包括光栅结构的光传感器模块和光谱仪制造技术

一种光电模块包括光导，所述光导被布置来接收光，诸如环境光或由物体反射的光。所述光导具有包括多个区段的衍射光栅，所述多个区段中的每个区段被调谐成相应的波长或窄波带。所述模块还包括多个光敏元件，所述多个光敏元件中的每个光敏元件被布置来接收由所述衍射光栅的所述区段中的相应一个所衍射的光。所述模块可例如被集成为光谱仪或用于光学确定物体的特性的其他设备的一部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括光栅结构的光传感器模块和光谱仪公开领域本公开涉及包括光栅结构的光传感器模块和光谱仪。背景各种制造和其他过程涉及测量并收集光学辐射源的光学辐射数据，具体为光谱发射特性。制造或其他过程可以是光学辐射用作执行所述过程的一部分或者光学辐射由所述过程产生的过程。在一些情况中，诸如成像应用，可能希望测量并确定环境光的光谱发射特性。概述本公开描述包括光栅结构的光电模块，并且在各种实现方式中，所述光电模块可用于涉及检测或测量光学辐射的光谱特性的范围广泛的应用。光电模块可用于各种应用，以检测环境光或由物体反射的光的特性。例如，在一方面中，光电模块包括被布置来接收来自模块外的光的光导。光导具有包括多个区段的衍射光栅，所述多个区段中的每个区段被调谐成相应的波长或窄波带。所述模块还包括多个光敏元件，所述多个光敏元件中的每个光敏元件被布置来接收由衍射光栅的区段中的相应一个所衍射的光。在另一方面中，分析光的组成的方法包括接收光、将所接收的光分成其光谱分量、并且沿着光导引导所分离的光谱分量。所述方法还包括使用在光导中形成的衍射光栅来将多个波长或窄波带中的每个波长或窄波带从光谱分量中衍射到相应的光敏元件，所述光敏元件中的每个光敏元件分别与波长或窄波带中的特定一个相关联。一些实现方式包括以下特征中的一个或多个。例如，衍射光栅的不同区段可具有彼此不同的周期性光栅结构。衍射光栅可包括例如次波长结构或多层涂覆光栅结构。衍射光栅可例如被设置在光导的传感器侧上。在一些情况下，光电模块还包括被布置来接收光的光学组件，其中光导具有被布置来将所接收的光衍射成其光谱分量的至少一个其他衍射光栅。在一些实例中，所述至少一个其他衍射光栅包括被设置在光导的光学组件侧上的第一衍射光栅以及被设置成与穿过第一衍射光栅的零阶光束相交的第二衍射光栅。模块中的光敏元件可例如被实现为CMOS或CCD传感器中的像素。在一些情况下，光敏元件被实现为离散光传感器。光电模块可包括用于防止来自相邻光学通道的杂散光由光敏元件感测到的装置。例如，在一些情况下，一个或多个相应的滤光器存在于光敏元件中的至少一些的上方。在一些实例中，不透光间隔物将光敏元件彼此分离。本公开还描述用于光学确定物体的特性的设备(例如，光谱仪)。所述设备包括可操作来生成在一个或多个特定波长或波长范围下的光的发射器，以及用于检测由物体反射的光的模块。所述模块可包括被布置来接收由物体反射的光中的至少一些的光导，所述光导具有包括多个区段的衍射光栅，所述多个区段中的每个区段被调谐成相应的波长或窄波带。所述模块还包括多个光敏元件，所述多个光敏元件中的每个光敏元件被布置来接收由衍射光栅的区段中的相应一个所衍射的光。如本公开所述的模块的其他特征也可并入一些实现方式中。在一些实现方式中，所述设备还包括光学部件，其被布置来将由发射器生成的光中的至少一些朝向模块引导。在一些实例中，光学部件可移动，以使得当光学部件处于第一位置中时，来自发射器的光由光学部件朝向模块来引导，并且当光学部件处于第二位置中时，来自发射器的光由光学元件朝向物体来引导。各种实现方式包括以下优势中的一个或多个。例如，所述模块可提供用于检测环境光或其他光的光谱分量或者用于光学地检测物体的特性的相对紧凑且成本有效的方式。其他方面、特征和优点将通过以下详述、附图和权利要求书而容易显而易见。附图简述图1示出光电模块的示例。图2示出光电模块的另一个示例。图3示出在光导中行进的光束的示例。图4A和图4B示出在光导的传感器侧上的光栅结构的底视图的示例。图5A和图5B示出包括光电模块的光谱仪的示例详细描述如图1所示，可操作为紧凑光谱仪的光电模块20包括壳体22，在一些实现方式中壳体22的壁对于特定波长或波长范围的光是基本上不透光或不透明的。光可以是来自诸如太阳、户内或户外照明、钠蒸汽灯、发光二极管(LED)或可见光和/或不可见光的其他来源的各种来源中的一个或多个的环境光。在一些实例中，光可通过与模块20相关联的发射器而引导到物体上并且从物体反射离开。例如，在一些情况下，发射的光与反射回到光电模块20的光(即，由物体吸收的光)之间的比较可提供关于物体的重要信息。在一些实现方式中，模块20用作可生成并检测光谱的可见、红外(“IR”)、近红外(“近IR”)和/或其他部分中的辐射的光谱仪。壳体22具有开口，光学组件28被设置在所述开口中。光学组件28可包括一个或多个透镜、棱镜或其他光束成形光学元件，并且可具有相对较宽(例如，等于或大于120°)的视场(FOV)。模块20还包括光导30以将所接收的光引导到光传感器24。光导30可例如由玻璃或另一种基本上透明的材料组成。光传感器24可例如实现为具有多个光敏元件(即像素)26的硅CMOS或CCD传感器，多个光敏元件26中的每个光敏元件被布置来分别检测光谱的不同部分(即，不同波长或窄波长范围)。传感器24可包括例如在二维网格中组织的像素阵列。在特定实现方式中，CMOS传感器像素阵列可具有100x100像素的尺寸。传感器24可例如安装在诸如印刷电路板(PCB)42的基板上。在替代实现方式中，如图2中所示，模块20A可包括离散光传感器24A，诸如光电二极管作为光敏元件，来替代具有多个像素26的CMOS或CCD传感器。此外，在一些实例中，传感器24对近IR敏感，并且例如使用基于砷化镓的传感器来实现。传感器24A可安装在诸如印刷电路板(PCB)42的基板上。壳体22可例如附接到传感器24(见图1)的传感器侧或PCB42(见图2)。壳体22的不透明材料可包括例如包含不透明填充物(例如，碳黑、色素、无机填充物或染料)的聚合物材料(例如，环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯或硅树脂)。本公开中所使用的术语“不透光的”、“透明的”和“不透明的”参考可由模块中的传感器24的光敏部分检测的特定波长。因此，特定特征例如可考虑为“不透明的”，即使其可允许其他波长的光穿过。如图1和图2的示例所示，光导30具有反射倾斜表面32、34和衍射光栅36、38、40。如图3所示，第一光栅36可在光导30的光学组件侧处形成，而第二光栅38在光导30的传感器侧处形成。第一衍射光栅36和第二衍射光栅38将入射光102衍射成其光谱分量，其中所述光谱分量被衍射成具有相应的衍射角，并且共同地有助于沿着光导30将光引导到第三衍射光栅40。具体地说，可例如实现为方波光栅的第一光栅36将入射光102衍射成各种衍射级m＝0、+1、+2等的光束。级m>111的光束104可朝向倾斜表面32衍射，所述倾斜表面32沿着光导30反射光束，从而保留相应的光谱分量的衍射角。级m＝0的光束106朝向第二光栅38行进，所述第二光栅38也可例如实现为方波光栅。第二光栅38将光束106衍射成其光谱分量108，其中所述光谱分量被衍射成具有相应的衍射角。当光束104、108沿着光导30行进时，它们可被光导30的表面44和/或光导30的远端处的反射表面34反射，以使得保留相应的光谱分量的衍射角。第三光栅40在光导30的传感器侧中形成并且将感兴趣的特定波长衍射到光敏元件26(图1)或光电二极管24A(图2)中的对应一个。第三光栅40可例如实现为连续变化的衍射光栅，其中光栅结构的周期和/或轮廓形状变化，以使得光栅的每个区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电模块，其包括：光导，其被布置来接收来自所述模块外部的光，所述光导具有包括多个区段的衍射光栅，所述多个区段中的每个区段被调谐成相应的波长或窄波带；以及多个光敏元件，所述多个光敏元件中的每个光敏元件被布置来接收由所述衍射光栅的所述区段中的相应一个所衍射的光。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.11 US 62/049,1071.一种光电模块，其包括：光导，其被布置来接收来自所述模块外部的光，所述光导具有包括多个区段的衍射光栅，所述多个区段中的每个区段被调谐成相应的波长或窄波带；以及多个光敏元件，所述多个光敏元件中的每个光敏元件被布置来接收由所述衍射光栅的所述区段中的相应一个所衍射的光。2.如权利要求1所述的光电模块，其中所述衍射光栅的不同区段具有彼此不同的周期性光栅结构。3.如权利要求1所述的光电模块，其中所述衍射光栅包括次波长结构或多层涂覆光栅结构。4.如权利要求1所述的光电模块，其还包括被布置来接收所述光的光学组件，其中所述光导具有被布置来将所述接收的光衍射成其光谱分量的至少一个其他衍射光栅。5.如权利要求4所述的光电模块，其中所述至少一个其他衍射光栅包括：第一衍射光栅，其被设置在所述光导的光学组件侧上；以及第二衍射光栅，其被设置成与穿过所述第一衍射光栅的零阶光束相交。6.如前述权利要求中任一项所述的光电模块，其中所述光敏元件是CMOS或CCD传感器中的像素。7.如权利要求1-5中任一项所述的光电模块，其中所述光敏元件是离散光传感器。8.如权利要求1所述的光电模块，其还包括用于防止来自相邻光学通道的杂散光由所述光敏元件感测的装置。9.如权利要求1所述的光电模块，其还包括在所述光敏元件的至少一些上方的一个或多个相应的滤光器。10.如权利要求1所述的光电模块，其还包括将所述光敏元件彼此分离的不透光间隔物。11.如前述权利要求中任一项所述的光电模块，其中包括多个区段的所述衍射光栅被设置在所述光导的传感器侧上，所述多个区段中的每个区段被调谐成相应的波长或窄波带。12.一种分析光的组成的方法，所述方法包括：将所述光接收在光电模块中；将所述接收的光分成其光谱分量并且沿着光导引导所述分离的光谱分量；以及使用在所述光导中形成的衍射光栅来将多个波长或窄波带中的每个波长或窄波带从所述光谱分量中衍射到相应的光敏元件，所述光敏元件中的每个光敏元件分别与所述波长或窄波带中的特定一个相关联。13.如权利要求12所述的方法，其还包括提供指示所述波长或窄波带中的每个波长或窄波带中的所述光的相应量的输出。14.如权利要求12所述的方法，其包括使用至少一个衍射光栅来将所述接收的光分...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·伦琴，马库斯·罗西，
申请(专利权)人：赫普塔冈微光有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG