CN213455851U - 一种小光敏元结构的面阵红外光谱传感器 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种小光敏元结构的面阵红外光谱传感器。所述的传感器包括线性渐变滤光片、面阵红外光敏芯片、信号处理集成电路。采用方形小尺寸光敏元结构的面阵光敏芯片，旋转45度后与线性渐变滤光片耦合，得到一条对角线与波长渐变方向一致的菱形小光敏元结构。所述的应用方法将传感器多个相邻排列的光敏元列组合作为一个光谱通道，相邻光谱通道间预留一列光敏元作为间隔，通过平移改变光谱通道的光敏元组成并多次测量，多组光谱数据融合形成光谱曲线。相比于单个大光敏元作为一个光谱通道，本专利中的光谱通道灵活可变，可以有效减小光谱通道间的波长间隔和谱线交叠，有助于提取更多光谱特征细节。

Description

一种小光敏元结构的面阵红外光谱传感器

技术领域

本专利涉及红外光谱传感器领域，是一种基于菱形小光敏元面阵的红外光谱传感器。

背景技术

红外光谱分析技术的商业化拓展对其分析设备提出了微型化的应用需求。按照仪器的分光方式划分，可以将红外光谱仪大致分为光栅型、滤光片型、傅里叶变换型和声光可调滤波器型。傅里叶变换型光谱仪技术复杂度和成本较高，且含有移动部件，对使用环境有一定要求，因而在便携式近红外光谱分析应用中并不广泛。光栅分光是目前大部分便携式红外光谱仪采用的设计方案，其分辨率性能十分出色，尽管近年来MEMS技术的兴起为光栅型光谱仪的微型化提供了一条可行的技术路径，但当前的主流产品仍然普遍受到分光部分的体积限制。声光可调滤波器型仪器具有分光具有体积小、重量轻的优点，但由于晶体制作工艺问题，其价格较为昂贵，且仪器间的一致性较差，目前大多应用于成像光谱仪的设计。基于线性渐变滤光片和阵列探测器的滤光片型光谱仪结构紧凑、不含移动部件，非常适合微型化的便携式应用。虽然当下此类光谱仪的分辨率不高(在900-1700nm的短波红外范围内约为10-20nm)，但在吸收峰较宽、对光谱分辨率要求不高的近红外波段，仍然具有体积和成本方面的应用优势。

理想情况下，仪器光谱通道数目的增加以及通道间中心波长的间隔减小有利于获取更多的有效光谱信息。对于有效尺寸恒定的线性渐变滤光片，理论上可以通过减小像元尺寸和中心距来提高阵列规模，得到更多的光谱通道和更小的通道中心波长间隔。但现阶段此类光谱仪的分辨率普遍受到线性渐变滤光片的性能限制，其半高宽一般大于峰值中心波长的1％，简单换用更大规模的焦平面阵列会引入严重的像元间谱线交叠，并不能有效提升光谱仪的分辨率性能。此外，当前的研究和仪器大多采用单列探测器线阵与滤光片耦合，极容易因为其中单个探测器盲元或响应异常对光谱曲线的关键特征波长造成不良影响。如何在线性渐变滤光片有限的分辨率下充分提取有效的光谱特征信息，成为线性渐变滤光片型光谱仪面临的重要挑战。

发明内容

本专利公开了一种小光敏元结构的面阵红外光谱传感器，相比于单个大光敏元作为一个光谱通道，本专利将多个紧密排列菱形小尺寸光敏元组合作为一个光谱通道，平移改变光谱通道的光敏元组成并多次测量。通过多组光谱数据融合形成光谱曲线，实现了光谱通道灵活组合，有助于在线性渐变滤光片有限的分辨率下充分提取更多光谱特征细节。

本专利的技术方案如下：

一种小光敏元结构的面阵红外光谱传感器及其应用方法，其特征在于，包括线性渐变滤光片1、面阵红外光敏芯片2、信号处理集成电路3；其中

所述传感器的线性渐变滤光片1作为分光部件，将入射的红外复合光分光，不同的滤光片位置对应不同的透过率峰值中心波长；

所述传感器的面阵红外光敏芯片2作为光电转换部件，通过与线性渐变滤光片1耦合，完成分光后的红外光电转换；

所述传感器的信号处理集成电路3，用于面阵红外光敏芯片2的信号读出、模数转换和数据预处理。

所述传感器的面阵红外光敏芯片2是小尺寸的方形光敏元阵列，旋转45度后与所述传感器的线性渐变滤光片1耦合，从而得到一条对角线与波长渐变方向一致的菱形小光敏元结构。

一种基于所述传感器的应用方法，其特征在于，将所述传感器多个相邻排列的光敏元列组合作为一个光谱通道，通道内光敏元列数根据线性渐变滤光片的色散系数、光学分辨率和光敏元尺寸确定，相邻光谱通道间预留一列光敏元作为间隔。通过平移改变光谱通道的光敏元组成并多次测量，多组光谱数据融合形成光谱曲线。

本专利的有益效果是：

(1)采用多个小尺寸光敏元组合形成光谱通道，相比于单个大光敏元做光谱通道，可以避免单个探测器盲元或响应异常对光谱曲线的关键特征波长造成不良影响；

(2)光敏元旋转为菱形，将有效感光面积向中心波长集中，将光谱通道间光敏元的边接触变为顶点接触，可以更充分利用感光面积，减小光谱通道间的谱线交叠程度；

(3)采用多次测量，灵活调整光谱通道的光敏元组合，在线性渐变滤光片有限的分辨率下，减小了光谱通道间的中心波长间隔，有助于充分提取更多光谱特征细节。

附图说明

图1是一种小光敏元结构的面阵红外光谱传感器的结构图。

其中：

1——线性渐变滤光片；

2——面阵红外光敏芯片；

3——信号处理集成电路。

图2一种小光敏元结构的面阵红外光谱传感器的内部结构及使用方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本专利的实施进行更加详细的阐述。

如图1所示，一种小光敏元结构的面阵红外光谱传感器，包括线性渐变滤光片、面阵红外光敏芯片、信号处理集成电路。

线性渐变滤光片可以采用一款短波红外线性渐变滤光片，波长范围900-1700nm，尺寸15mm×3mm×0.1mm，实测有效长度约13mm。线性渐变滤光片的分辨率为14-20nm，随透过率中心波长增加而缓慢增大，约为中心波长的1％-1.5％。面阵红外光敏芯片选择640×512规模阵列的InGaAs阵列，像元尺寸25μm×25μm，波长范围900-1700nm，与线性渐变滤光片相匹配。信号处理集成电路采用标准CMOS集成电路制造工艺，通过倒焊工艺与面阵InGaAs光敏芯片互联形成焦平面，以完成信号的读出、模数转换和数据预处理。将互联后的焦平面旋转45度后与线性渐变滤光片耦合。耦合方式可以通过在光阑上设计0.1mm深的凹槽实现线性渐变滤光片的固定，将光阑倒扣固定于焦平面之上，可以实现线性渐变滤光片和面阵InGaAs光敏芯片的间隙小于0.1mm，减小间隙对分辨率造成的干扰。

通过以下应用方法，在线性渐变滤光片分辨率参数的限制下，减小光谱通道间的中心波长间隔。

具体步骤为：

步骤1，在相同测试条件下，采用该传感器针对同一样本测试多组光谱数据。

步骤2，根据线性渐变滤光片的色散系数计算光谱通道对应的有效尺寸。根据线性渐变滤光片的波长范围和有效尺寸，计算其线性色散系数为

为了保留设计余量，选择最小分辨率14nm作为设计值进行计算，其所对应的LVF长度为

步骤3，如图2所示，以垂直于线性渐变滤光片波长渐变方向且顶点相对的一串菱形光敏元作为一列，根据步骤2计算所得的有效尺寸确定一个光谱通道包含的光敏元列数N，相邻光谱通道之间预留一列光敏元作为间隔。步骤2计算所得最小分辨率对应的LVF长度为228μm。光敏元尺寸25μm×25μm，对角线长约35μm。为了保证此长度可以完整覆盖2个独立光谱通道，选择N为3，即一个光谱通道包含3列光敏元，宽度约70μm，一列光敏元作为间隔，宽度约35μm。

步骤4，以光谱通道中3列光敏元的中心一列标定的中心波长作为光谱通道的中心波长，将同一光谱通道内光敏元的响应数据进行累加后平均，得到各光谱通道的中心波长和光谱响应。

步骤5，新取一组光谱数据，在步骤3光谱通道划分方法的基础上，将光谱通道和间隔同时向右平移一列，重复步骤3和步骤4，得到各光谱通道的响应值。

步骤6，重复4次步骤5，将得到的所有光谱通道的中心波长和响应值汇总，多组数据融合后绘制新的光谱曲线，从而依靠多次采集和后续信号处理减小了光谱通道间的中心波长间隔。

Claims (1)

1.一种小光敏元结构的面阵红外光谱传感器，包括线性渐变滤光片(1)、面阵红外光敏芯片(2)、信号处理集成电路(3)；其特征在于：

所述的线性渐变滤光片(1)作为分光部件，将入射的红外复合光分光，不同的滤光片位置对应不同的透过率峰值中心波长；

所述的面阵红外光敏芯片(2)是小尺寸的方形光敏元阵列，旋转45度后与所述传感器的线性渐变滤光片(1)耦合，从而得到一条对角线与波长渐变方向一致的菱形小光敏元结构，完成分光后的红外光电转换；

所述的信号处理集成电路(3)，用于面阵红外光敏芯片(2)的信号读出、模数转换和数据预处理。

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