CN111721414A - 光谱仪 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光谱仪，包括：基板；光源模块，部分位于基板上，光源模块用于发射预定波长范围的光波，以对待测目标进行照射；光收集耦合模块，用于收集包括待测目标的光谱信息的光信号，并耦合至硅基分光模块；硅基分光模块，位于基板上，光收集耦合模块将收集到的光信号耦合至硅基分光模块，硅基分光模块用于对入射的光信号进行光谱分光，且还用于将光谱分光后的光信号转化为电信号；控制与处理模块：位于基板上，控制与处理模块与硅基分光模块的输出端电连接，控制与处理模块用于为硅基分光模块的预定控制电路提供控制电压，还用于对硅基分光模块输出的电信号进行预定处理，预定处理至少包括模数转化。该光谱仪的尺寸较小。

Description

光谱仪

技术领域

本申请涉及光谱仪技术领域，具体而言，涉及一种光谱仪。

背景技术

光谱分析仪作为一种重要的光谱探测感知仪器，被广泛应用于食药检测、医疗诊断、环境勘测和气体分析等领域。传统的光谱仪系统通常是由分立元件和机械部件组成的台式系统，其体积庞大、结构复杂、造价高昂且功耗高，仅适用于在实验室内对待测物进行分析，难以实现便携式应用。

为了扩展应用范围，提高设备的便携性，手持式光谱仪等小型化设备应运而生，此类小型化光谱仪主要通过新型加工技术加工小型化的分立元件和机械部件来实现光谱仪系统的小型化的。然而，随着物联网、可穿戴设备以及智能设备等领域的不断发展，对光谱分析系统的尺寸、集成度、功耗等提出了更高的要求，如需要将光谱仪嵌入各种微型工作平台实现实时线上检测等。

硅光技术以及MEMS技术等的不断发展为此提供了一种解决方案。通过采用微纳加工技术可在芯片级实现传统光谱仪的分析功能，其主要实现方式包括色散型片上光谱分光以及傅里叶变换型片上光谱分光两种。

色散型片上光谱分光主要是通过光栅和波导的色散对不同波长的光进行分光，并获得多个通道的光输出。若想实现高分辨率，会增加器件尺寸，带来大的相位误差，导致器件的信噪比降低。

相对于色散型片上光谱分析仪，傅里叶变换型片上光谱分析仪是通过对不同波长的光进行波分复用，经探测器探测后通过傅里叶逆变换来获得光谱信息的，因此。可以克服高分辨率与高信噪比无法同时实现的问题，相比色散型片上光谱仪更具吸引力。

但是，目前基于这两种光谱分光技术的光谱仪系统需要外接光源以及探测器等，导致整体的光谱仪系统的尺寸还是较大。

在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种光谱仪，以解决现有技术中光谱仪的尺寸较大，难以实现便携式应用的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种光谱仪，包括：基板；光源模块，部分位于所述基板上，所述光源模块用于发射预定波长范围的光波，以对待测目标进行照射；光收集耦合模块，用于收集包括所述待测目标的光谱信息的光信号，并耦合至硅基分光模块；硅基分光模块，位于所述基板上，所述光收集耦合模块将收集到的光信号耦合至所述硅基分光模块，所述硅基分光模块用于对入射的光信号进行光谱分光，且还用于将所述光谱分光后的光信号转化为电信号；控制与处理模块：位于所述基板上，所述控制与处理模块与所述硅基分光模块的输出端电连接，所述控制与处理模块用于为所述硅基分光模块的预定控制电路提供控制电压，还用于对所述硅基分光模块输出的电信号进行预定处理，所述预定处理至少包括模数转化。

进一步地，所述基板包括：线路基板，所述控制与处理模块接触地位于所述线路基板的表面上，所述线路基板包括两个通孔；金属热沉，包括本体、两个凸起部以及多个热沉柱，所述本体位于所述线路基板的远离所述控制与处理模块的一侧，所述凸起部位于所述本体的靠近所述线路基板的表面上，所述凸起部与所述通孔适配且一一对应地穿设在所述通孔中，所述热沉柱位于所述本体的远离所述线路基板的表面上，两个所述凸起部分别为第一凸起部和第二凸起部，所述光源模块位于所述第一凸起部的远离所述本体的表面上，所述硅基分光模块位于所述第二凸起部的远离所述本体的表面上，位于所述基板上的所述硅基分光模块、所述控制与处理模块以及部分所述光源模块间隔设置。

进一步地，所述光谱仪还包括：封装壳，与所述基板的尺寸匹配，所述封装壳与所述基板形成封闭空间，所述硅基分光模块、所述控制与处理模块以及部分所述光源模块位于所述封闭空间内。

进一步地，所述光收集耦合模块包括第二聚光透镜，所述第二聚光透镜位于所述硅基分光模块的远离所述基板一侧的所述封装壳内。

进一步地，所述光源模块包括：光源芯片，接触地位于所述第一凸起部的远离所述本体的表面上；第一聚光透镜，位于所述光源芯片的远离所述基板的一侧且位于所述封闭空间内；滤光片，位于所述第一聚光透镜的远离所述光源芯片的一侧且位于所述封装壳内，所述光源芯片发出的光依次经过所述第一聚光透镜和所述滤光片照射至所述待测目标上。

进一步地，所述光谱仪还包括：透镜支架，位于所述光源芯片和所述滤光片之间，所述第一聚光透镜位于所述透镜支架内或者所述透镜支架上。

进一步地，所述硅基分光模块包括：光栅耦合器，位于所述第二凸起部的表面上，所述光收集耦合模块将收集到的光信号耦合至所述光栅耦合器；硅基傅里叶变换型分光芯片，位于所述第二凸起部的表面上，所述硅基傅里叶变换型分光芯片用于对入射的光信号进行光谱分光；锗硅探测器，位于所述第二凸起部的表面上，所述锗硅探测器用于将所述光谱分光后的光信号转化为电信号。

进一步地，所述光谱仪还包括：单模透镜光纤，位于所述封闭空间内，所述单模透镜光纤的一端与所述光栅耦合器连接，所述单模透镜光纤靠近另一端的部分固定在所述透镜支架上。

进一步地，所述控制与处理模块包括：跨阻放大器，位于所述线路基板的第一表面上且与所述锗硅探测器的输出端电连接，所述跨阻放大器用于将所述锗硅探测器输出的电流信号转换为电压信号并放大；第一模数转换器，位于所述线路基板的第一表面上且与所述跨阻放大器电连接，所述模数转换器用于将所述电压信号转换为数字信号；FPGA芯片，位于所述线路基板的第二表面上且与所述模数转换器电连接，所述线路基板的第一表面和所述线路基板的第二表面为所述线路基板的相对的两个表面；第二数模转换器，与所述FPGA芯片电连接，用于将FPGA芯片输出的数字信号转换为模拟信号；升压放大电路，位于所述线路基板的第一表面上且一端与所述第二数模转换器电连接，另一端与所述硅基傅里叶变换型分光芯片电连接，所述升压放大电路的输出电压为所述硅基傅里叶变换型分光芯片的控制电压。

进一步地，所述光谱仪还包括：电源管理芯片，位于所述线路基板的第一表面上与所述光源模块、所述控制与处理模块以及部分所述硅基分光模块电连接。

应用本申请的技术方案，上述的光谱仪包括基板、光源模块、光收集耦合模块、硅基分光模块和控制与处理模块，其中的光源模块位于基板上，用于发射预定波长范围的光波，以对待测目标进行照射，光收集耦合模块位于基板上，用于收集包括待测目标的光谱信息的光信号，并耦合至硅基分光模块，硅基分光模块也位于基板上，光收集耦合模块将收集到的光信号耦合至硅基分光模块，硅基分光模块用于对入射的光信号进行光谱分光，且还用于将光谱分光后的光信号转化为电信号，控制与处理模块也位于基板上，控制与处理模块与硅基分光模块的输出端电连接，控制与处理模块用于为硅基分光模块的预定控制电路提供控制电压，还用于对硅基分光模块输出的电信号进行预定处理，预定处理至少包括模数转化，由于光源模块、光收集耦合模块、硅基分光模块和控制与处理模块都设置在了基板上，这样使得光谱仪的尺寸减小，进而可以实现芯片级应用(便携式应用或者嵌入式应用)，解决了现有技术中的需要外接光源以及探测器等导致的光谱仪系统尺寸较大的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本申请的实施例的光谱仪的结构框图；

图2示出了根据本申请针对采用空间光进行待测目标探测的应用需求的实施例的光谱仪结构示意图；

图3示出了根据本申请针对采用空间光进行待测目标探测的应用需求的实施例的光谱仪正视图；以及

图4示出了根据本申请针对具有光纤输入输出接口的探测环境的应用需求的实施例的光谱仪的平面结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

01、待测目标；100、光谱仪；1、光源模块；2、光收集耦合模块；3、硅基分光模块；4、控制与处理模块；10、基板；11、光源芯片；12、第一聚光透镜；13、滤光片；14、光纤耦合封装光源；21、第二聚光透镜；31、光栅耦合器；32、硅基傅里叶变换型分光芯片；33、锗硅探测器；41、跨阻放大器；42、第一模数转换器；43、FPGA芯片；44、第二数模转换器；45、升压放大电路；51、线路基板；52、金属热沉；53、封装壳；54、第一电源管理芯片；55、第二电源管理芯片；56、单模透镜光纤；57、透镜支架；58、带v型凹槽的底座；59、FC/PC单模光纤跳线；61、第一FC/PC法兰盘；62、第二FC/PC法兰盘。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。

如背景技术中所提到的，现有技术中光谱仪的尺寸较大，难以实现便携式应用。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种光谱仪，如图1和图2所示，该光谱仪100包括：

基板10；

光源模块1，部分位于上述基板10上，上述光源模块1用于发射预定波长范围的光波，以对待测目标01进行照射；

光收集耦合模块2，用于收集包括上述待测目标01的光谱信息的光信号，并耦合至硅基分光模块3；

硅基分光模块3，位于上述基板10上，上述光收集耦合模块2将收集到的光信号耦合至上述硅基分光模块3，上述硅基分光模块3用于对入射的光信号进行光谱分光，且还用于将上述光谱分光后的光信号转化为电信号；

控制与处理模块4，位于上述基板10上，上述控制与处理模块4与上述硅基分光模块3的输出端电连接，上述控制与处理模块4用于为上述硅基分光模块3的预定控制电路提供控制电压，还用于对上述硅基分光模块3输出的电信号进行预定处理，上述预定处理至少包括模数转化。

上述的光谱仪中，包括基板、光源模块、光收集耦合模块、硅基分光模块和控制与处理模块，其中的光源模块位于基板上，用于发射预定波长范围的光波，以对待测目标进行照射，光收集耦合模块位于基板上，用于收集包括待测目标的光谱信息的光信号，并耦合至硅基分光模块，硅基分光模块也位于基板上，光收集耦合模块将收集到的光信号耦合至硅基分光模块，硅基分光模块用于对入射的光信号进行光谱分光，且还用于将光谱分光后的光信号转化为电信号，控制与处理模块也位于基板上，控制与处理模块与硅基分光模块的输出端电连接，控制与处理模块用于为硅基分光模块的预定控制电路提供控制电压，还用于对硅基分光模块输出的电信号进行预定处理，预定处理至少包括模数转化，由于光源模块、光收集耦合模块、硅基分光模块和控制与处理模块都设置在了基板上，这样使得光谱仪的尺寸减小，进而可以实现芯片级应用(便携式应用或者嵌入式应用)，解决了现有技术中的需要外接光源以及探测器等导致的光谱仪系统尺寸较大的问题。

本申请的一种实施例中，如图2和图3所示，上述基板包括线路基板51和金属热沉52，上述控制与处理模块(包括跨阻放大器41、第一模数转换器42、FPGA芯片43、第二数模转换器44、以及升压放大电路45)接触地位于上述线路基板51的表面上，上述线路基板51包括两个通孔；金属热沉52包括本体、两个凸起部以及多个热沉柱，上述本体位于上述线路基板51的远离上述控制与处理模块的一侧，上述凸起部位于上述本体的靠近上述线路基板51的表面上，上述凸起部与上述通孔适配且一一对应地穿设在上述通孔中，上述热沉柱位于上述本体的远离上述线路基板51的表面上，两个上述凸起部分别为第一凸起部和第二凸起部，上述光源模块位于上述第一凸起部的远离上述本体的表面上，上述硅基分光模块3位于上述第二凸起部的远离上述本体的表面上，位于上述基板上的上述硅基分光模块3、上述控制与处理模块以及部分上述光源模块间隔设置。该光谱仪的基板由线路基板51以及金属热沉52组成，在金属热沉52上贴装了光源芯片11以及硅基分光模块，通过引线键合技术将光源芯片11和硅基分光模块分别与线路基板51进行连接，由于线路基板51与金属热沉52都在基板上，在后续封装的时候可以进一步减小光谱仪的尺寸，同时热沉柱可以帮助光谱仪散热从而稳定该光谱仪的温度。

本申请的又一种实施例中，如图3所示，上述光谱仪还包括封装壳53，该封装壳53与上述基板的尺寸匹配，上述封装壳53与上述基板形成封闭空间，上述硅基分光模块、上述控制与处理模块以及部分上述光源模块位于上述封闭空间内。这样就能够将封装壳53充分地使用，封装壳53与基板形成的封闭空间，进而可以进一步减小光谱仪的尺寸。

本申请的再一种实施例中，上述光收集耦合模块包括第二聚光透镜，上述第二聚光透镜位于上述硅基分光模块的远离上述基板一侧的上述封装壳内。在封装壳嵌入第二聚光透镜，这样就可以进一步减小封装壳的体积，从而进一步减小光谱仪的尺寸，且也能够更精确地收集光源的光信号。

需要说明的是，针对采用空间光进行待测目标探测的不同的应用需求，使用第二聚光透镜的类型也可以不同，本领域技术人员可以根据实际需要选择可行的第二聚光透镜。本申请的一种具体的实施例中，第二聚光透镜为镀有增透抗反膜的球面聚光透镜，其用于将宽带光源的输出光进行准直。

为了减小光谱仪的尺寸，并对光源输出的光进行滤波和准直，本申请的一种实施例中，如图1和图3所示，上述光源模块1包括光源芯片11、第一聚光透镜12和滤光片13，光源芯片11接触地位于上述第一凸起部的远离上述本体的表面上；第一聚光透镜12位于上述光源芯片11的远离上述基板的一侧且位于上述封闭空间内；滤光片13位于上述第一聚光透镜12的远离上述光源芯片11的一侧且位于上述封装壳53内，上述光源芯片11发出的光依次经过上述第一聚光透镜12和上述滤光片13照射至上述待测目标01上。滤光片13用于对光源输出光进行滤波，使其光谱范围与硅基分光模块3对信号光光谱带宽的要求相匹配，可以降低硅基分光模块3的噪声信号。

需要说明的是，针对采用空间光进行待测目标探测的不同的应用需求，使用第一聚光透镜的类型也可以不同，本领域技术人员可以根据实际需要选择可行的第一聚光透镜。本申请的一种具体的实施例中，第一聚光透镜为镀有增透抗反膜的球面聚光透镜，其用于将宽带光源的输出光进行准直。

本申请的光源芯片可以为现有技术中的任何可行的光源芯片，一种具体的实施例中，上述光源芯片为宽带光源芯片，更为具体地，宽带光源芯片可以是发光二极管、超辐射发光二极管、卤钨灯、黑体辐射源等在内的多种辐射源，还可以为其他的宽带光源芯片。

具体地，本申请的一种实施例中，如图3所示，上述光谱仪还包括透镜支架57，该透镜支架57位于上述光源芯片11和上述滤光片13之间，上述第一聚光透镜12位于上述透镜支架57内或者上述透镜支架57上。在线路基板51上安装透镜支架57，用于放置光源模块中的第一聚光透镜12，用于对光源出射的光波进行准直。

为了有效降低系统的耦合损耗，并且能准确地将光信号进行检测，能够转化为更为高质量的电信号，本申请的一种实施例中，如图3所示，上述硅基分光模块3包括光栅耦合器31、硅基傅里叶变换型分光芯片32和锗硅探测器33，光栅耦合器31位于上述第二凸起部的表面上，上述硅基分光模块3将收集到的光信号耦合至上述光栅耦合器31；硅基傅里叶变换型分光芯片32位于上述第二凸起部的表面上且位于光栅耦合器31的一侧，上述硅基傅里叶变换型分光芯片32用于对入射的光信号进行光谱分光；锗硅探测器33位于上述第二凸起部的表面上且位于硅基傅里叶变换型分光芯片32的远离光栅耦合器31的一侧，上述锗硅探测器33用于将上述光谱分光后的光信号转化为电信号。在上述光收集耦合模块2中，用于将信号光从单模光纤中通过光纤/光栅耦合技术耦合进硅基傅里叶变换型分光芯片32，硅基傅里叶变换型分光芯片32用于对光栅耦合器31输入的信号光进行光谱分光，硅基傅里叶变换型分光芯片32与锗硅探测器33采用片上集成设计，通过波导将硅基傅里叶变换型分光芯片32分光后的信号光输出至锗硅探测器33，锗硅探测器33对分光后的信号光进行探测，并转化为电信号，这样就能降低耦合损耗，高效收集和探测光信号，并将光信号转化为电信号。

本申请的上述方案中，硅基傅里叶变换型分光芯片是通过对不同波长的光进行波分复用，经探测器探测后通过傅里叶逆变换来获得光谱信息的，从而同时实现高分辨率与高信噪比。

本申请综合了光纤/光栅耦合技术、硅基波导高分辨率分光技术、锗硅探测器片上集成技术以及探测器信号处理技术并系统集成了光源、控制电路等模块，利用硅光工艺、微组装工艺等构建了光谱仪整体架构。

需要说明的是，光栅耦合器可选用一维波导光栅或二维波导光栅，本领域技术人员可以根据实际情况需要选择其他合适的光栅耦合器，硅基傅里叶变换型分光芯片，具体采用动态傅里叶变换型光谱分光技术，信号光经分光光路进行干涉，通过控制电路对分光光路两臂进行调制来持续改变分光光路两臂的光的相位差，得到系列随时间变换的干涉强度，当然，该探测器可采用锗硅探测器，通过波导传输的方式与硅基傅里叶变换型分光芯片实现片上集成，也可以为其他的探测器，本领域技术人员可以根据实际情况需要选择其他可行的探测器。

本申请的又一种实施例中，如图3所示，上述光谱仪还包括单模透镜光纤56，该单模透镜光纤56位于上述封闭空间内，上述单模透镜光纤56的一端与上述光栅耦合器31连接，上述单模透镜光纤56靠近另一端的部分固定在上述透镜支架57上。在线路基板51上单模透镜光纤56通过光纤/光栅耦合与硅基分光模块中的光栅耦合器31进行连接，这样就可以有效地传播距离长且容量大的光信号。

本申请的另一种实施例中，在透镜支架57侧壁制作v型凹槽，将单模透镜光纤56的中间部分通过固体胶固定在透镜支架57侧壁的v型凹槽内，这样能够更好地保证单模透镜光纤的稳定性，从而进一步保证了光收集耦合模块能够对光波的有效收集。

需要说明的是，在光收集耦合模块中，选择透镜、单模透镜光纤、光纤/光栅耦合技术的方式将空间光耦合进硅基分光芯片中，还可选用透镜组及微透镜对空间光进行缩束并通过光栅结构直接对空间光进行耦合的方式来完成信号光到波导的耦合。

本申请的再一种实施例中，如图1、图2以及图3中，上述控制与处理模块4包括跨阻放大器41、第一模数转换器42、FPGA芯片43、第二数模转换器44和升压放大电路45，跨阻放大器41位于上述线路基板51的第一表面上且与上述锗硅探测器33的输出端电连接，上述跨阻放大器41用于将上述锗硅探测器33输出的电流信号转换为电压信号并进行放大；第一模数转换器42位于上述线路基板51的第一表面上且与上述跨阻放大器41电连接，上述模数转换器用于将上述电压信号转换为数字信号；FPGA芯片43位于上述线路基板51的第二表面上且与上述模数转换器电连接并读出数据，上述线路基板51的第一表面和上述线路基板51的第二表面为上述线路基板51的相对的两个表面；第二数模转换器44与上述FPGA芯片43电连接，用于将FPGA芯片43输出的数字信号转换为模拟信号，FPGA芯片控制第二数模转换器的输出电压；升压放大电路45位于上述线路基板51的第一表面上且一端与上述第二数模转换器电连接，另一端与上述硅基傅里叶变换型分光芯片32电连接，上述升压放大电路45的输出电压为上述硅基傅里叶变换型分光芯片32的控制电压，利用升压放大器对FPGA芯片控制的第二数模转换器的输出电压进行放大，为硅基傅里叶变换型分光芯片提供可编程的驱动电压。硅基分光模块3对信号光完成光谱分光后，经探测器光电转换，光电流输入到跨阻放大器41芯片完成电流/电压转换并放大，放大后的电压信号通过第一模数转换器42转换成数字信号，FPGA芯片43收集第一模数转换器42输出的数字信号并读出至PC，通过傅里叶变换光谱复原技术得到信号光的频谱信息，这样就可以更高效地控制光信号，并且可以更有效地实现光电信号之间的转换。

需要说明的是，对于光谱仪系统中的跨阻放大器、第一模数转换器、第二数模转换器、FPGA芯片、升压放大电路等电学芯片，可通过设计专用集成电路芯片(ASIC)进行代替，可提高系统集成度，进一步缩小了系统尺寸。

本申请的又一种实施例中，如图2和图4所示，上述光谱仪还包括电源管理芯片，电源管理芯片共有两个，分为第一电源管理芯片54和第二电源管理芯片55，位于上述线路基板51的第一表面上与上述光源模块、上述控制与处理模块以及部分上述硅基分光模块3电连接。第一电源管理芯片54用于对光源进行供电，第二电源管理芯片55用于对跨阻放大器41、第一模数转换器42、第二数模转换器44、FPGA芯片43、升压放大电路45、锗硅探测器33等进行供电，这样就能为光谱仪进行供电，其连接方式也进一步减小了光谱仪的尺寸。

为了本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明本申请的技术方案和技术效果。

实施例1

光谱仪如图1所示，该光谱仪100包括光源模块1、光收集耦合模块2、硅基分光模块3和控制与处理模块4以及第一电源管理芯片54、第二电源管理芯片55。上述光源模块1，用于发射特定波长范围的输出光，对系统外部的待测目标01进行探测，信号光返回光谱仪系统后，进入光收集耦合模块2；光收集耦合模块2，用于收集信号光，并耦合至硅基分光模块3；硅基分光模块3，信号光通过光栅耦合器31耦合至硅基傅里叶变换型分光芯片32，信号光经分光光路进行干涉，通过控制与处理模块4中的分光光路的控制电路(FPGA芯片43、第二数模转换器44、升压放大电路45)持续改变分光光路两臂的光的相位差，获得系列随时间变化的干涉强度，之后通过波导传输至锗硅探测器33中完成系列干涉光强信息的探测。锗硅探测器33输出的光电流进入控制与处理模块4；控制与处理模块4，锗硅探测器33输出的光电流信号通过跨阻放大器41进行电流/电压转换并放大，经过第一模数转换器42后通过FPGA芯片43将数据导入外部PC，通过傅里叶变换光谱复原算法完成待测目标01光谱信息的还原。第一电源管理芯片54用于对光源进行供电，第二电源管理芯片55用于对跨阻放大器、第一模数转换器、第二数模转换器、FPGA芯片、升压放大电路、锗硅探测器等进行供电。

实施例2

光谱仪如图2和图3所示，光谱仪系统主要由作为第一基板的线路基板51，作为第二基板的金属热沉52以及封装壳53组成。线路基板51上包括了跨阻放大器41、第一模数转换器42、第二数模转换器44、升压放大电路45、FPGA芯片43以及第一电源管理芯片54、第二电源管理芯片55等芯片，FPGA芯片43安装在线路基板51背面，图2中以虚线示出；在金属热沉52上贴装了光源芯片11以及硅基分光模块3，通过引线键合技术将光源芯片11和硅基分光模块3分别与线路基板51进行连接。图2给出了各个芯片之间的连接情况，通过箭头给出了光/电信号的走向。

具体的，第一电源管理芯片54对光源芯片11进行供电；第二电源管理芯片55分别对跨阻放大器41、第一模数转换器42、FPGA芯片43、第二数模转换器44、升压放大电路45以及锗硅探测器33进行供电；FPGA芯片43控制第二数模转换器44的输出电压，通过升压放大电路45对第二数模转换器44的输出电压进行放大，为分光光路的控制电路提供可编程的控制电压；硅基分光模块3对信号光完成光谱分光后，经探测器光电转换，光电流输入到跨阻放大器41芯片完成电流/电压转换并放大，放大后的电压信号通过第一模数转换器42转换成数字信号，FPGA芯片43收集第一模数转换器42输出的数字信号并读出至PC，通过傅里叶变换光谱复原技术得到信号光的频谱信息。在线路基板51上，单模透镜光纤56通过光纤/光栅耦合与硅基分光模块3中的光栅耦合器31进行封装。在线路基板51上安装透镜支架57，用于放置光源模块中的第一聚光透镜12。在透镜支架57侧壁制作v型凹槽，将单模透镜光纤56的中间部分通过固体胶固定在透镜支架57侧壁的v型槽内。在封装壳53中嵌入光源模块中的滤光片13以及光收集耦合模块中的第二聚光透镜21。

实施例3

光谱仪如图4所示，光谱仪系统主要由作为第一基板的线路基板51，位于线路基板51下方的作为第二基板的金属热沉52(以虚线示出)以及封装壳53(图中未示出)组成。线路基板51上包括了跨阻放大器41、第一模数转换器42、第二数模转换器44、升压放大电路45、FPGA芯片43、第一电源管理芯片54、第二电源管理芯片55、光纤耦合封装光源14以及带v型凹槽的底座58，FPGA芯片43安装在线路基板51背面，图4中以虚线示出；在金属热沉52上贴装了硅基分光模块3，通过引线键合技术将硅基分光模块3线路基板51进行连接。光纤耦合封装光源14的输出端与系统外部待测环境的光纤输入接口通过第一FC/PC法兰盘61对接，将输出光传输至系统外部；FC/PC单模光纤跳线59与外部待测环境的光纤输出接口通过第二FC/PC法兰盘62对接，对信号光进行收集。FC/PC单模光纤跳线59与硅基分光模块3中的光栅耦合器31(图中未示出)通过光纤/光栅耦合技术进行耦合封装，将信号光传输至硅基分光模块3。FC/PC单模光纤跳线59的中端放置于带v型凹槽的底座58的凹槽中，通过固体胶进行固定。图4给出了各个芯片之间的连接情况，通过箭头给出了光/电信号的走向，与上述图2的连接方式一致。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请的光谱仪中，包括基板、光源模块、光收集耦合模块、硅基分光模块和控制与处理模块，其中的光源模块位于基板上，用于发射预定波长范围的光波，以对待测目标进行照射，光收集耦合模块位于基板上，用于收集包括待测目标的光谱信息的光信号，并耦合至硅基分光模块，硅基分光模块也位于基板上，光收集耦合模块将收集到的光信号耦合至硅基分光模块，硅基分光模块用于对入射的光信号进行光谱分光，且还用于将光谱分光后的光信号转化为电信号，控制与处理模块也位于基板上，控制与处理模块与硅基分光模块的输出端电连接，控制与处理模块用于为硅基分光模块的预定控制电路提供控制电压，还用于对硅基分光模块输出的电信号进行预定处理，预定处理至少包括模数转化，由于光源模块、光收集耦合模块、硅基分光模块和控制与处理模块都设置在了基板上，这样使得光谱仪的尺寸减小，进而可以实现芯片级应用(便携式应用或者嵌入式应用)，解决了现有技术中的需要外接光源以及探测器等导致的光谱仪系统尺寸较大的问题。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光谱仪，其特征在于，包括：

基板；

光源模块，部分位于所述基板上，所述光源模块用于发射预定波长范围的光波，以对待测目标进行照射；

光收集耦合模块，用于收集包括所述待测目标的光谱信息的光信号，并耦合至硅基分光模块；

硅基分光模块，位于所述基板上，所述光收集耦合模块将收集到的光信号耦合至所述硅基分光模块，所述硅基分光模块用于对入射的光信号进行光谱分光，且还用于将所述光谱分光后的光信号转化为电信号；

控制与处理模块：位于所述基板上，所述控制与处理模块与所述硅基分光模块的输出端电连接，所述控制与处理模块用于为所述硅基分光模块的预定控制电路提供控制电压，还用于对所述硅基分光模块输出的电信号进行预定处理，所述预定处理至少包括模数转化。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述基板包括：

线路基板，所述控制与处理模块接触地位于所述线路基板的表面上，所述线路基板包括两个通孔；

金属热沉，包括本体、两个凸起部以及多个热沉柱，所述本体位于所述线路基板的远离所述控制与处理模块的一侧，所述凸起部位于所述本体的靠近所述线路基板的表面上，所述凸起部与所述通孔适配且一一对应地穿设在所述通孔中，所述热沉柱位于所述本体的远离所述线路基板的表面上，两个所述凸起部分别为第一凸起部和第二凸起部，所述光源模块位于所述第一凸起部的远离所述本体的表面上，所述硅基分光模块位于所述第二凸起部的远离所述本体的表面上，位于所述基板上的所述硅基分光模块、所述控制与处理模块以及部分所述光源模块间隔设置。

3.根据权利要求2所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪还包括：

封装壳，与所述基板的尺寸匹配，所述封装壳与所述基板形成封闭空间，所述硅基分光模块、所述控制与处理模块以及部分所述光源模块位于所述封闭空间内。

4.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于，所述光收集耦合模块包括第二聚光透镜，所述第二聚光透镜位于所述硅基分光模块的远离所述基板一侧的所述封装壳内。

5.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于，所述光源模块包括：

光源芯片，接触地位于所述第一凸起部的远离所述本体的表面上；

第一聚光透镜，位于所述光源芯片的远离所述基板的一侧且位于所述封闭空间内；

滤光片，位于所述第一聚光透镜的远离所述光源芯片的一侧且位于所述封装壳内，所述光源芯片发出的光依次经过所述第一聚光透镜和所述滤光片照射至所述待测目标上。

6.根据权利要求5所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪还包括：

透镜支架，位于所述光源芯片和所述滤光片之间，所述第一聚光透镜位于所述透镜支架内或者所述透镜支架上。

7.根据权利要求6所述的光谱仪，其特征在于，所述硅基分光模块包括：

光栅耦合器，位于所述第二凸起部的表面上，所述光收集耦合模块将收集到的光信号耦合至所述光栅耦合器；

硅基傅里叶变换型分光芯片，位于所述第二凸起部的表面上，所述硅基傅里叶变换型分光芯片用于对入射的光信号进行光谱分光；

锗硅探测器，位于所述第二凸起部的表面上，所述锗硅探测器用于将所述光谱分光后的光信号转化为电信号。

8.根据权利要求7所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪还包括：

单模透镜光纤，位于所述封闭空间内，所述单模透镜光纤的一端与所述光栅耦合器连接，所述单模透镜光纤靠近另一端的部分固定在所述透镜支架上。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述控制与处理模块包括：

跨阻放大器，位于所述线路基板的第一表面上且与所述锗硅探测器的输出端电连接，所述跨阻放大器用于将所述锗硅探测器输出的电流信号转换为电压信号并放大；

第一模数转换器，位于所述线路基板的第一表面上且与所述跨阻放大器电连接，所述模数转换器用于将所述电压信号转换为数字信号；

FPGA芯片，位于所述线路基板的第二表面上且与所述模数转换器电连接，所述线路基板的第一表面和所述线路基板的第二表面为所述线路基板的相对的两个表面；

第二数模转换器，与所述FPGA芯片电连接，用于将FPGA芯片输出的数字信号转换为模拟信号；

升压放大电路，位于所述线路基板的第一表面上且一端与所述第二数模转换器电连接，另一端与所述硅基傅里叶变换型分光芯片电连接，所述升压放大电路的输出电压为所述硅基傅里叶变换型分光芯片的控制电压。

10.根据权利要求2至8中任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪还包括：

电源管理芯片，位于所述线路基板的第一表面上与所述光源模块、所述控制与处理模块以及部分所述硅基分光模块电连接。

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