一種光電傳感裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光電傳感裝置。包括準直單元、分光單元、光電傳感單元、電信號處理單元，所述分光單元位于準直單元出射光的一側(cè)，光電傳感單元位于分光單元出射光的一側(cè)，電信號處理單元與光電傳感單元電連接，本發(fā)明采用半導(dǎo)體集成電路工藝生產(chǎn)，器件體積小，集成度高，具有較高的可靠性，結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活，適應(yīng)范圍廣。
【專利說明】一種光電傳感裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光電傳感技術(shù)，具體涉及光譜檢測技術(shù)，特別是檢測光束中不同波長 光譜強度的光電傳感技術(shù)，適用于各種光源及發(fā)光體的自發(fā)光、各種物體的反射光及透射 光的光譜特征檢測及分析，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、日常生活以及科學(xué)研究中光譜數(shù)據(jù)取 得與記錄。

【背景技術(shù)】
[0002] 自然界中光束通常都不是單一波長光譜組成的，而是由多波長光譜組成的，這種 不同波長不同強度的光譜分布反應(yīng)了該光束及光束來源物質(zhì)的許多重要信息。比如看似相 同的白光，但是從不同光源發(fā)出來的白光，人眼的感覺并不相同，其原因就是不同光源具有 不同的特征光譜。太陽光經(jīng)過大氣層的吸收和粉塵顆粒的散射之后，透過常規(guī)建筑玻璃的 光譜分布見圖la。可以看出，自然光的最重要特種就是連續(xù)從到波長的藍光到長波長的紅 外光波譜分布。圖lb、圖lc、圖Id同時列出了目前幾種主要的人工照明光源，白熾燈，熒光 燈，以及開始進入照明領(lǐng)域的白光LED。每種人工光源總是對應(yīng)一定的光譜特征曲線，都有 比較固定的特征峰，是光源的固有特征。通過測定這些特征光譜，有助于建立一種簡單實用 節(jié)能的自適應(yīng)調(diào)光方法，如專利CN200810042059. 1所揭示的技術(shù)方案。這些光源所發(fā)出的 光經(jīng)過不同物質(zhì)吸收后所得到的反射、折射或透射光，與原來入射光的光譜分布會有所不 同，這些改變的光譜強度分布也和光源的特征光譜一樣蘊含有大量物質(zhì)信息，反映物質(zhì)特 性。因此，通過測定這些光譜信息有助于得到光束所經(jīng)過物質(zhì)的物理、化學(xué)、生物學(xué)等特性， 具有重要的理論和實用意義。
[0003] 光譜傳感技術(shù)是以獲得特定光束中所含有的不同波長光強度，通常都是經(jīng)由多組 棱鏡分光、然后通過移動的光電傳感單元的方法獲得光譜分布。該技術(shù)具有非常高的分辨 率，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝置體積大、不方便移動，主要用在實驗室及大型裝備中。為了方便快速地 獲得光譜分布，人們更多地采用基于帶通濾波器來作為選取特定范圍光譜的光譜強度，如 W02011/045722、W02008/012715、W02009/075487所述的光譜傳感器，都是基于濾光而獲取 所需要的光譜。然而該種方法由于光線要通過濾色片吸收，光強損失率高。加上濾色片的 帶寬不可能做得很窄，系統(tǒng)很難得到高的分辨率。而且每段不同的頻率光譜需要不同的濾 波器，使用也不是很方便。
[0004] 本發(fā)明在研究各種分光器件及光譜檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種基于準直器、 分光器和光電傳感器的光譜傳感裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種光電傳感裝置，能方便地得到較高分辨率的入射光束光 譜分布，采用半導(dǎo)體集成電路工藝生產(chǎn)，器件體積小，集成度高，具有較高的可靠性，結(jié)構(gòu)簡 單，配置靈活，適應(yīng)范圍廣。本發(fā)明能將入射光線中的不同波長光譜得到分光，光電傳感器 探測分開后各光譜強度，所得到的電信號經(jīng)過處理后，即可得到入射光的強度在不同波長 的分布。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明有如下技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明的一種光電傳感裝置，包括準直單元、分光單元、光電傳感單元、電信號處 理單元，其中：
[0008] 準直單元用于將帶分析的方向的雜散入射光轉(zhuǎn)換成平行的入射光；
[0009] 分光單元用于將經(jīng)過準直單元的平行復(fù)合光譜分解為按波長長短排列的單色光 譜；
[0010] 光電傳感單元用于將分光單元分光后的光譜從光信號轉(zhuǎn)換為電信號；
[0011] 電信號處理單元用于將由光電傳感單元檢出的電信號轉(zhuǎn)換成能為后續(xù)器件使用 或識別的電信號，并傳送出光電傳感裝置之外；后續(xù)器件可以采用控制器、微處理器、計算 機或光譜顯示器。
[0012] 所述分光單兀位于準直單兀出射光的一側(cè)，光電傳感單兀位于分光單兀出射光的 一側(cè)，電信號處理單兀與光電傳感單兀電連接。
[0013] 其中，所述所述準直單元包括狹縫準直器、透鏡、或者由狹縫準直器、透鏡組合。
[0014] 其中，所述分光單兀由三棱鏡、分光光柵、或者棱柵（grism)構(gòu)成。
[0015] 其中，所述光電傳感單兀由若干個平行排列的光電傳感器組成。
[0016] 其中，所述光電傳感單元是由集成電路生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的集成型光電傳感器。
[0017] 其中，所述電信號處理單元在對電信號進行轉(zhuǎn)換后，通過有線或無線的方式傳送 出光電傳感裝置之外。
[0018] 其中，所述電信號處理單元通過集成電路生產(chǎn)工藝生產(chǎn)，集成了信號轉(zhuǎn)換和傳送 功能。
[0019] 其中，所述光電傳感單元和電信號處理單元由集成電路生產(chǎn)工藝生產(chǎn)完成，單一 芯片上集成了光電傳感單元和電信號處理單元。
[0020] 其中，所述準直單元是由吸收光的材料做成的一組相互平行的薄板組成，該準直 單元能吸收入射光中偏離平行入射方向的光。
[0021] 由于采取了以上技術(shù)方案，本發(fā)明有如下優(yōu)點：
[0022] 1)通過準直單元和分光單元，配以待測光譜范圍響應(yīng)好的光電傳感單元，可以方 便得到較高分辨率的入射光束光譜分布。
[0023] 2)本發(fā)明所光電傳感單元和電信號處理單元都采用半導(dǎo)體集成電路工藝生產(chǎn)，器 件體積小，集成度高，具有較高的可靠性。
[0024] 3)本發(fā)明的光電裝置結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活，適應(yīng)范圍廣。該裝置既可以用于光源光 譜測定，還可以用于工業(yè)和日常生活以獲得經(jīng)過特定對象光束的光譜特征，以獲得物質(zhì)特 性的相關(guān)信息

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖la :自然光的光譜強度分布圖；
[0026] 圖lb :白熾燈的光譜強度分布圖；
[0027] 圖lc :熒光燈的光譜強度分布圖；
[0028] 圖Id :白光LED的光譜強度分布圖；
[0029] 圖2 :本發(fā)明的光電傳感裝置結(jié)構(gòu)方框圖；
[0030] 圖3 :本發(fā)明實施例一的示意圖；
[0031] 圖4 :本發(fā)明實施例二的示意圖。
[0032] 圖中：10準直單元，11，狹縫準直器，12,透鏡準直器，20分光單元，21棱鏡分光器， 22分光光柵分光器，30光電傳感單兀，40電信號處理單兀。

【具體實施方式】
[0033] 以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0034] 參見圖2-圖4,本發(fā)明的光電傳感裝置，由準直單元、分光單元、光電傳感單元、電 信號處理單元組成，準直單元10到光電傳感單元30之間傳遞的是光信號，光電傳感單元30 和電信號處理單元40之間傳遞的是電信號。
[0035] 準直單元的作用是將雜散的入射光變?yōu)槠叫泄饣蚪咏谄叫泄獾钠骷?。該器件?以采用透鏡、狹縫準直器、或者二者的組合，并盡可能最大化地將入射光傳送到分光單元。 狹縫準直器是由吸收光的材料做成的一組相互平行的薄板組成，用以吸收入射光中非平行 入射方向的光。這樣的準直單兀一方面可以不至于使入射光強度損失太多，從而提高系統(tǒng) 的對比度；同時又能得到較高平行度較高的光線，提高裝置的分辨率。
[0036] 分光單元是將需要檢測的經(jīng)過準直單元的入射光分解為在空間或平面中按波長 的長短順序排列的光譜器件。該器件可以采用但不限于以下兩種方式：分光棱鏡、分光光柵 或者棱柵（grism)。綜合考慮裝置分辨率和對比度的要求，優(yōu)化三棱鏡的頂角或光柵間距。
[0037] 光電傳感單元是利用光電效應(yīng)將經(jīng)分光單元分解的光譜光信號轉(zhuǎn)換為電信號。依 據(jù)分辨率的不同，通常采用與分辨率要求相對應(yīng)的多組平行或矩陣排列光電傳感器，其空 間排列范圍要覆蓋分光器件所分解的光譜在空間或平面中的分布?？晒┻x擇的光電傳感 單元有以下但不限于以下幾種：光電二極管，光電三極管，光敏電阻、光電倍增器、光電池、 CM0S、CCD、或者電荷注入傳感器CID (Charge InjectionDevice)。如果采用現(xiàn)有工藝生產(chǎn) 的CM0S、CCD或CID圖像傳感器作為光電傳感單元，需要將原有濾光片去掉或者相關(guān)的生產(chǎn) 工藝省掉。這些器件無論是以單個或多組排列形式被使用，都可以采用現(xiàn)代半導(dǎo)體生產(chǎn)技 術(shù)生產(chǎn)，以提高集成度，使器件小型化，同時又有比較好的一致性和可靠性。光電傳感單元 的響應(yīng)曲線應(yīng)和分光單元所選擇的波長范圍相匹配，即在分光單元所選擇的波長范圍里有 盡可能大的響應(yīng)。如在短波長范圍應(yīng)選用Ge基、GaN基光電傳感器，而在長波長范圍應(yīng)選 擇使用Si基光電傳感器。該單元可以將分光單元的功能集成，如光電傳感單元自身的波長 響應(yīng)曲線足夠窄，或者所要獲取的光譜范圍足夠?qū)?，獨立的分光單元可以省略?br> [0038] 以上各光學(xué)單元器件間的尺寸要相互匹配，而且還要和外部的物理結(jié)構(gòu)件緊密連 接。每一個單元除了經(jīng)過該級器件處理的光信號外，不應(yīng)有直接穿過或漏過的雜散光信號， 以確保光電傳感單元所得到的光信號為目標信號。
[0039] 電信號處理單元的作用是將由光電傳感單元出來的電信號通過電路進一步轉(zhuǎn)換 成能被后續(xù)處理或使用的電信號，同時提供光電傳感單元所需的電能。如果從光電傳感單 元得到電信號能被直接使用，只需將這些信號不做變換直接輸出就可以了。但一般情況下， 光電傳感器所得到的電信號較弱，需要進一步放大。有的電信號還需要被反相，以利于形成 穩(wěn)定的負反饋。如果將所得電信號以數(shù)字信號輸出，還需要對原有的模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn) 化。所得電信號還可以無線信號輸出到本發(fā)明的光電傳感裝置以外，這就需要無線模塊以 實現(xiàn)對信號進行編碼、調(diào)制和發(fā)射。電信號處理單元通常實現(xiàn)但不限于以下功能：反相、模 數(shù)轉(zhuǎn)換、比較器、接口、信號調(diào)制和無線發(fā)射。該電信號處理單元的電能通常由接口電路輸 入、或者由內(nèi)置電池提供、或者通過無線接收的方式接收外界的輻射能。
[0040] 光電傳感單元和電信號處理單元可以集成在一個模塊上。在半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝允許 的情況下，電信號處理單元和光電傳感單元可以采用大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝，集成在一 起，以降低成本，節(jié)約空間，同時具有比較好的性能和可靠性。
[0041] 本發(fā)明裝置中的各單元件數(shù)量可以根據(jù)需要進行靈活配置。如只需要得到特定波 長的光譜強度，僅配置一個光電傳感器，安裝在分光單元后對應(yīng)波長的位置，即可獲得。
[0042] 實施例一：
[0043] 圖3是采用狹縫準直器作為準直單元，三棱鏡作為分光單元、CMOS光電傳感器作 為光電傳感單元的光電傳感裝置的實現(xiàn)方式。
[0044] 入射光線經(jīng)過狹縫準直器準直后，投射到三棱鏡。三棱鏡將平行入射的光像進行 分光，按照波長由長到短的順序，依次從三棱鏡中折射出來。經(jīng)過三棱鏡分光以后，本來看 起來一色光如白色入射光，變成了依次排列的單色光，而且這些單色光在空間中分布極有 規(guī)律。在固定的狹縫準直器條件下，棱鏡的外形和材料確定以后，出射光的角度只與其波長 密切向關(guān)。因此，一旦裝置之間的幾何位置確定以后，在出射光一定的位置其實就對應(yīng)確定 的波長，而這種對應(yīng)關(guān)系是可以通過標準光譜得到標定的。
[0045] CMOS光電傳感器被安裝在棱鏡的出射光側(cè)。為了滿足光譜和裝置系統(tǒng)分辨率的 要求，CMOS傳感器設(shè)計成多通道，每一個通道寬度對應(yīng)光譜一定波長范圍，而強度可以通過 CMOS光電傳感器上電信號大小得到反應(yīng)。這樣，CMOS光電傳感器每一個通道的物理位置對 應(yīng)光譜波長，光譜強度則通過對應(yīng)通道上測量的電信號得到。
[0046] 信號處理單元將CMOS光電傳感器所得到的電信號經(jīng)過放大等信號處理后，可以 直接通過端口輸出。記錄了波長和強度等數(shù)據(jù)，可以得到直觀光譜分布信息。
[0047] 實施例二：
[0048] 圖4是同樣狹縫準直器作為準直單元，但是分光單元采用分光光柵、光電轉(zhuǎn)換單 兀米用CMOS光電傳感器的光電傳感裝置的實現(xiàn)方式。
[0049] 入射光線經(jīng)過狹縫準直后，投射到分光光柵。分光光柵起到分光作用。衍射光束 由復(fù)合光譜的入射光，變成了依波長順序排列的單色光。和實施例一一樣，一旦裝置之間 的幾何位置確定以后，在出射光一定的位置其實就對應(yīng)確定的波長的近似單色光譜。光譜 的分辨率主要由光柵的間距決定。CMOS光電傳感器被安裝在衍射光側(cè)。同理，CMOS光電 傳感器每一個通道的物理位置對應(yīng)光譜波長，光譜強度則通過對應(yīng)通道上測量的電信號得 至IJ。這里的信號處理單元除了完成基本的信號放大等功能外，還需要將信號進行編碼，通過 無線發(fā)射模塊發(fā)射出去。這樣，光電傳感裝置可以放置在離接受信號端很遠的地方，以實現(xiàn) 遙測功能。
[0050] 從本發(fā)明的原理和裝置以及實例的說明可以看出，本發(fā)明提供了一種基于準直、 分光和光電傳感以及電信號處理技術(shù)獲取光譜的方法和裝置，本方法和裝置具有簡單，靈 活，應(yīng)用范圍廣等特點。但以上說明也不能限定本發(fā)明可實施的范圍，凡是專業(yè)人士在本發(fā) 明基礎(chǔ)上所作的明顯或不明顯的變化，修飾或改良，均應(yīng)視為不脫離本發(fā)明的精神實質(zhì)。
【權(quán)利要求】
1. 一種光電傳感裝置，包括準直單元、分光單元、光電傳感單元、電信號處理單元，其特 征在于： 準直單元用于將帶分析的方向的雜散入射光轉(zhuǎn)換成平行的入射光； 分光單元用于將經(jīng)過準直單元的平行復(fù)合光譜分解為按波長長短排列的單色光譜； 光電傳感單元用于將分光單元分光后的光譜從光信號轉(zhuǎn)換為電信號； 電信號處理單元用于將由光電傳感單元檢出的電信號轉(zhuǎn)換成能為后續(xù)器件使用或識 別的電信號，并傳送出光電傳感裝置之外； 所述分光單元位于準直單元出射光的一側(cè)，光電傳感單元位于分光單元出射光的一 偵牝電信號處理單元與光電傳感單元電連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種光電傳感裝置，其特征在于：所述準直單元包括狹縫準直 器、透鏡、或者由狹縫準直器、透鏡組合。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種光電傳感裝置，其特征在于：所述分光單兀由三棱鏡、分光 光柵、或者棱柵構(gòu)成。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種光電傳感裝置，其特征在于：所述光電傳感單兀由若干個 平行排列的光電傳感器組成。
5. 如權(quán)利要求1或4所述的一種光電傳感裝置，其特征在于：所述光電傳感單元是由 集成電路生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的集成型光電傳感器。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種光電傳感裝置，其特征在于：所述電信號處理單元在對電 信號進行轉(zhuǎn)換后，通過有線或無線的方式傳送出光電傳感裝置之外。
7. 如權(quán)利要求1或6所述的一種光電傳感裝置，其特征在于：所述電信號處理單元通 過集成電路生產(chǎn)工藝生產(chǎn)，集成了信號轉(zhuǎn)換和傳送功能。
8. 如權(quán)利要求1所述的一種光電傳感裝置，其特征在于：所述光電傳感單兀和電信號 處理單元由集成電路生產(chǎn)工藝生產(chǎn)完成，單一芯片上集成了光電傳感單元和電信號處理單 J Li 〇
9. 如權(quán)利要求1或2所述的一種光電傳感裝置，其特征在于：所述準直單元是由吸收 光的材料做成的一組相互平行的薄板組成，該準直單元能吸收入射光中偏離平行入射方向 的光。
【文檔編號】G01J3/28GK104101429SQ201310124447
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月11日
【發(fā)明者】劉紅超, 劉知常 申請人:劉紅超