本发明涉及基于滤光器阵列的光谱分析模组，尤其是涉及消除其中不相对应的滤光器结构单元与探测器单元之间的信号光串扰的方法。
背景技术：
光谱仪是一种非常重要的光学仪器。光谱仪工作原理的核心在于其分光技术。现行常见的光谱仪概括来说有两类：一类是以光栅光谱仪为代表的色散分光型；另一类是以基于干涉仪的傅里叶变换光谱仪为代表的调制型。实验室级别的专业型光谱仪一般都体积较大、价格昂贵，其整体性能往往伴随着仪器尺寸的缩小而减弱。
近年来，随着信息技术的发展、生产生活智能化、和人们对食品安全、环境污染、医疗健康等需求的增长，微型集成光谱分析模组受到关注。其应用目标向作为智能化设备和消费类电子产品(如智能手机和可穿戴设备等)的传感组件的运用来发展。
其中，基于滤光器阵列结构来实现微型集成光谱分析模组是一个重要途径，受到广泛关注。这种光谱分析模组是将通过滤光器阵列中具有不同透射光谱特性的滤光器结构单元的透射光照射在探测器阵列中相应的探测器单元上进行光电转换，然再通过后端数据处理来进行光谱重构。根据其滤光器阵列结构的不同，举例如下：
如滤光器阵列结构是基于具有分立的不同腔长的垂直型fabry-perot谐振腔阵列结构【如以下文献所涉及：1.s.-w.wang,c.xia,x.chen,w.lu,m.li,h.wang,w.zheng,andt.zhang,opt.lett.,32(6),632(2007)；2.温志渝，陈刚，王建国，光谱学与光谱分析，26(10),1955(2006)。】；
如滤光器阵列结构是基于介质材料的光子晶体结构【如以下文献所涉及：n.k.pervez,w.cheng,z.jia,m.p.cox,h.m.edrees,andi.kymissis,opt.express,18(8),8277(2010).】；
如滤光器阵列结构是基于具有不同吸收谱的半导体量子点或量子线阵列结构【如以下文献所涉及：1.j.baoandm.g.bawendi,nature,523,67(2015)；2.z.yang,t.albrow-owen,h.cui,etal.,science,365,1017(2019).】；等等。
还有一类滤光器阵列结构是基于金属微纳结构【如以下公开发明专利所涉及：中国发明专利cn105092035b、cn109642822a、cn108731806a、cn110873911a、cn110243471a、cn10954311a、cn109564323a、等；美国发明专利us8542359b2、us7426040b2、等。】
基于滤光器阵列的微型集成光谱分析模组中，透过滤光器阵列中各个滤光器结构单元的信号光需要由探测器阵列中分别与之相对应的探测器单元来接收并转换为电信号，再通过后端的信号处理系统来进行光谱重构。但是，透过相邻滤光器结构单元的信号光可能照射在不与之对应的探测器单元区域而带来信号串扰问题，从而引入不必要的噪声、增加后端信号处理的复杂性和不稳定性，最终影响系统光谱测试的准确性和性能。
技术实现要素：
本发明针对基于滤光器阵列的光谱分析模组，提供了用以消除其中不相对应的滤光器结构单元与探测器单元之间的信号光串扰的方法。
本发明实施例涉及的基于滤光器阵列的光谱分析模组至少包括滤光器阵列和探测器阵列，另外也还可以包括信号光采集与光束整形部分、信号处理与控制电路、以及模组结构件等。
所述的滤光器阵列由具有不同透射光谱特性的滤光器结构单元构成。其滤光器结构通常为制备在透明介质衬底上的单层或多层薄膜结构、或同时在薄膜平面内具有特征尺寸在微纳尺度的结构；它们在不同的滤光器结构单元内具有不完全相同的结构参数或材料参数(如折射率等)。
所述的探测器阵列由多个探测器单位像素构成。在近紫外-可见-近红外区，所述探测器通常为制备在半导体材料衬底上的光电器件结构，其材料类型和器件结构决定了探测器的有效响应波段。在中远红外区，除了基于半导体光电效应、还有基于光热效应等其它原理的探测器阵列。
如果所述探测器阵列中的探测器单位像素的尺寸较大，则根据所述探测器阵列中的探测器单位像素的形状、尺寸和分布来设计所述滤光器阵列中的滤光器结构单元的形状、尺寸和分布，以使滤光器阵列中的每个滤光器结构单元分别对应于探测器阵列中的一个或若干个探测器单位像素；并将此一个或若干个探测器单位像素视为一个探测器单元。
如在许多情况下，探测器阵列中的探测器单位像素的尺寸远小于滤光器阵列中滤光器结构单元的合理尺寸，则根据滤光器阵列中滤光器结构单元的形状、尺寸和分布情况来对探测器阵列中的探测器单位像素进行规划。具体来说，将探测器阵列中与滤光器阵列中的各个滤光器结构单元在空间上对应、且对准的多个探测器单位像素视为一个探测器单元。由该探测器单元接收来自与其对应的滤光器结构单元的透射光；再在后端数据处理中，对所涉及探测器单位像素的光电转换信号进行统筹处理。
为消除透过滤光器阵列中相邻的滤光器结构单元的光照射到探测器阵列中不与之对应的探测器单元上而造成信号串扰问题，可采取如下措施中的一项或多项：
在对探测器阵列通过光电转换产生的数字信号处理过程中，剔除那些处于相邻探测器单元的边界附近、易于同时接收到来自相邻滤光器结构单元透射光的单位像素所产生的数字信号。
在滤光器阵列中的相邻滤光器结构单元间加入阻挡光透射的阻挡区；
在滤光器阵列和探测器阵列之间、或滤光器阵列之前加入光阑阵列；
在滤光器阵列和探测器阵列之间加入可以阻挡相邻对应单元之间光信号串扰的隔离结构；
在滤光器阵列和探测器阵列之间加入与它们的各个阵列单元相对应的微透镜阵列。
其它说明事项：
本发明实施例涉及的基于滤光器阵列的光谱分析模组中，滤光器阵列和探测器阵列之间可以是以某种支撑结构相互分立地组合在一起，或者是以透明介质作为中间媒质接触式地堆叠在一起的。本发明实施例所提供的方法可以基于其精神根据具体情况进行变通。
另外，本发明实施例涉及的光谱分析模组中，所述的滤光器阵列、探测器阵列和其它部分可以是如前所述组合成一个单独的组件，或者是将它们集成于其它光电器件或系统成为一体，然后再结合其外围设备来进行光谱检测。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的光谱分析模组结构及工作原理示意图；
图2是本发明实施例涉及的光谱分析模组中的滤光器阵列、及其滤光器阵列结构层中的各个不同的滤光器结构单元的平面分布示意图；
图3是本发明实施例涉及的光谱分析模组的示范例的横截面结构示意图；
图4是本发明实施例涉及的光谱分析模组中的滤光器阵列、及其滤光器结构单元的平面示意图；
图5是本发明实施例涉及的光谱分析模组中的探测器阵列、及其探测器单位像素和所规划的探测器单元的平面示意图；图中小网格表示探测器单位像素，大网格表示由若干探测器单位像素构成的与滤光器阵列中各个滤光器结构单元相对应的探测器单元；
图6是根据本发明实施例1，在其所涉及光谱分析模组中的探测器阵列中剔除处于相邻探测器单元的边界附近的探测器单位像素所产生的数字信号的横截面结构示意图；
图7是根据本发明实施例2，在其所涉及光谱分析模组中的滤光器阵列中相邻的滤光器结构单元间加入阻挡光透射的阻挡区的横截面结构示意图；
图8是根据本发明实施例3，在其所涉及光谱分析模组中的滤光器阵列和探测器阵列之间加入相应的光阑阵列的横截面结构示意图；
图9是根据本发明实施例4，在其所涉及光谱分析模组中的滤光器阵列和探测器阵列之间加入相应的隔离结构的横截面结构示意图；
图10是根据本发明实施例5，在其所涉及光谱分析模组中的滤光器阵列和探测器阵列之间加入相应的微透镜阵列的横截面结构示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
以下实施例为示范性实施例，它们可以具有不同的形式或变型，而不应被解释为仅限于这里所给出的描述。在对本发明实施例的描述中，如“……上”的表述可以包括“以非接触方式在……上”和“以接触方式直接在……上”；如“……下”的表述可以包括“以非接触方式在……下”和“以接触方式直接在……下”；如“……和(与)……间”的表述意指“以接触或非接触方式在……和……间”；如“包括……”的表述意指“包括但不限于仅有……”。
图1示出本发明实施例涉及的光谱分析模组100包括：信号光采集和光束整形部分110、滤光器阵列120、和探测器阵列130。
其中，信号光采集和光束整形部分110包括有：扩散片111、光阑112、和透镜113；还可以包括其它有益的光学元件。该部分目的是为均匀、高效地采集到信号光，并使之变成平行准直光垂直照射到滤光器阵列上。
滤光器阵列120包含有透明衬底121、及制备在衬底上的滤光器阵列结构层122。
探测器阵列130包含有衬底131、及在衬底表面层制备的探测器阵列光电转换层132。
在图1所示光谱分析模组100的示范例中，滤光器阵列120中透明衬底121一侧为信号光入射面，滤光器阵列结构层122一侧朝向探测器阵列130中接收入射光的探测器阵列光电转换层132一侧。下面按此情况说明有关实施例。但所述实施例提供的方法亦适用于滤光器阵列120颠倒放置的情况，即其滤光器阵列结构层122一侧为信号光入射面。
图2是本发明实施例涉及的光谱分析模组100中的滤光器阵列120、及其滤光器阵列结构层122中的各个不同的滤光器结构单元1221的平面分布示意图。所述滤光器阵列120中，有m×n个滤光器结构单元1221，它们被按序标为：f1、f2、f3、…、fi、…、fm×n。
图3是本发明实施例涉及的光谱分析模组100中的探测阵列130、及其探测器阵列光电转换层132中的探测器单位像素1320和所规划的探测器单元1321的平面分布示意图。所述探测器阵列130中，将各个探测器单位像素1320分别划分归属到对应于滤光器阵列120中各个滤光器结构单元1221的探测器单元1321中。如图4、5中所示，规划后的m×n个探测器单元1321被按序标为：d1、d2、d3、…、di、…、dm×n。，分别对应于相应的滤光器结构单元1221：f1、f2、f3、…、fi、…、fm×n。
一般来说，如果不是用专门订制的探测器阵列130，而且尤其是所采用探测器阵列130中探测器单位像素的尺寸较大时，滤光器阵列120的设计中应是根据所采用的探测器阵列130中的探测器单位像素1320的形状、尺寸和分布来对其滤光器结构单元1221的形状、尺寸和分布来进行规划。
需要注意的是，滤光器阵列120中滤光器结构单元1221的尺寸一般来说也不应该太小，在此举例如约为100μm×100μm或更大尺度范围。
如果探测器阵列130中探测器单位像素1320的尺寸较小(如在约10μm×10μm或更小尺度范围)，则在对滤光器阵列120中滤光器结构单元1221的形状、大小和分布的设计中将具有较大的灵活性。
另外，在对滤光器阵列120和探测器阵列130的阵列单元间对应关系的规划中，在探测器阵列130中与滤光器阵列120中相邻滤光器结构单元1221之间的边界线相对应的探测器单位像素1320不应被划入各个探测器单元1321中；这些探测器单位像素1320经光电转换产生的数字信号应被视为无效，在后期数据处理中剔除。
对于本发明实施例涉及的光谱分析模组100，理想情况下，通过滤光器阵列120中的各个滤光器结构单元1221后的透射光应该只照射在探测器阵列130中与之对应的唯一的探测器单元1321上，以便于后端数据处理和提高整个系统的光谱测试性能。但是，由于散射、衍射、以及光学系统不够理想和工艺偏差等因素，透过滤光器阵列120中相邻的不同滤光器结构单元1221的光照射到探测器阵列130中同一个探测器单元1321区域内的探测器单位像素1320上而造成相邻阵列单元间的信号串扰。理论上来说，后端的数据处理系统仍可处理这种情况，但是它会在测试数据中引入不必要的噪声、增加信号处理的复杂性和不稳定性，最终影响系统光谱测试的准确性和性能。为解决此信号串扰问题，本发明提供了若干方法措施，下面结合图6至图10分别说明。
本发明实施例1：
图6示出，对于本发明所涉及的光谱分析模组100，前面所述信号光串扰问题所涉及的透过滤光器阵列120中滤光器结构单元1221的光照射在探测器阵列130中不与之对应的、相邻的探测器单元1321时，主要是照射在位于相邻探测器单元的边界附近的探测器单位像素1322上。根据本发明实施例1，在后端对探测器阵列130所产生的数字信号进行处理时，剔除那些对应于位于相邻探测器单元的边界附近的探测器单位像素1322所产生的数字信号。
此处，位于相邻探测器单元的边界附近的探测器单位像素1322不限于仅仅是最邻近于相邻探测器单元边界的一排探测器单位像素，也可以是多排。
本发明实施例2：
如图7所示，在滤光器阵列120中的相邻的滤光器结构单元1221间加入阻挡光透射的阻挡区1222。阻挡区1222所涉及材料可为金属等不透光材料。举例，如滤光器结构单元1221中的滤光器结构是基于金属材料的，此处阻挡区1222可为与之相同的金属材料。
本发明实施例3：
如图8所示，在滤光器阵列120和探测器阵列130之间加入只让特定区域的光通过的光阑阵列140。光阑阵列140中透光通孔的分布与形状和滤光器结构单元1221和探测器单元1321中各个单元的形状与分布相同；光阑阵列140中的通孔中心位置对准于与之对应的滤光器结构单元1221和探测器单元1321的中心。如果光阑阵列140紧靠或贴于滤光器阵列120，光阑阵列140中透光通孔尺寸稍小于与之对应的滤光器结构单元1221的尺寸；如果光阑阵列140紧靠或贴于探测器阵列130，光阑阵列140中透光通孔尺寸稍小于与之对应的探测器单元1321的尺寸。
上述光阑阵列140也可位于滤光器阵列120之前，即信号光先通过光阑阵列140后再通过滤光器阵列120。
上述光阑阵列140可制备于不透光材料(如金属、聚合物、半导体等)薄板上。
上述光阑阵列140也可制备于所述不透光材料的薄膜上，以接触式方式位于滤光器阵列120或探测器阵列130的表面、或在滤光器阵列120中衬底121与滤光器阵列结构层122之间。
本发明实施例4：
如图9所示，在滤光器阵列120和探测器阵列130之间加入可以阻挡相邻的“滤光器结构单元1221—探测器单元1321对”的通道之间光信号串扰的隔离结构150。隔离结构150在平行于滤光器阵列120或探测器阵列130的平面内呈蜂窝状结构，且其起隔离作用的连接部分的位置对应于相邻滤光器结构单元1221(或对应的相邻探测单元1321)之间的边界。隔离结构150的材料为在所涉及光谱分析模组100的工作波段内不透光的材料，如为金属、半导体、或聚合物等。
本发明实施例5：
如图10所示，在滤光器阵列120和探测器阵列130之间加入微透镜阵列160。其中，微透镜阵列160中的各个微透镜单元与滤光器阵列120中的各个滤光器结构单元1221和探测器阵列130中的各个探测器单元1321相互对应。从而使透过各个滤光器结构单元1221的光在通过微透镜单元的聚焦作用后更集中地照射在与其相对应的探测器单元1321中更加处于中间区域的探测器单位像素1320上。
本发明实施例6：
采用上述实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5中所述的方法中的任意两种或多种组合使用，或与其它方法结合使用，以消除所涉及光谱分析模组100中的信号光串扰问题。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
1.基于滤光器阵列的光谱分析模组中消除信号光串扰的方法，其特征在于：光谱分析模组至少包括滤光器阵列和探测器阵列，滤光器阵列和探测器阵列之间可以是以某种支撑结构相互分立地组合在一起或者是以透明介质作为中间媒质接触式地堆叠在一起，探测器阵列中的探测器单元由一个或多个探测器单位像素构成，探测器阵列中的各个探测器单元与滤光器阵列中的各个滤光器结构单元在空间上对应、且对准；探测器阵列中的各个探测器单元分别接收来自滤光器阵列中与其对应的滤光器结构单元的透射光，消除透过滤光器阵列中相邻的滤光器结构单元的光照射到探测器阵列中不对应的探测器单元上的光。
2.如权利要求1所述的基于滤光器阵列的光谱分析模组中消除信号光串扰的方法，其特征在于：消除透过滤光器阵列中相邻的滤光器结构单元的光照射到探测器阵列中不对应的探测器单元上的光的方法为在对探测器阵列产生的数字信号处理中剔除处于相邻探测器单元的边界附近且易于同时接收到来自相邻滤光器结构单元透射光的单位像素所产生的数字信号。
3.如权利要求1所述的基于滤光器阵列的光谱分析模组中消除信号光串扰的方法，其特征在于：消除透过滤光器阵列中相邻的滤光器结构单元的光照射到探测器阵列中不对应的探测器单元上的光的方法为在滤光器阵列中的相邻滤光器结构单元间加入阻挡光透射的阻挡区。
4.如权利要求1所述的基于滤光器阵列的光谱分析模组中消除信号光串扰的方法，其特征在于：消除透过滤光器阵列中相邻的滤光器结构单元的光照射到探测器阵列中不对应的探测器单元上的光的方法为在所述滤光器阵列和探测器阵列之间、或滤光器阵列之前加入光阑阵列。
5.如权利要求1所述的基于滤光器阵列的光谱分析模组中消除信号光串扰的方法，其特征在于：消除透过滤光器阵列中相邻的滤光器结构单元的光照射到探测器阵列中不对应的探测器单元上的光的方法为在滤光器阵列和探测器阵列之间加入可以阻挡相邻对应单元之间光信号串扰的隔离结构。
6.如权利要求1所述的基于滤光器阵列的光谱分析模组中消除信号光串扰的方法，其特征在于：消除透过滤光器阵列中相邻的滤光器结构单元的光照射到探测器阵列中不对应的探测器单元上的光的方法为在滤光器阵列和探测器阵列之间加入与它们的各个阵列单元相对应的微透镜阵列。
7.如权利要求1所述的基于滤光器阵列的光谱分析模组中消除信号光串扰的方法，其特征在于：消除透过滤光器阵列中相邻的滤光器结构单元的光照射到探测器阵列中不对应的探测器单元上的光的方法为将权利要求2至权利要求6中至少两例区别技术特征组合使用。
技术总结