光学装置及其制作方法、光谱分析方法、滤光器与流程

本技术涉及光谱分析，特别涉及一种光学装置及其制作方法、光谱分析方法、滤光器。

背景技术：

1、光谱分析是通过检测物质的特征吸收或发射光谱等，对物质的种类、成分和其他化学成分及含量进行监测的检测手段，被广泛应用于军事、工业、农业和医学等领域。光谱仪是光谱分析技术中的常用仪器。

2、相关技术中，光谱仪包括光学传感器和滤光层。滤光层包括多个像素，每个像素包括多个子像素，每个子像素均为一个窄波长的滤光片。每个像素中的不同子像素对应不同的波长。

3、在一定的光强下，窄波长的滤光片的光通量较低，因此需要光学传感器的灵敏度较高，否则容易带来较大的噪声，从而导致测量精度较低。

技术实现思路

1、本技术提供了一种光学装置及其制作方法、光谱分析方法、滤光器，能够采用宽光谱材料制作滤光层，有利于降低对光学传感器的灵敏度的要求，提高测量精度。

2、第一方面，提供了一种光学装置。该光学装置包括光学传感器和滤光层，所述滤光层位于所述光学传感器上。所述滤光层包括阵列布置的多个像素，所述多个像素中的第一像素包括n个子像素，n为整数且n大于1。所述n个子像素包括第一子像素和第二子像素，所述第一子像素采用第一材料制成，所述第二子像素采用第二材料制成。所述第一材料在第一波长范围内的第一透射光谱和所述第二材料在第一波长范围内的第二透射光谱不同，且所述第一材料和所述第二材料的光谱调制范围均覆盖所述第一波长范围，所述第一波长范围为所述光学装置的工作波长范围或者所述工作波长范围的子区间。

3、在本技术实施例中，材料的光谱调制范围是指，材料的吸光度或者透射率随着波长的变化而变化的波长范围，而在该波长范围之外，材料的吸光度或者透射率基本不随波长变化，这样，当光通过该材料制成的子像素时，该子像素能够基于波长对光强进行调制。

4、由于本技术实施例提供的光学装置中，所述第一材料和所述第二材料的光谱调制范围均覆盖第一波长范围，因此对于第一波长范围内的不同波长均会有不同强度的光通过第一材料制成的第一子像素和第二材料制成的第二子像素。与采用窄波长的滤光片作为滤光层的子像素时每个子像素仅允许对应波长的光通过的情况相比，该光学装置中的子像素的光谱调制范围较宽，在一定的光强照射下，子像素对应的光通量较大，光学传感器容易接收并测量通过子像素的光，有利于降低对光学传感器的灵敏度的要求，提高测量精度。

5、可选地，所述第一透射光谱与所述第二透射光谱的正交性在70度～90度之间。当第一透射光谱和第二透射光谱的正交性在该范围时，表示第一透射光谱和第二透射光谱的不相关性较高。即第一子像素和第二子像素对第一波长范围内的光的调制方式不同，这样，有利于后续根据光学传感器输出的测量值获得更多的光谱相关的信息，以便于重建光谱。

6、在一种可能的实施方式中，n个子像素中每个子像素的材料均不相同。例如，所述n个子像素中x个子像素的材料不同，且这x个子像素的材料在所述第一波长范围内的透射光谱不同，其中，x为整数，x大于1且x小于或者等于n。所述x个子像素中，两个子像素之间的相关性与所述两个子像素之间的间隔子像素数量负相关，所述间隔子像素属于所述x个子像素。

7、当x等于n时，该第一波长范围为光学装置的工作波长范围。当x小于n时，该第一波长范围为光学装置的工作波长范围的一个子区间。这种情况下，光学装置的工作波长范围还包括第二波长范围。这n个子像素中还存在y个子像素采用光谱调制范围覆盖该第二波长范围的材料制成。且这y个子像素在第二波长范围内的透射光谱各不相同。所述y个子像素中，两个子像素之间的相关性与所述两个子像素之间的间隔子像素数量负相关，同样地，这里的间隔子像素属于所述y个子像素。

8、在另一种可能的实施方式中，n个子像素中存在少量子像素的材料相同。例如透光率较低的子像素在一个子像素中可以有多个。在一些示例中，所述n个子像素包括p个第三子像素和q个第四子像素，所述第三子像素的透光率大于所述第四子像素的透光率，p和q均为正整数，且p小于q，p与q之和小于n。对于透光率较低的第四子像素，可以增加该第四子像素的数量，从而增加该第四子像素的光通量，有利于降低噪声，进一步提高测量精度。

9、可选地，所述q个第四子像素中q-1个第四子像素位于所在像素的最边缘；或者，所述q个第四子像素集中分布在所述n个子像素中，或者，所述q个第四子像素分散在所述n个子像素中。

10、可选地，所述n个子像素中任一子像素采用非荧光材料制成。由于荧光材料自身的荧光特性，会在测量过程中引入较大的误差，从而影响测量精度，因此，本技术实施例中子像素采用非荧光材料制作，以提高光学装置的测量精度。

11、可选地，当第一波长范围属于可见光波长范围时，第一子像素和第二子像素的制作材料选自以下材料：丙胺化合物、吲哚鎓碘化物、对甲基苯磺酸盐、金属铬偶氮化合物、醌类化合物和菁类染料。这些材料均为非荧光的有机材料，性质稳定且光谱调制效果较好。

12、可选地，当第一波长范围属于近红外光波长范围时，第一子像素和第二子像素的制作材料选自以下材料：纳米铯钨青铜粉、纳米三氧化二砷(ato)、纳米氧化锰、纳米氧化钴和纳米氧化铬、纳米氧化钛和纳米氧化银。

13、可选地，每个子像素的尺寸小于100微米。子像素尺寸的下限由工艺能力决定，且通常不小于光学传感器中一个感光单元(或者说一个像素点)的尺寸。

14、在一些示例中，所述多个像素与所述光学传感器的表面直接连接。即多个像素直接形成在光学传感器的表面。在另一些示例中，所述滤光层还包括透明基底，所述透明基底具有相对的第一表面和第二表面，所述多个像素位于所述第一表面，所述第二表面与所述光学传感器连接。即先形成滤光层，然后再将滤光层与光学传感器连接。

15、示例性地，光学装置的工作波长范围以下波长范围中的任一种或者至少两种组成的组合范围：可见光波长范围、可见光波长范围的子区间、近红外光波长范围、近红外光波长范围的子区间、近紫外光波长范围和近紫外光波长范围的子区间。

16、可选地，该光学装置包括但不限于光谱仪、视觉传感器、生物识别传感器等。

17、当该光学装置为光谱仪时，该光学装置还可以包括处理器，所述处理器用于根据测量矩阵和所述光学传感器输出的测量值，确定待测光谱，所述测量矩阵包括所述光学传感器在不同波长下的强度响应矩阵。

18、第二方面，提供了一种光学装置的制作方法。所述制作方法包括：第一步、确定子像素制作材料集合，所述子像素制作材料集合包括多种材料；第二步、采用所述多种材料，在光学传感器的表面形成滤光层，得到所述光学装置。滤光层的结构参见第一方面中的相关内容，在此省略详细描述。

19、在一种可能的实施方式中，该第二步可以包括：获得所述多种材料的溶液；采用喷墨打印的方式，依次打印所述多种材料的溶液，以在所述光学传感器的表面形成所述滤光层。

20、可选地，所述采用喷墨打印的方式，依次打印所述多种材料的溶液，以在所述光学传感器的表面形成所述滤光层，存在以下两种情况：

21、第一种、采用喷墨打印的方式，将所述多种材料的溶液依次打印在所述光学传感器的表面；

22、第二种、采用喷墨打印的方式，将所述多种材料的溶液依次打印在透明基底的第一表面；将所述透明基底的第二表面与所述光学传感器的表面相连。

23、可选地，所述确定子像素制作材料集合，包括：

24、从候选材料集合中，根据各材料的透射光谱的正交性，确定所述子像素制作材料集合。

25、可选地，所述方法还包括：将x个子像素按照与参考子像素之间的相关性进行排序，所述相关性用于指示子像素的材料与参考子像素的材料的吸收光谱曲线的相似程度；根据所述相关性确定所述x个子像素的排列方式。

26、第三方面，提供了一种光谱分析方法，该光谱分析方法基于第一方面提供的光学装置实现。该光谱分析方法可以包括：获得测量矩阵，测量矩阵用于指示在滤光层的掩盖下，光学传感器在不同波长下的强度响应矩阵；根据测量矩阵和光学传感器输出的测量值，确定待测光谱。其中，滤光层的结构参见第一方面的相关内容，在此不再详细描述。

27、第四方面，提供了一种滤光器。该滤光器的结构参见第一方面中滤光层的相关内容，在此不再详细描述。