CN116907644A - 滤光片阵列、光谱传感器、成像模组、物质检测设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学技术领域，提供了滤光片阵列、光谱传感器、物质制备系统、设备及方法，其中，滤光片阵列，包括：多个滤光片组，每个滤光片组包括多个子滤光片，每个滤光片组中的各子滤光片按照预设规则排列，分别用于穿过不同波长的光线；每个滤光片组中各子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值。由于每个滤光片组中各子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值，能够有效解决由于滤光片中相邻滤光片之间存在的光谱串扰现象，从而有效避免由于光谱串扰现象导致的物质检测误差问题，提高基于光谱传感器对物质检测的准确性。

Description

滤光片阵列、光谱传感器、成像模组、物质检测设备及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种滤光片阵列、多通道光谱传感器、物质检测方法及设备。

背景技术

基于滤光片的多通道光谱传感器由滤光片阵列和基于CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）技术构建的图像传感器两层组成。

其中，滤光片阵列中各波长的滤光片分别覆盖一个CMOS像素点。目前，滤光片阵列中各滤光片的排列方式一般是按照波长大小顺序来排列，采用该排列方式的滤光片阵列对物质进行检测时，如果滤光片阵列中某个滤光片的波长光强过高，则与其相对应的CMOS像素点的信号就会溢出至与该滤光片相邻的滤光片所对应的CMOS像素点上，导致其也产生光强。这样就导致出现光谱串扰现象，无法判断相邻的滤光片所对应的CMOS像素点的信号产生原因，影响基于光谱传感器对目标物检测的准确性。

发明内容

本申请实施例提供了一种滤光片阵列、光谱传感器、物质检测系统、设备及方法，旨在解决现有技术中基于光谱传感器进行物质检测时，由于滤光片阵列中相邻的滤光片之间存在光谱串扰现象，导致的物质检测误差问题，以提高基于光谱传感器对物质检测的准确性。

第一方面，本申请实施例提供一种滤光片阵列，包括：多个滤光片组，每个滤光片组包括多个子滤光片，每个滤光片组中的各子滤光片按照预设规则排列，分别用于穿过不同波长的光线；每个滤光片组中各子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值。

在一实施例中，多个滤光片组构成四个象限子阵列，每个象限子阵列分别包括至少一个滤光片组。

在一实施例中，每个滤光片组包括4个子滤光片，4个子滤光片组成2×2滤光片子矩阵阵列；2×2滤光片子矩阵阵列中相邻子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值。

在一实施例中，四个象限子阵列构成4×4滤光片矩阵阵列，4×4滤光片矩阵阵列中相邻子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值。

在一实施例中，4×4滤光片矩阵阵列中相邻子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值为120nm。

第二方面，本申请实施例提供一种光谱传感器，包括如上第一方面所述的滤光片阵列和像素阵列，该像素阵列包括多个像素单元，该像素阵列的各像素单元与滤光片阵列的各子滤光片之间对应设置，该像素阵列被配置成用于接收穿过滤光片阵列的光线以生成电信号，得到光谱数据。

在一实施例中，像素阵列包括不同类型的像素单元。

第三方面，本申请实施例提供了一种物质检测系统，包括如上第二方面所述的光谱传感器、光源及物质检测设备；其中，光源用于向待检测物质发射不同波长的光线；光谱传感器用于获取待检测物质的光谱数据；物质检测设备用于分析对应的光谱数据，得到待检测物质的组成成分。

第四方面，本申请实施例提供了一种物质检测设备，包括：处理器、存储器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序以实现如下步骤：获取光谱传感器得到的待检测物质的光谱数据；对光谱数据进行分析，得到待检测物质的组成成分。

第五方面，本申请实施例提供一种物质检测方法，该物质检测方法应用于如上第四方面所述的物质检测设备，该物质检测方法，包括：获取光谱传感器得到的待检测物质的光谱数据；对待检测物质的光谱数据进行分析，得到待检测物质的组成成分。

本申请实施例提供了滤光片阵列、光谱传感器、物质制备系统、设备及方法，其中，滤光片阵列，包括：多个滤光片组，每个滤光片组包括多个子滤光片，每个滤光片组中的各子滤光片按照预设规则排列，分别用于穿过不同波长的光线；每个滤光片组中各子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值。由于每个滤光片组中各子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值，能够有效解决由于滤光片中相邻滤光片之间存在的光谱串扰现象，从而有效避免由于光谱串扰现象导致的物质检测误差问题，提高基于光谱传感器对物质检测的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的滤光片阵列的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的光谱传感器的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的物质检测系统的结构示意；

图4为本申请实施例提供的物质检测设备的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的物质检测方法的流程示意图。

具体实施方式

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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本申请实施例通过提供一种滤光片阵列、光谱传感器、物质检测系统、设备及方法，用于解决现有技术中基于光谱传感器进行物质检测时，由于滤光片阵列中相邻的滤光片之间存在光谱串扰现象，导致的物质检测误差问题，以提高基于光谱传感器对物质检测的准确性。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的滤光片阵列的结构示意图。

由图1可知，本申请实施例提供的滤光片阵列10包括：多个滤光片组101，每个滤光片组101包括多个子滤光片102，每个滤光片组101中的各子滤光片102按照预设规则排列，分别用于穿过不同波长的光线；每个滤光片组101中各子滤光片102穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值。

示例性地，每个滤光片组101中的各子滤光片102可以按照能够穿过的光线对应的波长值错开进行排列，例如，通过将相邻两个子滤光片102能够穿过的光线对应的波长差设为预设值，以将相邻子滤光片能够穿过的光线对应的波长值错开，以避免发生光线串扰的现象。

示例性地，如图1所示，多个滤光片组101构成四个象限子阵列。在该四个象限子阵列中，每个象限子阵列分别包括一个滤光片组101。示例性地，每个滤光片组101包括4个子滤光片102，4个子滤光片102组成2×2滤光片子矩阵阵列；2×2滤光片子矩阵阵列中相邻子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值。应理解，每个象限子阵列可以包括多个滤光片组101，本实施例仅示例性地示出每个象限子阵列包括一个滤光片组101，其并不构成对象限子阵列的限定。

进一步地，由图1可知，四个象限子阵列构成4×4滤光片矩阵阵列，4×4滤光片矩阵阵列中相邻子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值。具体地，预设波长差阈值为120nm。需要说明的是，在现有技术中，滤光片的排列方式是按照能够穿过的光线的波长大小依次顺序进行的，会导致出现波长溢出的弊端，在基于包括对应滤光片阵列的光谱传感器进行物质检测时会出现不准确的情况。本申请实施例通过将每个滤光片能够穿过的光线的波长值进行错开排列，使得相邻滤光片能够穿过的光线对应的波长相差预设波长阈值，能够有效防止波长溢出导致的干扰。因理解，在本申请实施例中，取预设波长差阈值为120nm，为能偶有效防止波长溢出导致的干扰最小，该预设波长差阈值并不是唯一值，也就是说，本申请实施例并不对具体的预设波长差阈值做限定。

如图1所示，本申请实施例通过四个象限子阵列构成4×4滤光片矩阵阵列，图2中每个方块代表一个子滤光片，在16个子滤光片上能够穿过不同波长的光线。例如，假设该四个象限子阵列能够穿过可见光，对应的波形范围为300-750nm，每个象限子阵列由一个2×2阵列构成。可以将每个2×2阵列看作是数学上的第一、二、三、四象限。以λ值代表各波长值，假设16个子滤光片能够穿过的光线对应分别为：λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7、λ8、λ9、λ10、λ11、λ12、λ13、λ14、λ15、λ16；则分别对应300、330、360、390、420、450、480、510、540、570、600、630、660、690、720、750nm。通过对不同波长的滤光片进行排序，形成的像素阵列如图2所示。以第二象限为例，在该2×2阵列中，为了确定出光的强度，将λ1(300nm)、λ5(420nm)、λ9(540nm)、λ13(660nm)排列在一起，各个波长之间相差120nm。当光源经过该阵列时，只有特定颜色的光能透过滤光片，将每个滤光片能够穿过的光线的波长值差值变大，则可以确定每个出射的光强度。需要说明的是，滤光片是用于选择特定波长的光线的光学元件。它们通过选择特定的波长范围，可以让通过的光线只包含特定波长的光。当滤光片之间的波长差异较大时，每个出射的光束会具有更明显的波长特征，从而使得测量或分析光的强度更加准确。在本实施例中，通过增加滤光片之间的波长差值，可以增加光束的波长分辨率，使得光强度的测量结果更加精确。这对于需要精确测量不同波长光线的应用非常重要，例如光谱分析、光学传感器等。

因此，通过增大滤光片的波长值差值，可以提高光束的波长分辨率，进而确定每个出射的光强度，使光学测量和分析更加准确和可靠。若四个滤光片的波长值较近，则包括对应滤光片阵列的光谱传感器如CMOS传感器中某像素点接收的光强达到饱和，光则会溢出至相邻滤光片上，无法判断出作用光。因此，采用将波长值错开的方式能够避免由于光谱串扰现象导致的物质检测误差问题，提高基于光谱传感器对物质检测的准确性。

通过上述分析可知，本申请实施例提供的滤光片阵列，包括：多个滤光片组，每个滤光片组包括多个子滤光片，每个滤光片组中的各子滤光片按照预设规则排列，分别用于穿过不同波长的光线；每个滤光片组中各子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值。由于每个滤光片组中各子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值，能够有效解决由于滤光片中相邻滤光片之间存在的光谱串扰现象，从而有效避免由于光谱串扰现象导致的物质检测误差问题，提高基于光谱传感器对物质检测的准确性。

请参阅图2所示，图2为本申请实施例提供的光谱传感器的结构示意图。

如图2所示，该光谱传感器20包括滤光片阵列10和像素阵列30。其中，像素阵列30包括多个像素单元301，像素阵列30的各像素单元301与滤光片阵列10的各子滤光片102之间对应设置，像素阵列30被配置成用于接收穿过滤光片阵列10的光线以生成电信号，得到光谱数据。

其中，像素阵列30由多个像素单元301组成，每个像素单元301是光敏元件，用于转换光线为电信号。每个像素单元301对应滤光片阵列10的子滤光片102，以选择特定波长的光线。本申请实施例通过将像素单元集成到像素阵列中，可以实现高分辨率的光谱成像，像素阵列接收到滤光片阵列穿过的光线转换为电信号。此外，像素阵列中可以集成不同类型的像素单元，可以实现多模式成像。例如，可以同时获得彩色图像和光谱图像，以及其它特定模式下的图像数据。这种多模式成像技术在医学成像、遥感和科学研究中具有潜在应用。

综上，本申请实施例提供的光谱传感器能够应用于多通道光谱分析、光谱图像处理、高分辨光谱成像、光谱数据采集与处理以及多模式成像等领域。其在光谱成像和光谱分析方面的广泛应用，提高了光学系统的性能和功能。

请参阅图3所示，图3为本申请实施例提供的物质检测系统的结构示意。

如图3所示，该物质检测系统30包括光谱传感器20、光源40以及物质检测设备50。

其中，光源40用于向待检测物质发射不同波长的光线；光谱传感器20用于获取待检测物质的光谱数据；物质检测设备50用于分析光谱传感器20获取的待检测物质的光谱数据，得到待检测物质的组成成分。

具体地，光源40可以使用具有多个波长发射能力的光源，例如LED阵列或者激光二极管。通过使用多波长光源，可以同时提供不同波长的光线，以覆盖更广泛的光谱范围。这对于检测物质的不同特征和化学成分具有重要意义，从而提供更丰富和准确的光谱数据。

光谱传感器20可以采用高分辨率的光学元件，例如光栅或者干涉仪。这种传感器可以提供更详细和精确的光谱数据，以获取待检测物质的更细微的光谱特性。高分辨率光谱传感器可以提高物质检测设备的灵敏度和准确性。

物质检测设备50可以采用先进的光谱分析算法，对光谱数据进行处理和解析。这些算法可以识别光谱中的特征峰值、吸收谷和波长变化，以确定待检测物质的组成成分。光谱分析算法可以利用光谱库、模式识别和机器学习等技术，提高物质检测的准确性和速度。

此外，为了确保光谱数据的准确性和可比性，物质检测设备50可以进行光谱校正和标定。这可以通过使用标准样品进行校准，调整光源的发射强度和光谱传感器的响应特性，以提高测量的准确性和可靠性。校正和标定可以减少策略误差，提高待检测物质组成成分的测量精度。

进一步地，物质检测设备50可以实现实时监测和反馈控制功能。通过快速采集和分析光谱数据，物质检测设备50可以即时监测待检测物质的组成成分，并根据需要进行调整和控制。这种实时监测和反馈控制有助于实现自动化生产过程中的质量控制和及时纠正。

综上所述，本申请实施提供的物质检测系统，通过使用多波长光源、高分辨率光谱传感器，可以使物质检测设备能够准确获取待检测物质的组成成分，提高物质检测的准确性。

请参阅图4所示，图4为本申请实施例提供的物质检测设备的结构示意图。

该物质检测设备50可以是终端设备或者服务器，其中，终端设备包括手机、PAD、个人数字机、智能可穿戴设备等。服务器包括本地服务器、云服务器或者服务器集群等。

由图4可知，该物质检测设备50包括：处理器501、存储器502以及存储在存储器502上并可在处理器501上运行的计算机程序503。其中，处理器501和存储器502通过系统总线504连接，存储器502包括非易失性存储介质和内存储器。

非易失性存储介质可存储计算机程序503，该计算机程序503包括程序指令，该程序指令被处理器501执行时，以实现如下步骤：获取光谱传感器得到的待检测物质的光谱数据；对获取的待检测物质的光谱数据进行分析，得到待检测物质的组成成分。

处理器501用于提供计算和控制能力，支撑整个物质检测设备的运行。内存储器为非易失性存储介质中的计算机程序提供运行环境，本领域技术人员应该理解，图4仅示出了与本申请方案相关的物质检测设备的部分结构框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的限定。具体地，物质检测设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

应当理解的是，处理器501可以是中央处理单元 (Central Processing Unit，CPU)，该处理器501还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路 (Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。其中，通用处理器501可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

其中，存储器502可以是Flash芯片、只读存储器、磁盘、光盘、U盘或者移动硬盘等等。

本申请的实施例中还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序中包括程序指令，处理器执行该程序指令，实现本申请实施例提供的物质检测方法。

其中，该计算机可读存储介质可以是前述实施例提供的物质检测设备的内部存储单元，例如物质检测设备的硬盘或内存。该计算机可读存储介质也可以是物质检测设备的外部存储设备，例如物质检测设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。

请参阅图5所示，图5为本申请实施例提供的物质检测方法的流程示意图。

由图5可知，该物质检测方法应用于图4所示的物质检测设备，可以由物质检测设备的硬件或者软件执行实现。由图5可知，该物质检测方法包括步骤S601至步骤S602。详述如下：

S601：获取光谱传感器得到的待检测物质的光谱数据。

具体地，光谱传感器获取待检测物质的光谱数据。光谱传感器是一种可以接收、测量和记录特定波长范围内的光信号的装置。它包括前面实施例所述的滤光片阵列和像素阵列。光谱传感器通过滤光片阵列接收经过待检测物质后的光线，并通过像素阵列将其转换为电信号，通过记录这些电信号，生成一组数据，表示待检测物质的光谱特征。

这些光谱数据通常以离散的方式呈现，其中包含了不同波长下的光强度信息。这些数据可以用图表或数字形式表示，为进一步分析提供基础。

S602：对获取的待检测物质的光谱数据进行分析，得到待检测物质的组成成分。

具体地，对获取的待检测物质的光谱数据进行分析，包括：对光谱数据进行特征识别，即识别光谱中的峰值、吸收谷或特定波长处的变化等特征。这些特征可能与待检测物质的组成成分相关。此外，在对光谱数据进行分析之前，还可以对光谱数据进行必要的数据处理，如峰值检测、背景校正、数据平滑或噪声过滤等。这些处理方法旨在增强信号、减少干扰并提高数据质量。然后利用已知的光谱库、参考标准或理论模型，将光谱数据与预先确定的光谱特征进行比较和匹配。通过比对，可以推断出待检测物质的可能组成成分。根据光谱数据的强度和特征，结合定量分析算法和校准曲线，进行定量分析，确定待检测物质中不同成分的浓度或含量。将分析得到的结果以合适的形式呈现，如图表、图像或报告。这样可以使操作者更直观地了解待检测物质的组成成分。

通过对光谱数据的分析，可以获得关于待检测物质的化学成分、浓度、质量特征或其他相关信息，为进一步的判定、诊断或决策提供依据。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种滤光片阵列，其特征在于，包括：多个滤光片组，每个所述滤光片组包括多个子滤光片，每个所述滤光片组中的各子滤光片按照预设规则排列，分别用于穿过不同波长的光线；每个所述滤光片组中各子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值。

2.根据权利要求1所述的滤光片阵列，其特征在于，所述多个滤光片组构成四个象限子阵列，每个所述象限子阵列分别包括至少一个滤光片组。

3.根据权利要求1或2所述的滤光片阵列，其特征在于，每个所述滤光片组包括4个子滤光片，所述4个子滤光片组成2×2滤光片子矩阵阵列；所述2×2滤光片子矩阵阵列中相邻子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值。

4.根据权利要求2所述的滤光片阵列，其特征在于，所述四个象限子阵列构成4×4滤光片矩阵阵列，所述4×4滤光片矩阵阵列中相邻子滤光片穿过的光线之间的波长差大于等于预设波长差阈值。

5.根据权利要求1至3任一项所述的滤光片阵列，其特征在于，所述预设波长差阈值为120nm。

6.一种光谱传感器，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的滤光片阵列和像素阵列，所述像素阵列包括多个像素单元，所述像素阵列的各像素单元与所述滤光片阵列的各子滤光片之间对应设置，所述像素阵列被配置成用于接收穿过所述滤光片阵列的光线以生成电信号，得到光谱数据。

7.根据权利要求6所述的光谱传感器，其特征在于，所述像素阵列包括不同类型的像素单元。

8.一种物质检测系统，其特征在于，包括如权利要求6或7所述的光谱传感器、光源以及物质检测设备；

所述光源用于向待检测物质发射不同波长的光线；

所述光谱传感器用于获取所述待检测物质的光谱数据；

所述物质检测设备用于分析所述光谱数据，得到所述待检测物质的组成成分。

9.一种物质检测设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现如下步骤：

获取光谱传感器得到的待检测物质的光谱数据；

对所述光谱数据进行分析，得到所述待检测物质的组成成分。

10.一种物质检测方法，其特征在于，所述物质检测方法应用于权利要求8所述的物质检测设备，所述物质检测方法，包括：

获取光谱传感器得到的待检测物质的光谱数据；

对所述光谱数据进行分析，得到所述待检测物质的组成成分。