光谱仪和利用其的光谱测量方法技术

公开了一种光谱仪，其设置有：第一单位光谱滤波器，其用于吸收或反射目标物体的光谱的部分波长带中的入射光；第二单位光谱滤波器，其用于吸收或反射与所述部分波长带不同的波长带中的光；第一光检测器，其用于检测通过第一单位光谱滤波器的第一光谱；第二光检测器，其用于检测通过第二单位光谱滤波器的第二光谱；以及处理单元，其用于根据第一光检测器和第二光检测器检测到的光谱执行目标物体的入射光谱的重构功能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光谱仪和利用其的光谱测量方法
本专利技术涉及一种光谱仪，并且更具体地说，涉及一种利用具有阻带特性的光谱滤波器的光谱仪以及使用其的光谱测量方法。
技术介绍
使用光学滤波器的光谱仪在诸如可见光和红外光的各种波长范围内使用。例如，用于红外光谱法的波长带可分为近红外区和中红外区。下文中，将描述使用中红外光谱仪为例的常规技术。中红外波长范围(例如，2mm至20mm)是几乎所有化学分子的基本振动模式存在的区段。由于它依赖于分子键合状态而表现出不同的红外吸收谱，因此它也是一个重要的波长带，也被称为分子指纹带。它具有能够辨别无论固体、液体和气体的未知样品或者能够对特定目标分子进行高选择性的定性和定量分析的优点。近红外区(例如，0.78mm至2mm)也是存在由于中红外波段基本振动模式的泛音和组合而引起的模式的区段。虽然其强度低，但可以识别或量化材料。即使在可见光(例如，0.38mm至0.78mm)的情况下，材料的固有吸收谱也可用于为物体着色、分析发射器和检测生物分子。按照传统，诸如傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)的台式光谱仪已被用作有机/无机物质分析仪器。然而，随着对食品领域(如环境有害因素检测、水质检测、通过监控工业和农业生产线的过程控制、残留农药的检测、原产地证明、油品氧化程度测定等)和医用生物领域的各种应用领域的关注日益增加，对用于现场测量的小型化装置的开发的需求增加。作为使光谱仪小型化的最有效的方式，提出了一种方法，其中以替代传统的棱镜和衍射光栅的并且具有带滤波功能的光学滤波器阵列的形式制造用于分散光的光学组件，并且该光学器件与光检测器阵列集成。与FTIR方法不同，这种方法的优点在于，因为其不需要运动对象，所以它是稳健的并且易于小型化。作为带通滤波器，通常是使用放置在两个反射膜之间的电介质谐振器的光干涉效应的Fabry-Perot滤波器。然而，由于构成光谱仪所需的滤波器的数量很大，并且光刻工艺步骤的数量也增加其所需的电介质谐振层的数量，因此其缺点在于，其适于平面式光谱仪的应用。为了解决这个问题，已经开发并使用了线性可变滤波器(LVF)。LVF是一种具有Fabry-Perot谐振器结构的光学滤波器，其结构是电介质谐振层的厚度在长度方向上线性地变化。在LVF中，设置下镜层和上镜层，其中电介质谐振层介于它们之间。这样的LVF由于其厚度在长度方向上变化的线性结构，在工艺再现性方面具有局限性。另外，由于传统LVF光谱仪的分辨率取决于LVF的高度-长度比，因此很难缩小光谱仪。特别是，由于线性结构，与二维成像传感器技术的工艺兼容性不足，因此在生产率方面是不利的。由于每个LVF位置的传输谱由连续谱重叠构成，并且LVF与光检测器之间的集成不是一体的，所以滤波器与光检测器阵列之间存在距离，并且因此存在滤波器性能由于杂散光影响而劣化的缺点。此外，由于干涉滤波器的性质，出现了多个传输模式。因此，自由谱范围受限，并且在分析宽频带时需要另外的装置。另外，由于在中红外波长带使用的光谱仪中，具有高透射率的材料系统存在局限，所以干涉光学滤波器的构造受到限制。另外，由于与相邻单元的干涉效应而导致问题，并且可用的材料也受到限制。
技术实现思路
技术问题本专利技术提供了一种通过仅控制水平结构来控制宽频带的光谱仪，并且其有利于二维集成。本专利技术还提供了一种具有优秀的耐热性和耐久性的光谱滤波器阵列以及一种使用其的光谱仪。技术方案本专利技术的实施例提供了一种光谱仪，该光谱仪包括：第一单位光谱滤波器，其被构造为吸收或反射入射目标的光谱的波长带的一部分中的光；第二单位光谱滤波器，其被构造为吸收或反射与波长带的所述部分不同的波长带中的光；第一光检测器，其被构造为检测通过第一单位光谱滤波器的第一光谱；第二光检测器，其被构造为检测通过第二单位光谱滤波器的第二光谱；以及处理单元，其被构造为根据第一光检测器和第二光检测器检测到的光谱执行恢复所述入射目标的光谱的功能。单位光谱滤波器具有阻带特性。阻带特性意指在单位光谱滤波器中，根据波长的透射率具有反峰，以防止特定波长带的光通过。另外，在另一种表达中，这意味着通过针对各个单位滤波器，通过吸收中心波长对应的特定波长带的光或反射中心波长对应的特定波长带的光，具有根据波长的反峰透射率的滤波器的特性能够防止特定波长带的光通过。另一方面，当目标谱是峰函数时，观察在光检测器中测量到的滤波器序列号的强度分布，作为凹陷函数，并且如果目标谱是凹陷函数，则光检测器测量轮廓是峰函数的形式。也就是说，可将其表达为目标谱的反形式，或者可通过在谱恢复处理中类比相邻波长带中的强度分布来确定。在实施例中，第一单位光谱滤波器和第二单位光谱滤波器可包括周期性地布置的预定形状的金属图案，并且第一单位光谱滤波器的金属图案和第二单位光谱滤波器的金属图案可具有不同周期。在实施例中，第一光检测器和第二光检测器包括CMOS图像传感器的一些光检测像素。在实施例中，金属图案可由选自由Au、Ag、Al、Cu组成的组的材料或者包含其中至少一个的合金的材料构成。例如，可使用AgPd和CuNi合金。在实施例中，金属图案可由选自光吸收率和折射率在可见光和近红外带中高的由Cr、Ni、Ti、Pt、Sn、Sb、Mo、W、V、Ta、Te、Ge和Si组成的组的至少一个构成，或者由包含其中至少一个的合金构成。金属图案可由选自其在中红外带中的光学行为符合Drude自由电子模型的由Ta、W、Mo、Ni、Cr、TiN和TiON组成的组的至少一个构成。在实施例中，金属图案可由至少双层构成，并且将低损耗高反射率金属材料与光吸收金属材料层合。低损耗高反射率金属材料可选自Ag、Au、Al、Mg及其合金，并且光吸收金属材料可包括Cr、Ni、Ti、Pt、Sn、Sb、Mo、W、V、Ta、Te、Ge和Si、它们的合金以及包含这些金属的硅化物、碳化物、氮化物和硫化物中的至少一个。在实施例中，第一单位光谱滤波器的金属图案和第二单位光谱滤波器的金属图案可具有相同的占空比。在实施例中，第一单位光谱滤波器和第二单位光谱滤波器的金属图案的周期在100nm与800nm之间。该范围对于基于Si的光检测元件操作带或可见光-近红外区(例如，380nm至1100nm)光谱仪构造是优选的。在基于GaAs或Ge的近红外光检测元件操作带(例如，800nm至1700nm)中，金属图案的优选周期在0.6μm与1.5μm之间。在中红外带(例如，2μm至15μm)中，金属纳米图案的周期在0.8μm与8μm之间。在实施例中，第一单位光谱滤波器和第二单位光谱滤波器还可包括钝化层。钝化层可由选自HfO2、ZrO2、ZnO、ZnSe、TiO2、Al2O3、SiOx、SOG或者包含其中至少一种的合金的材料构成。在实施例中，第一单位光谱滤波器和第二单位光谱滤波器还可包括保护层。保护层可为二氧化硅、氮化硅层、氟化镁、氟化钙、低分子树脂或具有低折射率的聚合物材料。在实施例中，处理器单元可为被构造为根据第一光检测器的光谱计算通过第一单位光谱滤波器吸收或反射的光的强度；根据第二光检测器的光谱计算通过第二单位光谱滤波器吸收或反射的光的强度；以及从根据第一单位光谱滤波器和第二单位光谱滤波器吸收或反射的光的强度恢复入射目标的光谱。在本专利技术的另一实施例中，一种利用光谱仪的光谱测量方法包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光谱仪，包括：第一单位光谱滤波器，其被构造为吸收或反射入射目标的光谱的波长带的一部分中的光；第二单位光谱滤波器，其被构造为吸收或反射与所述波长带的所述部分不同的波长带中的光；第一光检测器，其被构造为检测通过所述第一单位光谱滤波器的第一光谱；第二光检测器，其被构造为检测通过所述第二单位光谱滤波器的第二光谱；以及处理单元，其被构造为根据所述第一光检测器和所述第二光检测器检测到的光谱执行所述入射目标的光谱的恢复功能。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.22 KR 10-2016-0106422;2017.04.26 KR 10-2011.一种光谱仪，包括：第一单位光谱滤波器，其被构造为吸收或反射入射目标的光谱的波长带的一部分中的光；第二单位光谱滤波器，其被构造为吸收或反射与所述波长带的所述部分不同的波长带中的光；第一光检测器，其被构造为检测通过所述第一单位光谱滤波器的第一光谱；第二光检测器，其被构造为检测通过所述第二单位光谱滤波器的第二光谱；以及处理单元，其被构造为根据所述第一光检测器和所述第二光检测器检测到的光谱执行所述入射目标的光谱的恢复功能。2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中，所述第一单位光谱滤波器和所述第二单位光谱滤波器包括预定形状的周期性地布置的金属图案。3.根据权利要求2所述的光谱仪，其中，所述第一单位光谱滤波器的金属图案和所述第二单位光谱滤波器的金属图案具有不同的周期。4.根据权利要求2所述的光谱仪，其中，所述第一光检测器和所述第二光检测器包括CMOS图像传感器的一些光检测像素。5.根据权利要求2所述的光谱仪，其中，所述金属图案由选自由Au、Ag、Al、Cu组成的组的材料或者包含Au、Ag、Al、Cu中的至少一个的合金的材料构成。6.根据权利要求2所述的光谱仪，其中，所述金属图案由选自由光吸收率和折射率在可见光和近红外带中高的Cr、Ni、Ti、Pt、Sn、Sb、Mo、W、V、Ta、Te、Ge和Si组成的组中的至少一个构成，或者由包含Cr、Ni、Ti、Pt、Sn、Sb、Mo、W、V、Ta、Te、Ge和Si中的至少一个的合金构成。7.根据权利要求2所述的光谱仪，其中，所述金属图案由选自由Ta、W、Mo、Ni、Cr、TiN和TiON组成的组中的至少一个构成，Ta、W、Mo、Ni、Cr、TiN和TiON在中红外带中的光学行为符合Drude自由电子模型。8.根据权利要求2所述的光谱仪，其中，所述金属图案由至少双层构成，并且将低损耗高反射率金属材料与光吸收金属材料层合。9.根据权利要求8所述的光谱仪，其中，所述低损耗高反射率金属材料选自Ag、Au、Al、Mg及其合金，并且所述光吸收金属材料包括Cr、Ni、Ti、Pt、Sn、Sb、Mo、W、V、Ta、Te、Ge和Si、它们的合金、以及包含这些金属的硅化物、碳化物、氮化物和硫化物中的至少一个。10.根据权利要求2所述的光谱仪，其中，所述第一单位光谱滤波器的金属图案和所述第二单位光谱滤波器的金属图案具有相同占空比。11.根据权利要求2所述的光谱仪，其中，所述第一单位光谱滤波器和所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敬锡，金元穆，黄圭元，金寅昊，李旭圣，郑斗硕，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国,KR