CN112556844A - 单片光谱仪 - Google Patents

Abstract

在一些实施例中，提出了光谱仪。依照一些实施例，光谱仪包括：光学传感器阵列，光学传感器阵列包括衬底和形成在衬底上的像素阵列；光谱滤波器阵列，形成在光学传感器阵列的像素之上，光谱滤波器阵列过滤入射光，使得每个像素接收与该像素相关联的光谱透射轮廓的光；形成在光谱滤波器阵列之上的透明间隔物；以及具有输入孔径的不透明掩模，输入孔径允许光穿过透明间隔物并到达光谱滤波器阵列的一部分上。可以使用光刻技术和某些层的接合的组合，从光学传感器阵列形成光谱仪。

Description

单片光谱仪

技术领域

本发明的实施例涉及光谱仪传感器，并且尤其涉及单片光谱仪。

背景技术

光谱仪可以被引进到移动设备中，用于涉及目标物质的分析和标识的多种用途。通常，光谱仪指的是辨别光源中不同频率或波长的相对量的设备。光谱仪经常与参考光源结合使用，参考光源被引导离开或穿过目标以便确定目标的光谱特性。由光源提供的光可以是任何频率或频率范围，并且可以在光谱仪活跃的时间期间是连续的，或者可以是脉冲的。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。

当被参考光源照射时，目标物质吸收由光源发射的入射辐射的至少一部分，并且辐射出光的特征光谱，当适当分析时，该特征光谱可用于标识物质的构成成分。由光谱仪对从目标物质接收的光进行光谱分析，并且所接收的光的光谱组成指示物质的化学组成、或相关的物理性质。

确定物质的化学组成有许多实际应用。例如，水果和蔬菜的光谱扫描可以帮助确定成熟度或所提供的营养价值。食品或饮料的安全性也可以通过光谱扫描实时确定。分光扫描也可用于监控健康问题，例如在无需实际获取血液样本的情况下血液的氧或糖含量。此外，分光扫描可用于监控大气状况，诸如气体的构成。

此外，环境光的光谱扫描(在没有来自光源的光的情况下)可用于调整相机的光级灵敏度，以调整颜色平衡和曝光。这样的方法可以帮助在移动设备上实现更准确的摄影。

光谱仪通常使用诸如光栅的色散元件来将光分离成光谱带。可以通过如下方式来检测带：跨检测器旋转光栅、或者放置多元件检测器使得每个元件检测光谱的一部分。这些在分辨率和紧凑性方面有已知的折衷。为了制造更紧凑的解决方案，已经开发了基于滤波器阵列的光谱仪。在一个示例中，在图像传感器阵列之上，图案化或对准各种滤波器。在每个通道上接收的光的强度由在该相应像素之上的滤波器的通带确定。通过线性变换，可将所接收的光图案变换为光强度的波长基表示。对于被形成为在图像传感器顶部上的滤波器阵列的光谱仪，可以利用距阵列固定距离的输入孔径来设置光线角度分布。在某些情况下，透镜可以用来准直已经通过孔径的光。然而，准直所需的附加尺寸和复杂性对于紧凑、低成本的应用可能不是所期望的。孔径离滤波器阵列越远，它变得就越像点源，并且到边缘和拐角的角度就越小。有限的角度和光线角度扩展通常有益于光谱辨别。然而，图像传感器阵列上方的光学元件的对准需要精确的组装步骤。

因此，需要开发更好的、更稳健的和可制造的光谱仪，其在晶片规模上提供更简单的组装。

发明内容

一些实施例中，提出了光谱仪。依照一些实施例，光谱仪包括：光学传感器阵列，光学传感器阵列包括衬底和形成在衬底上的像素阵列；光谱滤波器阵列，形成在光学传感器阵列的像素之上，光谱滤波器阵列过滤入射光，使得每个像素接收与该像素相关联的光谱透射轮廓(spectral transmission profile)的光；形成在光谱滤波器阵列之上的透明间隔物；以及具有输入孔径的不透明掩模，该输入孔径允许光穿过透明间隔物并到达光谱滤波器阵列的一部分上。

根据一些实施例的形成光谱仪的方法包括：在光学传感器阵列之上沉积不透明材料；在光学传感器阵列中的像素之上形成输出孔径；在不透明材料和输出孔径之上沉积介电聚焦层；在介电聚焦层之上形成光谱滤波器阵列，光谱滤波器阵列包括在光学传感器阵列的每个像素之上的光谱滤波器，光谱滤波器阵列具有将特定波长的光聚焦在光学传感器阵列的每个像素上的亚波长结构；在光谱滤波器阵列之上附接透明间隔物；在透明间隔物上形成具有输入孔径的不透明层；以及分割以形成个体光谱仪。

下面关于以下附图讨论这些和其它实施例。

附图说明

图1示出了包含光谱仪的移动设备。

图2A、图2B和图2C示出了根据一些实施例的、可在图1所示的移动设备中使用的光谱仪。

图3示出了根据一些实施例的光谱仪传感器阵列的横截面。

图4示出了在图3所示的光谱仪传感器阵列的横截面中的光阵列。

图5示出了图3所示的光谱仪传感器阵列的平面图。

下面进一步讨论本发明的实施例的这些和其它方面。

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，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。本文公开的具体实施例意在说明性而不是限制性的。本领域技术人员可以认识到尽管这里未具体描述但也在本公开的范围和精神内的其它元件。

该描述示出了发明的方面，并且实施例不应被认为是限制性的——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，为了不模糊本发明，未详细示出或描述公知的结构和技术。

本发明的实施例包括具有一个或多个输入孔径的单片光谱仪，其产生简单、低成本和稳健的组装。光谱仪可以包括像素的光传感器阵列，诸如用于成像的CMOS、CCD或IR-ROIC。然而，光传感器阵列并不用于成像。光传感器阵列的每个像素共享相似的视场，因为光来自强漫射器或者漫射源/目标。像素具有被定位在其之上的光谱滤波器。光谱滤波器可以基于色散透镜和孔径的组合。色散透镜的焦距随不同波长的光而变化。输出孔径可以是空间滤波器，并用作光谱带通滤波器。光谱滤波器可以具有光谱宽度，使得每个像素接收对该像素唯一的光谱透射轮廓。然后，可以在给定各种像素的光谱透射轮廓的情况下分析来自像素中的每个像素的信号，以确定入射光的光谱。

在根据本发明的一些实施例的光谱仪中，所有光学器件可以单片地形成在图像传感器阵列的顶部上。依照一些实施例，光学器件在图像传感器阵列顶部上的形成是经由晶片规模工艺来完成。在传感器图像阵列上方可以有一个或多个输入孔径。当使用多个较小的孔径来照射传感器阵列的相应部分时，可实现小得多的总高度，从而实现多种多样的空间约束应用并潜在地降低成本。

图1示出了可包括根据本发明一些实施例的光谱仪104的移动设备100，例如智能电话或平板电脑。移动设备100包括处理器、电路和用户接口的集成系统，以向移动设备100的用户提供服务。例如，这样的服务可以包括互联网服务、蜂窝电话服务、数据存储和这种设备的其它共同功能。此外，移动设备100包括可用于各种摄影目的的相机102。另外，在一些实施方式中，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，可以获取分光数据并分析所取得的分光数据。

如上所述，分光数据可用于调整由相机102拍摄的照片的颜色，并且可进一步用于确定目标物质的化学组成。从分光数据中，可以确定水果和蔬菜的质量和成熟度、连同其他物质的组成。此外，目标可以是生物的，并且分光数据用于测量各种健康状况。因此，不仅对于科学目的，而且对于更实用的目的(诸如健康监控、环境监控、伪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)，具有手持式准确光谱仪(诸如置于移动设备100中的光谱仪)可以是非常有价值的工具。

图2A示出了光谱仪200的框图，光谱仪200可用作移动设备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206。光源202可以是由光谱仪使用的光的任何源，包括例如用于产生近IR光的一个或多个LED。在一些实施例中，光源202可以是LED阵列。在一些实施例中，LED阵列可以是双结LED，其中结具有不同的发射波长，这可以导致以较小的形状因子提供较宽的波长范围。在一些实施例中，光源202可以是闪光灯，其具有变化波长的LED阵列。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可以是根据一些实施例的、能够测量适合于光谱仪104目的的光的光谱范围的传感器阵列。例如，传感器阵列204可包括CMOS设备，该CMOS设备具有个体像素的阵列、或产生可进一步被处理的电信号的光敏区域的其它阵列。在一些实施例中，传感器阵列204检测可见范围、近IR或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206可以包括像素读取电路和像素驱动电路以及控制器或处理器(包括微处理器和微型计算机)，用于从传感器阵列204接收数据，处理该数据，并将数据提供给移动设备100中的微处理器以供进一步分析并显示给用户。

处理电路206还可以控制光源202产生的光的强度和持续时间，光可以是脉冲的或连续的，并且处理电路206可以相应地选通传感器阵列204。在一些实施例中，特定持续时间的光脉冲可由光源202产生，随后是数据采集时段，其中传感器阵列204接收传入光并累积与所接收的光的强度相关的电荷或电压。在某一采集时段之后，然后处理电路206读取由传感器阵列204中的像素阵列接收的光的积分值。在一些实施例中，通过周期性地采样积分值，以将接收到的光确定为时间的函数，可以监控衰减过程。在一些实施例中，光源202可以是相机闪光灯，然后可以由处理电路直接地或通过诸如移动设备100的主机设备中的微处理器或微型计算机来控制该相机闪光灯。

如图2A中进一步所示，光源202、传感器阵列204和处理电路206可以被包装在晶片芯片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，以防止光源202产生的光直接进入传感器阵列204。

图2B示出了光谱仪200的一个实施例的横截面图。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，在衬底220上形成半导体层206，其中形成处理电路206的硅组件、以及用于驱动光源202和传感器阵列204的电路。传感器阵列204和光源202形成在半导体层222中或半导体层222上。如进一步所示，在光源202之上设置光学透明层224。光学透明层224可进一步包括一些光学器件(例如透镜结构、滤波器结构或其它光学结构)，用于透射来自光源202的光，以辐射目标物质。光学透明层224可以是空气间隙。层226也是光学层，在一些实施例中，其提供聚焦、滤波和色散功能，以将在层226处接收的光引导到传感器阵列204的个体像素上。在一些实施方式中，特别是在先前开发的系统中，一些外部光学器件可以被设置到光谱仪芯片104外部，以提供聚焦、滤波和其它功能。然而，在本发明的实施例中，层226包括过滤和聚焦来自目标样本的传入光的光学器件。在使用相机闪光灯而不是光源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。

如图2B中进一步所示，盖270可以被放置在光学透明层224和光学透明层226上。盖270可以是例如由塑料形成的不透明硬保护盖，其可以形成为封装光谱仪200。限制孔径272可以形成在盖270上、在传感器阵列204之上。限制孔径272提供对传感器阵列204的光访问(类似于针孔相机中的针孔的功能)，并且控制对限制孔径272的光访问。在一些实施例中，限制孔径272可以是圆形的，并且准许在限制为大约20度的角度范围内的光。高角度光线可以起到冲刷焦点处光谱特征的效果，因此阻挡不必要的光是有用的。开口的尺寸与盖的高度成比例。附加开口274形成在盖270中，以允许来自光源202的光离开光谱仪200。如果盖270靠近传感器阵列204，则漫射器276可以被放置在孔径272上方，以改善跨传感器阵列204的光的均匀性。对于远离传感器阵列204的中心的像素，限制孔径272可能离轴，因此可以调整层226的微透镜的位置和可选地焦距，以将来自限制孔径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之上的盖的高度可以是约2mm，并且孔径272的直径可以是约500微米。漫射器276可以是附接到盖的外侧的毛玻璃或聚四氟乙烯(PTFE)的薄层。

图2C示出了光谱仪200的电路图。如图2C所示，处理电路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、微型计算机、专用电路或其它设备。控制器256可以是能够从读出器250接收数据并控制传感器驱动器252和光源驱动器254的专用电路、由状态机操作的处理器、或者任何其它设备。

在一些实施例中，控制器256可与诸如微控制器(MCU)或应用处理器(AP)的外部可编程设备接口。此外，控制器256可以与移动设备100的处理器接口，并且因此由存储在移动设备100中的指令控制。因此，包括控制器256的处理电路206从传感器阵列204接收数据，提供处理，并将数据输出到外部可编程设备。

如图2C所示，在一些实施例中，控制器256本身可以是微控制器单元(MCU)256，其可以与移动设备100中的外部处理器接口。MCU 256包括处理器258、存储器260以及接口262和接口264。存储器260可以包括易失性存储器和非易失性存储器两者，并且因此可以存储由处理器258执行的指令和在光谱仪200中的数据处理中使用的数据。处理器258还可以耦合到设备接口264，以与移动设备(诸如移动设备100中的其它处理器)接口。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266通信，传感器电路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被耦合以接收来自传感器阵列204的每个有源区域(像素)的信号。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可包括模拟积分器，该模拟积分器在通过在微处理器256中编程而设置的时间段之上对从传感器阵列204接收的电流信号进行积分。在其中光源202是来自相机的闪光灯的实施例中，光源驱动器254可相应地向驱动相机闪光灯的支持设备提供信号。

图3示出了根据一些实施例的光谱仪传感器300。光谱仪传感器300可以包括个体像素316的像素阵列324，个体像素316形成在衬底318中或安装在衬底318上，以形成光学传感器阵列326。如上所述，像素阵列324可以是例如CMS、CCD或IR-ROIC阵列。电接触件320可以包括焊料凸起以及穿过衬底的过孔，可以用于对像素阵列324的个体像素316进行电接触，但是更有可能提供对如图2C所示的处理电路206的电接触，处理电路206可以形成在衬底318中。

在像素316之上形成输出孔径阵列314，使得每个像素316接收穿过输出孔径阵列314的输出孔径322之一的光。光谱滤波微透镜310形成在每个像素316之上，并且通过聚焦距离间隔层312与像素316和孔径阵列314的对应孔径分离。每个光谱滤波微透镜310将对每个像素唯一的光谱透射轮廓聚焦到对应像素316上，使得光谱透射轮廓跨阵列变化。空气间隙输入孔径304形成在不透明材料306中，不透明材料306形成在光谱滤波器310之上。孔径304通过间隔物308与微透镜310间隔开，间隔物308可以是玻璃晶片间隔物或其它透明材料。漫射器302可以形成在不透明材料306和输入孔径304之上。

如上所述，根据一些实施例的光谱仪300基于像素阵列324，其中每个像素316共享相似的视场，因为光从强漫射器302或者从漫射源/目标进入。图3示出了其中形成漫射器302的示例。光谱滤波微透镜310可基于色散透镜和孔径的组合，光谱滤波微透镜310用作光谱带通滤波器，使得在每个像素316处检测来自光谱透射轮廓的不同光谱范围。例如，光谱滤波微透镜310可以被形成为具有针孔结构，该针孔结构具有亚波长范围，使得穿过每个微透镜310的光谱透射包括可跨微透镜310阵列变化的波长相关焦点。因此，到传感器阵列324中的每个像素316上的光谱透射可以由穿过每个微透镜310的光谱透射而改变。于是，测量输入到每个像素316的光可以提供入射在光谱仪300上的光的分光映射。

像素316可以电子耦合到处理电路，处理电路形成在衬底318中，处理电路耦合到电接触件320。如上所述，处理电路可以是如图2C所示的处理电路206。因此，可以通过电接触件320以电子方式输出由光学传感器阵列324测量的分光映射。如图3所示，光谱仪300包括到光学传感器阵列324的底侧的电接触件320。电接触件320提供到形成在衬底318中的处理电路的导电性，并提供与来自像素322的光谱信息有关的数据。

如上所述，电接触件320包括硅衬底318中的穿硅过孔、以及将光谱仪300接口到印刷电路板上的其它组件的球式连接器。电接触件320形成在图像传感器326的衬底318上。存在用于形成电接触件320的多种技术，包括穿硅过孔(TSV)。典型地，这涉及大幅地减薄衬底318，然而在这一点上，透明间隔物308(其可以是玻璃处理晶片)向光谱仪300提供大部分机械强度。

如上所述，于是，光谱仪300包括光学传感器阵列324，光学传感器阵列324包括衬底318，衬底318具有侧向尺寸、底侧和顶侧，该顶侧接收到像素316中的光。此外，在光学传感器阵列324之上形成光谱滤波器310的阵列。如上所述，光谱滤波器310可以由具有亚波长特征的微透镜形成，该亚波长特征跨光谱滤波器310的阵列系统地变化，以获得穿过到光学传感器阵列324中的像素316的变化的光谱透射。在一些实施例中，光谱滤波器阵列中的每个滤波器310被布置成将由亚波长特征确定的特定波长范围的光聚焦穿过孔径322，并且在对应像素316上提供光谱透射轮廓。如图3所示，光谱滤波器310的阵列通过间隔物312与光学阵列324中的像素316间隔开，间隔物312被布置成使得每个光谱滤波器310的焦点用于被聚焦到像素316上的光的频率。因此，光谱滤波器310将来自输入孔径304的光穿过输出孔径322聚焦到像素316上，使得像素316接收唯一光谱透射轮廓的光。于是间隔物312对应于光谱滤波器微透镜310和对应像素316之间的聚焦距离。间隔物312可以由透明介电材料形成。例如，聚焦距离可以小于25um。

输出孔径322也可以是开口区域，或者可以由透明电介质形成。来自光谱滤波器微透镜310的光的焦点在输出孔径322上提供焦点区域。在一些实施例中，输出孔径322的开口区域可以小于由光谱滤波微透镜310和间隔物312创建的聚焦区域的10％。输出孔径322可以形成在吸收材料层中。

光谱仪300包括附接在光谱滤波器310上方的透明间隔物308。透明间隔物308的厚度小于光学传感器阵列324的侧向尺寸。透明间隔物308可以是任何透明材料，包括玻璃间隔物或其它介电材料。在透明间隔物308上形成不透明掩模306，在不透明掩模306处在光可以通过的地方形成输入孔径304。不透明掩模306可以由强烈吸收入射在光谱仪300上的光的材料形成。在一些实施例中，在每个输入孔径304下方可以有四个或更多光谱滤波器310。考虑到以透明间隔物308中折射的最大角度行进的光线所横穿的横向方向，输入孔径304被间隔开一间距，该间距阻止从每个输入孔径304进入的光在光谱滤波器310上重叠。在一些实施例中，输入孔径304之间的最小间距是由最大角度、透明间隔物308的厚度、和透明间隔物308的折射率确定的最大横向方向的两倍。

如图3所示，在一些实施例中，漫射器302形成在间隔材料308之上的不透明掩模306上。在一些实施例中，入射在光谱仪上的光已经是漫射的。透明间隔物308通过具有输入孔径304的不透明材料306与漫射器302分离。形成透明间隔物308的材料的折射率和形成漫射器302的材料的折射率大于形成在输入孔径304中的材料的折射率，在一些实施例中，形成在输入孔径304中的材料是空气。

光学器件可以单片地形成在像素316的图像传感器阵列的顶部上。利用多个较小的孔径322来照射像素316的传感器阵列的相应部分，可以实现小得多的总高度。这实现了多种多样的空间约束应用并潜在地降低成本。在一些实施例中，透明间隔物308可以具有约0.2mm至1.0mm的厚度。输入孔径304可以被间隔开大于透明间隔物308的厚度。例如，输入孔径304的直径或宽度可以小于透明间隔物308的厚度的一半。

图3所示的光谱仪300可以由以下构成：包括衬底318和像素阵列324的传感器阵列晶片326、滤波器输出孔径322、设置聚焦距离的电介质312、以及光谱滤波微透镜阵列310，光谱滤波微透镜阵列310可以通过光刻方法形成在晶片326的顶部上。然后，利用透明胶，在微透镜滤波器310之上将玻璃处理晶片308接合到晶片326上。输入孔径304形成在玻璃308上、在不透明掩模306中。玻璃处理晶片间隔物308的厚度设置从输入孔径304到光谱滤波器310的距离。形成输入孔径304可以在将不透明材料306接合到玻璃308之前或之后完成。在厚的不透明掩模层306的情况下，漫射器302可以被附接在不透明材料306的顶部上，从而在输入孔径304处在漫射器302和玻璃间隔物308之间创建空气间隙。

从漫射器302通过输入孔径304进入玻璃间隔物308的光折射至小于约45度，或对于最常见的玻璃来说小于约42度。在相邻输入孔径304被充分分离的情况下，来自相邻孔径304的光可以被限制成入射在图像传感器阵列324的选择区域上。然而，如果漫射器302例如通过对玻璃进行喷砂或研磨而形成在处理晶片玻璃308中，则光可以被散射成非常高的角度，并且像素可以接收来自多于一个孔径304和来自高角度的光，这是不太期望的。因此，形成存在于漫射器302和处理晶片玻璃间隔物308之间的输入孔径304的空气间隙(或低折射率材料)对本发明是有用的。因此，例如，漫射器302可以被图案化(工程漫射器)在玻璃或塑料、毛玻璃、特氟龙或任何其它合适的漫射介质中，并被附接到其中形成有输入孔径304的不透明材料306上。

在一些实施例中，输出孔径322、介电聚焦层和光谱滤波器310形成在透明间隔层308上。然后，可以将透明间隔层308与光学传感器阵列组装。

电接触件320形成在图像传感器326的衬底318上。存在用于形成电接触件320的各种技术，包括穿硅过孔(TSV)。典型地，这涉及大幅地减薄衬底318，然而在这一点上，处理晶片玻璃间隔物308向光谱仪300提供大部分机械强度。

可以使用切割工艺(诸如切块锯、激光切割、划线和劈开)或其他方法，从晶片分割个体光谱仪300。这产生由衬底318以及玻璃间隔物和处理晶片308共享的平面侧壁。漫射器302可以组装在经切块的光谱仪上。可选漫射器302在输入孔径304上方的组装顺序可以在被分离成晶片上的单独光谱仪之前或之后完成。

在一些实施例中，光谱仪300用高温兼容材料形成。这种构造对于如下光谱仪模块是有用的：该光谱仪模块可以使用焊料回流工艺，在典型地在135℃-300℃左右、峰值通常在约250℃的温度处，被附接到印刷电路板，。

图4示出了光谱仪300的操作。入射在光谱仪300上的光402入射在漫射器302上，或者如果不存在漫射器302，则光402从漫射光源发出。图4还示出了穿过输出孔径316、穿过输入孔径304、透明间隔物308、和与输入孔径304相关联的光谱滤波器310的光的移位。因此，光402入射在输入孔径304上，该输入孔径304准许光以较窄的角度(例如，如上所述小于45°)去向玻璃间隔物308。因此，玻璃间隔物308的厚度确定了多少微透镜滤波器310和对应的像素316。

在一个示例中，玻璃分离器308的厚度可为约650um。也可以使用大约150um的输入孔径直径。利用那些参数，空气等效角距约为20°。由于使用晶片级工艺来形成光谱仪300，因此输入孔径304与阵列324的对准可以非常精确。例如，光刻限定的特征通常具有微米范围内的对准公差，而裸片组装工艺是在几十微米范围内。在利用具有50um节距的8×8传感器阵列的示例中，到边缘或拐角的角度可以是17°或23°，或者25°或33°的空气等效。

为了在不增加光谱仪300的高度的情况下容纳更多像素316，可以使用更多输入孔径304。掠入射光线402(图4示出了法向入射到漫射器302表面的光线402)折射到最大折射光线角——对于玻璃空气界面通常约为42度。以弧度为单位的最大折射角M由下式给出

M＝asin(n1/n2)，

其中n1是玻璃间隔物308上方的材料的折射率(例如，对于输入孔径304中的空气间隙为1)，以及n2是玻璃间隔物308中的玻璃的折射率。在其中玻璃间隔物308的厚度T为500um的示例中，光线可以侧向横穿的最大距离L由下式给出

L＝T*tan(M)。

因此，输入孔径304之间的距离应大于2L，使得每组像素316接收穿过输入孔径304中的单个输入孔径304的光。对于具有折射率n2＝1.45的玻璃，L～950um。对于直径为100um的输入孔径304，应添加另外100um，因此孔径间隔应大于约1.05mm。

利用100um直径的输入孔径304，传感器阵列324处的角距约为0.2弧度，或约为11.5°(或16°-17°的空气等效)。如果滤波器微透镜阵列310具有50um的节距，并且在微透镜阵列310的每个微透镜下放置像素316的4×4阵列，则从输入孔径的中心到每个透镜阵列的边缘的主光线角为11°。到拐角的角度为16°。对于小角度，空气中的等效角度可以通过用折射率n2缩放玻璃中的角度来确定。

使用微透镜和针孔的光谱微透镜滤波器阵列310对于有限输入角度范围内的光是选择性的。高角度光线离轴聚焦，并且远离输出孔径(针孔)322。带外光聚焦不强，并且如果存在，可能会贡献一定量的串扰。如果这是可容忍的，则可以如此校准光谱仪300。在这种情况下，孔径之间的间隔可以减小到小于由最大折射光线角指定的最小值，例如600um。

图5示出了光谱仪300的平面图。如图3所示，输入孔径304覆盖在滤波微透镜310上面。在图5所示的示例中，四个滤波微透镜310在每个输入孔径304下。如进一步所示，像素阵列324的像素316在每个滤波微透镜310下。如图5中进一步所示，示出了分离的输入孔径304的阵列。

因此，如上所述，根据本发明的实施例包括具有一个或多个输入孔径的单片光谱仪，用于简单、低成本和稳健的组装。光谱仪基于像素316的光传感器阵列324，像素316可以是通常用于成像的CMOS、CCD或IR-ROIC。如上所述，传感器阵列324不用于成像。每个像素316共享相似的视场，因为光来自强漫射器302或者来自漫射源/目标。像素316各自用光谱滤波器310覆盖。所描述的光谱滤波器310可以基于色散透镜和孔径的组合。色散透镜的焦距随光的不同波长而变化。放置在每个像素316之上的输出孔径322作为空间滤波器操作，并且用作光谱带通滤波器。

如上所述，形成在传感器阵列324上的单片结构可以用晶片规模工艺形成。可以存在形成在传感器阵列324上方的一个或多个输入孔径304。当使用多个较小的输入孔径304来照射传感器阵列324的相应部分时，可实现小得多的总高度，从而实现多种多样的空间约束应用并潜在地降低成本。

提供上述详细描述以说明本发明的特定实施例，上述详细描述并非旨在限制性的。在本发明的范围内的许多变化和修改是可能的。本发明在所附权利要求中阐述。

Claims (22)

1.一种光谱仪，包括：

光学传感器阵列，所述光学传感器阵列包括衬底和形成在所述衬底上的像素阵列；

光谱滤波器阵列，形成在所述光学传感器阵列的像素之上，所述光谱滤波器阵列过滤入射光，使得每个像素接收与所述像素相关联的光谱透射轮廓的光；

透明间隔物，形成在所述光谱滤波器阵列之上；以及

不透明掩模，在所述透明间隔物上，所述不透明掩模具有输入孔径，所述输入孔径允许光穿过所述透明间隔物并到达所述光谱滤波器阵列的一部分上。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括形成在所述透明间隔物之上的漫射器。

3.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述光谱滤波器阵列中的光谱滤波器包括色散元件，所述色散元件具有被布置成将来自所述输入孔径的光聚焦到所述像素阵列的像素上的亚波长特征，其中所述亚波长特征跨所述光谱滤波器阵列中的光谱滤波器而变化，使得所述像素阵列中的每个像素接收具有光谱透射轮廓的光。

4.根据权利要求3所述的光谱仪，还包括聚焦间隔物，所述聚焦间隔物形成在所述光谱滤波器阵列和所述光学传感器阵列之间，所述聚焦间隔物具有与所述光谱滤波器阵列中的滤波器的焦距对应的厚度。

5.根据权利要求4所述的光谱仪，其中所述焦距小于25um。

6.根据权利要求3所述的光谱仪，还包括形成在所述聚焦间隔物和所述像素阵列之间的输出孔径。

7.根据权利要求6所述的光谱仪，其中所述输出孔径形成在吸收材料中，所述吸收材料形成在所述像素阵列中的每个像素之上。

8.根据权利要求6所述的光谱仪，其中所述输出孔径的面积小于所述光谱滤波器阵列中的所述光谱滤波器的聚焦面积的10％。

9.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述透明间隔物是介电材料。

10.根据权利要求9所述的光谱仪，其中所述透明间隔物是厚度在0.2mm与1.0mm之间的玻璃间隔物。

11.根据权利要求1所述的光谱仪，其中形成在所述掩模中的输入孔径被分开超过所述透明间隔物的厚度。

12.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述输入孔径的直径小于所述透明间隔物的厚度的一半。

13.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述光谱滤波器阵列中的至少四个光谱滤波器被每个输入孔径照射。

14.根据权利要求1所述的光谱仪，其中输入孔径被分开最小侧向间距，使得进入所述输入孔径的光的最大侧向横穿距离覆盖所述光谱滤波器阵列中的多个光谱滤波器。

15.根据权利要求2所述的光谱仪，其中所述输入孔径中的折射率小于所述漫射器的折射率和所述透明间隔物的折射率。

16.根据权利要求1所述的光谱仪，还包括形成在光学传感器阵列的所述衬底的底部上的电接触件，所述电接触件电耦合到处理电路，所述处理电路耦合到所述像素阵列。

17.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述光学传感器阵列的所述衬底、所述光谱滤波器阵列、所述透明间隔物和所述不透明掩模具有对准的垂直侧壁。

18.一种形成光谱仪的方法，包括：

在光学传感器阵列之上沉积不透明材料；

在所述光学传感器阵列中的像素之上形成输出孔径；

在所述不透明材料和所述输出孔径之上沉积介电聚焦层；

在所述介电聚焦层之上形成光谱滤波器阵列，所述光谱滤波器阵列包括在所述光学传感器阵列的每个像素之上的光谱滤波器，所述光谱滤波器阵列具有将特定波长的光聚焦在所述光学传感器阵列的每个像素上的亚波长结构；

在所述光谱滤波器阵列之上附接透明间隔物；

在所述透明间隔物上形成具有输入孔径的不透明层；以及

分割以形成个体光谱仪。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述不透明材料、所述输出孔径、所述介电聚焦层和所述光谱滤波器阵列是使用光刻方法产生的。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述透明间隔物和所述不透明层能够接合。

21.根据权利要求21所述的方法，还包括接合到所述不透明层上的漫射器。

22.根据权利要求18所述的方法，还包括：

将所述输出孔径、所述介电聚焦层和所述光谱滤波器形成在所述透明间隔物上；以及

将所述透明间隔物组装到所述光学传感器阵列上。

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