CN219064680U - 光谱传感器模组和带有光谱传感器模组的电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光谱传感器模组和带有光谱传感器模组的电子设备，其中所述光谱传感器模组包括光谱感应组件、支架以及光学组件，所述光谱感应组件包括光谱芯片和电路板，其中所述光谱芯片与所述电路板电连接，所述光学组件被设置于所述支架，并被支撑在所述光谱芯片的感光路径，其中所述光学组件包括沿所述光谱芯片的光轴方向依次排布的匀光单元、光阑以及透镜，以供入射光经所述光学组件被引导至所述光谱芯片的入光表面。

Description

光谱传感器模组和带有光谱传感器模组的电子设备

技术领域

本实用新型涉及光谱技术领域，尤其涉及一种光谱传感器模组和带有光谱传感器模组的电子设备。

背景技术

光谱成像技术通常是采用传感器进行光信号的获取，之后进行不同程度的数据处理，最终获得光谱信息。此过程中所使用的传感器能够获得待测光频域上的信息，实现方式包括：具有光调制结构的光探测器阵列，或是滤光片(或滤光结构)阵列与光探测器阵列的组合；其中的滤光片(或滤光结构)可以是在频域或者波长域上窄带、宽带、周期等滤波方式。利用这种计算重构技术，能够避免传统光谱技术中的分光空间光路，实现体积较小的光谱仪或光谱相机。

随着光谱成像技术在各领域的应用，光谱传感器也逐渐向着小型化和微型化的方向发展，光谱仪或光谱相机在微型化过程中需要解决各种光学问题。由于计算光谱芯片对于入射的光信号的主光角比较敏感，实际使用情况下入射光信号的主光角的变化将大幅影响光谱恢复的准确性。也就是说，现有技术的光谱传感器入射光的角度和光强度不稳会导致恢复的光谱信息不准确或者多次恢复的结果波动较大。

另外，基于光谱传感技术的电子设备，比如人脸识别装置也越来越多的应用在各种终端设备，这种电子设备不仅需要较高的光谱恢复性能，也越来越朝向小型化方向发展。

实用新型内容

本实用新型的一个主要优势在于提供一种光谱传感器模组和带有光谱传感器模组的电子设备，其中所述光谱传感器模组包括光学组件，其中所述光学组件被配置为接收来自被摄目标的光信号并将所述光信号导引至所述光谱芯片，有利于提高所述光谱传感器的光学特性。

本申请一个方面提供了光谱传感器模组，包括：光谱感应组件，所述光谱感应组件包括光谱芯片和电路板，其中所述光谱芯片与所述电路板电连接；支架；光学组件，所述光学组件被设置于所述支架，并被支撑在所述光谱芯片的感光路径，其中所述光学组件包括沿所述光谱芯片的光轴方向依次排布的匀光单元、光阑以及透镜，以供入射光经所述光学组件的所述匀光单元、光阑以及所述透镜被引导至所述光谱芯片的入光表面。根据本实用新型的一个实施例，所述透镜包括透镜主体和支撑所述透镜主体的透镜支架，所述透镜主体被所述透镜支架支撑在所述光阑和所述光谱芯片之间。

根据本实用新型的一个实施例，所述透镜主体与所述透镜支架为一体式结构，所述透镜主体被一体地形成于所述透镜支架的内侧。

根据本实用新型的一个实施例，所述透镜主体包括入光面和出光面，且所述透镜主体的所述入光面和所述出光面至少一面为非球面。

根据本实用新型的一个实施例，沿着主光轴的方向，设所述透镜主体的所述入光面与所述光阑的出光面的距离为D1，所述透镜主体的所述出光面与所述光谱芯片入光面的距离为D2，所述距离D1与所述如光面的曲率半径及光阑的孔径L有关，所述距离D2与出光面的曲率半径相关。

根据本实用新型的一个实施例，所述入光面的曲面由曲面上任一点(x1，y1)组成，其中y1由参数x1、r1决定，所述出光面由任一点(x2，y2)组成，y2由x2、r2决定，y1＝f_font(x,r1,K1,d1,e1,h1)，y2＝f_back(x,r2,K2,d2,e2,h2)，中K1和K2为非球面曲面的圆锥参数，d1、e1、h1，d2、e2、h2为多项式系数。

根据本实用新型的一个实施例，所述距离D2决定了被导引到光谱芯片上光的与所述主光轴之间的夹角大小。

根据本实用新型的一个实施例，所述距离D2决定了被导引到光谱芯片上光的均匀性和光斑的强度，所述均匀性为被导引到所述光谱芯片的强度和角度一致光斑的大小。

根据本实用新型的一个实施例，所述支架包括第一支架单元和第二支架单元，其中所述第一支架单元被设置在所述光谱芯片的外侧，所述第二支架单元位于所述第一支架单元的上方，并且所述第二支架单元具有一通光孔，由所述第二支架单元形成所述光学组件的所述光阑。

根据本实用新型的一个实施例，所述光学组件进一步包括滤光单元，其中所述滤光单元被设置在所述光阑和所述透镜之间。

根据本实用新型的一个实施例，所述透镜支架进一步包括支撑端和自所述支撑端一体向下延伸的固定端，其中所述透镜支架的所述固定端被固定在所述光谱感应组件的所述电路板。

根据本实用新型的一个实施例，所述滤光单元被所述透镜的所述透镜支架支撑在所述透镜主体和所述光阑之间。

根据本实用新型的一个实施例，所述滤光单元被贴附在所述支架的内侧表面，且所述滤光单元被保持在所述透镜的所述透镜支架的内侧。

根据本实用新型的一个实施例，所述透镜支架的外侧设有遮光材料。

根据本实用新型的一个实施例，所述光学组件进一步包括匀光单元，其中匀光单元设置于所述光阑的入光侧，所述匀光单元上设置有不透光层。

根据本实用新型的一个实施例，所述匀光单元被设置于部分不透光图层，所述光阑被设置形成于所述透光的匀光单元的透光部分。

根据本实用新型的一个实施例，所述光阑被设置多个不同的位置的匀光单元的透光部分。

根据本实用新型的一个实施例，进一步包括盖板，其中所述盖板被设置在所述支架的上方，所述盖板具有楔形槽，所述匀光单元被倒置在所述盖板的楔形槽内。

根据本实用新型的另一方面还提供一种电子设备，包括：

电子设备主体；和任一所述的光谱传感器模组，其中所述光谱传感器模组被搭载于所述电子设备主体，并与所述电子设备主体电连接。

通过对随后的描述和附图的理解，本实用新型进一步的目的和优势将得以充分体现。

本实用新型的另一个优势在于提供一种光谱传感器模组和带有光谱传感器模组的电子设备，其中所述光谱传感器模组的所述光学组件被配置为使得被导引至所述光谱芯片上的入射光光强均匀，所述光强均匀可以包括到引导所述光谱芯片上的入射光是角均匀和面均匀。

本实用新型的另一个优势在于提供一种光谱传感器模组和带有光谱传感器模组的电子设备，其中所述光谱传感器模组的所述光学组件包括透镜，其中所述入射光被导引至所述光谱芯片前先经过透镜，所述透镜入光面为平面、或者所述透镜的入光面为曲面，所述透镜的出光面为曲面，有利于所述光谱传感器的小型化。

本实用新型的另一个优势在于提供一种光谱传感器模组和带有光谱传感器模组的电子设备，其中所述光谱传感器模组的所述透镜包括透镜主体和支撑所述透镜主体的透镜支架，其中所述透镜与所述透镜支架为一体式机构，有利于简化光谱传感器的整体结构，和简化组装步骤本申请提供的光谱传感器模组可以更好的恢复光谱信息，更加准确且稳定。

本实用新型的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明和附图得以充分体现。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个较佳实施例的一种光谱芯片的结构示意图。

图2是根据本实用新型的一个较佳实施例的所述光谱芯片的平面结构示意图。

图3是根据本实用新型的一个较佳实施例的所述光谱芯片的结构框架示意图。

图4是根据本实用新型的一个较佳实施例的所述光谱传感器模组的结构框图。

图5是根据本实用新型的一个较佳实施例的所述光谱传感器模组的结构示意图。

图6是根据本实用新型的另一较佳实施例的另一光谱传感器模组的结构示意图。

图7是根据本实用新型的另一较佳实施例的另一光谱传感器模组的结构示意图。

图8是根据本实用新型的另一较佳实施例的另一光谱传感器模组的结构示意图。

图9是根据本实用新型的另一较佳实施例的另一光谱传感器模组的剖面结构示意图。

图10是根据本实用新型的另一较佳实施例的另一光谱传感器模组的光路示意图。

图11A和图11B是根据本实用新型的上述较佳实施例的所述光谱传感器的透镜结构的结构示意图。

图12A和图12B是根据本实用新型的上述较佳实施例的所述光谱传感器的透镜结构示意图。

图13A和图13B是根据本实用新型的上述较佳实施例的所述光谱传感器的透镜结构变化得到的响应的变化曲线。

图14A至图14C是根据本实用新型的上述较佳实施例的所述光谱传感器的不同透镜结构对应的光谱传感器的响应曲线。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

参照本申请说明书附图之图1至图5所示，依照本申请一个较佳实施例的一种光谱传感器模组在接下来的描述中被阐明。所述光谱传感器模组包括光谱感应组件10，被设置在所述光谱感应组件10感光路径的光学组件20以及支架30，其中所述光学组件20被固定在所述支架30，由所述支架30将所述光学组件20保持在光谱感应组件10的感光路径。优选地，在本申请的该优选实施例中，所述支架30的一端被固定在所述光谱感应组件10入光侧的一侧。

所述光谱感应组件10包括光谱芯片11和电路板12，其中所述光谱芯片11被设置于所述电路板12，且所述光谱芯片11与所述电路板12相电气连接。入射光经所述光学组件20沿所述光谱芯片11的感光路径到达所述光谱芯片11的上表面，其中所述光谱芯片11基于所述入射光获取其对应的光谱信息。所述光学组件20被配置为接收来自被摄目标的光信号并将所述光信号导引至所述光谱芯片11，其中所述光学组20件被配置为使得被导引至所述光谱芯片11上的入射光光强均匀。值得一提的是，所述光强均匀可以包括到引导所述光谱芯片11上的入射光是角均匀和面均匀。

所述光谱芯片11包括光电探测层111和位于所述光电探测层111的感测路径上的光调制层112，所述光电探测层111被配置为获得入射光经过所述光调制层112的响应信号，其中所述光调制层112用于对所述入射光进行滤光，光调制层112被设置于所述光探测层111入光面一侧。

在本申请实施例的光谱传感器中，所述光谱芯片包括滤光结构1121(所述滤光结构1121设置在光调制层112)和所述光电探测层111，所述滤光结构1121位于所述光电探测层111的感光路径上，其中所述滤光结构1121为频域或者波长域上的宽带滤光结构1121。各个滤光结构1121不同波长的通光谱不完全相同。滤光结构1121可以是超表面、光子晶体、纳米柱、多层膜、染料、量子点、MEMS(微机电系统)、FP etalon(FP标准具)、cavity layer(谐振腔层)、waveguide layer(波导层)、衍射元件等具有滤光特性的结构或者材料。例如，在本申请实施例中，所述滤光结构1121可以是中国专利CN201921223201.2中的光调制层。所述光调制层112设有由调制结构，其中所述调制结构的形状可以是相同的，也可以是不同形状的，并且由所述调制结构形成的调制单元是周期性的或者也可以是不同的。

如下图1和2所示，其中所述光调制层112设置有多个滤光结构1121，所述滤光结构1121可以相同形状，或者不同形状，其中所述多个滤光结构1121组成一个滤光单元(调制单元)，所述滤光单元可以周期性排布。

特别地，所述光调制层112包括至少一个滤光单元，所述滤光单元对到达所述光调制层112的光进行调制，其中每一所述滤光结构1121可以是微纳孔或者微纳柱。所述滤光单元对应所述光电探测层11的至少一个感应单元，其中所述光谱芯片11利用所述光调制层112的所述滤光单元对来自被测目标的光信号进行调制，以得到调制后的光响应信号，并利用所述光电探测层111接收被调制后的光响应信号并对其提供差分响应。

如下图3所示，所述光学组件20位于所述光电探测层111的感光路径，被摄物的光线通过所述光学组件20调整再经由所述光调制层112进行调制后，被导引至所述光电探测层111响应，所述光学组件20被配置为使得被导引至所述光谱芯片11上的入射光光强均匀。所述光强均匀可以包括到引导所述光谱芯片11上的入射光是角均匀和面均匀。如光不均匀会影响光谱恢复的效果，导致效率较低。作为示例的，在本申请的该优选实施例中，所述光谱芯片11的所述光电探测层111可以是CMOS光电探测层(CIS)、CCD、阵列光探测器等。所述光谱传感器模组的所述光谱芯片11进一步包括数据处理单元113，所述数据处理单元113可以是MCU、CPU、GPU、FPGA、NPU、ASIC等处理单元，其可以将光电探测层111生成的数据导出到外部进行处理。所述光谱芯片的所述数据处理单元113将所述差分响应进行重构以得到被测目标的原光谱信息。

在实际应用中，所述光谱芯片11对于入射到调制层的光信号的主光角比较敏感，因此如果过于敏感，则会影响光谱恢复的准确性以及稳定性。需要说明的是，所述光谱芯片11的任意一个特定位置的主光角表示被导引至所述光谱芯片11上的光信号的主光线和法线之间的夹角，其中主光线表示来自被摄目标的发出光信号的点与抵达所述光谱芯片11的所述光调制层112表面上点之间的连线，法线表示与所述光谱芯片11的所述光调制层112面垂直的线。

因此，在本申请该优选实施例中，所述光学组件20位于所述光谱芯片11的感光路径，其中入射光线经所述光学组件20被以设定的入射角度和均匀光强的方式引导至所述光谱芯片11的表面，以便保持入射到同一感应单元的光学的夹角大小固定。可以理解的是，所述光谱芯片11对于入射的光信号抵达所述光谱芯片11上光调制层上表面的各个位置的收光光锥角也需要保持稳定，不能有较大的变动。

因此需要在所述光调制层112对应位置得到的光斑要具有均匀性，以便在对应的感光单元上的光强均匀，且角敏感性较小。

所述光学组件20包括匀光单元21和光阑22，所述匀光单元21和所述光阑22被设置于所述光谱芯片11的感光路径，其中所述匀光单元21被用于对入射光进行匀化，所述光阑22用于控制光斑的大小及通光量。所述光谱传感器模组获取到的光谱信息，可以用于恢复色温，照度、亮度等环境光参数。

在本申请的该优选实施例进一步介绍了光谱恢复的算法原理，其中需要获取对应调制层中调制单元的响应信息。

入射光经过所述匀光单元21后到达所述光调制层112表面的光调制单元上实现了光锥角的在一定范围内，以及角度可以有更好的一致性和稳定性，这样可以更好的恢复光谱信息。可以利用光斑中心的那些角度分布比较好的区域进行光谱恢复(可以多个光斑的中心区域结合起来，一起恢复光谱)。优选地，在光调制层的不同位置选择调制单元，挑选优于恢复的光响应数据，具体的算法原理包括：

将被摄物的入射光在不同波长λ下的强度信号记为f(λ)，所述滤光结构1121的透射谱曲线记为T(λ)，设所述光调制层112具有m组的滤光结构1121，每一组透射谱互不相同，即如上所述的调制单元，整体可记为Ti(λ)(i＝1,2,3,…,m)。每一组调制结构下方都有相应的物理像素，探测经过调制结构调制的响应信息中光强Ii。在本申请的特定实施例中，以一个物理像素对应一组调制结构单元为例进行说明，但是不限定于此，在其它实施例中，也可以是多个物理像素为一组对应于一组调制单元。

环境光的频谱分布和光探测器阵列(光电探测层111)的测量值之间的关系可以由下式表示：

Ii＝Σ(f(λ)·Ti(λ)·R(λ))

其中，R(λ)为所述光电探测器的响应，记为：

Si(λ)＝Ti(λ)·R(λ)

则上式可以扩展为矩阵形式：

这里，Ii(i＝1,2,3,…,m)是被摄物的入射光透过调制结构后光电探测器(所述光电探测层111)的响应，分别对应m个光电探测器单元的光强测量值，又称m个“物理像素”，其是一个长度为m的向量。S是系统对于不同波长的光响应，由滤光结构1121的透射率和光电探测器响应的量子效率两个因素决定。S是矩阵，每一个行向量对应一个宽带滤波器单元(即，光探测器单元及其对应的滤光结构1121)对不同波长环境光的响应，这里对环境光进行离散、均匀的采样，共有n个采样点。S的列数与环境光的采样点数相同。这里，f(λ)即是入射光在不同波长λ的光谱，也就是待测量的被摄物的光谱。

在本申请的该优选实施例中，系统的响应参数S已知，通过光电探测器(所述光电探测层111)的光强读数I，利用算法反推可以得到输入光的光谱f，其过程可以视具体情况采用不同的数据处理方式，包括但不限于：最小二乘、伪逆、均衡、最小二范数、人工神经网络等。

以上以所述光电探测层111的一个物理像素对应所述光调制层112的一组结构单元为例，说明了如何利用m组物理像素(即所述光电探测层像素点)，以及其对应的m组结构单元(调制层上相同结构界定为结构单元)恢复出一个光谱信息，又称为“光谱像素”。值得注意的是，在本申请实施例中，也可以是多个物理像素对应一组调制结构单元。可以进一步定义，一组调制结构单元和对应的至少一物理像素构成一单元像素，原则上，至少一单元像素构成一所述光谱像素。获取到的光谱信息可以用于恢复被摄物或者环境的色温信息、亮度信息、照度信息等光信息，还可以进一步根据恢复的色温进行白平衡调整，调节光源或者显示的亮度或者色度信息。

进一步的由于本申请实施例中光谱芯片11的所述光调制层112是携带有空间位置信息，因此获取的光谱信息中也带有被拍摄物或者环境位置信息，因此可以根据不同的位置信息进行多区域或者不同区域的色温或者照度等光信息的调整。

进一步地，在本申请的该优选实施例中，为了实现上述获取光谱信息，在匀光单元21的光学结构中增加了新的设计，同样的视场角FOV下可以获取更大角度的被拍摄物的光斑，也就是可以覆盖更大范围的调制结构层面积，更有利于选取可用的响应参数。由于不同的系统和调制结构层对入射光的响应不同，也就是Si(λ)＝Ti(λ)·R(λ)，在光谱芯片11上不同位置，对应的响应参数不同，为此可以获取更大的范围的响应，更有利于光谱的恢复，或者更大空间的入射光的光谱恢复。

如图4和图5所示，被摄光(即入射光)到达所示光谱芯片11的光路上依次通过所述光学组件20的所述匀光单元21，所述光阑22及所述光谱芯片11。优选地，在本申请的该优选实施例中，所述匀光单元21可以，但不限于匀光片、匀光膜等，以使入射光可以得到强度均匀的光，以及使得不同波段的入射光，可以获得光强在设定区间内基本一致的光。

本申请实施例中，不同入射角度过来的一束光，通过所述匀光单元21以一个相同的分布强度照射在所述光谱芯片11的每个像素上。同时为了得到的光强相对稳定且满足不同波段的入射光都可以得到其对应的光谱信息，所以匀光单元21需要满足一定的透光率，由于不同厚度的匀光组件21，透光率及匀光的效果也不同。可以理解的是，不同的材质对匀光的效果也有不同，因此根据所得到的光斑的尺寸及调制结构的位置可以选定不同的匀光单元。

如图6所示，所述光学组件20进一步包括一透镜23，其中所述透镜23被设置在所述光学组件20的所述匀光单元21和所述光阑22的出光侧，即入射光经所述匀光单元21和所述光阑22到达所述透镜23，经所述透镜23被引导至所述光谱芯片11的入光面。所述透镜23位于所述支架30的内侧，并且所述透镜23被固定在所述光谱感应组件10的所述光谱芯片11的同侧，通过所述透镜23调整入射光的强度和光斑的大小，以适应所述光谱芯片11的需求。

优选地，在本申请的该优选实施例中，所述透镜23被固定在所述光谱感应组件10的所述电路板12，其中所述透镜23的光轴中心与所述光谱感应组件10的所述光谱芯片11的所述感光路径相一致。

所述透镜23包括一透镜主体231和支撑所述透镜主体231的透镜支架232，其中所述透镜23为一体式结构，即所述透镜主体231被一体地形成于所述透镜支架232的内侧。作为优选地，在本申请的该优选实施例中，所述透镜支架232为筒状结构，其中所述透镜主体231被一体地形成于所述透镜支架232的内侧。

所述透镜23的所述透镜支架232被固定在所述光谱感应组件10，由所述透镜支架232支撑和固定所述透镜主体231在所述光谱芯片11的感光路径。

值得一提的是，在本申请的该优选实施例中，所述透镜主体231被一体地形成于所述透镜支架232的内部，可通过所述透镜支架232调整所述透镜主体231的位置，有利于减少组装误差，提高组装精度和成品率。

所述透镜主体231进一步具有入光面2311和出光面2312，其中所述透镜主体231的所述入光面2311朝向外界环境，所述透镜主体231的所述出光面2312朝向所述光谱芯片11，即入射光经所述透镜主体231的所述入光面2311入射到所述透镜23，经所述透镜主体231的所述出光面2312出射到所述光谱芯片11。

优选地，在本申请的该优选实施例中，所述透镜23的所述透镜主体231为非球面镜。可选地，在本申请的另一可选实施例中，所述透镜23的所述透镜主体231为球面镜。

作为示例的，在本申请的一个具体示例中，所述透镜主体231的所述入光面2311为平面、或者所述透镜主体231的所述入光面2311为曲面，所述透镜主体231的所述出光面2312为曲面。

在本申请的该优选实施例中，其中沿着主光轴的方向，设所述，其中所述光阑22的孔径为L，所述距离D1与所述如光面的曲率半径及光阑的孔径L有关，所述距离D2决定了被导引到光谱芯片上光的与所述主光轴之间的夹角大小。如需单独缩小光阑的孔径L，则会导致被导引在所述光谱传感芯片的探测层上的光斑的强度变小或者不能得到较为均匀的光斑，因此为了得到更小尺寸的光谱传感器模组，就需要调整所述透镜主体231的所述入光面2311与所述光阑22的出光面的距离D1，及所述透镜主体231的所述出光面2312与所述光谱芯片11入光面的距离D2。所述D1及D2与孔径L都有相关性，需要三者相互调整。

进一步的，所述透镜主体231的两面(即入光面2311和所述出光面2312)分别对应由不同曲率半径构成的曲面，由于两曲面上不同坐标点的曲率不同，假如在入光面的任一点的曲率半径为r1，在出光面的任一点的曲率半径为r2，以曲面上与主光轴的交点为原点，沿着主光轴到出光面的方向为x轴正向，垂直于主光轴为y轴，当然也可以有其他坐标系的设定这里不做具体限定，仅以此举例说明，设所述入光面2311任一点(x1，y1)的y1与x1的函数为y1＝f(x1，r1)，函数中对应参数r1为所述入光面2311上该点(x1，y1)的曲率半径为r1。所述透镜主体231的所述出光面2312的任一点的坐标y2与x2的函数为y2＝f(x2，r2)。其中，坐标的(x2，y2)的曲率半径为r2，具体的该非球面的曲面还与圆锥参数K相关，因此具体函数关系为：y1＝f_font(x,r1,K1,d1,e1,h1)，y2＝＝f_back(x,r2,K2,d2,e2,h2)，其中,d2,e2,h2为多项式系数。

如图11A和图11B所示，所述透镜主体231的所述入光面距离光阑的出光面的距离为D1,光阑的孔径L，所述距离D1与所述如光面的曲率半径及光阑的孔径L有关，所述距离D2决定了被导引到光谱芯片上光的与所述主光轴之间的夹角大小。D2还决定了被导引到光谱芯片11上光的强度和形成光斑的大小，尤其是可以形成均匀性一致的光斑的直径大小，与所述透镜主体231的所述入光面2311和所述透镜主体231的所述出光面2312任一点坐标(x1，y1)的关系为，y1＝f_font(x,r1,K1,d1,e1,f1)，出光面上坐标(x2，y2)的函数关系y2＝f_back(x,r2,K2,d2,e2,f2)，其中。需要说明的是，在上述D1和D2的关系式中，K1,d1,e1,f1和K2,d2,e2,f2为优化所述透镜主体231的所述入光面2311和所述出光面2312的优化变量。可以理解的是，在上述关系式中K1和K2为非球面曲面的系数，d1,e1,f1和d2,e2,f2为对应的非球面的幂级数，以上均为可变的参数。如图11B所示，所述透镜主体231的所述入光面2311和所述出光面2312的关系式可表示为：

因此，可通过调整上述变量调整所述透镜主体231的所述入光面和所述出光面的结构，以使得调整出光的角度，可以使得出光的光学平行于所述透镜主体231的主光轴。

如图12A和图12B所示，在本申请的该优选实施例中，通过调整所述透镜主体231的所述入光面2311和所述出光面2312的曲率，以及出光面到光谱芯片上探测面的距离D2，进而可以调整被导引到所述探测面的光线平行或者尽可能的平行。所述透镜主体231的出光角度与主光轴的角度在设定区间在±10°的范围内，更优选为±5°。如图13A和图13B所示，其中图中x轴代表图中所述透镜主体231沿某一方向(x轴或y轴)坐标，图中y代表光谱芯片11对入射光的响应。如图13B示出了D2由大到小的变化得到的所述光谱芯片11的响应变化曲线，其中随着D2距离的变化光谱芯片11的响应一致性逐渐变低。图14A至图14C所示为所述光谱芯片11随着D2变化得到的几个仿真图，取沿x轴或y轴方向所述光谱芯片11的响应数据，可知一致性比较好对应下面的图比较平的曲线，而一致性较差的对应所述光谱芯片11的调制单元较小。因此需要选取所述光谱芯片响应一致性面积越大越好。如图14B所示，这是调整曲面以后的匀光效果，可以图中看出在同样的入射光下，形成的光斑更均匀且均匀的范围变大。

值得一提的是，在本申请的该优选实施例中，可通过透镜23的所述透镜支架232调整所述透镜主体231的入光面2311与所述光阑22的距离，调整所述透镜主体231的所述出光面2312与所述光谱芯片11的距离，以使得所述光谱芯片11具有较高的一致性。简言之，在本申请的该优选实施例中，所述透镜23的所述透镜支架232可基于设定的距离将所述透镜主体231固定在所述光阑22和所述光谱芯片11之间，即保持所述透镜主体231的所述入光面2311与所述光阑22的出光面的距离，也保持所述透镜主体231的所述出光面2312与所述光谱芯片11的入光侧之间的距离，从而可以防止因组装误差和使用过程中产生的尺寸变化。

另外，需要说明的是，所述透镜23的所述透镜主体231与所述透镜支架232为一体式结构，从而节省了安装镜片所需要的结构，能够进一步方便所述光谱传感器模组的小型化。另一方面所述透镜的所述透镜主体231和所述透镜支架232为一体式结构，通过所述透镜支架232可以保持所述透镜主体231在特定的位置，从而提高了所述光谱传感器模组工作的稳定性。

值得一提的是，所述透镜23的所述透镜主体231也可被实施为球面镜，当然也可以用球面透镜，但是其曲率半径与几何中心的距离不变，因此对光阑22的尺寸和所述光阑22到达所述球面透镜的光心的距离比较确定，不容易做更微型化得调整。优选地，在本申请的该优选实施例中，所述透镜23的所述透镜主体231为非球面镜，在根据光阑22的尺寸和所述光阑22到达所述透镜主体231的光心的距离比较容易做更微型化得调整，从而便于所述光谱传感器模组的小型化。

如图5所示，所示光谱传感器模组的所述支架30包括第一支架单元31和第二支架单元32，其中所述第一支架单元31被设置在所述光谱芯片11的外侧，所述光学组件20的所述匀光单元21被所述支架30支撑在所述光谱芯片11的上方。所述第二支架单元32位于所述第一支架单元31的上方，并且所述第二支架单元32具有一通光孔，由所述第二支架单元32形成所述光学组件20的所述光阑22。也就是说，在本申请的该优选实施例中，入射光经所述第二支架单元32的所述通光孔到达所述光学组件20的所述透镜23。值得一提的是，在本申请的该优选实施例中，所述支架30的所述第一支架单元31和所述第二支架单元32为遮光件，即光线可被所述第一支架单元31和所述第二支架单元32遮挡，入射的光线经所述光学组件20的所述光阑22(即所述第二支架单元32的通光孔)进入到所述支架30的内部。

所述光学组件20的所述匀光单元21被设置在所述第二支架单元32的上方，并由所述第二支架单元32固定和支撑所述光学组件20的所述匀光单元21。所述光学组件20进一步包括滤光单元24，其中所述滤光单元24被设置在所述光阑22和所述透镜23之间，由所述滤光单元24过滤入射光线。

优选地，在本申请的该优选实施例中，所述滤光单元24被实施为一滤光片或滤光膜，其中所述滤光单元24被贴附在所述光阑22的下方，即入射光经所述光阑22到达所述滤光单元24，再经所述滤光单元24到达所述透镜23。

更优选地，在本申请的该优选实施例中，所述滤光单元24被贴附在所述第二支架单元32的下表面。

所述光谱传感器模组进一步包括盖板40，其中所述盖板40被设置在所述支架30的上方，所述盖板40设有一透光区域，其中所述盖板40的所述透光区域与所述光学组件20的所述匀光单元21和所述光阑22相对应，并且由所述盖板40将所述匀光单元21固定在所述支架30的上端。

可以理解的是，在本申请的该优选实施例中，所述支架30的所述第一支架单元31和所述第二支架单元32形成所述光谱传感器模组的外壳，由所述支架30对内部的所述光学组件20起到保护和支撑作用。

如图6所示，所述盖板40用于贴合和固定所述匀光单元21，所述匀光单元21下设置有所述光阑22，其中被摄入射光通过所述匀光单元21后进入所述光阑22，所述光阑22被形成于所述支架30的所述第二支架单元32，以便于简化所述光谱传感器模组的结构，有利于实现所述光谱传感器模组的小型化和微型化。

在本实用新型的该优选实施例中，所述透镜23呈H型结构，即所述透镜23沿纵向的截面呈“H”型，所述透镜23的所述透镜支架232支撑在所述透镜主体231的外侧。

详细地说，所述透镜23的所述透镜支架232进一步包括支撑端2321和自所述支撑端2321一体向下延伸的固定端2322，其中所述透镜支架232的所述固定端2322被固定在所述光谱感应组件10的所述电路板12。

所述透镜23的所述透镜主体231被一体地形成于所述透镜支架232的内侧，且由所述透镜主体231在所述透镜支架232的内侧间隔成两个互相间隔的空间。在所述透镜主体231的入光侧，由所述透镜主体231和所述透镜支架232的所述支撑端2321形成第一透镜空间2323；在所述透镜主体231的出光侧，由所述头透镜主体231和所述透镜支架232的所述固定端2322形成第二透镜空间2324，其中所述光谱芯片11位于所述透镜23的所述第二透镜空间2324。

值得一提的是，由所述透镜23形成的所述第二透镜空间2324为密封结构，能够防止杂物进入，并可以减少杂散光的进入。

如图6所示，所述滤光单元24被所述透镜23的所述透镜支架232支撑在所述透镜主体231和所述光阑212之间，所述入射光通过光阑22后进入所述透镜23的入光面，经所述透镜23折射后，并通过所述透镜23的出光面出射到达所述光谱芯片11的调制层。

值得一提的是，在本申请的该优选实施例中，所述光阑22被形成于所述支架30，其中所述光学组件20的所述匀光单元21被盖板40固定在所述支架30的顶端。

需要说明的是，在本申请的该优选实施例中，所述透镜23的所述透镜支架232的所述固定端2322被固定在所述光谱感光组件10的所述电路板12的表面，且所述透镜支架232的所述支撑端2321支撑所述滤光单元24，以便将所述滤光单元24固定在所述支架30的内侧。

被摄的入射光通过所述匀光单元21后进入所述光阑22，所述光阑22被形成于所述支架30的顶部，所述支架30还可以作为外壳对所述光谱芯片11进行保护。所述入射光通过光阑22进入设置于所述光阑22下的透镜23，所述透镜23为非球面透镜，所述透镜23的所述透镜支架232用于被设置为支撑所述透镜主体231的所述入光面2311到所述光阑22的距离在设定值范围内，和支撑所述透镜主体231的所述出光面2312到所述光谱芯片11的距离在设定值范围内，有利于提高所述光谱芯片11的光谱恢复性能。

如图7所示，依照本申请的另一可选实施方式在接下来的描述中被阐明。与上述较佳实施例不同的是，在本申请的该优选实施例中，所述滤光单元24被贴附在所述支架30的内侧表面，且所述滤光单元24被保持在所述透镜23的所述透镜支架232的内侧。换言之，在本申请的该优选实施例中，所述滤光单元24被保持在所述透镜23的所述透镜支架232的所述第二透镜空间2324内。所述透镜支架232的所述支撑端2321支撑在所述支架30的下方，其中所述透光支架232的所述支撑端2321与所述支架30形成的所述第二透镜空间2324为密封结构，能够防止杂物进入。

作为优选地，在本申请的该优选实施例中，所述透镜支架232的所述支撑端2321与所述支架30的下端面相连接，所述透镜支架232的所述固定端2322被固定于所述光谱感光组件10的所述电路板12，使得所述透镜支架232的所述第一透镜空间2323和所述第二透镜空间2324为两个相互隔绝且密封的光传输空间。可以理解的是，所述透镜支架232被设置在所述支架30和所述光谱感光组件10之间，通过所述透镜支架232支撑所述支架30。由于所述光阑22被形成于所述支架30的通光孔，以使得所述透镜主体231可被所述透镜支架232支撑且保持在特定位置，以使得所述透镜主体231的所述入光面2311与所述光阑22的出光面的距离在设定范围内，所述透镜主体231的所述出光面2312与所述光谱芯片11的距离在设定范围内，以提高所述光谱传感器模组的稳定性。

作为优选地，在本申请的该优选实施例中，所述透镜23为一体注塑成型，成H型透镜，所述H透镜材质可以是玻璃或者塑料材质。

进一步地，所述透镜23的所述透镜支架232的外侧设有不透光材料，即遮光材料。

值得一提的是，在本申请的另一可选实施方式中，所述滤光单元24被设置在所述光阑22的下方，即所述滤光单元24被贴附在所述支架30的内侧。可选地在，在本申请的另一可选实施方式中，所述滤光单元24被设置在所述匀光单元21的入光侧，即所述滤光单元24被贴附在所述匀光单元21的上方。

如图8至图10所示，所述滤光单元24可以是滤光片或者滤光膜，所述滤光单元24可以设置于所述匀光单元21的入光面或者所述匀光单元21的出光面，由滤光单元24过滤其他不需要的波段的光对需求的影响。以得到对应不同波段的入射光的光谱信息。

为此，所述被摄光照射到所述匀光单元21上表面，并经过匀光后通过设置于所述匀光单元21下的光阑22，经过所述光阑22后到达所述滤光单元24，经过滤光后得到对应设定波段的光，在照射到所述光谱芯片11的上表面。

值得一提的是，所述光阑22可以是通过塑胶件在注塑的过程中形成的通光孔，也可以形成于所述匀光单元21的上表面和/或下表面的不透光涂层，并形成设定大小尺寸的光阑孔，即只保留光阑孔处进行通光。简言之，在本申请的另一可选实施方式中，所述光阑22是形成于所述匀光单元21的不透光涂层，其中该涂层结构具有允许入射光通过的光孔，该光孔即为所述光阑22的光阑孔。

可选地，在本申请的另一可选实施方式中，所述光阑22是形成在所述滤光单元24的上表面和/或下表面的不透光涂层，并形成设定大小尺寸的光阑孔，进行通光。

经注塑形成的光阑孔径可以形成设定形状的孔径，例如可以是圆柱形，可以是梯形，所述梯形可以是开口大，出口小的形状。所述匀光单元21被贴合在所述支架30的上表面；或者所述匀光单元21被所述盖板40压合在所述支架30的上表面。可选地，在本申请的另一可选实施方式中，所述盖板40具有楔形槽，所述匀光单元21被倒置在所述盖板40的楔形槽内。

如图9所示，在本申请的另一可选实施方式中，与上述较佳实施例不同的是，所述滤光单元24被设置在所述光阑22的入光面，即所述滤光单元24被贴附在所述匀光单元21的上端面，所述光阑22被形成在所述匀光单元21的下端面。入射光先照射到所述滤光单元24上，经过滤光单元获取到设定波段的入射光，再进行匀光，为此在所述滤光单元24的下面设置所述匀光单元21，在由入射光照射到光谱芯片11的光路上依次设置有滤光单元24、匀光单元21以及所述光阑22。

在本申请的一个具体示例中，入射光照射到光谱芯片11的光路上依次设置有匀光单元21、光阑22、滤光单元24，其中所述匀光单元21可以式匀光片、匀光膜、具体材料可以式聚四氟乙烯Pet、ptfe、玻璃等。入射光通过所述滤光单元24后再经过所述透镜23的所述透镜主体231，所述透镜23用于对入射光线进行折射，实现入射光到达所述光谱芯片11的光斑范围更大。

所述透镜23的所述透镜主体231对所述入射光的调整后入射到所述光谱芯片11上的光线的角度更加均匀，且一致性更好，角度敏感性也更小。所述光谱芯片11通过电连接与所述电路板12相连，所述光学器件被封装在所述支架30内，其中所述支架30用于保护并支撑光路的形成，所述盖板40可以通过分离设置，并通过粘合的方式连接到一起。

所述盖板40上设置有楔形槽，所述楔形槽用于和匀光单元21进行匹配，将上述匀光单元21设置于所述盖板40的上述楔形槽内，所述楔形槽可以环绕匀光片外延设置一周，或在相对的四角上设置，用于卡合固定匀光单元21。可以理解的是，所述盖板40的厚度不小于所述匀光单元21的厚度。本实施例中所述盖板40的厚度和匀光单元21的厚度相同。

进一步地，所述电路板12包括一电路板主体121和被设置在所述电路板主体121的基板122，其中所述光谱芯片11设置于所述基板122的一侧。

进一步地，所述光谱传感器模组进一步包括保护罩(图中未示出)，所述保护罩可以是菲涅尔透镜，盖板玻璃等，用于保护内部的光学元件。

根据本申请的另一方面，本实用新型进一步提供一种电子设备，其中所述电子设备包括一电子设备主机和被搭载于所述电子设备主机的光谱传感器模组，其中所述光谱传感器模组与上述较佳实施例的所述光谱传感器模组相同。所述电子设备可以但不限于人脸识别装置、手机、电脑等智能拍摄设备。

可以理解的是，所述电子设备通过所述光谱传感器模组的所述光谱芯片11接收入射光，并对入射光进行调制获得响应信号，并有响应信号及计算光谱恢复算法获得所述入射光的光谱信息。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整并有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (19)

1.光谱传感器模组，其特征在于，包括：

光谱感应组件，所述光谱感应组件包括光谱芯片和电路板，其中所述光谱芯片与所述电路板电连接；

支架；

光学组件，所述光学组件被设置于所述支架，并被支撑在所述光谱芯片的感光路径，其中所述光学组件包括沿所述光谱芯片的光轴方向依次排布的匀光单元、光阑以及透镜，以供入射光经所述光学组件的所述匀光单元、光阑以及所述透镜被引导至所述光谱芯片的入光表面。

2.根据权利要求1所述的光谱传感器模组，其中所述透镜包括透镜主体和支撑所述透镜主体的透镜支架，所述透镜主体被所述透镜支架支撑在所述光阑和所述光谱芯片之间。

3.根据权利要求2所述的光谱传感器模组，其中所述透镜主体与所述透镜支架为一体式结构，所述透镜主体被一体地形成于所述透镜支架的内侧。

4.根据权利要求1所述的光谱传感器模组，其中所述透镜主体包括入光面和出光面，且所述透镜主体的所述入光面和所述出光面至少一面为非球面。

5.根据权利要求4所述的光谱传感器模组，其中沿着主光轴的方向，设所述透镜主体的所述入光面与所述光阑的出光面的距离为D1，所述透镜主体的所述出光面与所述光谱芯片入光面的距离为D2，所述距离D1与所述入光面的曲率半径及光阑的孔径L有关，所述距离D2与出光面的曲率半径相关。

6.根据权利要求4所述的光谱传感器模组，其中所述入光面的曲面由曲面上任一点(x1，y1)组成，其中y1由参数x1、r1决定，所述出光面由任一点(x2，y2)组成，y2由x2、r2决定，y1＝f_font(x,r1,K1,d1,e1,h1)，y2＝f_back(x,r2,K2,d2,e2,h2)，中K1和K2为非球面曲面的圆锥参数，d1、e1、h1，d2、e2、h2为多项式系数。

7.根据权利要求5所述的光谱传感器模组，其中所述距离D2决定了被导引到光谱芯片上光的与所述主光轴之间的夹角大小。

8.根据权利要求5所述的光谱传感器模组，其中所述距离D2决定了被导引到光谱芯片上光的均匀性和光斑的强度，所述均匀性为被导引到所述光谱芯片的强度和角度一致光斑的大小。

9.根据权利要求1所述的光谱传感器模组，其中所述支架包括第一支架单元和第二支架单元，其中所述第一支架单元被设置在所述光谱芯片的外侧，所述第二支架单元位于所述第一支架单元的上方，并且所述第二支架单元具有一通光孔，由所述第二支架单元形成所述光学组件的所述光阑。

10.根据权利要求1所述的光谱传感器模组，其中所述光学组件进一步包括滤光单元，其中所述滤光单元被设置在所述光阑和所述透镜之间。

11.根据权利要求10所述的光谱传感器模组，其中所述透镜支架进一步包括支撑端和自所述支撑端一体向下延伸的固定端，其中所述透镜支架的所述固定端被固定在所述光谱感应组件的所述电路板。

12.根据权利要求11所述的光谱传感器模组，其中所述滤光单元被所述透镜的所述透镜支架支撑在所述透镜主体和所述光阑之间。

13.根据权利要求11所述的光谱传感器模组，其中所述滤光单元被贴附在所述支架的内侧表面，且所述滤光单元被保持在所述透镜的所述透镜支架的内侧。

14.根据权利要求11所述的光谱传感器模组，其中所述透镜支架的外侧设有遮光材料。

15.根据权利要求1所述的光谱传感器模组，其中所述光学组件进一步包括匀光单元，其中匀光单元设置于所述光阑的入光侧，所述匀光单元上设置有不透光层。

16.根据权利要求15所述的光谱传感器模组，其中所述匀光单元被设置于部分不透光图层，所述光阑被设置形成于所述透光的匀光单元的透光部分。

17.根据权利要求15所述的光谱传感器模组，其中所述光阑被设置多个不同的位置的匀光单元的透光部分。

18.根据权利要求16所述的光谱传感器模组，其中进一步包括盖板，其中所述盖板被设置在所述支架的上方，所述盖板具有楔形槽，所述匀光单元被倒置在所述盖板的楔形槽内。

19.电子设备，其特征在于，包括：

电子设备主体；和

如权利要求1至18任一所述的光谱传感器模组，其中所述光谱传感器模组被搭载于所述电子设备主体，并与所述电子设备主体电连接。

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