CN112469977A - 多光谱传感器和用于多光谱光感测的方法 - Google Patents

Abstract

一种多光谱传感器包括不透明的壳体(OH)，该不透明壳体具有带有第一孔(AP1)的第一腔室(CH1)和带有第二孔(AP2)的隔开的第二腔室(CH2)。光发射器(OE)设置在第一腔室(CH1)中，并且被设置为发射指定波长或指定波长范围的光通过第一孔(AP1)。光学传感器(OS)设置在第二腔室(CH2)中，并且被设置为检测通过第二孔(AP2)的接收到的光子。控制单元(CU)被配置为发起由光发射器(OE)进行的光的发射，并且测量单元(MU)被配置为提供由光学传感器(OS)生成的传感器信号。光学传感器(OS)包括第一类型的传感器像素(Spx)和第二类型的像素(Cpx)的阵列。第一类型的像素(Spx)各自具有不同的透射特性，各自分别生成多光谱传感器信号(MS)。第二类型的像素(Cpx)具有相同的透射特性，并且各自生成补偿传感器信号(CS)。

Description

多光谱传感器和用于多光谱光感测的方法

本发明涉及多光谱传感器和用于多光谱光感测的方法。

芯片级的颜色和光谱光感测在颜色识别、数据认证、光谱学以及其他工业和消费者级别的光学检测应用中具有各种应用。常见的多光谱传感器通常基于像素阵列和每个像素的像素上滤波器。对于光谱应用，能够选择具有线性独立的滤波器特性的滤波器。为了实现对给定目标的精确光谱测量，每个像素的辐射，例如激发后的荧光发射应该相同，或者辐射的分布应该是已知的，以便补偿各个像素的不同响应。这样，像素的光谱信号的幅度能够用于计算所研究的目标的光谱重建。

然而，像素阵列上的目标辐射的均匀分布是理想的条件。在许多情况下，检测器阵列不是被均匀照射的，这取决于测量几何结构、测量样品的表面、形状和角度、光泽度和再发射的几何角度分布以及辐射源的辐射分布。反过来，目标辐射也可能偏离理想条件。通常需要补偿这些影响。

已经提出了不同的测量系统。这些系统基于强有力的光学结构或严格限定的测量几何结构，例如在如45°/0°或22.5°/22.5°的限定角度下或使用积分球进行测量。这样的系统通常用于具有严格褪去的光泽度和恒定的测量距离的颜色测量。为了通过光学器件补偿不均匀的辐射分布，使用扩散器和光学透镜进行混合是一种可能。然而，视场FOV和尺寸比通常是不实际的。其他解决方案采用使用图像摄像机的图像分析，这可能有助于获得关于测量表面的特征的附加信息。在低成本系统中，经常使用用于接触表面的附加间隔件。但是市场对非接触式测量的需求越来越高。

本发明的目的是提供一种多光谱传感器和一种具有改善的目标辐射分布的补偿的用于多光谱光感测的方法。

这些目的通过独立权利要求的主题来实现。从属权利要求中描述了进一步的改进和实施例。

应当理解，除非明确描述为替代，在下文中描述的关于任何一个实施例的任何特征可以单独使用，或者与在下文中描述的其他特征组合使用，并且也可以与任何其他实施例的一个或更多个特征、或者任何其他实施例的任何组合组合使用。此外，在不脱离如所附权利要求所限定的多光谱传感器和用于多光谱光感测的方法的范围的情况下，也可以采用以下未描述的等效物和修改。

以下涉及一种多光谱光感测领域中的改进的概念。改进的概念提供了一种多光谱传感器和一种用于多光谱光感测的方法，其建议在光谱测量中实现对可能影响传感器阵列中的像素的信号响应并且可能以未知的比率使光谱重建变形的辐射分布和/或梯度进行附加检测。附加的补偿像素设置在传感器阵列中，并且提供可以用于例如在非接触光谱测量中重新计算并且补偿目标的几何效应的补偿信号。

在至少一个实施例中，多光谱传感器包括不透明壳体、光发射器、光学传感器、控制单元和测量单元。不透明壳体具有带有第一孔的第一腔室和带有第二孔的隔开的第二腔室。在某种意义上，腔室是分开的，阻止了例如从光发射器直接发射的光到达光学传感器。

术语“光学”是指能够由几何(或射线)光学器件和物理(或波)光学器件描述的电磁辐射。这涉及到例如UV、VIS或IR辐射。特别地，多光谱传感器可以基于这种电磁辐射的生成、检测和/或处理来操作。

例如，壳体包括模具材料或其他光学不透明材料。术语“光学不透明”是指电磁辐射的不透明性，所述电磁辐射例如是光发射器的发射波长范围内具有指定波长的光。例如，“不透明”还可以包括针对红外、可见光和/或紫外辐射的不透明性。通常，如果没有另外说明，则下文中的表述“光”是指在可见光VIS、红外IR和紫外UV光谱中的电磁辐射。例如，壳体的材料相对于光发射器的发射和来自荧光探针的发射可以是不透明的。

光发射器设置在第一腔室中，并且被设置为发射指定波长或指定波长范围的光通过第一孔。例如，光发射器能够被配置为以单个或多个指定波长发射光的脉冲，即窄带发射。此外，光发射器能够被配置为以指定波长范围发射光，例如光的脉冲，即宽带发射。该指定波长可以被设置为光学激发荧光探针，该荧光探针能够被定位在光学传感器的视场FOV中。

术语“指定波长”表示在荧光实验期间使用的已知的激发波长。例如，光发射器可以具有一条或更多条发射线。然后，用于激发探针的特定波长表示为“指定波长”。类似地，在光发射器在连续或离散的波长范围内可调谐的情况下，用于激发荧光探针的波长也表示为“指定波长”。因此，设想窄带发射和宽带发射。光发射器的示例包括半导体二极管、激光二极管和表面发射激光器，例如垂直腔面发射激光器VCSEL、超发光二极管SLED等。

光学传感器设置在第二腔室中，并且被配置为检测通过第二孔的接收到的光子。例如，光学传感器被设置为检测由荧光探针发射的光子。换言之，在荧光探针已经被光发射器激发之后，光学传感器对来自荧光探针的荧光发射敏感。

此外，光学传感器包括第一类型的传感器像素和第二类型的像素的阵列。第一类型的像素各自具有不同的透射特性。因此，每个第一类型的像素分别设置为生成多光谱传感器信号。第二类型的像素具有相同的透射特性。因此，这些像素各自设置为生成补偿传感器信号。例如，像素或像素阵列可以是单独的光电二极管，而不是诸如图像传感器、电荷耦合器件或CMOS光传感器之类的连续的部件。

控制单元被配置为发起由光发射器进行的光的发射。例如，光发射器的发射能够被调制，例如脉冲调制或通过连续波脉冲进行调制。在运行中，光发射器发射指定波长的光，例如，该光照射光学传感器外部的目标。

测量单元被配置为提供由光学传感器生成的传感器信号。在目标包括荧光探针的情况下，分子可以被光学激发，并且进而发射光子，所述光子最终返回到多光谱传感器，并在此被光学传感器检测。因此，荧光能够由脉冲激发，例如由短激光脉冲重复激发。

控制单元和测量单元设置在同一壳体或封装中。这些部件可以实现为控制逻辑、状态机、微处理器等。它们还可以包括附加部件，例如位于同一衬底中的模数转换器和放大器。衬底可以具有向光学传感器的单独部件提供电气连接和通信的印刷电路板。

在运行中，两个不同类型的传感器像素引起两组不同的传感器信号，即多光谱传感器信号和补偿传感器信号。多光谱传感器信号能够组合在光谱中。第一类型的传感器像素各自具有不同的光谱透射特性。透射特性或透射曲线能够被认为是将像素的透射分数描述为频率或波长的函数的数学函数或图形。将多光谱传感器信号组合为频率或波长的函数以类似于光谱分布信号，或者简称光谱。例如，如上所述，荧光探针能够放置在光学传感器的视场中，以借助于由光发射器发射的光而被光学地激发。然后，发射的荧光可以通过第一类型的像素中的一个或更多个检测，并且将相应的多光谱传感器信号例如作为光谱进行收集并评估。

光谱可以简单地是单个信号或一组信号。然而，取决于光学传感器和光学器件的类型，光谱也可以类似于探头的光谱图像。第一类型的像素还可以表示光谱像素。

第二类型的像素分别生成补偿传感器信号。第二类型像素具有相同的透射特性。不同的补偿传感器信号可以指示非均匀目标辐射分布。例如，如果荧光探针相对于光学传感器倾斜，则荧光发射可以取决于倾斜角度而不同。换言之，补偿传感器信号可以映射非均匀目标辐射分布。第二类型的像素还可以表示补偿像素。

所提出的多光谱传感器实现借助于光谱像素进行光谱测量，并且实现对可能影响由光谱像素生成的多光谱传感器信号的辐射分布和/或梯度进行附加检测。附加补偿像素生成补偿传感器信号，该补偿传感器信号可以保持实现补偿光谱的信息，并且例如以其他未知的比率建立光谱重建。例如，这种补偿能够用于在非接触光谱测量中重新计算或补偿几何效应。

在至少一个实施例中，第一类型的像素的不同透射特性是线性独立的。像素能够被认为是多光谱传感器的通道。利用线性独立的透射特性，只有限定波长的光归因于某个通道或光谱像素。例如，透射特性可以由单个线宽或者由离散的一组线宽来表示，例如，如1nm至5nm的几个nm(FWHM)。就波长而言，光谱像素的透射特性间隔开，使得没有或仅有很小的例如小于1％的光谱重叠。换言之，利用第一类型的像素的线性独立的透射特性，检测到的光子可以明确地归因于相应的像素或通道。这有助于根据多光谱传感器信号创建光谱。

在至少一个实施例中，至少第一类型的像素各自包括光电二极管和滤波器。滤波器分别确定传感器像素的透射特性。

在至少一个实施例中，滤波器是干涉滤波器、介电滤波器、法布里-珀罗滤波器和/或聚合物滤波器中的至少一个，

在至少一个实施例中，第二类型的像素对称地分布在传感器像素的阵列中。例如，像素可以相对于传感器像素的阵列的中心分布，并且可以具有相对于中心相同的距离。还可以根据几个子集来分布像素，其中来自给定子集的每个像素具有到中心的相同的距离。

在至少一个实施例中，第二类型的像素位于传感器像素的阵列的角中。

在至少一个实施例中，第二类型的附加像素位于传感器像素的阵列的外部。例如，附加像素可以是与传感器像素的阵列可操作连接的单个光电二极管。

在至少一个实施例中，第二类型的像素各自包括光电二极管和滤波器，其中滤波器分别确定传感器像素的透射特性。可替选地，第二类型的像素可以仅包括光电二极管，即，不具有设置有二极管的滤波器。

在至少一个实施例中，多光谱传感器包括处理单元，该处理单元设置为根据补偿传感器信号确定辐射分布信号。此外，处理单元还设置为根据辐射分布信号确定光谱分布信号。例如，处理单元可以将多光谱传感器信号组合为频率或波长的函数，以类似于光谱分布信号，或者简称光谱。然后，可以利用辐射分布信号来补偿光谱。

在至少一个实施例中，多光谱传感器包括提供补偿传感器信号和/或多光谱传感器信号以用于进一步处理的输出端子。例如，代替设置在多光谱传感器的同一壳体中的专用处理单元，补偿传感器信号和/或多光谱传感器信号能够被提供给外部部件，例如另一个处理单元、控制逻辑、状态机、微处理器或专用集成电路(ASIC)。

在至少一个实施例中，光学透镜阵列被耦接至传感器像素的阵列。此外，或可替选地，光学透镜被耦接至不透明壳体的第一孔。

在至少一个实施例中，用于多光谱光感测的方法采用多光谱传感器，该多光谱传感器包括不透明壳体，该不透明壳体具有带有第一孔的第一腔室和带有第二孔的隔开的第二腔室。该方法包括借助于光发射器并且发射指定波长的光通过第一孔的步骤。光发射器设置在第一腔室中。借助于光学传感器检测通过第二孔的接收到的光子，该光学传感器设置在第二腔室中。光学传感器包括第一类型的传感器像素和第二类型的像素的阵列。

对于每个第一类型的像素，生成多光谱传感器信号，其中第一类型的像素各自具有不同的透射特性。对于每个第二类型的像素，生成补偿传感器信号，其中第二类型的像素具有相同的透射特性。然后，根据补偿传感器信号确定辐射分布信号。最后，根据辐射分布信号确定光谱分布信号或光谱。

在至少一个实施例中，通过数学运算将辐射分布信号与多光谱传感器信号进行组合。数学运算可以包括加、减、乘或除，或者更多复杂的运算。例如，复杂的运算可以与平场改正相比较，该平场改正可以涉及将补偿传感器信号单独组合或作为辐射分布信号进行组合。

在至少一个实施例中，通过辐射分布函数确定辐射分布信号。例如，补偿传感器信号能够输入到由辐射分布函数定义的模型中。通常，期望辐射分布信号是某个函数。例如，该函数可以表示平面或双曲函数。所测量的补偿传感器信号能够被认为是帮助确定辐射分布函数从而获得辐射分布信号的参数。这个过程可以被认为是确定辐射分布函数的拟合运算。所得的辐射分布信号能够用于校准光谱。此外，辐射分布信号能够用于例如通过了解光发射器的辐射分布来提取附加信息，例如被测目标的倾斜度、被测目标的形状、光泽度与再发射的比率以及与目标物的距离。

在至少一个实施例中，确定辐射分布信号和/或确定光谱分布信号的步骤是在光学传感器的外部执行的，或者可替选地，通过多光谱传感器所包括的处理单元来执行。

容易从各种实施方式和多光谱传感器的实施例得出用于多光谱光感测的方法的另外的实施方式，反之亦然。

在下文中，相对于附图进一步详细地描述以上提出的原理，其中提出了示例性实施例。

在下面的示例性实施例和附图中，相似或相同的元件可以分别提供有相同的附图标记。然而，在附图中示出的元件及其彼此之间的尺寸关系不应被视为真实比例。而是可以放大单独的元件例如层、部件和区域，以便能够更好地说明或提高理解。

图1示出了多光谱传感器的实施例，

图2示出了多光谱传感器的光学传感器的实施例，

图3示出了使用多光谱传感器的光学传感器的补偿像素的示例检测方案，以及

图4示出了多光谱传感器的像素的光谱灵敏度的实施例，以及

图5示出了多光谱传感器的传感器像素的示例透射特性。

多光谱传感器包括不透明壳体OH，其具有两个腔室：第一腔室CH1和第二腔室CH2。不透明壳体OH设置在承载件CA上，并且包括将壳体分成第一腔室CH1和第二腔室CH2的光屏障LB。第一腔室CH1和第二腔室CH2进一步由设置在壳体中的框架主体FB横向限定。盖部分CS位于与承载件CA相对的位置，从而覆盖腔室CH1、CH2。盖部分CS、框架主体FB和光屏障LB例如由一块连续的材料例如模具材料制造。

承载件CA为集成在多光谱传感器中的电子部件提供机械支撑和电气连接。例如，承载件CA包括印刷电路板PCB(未示出)。然而，在其他实施例(未示出)中，承载件CA也能够是壳体的一部分，并且电子部件例如通过模制嵌入到壳体中。

光发射器位于第一腔室CH1内部。光发射器OE设置在承载件CA上并且电连接至承载件CA，例如连接至PCB。光发射器OE是激光二极管，例如VCSEL或VECSEL。这些类型的激光器被配置为以诸如以电磁光谱的UV、可见光或红外部分之类的指定波长发射光。在一些实施例中，光发射器OE被调谐为能够在指定波长的范围内发射。指定的发射波长或发射光谱位于IR或UV/Vis。发射可以是窄带的或宽带的。例如，垂直腔面发射激光器VCSEL或垂直外腔面发射激光器VECSEL主要以例如940nm的IR发射。

光学传感器OS设置在第二腔室CH2内并位于承载件CA上。在这个特定实施例中，光学传感器与下面进一步讨论的其他电子器件一起集成到单个半导体管芯SD中。光学传感器包括将在下面进一步详细讨论的像素阵列。例如，像素可以被实现为光电二极管。光学传感器OS包括第一类型的传感器像素Spx和第二类型的像素Cpx的阵列。第一类型的像素Spx各自具有不同的透射特性，而第二类型的像素具有相同的透射特性。

光学滤波器阵列OF在光学传感器OS的上方设置在第二腔室中。光学滤波器阵列OF附接到光学传感器OS。第一类型的像素Spx各自与具有不同透射特性的光学滤波器相关联。然而，第二类型的像素或者与具有相同透射特性的光学滤波器相关联，或者不与光学滤波器相关联。在后一种情况下，像素本身的性质决定其透射特性。

在光学滤波器阵列OF中的光学滤波器具有在光发射器的指定波长下阻挡或至少使之衰减的透射特性。光学滤波器可以是干涉滤波器，例如光学截止滤波器，带通、长通或短通滤波器，介电滤波器，法布里-珀罗滤波器和/或聚合物滤波器。通常，相对于要研究的荧光探针选择通带，并且光学滤波器使具有对应于探针的荧光发射的波长的光通过。

第一孔AP1和第二孔AP2设置在盖部分CS中。第一孔AP1和第二孔AP2分别定位在光发射器OM和光学传感器OS上方。实际上，孔AP1、AP2分别位于光发射器OE的发射锥内和光学传感器OS的视场内。例如，对于固定的发射器位置和取向，发射锥包括空间中的至少在理论上可以由光发射器OE照射的所有点。类似地，例如，对于固定的检测器位置和取向，光学传感器OS的视场包括空间中的至少在理论上在外部目标TG处反射之后向光学传感器OS行进的光的所有点。通常，多光谱传感器放置在相对于例如荧光探针的外部目标TG5mm至10mm的距离处。

可选地，光学系统能够分别设置在第一腔室CH1和第二腔室CH2内。例如，第一光学叠堆OS1包括透镜或透镜系统，并且被附接至第一腔室CH1内的光发射器。第一光学叠堆能够被配置为将从光发射器发射的光引导并聚焦到目标TG，该目标能够例如以特征距离定位在光学叠堆的FOV中。此外，光学叠堆OS1可以具有例如光学滤波器或保护玻璃层或窗。第一腔室CH1和第二腔室CH2可以分别用光学窗OW密封。

此外，第二光学叠堆OS2包括透镜或透镜系统，并且被附接至第二腔室CH2内的光学传感器OS。例如，第二光学叠堆OS2包括微透镜阵列AM，其中单独的微透镜与光学传感器的相应的像素相关联(参见下文)。微透镜阵列AM可以具有附加的黑孔层并且确定光学传感器OS的FOV。能够调节微透镜的光学特性(焦距、透镜直径、透镜与像素之间的距离等)，以使得光学传感器OS的每个相关联的像素检测仅来自目标TG的限定区域的光。可以调节微透镜的光学特性使得目标TG的限定区域不重叠。此外，例如，第二光学叠堆OS2可以具有另外的光学层，例如光学滤波器、角滤波器或保护玻璃层或窗。此外，第二光学叠堆也可以具有附加透镜，以使光学传感器的FOV变窄到例如10度或更小。

滤波器阵列中的光学滤波器OF能够相对于微透镜阵列AM的微透镜对准。这样，光学传感器OS的每个像素能够与单独的滤波器和/或微透镜相关联。然而，如将在下面进一步详细讨论，不是光学传感器OS的所有像素都可以与单独的滤波器和/或微透镜相关联。

控制单元CU和测量单元MU与光学传感器OS一起集成到半导体管芯SD中。控制单元CU包括用于光发射器OE的驱动器。例如，控制单元CU发起由光发射器OE进行的光的发射。光发射器的发射能够被调制，例如脉冲调制或通过连续波来调制。在工作中，光发射器OE发射指定波长的光，例如，该光照射多光谱传感器外部的目标TG。测量单元MU能够被认为是用于光学传感器的控制单元。例如，它提供由光学传感器生成的传感器信号。控制单元和测量单元可以被实现为控制逻辑、状态机、微处理器等。它们还可以包括附加部件，例如同样位于半导体管芯SD中的模数转换器、时间-数字转换器、放大器等。半导体管芯SD可以具有与多光谱传感器的单独部件提供电气通信的印刷电路板PCB。

在工作中，例如下文中的荧光探针的外部目标定位在多光谱传感器的FOV中。例如，目标定位在相对于传感器5mm至10mm的距离处。控制单元CU借助于光发射器OE发起通过第一孔AP1并且朝向外部目标的光的脉冲发射。发射的光具有指定的波长。激发后，例如荧光探针的外部目标TG将最终以比激发光更长的、红移的波长发射光。滤波器的透射被设置为使相对于光发射器OE的指定发射波长红移的光通过。因此，发射的荧光通过光学滤波器过滤掉散射激发光或背景光。

通过光学传感器OS经由第二孔AP2能够检测荧光光子。在下文中表示为传感器像素的第一类型的像素分别生成多光谱传感器信号MS。在下文中表示为补偿像素的第二类型的像素Cpx分别生成补偿传感器信号。测量单元MU提供一组多光谱传感器信号和一组补偿传感器信号。能够处理这些信号以确定辐射分布信号RDS，该辐射分布信号可以表示例如激发之后的荧光发射的辐射如何在目标TG上分布。

通常，光学传感器OS不是被均匀照射的，这取决于测量几何结构，目标的表面、形状和角度，光泽度和再发射的几何角度分布以及光发射器OE的辐射分布。反过来，由多光谱传感器信号检测的荧光也不均匀，并且可能需要补偿这些影响。包括补偿传感器信号或由补偿传感器信号构成的辐射分布信号RDS使得能够确定光谱分布信号，作为信号处理的结果。这种处理能够在芯片上执行，例如通过集成到多光谱传感器(未示出)的半导体管芯SD中的专用处理单元PU来执行，或者通过外部计算单元来执行。将在下面讨论细节。

图2示出了多光谱传感器的光学传感器的实施例。附图示出了设置为8×8结构的像素阵列的俯视图。四个补偿像素Cpx对称地分布并且位于像素阵列的角中。剩余的像素是传感器像素Spx。微透镜ML和光学滤波器阵列OF未在这种表示中示出，但是与像素阵列中的像素对齐。例如，光学滤波器被实现为法布里-珀罗滤波器。

图3示出了使用多光谱传感器的光学传感器的补偿像素的示例检测方案。附图以立体图示出了相对于图1和2讨论的多光谱传感器，其包括具有第一腔室CH1和第二腔室CH2的不透明壳体OH。附图中的圆盘表示多光谱传感器的视场。光学传感器OS被描绘为具有微透镜阵列AM。

示出了四个发射锥EC1至EC4。这些发射锥归因于在图2中讨论的设置在像素阵列的角中的四个补偿像素Cpx。实际上，补偿像素Cpx位于由来自目标TG的荧光发射所确定的相对应的发射锥EC1至EC4内，并且与光学传感器OS的视场(在附图中由盘表示)相交。在本示例中，发射锥在目标的位置处相交，并且用于根据由四个补偿像素Cpx生成的四个补偿传感器信号CS构成辐射分布信号RDS。然而，能够使用任何数量的补偿像素。

图4示出了多光谱传感器的辐射分布函数的示例。辐射分布信号RDS或补偿传感器信号能够用于确定作为坐标x、y、z的函数的目标辐射分布，例如目标上各区域的发射的功率分布。补偿像素Cpx能够被假定为具有相同的光谱响应，或者能够被校准为具有相同的光谱响应。换言之，限定的入射光的强度生成相同值的补偿信号。因此，补偿像素之间的补偿信号的差异能够归因于目标辐射分布的差异。

通常，期望辐射分布信号类似于某个数学函数。例如，这个函数可以表示平面函数、圆形区域函数或双曲函数。所测量的补偿传感器信号能够被认为是有助于确定辐射分布函数的参数。例如，补偿传感器信号确定补偿像素Cpx处的辐射分布函数。传感器像素处的辐射分布函数的值能够根据该函数通过例如拟合、外推等来确定。因此，为所有像素确定辐射分布函数，并且能够生成辐射分布信号以补偿阵列中的所有像素。

这个过程可以被认为是确定辐射分布函数的拟合运算。所得的辐射分布信号能够用于校准光谱。此外，辐射分布信号能够用于例如通过了解光发射器的辐射分布来提取附加信息，例如被测目标的倾斜度、被测目标的形状、光泽度与再发射的比率以及与目标物的距离。

图5示出了多光谱传感器的传感器像素的示例透射特性。附图示出了61个传感器像素。该图示出了作为波长λ(以nm为单位)的函数的传感器像素的光谱灵敏度IS(以任意单位)，该光谱灵敏度是传感器像素的灵敏度和光学滤波器阵列OF的相应透射特性的叠加。

传感器像素Spx的透射特性是线性独立的，并且可以被认为是多光谱传感器的通道。利用线性独立的透射特性，只有限定波长的光归因于某个通道或光谱像素。例如，透射特性可以由单个线宽或者由离散的一组线宽来表示，例如，如1nm至5nm的几个nm(FWHM)的线宽。就波长而言，光谱像素的透射特性间隔开，使得没有或仅有很小的例如小于1％的光谱重叠。利用传感器像素Spx的线性独立的透射特性，检测到的光子可以明确地归因于相应的像素或通道。这有助于根据多光谱传感器信号创建光谱。

用于光谱分析的光谱灵敏度能够例如基于法布里-珀罗效应通过以上介绍的光学滤波器阵列OF来实现。滤波器能够设置为使得每个传感器像素具有其自身的窄光谱灵敏度。通过组合通道，能够创建测量样本的特性的光谱响应分布(或光谱)。这能够通过算法重建方法分析。

前面讨论的概念实现能够基于传感器像素的阵列的多光谱传感器。每个像素具有已知的光谱特性。所有的传感器像素是线性独立的，例如每个传感器像素都对窄带光敏感。该窄带光能够是UV、VIS、NIR和/或IR。能够重建目标的光谱信息特征。能够用光学器件补充光学传感器，以确定多光谱传感器的视场(FOV)，例如用于限制目标上的观察区域。光学器件能够是设置在传感器阵列附近的微透镜阵列和/或用于对光学传感器上的目标区域进行光学成像的单独的透镜。实际上，传感器像素的位置能够被设置为仅从目标上的某些范围进行检测。

补偿像素能够分布在光学传感器上，例如分布在阵列的角中，并且可以限定观察到的目标区域的范围。从这些像素生成的补偿信号能够用于估计不均匀辐射的影响。为了重新计算目标特性的信息或辐射源的辐射分布，有必要的是，补偿像素具有相同的光谱灵敏度以使得将不会解释出光谱差异。补偿像素能够被配置为在没有滤波器或具有相同的滤波器的情况下提高独立性。补偿像素的滤波器也能够是光谱测量的一部分。

补偿信号及其偏离能够用作用于描述入射到光学传感器上的不均匀辐射的参数。通过了解其他光学效应的各部分，可以生成辐射梯度的模型，以通过每个传感器像素的位置补偿其信号幅度。这种补偿的结果可以使得更强有力地重建光谱目标特性。

附图标记

AM 微透镜阵列

AP1 第一孔

AP2 第二孔

CA 承载件

CS 盖部分

CH1 第一腔室

CH2 第二腔室

Cpx 补偿像素

CU 控制单元

EC1至EC4 发射锥

FB 框架主体

IS 光谱灵敏度

λ 波长

LB 光屏障

MU 测量单元

PU 处理电路

OE 光发射器

OF 光学滤波器阵列

OH 不透明壳体

OS 光学传感器

OS1 第一光学叠堆

OS2 第二光学叠堆

OW 光学窗

SD 半导体管芯

Spx 传感器像素

TG 目标

x、y、z 坐标。

Claims (17)

1.一种多光谱传感器，包括：

-不透明壳体(OH)，其具有带有第一孔(AP1)的第一腔室(CH1)和带有第二孔(AP2)的隔开的第二腔室(CH2)，

-光发射器(OE)，其设置在所述第一腔室中(CH1)，并且设置为发射指定波长或指定波长范围的光通过所述第一孔(AP1)，

-光学传感器(OS)，其设置在所述第二腔室(CH2)中，并且设置为检测通过所述第二孔(AP2)的接收到的光子，

-控制单元(CU)，其被配置为发起由所述光发射器(OE)进行的光的发射，以及

-测量单元(MU)，其被配置为提供由所述光学传感器(OS)生成的传感器信号；

其中：

-所述光学传感器(OS)包括第一类型的传感器像素(Spx)和第二类型的像素(Cpx)的阵列，

-所述第一类型的像素(Spx)各自具有不同的透射特性，各自分别生成多光谱传感器信号(MS)，并且

-所述第二类型的像素(Cpx)具有相同的透射特性，各自生成补偿传感器信号(CS)。

2.一种多光谱传感器，包括：

-不透明壳体(OH)，其具有带有第一孔(AP1)的第一腔室(CH1)和带有第二孔(AP2)的隔开的第二腔室(CH2)，

-光发射器(OE)，其设置在所述第一腔室中(CH1)，并且设置为发射指定波长或指定波长范围的光通过所述第一孔(AP1)，

-光学传感器(OS)，其设置在所述第二腔室(CH2)中，并且设置为检测通过所述第二孔(AP2)的接收到的光子，

-控制单元(CU)，其被配置为发起由所述光发射器(OE)进行的光的发射，以及

-测量单元(MU)，其被配置为提供由所述光学传感器(OS)生成的传感器信号；

其中：

-所述光学传感器(OS)包括第一类型的传感器像素(Spx)和第二类型的像素(Cpx)的阵列，

-所述第一类型的像素(Spx)各自具有不同的透射特性，各自分别生成多光谱传感器信号(MS)，并且

-所述第二类型的像素(Cpx)具有相同的透射特性，各自生成补偿传感器信号(CS)，

还包括处理单元(PU)，其被设置为：

-根据所述补偿传感器信号(CS)确定辐射分布信号，并且

-根据所述辐射分布信号确定光谱分布信号。

3.根据权利要求1或2所述的多光谱传感器，其中，所述光学传感器(OS)集成在单个半导体管芯(SD)中。

4.根据权利要求1至3之一所述的多光谱传感器，其中，所述第一类型的像素(Spx)的不同透射特性是线性独立的。

5.根据权利要求1至4之一所述的多光谱传感器，其中，至少所述第一类型的像素(Spx)各自包括光电二极管和滤波器，其中，所述滤波器分别确定所述传感器像素的透射特性。

6.根据权利要求5所述的多光谱传感器，其中，所述滤波器是干涉滤波器、介电滤波器、法布里-珀罗滤波器和/或聚合物滤波器。

7.根据权利要求1至6之一所述的多光谱传感器，其中，所述第二类型的像素(Cpx)对称地分布在所述传感器像素的阵列中。

8.根据权利要求1至7之一所述的多光谱传感器，其中，所述第二类型的像素(Cpx)位于所述传感器像素的阵列的角中。

9.根据权利要求1至8之一所述的多光谱传感器，其中，所述第二类型的附加像素(Cpx)位于所述传感器像素的阵列的外部。

10.根据权利要求5至9之一所述的多光谱传感器，其中，所述第二类型的像素(Cpx)

-各自包括光电二极管和滤波器，其中，所述滤波器分别确定所述传感器像素的透射特性，或者

-各自包括光电二极管。

11.根据权利要求1至10之一所述的多光谱传感器，还包括处理单元(PU)，所述处理单元被设置为：

-根据所述补偿传感器信号(CS)确定辐射分布信号，并且

-根据所述辐射分布信号确定光谱分布信号。

12.根据权利要求1至11之一所述的多光谱传感器，还包括提供所述补偿传感器信号(CS)和/或所述多光谱传感器信号(MS)以用于进一步处理的输出端子。

13.根据权利要求1至12之一所述的多光谱传感器，还包括：

-耦接至所述传感器像素的阵列的光学透镜阵列，和/或

-耦接至所述壳体的第一孔的光学透镜。

14.一种用于多光谱光感测的方法，其中，多光谱传感器包括不透明壳体(OH)，所述不透明壳体具有带有第一孔(AP1)的第一腔室(CH1)和带有第二孔(AP2)的隔开的第二腔室(CH2)，所述方法包括以下步骤：

-借助于设置在所述第一腔室(CH1)中的光发射器(OE)发射指定波长或指定波长范围的光通过所述第一孔(AP1)，

-借助于设置在所述第二腔室(CH2)中的光学传感器(OS)检测通过所述第二孔(AP2)的接收到的光子，其中，所述光学传感器(OS)包括第一类型的传感器像素(Spx)和第二类型的像素(Cpx)的阵列，

-对于生成多光谱传感器信号(MS)的每个所述第一类型的像素，其中，所述第一类型的像素(Spx)各自具有不同的透射特性，

-对于生成补偿传感器信号(CS)的每个所述第二类型的像素(Cpx)，其中，所述第二类型的像素具有相同的透射特性，

-根据所述补偿传感器信号(CS)确定辐射分布信号，并且

-根据所述辐射分布信号确定光谱分布信号。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过数学运算将所述辐射分布信号与所述多光谱传感器信号(MS)进行组合。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述辐射分布信号是通过辐射分布函数确定的。

17.根据权利要求14至16之一所述的方法，其中，确定所述辐射分布信号和/或确定所述光谱分布信号是在所述光学传感器的外部执行的，或者是借助于所述光学传感器所包括的处理单元来执行的。

Images