比率对于片上光谱仪的功能而言有些无关紧要。重要的是微透镜滤波器输入开孔与开孔大小的比率。在一个示例实施例中，微透镜滤波器开孔的直径可以是25μm，并且开孔可以为3μm，并且间隔物是12μm厚的聚合物 (诸如，聚酰亚胺、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或BCB(苯并环丁烯))。像素本身可以仅比开孔大几微米，以收集在允许的角度范围内进入开孔的光。有用的像素节距由较大的微透镜尺寸来指定，在此特定示例中像素节距是25um。这与需要高填充因子的典型图像传感器明显不同。即，像素的有效区域应填充尽可能多的像素区域，使得像素大小和像素节距是相当的。20％-90％的像素填充因子是常见的。小于10％的像素填充因子并不常见，但其对于具有所描述的晶片级光学控制的片上光谱仪可能有用。

如在本发明的实施例中提供的将微透镜阵列和等离子体滤波器阵列组合是对先前设计的很大改进。即使这些改进移除了向设备添加昂贵的外部光学件的要求，这样的布置尚未被制造商(例如，Scio 和nanoLambda)提出。

本发明的实施例涉及将先前不相干的功能(滤波和聚焦)组合到传感器阵列本身上。在一些实施例中，在径向上的折射率的调制可以被提供，其中空间调制远离中心则频率增加(较小的节距)。这提供了正焦距衍射光学元件。

在一些实施例中，以非径向方式的子波长调制被提供，这在光谱传递函数上赋予了更高阶的调制。一个示例是纳米孔的同心环。该结构的示例包括同心齿轮形状，其具有亚波长轮齿(cog)特征。另一示例是金属中的等离子体滤波器纳米孔阵列，其具有径向变化的节距和孔形状。另外的示例包括多层结构，其中一层被优化以更多提供光谱滤波、而第二层更多提供聚焦。该设计具有用于打破如下工程约束优势，该工程约束关联于试图在单个层中进行滤波和聚焦。在这种情况下，应注意的是，聚焦元件应当在滤波器之下。否则，微透镜层将把会聚束发送给较一致的阵列，该较一致的阵列较好地适于平面波激发。

图1图示了根据本发明的一些实施例移动设备100(例如，智能电话或平板电脑)，其可以包括光谱仪104。移动设备100包括处理器、电路系统和用户接口的集成系统，以向移动设备100的用户提供服务。这样的服务可以包括例如互联网服务、手机服务、数据存储以及这样的设备的其他常用功能。附加地，移动设备100包括相机102，相机102可以用于各种摄影目的。附加地，在一些实现中，移动设备100包括光谱仪104。光谱仪104耦合到移动设备100的处理器，并且在移动设备100的控制下，光谱仪104可以获取光谱数据并且对所获取的光谱数据进行分析。

如上所讨论的，光谱数据可以在处理由相机102拍摄的照片中使用，并且可以进一步用于确定目标物质的化学组成。从光谱数据，水果和蔬菜的质量和成熟度，连同其他物质的组成可以被确定。而且，目标可以是生物学的，并且光谱数据用于测量各种健康状况。因此，具有手持式精确光谱仪(诸如，内置在移动设备100中的光谱仪)可能是非常有价值的工具，其不仅用于科学目的，而且还用于更实用的目的，诸如，健康监测、环境监测、假冒品检测和真实性确认、产品ID、颜色搜索和颜色匹配以及其他用途。

图2A图示了光谱仪200的框图，光谱仪200可以用作移动设备100中的光谱仪104。如图2A所示，光谱仪104可以包括光源202、传感器阵列204和处理电路系统206。光源202可以是由光谱仪使用的光的任何来源，其包括例如用于产生近红外光的一个或多个LED。在一些实施例中，光源202可以是LED的阵列。在一些实施例中， LED的阵列可以是双结LED，其中结具有不同发射波长，双结LED 可以以较小的形状因数提供较宽的波长范围。在一些实施例中，光源202可以是具有变化波长的LED的阵列的闪光灯。在一些实施例中，光源202可以是磷光体转换的LED闪光灯。在一些实施例中，光源202可以是相机102的闪光灯。

传感器阵列204可以是能够测量如下光谱范围的任何类型的传感器阵列，该光谱范围适合光谱仪104的目的。例如，传感器阵列 204可以是CMOS设备，该CMOS设备具有单独像素的阵列或其他光敏区域的阵列，其产生可以进一步被处理的电信号。在一些实施例中，传感器阵列204检测在可见范围内、在近IR内或在UV中的波长。在一些实施例中，传感器阵列204检测小于约1100纳米的波长。在一些实施例中，传感器阵列204检测小于约2.5微米的波长。处理电路系统206可以包括像素读取电路系统和像素驱动电路系统以及包括微处理器和微型计算机的控制器或处理器，用于从传感器阵列204接收数据、对该数据进行处理并且将数据提供给移动设备 100中的微处理器，以用于进行进一步分析并且显示给用户。

处理电路系统206还可以控制由光源202产生的光的强度和持续时间，该光可以是脉冲的或连续的，并且可以相应地对传感器阵列204进行选通。在一些实施例中，特定持续时间的光脉冲可以由光源202产生，随后是数据获取时段，在数据获取时段中，传感器阵列204接收射入光并且累积与所接收的光强度有关的电荷或电压。在某个采集时段之后，处理电路206然后读取由传感器阵列204中的像素阵列所接收的光的积分值。在一些实施例中，衰减过程可以通过对积分值周期性地采样来监控，以便确定所接收的光作为时间的函数。在一些实施例中，光源202可以是相机闪光灯，相机闪光灯然后可以由处理电路系统直接地控制，或者通过诸如移动设备100 的主机设备中的微处理器或微计算机来控制。

如图2A进一步所示，光源202、传感器阵列204和处理电路206 可以包封在晶片芯片208上。在一些实施例中，结构210将传感器阵列204与光源202分离，以防止由光源202产生的光直接进入传感器阵列204。

图2B图示了光谱仪200的一个实施例的截面图。如图2B所示，光谱仪200可以形成在晶片衬底220上。如图2B进一步所示，半导体层206形成在衬底220上，在衬底220中形成处理电路系统206 的硅组件以及用于驱动光源202和传感器阵列204的电路系统。传感器阵列204和光源202形成在半导体层222中或在半导体层222 之上。如进一步图示的，光学透明层224被提供在光源202之上。光学透明层224可以进一步包括一些光学件(例如，透镜结构、滤波器结构或其他光学结构)，用于传输来自光源202的光以照射目标物质。光学透明层224可以是气隙。层226也是光学层，在一些实施例中，层226提供聚焦、滤波和色散功能以将在层226处所接收的光引导到传感器阵列204的单独像素上。在一些实现中，尤其是在先前开发的系统中，一些外部光学件可以被提供在光谱仪芯片 104的外部，以提供聚焦、滤波和其他功能。然而，在本发明的实施例中，层226包括对来自目标样本的射入光滤波和聚焦的光学件。在使用相机闪光灯替代光源202的实施例中，光谱仪200可以更小并且仅包括传感器阵列204和支持电路系统。

如图2B进一步所示，覆盖物270被放置在光学透明层224和光学透明层226上。覆盖物270可以是硬保护的覆盖物(例如，由塑料形成)，硬保护的覆盖物可以形成来对光谱仪200进行封装。限制开孔272可以形成在传感器阵列204之上的覆盖物270上。与针孔相机中的针孔的功能类似，限制开孔272提供到传感器阵列204 的光访问并且控制到限制开孔272的光访问。在一些实施例中，限制开孔272可以是圆形的并且允许在被限制为约二十度的角度范围内的光。高角度射线可以具有洗掉在焦点处的光谱特征的效果，因此其对于阻挡不必要的光很有用。开口的大小随覆盖物的高度而缩放。附加的开口274被形成在覆盖物270中，以允许来自光源202 的光射出光谱仪200。如果覆盖物270靠近传感器阵列204，则漫射器276可以被放置在开孔272的上方来改进跨传感器阵列204的光的均匀性。对于远离传感器阵列204的中心的像素，限制开孔272 可以是离轴的，因此层226的微透镜的位置以及可选地焦距可以被调整，以将来自限制开孔272的光引导到传感器阵列204的像素。在一个示例中，传感器阵列204之上的覆盖物的高度是2mm并且开孔272的直径是500微米。漫射器276可以是聚四氟乙烯(PTFE) 或磨玻璃的薄层，其附接到覆盖物的外侧。

图2C图示了光谱仪200的电路图。如图2C所示，处理电路系统206包括控制器256。控制器256可以是任何控制电路，包括微控制器单元、微计算机、专用电路系统或其他设备。控制器256可以是专用电路系统、由状态机操作的处理器或任何其他设备，其能够从读出器250接收数据并且控制传感器驱动器252和光源驱动器 254。

在一些实施例中，控制器256可以与诸如微控制器(MCU)或应用处理器(AP)的外部可编程设备接口连接。附加地，控制器256 可以与移动设备100的处理器接口连接，并且因此由移动设备100 中存储的指令来控制。

如图2C所示，在一些实施例中，控制器256可以本身是微控制器单元(MCU)256，其可以接口连接到移动设备100中的外部处理器。MCU 256包括处理器258、存储器260以及接口262和264。存储器260可以包括易失性和非易失性存储器两者，并且因此可以存储由处理器258执行的指令以及在对光谱仪200中的数据进行处理使用的数据。处理器258还可以耦合至设备接口264以与移动设备 (例如，移动设备100中的其他处理器)接口连接。处理器258还耦合到光谱仪接口262，处理器258通过光谱仪接口262与光源驱动器254和传感器电路系统266通信，传感器电路系统266包括传感器驱动器252和读出器250。

光源驱动器254被耦合以在MCU 256的引导下驱动光源202。传感器驱动器252被耦合以驱动传感器阵列204的光传感器元件，特别是以向传感器阵列204提供功率和控制信号。MCU 256还耦合到读出器250，读出器250被耦合以从传感器阵列204的有效区域(像素)中的每个有效区域(像素)接收信号。读出器250可以包括对从传感器阵列204的光传感器元件所接收的信号的模拟滤波、放大、积分和数字化。在一些实施例中，读出器250可以包括模拟积分器，模拟积分器在一时间段内对从传感器阵列204所接收的电流信号进行积分，该时间段通过在微处理器256中进行编程来设置。在光源 202是来自相机的闪光灯的实施例中，光源驱动器254可以向相应地驱动相机闪光灯的支持设备提供信号。

图2D图示了根据本发明的一些实施例的传感器阵列204和层 226的截面。在本发明的一些实施例中，传感器阵列204例如是具有有源像素230的CCD或CMOS传感器、线性传感器阵列或光电二极管阵列。像素230均耦合到传感器电路266。像素230是传感器阵列204的光学有效区域并且根据入射在像素230上的光强度来提供电信号，如图2D所示，像素230均耦合到包括读出器250的接口电路 266。传感器阵列204可以包括任意数目的像素230。例如，可以存在100到1000个像素。

像素230的有效表面具有特定形状的光接收区域。这可以由不透明的掩模或由光电二极管吸收区域的尺寸来限定。掩模或开孔可以是具有特定直径的圆形，并且像素230具有特定节距(相邻像素 230之间的距离)。如果没有掩模，则像素的直径将指代跨像素光接收区域的距离。在本发明的一些实施例中，像素230的可以具有约 10μm或更小的直径，并且节距可以为像素230的直径的约两倍或更小。在一些实施例中，节距可以大于像素230的直径的两倍。像素 230可以以任何方式布置，但是通常将沿x和y轴布置(其中z方向垂直于传感器阵列204的表面)，具有在x方向和y方向上的特定节距。尽管在x方向和y方向上的节距可以不同，但是通常这些节距被布置为相似或相同。在一些实施例中，例如，像素节距可以大于15微米。在一些实施例中，像素节距可以大于20微米。在一些实施例中，开孔240的面积的平方根小于像素230的节距的四分之一。

如图2D所示，在一些实施例中，层226由多个层组成。多个层可以包括例如开孔阵列层232、间隔物层234、微透镜阵列236和滤波器层244。在一些实施例中，如下面进一步讨论的，微透镜阵列 236和滤波器层244可以组合在单个经合并的等离子体设备中。在任一种情况下，滤波器层244和微透镜阵列236结合在一起以形成混合等离子体设备，该混合等离子体设备将对光进行滤波，并且将其聚焦通过开孔240到像素230上。在一些实施例中，如图2D所示，每个滤波器阵列244和微透镜阵列236构造将光引导到像素230中的单个像素。但是，在一些实施例中，入射在像素230中的一个像素上的光可以由多个滤波器阵列244和微透镜阵列236构造提供。在一些实施例中，例如，来自多个微透镜242的光可以入射在像素 230中的单个像素上。

层226包括开孔阵列232，开孔阵列232被制备在传感器阵列 204上或与传感器阵列204集成。在一些实施例中，开孔阵列232 可以形成在光学层(例如，电介质层)上，或被封装在光学层中，该光学层形成在传感器阵列204之上。图2D图示了具有金属层250 的开孔阵列232，金属层250嵌入在光学透明层248中，光学透明层 248沉积在传感器阵列204之上。

开孔阵列232可以形成在金属层250中，该金属层250通过真空沉积而被沉积在传感器阵列204之上(例如，直接在传感器阵列 204上或在被沉积在传感器阵列204上的膜上)。开孔阵列240可以通过光刻技术在金属层250中形成。如图2D所示，开孔240可以在像素230之上形成，使得用于接收光的有源像素230均在开孔阵列232中具有被形成在相应有源像素之上的开孔240。参考“暗像素” 246(其不接收任何光)可以由传感器阵列204的单独的光收集像素元件230形成，参考暗像素没有被形成在层226中的开孔阵列232 中对应的开孔240。如下面更详细地讨论的，开孔阵列232中的开孔 240用作空间滤波器。开孔240中的每个开孔通常小于在其上形成该开孔240的对应像素230，并且具有与传感器阵列204中的像素230 的节距相同的节距。

在一些实施例中，开孔层232使用像素230本身的开孔。在这种情况下，层226可以不存在开孔层232。例如，像素230的开孔可以比微透镜242的直径小5-15倍。

如图2D进一步所示，间隔物层234可以被沉积在开孔阵列234 之上。间隔物层234是光学透明的并且可以用于提供在开孔阵列232 和微透镜阵列236之间的间隔。间隔物层234的厚度由微透镜阵列 236中的透镜242的焦距确定。在一些实施例中，间隔物阵列234的厚度可以为约5μm至约50μm。该间隔物可以包括来自前端制备工艺的传感器阵列的电介质层以及在后端处理中添加的聚合物层。

微透镜阵列236可以形成在金属层中，其中每个微透镜242由金属层中的针孔形成。微透镜阵列236中的每个单独的微透镜242 可以被形成在具有径向变化的相元件(phase element)的金属层中，相元件具有变化的形状和大小的开孔(或针孔)。单独的微透镜242 具有波长依赖的焦距，该焦距被调整以将光聚焦通过开孔240到特定像素230上。每个微透镜242的焦距可以针对间隔物层234的厚度来调整。

在图2D所示的示例中，平坦化层238在微透镜阵列236之上形成，并且滤波器阵列244被提供，该滤波器阵列244具有在每个微透镜242之上提供的单独滤波器246。滤波器阵列244也可以是通过在金属片中布置开孔而形成的等离子体滤波器。在一些实施例中，平坦化层238的厚度大于可检测波长范围的厚度。

如图2D所示，入射光在滤波器246中被滤波并且通过微透镜242 被聚焦到单独像素230上或到在像素230之上的开孔上。通过调整针对单独像素的滤波器246的滤波特性并因此调整对应微透镜242 的滤波特性，波长的多个通道可以由光谱仪检测，以便向控制器256 提供光谱以进行分析。

特别地，滤波器246和微透镜242可以被形成为使得数个单独的通道形成有单独的像素230，这些组合中的每个组合被布置为具有特定传递函数(其描述了入射光的波长分量到像素230中的单独像素上的传输)。微透镜242和滤波器246可以具有多种设计，每种设计对应于单独通道的特定传递函数。像素230中的多个像素可以接收相同的通道。特别地，在一些实施例中，可以存在任意数目的单独通道(或任意数目的微透镜242和滤波器246设计)，在一些实施例中该数目大于20。

在一些实施例中，微透镜阵列236和滤波器阵列244可以组合成复合纳米图案化微透镜阵列，其可以形成在开孔阵列236上方的层226中。入射在微透镜阵列236和244中的复合微透镜滤波器上的光被聚焦朝向开孔阵列232。开孔阵列232允许光从限定的视场入射，并且光落在开孔阵列232的滤波器通带内，以进入传感器阵列 204的有效区域像素230。如此，在一些实施例中，开孔阵列232中的开孔240的直径可以小于对应微透镜242的直径的倍数，例如其中该倍数是五(5)倍。微透镜阵列236和234的复合微透镜滤波器既调制光频谱内容，又将该内容聚焦在传感器阵列204的像素上。在一些实施例中，覆盖物层270可以沉积在复合微透镜阵列236和滤波器阵列244之上。在一些实施例中，每个像素可以包括多个相同的复合微透镜滤波器，其提供针对每个像素230的光。

图2E图示了根据一些实施例的光谱仪200的透视图。如图2E 所示，覆盖物270中的开口274露出形成光源202的LED阵列。此外，限制开孔272被示出，其被形成在传感器阵列204之上。图2F 图示了图2E中图示的示例光谱仪200的截面图。如图2F所示，开口274在光源202之上。被形成在覆盖物270中限制开孔272在传感器阵列204之上。

基于滤波器阵列的光谱仪已被开发，其中传感器阵列的每个像素具有独立的滤波器，并且该光谱仪被合并在移动设备内。在一个示例中，在一个这样的设备中，层包括沉积在图像传感器阵列之上的各种滤波器。在图像传感器阵列的每个像素上所接收的光的强度由该相应像素之上的滤波器的通带确定。所接收的光的图案可以基于从传感器阵列中的每个像素所接收的信号，通过线性变换而被变换为光强度的基于波长的表示。

然而，对于片上的该类型的基于滤波器的光谱仪，滤波器中的每个滤波器的透射特性可能是角度依赖的，并且角度依赖性本身可能是波长依赖的。然后，在每个像素中接收到的所接收的光强度取决于照射角度。校准或等效地频谱变换的推导则需要受限或经限定的视场。限制或限定视场的先前方法依赖于外部漫射器、透镜和开孔。这样的光谱设备例如由Consumer Physics作为SCIO^TM提供(参见www.consumerphysics.com)。

一些先前的设计已展示了这样的示例，其中等离子体滤波器被使用并且入射光频谱调制。这样的设备例如由nanoLambda提供， nanoLambda是韩国大田的国家纳米制造中心的一部分。其他解决方案还展示了衍射或等离子体滤波器，其将光聚焦到图像传感器阵列的单独像素上。在一个这样的示例中，使用了衍射微透镜。2013年 2月4日题为“Panasonic Develops Technology for Highly Sensitive Image Sensors Using MicroColor Splitters”的松下新闻稿数据，https： //news.panasonic.com/global/press/data/2013/02/en130204-6/en130204- 6.html。衍射微透镜具有线性色散。焦距随波长相反地变化。红光聚焦较强，绿光聚焦次之，而蓝光聚焦较弱。这已被用于将颜色部分地分离到子像素中以用于彩色成像。

等离子体微透镜也已在某些系统中被展示。但是，片上光谱仪应使用各种光谱基函数。因此，仅聚焦是不够的。光谱传递函数应基于滤波器设计的确定性变化而逐像素变化。等离子体滤波器阵列(无透镜)或微透镜阵列(不变化的滤波)都不满足这两个条件。

几篇文献已描述了微透镜阵列或等离子体滤波器。例如，可在网址 https：//nanoscalereslett.springeropen.com/articles/10.1186/s11671-01 6-1333-9中找到的Yiting Yu，Ping Want，Ychuan Zhu和Jinshuai Diao，“Broadband Metallic PlanarMicrolenses in an Array：the Focusing Coupling Effect，”Nanoscale ResearchLetters 201611：109(2016年2 月27日)(“Yu的文献”)描述了微透镜阵列。在Yu的文献，微透镜阵列包括纳米孔的大规模阵列，其具有在厚度t1的第一金层和厚度t2的第二金层之间形成的周期性P。第二金层限定直径为d的透镜开孔。微透镜阵列形成在玻璃衬底上。该文献描述了具有d＝4μm 和范围在400nm至600nm的周期性P的传输函数。如Yu的文献所述，焦点既取决于周期性P，又取决于入射光的波长λ。可在网址 https：//www.nature.com/ articles/srep05586中找到的Sumit Saxena， Raghvendra Pratap Chaudhary，AbhaySingh，Saurabh Awasthi，和 Shobha Shukla，“Plasmonic Micro Lens forExtraordinary Transmission of Broadband Light，”Scientific Reports 4，文章编号：5586(2014) (“Saxena的文献”)也描述了微透镜阵列，其中聚焦透镜随入射光的波长而变化。

在https：//www.nature.com/articles/srep34876上提供的Woo-Yong Jang，Zhyun Ku，Jiyeon Jeon，Jun Oh Kim，Sang Jun Lee，James Park， Michael J.Noyola和Augustine Urbas，“Experimental Demonstration of Adaptive InfraredMultispectral Imaging Using Plasmonic Filter Array，” Scientific Reports 6，文章编号：34876(2016)(“Jang的文献”)中描述了一个示例等离子体滤波器阵列。Jang的文献描述了具有孔阵列的金层，该孔阵列形成在GaAs层上。孔在X和Y方向上均具有均匀的节距p，如Jang的文献所述，节距p在2.0μm至3.2μm之间变化。d/p(孔506的直径d与节距p)之比固定为0.5，并且金层的厚度固定为100nm。

在https：//cdn.intechopen.com/pdfs-wm/40334.pdf上可以找到的 Yongqi Fu，Jun Wang和Daohua Zhang，“Plasmonic Lenses，” Plasmonics-Principles andApplications，Chapter 8，Intech(2012)(Fu 的文献)和Yongqi Fu，Xiuli Zhou，Yu Liu，“Ultra-Enhanced Lasing Effect of Plasmonic Lens Structured With EllipticalNanopinholes Distributed in Variant Periods，”Plasmonics，5(2)，111-116(2010)中，以及Zhenkui Shi，Yongqi Fu，Xiuli Zhou，Shaoli Zhu，“Polarization Effect onFocusing of a Plasmonic Lens Structured With Radialized and ChirpedElliptical Nanopinholes，Plasmonics 5(2)，175-182(2010)中讨论了另一微透镜结构。具有焦距f的聚焦结构由具有椭圆形针孔的金膜形成，具有不同的大小的椭圆形针孔分布在具有不同周期的不同环中。焦点可以通过针孔的大小和分布来控制。可以在 https：// www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm？uri＝oe-23-23-29855中找到的Wei Wang，Zhongyi Guo，Keya Zhou，Yongxuan Sun，Fei shen， Yan Li，Shiliang Qu和Shutian Liu，“Polarization-Independent Longiduinal Multi-Focusing Metalens，”Optics Express卷23，号23 (2015)(Wang的文献)中描述了多聚焦超透镜700。Wang的文献描述了超透镜，其包括以经分隔的序列布置的L形纳米孔。结果，不同的焦点由布置在不同分隔中的纳米孔产生。产生来自针孔不同区域的焦点。而且，描述了相移作为针对不同焦距的半径的函数。

如上所讨论的，本发明的实施例包括滤波器阵列，滤波器阵列既聚焦光又以变化的方式对光进行光谱滤波。如图2D所示，这些系统中的每个微透镜和滤波器具有限定的输入开孔，该输入开孔在开口开孔之上对中。本发明的实施例将光分解为许多光谱基函数，而不是简单地将光分解为几种颜色(参见图8，下面进一步讨论)。因此，在本发明的实施例中使用的滤波器和透镜组合通过多于衍射光学元件 (DOE)固有的色散因子的方式(例如，菲涅耳区板或透镜设计)对光进行调制。此外，该调制在传感器阵列204中的像素230间变化以获得在焦点处的各种光谱形状。

如上关于图2A、图2B、图2C和图2D所讨论的，根据本发明的光谱仪200包括光源202、传感器阵列204和处理电路系统206。如图2C所示，传感器阵列204包括像素230。传感器阵列204被层 226覆盖，如上所讨论的，层226包括开孔层232、间隔物层234、微透镜层236和滤波器层244。

在某种意义上，在微透镜242之下的像素230本身就是空间滤波器，因为像素230的输入开孔限定了接收光的区域。然而，本发明的实施例可以这样的滤波器，其用比传感器阵列204通常所需的视场更小的视场而光学地执行。光谱仪200的视场在下面关于图13进一步讨论。在本发明的实施例中，像素230的开孔的减小可能受到影响。但是像素230的大小与开孔240的大小的比率对于片上光谱仪的功能而言有些无关紧要。然而，微透镜242和滤波器246输入开孔与开孔240的大小的比率可以是相关的。在一个示例中，微透镜242和滤波器246的开孔可以表征为：微透镜242的横向范围的直径可以是约12μm，而开孔240可以具有直径为约3μm的横向范围。间隔物层234可以是12μm厚的聚合物(例如，聚酰亚胺、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或BCB(苯并环丁烯))。诸如收集在被允许的角度范围内进入开孔的光所需要的，像素230本身可以仅比开孔240的大小大几微米。然而，像素230的有用节距可以由微透镜242的横向大小来指定，在该示例中，微透镜242的横向大小是12μm。在一些实施例中，微透镜242的直径可以在5-50μm之间，而开孔240的直径可以在0.5至5μm之间。

本发明的实施例与期望高填充因子的典型图像传感器明显不同。即，在典型的图像传感器中，像素的有效区域应填充尽可能多的像素区域，使得像素的尺寸和像素节距是相当的。在根据本发明的一些实施例中，20％-90％的像素填充因子是典型的，其通过将开孔240的横向大小与像素230的横向大小进行比较来确定。小于10 ％的像素填充因子并不常见，但这对于具有所描述的晶片级光学控制的片上光谱仪来说可能是有用的。

将微透镜阵列236和等离子体滤波器阵列238组合可以提供在典型系统之上较大的改进。如果这样的解决方案容易被想到，那么诸如Consumer Physics和nanoLambda的供应者就不会费力在其设备上添加昂贵的外部光学件以使其运行。尽管存在许多用以完成聚焦的方法，但是将这些先前不相干的功能组合起来需要纳米等离子体设计的专业知识。通常，正如在正焦距衍射光学元件中所做的，应在径向方向上进行折射率的调制，其中空间调制远离中心则频率增加(较小的节距)。

然而，还应存在以非径向的方式的子波长调制，该子波长调制在光谱传递函数上赋予更高阶的调制。一个示例被发现在具有纳米孔的同心环的结构中。另一示例是呈现同心齿轮形状的结构，其具有亚波长轮齿特征。又一示例是金属中的等离子体滤波器纳米孔阵列，其具有径向变化的节距和孔形状。

另一示例是多层结构，其中一个层被优化以更多提供光谱滤波，而第二层更多提供聚焦。该设计的优势是可以打破如下工程约束，该工程约束与试图在单个层中进行滤波和聚焦二者相关联。在这种情况下，应注意的是，聚焦元件应如图2D所示在滤波器之下。否则，微透镜层将会聚束发送给较一致的阵列，该较一致的阵列更适于平面波激发。

如图2D所示，例如，根据一些实施例的光谱仪200基于像素阵列230。像素阵列230中的每个像素可以接收唯一的传输函数 (transmission function)。传输函数可以在自动测试设备(ATE)中的测试期间以晶片级被记录，自动测试设备被用于测试光谱仪200 的晶片作为波长的函数。根据传输函数的变换被计算为逆矩阵，其将像素值转换为光谱值。该变换可以存储在控制器256的存储器260 中或云中，并且通过被存储在存储器260的非易失性存储器中的唯一设备ID代码与控制器256密切联系(affiliate)，或者该变换可以被包括在被耦合到控制器256的MCU或AP中。控制器256或耦合到控制器256的其他处理设备然后可以通过移动设备来取回该变换，在该移动设备中该变换被使用。

图3A至图3D图示了通过针孔的光透射的衍射分量。图3A和图3B图示了通过具有焦值(focal number)F/#＝1的针孔，分别用 390nm和1050nm的入射光的衍射。图3C和图3D图示了通过具有焦值F/#＝0.2的针孔在，分别用390nm和1050nm波长的入射光的衍射图案。焦值指示针孔直径与焦距之间的比率。

基于快速傅立叶变换的衍射积分(FFT-DI)方法可用于计算衍射积分。参见FabinShen和Anbo Wang，“Fast-Fourier-Transform Based Numerical Integration Methodfor the Rayleigh-Sommerfeld Diffraction Formula，”Appl.Opt.45，1102-1110(2006)。图4A至图4H 图示了通过针孔阵列的光透射的强度截面，该针孔阵列具有2049× 2049个直径为10μm、焦值为F/1的样本。图4A和图4B图示了针对390nm焦距、390nm波长的透射和截面。图4C和图4D图示了针对390nm的焦距、1050nm波长的透射和截面。图4C和图4D图示了针对1050nm的焦距、390nm波长的透射和截面。图4E和图 4F图示了针对1050nm的焦距、1050nm的波长的透射和截面。

根据本发明的实施例，滤波器和微透镜可以形成有纳米针孔阵列，每个纳米针孔的直径d小于波长的一半(d＜λ/2)。光栅型结构允许辐射与表面等离子体耦合。当表面等离子体波矢量等于2π/a₀时发生耦合，其中a₀是光栅周期。另外，小直径确立截止频率。已被确立的是，最佳的孔间距(每区)(L/d)1.25可以将截止最小化。 Y.Fu，C.Du，W.Zhou，L.Lim，“Nanopinholes-Based Optical Superlens，”Research Letters in Physics 2008，148505(2008)。较小的周期性似乎会产生较大的透射。

图5A图示了形成在厚度为t的衬底中的针孔结构300，其中针孔302的直径为d。图5B图示了与波长相对的透射曲线，其中纳米针孔302被设计在633nm波长附近。直径d可以是约0.4nm。图5B 用一个示例图示了与波长相对的透射幅度，其中厚度t为50nm。如所图示的，峰值透射在约623nm处。图5C图示了厚度t增加到100 nm的一个示例。如图5C所示，峰值透射已移至约613nm。图5D 图示了厚度为100nm并且直径d增加了约5nm的一个示例。如图所示，峰值从图5C所示的623nm移动到约615nm。图5E图示了厚度为50nm并且直径从图5B所示的直径增加约35nm的情况。如图5E所示，峰值已从约623nm移至约633nm。

图6A和图6B图示了形成等离子体相板的纳米针孔402的图案，该等离子体相板可以作为根据本发明的滤波器和/或透镜来操作。如图6A和图6B所示，等离子体结构400和410分别包括纳米针孔402 和412的圆形布置。如图6A和图6B所示，这些图案中的每个图案具有约20μm的范围。

如图6A和图6B所示，纳米针孔402和412的直径被布置每个圆形图案中，以针对要被聚焦的特定波长的光来布置。针孔402和 412的直径沿径向变化并且被布置成围绕中心的圆形。直径和圆的半径确定针对该特定等离子体结构的传输函数。图6A图示了针对400nm辐射的布置，其具有较多的较小针孔大小的径向布置，而图6B 图示了适合于1000nm光的布置，其具有较少的具有较大针孔直径的径向布置。如结构400和410中所示的这种布置对光进行滤波并且将光聚焦在传感器阵列中在下的像素上。

图7A和图7B图示了诸如图6B所示的结构410的等离子体结构的扫描电子显微镜(SEM)图像。图7A图示了纳米针孔412的布置并且示出了结构410的20μm范围。图7B图示了单独的针孔412，如所指示的，针孔412的直径可以随圆的径向范围而变化。直径是在0.2微米的量级。

图8图示了根据一些实施例的针对光谱仪200的从传输函数到基于波长的数据的变换。图8图示了针对传感器阵列204中的像素阵列230的透射特性，每个像素具有诸如图6A、图6B、图7A和图 7B所示的结构，该结构被布置为提供针对传感器阵列204中的每个单独像素230的透射结构。例如，如上所讨论的，在传感器阵列204 中可以存在大约100-1000个像素230的阵列。此外，对于像素阵列中的每个像素230可以存在数个波长通道。因此，光谱变换矩阵可以形成，具有光谱变换函数的M×N矩阵此时可以被用来提供基于波长的数据，以将所接收的数据转换为窄带光谱。大数目的通道和像素的高分辨率可以产生所接收的数据的窄带频谱。针对两个像素 P1和P2的单独变换函数在图8中被特别指出。但是，针对像素中的每个像素的变换函数可以被确定，以形成用于光谱仪200的操作的光谱变换矩阵。

以上关于图8讨论的光谱传递函数可以通过根据本发明的一些实施例的等离子体滤波器/微透镜来生成。如以上在图6A、图6B、图7A和图7B中所讨论的，这些等离子体滤波器/微透镜由所形成的孔和矩形的阵列来形成。这些孔可以在薄金属层中形成。如上所讨论的，等离子体滤波器是一种频率选择表面，从微波领域熟悉并且现在被应用于光学频谱。

图9A和图9B图示了频率选择等离子体滤波器的一些示例。图 9A图示了高通滤波器902，而图9B图示了低通滤波器914。如图 9A所示，高通滤波器902由交叉的水平线906和垂直线904的阵列形成。线906和904是导电线并且进行操作以将DC电流短路，这导致低频率的反射。如图9B所示，低通滤波器914由被水平间隔 910和垂直间隔912所分隔的导电块908的阵列形成。低通滤波器 914允许仅具有如下波长的频率，该波长比块908的横向范围长。块 908或线904和906的厚度可以比入射光的波长薄得多，这是因为金属，特别是如果块908和线904和906由高电导率金属(例如，金) 形成时，该金属的电导率是相当高的使得穿透深度小。

因此，在块908和线904和906上的光的入射产生了导电性的表面模式，这被称为表面等离子体激元(SPP)。SPP是沿金属-电介质或金属-空气界面行进的红外或可见电磁波。例如，在生物学中，该SPP表面模式用于通过观察SPP共振颜色的改变，来检测蛋白质与功能化金表面的接合。此外，该SPP赋予金它的黄颜色。

通过引入诸如图9A和图9B所示的周期性结构，光能够衍射并耦合到表面等离子体激元模式中。在一些实施例中，微小孔的阵列可以被构造，通过微小孔的阵列，特定频率的光共振地耦合到该孔中并且从结构的另一侧发出。该透射现象被称为异常光学透射(AOT)。一些光被SPP压缩到非常靠近表面、延伸通过另一侧、然后延伸出射(reach out)、与其他孔相互作用并且衍射到自由空间中。该模式的光通过金属，如同金属不存在一样。请注意，这仅适用于特定的频率范围，该频率范围通常是较窄的频率范围。而且，一些光被衍射为更高阶或被反射。但是，有可能通过表面获得多于 50％的光，其中该表面小于50％的面积是孔(因此称为“异常”透射)。

诸如图6A、图6B、图7A和图7B所示的各种周期性结构可以被形成。在一些结构中，孔阵列可以在被提供在玻璃衬底上的金属层(诸如铟锡氧化物(ITO))上形成。各种直径的孔阵列可以被形成。例如，具有低至200nm的直径的孔可以被形成。

对这样的结构的制备可以通过深UV光刻、电子束(e-beam)光刻或聚焦离子束(FIB)研磨来完成。附加地，由e-beam或FIB生成的母版可以使用简单的纳米压印技术(也称为纳米压印光刻 (NIL))来复制。纳米压印光刻技术可以轻松地制造出具有直径小至50nm的孔阵列的结构。然而，配准可能被接触对准限制为例如在晶片上大约+/-3μm。因此，在需要高分辨率而不需要仔细对准的情况下，NIL很有用并且适用于定制的光学滤波器。电子束技术非常慢，因此针对完整晶片的母版的成本不是无关紧要的。因此，NIL 可以用于批量制造诸如全息图、衍射光栅、束成形器(交叉准线)、激光线发生器和漫射器的衍射光学元件，甚至在卷对卷工艺中也可使用。某些制造商(例如，EVG)在诸如Gen 2显示面板(2米)的大面积上使用NIL，在该大面积中，由于规模原因，光刻技术存在问题，并且如果使用基于步进器或扫描仪的方法，则特征必须跨过十字线(reticle)。

结构中的孔可以形成为任何形状。圆、孔、矩形、条、V形、C 形或其他形状构成了相位控制元件的基础，相位控制元件可以用于调节表面上每个位置处的相位。微波设计者使用短截线和传输线来提供类似的相位控制元件。纳米等离子体结构和纳米光学结构可以简单地视为针对光的静态相控阵天线。它们可以对光进行滤波、弯曲、聚焦、旋转偏振——在光传播通过该结构时，可以通过更改光的相位或光的模式耦合来完成任何事情。

上面讨论的大多数相位元件是偏振相关的。在本发明的大多数实施例中，非相位相关元件(例如，方形和圆形)可以被使用，使得所得的光谱仪不一定包括偏振器。由于在这种结构上形成的元件的光谱特性对精确尺寸是高度灵敏的，这超出过程控制范围，故对每个设备进行光谱学地表征。该表征可以在晶片级，或在经组装的光谱仪的面板上进行，以将工作量最大化并且将测试时间最小化。例如，使用可调谐波长的光源(诸如，灯和单色仪)一次扫描三十个传感器的窄范围波长。

在一些实施例中，存在被包括传感器阵列204中的1024个像素 230。由于一些孔处于欠蚀刻或过蚀刻，因此像素230中的一些像素在变换中将不被使用。然而，针对工艺控制内的曝光和蚀刻的任意组合，节距和孔大小的变化足以使得每个设备具有足够数目的有用孔大小。

图10A和图10B进一步图示了根据本发明的一些实施例的一个像素230的结构。如图10A所示，经合并的滤波器-透镜1002被定位于有源像素元件230上方的开孔240之上。图10B图示了经合并的滤波器-透镜元件1002的平面图。在一些实施例中，滤波器-透镜 1002是等离子体针孔阵列，其对入射光进行滤波并且将光聚焦到像素230上。然而，滤波器-透镜1002可以由多个滤波器-透镜元件形成。如图10B所示，滤波器-透镜元件1002可以由多个单独的等离子体滤波器-透镜元件1004形成，等离子体滤波器-透镜元件1004中的每一个将入射辐射聚焦和滤波到像素230的有效区域上。在一些实施例中，滤波器-透镜1004中的每个滤波器-透镜可以是相同的等离子体滤波器结构。

进一步期望的是，滤波器函数尽可能尖锐，导致较正且对角矩阵(positive anddiagonal matrix)，该矩阵对由于噪声引起的像素值的小变化更稳定。等离子体滤波器的透射光谱是角度的非常尖锐的函数。图11图示了在针对周期为300nm，厚度为250nm和直径为 250nm的Al纳米孔阵列的样本的透射-波长曲线中的经严格耦合波分析(RCWA)模拟的角度相关性。所有透射阶被包括。离轴照射探测了针对S和P(TE和TM)的极化波的电介质常数差异，因此观察到了共振的分裂。平均透射具有降低的光谱对比度。实际上，平均值在0度透射的峰值处具有下沉。由于增加的立体角离轴、由于发射器、目标和接收器的投影区域而导致的针对接近度感测的cos⁶因子以及由于目标的平面度而导致的随着角度的距离增加，因此加权平均值包括更多的离轴光。

入射光线角度被限制以避免模糊感兴趣的光谱特征。尖锐的光谱特征和光谱的高度正交性允许对噪声具有鲁棒性的光谱变换。然而，具有低对比度和缓慢变化的光谱特征有效地放大了变换中的噪声(由于更多的减法和抵消)。

LED的光线角度分布可以被限制为约+/-30度，其中包封高度为约1mm。较高的组件允许对LED较好的聚焦。狭窄的LED光线角度分布提供了较明亮的照射，但是LED和传感器视场重叠的位置发生在较小的距离范围内，而这消费者应用可能无法容许。因此，较宽的LED分布是一个用例要求，也是从物理光学角度来看难以避免的事情。应注意的是，LED角度分布与LED尺寸直接相关。还应注意的是，多结LED允许获得宽的波长分布的更紧凑的方法，在多结 LED中，较短波长的发射器单片地生长在较长波长的发射器之上。

图12图示了与目标材料1302相关的根据本发明一些实施例的光谱仪200。如图12所示，光谱仪200包括具有两个LED，LED 1204 和LED 1206的光源202。一般地，光源202中可以存在任何数目的 LED。如图12进一步所示，LED 1204具有视场(FOV)1208，并且LED 1206具有FOV 1210。关于LED 1204和1206，FOV指代源自 LED并且照射目标材料1202的光锥。

传感器阵列204也具有FOV 1212，FOV 1212远小于由辐照锥 1214所指示的目标1202的整个辐照范围。如图12所示，传感器阵列204的FOV 1212指示传感器阵列204从比被照射的区域小得多的区域进行感测。传感器阵列204的较小FOV限制了样本区域的光谱变化并且限制了对感兴趣的光谱特征的离轴模糊。

图13图示了诸如图6A、图6B、图7A和图7B所示的等离子体结构的FOV特性。除了提供如图8所示的良好传输函数外，图13 中所示的角度FOV特性也是有利的。如所图示的，针对＜7.5、＜12.5、＜17.5、＜22.5、＜27.5和＜32.5度的FOV的单独曲线使用图7A所示的结构被提供。如所图示的，透射光谱以经良好调节的方式作为FOV 的函数而在波长中的蓝移。图13所示的示例图示了在波长中每度约 1nm的移动。关于诸如图10所示的结构，这是比上面的图11所图示的响应好得多的响应。

在竞争者设备中，图像传感器的FOV由外部光学件控制。这导致对移动应用来说不期望的复杂而笨重的设计。一种解决方案似乎是将微透镜放在样本上并且将所接收的光聚焦通过开孔，但是对于消费者产品而言，这也不是理想的结构。

图10所示的设备将光作为波长的函数聚焦，但不能作为滤波器而适当地操作。在具有集成的颜色过滤器的一些常规相机中，微透镜已组装在颜色过滤器的顶部之上。对于设想嵌入式微透镜来说是完全不同的。折射微透镜通过折射率对比来工作，因此将它们埋在可能具有相似折射率的电介质中，用平坦化层来沉积叠加滤波器，会极大地降低其聚焦能力。

图14A和图14B图示了具有基于折射率的微透镜的常规传感器系统的两个示例的构造，其运行不是很好。图14A图示了传感器系统1402，图14B图示了传感器系统1404，每个传感器系统具有图像传感器1416、被形成在图像传感器1416之上的开孔层1414。电介质层1412覆盖开孔层1412和图像传感器1416。间隔物层1410被形成在电介质层1412之上。等离子体滤波器1408被形成在间隔物层 1410之上。在传感器系统1402中，标准图像传感器颜色过滤器微透镜1406沉积在等离子体滤波器1408之上。在传感器系统1404中，滤波器1406嵌入在间隔物1410中。

因此，在示例系统1402中，标准图像传感器颜色过滤镜微透镜 1406沉积在等离子体滤波器1408之上。然后，透镜1406将光聚焦通过开孔阵列1414中的针孔，这限制了透镜1406的视场。然而，系统1402放大了入射角，从而再现了这种系统的原始问题。而且，传感器系统1402不能利用封装物灌封，或者系统1402遭受与如图 14B所示的系统1404相同的问题。在系统1404中，其中折射微透镜1406被放置在等离子体滤波器1408之下，所有物体都具有基本相同的折射率，并且透镜1406有效地在间隔物1410中不可见 (disappear)。先前系统中的现有知识不鼓励微透镜在光谱滤波器下方的使用。然而，在即使被嵌入透明电介质中时，如本发明的实施例中提供的基于金属的等离子体结构可以工作。用于制作不依赖于曲率的透镜的一种解决方案是衍射光学元件或菲涅耳区板。

图15图示了可以聚焦光并且可以在这样的系统中使用的菲涅耳透镜1502。如图15所示，透镜1502形成有围绕中心开口1506的环形凹槽1504。在外边缘处更紧密节距的凹槽1502引起更多的衍射，从而导致用以将光聚焦到焦点1508上的聚焦效果。但是，透镜1502 需要足够厚度的不同折射率材料以获得在每个环1504中的所需的相移。因此，透镜1502遭受与折射透镜相同的问题，即，透镜在水下或诸如PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))、SU8或BCB(苯并环丁烯)的平坦化/封装层下不可见。该衍射效果例如在CD的表面上被观察到。

无论将要使用何种解决方案，根据一些实施例，微透镜与开孔阵列中的针孔的对准设置了像素230和间隔物234的总体比例。在本发明的实施例中，所使用的NIL装备可以提供3μm的精度。因此，，透镜应远离3μm的针孔约12微米，以将角度误差限制在约12.5度。这是一种转向误差，其中一个像素面对不同于标称方向的方向。幸运的是，NIL误差是跨晶片的渐变的，因此未对准的局部差异可能很小并且是可忽略的。如上所讨论的，根据一些实施例的每个设备可以根据其特定的未对准来进行校准。进行针对表征的光谱表征的光源应具有足够宽的角度照射范围，以填充开孔阵列232中的每个开孔240。

此外，代替如图15所示的菲涅耳区板透镜1502，本发明的实施例可以使用等离子体衍射透镜。例如，诸如图16所示的等离子体多区板(PMZP)1602可以在本发明的一些实施例中用作透镜。如图 16所示，PMZP 1602由沉积在衬底1612上的金膜1610形成。如图 16所示，环1604和中心部分1606形成在金膜1610中并且允许将入射光聚焦到焦点1608上。图16图示了PMZP 1602操作的几何学，其中电场入射在PZMP 1602上并且被聚焦在焦点1608上。

因此，将等离子体滤波器和等离子体多区板组合为复合滤波器微透镜的光谱仪系统可以被形成。在一些实施例中，分离的等离子体滤波器和等离子体多区板可以被形成。在一些实施例中，经组合的等离子体滤波器和等离子体多区板可以形成在单个滤波器/微透镜结构中。

图17A、图17B和图17C图示了根据本发明的一些实施例的光谱仪系统1700的不同像素。例如，图17A、图17B和图17C图示了在图2D中示出的单独像素230周围的结构。图17A图示了检测红光的像素1702。图17B图示了检测绿光的像素1704。图17C图示了检测蓝光的像素1706。在图17A、图17B和图17C中，红光由实线描绘、绿光由点划线描绘、并且蓝光由虚线描绘。传感器阵列可以包括检测光谱的其他波长的其他像素。

像素1702、1704和1706中的每一个像素均具有有效区域1708。如图17A、图17B和图17C所示，像素1702、1704和1706中的每一个像素包括形成在传感器阵列1708上的第一电介质层1710。具有在传感器阵列1708的有效区域之上的孔1714的开孔阵列1712被形成在第一电介质层1710上。如先前所讨论的，在一些实施例中，开孔阵列1712直接形成在传感器阵列1708上。第二电介质阵列1716 形成在开孔阵列1712之上。间隔物1718形成在第二电介质层1716 之上。像素1702、1704和1706中的每一个像素还包括沉积在衍射透镜和等离子体滤波器之间的平坦化层1720。

图17A包括在间隔物1718上形成的衍射透镜1722。平坦化层 1720形成在衍射透镜1722上。等离子体滤波器1724形成在平坦化层1720之上。衍射透镜1722可以是例如图16中所讨论的等离子体衍射透镜，等离子体衍射透镜不受其被嵌入在间隔物层1718和平坦化层1720之间的影响。等离子体滤波器1724然后形成在平坦化层 1720之上。在像素1702中，等离子体滤波器1724和衍射透镜1722 被布置为使得红光被聚焦通过开孔阵列1712到传感器阵列1708的有源层中。

如图17B所示的像素1704与图17A所示的像素1702相似。不同之处在于，像素1704包括衍射透镜1726和等离子体滤波器1728，其将绿光而不是红线聚焦到传感器阵列1708的有源层中。

如图17C所示的像素1706与像素1702和像素1704相似。不同之处在于，像素1706包括衍射透镜1730和等离子体滤波器1732，其将蓝光聚焦到传感器阵列1708的有效区域中。

衍射透镜1722或1726或1730的一个优势是焦距线性地取决于入射光的波长，因此每个透镜可以被优化以进一步下选择 (down-select)被允许通过开孔阵列1702的孔的光谱范围。因此，开孔阵列1702的功能类似于附加的带通滤波器。

如图17A所示，系统中的每个像素的范围可以是约10μm。这样的像素的阵列因此可以被布置为提供跨大范围的光谱波长的光谱数据，以便对从目标所接收的光谱进行分析。

由如图17A、图17B和图17C所示的像素形成的像素阵列可以具有在等离子体滤波器之间的耦合，该耦合可以随较厚的空间内充分减小——该空间受到处理简便性以及由于约25μm的有限的像素节距的串扰的限制。然而，这些系统可以用纳米压印工艺步骤形成。然而，应注意的是，在一些实施例中，通过所有间隔物聚合物的干法蚀刻(例如，离子束蚀刻)过程被执行以露出接合焊盘，以便电耦合至每个像素。

如图17A、图17B和图17C所示，等离子体滤波器1724、1728 和1732中的滤波器透射峰值波长根据等离子体微透镜1722、1726 和1730的设计而变化。因此，每个像素被布置以接收具有特定传输函数的光。

序列的等离子体滤波器通常可以被组合，使得滤波和聚焦可以在单个元件中完成。图18图示了根据本发明的一些实施例的像素 1800的另一示例。如图18所示，衍射透镜和等离子体滤波器被组合为单个滤波器和透镜1802，其被形成在间隔物1720上。

如图16所示的等离子体微区板结构可以被用于光谱滤波，以及用于通过良好设计的色散、径向衍射、等离子体共振和等离子体超振荡，将光聚焦(空间滤波)通过滤波器的金属层中的针孔。

图19图示了被形成为等离子体微区板的经组合的等离子体滤波器和衍射透镜结构，该等离子体微区板可以被用作滤波器/透镜 1802。如图19所示，每个滤波器/透镜1802由具有变化直径的针孔的同心圆形成，以便根据形成光谱仪的像素阵列中每个像素的要求来对入射光光进行滤波和聚焦。这样，射入光的光谱信息跨像素阵列而分散。如图19所示，滤波器/透镜1802的直径可以为约10μm。一般地，滤波器/透镜1802的直径可以为5μm至20μm或更大。

如上所讨论的，本发明的实施例不依赖于在一种结构中统一滤波和聚焦功能。根据一些实施例的光谱仪可以形成有分离的等离子体滤波器和等离子体衍射透镜。在一些实施例中，光谱仪可以形成有经组合的等离子体滤波器/透镜结构。

因此，根据一些实施例的光谱仪可以包括光感测像素的平面阵列，该光感测像素的平面阵列形成有以像素节距分离的光学有效区域。光灵敏区域均包括对一定范围的可检测波长敏感的光感测表面。光透射开孔区域的阵列形成在像素阵列之上。被形成在金属层中的、由亚波长特征限定的等离子体滤波器阵列设置在像素之上。滤波器具有影响光透射光谱的特征尺寸，该特征尺寸在像素间变化。电介质间隔物层形成在滤波器和像素开孔区域之间，并且衍射或等离子体光聚焦微透镜阵列在间隔物层上形成，衍射或等离子体光聚焦微透镜阵列在每个像素之上形成单独的微透镜。单独微透镜被配准到传感器阵列的单独开孔区域，使得(在已经被滤波器过滤之后)入射在微透镜上的光聚焦在传感器阵列的单独开孔区域上。

在一些实施例中，微透镜阵列和滤波器阵列被合并为单个复合滤波器微透镜阵列。在不包括单个复合滤波器微透镜阵列的实施例中，微透镜阵列和滤波器层之间的电介质层(或平坦化层)的厚度可以大于透射通过滤波器的光的可检测波长。

通常，光谱仪200中的可检测波长范围可以是任何对于来自目标材料的光谱的检测有用的范围。在一些实施例中，可检测波长的范围可以包括可见光、可以包括近红外光、可以包括UV光或者可以包括跨这些范围的光的范围。例如，可检测波长的范围包括：波长可以小于1100纳米或者小于2.5微米。

此外，光源202可以提供用以激发目标中的物质的任何范围的光，以提供由光谱仪200接收的光。特别地，光源202可以是例如磷光体转换的LED闪光灯，或包括具有变化的波长的LED阵列的闪光灯。

微透镜阵列236中的微透镜的阵列包括形成在金属层中的单独微透镜，其具有径向变化的相元件，相元件包括变化形状或尺寸的开孔。单独微透镜提供与波长依赖的焦距，并且阵列中单独微透镜的径向变化随着像素变化，以提供具有变化的波长的阵列，在变化的波长处，焦距对应于间隔物层234的厚度。在一些实施例中，间隔物层234的厚度可以大于5微米或大于10微米。在一些实施例中，微透镜层236可以形成金属层，该金属层被封装在在电介质中。

传感器阵列204的像素节距可以被表征为阵列平面中两个像素节距中较小的一个。在一些实施例中，单独微透镜242的直径可以是10微米或大于10微米。小于10微米的微透镜直径可以被使用。在一些实施例中，开孔240可以具有小于4微米直径的圆形区域，但是也更大的直径可以被使用。因此，单独光检测元件的节距可以大于微透镜直径的大小，或者在这些示例中大于10微米。特别地，单独光检测元件的节距可以大于15微米或大于20微米。

提供以上具体实施方式用来说明本发明的特定实施例，并且以上具体实施方式并不旨在进行限制。在本发明范围内的各种变化和修改是可能的。在所附权利要求中阐述了本发明。

Claims

1.一种光谱仪，包括：

控制器；

传感器阵列，具有由多个像素形成的像素阵列，所述像素被耦合至所述控制器；以及

在所述传感器阵列之上的光学层，所述光学层包括：

间隔物层，被定位于所述传感器阵列之上，

等离子体微透镜阵列，包括被定位于所述间隔物层之上的多个微透镜，以将光聚焦在所述多个像素上，以及

等离子体滤波器阵列，所述等离子体滤波器阵列随着所述等离子体微透镜阵列被布置，使得光根据针对所述多个像素中的每个像素的传输函数而入射到相应的像素上，其中到所述传感器阵列中每个像素的透射光学频谱跨图像传感器的所述多个像素而变化，

其中所述传感器阵列的所述多个像素通过所述光学层选择性地接收来自所述等离子体微透镜阵列的焦点的光，并且生成由所述控制器可访问的经空间和光谱滤波的信号。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述等离子体滤波器阵列由滤波器金属层中的孔的图案形成。

3.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述等离子体微透镜阵列由透镜金属层中的孔的图案形成。

4.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述间隔物层包括在所述等离子体滤波器阵列与所述等离子体微透镜阵列之间的电介质层。

5.根据权利要求4所述的光谱仪，其中所述电介质层的电介质厚度比被透射通过所述等离子体滤波器阵列的光的波长大五倍。

6.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述等离子体滤波器阵列和所述等离子体微透镜阵列被形成为单个图案化金属层中的复合滤波器微透镜阵列。

7.根据权利要求6所述的光谱仪，其中所述复合滤波器微透镜被形成为等离子体微区板结构。

8.根据权利要求7所述的光谱仪，其中所述等离子体滤波器阵列中的每个微透镜被布置为具有不同直径的孔的同心环，所述孔的布置依赖于针对对应的像素的波长依赖的滤波和聚焦。

9.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述等离子体滤波器阵列中的每个微透镜的直径为10μm或更大。

10.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述等离子体滤波器阵列中的微透镜的节距为15μm或更大。

11.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述等离子体滤波器阵列中的所述微透镜中的每个微透镜的焦点与所述间隔物阵列的厚度匹配。

12.根据权利要求11所述的光谱仪，其中所述间隔物阵列的所述厚度大于5微米。

13.根据权利要求1所述的光谱仪，其中波长范围包括可见光。

14.根据权利要求1所述的光谱仪，其中波长范围包括近红外光。

15.根据权利要求1所述的光谱仪，其中波长范围包括UV光。

16.根据权利要求1所述的光谱仪，其中波长范围小于2.5微米。

17.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括覆盖物，所述覆盖物具有在所述光学层之上的限制开孔。

18.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括耦合到所述控制器的光源。

19.根据权利要求18所述的光谱仪，其中所述光源包括一个或多个发光二极管(LED)。

20.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述光源包括由闪光灯驱动器驱动的LED闪光灯，所述闪光灯驱动器由所述控制器控制。

21.根据权利要求20所述的光谱仪，其中所述LED闪光灯是磷光体转换的LED闪光灯。

22.根据权利要求20所述的光谱仪，其中所述LED闪光灯包括LED阵列，所述LED阵列产生一波长范围内的光。

23.根据权利要求1所述的光谱仪，进一步包括：

光源驱动器，被耦合在所述控制器与光源之间；

图像传感器驱动器，被耦合在所述控制器之间，以向所述传感器阵列提供信号；以及

读出器，被耦合以从所述多个像素中的每个像素接收电流信号，并且将数字化信号提供给所述控制器。

24.根据权利要求23所述的光谱仪，其中所述控制器还包括微控制器。

25.根据权利要求24所述的光谱仪，其中所述微控制器与移动设备结合。

26.根据权利要求24所述的光谱仪，其中所述微控制器包括光谱仪校准，其中所述像素阵列中的每个像素具有唯一的传输函数。

27.根据权利要求22所述的光谱仪，其中所述传递函数被存储在所述微控制器中。

28.根据权利要求22所述的光谱仪，其中所述传递函数是由所述微控制器可访问的。

29.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述等离子体微透镜阵列和所述等离子体滤波器阵列被布置以根据跨一定数目个传递函数的所述像素阵列的所布置的分布，向所述像素阵列中的对应的像素提供波长。

30.根据权利要求29所述的光谱仪，其中所述传递函数的数目大于20。

31.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括开孔阵列，所述开孔阵列在所述像素阵列和所述间隔物层之间，使得所述开孔阵列中的开孔与所述等离子体微透镜阵列中的对应微透镜的焦点对准。

32.根据权利要求31所述的光谱仪，其中所述开孔阵列的开孔的直径小于所述等离子体微透镜阵列中的所述对应微透镜的直径的五倍。

33.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述控制器从所述微透镜的焦点处的像素选择数据。

34.根据权利要求22所述的光谱仪，其中所述LED包括多个结型LED，其中所述多个结以不同的波长发射。

35.根据权利要求6所述的光谱仪，其中所述复合微透镜阵列中的复合滤波器微透镜包括多个单独的滤波器微透镜结构。