CN113916799A - 一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，包含线性滤光片阵列和探测器阵列，线性滤光片阵列由多片线性滤光片沿宽度方向阵列构成，线性滤光片阵列中各片线性滤光片的光谱变化范围不同且所有线性滤光片的光谱变化范围整体连续变化。本发明将线性滤光片改变成线性滤光片阵列，同时探测器阵列排布方式也与之相应调整，根据探测器单元尺寸、阵列数和光谱探测范围，设计成方形或矩形的线性滤光片阵列，使芯片对面形的入射光具有更高的探测效率,而且在同样的总光谱变化范围下，芯片的尺寸更小。
Description
技术领域
本发明涉及一种探测器芯片，特别是一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，属于半导体领域。
背景技术
光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由色散元件和探测器等元器件构成。测量物体表面反射的光线通过光谱仪之后，通过对光信息的抓取、以电脑化自动显示数值和分析，从而测知物品中成分信息。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生等的检测中。随着微型光谱仪应用测量系统的不断拓展，其快速高效分析及便携式实时应用的优势逐渐显现出来，光谱分析技术正逐步从实验室分析走向现场实时检测。
色散元件和探测器是光谱仪的核心芯片，对待测光谱的分析具有重要的决定作用。当前的微型光谱仪有采用线性滤光片和探测器阵列形式，这种结构具有机械稳定性好、体积小的特点。
目前采用线性滤光片为线状，光谱只能沿一个方向读取，如图3所示。这种线性滤光片为条形，而未经过处理的入射光在进入光谱仪之前为面光源，而如果仅对面光源进行聚焦，由于入射到条形探测器上的信号光占比很小，光谱仪的效率非常低，如图4所示。为了提高光谱仪的探测效率，需要经过光学元件将其转变成适合线性滤光片和探测器阵列排布方式的条形光源。然而由于微型光谱仪空间非常紧凑，将面光源转换成条形光源将不仅增加整个微型光谱仪的光学设计难度和结构稳定性，并且光谱仪效率仍较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，对面形的入射光具有更高的探测效率且芯片体积小。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，其特征在于：包含线性滤光片阵列和探测器阵列，线性滤光片阵列由多片线性滤光片沿宽度方向阵列构成，线性滤光片阵列中各片线性滤光片的光谱变化范围不同且所有线性滤光片的光谱变化范围整体连续变化。
进一步地，所述线性滤光片阵列中多片线性滤光片的光谱宽度相等，相邻线性滤光片的光谱沿同一方向连续变化并且相邻线性滤光片两个光谱变化范围叠加后依然呈连续变化。
进一步地，所述探测器阵列中的探测器单元呈矩形阵列分布，探测器单元总数为n，探测器阵列的探测器单元行数为m，每一行探测器单元数为n/m。
进一步地，所述探测器单元总数n由入射光的波长范围和光谱分辨率Δλ确定。
进一步地，所述线性滤光片阵列在一个基底上制作或在多个基底上制作再拼接而成。
进一步地，所述线性滤光片的光谱渐变范围为Δλ×n/m
进一步地，所述探测器单元总数n取64-1024之间的整数。
进一步地，所述探测器阵列的探测器单元行数为m取2-10之间的整数，且m和n的取值需保证每一行探测器单元数为n/m为整数。
进一步地，所述探测器阵列材质采用硅、镓砷、铟镓砷和锗中的一种或几种的组合。
进一步地，所述线性滤光片阵列和探测器阵列通过硅胶固定或半导体工艺集成在芯片上。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本发明将线性滤光片改变成线性滤光片阵列，同时探测器阵列排布方式也与之相应调整，根据探测器单元尺寸、阵列数和光谱探测范围，设计成方形或矩形的线性滤光片阵列，使芯片对面形的入射光具有更高的探测效率；
2、本发明在同样的总光谱变化范围下，芯片的尺寸更小，本发明将整条线性滤光片分隔为相同宽度的滤光片并沿宽度方向进行阵列排布，从而使滤光片从细长的长方形变成接近方形，整体结构更加紧凑，而且与之相对的探测器阵列也可以相应的缩小面积，假设原来的条形探测器阵列的长度为L、宽度为w，宽度<<长度，聚焦后的圆形光斑直径R1，现在面阵探测器阵列长度为L/m的正方形，光斑可聚焦为直径R1/m的圆，实现每个探测器单元光强提高m2倍，极大提高光谱仪的探测效率。
附图说明
图1是本发明的一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片的示意图。
图2是本发明的线性滤光片阵列和探测器阵列的波长示意图。
图3是现有技术的线性滤光片和探测器阵列工作示意图。
图4是现有技术的面状入射光经过光学系统后的聚焦光斑面积以及探测芯片在聚焦光斑的示意图。
图5是本发明的面状入射光经过光学系统后的聚焦光斑面积以及改进后的探测芯片在聚焦光斑的示意图。
具体实施方式
为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，包含线性滤光片阵列和探测器阵列，线性滤光片阵列由多片线性滤光片沿宽度方向阵列构成，线性滤光片阵列中各片线性滤光片的光谱变化范围不同且所有线性滤光片的光谱变化范围整体连续变化。对于滤光片部分的结构，在同样的光谱变化范围下，本发明相当于将一整条长条形的线性滤光片分割成为了多条等宽的线性滤光片，并将这些分割出来线性滤光片沿着宽度方向进行阵列排布形成一个接近方形的线性滤光片阵列，得到了面形的滤光片从而提高了对面形入射光的探测效率，而且在同样光谱变化范围下，本发明的芯片的尺寸可以更加的小。
线性滤光片阵列总体的光谱渐变范围为λ1到λn，则每一行的线性滤光片的光谱变化范围的宽度为(λ1-λn)/m。本发明将传统光谱分辨芯片由一维线列转变成n/m × m的二维阵列，分辨光谱的芯片面积由条形光转变为面阵光，减少光谱仪系统的光学损耗，降低系统的光学设计难度，提高了微型光谱仪的探测效率。线性滤光片阵列在探测器阵列上方，入射光经过线性滤光片阵列之后，将入射光按线性滤光片阵列设计在不同位置分为不同波长的光，入射到对应的探测器阵列，实现对不同波长信号光强度的准确提取，进而获得入射光光谱信息。
线性滤光片阵列中多片线性滤光片的光谱宽度相等，相邻线性滤光片的光谱沿同一方向连续变化并且相邻线性滤光片两个光谱变化范围叠加后依然呈连续变化。如图2所示，第一行线性滤光片的波长范围为λ1到λn/m，第2行线性滤光片的波长范围为λn/m+1到λ2n/m，以此类推，第m行线性滤光片的波长范围为λn-n/m+1到λn。
线性滤光片阵列可以在一个基底上制作，也可以在多个基底上制作再拼接而成。
如图2所示，探测器阵列中的探测器单元呈矩形阵列分布，探测器单元总数为n，探测器阵列的探测器单元行数为m，每一行探测器单元数为n/m。探测器单元总数n由入射光的波长范围和光谱分辨率Δλ确定。
线性滤光片的光谱渐变范围为Δλ×n/m探测器单元总数n取64-1024之间的整数。探测器阵列的探测器单元行数为m取2-10之间的整数，且m和n的取值需保证每一行探测器单元数为n/m为整数。
探测器阵列材质采用硅、镓砷、铟镓砷和锗中的一种或几种的组合，以满足光谱分辨需求。线性滤光片阵列可通过硅胶与探测器阵列固定，也可以通过半导体工艺将线性滤光片阵列和探测器阵列集成。本发明的具有光谱分辨的探测器阵列芯片可分辨的光谱波长范围300nm-2600nm。
本发明将线性滤光片改变呈线性滤光片阵列，同时探测器阵列排布方式也与之相应调整，根据探测器单元尺寸、阵列数和光谱探测范围，设计成方形或矩形的线性滤光片阵列，使芯片对面形的入射光具有更高的探测效率；本发明在同样的总光谱变化范围下，芯片的尺寸更小，本发明将整条线性滤光片分隔为相同宽度的滤光片并沿宽度方向进行阵列排布，从而使滤光片从细长的长方形变成接近方形，整体结构更加紧凑，而且与之相对的探测器阵列也可以相应的缩小面积，如图5所示，假设原来的条形探测器阵列的长度为L、宽度为w，宽度<<长度，聚焦后的圆形光斑直径R1，现在面阵探测器阵列长度为L/m的正方形，光斑可聚焦为直径R1/m的圆，实现每个探测器单元光强提高m2倍，极大提高光谱仪的探测效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，其特征在于：包含线性滤光片阵列和探测器阵列，线性滤光片阵列由多片线性滤光片沿宽度方向阵列构成，线性滤光片阵列中各片线性滤光片的光谱变化范围不同且所有线性滤光片的光谱变化范围整体连续变化。
2.根据权利要求1所述的一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，其特征在于：所述线性滤光片阵列中多片线性滤光片的光谱宽度相等，相邻线性滤光片的光谱沿同一方向连续变化并且相邻线性滤光片两个光谱变化范围叠加后依然呈连续变化。
3.根据权利要求1所述的一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，其特征在于：所述探测器阵列中的探测器单元呈矩形阵列分布，探测器单元总数为n，探测器阵列的探测器单元行数为m，每一行探测器单元数为n/m。
4.根据权利要求3所述的一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，其特征在于：所述探测器单元总数n由入射光的波长范围和光谱分辨率Δλ确定。
5.根据权利要求4所述的一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，其特征在于：所述线性滤光片阵列在一个基底上制作或在多个基底上制作再拼接而成。
6.根据权利要求1所述的一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，其特征在于：所述线性滤光片的光谱渐变范围为Δλ×n/m。
7.根据权利要求3所述的一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，其特征在于：所述探测器单元总数n取64-1024之间的整数。
8.根据权利要求7所述的一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，其特征在于：所述探测器阵列的探测器单元行数为m取2-10之间的整数，且m和n的取值需保证每一行探测器单元数为n/m为整数。
9.根据权利要求1所述的一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，其特征在于：所述探测器阵列材质采用硅、镓砷、铟镓砷和锗中的一种或几种的组合。
10.根据权利要求1所述的一种具有光谱分辨的探测器阵列芯片，其特征在于：所述线性滤光片阵列和探测器阵列通过硅胶固定或半导体工艺集成在芯片上。
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