CN118111559A - 线阵spad阵列拼接结构及光谱仪、时间门控拉曼光谱仪 - Google Patents
线阵spad阵列拼接结构及光谱仪、时间门控拉曼光谱仪 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及线阵SPAD阵列拼接结构及光谱仪、时间门控拉曼光谱仪，所述线阵SPAD阵列拼接结构包括：三个SPAD线阵芯片以平行交错的拼接方式以及板上芯片封装的方式固定在PCB板上，其中，SPAD线阵芯片的感光区域通过所述SPAD线阵芯片上的导线连接到所述SPAD线阵芯片上的电路模块，传感器电源和输入、输出I/O口通过Pi n管脚与外界设备相连接，Pi n管脚通过跳线绑定到PCB板的Pad管脚上，PCB板将三个SPAD线阵芯片的所述传感器电源和输入、输出I/O口整合，与数据处理设备连接，PCB板的小孔与外壳固定，光透过光窗以防止光敏区污染。本申请能够保证光谱PDE的同时在可见光有好的时间抖动性能，满足时间门控拉曼的信噪比和荧光抑制的要求。
Description
技术领域
本申请涉及光电探测领域，尤其涉及一种线阵SPAD阵列拼接结构、系统及方法。
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，光谱仪用于拉曼光谱分析时需要满足高灵敏度(拉曼光信号弱)，传统用于便携拉曼光谱仪的探测器阵列是电荷耦合器件(CCD)阵列，近年来，将单光子雪崩二极管(SPAD)阵列作为拉曼光谱仪的探测器有其独特的优势。
对于常规基于连续光激光器和连续光探测器的拉曼光谱仪，在进行材料和器件分析时，如显微激光共聚焦拉曼光谱仪会配置不同波长如325nm、532nm、633nm、785nm的激光器，对不同样品分析需求采用不同波长。在实际基于脉冲激光和光子计数探测器的时间门控拉曼光谱中，为实现荧光抑制效果，难以用一个SPAD探测器在宽光谱同时满足探测效率PDE、时间抖动Time jitter、暗计数率DCR的需求，而使用多个探测器则会增加光机系统的复杂度。
综上，适应现有技术中难以用一个SPAD探测器在宽光谱同时满足探测效率PDE、时间抖动Time jitter、暗计数率DCR的需求，而使用多个探测器则会增加光机系统的复杂度等问题，本申请人出于解决该问题的考虑作出相应的探索。
发明内容
本申请的目的在于解决上述问题而提供一种线阵SPAD阵列拼接结构及光谱仪、时间门控拉曼光谱仪。
为满足本申请的各个目的，本申请采用如下技术方案：
适应本申请的目的之一而提出的一种线阵SPAD阵列拼接结构，包括：
三个SPAD线阵芯片以平行交错的拼接方式以及板上芯片封装的方式固定在PCB板上，其中，SPAD线阵芯片的感光区域通过所述SPAD线阵芯片上的导线连接到所述SPAD线阵芯片上的电路模块，传感器电源和输入、输出I/O口通过Pin管脚与外界设备相连接，Pin管脚通过跳线绑定到PCB板的Pad管脚上，PCB板将三个SPAD线阵芯片的所述传感器电源和输入、输出I/O口整合，与数据处理设备连接，PCB板的小孔与外壳固定，光透过光窗以防止光敏区污染。
可选的,所述SPAD线阵芯片包括硅基薄结SPAD或红外增强SPAD的一项或任意多项；
所述SPAD线阵芯片通过板上芯片封装的方式封装在PCB板上。
可选的,所述三个线阵SPAD阵列为三种不同光谱响应的传感器时，则拓宽传感器的光谱响应，以提高光谱仪的光谱范围。
可选的,所述三个线阵SPAD阵列为同一种光谱响应的传感器时，则获得更长的传感器，以提高阵列的像素个数。
适应本申请的另一目的而提出的一种光谱仪，应用包含上述的线阵SPAD阵列拼接结构，包括：
入射光经过狭缝，经过准直镜反射后准直照射到光栅，经过光栅衍射分光后，聚光镜将阶衍射光线会聚到探测面上，在照射到探测器前采用线性滤光片滤光，所述探测器工作在单光子计数的模式以探测宽带的连续光，所述探测器为线阵SPAD阵列拼接结构。
可选的，所述准直镜为凹面球面反射镜。
可选的，所述光栅为反射式刻线光栅或反射式全息光栅。
可选的，所述聚光镜为凹面球面反射镜。
适应本申请的另一目的而提出的一种时间门控拉曼光谱仪，应用包含上述的线阵SPAD阵列拼接结构，包括：
激光器发射激光到二向色镜并传输与光脉冲同步的电信号至探测器，激光器经过二向色镜反射到样品后，收集回来的拉曼信号，经过二向色镜透射到滤光片上，滤光片根据激光器波长随时切换，经过滤光片的拉曼信号进入拉曼光谱仪，首先经过狭缝，再经过分光系统，最后进入所述探测器，所述探测器为线阵SPAD阵列拼接结构。
可选的，所述激光器为皮秒脉冲激光器。
相对于现有技术，针对现有技术中难以用一个SPAD探测器在宽光谱同时满足探测效率PDE、时间抖动Time jitter、暗计数率DCR的需求，而使用多个探测器则会增加光机系统的复杂度等问题，本申请包括但不限于如下有益效果：
其一，本申请的线阵SPAD阵列拼接结构，能够实现时间门控拉曼系统的荧光抑制效果，满足SPAD探测器在光谱系统中宽谱段的探测效率PDE、时间抖动Time jitter、暗计数率DCR等的性能要求；SPAD的探测效率PDE、时间抖动Time jitter是两个需要平衡的参数，硅基红外增强SPAD通过增加结深的方法提高PDE，往往会恶化Time jitter，且可见光激发的拉曼光谱由于荧光抑制需求对Time jitter要求较高，因此时间门控拉曼不能用同一个SPAD满足宽谱段需求。而不同类型的SPAD采用的是不同加工工艺制造出来的，难以在同一片晶圆上完成加工，因此本文采用封装的拼接方法，可将不同类型的SPAD阵列拼接在一起，从而保证SPAD探测器宽谱段的探测效率PDE、时间抖动Time jitter；
其二，本申请的线阵SPAD阵列拼接结构，通过PCB板结合板上芯片封装(COB)技术，相比其他衬底，实施方式和信号读出更加简便；
其三，本申请的线阵SPAD阵列拼接结构，能够增加线阵SPAD的长度，从而提高光谱仪的光谱范围和光谱分辨率，当下大部分的SPAD阵列是针对激光雷达(Lidar)等应用研发的，为了提高芯片产率，将芯片面积做的较小，但用于拉曼光谱应用往往探测器的长度不够。使用3个不同的SPAD阵列或用3个相同的SPAD阵列拼在一起，都能使得线阵探测器的长度更长，提高阵列的像素个数。这样在光谱分辨率固定的情况下，提高光谱范围；或者通过改变光栅的刻线或聚光镜的焦距，使光谱散得更开，在光谱范围固定的情况下，实现更高的光谱分辨率；
其四，本申请的线阵SPAD阵列拼接结构，结构紧凑，光强利用率高。芯片级封装相比组件级封装，拼成一个相对紧凑的大的线阵，光谱仪探测面前的光若经过柱面镜压缩后形成线光斑可刚好覆盖大的线阵，相比直接将三个封装好的传感器拼接起来，线阵的各个感光区域平行距离更窄，光强的利用率更高。
进一步的，本申请能够保证光谱PDE的同时在可见光有好的时间抖动性能，满足时间门控拉曼的信噪比和荧光抑制的要求。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例中线阵SPAD阵列拼接结构的示意图；
图2为本申请实施例中线阵SPAD阵列拼接结构测试汞灯光谱响应的示意图；
图3为本申请实施例中线阵SPAD阵列拼接结构具体应用的示意图；
图4为本申请实施例中线阵SPAD阵列拼接结构应用于光谱仪的示意图；
图5为本申请实施例中线阵SPAD阵列拼接结构应用于时间门控拉曼光谱仪的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本申请即将揭示的各个实施例，除非明文指出彼此之间的相互排斥关系，否则，各个实施例所涉的相关技术特征可以交叉结合而灵活构造出新的实施例，只要这种结合不背离本申请的创造精神且可满足现有技术中的需求或解决现有技术中的某方面的不足即可。对此变通，本领域技术人员应当知晓。
在时间门控拉曼系统中，由于拉曼信号很弱，信噪比要求SPAD有足够高的PDE和低DCR，其次要保证SPAD的Time jitter足够低而减少门宽来提高荧光抑制的效果，在可见光激发谱段荧光背底会比红外激发的更强，因此可见光波段需要更好的时间性能Timejitter来实现荧光抑制。目前，硅基SPAD阵列由于DCR低而适合拉曼应用，在可见光区域，常规的平面薄结SPAD如意大利Micro Photon Devices的PDE为49％@550nm，Time jitter是35ps较低，DCR为25Hz。但硅基SPAD由于能带限制，短波红外的PDE很低，为提高红外区域的PDE，SPAD需要增加结深等方法来提高PDE，这会造成时间抖动性能变差，通常探测器的时间抖动会达到百皮秒的量级。平面厚结SPAD的典型PDE为65％@650nm，Time jitter是400ps过高，DCR为25Hz。
在参考上述示例性场景的基础上，请参阅图1，本申请的线阵SPAD阵列拼接结构在其一个实施例中，包括：
三个SPAD线阵芯片以平行交错的拼接方式以及板上芯片封装的方式固定在PCB板上，其中，SPAD线阵芯片的感光区域通过所述SPAD线阵芯片上的导线连接到所述SPAD线阵芯片上的电路模块，传感器电源和输入、输出I/O口通过Pin管脚与外界设备相连接，Pin管脚通过跳线绑定到PCB板的Pad管脚上，PCB板将三个SPAD线阵芯片的所述传感器电源和输入、输出I/O口整合，与数据处理设备连接，PCB板的小孔与外壳固定，光透过光窗以防止光敏区污染。
具体地，如图1所示，将三个SPAD线阵芯片5、6和7按照图1的方式平行交错的拼接并用绝缘胶水固定在PCB板8上，其中，SPAD线阵芯片的感光区域1,通过该SPAD线阵芯片上的导线2连接到该SPAD线阵芯片上电路模块3，电路模块3包括淬灭、计数、计时、内存等功能，传感器电源和输入输出I/O口等通过Pin管脚4与外界设备相连接，SPAD线阵芯片使用板上芯片封装(COB)的方式，Pin管脚4通过跳线绑定到PCB板8上面的Pad管脚上，PCB板将三个SPAD线阵芯片的电源、I/O口整合，与数据处理设备连接，PCB板的小孔9可与外壳固定，光可透过光窗10以防止光敏区污染，具有保护光敏区的作用。
更具体地，请参阅图2，在光谱仪分光后，用汞灯标定光谱，光谱范围11、12和13分别对应线阵SPAD阵列拼接结构中三个SPAD线阵芯片5、6和7的空间位置，SPAD线阵芯片可以选择硅基薄结SPAD、红外增强SPAD等，以满足拉曼系统荧光抑制对不同波长的探测效率PDE、时间抖动Time jitter、暗计数率DCR的需求。
相对于现有技术，针对现有技术中难以用一个SPAD探测器在宽光谱同时满足探测效率PDE、时间抖动Time jitter、暗计数率DCR的需求，而使用多个探测器则会增加光机系统的复杂度等问题，本申请包括但不限于如下有益效果：
其一，本申请的线阵SPAD阵列拼接结构，能够实现时间门控拉曼系统的荧光抑制效果，满足SPAD探测器在光谱系统中宽谱段的探测效率PDE、时间抖动Time jitter、暗计数率DCR等的性能要求；SPAD的探测效率PDE、时间抖动Time jitter是两个需要平衡的参数，硅基红外增强SPAD通过增加结深的方法提高PDE，往往会恶化Time jitter，且可见光激发的拉曼光谱由于荧光抑制需求对Time jitter要求较高，因此时间门控拉曼不能用同一个SPAD满足宽谱段需求。而不同类型的SPAD采用的是不同加工工艺制造出来的，难以在同一片晶圆上完成加工，因此本文采用封装的拼接方法，可将不同类型的SPAD阵列拼接在一起，从而保证SPAD探测器宽谱段的探测效率PDE、时间抖动Time jitter；
其二，本申请的线阵SPAD阵列拼接结构，通过PCB板结合板上芯片封装(COB)技术，相比其他衬底，实施方式和信号读出更加简便；
其三，本申请的线阵SPAD阵列拼接结构，能够增加线阵SPAD的长度，从而提高光谱仪的光谱范围和光谱分辨率，当下大部分的SPAD阵列是针对激光雷达(Lidar)等应用研发的，为了提高芯片产率，将芯片面积做的较小，但用于拉曼光谱应用往往探测器的长度不够。使用3个不同的SPAD阵列或用3个相同的SPAD阵列拼在一起，都能使得线阵探测器的长度更长，提高阵列的像素个数。这样在光谱分辨率固定的情况下，提高光谱范围；或者通过改变光栅的刻线或聚光镜的焦距，使光谱散得更开，在光谱范围固定的情况下，实现更高的光谱分辨率；
其四，本申请的线阵SPAD阵列拼接结构，结构紧凑，光强利用率高。芯片级封装相比组件级封装，拼成一个相对紧凑的大的线阵，光谱仪探测面前的光若经过柱面镜压缩后形成线光斑可刚好覆盖大的线阵，相比直接将三个封装好的传感器拼接起来，线阵的各个感光区域平行距离更窄，光强的利用率更高。
进一步的，本申请能够保证光谱PDE的同时在可见光有好的时间抖动性能，满足时间门控拉曼的信噪比和荧光抑制的要求。
请参阅图3，通过PCB板结合板上芯片封装(COB)技术实现SPAD线阵拼接结构，有如下两种方式：
方式一，当三个线阵SPAD阵列29、30以及31选择三种不同光谱响应的传感器时，则能拓宽传感器的光谱响应，从而提高光谱仪的光谱范围，如硅基薄结SPAD、红外增强SPAD等。
方式二，当三个线阵SPAD阵列29、30以及31选择同一种光谱响应的传感器时，则能获得更长的传感器，提高阵列的像素个数，在光谱分辨率不变的情况下，提高光谱范围，或改变光栅的刻线或聚光镜的焦距，使光谱散得更开，在光谱范围固定的情况下，可实现更好的光谱分辨率。
单个线阵传感器的Pin管脚32，其主要是电源和输入输出I/O口等功能，金属跳线33将Pin管脚32与PCB板上的Pad管脚34相连，PCB板上层的导线35，边缘35附近是绝缘的，PCB板的接口36可实现外界设备连接，单个SPAD线阵芯片30分别有7个Pin管脚,其中6个Pin管脚分别连接到接口37，如图3所示，SPAD线阵芯片的核心逻辑供电V_c接正电压+1.2V、39为芯片IO供电接正电压+3.3V、40为SPAD偏置电压Vdda接口+30V、41为芯片时钟输入CLK、42为触发信号输入Trig、43为SPAD输出口SO2。
其中三个传感器中，5个相同功能的接口通过过孔和PCB板背面将其并联起来，剩下的两个管脚是接地GND和输出口SO，接地口GND通过整个PCB上层都是导电的连接，与PCB板上层的导线35类似的导线则用边缘绝缘保护起来。接地口GND 38，在接口37到43之间的接口均匀分布，是为了屏蔽一些电学的串扰，3个传感器的3个输出口独立输出，分别是输出口36、输出口43以及输出口44。
线阵传感器29、30和31交叉并行的排列方式，其中交错的部分可以利用显微镜观察中间的像素个数，由于三个输出口是独立输出，交错部分可以舍弃掉信噪比较低的线阵像素，最后，用于光谱仪时可通过波长标定、强度标定的方法将三个传感器当做一个传感器使用。
在一些实施例中，所述SPAD线阵芯片包括硅基薄结SPAD或红外增强SPAD的一项或任意多项；所述SPAD线阵芯片通过板上芯片封装的方式封装在PCB板上，所述三个线阵SPAD阵列为三种不同光谱响应的传感器时，则拓宽传感器的光谱响应，以提高光谱仪的光谱范围；所述三个线阵SPAD阵列为同一种光谱响应的传感器时，则获得更长的传感器，以提高阵列的像素个数。
请参阅图4，适应本申请的另一目的而提出的一种光谱仪，应用包含上述的线阵SPAD阵列拼接结构，包括：
入射光经过狭缝，经过准直镜反射后准直照射到光栅，经过光栅衍射分光后，聚光镜将阶衍射光线会聚到探测面上，在照射到探测器前采用线性滤光片滤光，所述探测器工作在单光子计数的模式以探测宽带的连续光，所述探测器为线阵SPAD阵列拼接结构。
具体而言，请参阅图4，利用图1的本申请的线阵SPAD阵列拼接结构作为光谱仪的探测器19，光谱仪可以采用典型的反射式光谱仪的非交叉对称Czerny-Turner结构，入射光经过狭缝14，经过准直镜15反射后准直照射到光栅16，准直镜15为凹面球面反射镜,光栅16为反射式刻线光栅或反射式全息光栅，保证宽光谱的有足够的衍射效率，经过光栅16衍射分光后，聚光镜17将阶衍射光线1会聚到探测面19上，聚光镜17为凹面球面反射镜，在照射到探测器19前使用线性滤光片18滤光，线性滤光片18是设计好的线性滤光片，其滤光波长随长度变化，由于是宽光谱分光，长波长的阶衍射光线1会受到短波长的高阶衍射光的杂散光影响，因此线性滤光片18用于滤高阶杂散光。该光谱仪中，探测器19工作在单光子计数(SPC)的模式，可以用于探测宽带的连续光，与传统CCD的光谱仪类似，为避免光子数饱和，可在狭缝14前用衰减器衰减到其探测的动态范围。
在一些实施例中，所述准直镜为凹面球面反射镜，所述光栅为反射式刻线光栅或反射式全息光栅，所述聚光镜为凹面球面反射镜。
请参阅图5，适应本申请的另一目的而提出的一种时间门控拉曼光谱仪，应用包含上述的线阵SPAD阵列拼接结构，包括：
激光器发射激光到二向色镜并传输与光脉冲同步的电信号至探测器，激光器经过二向色镜反射到样品后，收集回来的拉曼信号，经过二向色镜透射到滤光片上，滤光片根据激光器波长随时切换，经过滤光片的拉曼信号进入拉曼光谱仪，首先经过狭缝，再经过分光系统，最后进入所述探测器，所述探测器为线阵SPAD阵列拼接结构。
具体而言，利用图1的本申请的线阵SPAD阵列拼接结构作为探测器26组成时间门控拉曼光谱仪27，利用脉冲激光器20以及线阵SPAD阵列拼接结构26实现时间门控拉曼探测，原理是激光器20发射激光到二向色镜21并给出与光脉冲同步的电信号给探测器26，其中，激光器20是皮秒脉冲激光器，可以选择如355nm固体激光器，532nm固体激光器，775nm光纤激光器，785nm半导体激光器，可调皮秒激光器等，要求窄线宽、皮秒脉冲、高单脉冲能量、重频与探测器匹配。二向色镜21，匹配激光器可根据激光器波长随时切换，激光器经过二向色镜21反射到样品22后，收集回来的拉曼信号，经过二向色镜2透射到滤光片23上，滤光片23可根据激光器波长随时切换。
经过滤光片的拉曼信号进入拉曼光谱仪27，首先经过狭缝24，再经过分光系统25，最后进入探测器26。其中分光系统25可以使透射式或反射式，例如反射式的非交叉对称Czerny-Turner结构，探测器26是图1的线阵SPAD阵列拼接结构，其中集成了计数、TDC计时等模块，由激光器20给的电信号作同步触发。数据处理和显示系统28负责时间门控的拉曼光谱信号的控制和显示。在时间门控拉曼光谱仪中，探测器26工作在时间相关单光子计数(TCSPC)模式，与脉冲激光器的脉冲信号时间同步，该模式可以在时间上抑制大部分荧光信号的干扰。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
综上所述，本申请的线阵SPAD阵列拼接结构，能够实现时间门控拉曼系统的荧光抑制效果，满足SPAD探测器在光谱系统中宽谱段的探测效率PDE、时间抖动Time jitter、暗计数率DCR等的性能要求；
进一步的，本申请能够保证光谱PDE的同时在可见光有好的时间抖动性能的同时，满足时间门控拉曼的信噪比和荧光抑制的要求。
Claims (10)
1.一种线阵SPAD阵列拼接结构，其特征在于，包括：
三个SPAD线阵芯片以平行交错的拼接方式以及板上芯片封装的方式固定在PCB板上，其中，SPAD线阵芯片的感光区域通过所述SPAD线阵芯片上的导线连接到所述SPAD线阵芯片上的电路模块，传感器电源和输入、输出I/O口通过Pin管脚与外界设备相连接，Pin管脚通过跳线绑定到PCB板的Pad管脚上，PCB板将三个SPAD线阵芯片的所述传感器电源和输入、输出I/O口整合，与数据处理设备连接，PCB板的小孔与外壳固定，光透过光窗以防止光敏区污染。
2.根据权利要求1所述的线阵SPAD阵列拼接结构，其特征在于,所述SPAD线阵芯片包括硅基薄结SPAD或红外增强SPAD的一项或任意多项。
3.根据权利要求1所述的线阵SPAD阵列拼接结构，其特征在于，所述三个线阵SPAD阵列为三种不同光谱响应的传感器时，则拓宽传感器的光谱响应，以提高光谱仪的光谱范围。
4.根据权利要求1所述的线阵SPAD阵列拼接结构，其特征在于，所述三个线阵SPAD阵列为同一种光谱响应的传感器时，则获得更长的传感器，以提高阵列的像素个数。
5.一种光谱仪，应用包含如权利要求1至4任意一项所述的线阵SPAD阵列拼接结构，其特征在于，包括：入射光经过狭缝，经过准直镜反射后准直照射到光栅，经过光栅衍射分光后，聚光镜将阶衍射光线会聚到探测面上，在照射到探测器前采用线性滤光片滤光，所述探测器工作在单光子计数的模式以探测宽带的连续光，所述探测器为线阵SPAD阵列拼接结构。
6.根据权利要求5所述的光谱仪，其特征在于，所述准直镜为凹面球面反射镜。
7.根据权利要求5所述的光谱仪，其特征在于，所述光栅为反射式刻线光栅或反射式全息光栅。
8.根据权利要求5所述的光谱仪，其特征在于，所述聚光镜为凹面球面反射镜。
9.一种时间门控拉曼光谱仪，应用包含如权利要求1至4任意一项所述的线阵SPAD阵列拼接结构，其特征在于，包括：激光器发射激光到二向色镜并传输与光脉冲同步的电信号至探测器，激光器经过二向色镜反射到样品后，收集回来的拉曼信号，经过二向色镜透射到滤光片上，滤光片根据激光器波长随时切换，经过滤光片的拉曼信号进入拉曼光谱仪，首先经过狭缝，再经过分光系统，最后进入所述探测器，所述探测器为线阵SPAD阵列拼接结构。
10.根据权利要求9所述的时间门控拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光器为皮秒脉冲激光器。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202410116051.4A CN118111559A (zh) | 2024-01-29 | 2024-01-29 | 线阵spad阵列拼接结构及光谱仪、时间门控拉曼光谱仪 |
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