CN111458028B - 一种手机载内置式芯片光谱仪模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手机载内置式芯片光谱仪模块。它包含手机第一个摄像模组的收光模块，内置式芯片光谱仪，手机第二个摄像模组的图像传感器，手机自带的信号处理单元、显示模块以及配套软件；所述内置式芯片光谱仪与手机第一个摄像模组的收光模块共用收光***，与手机第二个摄像模组的图像传感器共用光电探测器件。本发明分别利用了常用手机自带的两个摄像模组的收光模块和图像传感器，充分挖掘了手机自有硬件的潜力，在此基础上通过内置已经高度微缩的芯片光谱仪，在不需要添加外设的情况下赋予了手机新的光谱分析的功能。与其他手机光谱仪方案相比，降低了成本，提高了便携性。
Description
技术领域
本发明涉及芯片光谱仪，尤其是涉及一种手机载内置式芯片光谱仪模块。
背景技术
光谱仪是一种非常重要的科学技术仪器，它通过对输入光信号进行光谱组分和能量分布的检测，可以得到许多有用的信息。比如，在生化传感领域，对透射光谱或反射光谱进行解析，可以得到物质组分的有关信息；在光通信领域，对链路中的光信号波长进行监控，可以判断光通信网络中各波长相关元器件的工作稳定性，从而有助于提升整个光通信网络，特别是密集波分复用光通信网络的可靠性。此外，在农业，在汽车，在环境监测，在食品，在印刷等众多领域中，光谱仪都有着关键的应用。
受航空和航天遥感领域对大地光谱获取需求的推动，近年来，将单点检测的光谱仪输入线阵化和面阵化，从而能够对面对象同时进行多像元多光谱成像的成像光谱仪获得了广泛的关注以及大量的研究。当前，成像光谱仪的应用在不断扩大，已经从最初的航空航天遥感发展到了现在的植物生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气等多种领域。
最近十年，人类科技进步的一个标志性成果是智能手机的发明和推广。人们试图将越来越多的功能集成到手机中去，在让手机变得越来越强大，越来越智能的同时，也大大提高了人类生活的便利性。而毫无疑问，将与人类生活息息相关的光谱仪集成到手机上去，也是许多人努力的目标。
传统的光谱仪依托体式光学元件，笨重价格高，主要存在于实验室中。为了便携与在线化监测，微型光谱仪应运而生。微型光谱仪往往基于微机电***，与传统光谱仪相比，体积、重量、成本都大幅减小，但想要集成到手机中，还是显得过大。集成光学的发展带来了芯片光谱仪，芯片光谱仪的尺寸可以达到亚厘米级，将其内置至手机中，变得具有可行性。
要将芯片光谱仪内置到手机中去，需要解决好收光以及光电探测这两个问题。对于传统的仅有单摄像模组的手机，由于摄像模组的收光***与图像传感器之间无论是水平距离还是竖直距离都无法安置一个芯片光谱仪，因此只能将芯片光谱仪外置，虽然可以利用手机自带的图像传感器，但需使用专门设计的外置式透镜组来收光。如此一来，便无法实现真正的芯片光谱仪模块内置化，也降低了手机光谱仪的使用便利性，限制了其使用范围。尽管双摄像模组手机已经面世许久，但目前手机载芯片光谱仪模块的设计思路依然延续了以前单摄像模组手机时期的惯性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种手机载内置式芯片光谱仪模块。利用手机自带的两个摄像模组，将芯片光谱仪内置，并与手机其中一个摄像模组共用收光模块，而与手机另一个摄像模块共用图像传感器，本发明移除了手机载芯片光谱仪模块的任何外设，实现了完全的内置化，从而大大提高了便携性、实用性。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种手机载内置式芯片光谱仪模块，包括手机第一个摄像模组的收光模块，内置式芯片光谱仪，手机第二个摄像模组的图像传感器，手机自带的信号处理单元、显示模块以及配套软件；所述内置式芯片光谱仪与手机第一个摄像模组的收光模块共用收光***，与手机第二个摄像模组的图像传感器共用光电探测器件，由于信号处理单元与显示模块亦为手机自带，因而所述手机载内置式芯片光谱仪模块无需任何外设。
上述技术方案中，进一步地，所述内置式芯片光谱仪为单片芯片光谱仪或多片芯片光谱仪所构成的堆栈式芯片光谱仪。
进一步地，所述内置式芯片光谱仪的输入耦合光波导和输出耦合光波导边缘为开磨的倾斜断面，从而可以接收特定角度输入的耦合光，并且可以使输出光以特定角度射出。
进一步地，所述内置式芯片光谱仪的输出波导处设有波导透镜。
进一步地，所述内置式芯片光谱仪的输出波导与手机第二个摄像模组的图像传感器之间设有微透镜。
进一步地，所述内置式芯片光谱仪也可以是成像芯片光谱仪。
进一步地，所述内置式芯片光谱仪基于傅里叶变换光谱分析原理，由光程差渐变的空间外差式马赫曾德干涉仪阵列构成。
进一步地，所述内置式芯片光谱仪基于傅里叶变换光谱分析原理，由堆叠的基于光程差渐变的空间外差式马赫曾德干涉仪阵列的傅里叶变换光谱仪芯片组构成。
进一步地，所述内置式芯片光谱仪基于傅里叶变换光谱分析原理，由阵列时间外差式马赫曾德干涉仪构成，每个马赫曾德干涉仪均包含光程差调制机构，其调制方式可以是热调谐，也可以是电调谐。
进一步地，所述内置式芯片光谱仪基于光栅分光原理或光滤波原理，不同波长的光由不同输出耦合光波导输出，由阶梯衍射光栅、阵列波导光栅、微环谐振腔阵列或其它基于同样原理的分光元件构成。
进一步地，所述内置式芯片光谱仪基于光栅分光原理或光滤波原理，不同波长的光由不同输出耦合光波导输出，由堆叠的阶梯衍射光栅芯片组、阵列波导光栅芯片组、微环谐振腔阵列芯片组或其它基于同样原理的分光元件芯片组构成。
本发明的工作原理为：外界待测光信号经过手机第一个摄像模组的收光模块，照射到内置式芯片光谱仪的输入耦合光波导上，在传输通过内置式芯片光谱仪后，由其输出耦合光波导投射到手机第二个摄像模组的图像传感器上，记录下光谱仪输出耦合光波导处的光强度信息，接着利用手机自带的信号处理单元对所收集到的光信息进行处理，并将复原出的待测光信号光谱信息在手机显示模块中显示出来，整个工作流程由配套软件协调、控制。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
本发明的手机载内置式芯片光谱仪模块，利用手机自带的两个摄像模组，将芯片光谱仪内置，所述的内置式芯片光谱仪与手机其中一个摄像模组的收光模块共用收光***，而与手机另一个摄像模组的图像传感器共用光电探测器件，移除了手机载芯片光谱仪模块的任何外设，实现了完全的内置化，从而大大提高了其便携性和实用性。
附图说明
图1为本发明其中一种实施方式示意图；
图2为芯片光谱仪与手机两个摄像模组的内部结构示意图；
图3为带有机械滑块的芯片光谱仪与手机两个摄像模组的内部结构示意图；
图4为芯片光谱仪输入输出端边缘处开磨的倾斜端面示意图；
图5为芯片光谱仪输出端的准直波导透镜示意图；
图6为芯片光谱仪输出端与图像传感器之间微透镜示意图；
图7(a)为基于傅里叶变换光谱分析原理的，由空间外差式马赫曾德干涉仪阵列所构成的芯片光谱仪的输入光谱图与输出干涉图；图7(b)为根据输出干涉图用傅里叶逆变换原理还原出的输入光谱图；
图8为堆叠的基于光程差渐变的空间外差式马赫曾德干涉仪阵列的傅里叶变换成像光谱仪芯片组示意图；
图9为基于阶梯衍射光栅的芯片光谱仪示意图；
图10为基于阵列波导光栅的芯片光谱仪示意图；
图11为基于微环谐振腔阵列的芯片光谱仪示意图；
图中：1、手机第一个摄像模组的收光模块，2、内置式芯片光谱仪，3、手机第二个摄像模组的图像传感器，4、信号处理单元，5、显示模块，6、输入耦合光波导，7、输出耦合光波导，8、波导透镜，9、微透镜，11、手机第一个摄像模组中的镜头，12、手机第一个摄像模组中的红外滤光片，13、手机第一个摄像模组中的图像传感器，21、机械滑块，22、阶梯衍射光栅平板区，23、阵列波导光栅的输入平板区，24、阵列波导，25、阵列波导光栅的输出平板区，26、微环输入端，27、微环直通端，28、微环滤波端，31、手机第二个摄像模组中的镜头，32、手机第二个摄像模组中的红外滤光片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1所示为本发明的一种实施方式的示意图。它包含手机第一个摄像模组的收光模块1，内置式芯片光谱仪2，手机第二个摄像模组的图像传感器3，信号处理单元4、显示模块5以及配套软件。外界待测光信号经过手机第一个摄像模组的收光模块1，照射到内置式芯片光谱仪2的输入耦合光波导6上，在传输通过内置式芯片光谱仪2后，由其输出耦合光波导7投射到手机第二个摄像模组的图像传感器3上，记录下光谱仪输出耦合光波导处的光强度信息，接着利用手机自带的信号处理单元4对所收集到的光信息进行处理，并将复原出的待测光信号光谱信息在手机显示模块5中显示出来，整个工作流程由配套软件协调、控制。本发明分别利用了手机第一个摄像模组模组的收光模块1和手机第二个摄像模组的图像传感器3，充分挖掘了手机自有硬件的潜力，在此基础上通过内置已经高度微缩的内置式芯片光谱仪2，在不需要添加外设的情况下赋予了手机新的光谱分析的功能。与现有手机光谱仪方案相比，降低了成本，提高了便携性。
图2为内置式芯片光谱仪2与手机两个摄像模组的内部结构示意图。其中主要包括了手机第一个摄像模组中的镜头11，手机第一个摄像模组中的红外滤光片12，手机第一个摄像模组中的图像传感器13，手机第二个摄像模组中的镜头31，手机第二个摄像模组中的红外滤光片32，手机第二个摄像模组的图像传感器3，以及内置式芯片光谱仪2。手机摄像模组中的镜头一般由一个专门设计的透镜组构成，它除了要构造内部密封环境，很重要的一个功能是提高成像质量，包括消除像差、调节数值孔径等，这对于高空间分辨精度的成像光谱仪来说也是刚好适用的。手机摄像模组中的红外滤光片是为了滤除外界的红外光线，对于应用领域针对可见光的芯片光谱仪来说，它刚好也可以起到滤除自由光谱范围外的杂散光的作用。对于内置式芯片光谱仪2来说，其输入耦合光波导6与输出耦合光波导7均位于内置式芯片光谱仪2的边缘。在手机第一个摄像模组区，内置式芯片光谱仪2的输入端只需与手机第一个摄像模组的收光模块1的成像光路的边缘区域有很小的重叠就能够收集到足以进行光谱还原的光；而在手机第二个摄像模组区，内置式芯片光谱仪2的输出端可以磨成适当的角度，使光倾斜出射而并不与成像光路重叠，如图3所示，且只需占用手机第二个摄像模组的图像传感器3最边缘的一列或数列探测器即可检测到内置式芯片光谱仪2的输出耦合光波导7中的光能量分布情况。因而内置式芯片光谱仪2的存在几乎并不会对手机摄像模组的原有的摄像功能带来影响。
对于为了构建成像芯片光谱仪而采用堆叠式光谱仪芯片组的情况，在内置式芯片光谱仪2的输入端，每个光谱仪芯片只需错开几微米即可，即便是100个光谱仪芯片堆叠，占用空间也只有几百微米，明显小于手机第一个摄像模组的收光模块1的出瞳直径大小。而在内置式芯片光谱仪2的输出端，每一个芯片需占用手机第二个摄像模组的图像传感器3的一列或数列探测器，即便是100个光谱仪芯片堆叠，占用的探测器列数也只有不到1000。如今图像传感器动辄有上千万的像素，探测器列数和行数都有几千个，足够满足内置式芯片光谱仪2的使用需求。为了防止堆叠式光谱仪芯片组对手机摄像模组原有正常功能使用带来干扰，这时可以加入一个机械滑动块来控制内置式芯片光谱仪2的位置，使其在使用时输入端移动到手机第一个摄像模组的光路区域，而输出端自始至终无需和手机第二个摄像模组的光路区域有交集，只需调整内置式芯片光谱仪2输出端的开磨角度即可以控制输出端的光照射到到手机第二个摄像模组的图像传感器3中。图4给出了内置式芯片光谱仪2输入输出端边缘处开磨的倾斜端面示意图。如图所示，在输入端可将倾斜角α磨成45度，使近似沿垂直方向的入射光能够被内置式芯片光谱仪2收集，在输出端则根据内置式芯片光谱仪2与手机第二个摄像模组的图像传感器3的相对位置，将其边缘磨成特定的角度β，使光能够入射到手机第二个摄像模组的图像传感器3的特定区域中。
内置式芯片光谱仪2的输出耦合光波导7宽度和高度通常只有几微米，根据光的衍射定律可以知道。对于可见波段或者近红外波段光来说，光从输出耦合光波导7输出时会产生很大的发散角。在水平方向，这会导致相邻信道的光发生串扰，在竖直方向，则会导致光斑过于展宽，从而会占用过多的第二个摄像模组的图像传感器3像素，因此需要对内置式芯片光谱仪2的输出光进行准直或成像。一种是在内置式芯片光谱仪2加入波导透镜8，如图5所示；另一种方法是在内置式芯片光谱仪2与第二个摄像模组的图像传感器3之间加入微透镜9，如图6所示。
图1中所示的内置式芯片光谱仪2采用的是空间外差的傅里叶变换芯片光谱仪。它由N个马赫曾德干涉仪(MZI)阵列构成，MZI的两个干涉臂的光程差从0开始沿着阵列以△L大小线性增加。具有任意光谱的输入光在经过各MZI后，在输出阵列波导会输出不同光强，形成一个干涉光强分布，且该输出光强分布与输入光谱形成傅里叶关系，不考虑损耗，变换公式如下所示：
式中，FSR(free spectral range)表示自由光谱范围，m表示MZI的序列号，I(m△L)表示第m个MZI的输出光强分布。
则表示输入光谱在相对波数
处的输入光谱分布，相对波数
等于σ-σL，其中σL表示Littrow波数。当光为Littrow波数时，所有MZI输出端的光强度相等，且都为最大值。
表示在相对波数
处时的MZI波导臂的有效折射率。
由于输出光强分布I(m△L)与输入光谱分布
成傅里叶变换关系，当得知I(m△L)时，利用傅里叶逆变换即可还原出输入光谱分布
光谱还原公式如下所示：
其中，
F(mΔL)＝2I(mΔL)-Sall (3)
基于上述原理，我们开发出了一款工作于400纳米到760纳米，分辨率为8纳米的，包含101个MZI的傅里叶变换芯片光谱仪，详细设计可以见Xiao Ma,Jun Zou,QiongchanShao,Jian-Jun He发表的文章“Fourier-transform spectrometer chip coveringvisible band on silica waveguides”。我们分别将497.5纳米、619.5纳米以及750.5纳米波段的光导入该傅里叶变换芯片光谱仪中，图7(a)和(b)分别给出了三个不同波长的光在傅里叶变换芯片光谱仪输出端的光强分布，以及根据公式(2)还原得到的输入光谱。
内置式芯片光谱仪2的另一种实施方式是基于时间外差的傅里叶变换芯片光谱仪。与空间外差的傅里叶变换芯片光谱仪不同的是，时间外差的傅里叶变换芯片光谱仪只需要一个MZI就可以实现光谱分析功能。不过，该MZI两臂的光程差可以调谐，调谐方式通常包括了热调谐和电调谐，通过在不同时间施加不同温度或者不同电压，MZI两臂的光程差就可以随时间从0不断变化到一个极大值，从而对特定输入光谱的光进行调制，并在输出端获得一个时间干涉图。随后，再根据傅里叶逆变换原理，就可以还原出输入光谱。
时间外差的傅里叶变换芯片光谱仪可以在平面上进行阵列展开，由此就可以得到一维方向上的成像芯片光谱仪。而空间外差的傅里叶变换芯片光谱仪由于本身就需要阵列MZI来搭建，因此如果要制作一维成像芯片光谱仪，只能采用芯片堆叠的方式，如图8所示。
内置式芯片光谱仪2的另一种实施方式是采用阶梯衍射光栅来进行分光，如图9所示。带有特定光谱的输入光从输入耦合光波导6进入芯片中，随后沿波导传播到阶梯衍射光栅的平板区22，并照射到阶梯衍射光栅光栅齿上，接着不同波长的光反射聚焦到不同的输出波导中，最后从输出耦合光波导7向片外发射。
内置式芯片光谱仪2的另一种实施方式是采用阵列波导光栅来进行分光，如图10所示。带有特定光谱的输入光从输入耦合光波导6进入芯片中，随后沿波导传播到阵列波导光栅的输入平板区23，并照射耦合进入不同的阵列波导24中，接着不同波长的光经阵列波导光栅的输出平板区25聚焦到不同的输出波导中，最后从输出耦合光波导7向片外发射。
内置式芯片光谱仪2的另一种实施方式是采用微环谐振腔阵列，如图11所示。微环谐振腔包括三个有效端口，分别为微环输入端26，微环直通端27以及微环滤波端28。当具有特定光谱的光从微环输入端26进入微环时，如果微环一周的光程等于某波长的整数倍，则该波长光会从微环滤波端28输出，其余波长的光泽从微环直通端27输出。由于不同微环谐振腔的半径不同，因而其一周的光程也不同，从而可以将不同波长的光从不同微环的微环滤波端28滤出。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种手机载内置式芯片光谱仪模块，其特征在于：包括手机第一个摄像模组的收光模块(1)，内置式芯片光谱仪(2)，手机第二个摄像模组的图像传感器(3)，手机自带的信号处理单元(4)、显示模块(5)以及配套软件；所述内置式芯片光谱仪(2)与手机第一个摄像模组的收光模块(1)共用收光***，与手机第二个摄像模组的图像传感器(3)共用光电探测器件；所述内置式芯片光谱仪(2)和手机第二个摄像模组的图像传感器(3)之间设有微透镜(9)。
2.根据权利要求1所述的一种手机载内置式芯片光谱仪模块，其特征在于：所述内置式芯片光谱仪(2)为单片芯片光谱仪或由多片芯片光谱仪所构成的堆栈式芯片光谱仪。
3.根据权利要求1所述的一种手机载内置式芯片光谱仪模块，其特征在于：所述内置式芯片光谱仪(2)的输入耦合光波导(6)和输出耦合光波导(7)边缘为开磨的倾斜端面。
4.根据权利要求1所述的一种手机载内置式芯片光谱仪模块，其特征在于：所述内置式芯片光谱仪(2)的输出耦合光波导处(7)设有波导透镜(8)。
5.根据权利要求1所述的一种手机载内置式芯片光谱仪模块，其特征在于：所述内置式芯片光谱仪(2)为成像芯片光谱仪。
6.根据权利要求1所述的一种手机载内置式芯片光谱仪模块，其特征在于：所述内置式芯片光谱仪(2)基于傅里叶变换光谱分析原理，由光程差渐变的空间外差式马赫曾德干涉仪阵列构成。
7.根据权利要求1所述的一种手机载内置式芯片光谱仪模块，其特征在于：所述内置式芯片光谱仪(2)基于傅里叶变换光谱分析原理，由堆叠的基于光程差渐变的空间外差式马赫曾德干涉仪阵列的傅里叶变换光谱仪芯片组构成。
8.根据权利要求1所述的一种手机载内置式芯片光谱仪模块，其特征在于：所述内置式芯片光谱仪(2)基于傅里叶变换光谱分析原理，由阵列时间外差式马赫曾德干涉仪构成，每个时间外差式马赫曾德干涉仪均包含光程差调制机构，其调制方式为热调制或电调制。
9.根据权利要求1所述的一种手机载内置式芯片光谱仪模块，其特征在于：所述内置式芯片光谱仪(2)基于光栅分光原理或光滤波原理，不同波长的光由不同输出耦合光波导输出，由阶梯衍射光栅、阵列波导光栅、微环谐振腔阵列或其它基于同样原理的分光元件构成。
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2020
- 2020-04-28 CN CN202010349335.XA patent/CN111458028B/zh active Active
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