光谱仪结构及电子设备

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，特别是涉及一种光谱仪结构及电子设备。

背景技术

光谱仪(Spectrometers)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。通过光谱仪对光信息进行抓取、照相底片显影或通过电脑自动显示数值仪器来进行显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。光谱仪被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。

传统的光谱检测由于其体积大及使用环境受限，无法满足现场检测和实时监控的需求。对基于移动平台光谱检测系统的研究，不仅可以改善传统光谱检测方式的不足，而且还能够实现将光谱检测系统向微型智能化方向的转型升级，对现代实时光谱检测技术的发展具有重大意义。

在现有的光谱仪与手机相结合的技术方案中，多需要附加一个分光模块，且现有的分光模块都不成熟，存在光路长和组件复杂的问题，由此，无法顺利地将该分光模块集成在手机等现有的拍摄设备上。此外，现有的分光模块仅仅是只有一层滤光片阵列，光谱分析的精度不够，且还存在扫描时间过长的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种光谱仪结构及电子设备，以解决现有技术中的分光模块存在光谱分析精度低的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种光谱仪结构，包括镜片，还包括：滤光片，所述滤光片设置在所述镜片的下方，用于滤除照射在镜片上的特定波段的光；以及光调制层，所述光调制层设置在所述滤光片的下方，其中，通过所述光调制层对从所述滤光片射出的不同频段的光进行调制，以得到调制后的光谱。

其中，所述光谱仪结构还包括设置在所述光调制层和所述滤光片之间的衬底。

其中，所述光调制层包括设置在所述衬底的下表面的底板和至少一个调制单元，各个所述调制单元均位于所述底板上，每个所述调制单元内分别设有多个穿设于所述底板内的调制孔，同一所述调制单元内的各个所述调制孔排布成具有第一排布规律的二维图形结构。

其中，所述二维图形结构的第一排布规律包括：同一所述二维图形结构内的所有所述调制孔均具有相同的截面形状，各个所述调制孔按照结构参数大小的渐变顺序呈阵列式排布；和/或同一所述二维图形结构内的各个所述调制孔分别具有相应的截面形状，各个所述调制孔按照第二截面形状进行组合排列。

其中，所述调制孔的结构参数包括但不限于内径、长轴长度、短轴长度、旋转角度、边长或角数；所述调制孔的截面形状包括但不限于圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形。

其中，所述光调制层通过沉积或刻蚀形成在所述衬底的下表面。

其中，所述光调制层占所述衬底的下表面的全部面积或部分面积。

其中，所述滤光片设置在所述衬底的上表面的不同区域并沉积不同的滤光层，所述滤光片与下方的所述光调制层中的各个所述调制单元相对应。

其中，所述光谱仪结构还包括用于成像以及接收经所述光调制层调制后的光谱的CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器设置在所述光调制层的下表面；所述光谱仪结构还包括用于信号处理，将差分响应重构，以得到原光谱及图像的信号处理电路，所述信号处理电路设置在所述CMOS图像传感器的下表面。

根据本发明的第二方面，还提供一种电子设备，包括上述所述的光谱仪结构。

(三)有益效果

本发明提供的光谱仪结构，与现有技术相比，具有如下优点：

光经镜片照射在滤光片上，该滤光片可以滤除照射在镜片上的特定波段的光，也可滤除人眼无法识别的红外光。通过光调制层对从滤光片射出的不同频段的光进行调制，该调制作用包括但不限于光的散射、吸收、投射、反射、干涉、表面等离子激元以及谐振等，同时，利用光调制层内的二维图形结构的区别从而来提高不同区域间的光谱响应的差异性，提高光谱仪结构的分析精度。

附图说明

图1为本发明的实施例一的光谱仪结构的整体爆炸结构示意图；

图2为本发明的实施例一的光谱仪结构的侧面结构示意图；

图3为图1中的光调制层的整体结构示意图；

图4为本发明的实施例二的光谱仪结构的整体爆炸结构示意图；

图5为本发明的实施例二的光谱仪结构的侧面结构示意图；

图6为图4中的光调制层的实施例一的整体结构示意图；

图7为图4中的光调制层的实施例二的整体结构示意图；

图8为图4中的滤光片的整体结构示意图。

附图标记：

1：镜片；2：电机马达；3：滤光片；4：衬底；5：光调制层；6：CMOS图像传感器；7：信号处理电路；8：调制单元；9：调制孔；10：第一调制单元；11：第二调制单元；12：第三调制单元；13：第四调制单元；14：第五调制单元；15：空白单元；16：滤光单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1至图8所示，图中示意性地显示了该光谱仪结构包括镜片1、滤光片3以及光调制层5。本申请的光谱仪结构可以集成在手机、相机或其它具有拍摄功能的电子设备的镜头上。

在本申请的实施例中，镜片1用于接收入射光，对物体进行成像。

该滤光片3设置在该镜片1的下方，用于滤除照射在镜片1上的特定波段的光，实现分波段的光谱分析及高质量成像。该特定波段的光可为能透过800nm(纳米)以下的光。

该光调制层5设置在该滤光片3的下方，其中，通过该光调制层5对从该滤光片3射出的不同频段的光进行调制，以得到调制后的光谱。具体地，光经镜片1照射在滤光片3上。通过光调制层5对从滤光片3射出的不同频段的光进行调制，该调制作用包括但不限于光的散射、吸收、投射、反射、干涉、表面等离子激元以及谐振等，同时，利用光调制层5内的二维图形结构的区别从而来提高不同区域间的光谱响应的差异性，提高光谱仪结构的分析精度。

在本申请的实施例中，该滤光片3可以滤除照射在镜片1上的特定波段的光，也可滤除人眼无法识别的红外光。

该光谱仪结构还包括电机马达2，其用于控制镜片1的移动，即，调节镜片1与滤光片3之间的距离，实现高质量成像。需要说明的是，由于电机马达2的结构和工作原理均为本领域技术人员所熟知的，为节约篇幅起见，此处不做详述。

在本申请的实施例中，可将光谱仪结构集成到手机镜头模组中所需的小体积内，也可在不损失原有成像功能的基础上，实现光谱分析功能，利用光谱信息改善图像质量并具有集成度高的优点。

如图4和图5所示，在本申请的一个优选的实施例中，该光谱仪结构还包括设置在该光调制层5和该滤光片3之间的衬底4。

在本申请的另一个优选的实施例中，该光调制层5包括设置在该衬底4的下表面的底板(图中未示出)和至少一个调制单元8，各个该调制单元8均位于该底板上，每个该调制单元8内分别设有多个穿设于该底板内的调制孔9，同一调制单元8内的各个该调制孔9排布成具有第一排布规律的二维图形结构。具体地，利用不同的二维图形结构实现对不同波长的光进行调制作用，该调制作用包括但不限于光的散射、吸收、投射、反射、干涉、表面等离子激元以及谐振等作用，利用二维图形结构的区别还可以提高不同区域间光谱响应的差异性，从而提高光谱仪的分析精度。

如图6所示，本实施例中的光调制层5的底板上分布有五个调制单元8，分别为第一调制单元10、第二调制单元11、第三调制单元12、第四调制单元13和第五调制单元14，其中第五调制单元14范围最大，其面积不小于前四个调制单元的总和。

其中，第一调制单元10、第二调制单元11以及第三调制单元12内的调制孔9的排列顺序为按照预设的周期顺序逐行或逐列排布。调制单元8内的调制孔9的特定截面形状互不相同。同一调制单元8内的调制孔9具有相同的特定截面形状，但各调制孔9的排列顺序按照结构参数的大小渐变顺序呈阵列式排布，从而使得每个调制单元8都具有不同的调制作用，并且能针对不同波长的光谱进行调制。根据调制需要改变调制单元8内的调制孔9的结构参数的渐变顺序和/或调制孔9的特定截面形状，即可改变当前调制单元8的调制作用和/或调制对象。

第四调制单元13与第一调制单元10的调制孔9的特定截面形状相同，均为圆形，但第四调制单元13的调制孔9结构参数与第一调制单元10的调制孔9的结构参数不同，具体为：第四调制单元13的调制孔9的内径小于第一调制单元10的调制孔9的内径，由此，第四调制单元13对于输入光谱有第四种调制方式。第一调制单元10、第二调制单元11、第三调制单元12、第四调制单元13整体呈矩阵式排列。

第五调制单元14内的所有调制孔9均具有相同的特定截面形状，以椭圆形为例。所有调制孔9按照结构参数大小渐变顺序呈阵列式排布并形成二维图形结构。在该二维图形结构中，所有调制孔9呈阵列式排布，并且所有调制孔9均按照长轴长度、短轴长度和旋转角度由小到大逐行逐列进行排布，从而使得所有调制孔9的整体组成了该第五调制单元14，则该第五调制单元14对于输入光谱有第五种调制方式。

可以理解的是，本实施例所述的“对不同波长的光有某种调制方式”可包括但不限于散射、吸收、透射、反射、干涉、表面等离子激元、谐振等作用。第一、第二、第三、第四和第五种光调制方式彼此区别。通过对于调制单元8内的调制孔9结构的设置，可以提高不同单元间光谱响应的差异，通过增加单元数量就可以提高对不同光谱之间差异的灵敏度。

可理解的是，在针对不同入射光谱进行测量时，可通过改变各调制单元8内的调制孔9的结构参数来改变调制作用，结构参数的改变包括但不限于光调制层5内的微纳结构的周期、半径、边长、占空比和厚度等参数中的一种或各参数的任意组合。

下面对第五调制单元14的结构进行具体说明。

第五调制单元14的所有调制孔9都是按照同一排布规律进行排列的，即按照长轴长度、短轴长度和旋转角度的结构参数由小到大逐行逐列的渐变排布，故而该调制单元8上的所有调制孔9既可以视为一个整体调制单元8，也可以将其任意分割成若干个调制单元8，任意划分出的调制单元8对于光谱都有不同的调制作用，理论上可获得无穷多组调制后的光谱样本，从而急剧增大了用以重构原光谱的数据量，有助于对于宽带光谱的谱型进行恢复。根据每个调制单元8内的调制孔9的结构参数特性确定该调制单元8对不同波长的光的调制作用的效果即可。

可理解的是，上述的调制孔9的特定截面形状包括但不限于圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形等，也可以为上述各形状的任意组合。上述的调制孔9的结构参数包括但不限于内径、长轴长度、短轴长度、旋转角度、角数或边长等。

本实施例中第五调制单元14上的所有调制孔9均为椭圆形，所有椭圆形的调制孔9的长轴长度和短轴长度分别逐行逐列增大，并且以图6中水平向为横轴，竖向为纵轴，则所有椭圆形的调制孔9逐行逐列的自纵轴向横轴旋转，其旋转角度逐渐增大。所有的调制孔9组成了一个整体的二维图形结构，该二维图形结构整体为一矩阵结构，该矩阵结构的面积范围为5μm

由此可见，本实施例所述的光调制微纳结构利用不同单元间的不同调制孔9的特定截面形状的区别以及同一单元内特定的调制孔9的排列方式，实现利用改变调制孔9的特定截面形状、调制孔9的结构参数以及调制孔9的排列周期来实现对不同波长的光谱进行不同的调制作用。

本实施例所述的能实现对光进行调制的光调制微纳结构包括但不限于一维、二维光子晶体、表面等离子激元、超材料和超表面。具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属以及III-V族材料等。其中，硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅以及碳化硅等。

在制备光调制层5时，可直接在衬底4的下表面上生成光调制层5，也可以先将已制备好的光调制层5转移至衬底4的下表面上。

直接在衬底4的下表面上生成光调制层5的过程为：第一步，在衬底4的下表面上通过溅射、化学气相沉积等方法沉积厚度为100nm(纳米)～400nm(纳米)的硅平板。第二步，用光刻、电子束曝光等图形转移方法在上面绘制出所需的二维图形结构。第三步，通过反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀以及离子束刻蚀等方法对硅平板进行刻蚀即可得到所需光调制层5。

上述的光调制层5的转移制备方式具体为：先根据设计的结构参数在硅片或SOI(指硅-绝缘体-硅片结构)上制备得到光调制层5，然后通过转移的方法转移到衬底4的下表面上。

在该实施例中，光调制层5占据衬底4下表面的全部面积，覆盖CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器6的全部像素。

在该实施例中，滤光片3只允许特定波段的光通过，比如只允许可见光通过。

衬底4介于滤光片3与光调制层5之间。光调制层5上面有光调制微纳结构，用于对入射光进行光调制，以得到调制后的光谱。CMOS图像传感器6用于成像以及接收所述调制后的光谱，并对所述调制后的光谱提供差分响应。信号处理电路7用于信号处理，将所述差分响应重构，以得到原光谱及图像。

如图7所示，本实施例所述光调制层5上的光调制微纳结构只占据了衬底4下表面的部分面积，空出部分区域(像素点)用于成像，这样可在一个相机模组中同时实现成像和光谱分析功能

在本申请的一个实施例中，本实施例所述的光调制微纳结构以及集成在手机镜头上的光谱仪结构、原理、光谱调制方法和制备方法均与上一个实施例基本相同，为节约篇幅起见，相同之处不再赘述。不同之处在于：光调制层5上包含有若干个调制单元8以及空白单元15，每个调制单元8内的调制孔9的特定截面形状互不相同，同一调制单元8内的调制孔9具有相同的特定截面形状，调制孔9的特定截面形状包括但不限于圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形等，也可以为上述各形状的任意组合。

上述的调制孔9的结构参数包括但不限于内径、长轴长度、短轴长度、旋转角度、角数或边长等。每个调制单元8都具有不同的调制作用，并且能针对不同波长的光谱进行调制。根据调制需要改变调制单元8内的调制孔9的结构参数的渐变顺序和/或调制孔9的特定截面形状，即可改变当前调制单元8的调制作用和/或调制对象。

调制单元8与空白单元15的排列组合方式是多种多样的，本实施例只是示意性地给出了其中一种排列组合方式(具体参见图7)。

在本申请的实施例中，该光谱仪结构还包括用于成像以及接收经该光调制层5调制后的光谱的CMOS图像传感器6，该CMOS图像传感器6设置在该光调制层5的下表面。滤光片3的设置，还可以降低非成像所需频段的光对CMOS图像传感器6的干扰，提高成像质量。

在本申请的优选的实施例中，该光谱仪结构还包括用于信号处理，将差分响应重构，以得到原光谱及图像的信号处理电路7，该信号处理电路7设置在该CMOS图像传感器6的下表面。

如图8所示，本实施例所述的滤光片3包括若干个滤光单元16，每个滤光单元16可根据实际需求设计为对不同波段的光以产生滤光效果，并与下方光调制层5中的微纳结构进行对应，提高对某一波段光谱分析的精度，实现分波段的光谱分析，例如可设计为只通过滤光波段(520nm～600nm)、只通过红光波段(600nm～730nm)等，并与下方光调制层5中的微纳结构进行对应，主要针对相应波段的光的响应进行设计，使得相应波段的光谱分析精度进一步提高，通过多个单元实现对于光谱的高精度分析。滤光单元16的结构参数可自行设计。光调制层5上的微纳结构可根据不同的滤光波段进行对应设计。

如图1和图2所示，本实施例去掉了衬底4的结构，制备光调制层5时，可直接在滤光片3的下表面上生成光调制层5，也可以先将已制备好的光调制层5转移至滤光片3的下表面上，为节约篇幅起见，与上述实施例的相同工艺流程不再赘述。

如图3所示，本实施例所述的微纳结构中，光调制层5上设有一整体调制单元8。该调制单元8中设有的二维图形结构内的各个调制孔9分别具有各自的特定截面形状，各个调制孔9按照特定的截面形状进行自由组合排列。具体地，在该二维图形结构内，部分调制孔9的特定截面形状相同，具有相同特定截面形状的各个调制孔9构成了多个调制孔组，各个调制孔组的特定截面形状互不相同，且所有的调制孔9均自由组合。

可理解的是，该调制单元8整体可视为针对一种特定波长的光谱进行调制，也可以将其自由分割成具有若干个调制孔9的调制单元8，从而可以针对多种不同波长的光谱进行调制，以增加光调制的灵活性和多样性。

综上所述，滤光片3的下表面制备微纳结构实现光谱分析的分光功能，在不增加相机模组大小的情况下将光谱分析功能集成到手机中。

微纳结构可占据滤光片3的部分或者全部面积，可空出一部分区域(像素点)，这样，可在一个相机模组中同时实现成像和光谱分析功能,通过光谱分析调节白平衡，提高成像质量，也可通过成像进行光谱分析的对象的识别和初步标定，进而提高光谱分析的精度。

在滤光片3的上表面(靠近镜头透镜组)可在不同区域沉积不同的滤光层，并使其与下方的微纳结构进行对应，以滤掉其他波段的信号，提高对某一波段光谱分析的精度，实现分波段的光谱分析。

可选择硅基、Si

此外，可以通过精确控制微纳结构材料的生长和刻蚀工艺，设计不同的二维结构图和细微结构颗粒尺寸，实现可制光谱仪的测量波长范围以及精度。另外，设计不同的滤光片下表面二维结构可以实现控制原相机功能的技术参数。

通过CMOS图像传感器6同时接收整个成像面的信号，免除了扫描式光谱仪响应时间长的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。