CN113161376B - 光学模块和使用该光学模块的光学装置 - Google Patents

光学模块和使用该光学模块的光学装置 Download PDF

Info

Publication number
CN113161376B
CN113161376B CN202110441177.5A CN202110441177A CN113161376B CN 113161376 B CN113161376 B CN 113161376B CN 202110441177 A CN202110441177 A CN 202110441177A CN 113161376 B CN113161376 B CN 113161376B
Authority
CN
China
Prior art keywords
filter
band
spectral
region
limiting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110441177.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113161376A (zh
Inventor
李敬锡
黄圭元
金元穆
金寅昊
金玹澈
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electronics Co Ltd filed Critical Samsung Electronics Co Ltd
Priority to CN202110441177.5A priority Critical patent/CN113161376B/zh
Priority claimed from PCT/KR2017/008258 external-priority patent/WO2018043926A1/ko
Publication of CN113161376A publication Critical patent/CN113161376A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113161376B publication Critical patent/CN113161376B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29379—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device
    • G02B6/29389—Bandpass filtering, e.g. 1x1 device rejecting or passing certain wavelengths
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/201—Filters in the form of arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • G02B5/285—Interference filters comprising deposited thin solid films
    • G02B5/288—Interference filters comprising deposited thin solid films comprising at least one thin film resonant cavity, e.g. in bandpass filters
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0218—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults
    • G05B23/0243—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults model based detection method, e.g. first-principles knowledge model
    • G05B23/0254—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults model based detection method, e.g. first-principles knowledge model based on a quantitative model, e.g. mathematical relationships between inputs and outputs; functions: observer, Kalman filter, residual calculation, Neural Networks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1463—Pixel isolation structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

本发明提供了一种光学装置和一种光学模块，所述光学装置包括：光谱滤波器；和光检测部分，其用于检测通过光谱滤波器的光，其中将带限滤波器设置在光的路径上。

Description

光学模块和使用该光学模块的光学装置
本申请是基于2019年2月28日提交的、申请号为201780053153.4、发明创造名称为“光学模块和使用该光学模块的光学装置”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及一种滤波器阵列式分光计，更具体地说，涉及一种光学模块和一种使用该光学模块的光学装置，该光学模块包括在目标光谱恢复中用于信号恢复和分辨率增强的光谱滤波器中的带限滤波器。
背景技术
分析材料的本征光谱的光谱仪器被广泛用于测量目标在从可见光到红外波段的宽带波长范围内的颜色或分子键。在传统上，它被用作台式有机/无机物分析仪器，诸如UV-VIS-NIR分光光度计和傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪器。然而，随着对诸如食品领域(例如，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、油氧化度测量等)和医学生物领域的各个应用领域的日益重视，对发展用于现场测量的小型化装置的需求增加。另外，近年来，由于对健康、食品和环境的自我管理的需求增加，也期望将它应用作为基于超小型化的个人便携式光谱仪器和物联网光谱传感器来应用。
作为使光谱仪器小型化的最有效方式，提出了这样一种方法，其中按照具有带滤波(band filtering)功能的光学滤波器阵列的形式来制造替代常规棱镜和衍射光栅的用于分散光的光学组件，并且将该用于分散光的光学组件与光学检测器阵列集成。基于滤波器阵列的分光计实现方法的优点在于稳健和易于小型化，这是因为它不需要运动的目标。
提出了各种类型的光学滤波器结构作为用于分光计的滤波器阵列，其中有一种线性可变滤波器(LVF)。LVF是具有Fabry-Perot谐振器结构的光学滤波器，并且具有在长度方向上位于上镜层和下镜层之间的介电谐振层的厚度在长度方向上线性地变化的结构。
由于厚度在长度方向上变化的线性结构，这种LVF在工艺再现性和生产率方面具有局限性，并且具有与二维成像传感器技术的工艺兼容性不足的缺点。由于分光计的分辨率也由LVF的高度-长度比决定，所以分光计元件的小型化受到限制。
为了克服这个问题，提出了一种具有优良的谐振光谱波长可变性的基于等离子体的滤波器技术。例如，使用利用了超常光透射(EOT)现象的透射滤波器，超常光透射(EOT)现象出现在周期性地布置在金属薄膜结构上的纳米孔阵列结构中。由于可以仅通过二维水平结构控制而不改变竖直结构来实现谐振波长的宽带可变性，因此即使用简单的工艺也能够形成高度集成的光谱滤波器阵列，并且有利于与二维图像装置集成和批量生产。
另一方面，由于基于滤波器阵列的分光计的分辨率与滤波器的数量成比例地增加，因此需要大量的滤波器来获得高分辨率。然而，由于在以下工艺技术中存在限制：精细且单独地控制中心波长之间的间隔而在各个滤波器之间无光谱重叠，因此实质上可实现的分辨率是有限的。滤波器数量的限制还影响用于目标光谱恢复的数字信号处理过程，因此成为降低信号恢复能力和操作稳定性的一个因素。
发明内容
技术问题
本公开提供了一种具有小型化结构的光学滤波器。
本公开还有效地克服了基于滤波器阵列的分光计中的滤波器的数量的限制，并且提高了分光计的信号恢复能力和分辨率。
本公开还提供了一种方便的额外方法，其通过针对滤波器阵列式分光计的直接应用来提高特定波长范围的分辨率。
技术方案
本发明的实施例提供了一种光学模块，包括：光谱滤波器阵列，其包括多个单位光谱滤波器；带限滤波器，其被构造为选择性地透射比设计为通过光谱滤波器阵列测量的波长区更窄的波长区的光；以及光学检测单元，其被构造为检测通过光谱滤波器阵列和带限滤波器的光学信号。
可将‘带限滤波器’理解为限定特定范围的波长带的滤波器的概念。带限滤波器具有比针对光谱滤波器设计的工作波长带更窄的波长范围。带限滤波器可在物理上被构造为覆盖光谱滤波器的全部或一部分。换句话说，可将进入在光学路径上的光谱滤波器的所有光构造为通过带限滤波器，并且一些光也可不通过带限滤波器。也可部分地添加简单光学窗口。
光谱滤波器可由单个或多个单位滤波器阵列构成。在将带限滤波器、光谱滤波器和光学检测单元设置在不同模块中的情况下，它们中的两个设为一模块，或者全部三个模块设为一个模块，可在入射到光学检测单元的光到达之前将带限滤波器设置在任何光学路径上。应该理解，本发明的范围涵盖其它光学元件***在带限滤波器、光谱滤波器与光学检测单元之间的情况。另外，带限滤波器可布置在光谱滤波器与光学检测单元之间，并且光谱滤波器可布置在带限滤波器与光学检测单元之间。
在实施例中，单位光谱滤波器可为以下中的一个：衍射光栅滤波器、棱镜滤波器、Fabry-Perot谐振滤波器、具有金属纳米结构阵列或金属纳米孔阵列的等离子体滤波器、基于硅纳米线的滤波器、吸收滤波器、谐振波导谐振模式型滤波器、或采用集成光学器件的光学干涉光谱滤波器。
在实施例中，光谱滤波器阵列可包括多个单位光谱滤波器，其中具有预定形状的金属图案被周期性地布置成吸收或反射特定波长区的光。
在实施例中，带限滤波器可由用于选择性地透射不同波长区的光的多个单位带限滤波器构成。
在实施例中，带限滤波器可包括三至七个单位带限滤波器，并且光学检测单元可为CMOS图像传感器。
在实施例中，单位带限滤波器可包括一个或多个R、G和B滤色器。
在实施例中，所述一个或多个单位带限滤波器可选择性地透射700nm至1100nm内的特定区的光。
在实施例中，光学检测单元可为CMOS图像传感器或红外图像传感器的光学检测像素。
在实施例中，光学检测单元的光检测像素的大小可小于单位光谱滤波器的大小。
在实施例中，光学模块还可包括处理单元，其被配置为利用通过光学检测单元检测的光学信号执行恢复入射光的光谱的功能。
在实施例中，在恢复光的光谱中，可通过在列向上添加一组光谱滤波器和带限滤波器的组合来配置滤波器函数矩阵。
在实施例中，在信号恢复功能中，用于信号恢复的滤波器函数矩阵可使得波长采样区的范围被带限滤波器有效限制，并且超出有效波长范围的矩阵值收敛至零。
在本发明的其它实施例中，一种光学装置包括：图像传感器区，其包括被构造为将入射光过滤为至少R、G和B的滤色器层以及被构造为通过多个第一单位像素检测通过滤色器层的光学信号的第一光检测区；以及光谱传感器区，其包括被构造为测量目标对象的光谱的光谱滤波器阵列以及被构造为通过多个第二单位像素检测通过光谱滤波器阵列的光学信号的第二光检测区。
在实施例中，光学装置还可包括带限滤波器，其波长区比将通过在光谱传感器区的光学信号的路径上的光谱滤波器阵列测量的工作波长带窄。
在实施例中，光谱滤波器阵列和带限滤波器可堆叠，并且带限滤波器可设置在光谱滤波器阵列上。
在实施例中，光谱滤波器阵列和带限滤波器可堆叠，并且光谱滤波器阵列可布置在带限滤波器上。
在实施例中，带限滤波器可包括被构造为选择性地透射不同波长区的光的多个单位带限滤波器。
在实施例中，单位带限滤波器可包括一个或多个R、G和B滤色器。
在实施例中，所述一个或多个单位带限滤波器可选择性地透射700nm至1100nm内的特定区的光。
在实施例中，光谱滤波器阵列可包括多个单位光谱滤波器，并且单位光谱滤波器中的每一个可包括周期性地布置的具有预定形状的金属图案。
在实施例中，第一光检测区和第二光检测区可包括不同大小的光检测像素。
在实施例中，第一光检测区和第二光检测区可为CMOS图像传感器的光学检测器的一部分。
在实施例中，光谱传感器区的光谱滤波器阵列的分析波长可在300nm至1100nm的范围内。
在实施例中，光学装置还可包括图像传感器区与光谱传感器区之间的额外的隔离区。
有益效果
根据本发明，可以有效地克服基于滤波器阵列的分光计中的滤波器数量的限制，并且提高分光计的信号恢复能力和分辨率。
本发明使得能够仅将光谱滤波器耦接至常规硅CMOS图像传感器的滤色器或者以相应的方式应用。
此外，本发明直接应用于预制滤波器阵列***的分光计，以提供一种方便的额外手段来提高相对于特定波长范围的分辨率。
上述带限滤波器和光谱滤波器的各种滤波器组合可应用于特定波长范围的拉曼光谱仪器或红外光谱传感器元件。
附图说明
图1和图2是根据本发明的光学装置的结构图。
图3和图4是用于解释根据本发明的带限滤波器的功能的概念图。
图5是根据本发明的实施例1的光学装置的概念图，并且图6是光学装置中的光谱滤波器和带限滤波器的组合结构的概念图。
图7是根据本发明的实施例2的光学装置的透视图，其示出以下构造：用硅CMOS图像传感器的RGB滤色器来替代用作实施例1的结构中的带限滤波器的带限滤波器，图8是示出一个单位的光谱滤波器对应四个单位的RGB滤色器的概念图。
图9和图10是示出没有滤色器的阻带式等离子体滤波器阵列及其滤波器函数谱的示例的曲线图。
图11和图12是示出与RGB滤色器组合的滤波器阵列及其光谱的示例的曲线图。
图13是用于解释根据存在或不存在RGB滤色器的信号恢复的差异的曲线图。
图14和图15示出了当除RGB滤色器之外还包括没有滤波功能的普通光学窗口作为滤波器时的滤波器阵列及其谱图的示例。
图16是用于解释根据本发明的第三实施例的光学装置的信号处理的概念图，图17是本光学装置的透视图，并且图18示出了本光学装置中的光谱滤波器和带限滤波器的结构。
图19至图22是示出当将根据实施例的显示出EOT特性的透射带的金属纳米孔阵列应用作为光谱滤波器阵列并且进一步将带限滤波器结合至其上部时，对信号恢复的影响的示例性计算。
图23是根据本发明的实施例的光学装置中的带限滤波器和光谱滤波器的组合结构的概念图。
图24是根据本发明的实施例的选择用于光学装置的多波长区覆盖的带限滤波器的方法的概念图。
图25是根据本发明的实施例的在光学装置中应用可用于波长调谐的带限滤波器的方法的概念图。
图26至图28示出了用于解释在根据本发明的实施例的光学装置中互补地使用宽带光谱滤波器阵列和窄带带限滤波器的方法的计算示例。
图29至图32示出了示出根据本发明的实施例的光学装置即使在中红外波段中也按照相同方式操作的计算示例。
图33至图42是用于解释根据本发明的实施例的图像传感器和光谱传感器集成在一起的情况的概念图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本说明书中公开的示例性实施例，并且无论附图标记怎样，都由相同附图标记指代的相同或相似元件，并且省略它们的重复描述。在下面的描述中使用的用于元件的后缀“模块”和“单元”只是为了便于撰写本说明书，它们可以互换地给出或使用，因此不赋予它们特定的含义或功能。在描述本说明书中公开的示例性实施例时，当判断对本发明所属的公知技术的具体描述模糊了本说明书中公开的实施例的要点时，将省略它们。此外，应当理解，附图仅被图示为易于解释本说明书中公开的示例性实施例，并且因此，不应将其解释为限制本说明书中公开的技术思想，而应被解释为涵盖在本发明的精神和范围内的所有修改和替代。
图1和图2是根据本发明的光学装置的结构图。
根据本发明的实施例的光学装置1或11包括光谱滤波器3和用于检测通过光谱滤波器3的光的光学检测单元2，并且还包括带限滤波器4。
光谱滤波器3可包括单个或多个单位滤波器，并且可允许特定波长通过。光学检测单元2执行检测通过光谱滤波器3的光的功能，并且执行诸如将通过各种电路部件、电极等检测到的光的量改变为电信号的通用已知功能。光学检测单元2可包括单个或多个单位光学检测器。
另一方面，光谱滤波器3和光学检测单元2可集成或模块化在一起，并且可分离地形成和设置为分离的模块。另外，带限滤波器4也可与光谱滤波器3集成，并且可布置在光入射的路径上，以测量光谱。也就是说，带限滤波器4、光谱滤波器3和光学检测单元2布置在用于光谱测量的光学路径上。
另外，如图2所示，带限滤波器4可设置在光谱滤波器3与光学检测单元2之间。在这种情况下，光谱滤波器3、带限滤波器4和光学检测单元2可集成或模块化在一起，并且可分离地形成和设置为分离的模块。按照相同方式，光谱滤波器3、带限滤波器4和光学检测单元2布置在用于光谱测量的光学路径上。
这种光学滤波器可提高分光计的信号恢复能力和分辨率。下文中，稍后将详细描述带限滤波器4。
图3和图4是用于解释根据本发明的带限滤波器的功能的概念图。
参照图3，带限滤波器4的主要特征之一为，具有比将在光谱滤波器3中测量的工作波长带A更窄的波长区B。利用这种功能，带限滤波器4可包括单个滤波器，或者可包括多个堆叠的滤波器。多个滤波器可设置在光学路径上，以执行上述功能。这些被包括在带限滤波器4的概念中。物理上，其不限于诸如各种带限滤波器4和RGB滤色器的具体模式。
另一方面，带限滤波器4的波长带小于光谱滤波器的设计工作波长带的事实意味着，在将通过光谱滤波器3测量的波长带A中，仅带限滤波器2的波长带较小。因此，如果带限滤波器2的波长带具有光谱滤波器3的设计工作波长带以外的区，则其不被包括。也就是说，在带限滤波器4的波长带中，仅计算对应于光谱滤波器3的设计工作波长带的B1，结果，当A＞B1时满足带限滤波器4的条件。
另一方面，通过带限滤波器4的所有光可朝着光谱滤波器3入射，并且如果需要，仅一部分通过带限滤波器4的光可入射至光谱滤波器3。
另一方面，在本发明中，可以不区分透射模式与反射模式地应用与带限滤波器4结合使用的光谱滤波器3。并且，可不加区分地使用诸如衍射光栅式、棱镜式、Fabry-Perot式谐振滤波器、等离子体滤波器、吸收式滤波器、半导体量子点滤波器、谐振波导谐振模式类型的滤波器和利用集成光学的光干涉式光谱滤波器。
此外，在实际实现中，带限滤波器可为小于光谱滤波器的整个工作波长范围的带，或者可在中间带中形成一个或多个节点(最小强度点)。例如，双峰带限滤波器可在数学上执行相似的功能。另外，即使在单个透射带滤波器的情况下，波纹或副瓣也可存在于带外区中，并且该情况可在数学上被处理。
(实施例1)
图5是根据本发明的实施例1的光学装置的概念图，并且图6是光学装置中的光谱滤波器和带限滤波器的组合结构的概念图。
光学装置包括光谱滤波器10、用于检测通过光谱滤波器10的光的光学检测单元30以及带限滤波器20。如上所述，带限滤波器20的波长区B小于设计为通过光谱滤波器10测量的波长带A。
参照图6，在带限滤波器20的与光谱滤波器的单位光谱滤波器F1、F2、F3……对应的布置结构中，多个带限滤波器组BPF1、BPF2、BPF3和BPF4对应于单位光谱滤波器。然而，本发明不限于此并且可以是各种修改。也就是说，不限制地，每单位光谱滤波器F1、F2、……的单位带限滤波器可以是诸如1、2、3、4个或更多个。
可以至少一个带限滤波器对应于每个单位光谱滤波器，并且如果提供多个，则可以将所述组中的一个替换为没有滤波功能的普通光学窗口层。
然而，如果两个或更多个单位带限滤波器对应于每个单位光谱滤波器F1、F2、……，则有效滤波器的数量与带限滤波器组合增加，而不增加单位光谱滤波器的数量。
此外，根据该实施例，具有信号恢复能力和分辨率提高并且滤波器阵列工艺的负担显著减轻的效果。
可利用多个滤波器设计带限滤波器组，以限制特定波长带或覆盖分光计芯片的整个工作波长。根据该结构，可优化目标的分辨率和光谱恢复范围。
带限滤波器也可为CMOS图像传感器的RGB滤色器。
下文中，将描述根据本发明的实施例的当光谱滤波器和带通滤波器组合时的信号处理。
参照图5，当待分析的目标的光谱为s(λ)、各个光谱滤波器的透射函数是fi(λ)、并且光学检测器的灵敏度函数为di(λ)时，目标的光谱通过滤波器达到光学检测器时产生的检测信号ri由以下关系式(1)表达，并扩展成由离散模型表示的行列式。
在该背景下，比较不***带限滤波器的情况和***带限滤波器的情况。
首先，根据现有技术，等式(3)示出了当未***带通滤波器时的行列式。这里，无论波长如何，假定检测器灵敏度指数为1，并且M表示滤波器的数量。在这种情况下，由于将滤波器的数量增加一定数量或更多存在工艺限制，因此出现滤波器的数量M小于波长样本的数量N的不适定问题。这导致了一个欠定问题，其中方程少于矩阵方程中的未知数。随着程度变差，即使通过正则化应用该解，信号恢复可靠性和分辨率也会发生性能劣化。
其次，等式(4)示出了将频谱滤波器和带通滤波器组合时的行列式。带通滤波器被示出为以三组形式实现时的示例。通过将各个频谱滤波器函数fi(λ)和带通滤波器函数Bi(λ)组合，定义了有效滤波器函数Bi(λ)fi(λ)作为各个频带传输滤波器。因此，得出了彼此独立的三组有效滤波器函数。当将这三组有效滤波器函数依次相加时，如等式(4)(即，数字信号恢复代数矩阵等式)所示，获得了将有效滤波器的数量增加所组合的倍数的效果。
(实施例2)
图7是根据本发明的实施例2的光学装置的透视图，其示出了以下构造：用硅CMOS图像传感器的RGB滤色器替代在实施例1的结构中用作带限滤波器的带限滤波器。图8是示出四个单位RGB滤色器对应于一个单位光谱滤波器的概念图。
该实施例的一个优点在于，可容易地构造用于在其上耦接光谱滤波器阵列而不去除市场上可获得的硅CMOS图像传感器的滤色器的结构。在这种情况下，CMOS图像传感器的滤色器200执行与上述带限滤波器相似的功能。也就是说，滤色器200的波长区B小于在光谱滤波器100中测量的波长带A。
另一方面，根据该实施例，示出了四个单位滤色器对应于一个单位光谱滤波器F1、F2、……。然而，本发明不限于此，并且可以进行各种修改。也就是说，不限制地，每单位光谱滤波器F1、F2、……的单位滤色器可以是诸如1、2、3、4个或更多个。然而，如果两个或更多个单位滤色器对应于每个单位光谱滤波器F1、F2、……，则有效滤波器的数量与滤色器组合增加，而不增加单位光谱滤波器的数量。
此外，根据该实施例，具有信号恢复能力和分辨率提高并且滤波器阵列工艺的负担显著减轻的效果。
图9示出了不设滤色器的阻带式等离子体滤波器阵列的示例，并且图10示出了示出图9的滤波器函数谱的曲线图的示例。
参照图9，根据本发明的实施例的光谱滤波器阵列包括衬底1110上的多个单位光谱滤波器F1和F2。所述多个单位光谱滤波器F1和F2被构造为对不同波长的光滤波。多个单位光谱滤波器是指至少两个单位光谱滤波器。根据本发明的实施例的分光计包括光谱滤波器阵列，并且被构造为具有包括与多个单位光谱滤波器F1和F2相对应的相应的光检测区PD1和PD2的光学检测器阵列。单位光谱滤波器F1和F2是具有阻带特性的滤波器。
术语“阻带特性”是指根据波长的透射率具有反向峰值，使得单位光谱滤波器可防止特定波长带的光通过。另外，在另一个表达式中，这意味着通过吸收或反射与每个单位滤波器的中心波长相对应的特定波长的光，根据波长具有反向峰值的透射率的滤波器的特性，以防止特定波长带的光通过。为了描述阻带，在本说明书中并入了由同一申请人提交的10-2016-106422的内容。
金属图案1120可形成具有周期性晶格结构的金属纳米结构的布置，并且通过与局部表面等离子体和晶格模式组合，在特定波长带中显示增强的超常光吸收或光反射现象。结果，通过金属纳米结构阵列透射的光谱形成倾角曲线(dip curve)，其中透射率在增强特定光吸收或光反射的选择性波长带中急剧降低。当使用透射光作为参考时，这充当阻带，并且光谱的形状取决于诸如金属材料的选择的几何结构以及诸如纳米结构阵列的周期性和粒度的几何结构。具体地说，中心波长具有主要由晶格周期确定的特性。
参照图10，假设阻带式等离子体滤波器阵列光谱为具有六边形晶格结构的50nm厚Al纳米盘阵列，并且示出了通过时域有限差分法计算的透射光谱，其中晶格周期以10nm为间隔从200nm变化至700nm。可以看到，在400nm与700nm之间(这是典型彩色CMOS相机的可用波长范围)以规则间隔形成单阻带。
图11是与RGB滤色器组合的阻带式等离子体滤波器阵列的示例，并且图12是示出通过图11的与RGB滤色器组合的滤波器阵列的光谱的曲线图。
图11示出了光谱滤波器阵列1390直接形成在滤色器R、G和B1380上的情况。
图12示出了当通过将在实际Si-CMOS彩色图像传感器中使用的RGB滤色器的各自光谱用作带限滤波器函数与图11的阻带滤波器组合时，产生的有效滤波器函数的透射光谱分布。其示出了在滤色器各自函数的影响下修改形成为等离子体滤波器阵列的光谱的的三组滤波器光谱的组合。
图13是用于解释在假设测量的目标光谱是太阳光谱的情况下，根据存在或不存在滤色器以及滤色器的组合，信号恢复的差异的曲线图。
假设分光计滤波器仅由阻带式等离子体滤波器阵列构成的一般情况，当应用正则化技术进行信号恢复时，总体轮廓相似，但是原始目标光谱的精细强度变化分布未被再现。另一方面，当与RGB滤色器结合时，它表现出显著改进的光谱重建能力。此外，如果另外配置普通光学窗口滤波器，即，包括原始的阻带滤波器阵列函数以增加滤波器组的数目，则可以看到信号恢复结果更加改善。
图14是当除了RGB滤色器之外还包括没有滤波功能的普通光学窗口像素时的滤波器阵列的示例，并且图15是示出通过图14的滤波器阵列的光谱的曲线图。
图15示出了假设绿色(G)滤色器被替换为彩色CMOS图像传感器中常用的拜耳图案的RGGB滤波器构造中的普通光学窗口的光谱分布。
将由RGB带限滤波器修改的滤波器光谱与现有的阻带滤波器阵列光谱组合以具有包括总共四个滤波器组的有效滤波器函数。
(实施例3)
图16是用于解释根据本发明的第三实施例的光学装置的信号处理的概念图，图17是本光学装置的透视图，并且图18示出了本光学装置中的光谱滤波器和带限滤波器的结构。
光学装置包括由单位光谱滤波器构成的光谱滤波器50、用于检测通过光谱滤波器的光的光学检测单元60和带限滤波器40(即带限滤波器)。
关于带限滤波器40，整体可以形成为覆盖如图11和12所示的整个光谱滤波器，并且多个带通滤波器可以被布置为一组。关于带通滤波器组，单位带透射滤波器中的每一个可透射相同的波长带，并且它们可透射不同的波长带。
当根据应用选择单独的外部带限滤波器并且将该外部带限滤波器与分光计的组件中的每一个组合制造和使用时，这种结构是有利的。方程(5)示出了当将带限滤波器耦接至光谱滤波器时信号恢复行列式的演变。通过限制整个分光计工作波长范围的一些区域，用于分光计的滤波器的数量保持不变，并且通过有效地限制波长采样区的范围，可以实现滤波器函数的高功能化。结果，提高了信号恢复能力和分辨率。也就是说，带限滤波器的有效波长范围λj至λj+k之外的区收敛至0，使得实质上影响信号恢复处理的有效信号恢复矩阵的大小为M×(K+1)。在这种情况下，由于带限滤波器的半宽度较小，期望提高信号恢复的分辨率和可靠性。
在实际元件操作中，可以以以下方式确定有效波长范围：排除展示出的强度分布小于或等于被测噪声标准偏差s的三倍的信号区域，或排除展示出的强度分布小于或等于带限滤波器的最大透射率的1/e2的信号区域。
另一方面，当与多个带限滤波器组合时，可以在列方向上添加组合滤波器矩阵组，如方程(4)所示。
另一方面，可以通过选择性地将以先前制造的模块形式构建的滤波器阵列式分光计元件与外部带透射滤波器耦接，在特定波长范围内分配高分辨率。因此，可以为每个应用提供各种应用元件和带滤波器。
(实施例4)
图19和图20是示出当根据实施例4的显示出EOT特性的透射带的金属纳米孔阵列被用作光谱滤波器阵列并且带限滤波器被进一步耦接到其上部时，对信号恢复的影响的示例性计算。图13是示出光谱滤波器阵列的EOT光谱分布的曲线图。在玻璃衬底上形成的厚度为50nm的Al金属薄膜上形成具有六边形晶格结构的纳米孔阵列，占空比固定在50％，示出了针对通过从200nm至900nm以10nm为间隔改变晶格周期而制造的71个滤波器中的每一个，使用FDTD计算机模拟技术计算的透射光谱。
图20是将在使用图19所示的光谱滤波器阵列恢复目标光谱的过程中通过应用信号恢复算法恢复的恢复后的光谱与原始光谱进行比较的图。假设目标光谱为两个半宽度为8nm的高斯峰窄重叠的双峰曲线。这里，中心峰之间的距离为12nm。可以看出，等离子体滤波器的数量不够大，EOT带的半宽度较宽，因此双峰未被分解。
图21示出了当将半宽度为60nm、具有高斯函数曲线的带限滤波器放置在图19的等离子体光谱滤波器阵列上作为带限滤波器时，产生的有效滤波器函数的透射光谱。确定带限滤波器的中心波长和半宽度，以便充分地包括要测量的目标光谱的特征形状。
图22是将当使用根据带限滤波器和等离子体光谱滤波器阵列的组合的有效滤波器函数执行信号恢复算法时恢复的目标光谱与原始光谱进行比较的图。可以证实，通过额外将包括要分析的波长带的带限滤波器应用到基于滤波器阵列的分光计，高分辨率信号恢复可变得非常有效。此外，信号恢复处理本身的稳定性也得到了提高。
在该实施例中，当基于形状对光谱分类时将高斯函数滤波器用作带限滤波器，但各种类型的滤波器都可用，诸如洛伦兹函数滤波器、超高斯函数滤波器、平顶矩形滤波器、非对称透射滤波器、和边缘滤波器。
(实施例5)
图23是根据本发明的实施例5的光学装置中的带限滤波器和光谱滤波器的组合结构的概念图。
参照图23，示出了以下情况：在将用于分光计操作的多个光谱滤波器阵列设置为多组的状态下，使用多个带限滤波器组对应于各个光谱滤波器阵列。也就是说，它是这样的结构：在集成在2D阵列光学检测器中的多滤波器阵列组之上组合带限滤波器组。在这种情况下，带限滤波器组之一可以是没有带滤波功能的正常窗口层。利用这种构造，可以在多个波长带中操作高分辨率分光计。如果必要，还可以覆盖分光计的整个工作波长。这种组合导致与实施例1的带限滤波器位于光谱滤波器阵列与光学检测器之间的耦接结构类似的效果。因此，优选根据应用和工艺方便来选择和应用耦接结构。
(实施例6)
图24是根据本发明的实施例6的针对光学装置的多波长区覆盖选择带限滤波器的方法的概念图。
参照图24，将主要描述图24的光学装置与图18的光学装置之间的不同。图24的光学装置是存在多个带限滤波器BPF1、BPF2、BPF3、……并且它们中的每一个对应于光谱滤波器的结构。例如，通过将所述多个带限滤波器BPF1、BPF2、BPF3、……构造为可按照轮的形式旋转，可选择带限滤波器BPF1、BPF2、BPF3、……之一。利用该构造，具有可选择用于高分辨率操作的多个波长带的效果。
(实施例7)
图25是根据本发明的实施例7的在光学装置中应用可用于波长调谐的带限滤波器的方法的概念图。
参照图25，将主要描述图25的光学装置与图18的光学装置之间的不同。图25的光学装置具有能够改变波长的带限滤波器。这种结构这样的结构：应用单个可调滤波器而不是多带滤波器组的组合，从而简化应用元件结构。
具有可变波长的带限滤波器的示例包括液晶可变带限滤波器和基于MEMS的Fabry-Perot式可变带限滤波器。
(实施例8)
图26至图28示出了用于解释在根据本发明的实施例8的光学装置中互补地使用宽带光谱滤波器阵列和窄带带限滤波器的方法的计算示例。也就是说，光谱滤波器阵列本身可以负责恢复覆盖整个宽带工作波长范围并且具有低分辨率形状的目标光谱，并且可以通过与窄带带限带滤波器的组合仅负责特定区中的高分辨率操作。
图26是将图20的非常尖锐的双峰与将目标光谱配置为具有64nm的相对宽的半宽度的高斯峰的视图的混合与仅具有图19的光谱滤波器阵列的信号恢复的光谱进行比较的曲线图。可以看出，虽然具有非常窄的半宽度和间隙的双峰没有被分解，但是相对宽的高斯峰曲线被很好地重构。
图27示出了在将图21的带限滤波器与图21的EOT型光谱滤波器阵列组合的过程中，将光谱滤波器阵列的光谱包括在有效滤波器函数的光谱中的示例。当使用这种有效滤波器函数时，如图28所示，可以同时执行特定波长带中的高分辨率重建和任意波长带中的低分辨率光谱重建。换句话说，通过光谱滤波器阵列执行恢复可为有效的，而不管具有适当线宽和平缓曲线的目标光谱的存在于哪个波长带。
(实施例9)
图29至图32示出了计算示例，其示出了根据本发明的光学装置即使在中红外波段中也以相同的方式工作。图29示出了由具有周期性晶格结构的Au纳米盘阵列构成的等离子体滤波器在3μm至10μm的中红外波长带中计算的阻带透射光谱的分布。当在Si衬底上具有六边形晶格结构的50nm厚的圆形Au盘阵列固定在50％的占空比时，其为通过从1μm至3μm以40nm为间隔改变周期而计算的透射光谱。
图30是将在使用图29所示的光谱滤波器阵列恢复目标光谱的过程中通过应用信号恢复算法恢复的恢复后的光谱与原始光谱进行比较的曲线图。假设目标光谱为两个半宽度为100nm的高斯峰间隔150nm的双峰曲线。可以看出，所用的等离子体滤波器数量仅为51，中红外波段的半宽度也非常宽，因此双峰未被分解，并且信号恢复能力低。
图31示出了当具有500nm的半宽度的高斯峰值函数与带限滤波器一起应用时产生的有效滤波器函数的透射光谱。图32是将当使用根据带限滤波器和等离子体光谱滤波器阵列的组合的有效滤波器函数执行信号恢复算法时恢复的目标光谱与原始光谱进行比较的图。像可见光至近红外波段那样，可以确认，光谱滤波器阵列和带限滤波器的组合可以在中红外波段非常有效地执行高分辨率信号恢复。
(实施例10)
图33是用于解释其中根据本发明的实施例的将图像传感器和光谱传感器集成在一起的情况的概念图。
参照图33，将图像传感器区A和光谱传感器区B集成在同一衬底上，并且分别形成在空间上分离的区中。例如，它显示了这样的情况：其中至少一部分工艺在诸如硅衬底的衬底上或在衬底内部一起进行，使得最终产品在同一衬底上一起形成。尽管图33示出在图像传感器区A和光谱传感器区B之间添加单独的分离区域，但这不是必须的。通过使用绝缘膜等将图像传感器区A和光谱传感器区B电分离和物理分离。还可以布置各种电路部件等，以构成分离区域。
图像传感器是实现图像功能的传感器，可以表示按照阵列布置单位像素，并且可包括CMOS图像传感器、诸如热像仪的红外图像传感器、CCD、或者1D/2D阵列光学检测器，但是可以优选地是CMOS图像传感器。
通常，由于对Si基图像传感器利用380nm至1100nm的波长进行操作、对Ge利用780nm至1800nm的波长进行操作、对InGaAs传感器利用500nm至2500nm的波长进行操作、对MCT(HgCdTe)传感器利用2微米至12微米或更长进行操作，所以光谱滤波器应该覆盖该区域，但是根据光谱传感器的结构和性能也可以覆盖更窄或更宽的区域，使得光谱滤波器的波长带也可以被设计和制造成相应地减小或增加。
另一方面，图33示出了光谱传感器区B仅设置在图像传感器区A的一侧。然而，在实际实施中，可以是两侧、三侧、四侧等。还可以利用图像传感器的有效像素之外的伪像素来实现光谱传感器。
图34是示出图33的横截面的示例性视图。图像传感器使用CMOS图像传感器作为示例。分别描述了图像传感器区A和光谱传感器区B。当描述图像传感器区A时，光检测区110设置在衬底100上或内部，并且光检测区110包括用于分离每个单位像素的隔离区(未示出)。然后，在光检测区110上设置具有中间电介质和各种电极线的金属布线和绝缘层120。然后，在其上形成R、G和B滤波区130，并在其上形成平坦化层140和微透镜150。
当描述光谱传感器区B时，光检测区110设置在衬底100上或内部，并且光检测区110包括用于分离每个单位像素的隔离区(未示出)。然后，在光检测区110上设置具有中间电介质和各种电极线的金属布线和绝缘层120。然后，在光谱传感器区B中，在金属布线和绝缘层120上设置光谱传感器滤波器。光谱传感器滤波器170包括用于每个单位像素的光谱滤波器172和带限滤波器174。
关于光谱滤波器172，例如，可以应用各种滤波器，这些滤波器不特别限于与CMOS图像传感器的R G B滤色器不同的波长或结构。
光谱滤波器172的示例可包括衍射光栅式、棱镜式、Fabry-Perot式谐振滤波器、包括金属纳米结构阵列或金属纳米孔阵列的等离子体滤波器、基于硅纳米线的滤波器、吸收滤波器、谐振波导谐振模式类型的滤波器、以及使用不受限制的集成光学器件的光学干涉光谱滤波器。在同一申请者的申请2016-0106416、2016-0106422、2016-0110789、2016-0110799和2016-0098456中公开的任何类型的光谱滤波器都可以应用作为光谱传感器区域B中的滤波器。
对于带限滤波器174，尽管在上面的实施例中，使用带限滤波器(见图13、图23和图24)和高斯函数滤波器，但是也可以使用各种类型的滤波器，例如洛伦兹函数滤波器、超高斯函数滤波器、平顶矩形滤波器、非对称透射滤波器、以及具有长波通过滤波器和短波通过滤波器的边缘滤波器。另外，如图9和图10所示，可以使用RGB滤波器。稍后将对此进行说明。
如果带限滤波器174选择性地透射光而不受任何特定限制，则其可用作带限滤波器174。例如，可使用染料色散滤色器、Fabry-Perot式透射带滤波器、等离子体滤波器(金属纳米孔阵列、金属纳米结构等)、金属和电介质GMR滤波器、可调谐滤波器(例如，基于液晶或基于MEMS的可变滤波器等)等。
另一方面，单独的微透镜180可不形成在形成在光谱传感器区B中的光谱传感器滤波器170上，或者可以形成在其上。
还可以在光谱传感器滤波器170和金属化和绝缘层120之间或在光谱传感器滤波器170上方形成额外的膜。例如，可以在光谱传感器滤波器170和金属布线和绝缘层120之间添加诸如平坦化膜、保护膜、天然氧化物膜等的隔离层，并且可以在光谱传感器滤波器170上添加诸如氧化硅膜、氮化硅膜或介电膜的钝化膜。
另一方面，光谱传感器滤波器170的每个单位像素所覆盖的波长带可以是不同的，或者可以是彼此相同的，以便区分信号和噪声。带限滤波器172的主要特征在于，整个光谱滤波器172包括要被捕获的波长带的一部分。
在数据处理中，如上所述，滤波器函数的形状改变为长矩阵形式，从而获得分解度的增益。这对应于包括实施例和数据的参照图9至图13的详细描述。
描述实施方式。根据实施例，假设要通过光谱传感器区B中的光检测区检测的波长区为约300nm至约1100nm，并且光谱滤波器被构造为通过几nm或几十nm过滤整个区。当以10nm为单位构造每个光谱滤波器时，可构造80个光谱滤波器，它们过滤不同波长：从300nm到310nm、310nm到320nm、…、1090nm到1100nm。在这种情况下，带限滤波器被构造为波长带小于300nm至1000nm的波长带。例如，每个带限滤波器可使用带为300nm至500nm的滤波器，该带小于300nm至1100nm。此外，与200nm至500nm一样，光谱传感器滤波器可被构造为具有约300nm至约1100nm的波长范围，并且在这种情况下，即使带限滤波器中包括300nm至1100nm范围之外的区，带限滤波器的功能也不受影响。
(实施例11)
图35是用于解释根据本发明实施例的CMOS图像传感器和光谱传感器集成在一起的情况的剖视图。图35对应于图34的详细剖视图。
参照图35，CMOS图像传感器区A和光谱传感器区B包括分离的区，并且集成在同一衬底上。
在描述CMOS图像传感器区A时，在衬底200上设置光检测区210，存在用于在单位像素之间分离每个单位像素的隔离区220，并且设置具有中间电介质和各种电极线的金属布线和绝缘层230。然后，在R、G和B滤波器区250上形成R、G和B滤波器区250，并且与每个R、G和B滤波器区250相对应地形成平坦化层260和微透镜270。
在描述光谱传感器区B时，在衬底200或衬底部分上的光检测区210之间存在用于分离每个单位像素的隔离区220，并且设置具有中间电介质和各种电极线的金属布线和绝缘层230。然后，在光谱传感器区B中，光谱传感器滤波器F1、F2、…设置在金属布线和绝缘层230上。关于光谱滤波器滤波器F1、F2、…，为每个单位像素提供光谱滤波器阵列290，带限滤波器_1、…、带限滤波器_n 280。
光谱滤波器阵列290的优选波长带基本上覆盖了可以由光敏层的传感器检测的整个波长区域，但是对于特殊应用，也可以将波长范围限制为大于传感器范围。带限滤波器_1、…、带限滤波器_n 280包括要由整个光谱滤波器检测的波长带的一部分。
根据实施例，假设要通过光谱图像传感器区B中的光检测区检测的波长区为约300nm至约1000nm，并且光谱滤波器被构造为通过几nm或几十nm过滤整个区。当以10nm为单位构造每个光谱滤波器时，可构造70个光谱滤波器，它们过滤不同波长：从300nm到310nm、310nm到320nm、…、990nm到1100nm。在这种情况下，带限滤波器被构造为波长带小于300nm至1000nm的波长带。例如，当CMOS图像传感器的检测部分是300nm到1000nm时，带限滤波器可以由间隔为300nm到100nm的七个带通滤波器构成。诸如等离子体滤波器的各种滤波器可用作带通滤波器。根据另一实施例，当现有RGB滤波器被直接用作带限滤波器时，RGB滤波器可原样用在700nm或700nm以上的部分中。在用于测量700nm或700nm以上的部分的光谱滤波器中，可以配置两到三个带通滤波器。显然，带通滤波器不限于诸如等离子体滤波器的各种滤波器。
同时，尽管在图35中示出了为带限滤波器_1、…、带限滤波器_n 280上的每个单位像素设置了光谱滤波器阵列290，但是可在光谱滤波器阵列290上形成带限滤波器_1、…、带限滤波器_n 280。图36是示出在光谱滤波器阵列290上形成带限滤波器_1、…、带限滤波器_n 280的情况的图。如上所述，带限滤波器和光谱滤波器的堆叠顺序在功能上没有差别。
(实施例12)
图37是用于解释根据本发明的另一实施例的CMOS图像传感器和光谱图像传感器集成在一起的情况的剖视图。
当描述CMOS图像传感器区A时，光检测区310设置在衬底300上或衬底内，存在用于在单位像素之间分离每个单位像素的隔离区320，并且设置具有中间电介质和各种电极线的金属布线和绝缘层330。然后，在R、G和B滤波器区350上形成R、G和B滤波器区350，并与每个R、G和B滤波器区250相对应地形成平坦化层360和微透镜370。
在描述光谱传感器区B时，在衬底300或衬底部分上的光检测区310之间存在用于分离每个单位像素的隔离区320，并且设置具有中间电介质和各种电极线的金属布线和绝缘层330。
当主要解释与图36的区别时，关于光谱传感器滤波器F1、F2、…，针对每个单位像素设置光谱滤波器阵列390和带限滤波器_1、…、带限滤波器_n 380，但是利用CMOS图像传感器的滤色器实现带限滤波器380。如果整个光谱滤波器具有要检测的300nm至700nm或300nm至1100nm的波长带，则设置在带限滤波器380中的CMOS图像传感器的滤色器可为R、G和B中的任何一个，其是要由整个光谱滤波器检测的波长带的部分波长区，当然，也可以使用其他类型的滤色器。
在可见光区的情况下，带限滤波器可使用常规RGB滤波器，并且还可以根据应用目的使用红外滤波器、红外-可见光混合滤波器、和除RGB滤色器之外的可见光滤波器。带限滤波器和光谱滤波器的上下次序无关紧要。
图38至图40是示出图37的光谱传感器滤波器F1、F2和F3的示例的示图。如图38至图40所示，为了便于解释，示出三个R、G和B滤色器的情况作为示例。
单位光谱滤波器F1和F2中的每一个具有光谱滤波器阵列390和滤色器R、G和B380。图38和图39示出了光谱滤波器阵列390形成在滤色器R、G和B 380上的情况。图40示出了滤色器R、G和B 380形成在光谱滤波器阵列390上的情况。
光谱滤波器阵列390由三个单位光谱滤波器构成，每个光谱滤波器例示了通过周期性地布置压花形状的金属图案的结构来实现滤波的滤波器。根据实施例，由于与单位光谱滤波器F1不同的单位光谱滤波器的周期具有不同的用于滤波的频率，因此它们被不同地配置，并且它们的占空比D/P被相同地配置。每个单位光谱滤波器的占空比优选地为30％至80％。
图38示出了在滤色器R、G和B 380上直接形成光谱滤波器阵列390的情况，图39示出了在滤色器R、G和B 380上形成单独的平坦化层800和在平坦化层800上形成光谱滤波器阵列390的情况。另一方面，如图40所示，在光谱滤波器阵列390上形成平坦化层810，以及在平坦化层810上形成滤色器R、G和B 380。
图41是用于解释根据本发明的另一实施例的CMOS图像传感器和光谱传感器集成在一起的情况的剖视图。
当描述CMOS图像传感器区A时，光检测区210设置在衬底300或衬底部分上，存在用于在单位像素之间分离每个单位像素的隔离区320，并且设置具有中间电介质和各种电极线的金属布线和绝缘层330。然后，在R、G和B滤波器区350上形成R、G和B滤波器区350，并且与每个R、G和B滤波器区250相对应地形成平坦化层360和微透镜370。
当描述光谱传感器区B时，在衬底300或衬底部分上的光检测区310之间存在用于分离每个单位像素的隔离区320，并且设置具有中间电介质和各种电极线的金属布线和绝缘层330。然后，在光谱传感器区B中，光谱传感器滤波器F1、F2、……设置在金属布线和绝缘层330上。关于光谱滤波器滤波器F1、F2、……，针对每个单位像素设置光谱滤波器阵列390，带限滤波器_1、……、和带限滤波器_n 380。
当主要解释与图35的不同时，在光谱传感器区B中形成的光谱传感器滤波器F1、F2、……的像素大小与CMOS图像传感器区A的像素大小不同。可以以与CMOS图像传感器区A的光检测区不同的尺寸制造光谱传感器滤波器F1、F2、……的每个光检测区。
光谱传感器滤波器F1、F2、……的每个光检测区的宽度L2被示出为比图像传感器区A的每个光检测区的宽度L1更宽。应该理解，这是将光谱传感器滤波器F1、F2、……的每个光检测区中的光入射区设计为大于图像传感器区A的每个光检测区的光入射区的情况的示例。
在光谱传感器滤波器F1、F2、…的情况下，由于它们过滤比R、G和B滤波器更精细的波长区，所以相对光强度可以较低，从而能够用图41所示的构造来补偿其相当大的一部分。
同时，如果必要，光谱传感器滤波器F1、F2、……的每个光检测区的大小还可被构造为小于或等于CMOS图像传感器区A的光检测区的像素大小。
(实施例12)
图42是用于解释根据本发明的另一实施例的CMOS图像传感器和光谱图像传感器集成在一起的情况的剖视图。
当描述CMOS图像传感器区A时，光检测区410设置在衬底400上或衬底内，存在用于在单位像素之间分离每个单位像素的隔离区420，并且设置具有中间电介质和各种电极线的金属布线和绝缘层430。然后，在R、G和B滤波器区450上形成R、G和B滤波器区450，并且与每个R、G和B滤波器区250相对应地形成平坦化层460和微透镜470。
当描述光谱传感器区B时，在衬底400上或衬底部分内的光检测区410之间存在用于分离每个单位像素的隔离区420，并且设置具有中间电介质和各种电极线的金属布线和绝缘层430。
另一方面，光谱传感器区B设有可见光光谱区B1和红外光谱区B2。关于可见光光谱区B1的光谱传感器滤波器B1F1，B1F2、……，针对每个单位像素设置光谱滤波器阵列490和滤色器480。可见光光谱区B1的光谱传感器滤波器B1F1、B1F2、……执行用于检测可见光的波长带的功能。关于可见光光谱区B2的光谱传感器滤波器B2F1、B2F2、……，针对每个单位像素设置光谱滤波器阵列495和滤色器485。
如图42所示，虽然平坦化层460和微透镜470设置在可见光光谱区B1和红外光谱区B2二者中，但是根据需要，还可从可见光光谱区B1或红外光谱区B2去除平坦化层460，或者从二者去除平坦化层460。同样地，还可从可见光光谱区B1和红外光谱区B2的一部分去除微透镜470和平坦化层460，或者从二者去除它们。
根据实施例，假设要通过光谱传感器区B中的光检测区检测的波长区为约300nm至约1100nm，并且光谱滤波器被构造为通过几nm或几十nm过滤整个区。当以10nm为单位构造每个光谱滤波器时，可构造80个光谱滤波器，它们过滤不同波长：从300nm到310nm、310nm到320nm、…、1090nm到1100nm。在这种情况下，关于带限滤波器，R、G和B滤色器可在可见光光谱区B1中执行的角色，并且可将具有单独的红外波段的带限滤波器加至红外光谱区B2中。例如，在这种情况下，红外波段限滤波器495可为透射红外波段中的700nm至1100nm带的滤波器，并且可为将所述带分为多个带的滤波器，以过滤红外区中的不同波长带(例如，700nm至1100nm的带或者700nm至1100nm或更以上的带)。
上述滤波器不限于上述实施例的构造和方法，但是可通过将实施例中的全部或一些选择性地组合来构造实施例，从而各种修改都是可以的。本领域技术人员应该清楚，在不脱离本发明的范围和基本特征的情况下，可以以不同的特定形式指定本发明。因此，上述详细描述应被视为说明性的，而非限制性的。本发明的范围应仅通过对权利要求的合理解释来确定，以便包括所有这种修改和等同物。

Claims (20)

1.一种光学装置，包括：
衬底，其包括图像传感器区域、光谱传感器区域、以及将所述图像传感器区域和所述光谱传感器区域横向地分离的分离区域；
在所述衬底上的光学检测区域；
在所述光学检测区域上位于所述图像传感器区域处的滤色器层，所述滤色器层被配置为将入射光过滤为至少R、G和B；
在所述光学检测区域上位于所述光谱传感器区域处的光谱滤波器阵列，所述光谱滤波器阵列包括多个单元光谱滤波器；以及
带限滤波器，其设置在入射至所述光谱滤波器阵列的光信号的路径上，
其中，所述光谱滤波器阵列被配置为吸收或反射特定波长区域的光，并且
其中，所述带限滤波器被配置为选择性地透射比被设计为要通过所述光谱滤波器测量的波长区域更窄的波长区域的光。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光谱滤波器阵列和所述带限滤波器堆叠，并且所述光谱滤波器阵列设置在所述光谱传感器区域上的所述带限滤波器上。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光谱滤波器阵列和所述带限滤波器堆叠，并且所述带限滤波器设置在所述光谱传感器区域上的所述光谱滤波器阵列上。
4.根据权利要求1所述的光学装置，还包括：
平坦化层，其覆盖所述图像传感器区域上的所述滤色器层，并且覆盖所述光学检测区域上的所述光谱滤波器阵列和所述带限滤波器，以及
微透镜，其在所述平坦化层上。
5.根据权利要求4所述的光学装置，其中，整个所述光谱滤波器阵列与所述微透镜中的一个竖直地重叠。
6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光学检测区域包括：
对应于微透镜的光电二极管，所述光电二极管中的每一个被配置为单位像素；以及
隔离区域，其分离每个光电二极管。
7.根据权利要求6所述的光学装置，其中，所述光电二极管中的一个与所述光谱滤波器阵列和所述带限滤波器竖直地对准。
8.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述单元光谱滤波器中的每一个包括具有预定形状的周期性布置的金属图案。
9.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光学检测区域包括：
第一光检测区域，其被配置为通过多个第一单位像素检测通过所述滤色器层的光学信号；以及
第二光检测区域，其被配置为通过多个第二单位像素检测通过所述光谱滤波器阵列的光学信号，
其中，所述第一光检测区域和所述第二光检测区域包括不同尺寸的光检测像素。
10.根据权利要求9所述的光学装置，其中，所述第一光检测区域和所述第二光检测区域是CMOS图像传感器的光检测器的一部分。
11.根据权利要求10所述的光学装置，其中，所述光谱传感器区域的所述光谱滤波器阵列的分析波长在300nm至1100nm的范围内。
12.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述带限滤波器包括多个单位带限滤波器，所述多个单位带限滤波器被配置为选择性地透射不同波长区域的光。
13.根据权利要求12所述的光学装置，还包括：单位带限滤波器，所述单位带限滤波器包括R、G和B滤色器中的一个或多个。
14.根据权利要求12所述的光学装置，其中，所述多个单位带限滤波器选择性地透射700nm至1100nm内的特定区域的光。
15.一种光学装置，包括：
图像传感器区域，其包括被配置为过滤入射光的滤色器层和被配置为检测通过所述滤色器层的光学信号的第一光检测区域；
光谱传感器区域，其包括被配置为测量目标对象的光谱的光谱滤波器阵列、具有比要通过所述光谱滤波器阵列测量的工作波长带更窄的波长区域的带限滤波器、以及被配置为检测通过所述光谱滤波器阵列和所述带限滤波器的光学信号的第二光检测区域；
平坦化层，其覆盖所述图像传感器区域上的所述滤色器层，并且覆盖所述光谱传感器区域上的所述光谱滤波器阵列和所述带限滤波器；以及
微透镜，其在所述平坦化层上。
16.根据权利要求15所述的光学装置，还包括在所述图像传感器区域与所述光谱传感器区域之间的额外分离区域，
其中，所述分离区域将所述图像传感器区域和所述光谱传感器区域横向地分离。
17.根据权利要求15所述的光学装置，其中，所述光谱滤波器阵列和所述带限滤波器堆叠，并且所述光谱滤波器阵列设置在所述光谱传感器区域上的所述带限滤波器上。
18.根据权利要求15所述的光学装置，其中，所述光谱滤波器阵列和所述带限滤波器堆叠，并且所述带限滤波器设置在所述光谱传感器区域上的所述光谱滤波器阵列上。
19.根据权利要求15所述的光学装置，其中，所述第一光检测区域和所述第二光检测区域包括不同尺寸的光检测像素。
20.根据权利要求15所述的光学装置，其中，整个所述光谱滤波器阵列与所述微透镜中的一个竖直地重叠。
CN202110441177.5A 2016-08-30 2017-07-31 光学模块和使用该光学模块的光学装置 Active CN113161376B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110441177.5A CN113161376B (zh) 2016-08-30 2017-07-31 光学模块和使用该光学模块的光学装置

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20160110799 2016-08-30
KR10-2016-0110799 2016-08-30
KR10-2017-0053895 2017-04-26
KR1020170053895A KR102255789B1 (ko) 2016-08-30 2017-04-26 광학모듈 및 이를 이용한 광학디바이스
CN202110441177.5A CN113161376B (zh) 2016-08-30 2017-07-31 光学模块和使用该光学模块的光学装置
CN201780053153.4A CN109642989B (zh) 2016-08-30 2017-07-31 光学模块和使用该光学模块的光学装置
PCT/KR2017/008258 WO2018043926A1 (ko) 2016-08-30 2017-07-31 광학모듈 및 이를 이용한 광학디바이스

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780053153.4A Division CN109642989B (zh) 2016-08-30 2017-07-31 光学模块和使用该光学模块的光学装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113161376A CN113161376A (zh) 2021-07-23
CN113161376B true CN113161376B (zh) 2024-05-28

Family

ID=61726594

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780053153.4A Active CN109642989B (zh) 2016-08-30 2017-07-31 光学模块和使用该光学模块的光学装置
CN202110441177.5A Active CN113161376B (zh) 2016-08-30 2017-07-31 光学模块和使用该光学模块的光学装置

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780053153.4A Active CN109642989B (zh) 2016-08-30 2017-07-31 光学模块和使用该光学模块的光学装置

Country Status (3)

Country Link
US (2) US10989847B2 (zh)
KR (1) KR102255789B1 (zh)
CN (2) CN109642989B (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6878111B2 (ja) * 2017-04-21 2021-05-26 ソニーモバイルコミュニケーションズ株式会社 固体撮像装置及び情報処理装置
CN112087559B (zh) * 2019-06-13 2021-11-30 华为技术有限公司 图像传感器、图像拍摄装置和方法
US11404468B2 (en) 2019-06-21 2022-08-02 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Wavelength tunable narrow band filter
KR20210014491A (ko) * 2019-07-30 2021-02-09 삼성전자주식회사 광 필터 및 이를 포함하는 분광기
CN110346313A (zh) * 2019-07-31 2019-10-18 清华大学 一种光调制微纳结构、微集成光谱仪及光谱调制方法
CN110690846B (zh) * 2019-09-29 2022-01-28 西南大学 一种基于倾斜硅纳米线的光热电转换器件
KR102362278B1 (ko) * 2019-11-08 2022-02-11 한국과학기술원 다중 공진 모드를 가지는 가변 분광 필터를 포함하는 분광 장치, 그리고 이의 분광 정보 획득 방법
US11303827B2 (en) * 2020-04-27 2022-04-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Optical device for a thermal sensor and a hybrid thermal sensor
US11391623B2 (en) * 2020-05-28 2022-07-19 Richard H. Vollmerhausen Enhanced light detector
EP3933461A3 (en) * 2020-07-02 2022-03-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Spectral filter, and image sensor and electronic device including the spectral filter
JPWO2022044692A1 (zh) * 2020-08-24 2022-03-03
CN117310862B (zh) * 2023-11-30 2024-02-20 长春理工大学 一种红外波段周期性微纳滤光片及其设计方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101124462A (zh) * 2004-10-25 2008-02-13 Rp风险技术有限公司 多光谱和超光谱成像***
CN101889346A (zh) * 2007-12-11 2010-11-17 （株）赛丽康 带有光谱传感器的图像传感器
CN102741671A (zh) * 2009-11-30 2012-10-17 Imec公司 用于光谱成像***的集成电路
WO2013064511A1 (en) * 2011-11-04 2013-05-10 Imec Spectral camera with integrated filters and multiple adjacent image copies projected onto sensor array
CN103733340A (zh) * 2011-07-28 2014-04-16 索尼公司 固体摄像元件和摄像***
CN105514132A (zh) * 2014-10-08 2016-04-20 全视技术有限公司 具有信号分离的颜色滤波器阵列的双模图像传感器及其方法

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1481226A2 (en) * 2002-03-06 2004-12-01 Advanced Photometrics, Inc. Method and apparatus for radiation encoding and analysis
JP2008191144A (ja) * 2007-01-11 2008-08-21 Japan Aerospace Exploration Agency 光学式分光偏光計測装置
KR101356698B1 (ko) 2007-10-01 2014-01-29 삼성전자주식회사 화소 간 크로스토크의 영향을 저감하는 이미지 센서, 컬러필터 어레이, 및 촬상 장치
KR101165720B1 (ko) * 2008-11-18 2012-07-18 한국전자통신연구원 휴대용 광바이오 센서 측정 장치 및 그 측정 방법
JPWO2010137174A1 (ja) * 2009-05-29 2012-11-12 トヨタ自動車株式会社 移動体用スペクトル測定装置
FR2960654B1 (fr) * 2010-05-27 2012-06-15 Commissariat Energie Atomique Filtre optique propre a traiter un rayonnement d'incidence variable et detecteur comprenant un tel filtre
JP5752423B2 (ja) * 2011-01-11 2015-07-22 富士フイルム株式会社 分光計測システムおよび分光計測システムの作動方法
US9013691B2 (en) 2012-01-29 2015-04-21 Ramot At Tel-Aviv University Snapshot spectral imaging based on digital cameras
KR101423964B1 (ko) * 2012-07-20 2014-07-31 광주과학기술원 분광계의 광 신호 처리 방법 및 그 장치
CN104969000A (zh) 2012-08-13 2015-10-07 哈佛大学校长及研究员协会 使用硅纳米线的多光谱成像
CN113472989A (zh) 2012-11-28 2021-10-01 核心光电有限公司 多孔径成像***以及通过多孔径成像***获取图像的方法
KR101444263B1 (ko) 2012-12-04 2014-09-30 (주)실리콘화일 분광특성이 강화된 적외선 픽셀을 구비한 씨모스 이미지센서 및 그 제조방법
JP6244945B2 (ja) 2014-01-29 2017-12-13 セイコーエプソン株式会社 電子機器
CN105092028B (zh) 2014-05-06 2018-05-11 杭州远方光电信息股份有限公司 一种图像光谱测量装置
US10540074B2 (en) 2014-05-28 2020-01-21 Huawei Technologies Co., Ltd. Method and terminal for playing media
CN104142178B (zh) 2014-07-24 2016-02-03 南京邮电大学 基于滤波膜阵列的光谱测量装置及方法
KR102227979B1 (ko) 2014-08-26 2021-03-15 삼성전자주식회사 초소형 분광기 및 이를 적용한 장치
KR101684514B1 (ko) 2015-03-02 2016-12-08 현대자동차 주식회사 NOx 배출 저감을 위한 리치 제어 방법
KR20160106416A (ko) 2015-03-02 2016-09-12 고광민 공작기계용 공작물 길이조절구조
KR102108344B1 (ko) 2015-03-11 2020-05-18 (주)링크일렉트로닉스 Led 램프에서의 부하단락을 검출하는 회로 및 방법
KR20160110789A (ko) 2015-03-12 2016-09-22 주식회사 이뮤너스 락토바실러스 플란타룸 ｆｇｌ０００１ 및 이를 이용한 어류의 면역 증진 방법
CN105157835A (zh) 2015-09-15 2015-12-16 中国科学院光电研究院 一种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法和光谱成像仪
CN105509886B (zh) 2015-11-26 2017-08-25 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 基于电控液晶的像素化光谱仪

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101124462A (zh) * 2004-10-25 2008-02-13 Rp风险技术有限公司 多光谱和超光谱成像***
CN101889346A (zh) * 2007-12-11 2010-11-17 （株）赛丽康 带有光谱传感器的图像传感器
CN102741671A (zh) * 2009-11-30 2012-10-17 Imec公司 用于光谱成像***的集成电路
CN103733340A (zh) * 2011-07-28 2014-04-16 索尼公司 固体摄像元件和摄像***
WO2013064511A1 (en) * 2011-11-04 2013-05-10 Imec Spectral camera with integrated filters and multiple adjacent image copies projected onto sensor array
CN105514132A (zh) * 2014-10-08 2016-04-20 全视技术有限公司 具有信号分离的颜色滤波器阵列的双模图像传感器及其方法

Also Published As

Publication number Publication date
US11703621B2 (en) 2023-07-18
KR20180025137A (ko) 2018-03-08
CN109642989B (zh) 2021-05-07
KR102255789B1 (ko) 2021-05-26
US20210215863A1 (en) 2021-07-15
US20190025482A1 (en) 2019-01-24
CN109642989A (zh) 2019-04-16
US10989847B2 (en) 2021-04-27
CN113161376A (zh) 2021-07-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113161376B (zh) 光学模块和使用该光学模块的光学装置
EP2884548B1 (en) Embedded optical sensors using transverse Fabry-Perot resonators as detectors
US9157800B2 (en) System and method for assessing analytes using conformal filters and dual polarization
US7759644B2 (en) Spectrally tunable infrared image sensor having multi-band stacked detectors
CN109642822B (zh) 光谱仪和利用其的光谱测量方法
US10050075B2 (en) Multi-layer extraordinary optical transmission filter systems, devices, and methods
US20150035110A1 (en) Pyroelectric aluminum nitride mems infrared sensor with selective wavelength infrared absorber
US10012541B2 (en) Optical filter element for devices for converting spectral information into location information
US10288479B2 (en) Optical device including slot and apparatus employing the optical device
DE112018001963T5 (de) Festkörperbildgebungsvorrichtung
EP3204739B1 (de) Vorrichtung zur spektrometrischen erfassung von licht mit einer photodiode, die monolithisch in die schichtstruktur eines wellenlängenselektiven filters integriert ist
US11719951B2 (en) Polarization spectral filter, polarization spectral filter array, and polarization spectral sensor
US20020117658A1 (en) Multi-quantum-well infrared sensor array in spatially-separated multi-band configuration
EP4092397A1 (en) Optical filter array, optical detection device, and optical detection system
US20200271516A1 (en) Optical sensing device and method for manufacturing an optical sensing device
US20160254309A1 (en) Imaging apparatus
US20180308888A1 (en) Narrowband Light Filters
Venettacci et al. Algorithm-based spectrometer exploiting colloidal PbS quantum dots
US8537457B1 (en) Plasmonic correlation spectrometer
EP4279885A1 (en) A light sensor and a method for manufacturing a light sensor
US11435230B2 (en) Methods for spectral mapping
Shakya et al. High-Fidelity Visible-Light Spectroscopy using Aluminum Plasmonic Grating Filter Array
JP2016061806A (ja) 光学フィルター及び撮像素子
Ueno et al. Infrared multispectral imaging with silicon-based multiband pass filter and infrared focal plane array
KR20190076912A (ko) 표면 플라스몬을 이용한 분광기

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant