具有空间修改的中心波长的光谱传感器系统的制作方法

具有空间修改的中心波长的光谱传感器系统
1.相关专利的交叉引用
2.不适用
3.背景
技术领域
4.本发明总体上涉及光谱学，并且更具体地说，涉及使用基于干涉的滤波器的光谱传感器。


背景技术：

5.光谱学设备已被证明在各种行业中的应用是有用的，包含例如健康、生物测定、农业、化学和健身等。通常，光谱学设备通过检测和/或采集与多个波长范围有关的入射光并提取光谱信息而起作用。基于干涉的滤波器(诸如fabry
‑
perot滤波器)在与光谱传感器结合使用时，已被证明能够提供受控的光波长。
6.如进一步所知，穿过基于干涉的滤波器的光的角度响应受到各种非理想条件的影响，这可能对给定光谱设备的性能产生负面影响。
附图说明
7.该专利或申请文件含有至少一幅用彩色绘制的图。带彩色图的本专利或专利申请出版物的副本将由专利局根据要求提供，并支付必要的费用。
8.图1a提供了根据本发明的覆盖有滤波器的示例光学传感器的自上而下的表示；
9.图1b提供了根据本发明的覆盖有滤波器的示例光学传感器的自上而下的图示；
10.图2示出了在给定中心波长下对不同入射角的光的示例滤波器响应；
11.图3示出了中心波长(cwl)作为通过透镜的光的入射角的函数的示例偏移；
12.图4a示出了传感器阵列的外边缘处的高主光线角(cra)透镜的效果；
13.图4b示出了根据本发明的具有透镜的传感器上不同位置的示例主角度光线(cra)效应；
14.图4c提供了根据本发明的图像传感器的具有不同腔厚度的相邻fabry
‑
perot滤波器叠层(滤波器)的剖面；
15.图4d提供了根据本发明的覆盖有滤波器阵列的示例光学传感器的侧视图；
16.图4e提供了根据本发明的覆盖有替代滤波器阵列的示例光学传感器的侧视图；
17.图4f示出了根据本发明的具有反向远心设计的透镜系统；
18.图5示出了根据本发明的0
°
和20
°
入射角的准直光的示例滤波器响应；
19.图6a示出了根据本发明的具有9
×
9马赛克的预补偿滤波器阵列布局的示例；
20.图6b示出了根据本发明的滤波器阵列的预补偿导致的滤波器id的偏移；
21.图7a示出了半
‑
半像素的响应，该半
‑
半像素包括具有不同中心波长的2个fabry
‑
perot滤波器；
22.图7b示出了根据本发明的与单个光学传感器相关联的一对相邻干涉滤波器。
23.图7c示出了根据本发明的与单个光学传感器相关联的相邻干涉滤波器对的另一示例，在滤波器和传感器之间结合了中间元件。
24.图8a
‑
8c示出了根据本发明的用于光谱图像传感器的光谱滤波器的滤波器图案；
25.图8d提供了根据本发明的光谱传感器的滤波器马赛克图案的自上而下的图示，该光谱传感器包含大滤波器元件；
26.图8e提供了根据本发明的光谱传感器的另一滤波器马赛克图案的自上而下的图示，该光谱传感器包含形成较大长方形形状的滤波器元件；
27.图8f提供了根据本发明的光谱传感器的滤波器马赛克图案的自上而下的图示，滤波器元件围绕中心滤波器元件形成逐渐变小的环；
28.图9示出了光谱图像传感器的目标或中心像素以及相邻“邻居”像素的示例滤波器响应；
29.图10提供了根据本发明的利用多个像素的示例光谱图像传感器的自上而下的视图，每个像素具有单个滤波器；
30.图11a示出了光学滤波器接收期望中心波长(cwl)的准直光的示例响应；
31.图11b提供了根据本发明的传感器模块的侧面剖视图；
32.图12a提供了根据本发明的使用fabry
‑
perot滤波器的示例传感器系统的侧视图；
33.图12b提供了根据本发明的使用fabry
‑
perot滤波器的示例传感器系统的侧视图，示出了2个不同光源的角度分布；
34.图12c提供了根据本发明的具有光学漫射元件的示例传感器系统的侧视图；
35.图12d示出了根据本发明的传感器系统中漫射元件的散射；
36.图12e示出了根据本发明的利用修改的漫射元件的传感器系统；
37.图12f提供了根据本发明的光谱仪系统的侧视图，示出了基于入射光的入射角的测量中心波长的变化；
38.图12g提供了根据本发明的另一光谱仪系统的侧视图，示出了基于入射光的入射角的测量中心波长的变化；
39.图12h提供了根据本发明的相对于宏像素中心的偏移孔径的自上而下的视图；
40.图12i提供了根据本发明的光谱仪系统的侧视图，示出了与基于干涉的滤波器和孔径相关联的宏像素；
41.图12j提供了根据本发明的12i的示例光谱仪系统的侧视图，示出了具有反射孔径的光传播；
42.图12k提供了根据本发明的另一光谱仪系统的侧视图，示出了与基于干涉的滤波器和孔径相关联的宏像素；
43.图12l提供了根据本发明的另一光谱仪系统的侧视图，示出了与基于干涉的滤波器和孔径相关联的宏像素；
44.图12m和12n提供了根据本发明的光谱仪系统的侧视图，示出了使用透镜来控制在宏像素处接收的入射角；
45.图12o提供了根据本发明的光谱仪系统的侧视图，示出了使用微透镜来控制在宏像素处接收的入射角；
46.图12p提供了根据本发明的另一光谱仪系统的侧视图，示出了使用微透镜来控制在宏像素处接收的入射角；
47.图13a提供了根据本发明的用于阴影补偿的示例光学滤波器布局的自上而下的图示；
48.图13b提供了根据本发明的用于阴影补偿的示例光学滤波器布局的附加自上而下的图示；
49.图14a提供了根据本发明的公共质心光学滤波器布局的4个象限的命名惯例；
50.图14b提供了根据本发明的用于阴影补偿的示例光学滤波器布局的附加自上而下的图示；以及
51.图15提供了根据本发明的用于阴影补偿的示例2
×
3宏像素马赛克光学滤波器布局的附加自上而下的图示。
具体实施方式
52.在各种示例中，光谱图像传感器与干涉滤波器相组合，以提供关于场景和/或光源的光谱信息。在进一步的示例中，基于干涉的滤波器可以使用与光谱图像传感器(诸如cmos传感器)集成的fabry
‑
perot滤波器来实现，以提供小规模的光谱图像传感器系统。在一些示例中，由于性能和/或成本原因，小规模光谱成像系统可以适用于需要具有相对高的主光线角(cra)的透镜的应用。利用高cra透镜的应用的示例包含但不限于智能移动电话、智能手表、身体监视器、校准系统、检查系统和某些工业应用。所谓的“高cra”透镜允许光以斜角出现在干涉滤波器上，这可以有效地在传感器阵列的边缘提供不同于透镜在传感器阵列中心提供的cra。
53.图1a提供了一个光谱传感器的自上而下的表示，在传感器阵列上提供了9个波段的3
×
3图案的滤波器。在该示例中，具有不同中心波长(在表示中表示为不同颜色)的fabry
‑
perot滤波器在光谱传感器上被图案化为在阵列上重复的马赛克结构。在其它示例中，根据分辨率和/或制造要求，3
×
3滤波器图案可以用其它图案替换，诸如2
×
2图案、4
×
4滤波器图案、5
×
5滤波器图案或3
×
4图案等。在一个示例中，3
×
3图案的滤波器提供9种不同的腔厚度，然后在示例传感器阵列上重复这些腔厚度。在图1a的示例中，9个滤波器厚度中的每一个在20
×
27传感器阵列上重复540次。
54.图1b提供了覆盖有滤波器的示例光学传感器的自上而下的图示。在图1b的示例中，9个滤波器厚度中的每一个(图示为滤波器20a
‑
20e等)在传感器10上的12
×
9光学像素阵列上重复12次。
55.在基于图1b的传感器系统中，传感器10的光学像素设置在集成电路上，在光学像素的顶部制造多组干涉滤波器。在一个示例中，一组九(9)个干涉滤波器20a
‑
20i以马赛克图案布置，每个干涉滤波器配置为使不同波长范围的光通过。在一个示例中，每组干涉滤波器与至少一组光学传感器对准，使得每组光学传感器能够感测具有9个通道的局部化带通响应。然后，该组光学传感器和滤波器布置在阵列上重复，使得光学传感器阵列能够提供在图像传感器的不同区域上空间分离的多个测量光谱。如本文所用，单个光学传感器对应于像素(像素＝最小可寻址元件)，其中，像素是光电二极管。因此，“光学传感器”、“光学像素”和“像素”可互换使用。
56.在实施方式和操作的特定示例中，滤波器20a
‑
20i滤波器可以使用不同的图案重复，或者可以以随机图案表示，以便将滤波器响应传递给滤波器阵列下面的传感器。在一个示例(未示出)中，超过3的光谱带可以用于在几乎任何实际配置中根据期望覆盖传感器。在一个相关的示例中，光学传感器10是用于漫射光谱的光谱传感器的示例，其中，光谱滤波器阵列与光学传感器相关联以提供漫射光谱感测。
57.漫射光谱学对照射传感器的光的入射角的均匀性和稳定性可以尤其敏感，因此当照射光谱滤波器表面的光的入射角改变时，照射传感器阵列的光的入射角在相对意义上优选是未调制的。在一个示例中，当滤波器阵列的每个光谱带，诸如滤波器20a
‑
20i(一起构成一组光谱带或光谱)，在传感器阵列的表面上空间分布时，该空间分布会对漫射光学光谱仪的性能产生显著影响。至少部分是由于这样一个事实，即当一个特定的滤波器通过不同强度的光时，照射传感器阵列的重建的光谱将会变形或“着色”。着色的光谱可以通过电子方式进行补偿(校准)，然而，如果通过滤波器的光的均匀性随时间变化，或者如果入射光的cra或角度发生变化，重建的光谱将是不稳定的。在此类示例中，当照射光学传感器的入射光的入射角发生改变时，重建的光谱将看起来具有光谱响应的变化。
58.漫射光学传感器可以受益于照射传感器阵列的光的入射角的变化对传感器的影响的减小，并且受益于确保通过传感器的光的均匀性基本独立于照射传感器阵列的光的入射角。因此，为了给光学传感器提供稳定的滤波器响应，优选限制入射光照射光学传感器的表面的入射角。一种提供稳定的滤波器响应的方法是确保所有的光学传感器以及因此所有的光学滤波器在角度响应中经历基本相同的变化，使得对所有传感器的影响是均匀的。这确保了漫射光谱学的光谱不会经历大量的“重新着色”。
59.在一个实施例中，透镜或透镜系统可以用于准直照射传感器和/或滤波器阵列的光。透镜系统通常需要相对较大的形状因子，尤其是考虑到与光谱滤波器相关联的大的f数(例如f/2或更高)。透镜系统也可以相对较厚，并且需要昂贵的光学叠层。透镜和/或透镜系统可以同样对通过透镜照射到光学传感器上的入射光的入射角和cra的变化敏感，导致通过传感器阵列的角度的不均匀变化。这些角度的不均匀变化会对不同的传感器及其光谱响应产生不同的影响。附加地，由于透镜或透镜系统将必须将入射光聚焦在“场景”的不同部分上，场景的不同部分的属性将被投射到传感器阵列的不同部分上，从而导致非漫射光谱响应。
60.fabry
‑
perot滤波器对输入角敏感。当具有增加的主光线角(cra)的光通过滤波器时，这导致滤波器响应蓝移(其中，蓝移是向更短波长的偏移)。在一阶中，该中心波长(cwl)偏移可以近似为：
[0061][0062]
其中，λ
cwl
是准直正交光下fabry
‑
perot滤波器的中心波长，θ
cra
是准直光的入射角，且n
eff
是fabry
‑
perot腔的有效折射率。图2示出了对中心波长λ
cwl
处不同入射角的光的示例滤波器响应。
[0063]
图3示出了中心波长(cwl)作为通过透镜(即传感器旁边的cra)的光的入射角的函数的示例偏移；如以上所讨论，为诸如移动电话和智能手表之类的成本和/或性能用例设计的示例光谱图像传感器系统可以使用具有高cra的透镜。因此，光谱传感器外边缘处的像素
的cra大于传感器的中心处的cra。因此，传感器阵列外边缘处的像素的cwl相对于传感器阵列中心处的像素的cwl发生偏移。在一个示例中，这导致传感器外边缘的cra偏移超过20度，超过典型的f数，例如f/2。该20度cra将导致图像传感器阵列外边缘上的滤波器的滤波器响应蓝移。因此，如果给定滤波器图案中的所有相关滤波器基本上相同，则传感器外边缘处的像素将显示具有不同中心波长的滤波器的滤波器响应，不同于来自图像传感器中心处相同滤波器的滤波器响应的像素。当使用针孔光学器件时，类似的效果也很明显。
[0064]
图4a示出了高cra传感器系统和低cra传感器系统中传感器阵列外边缘处的光入射角之间的比较。在该示例中，透镜14被示为平行于包含在基板26中的光敏元件28，具有分隔光敏元件28和透镜14的空间。在低cra透镜/透镜系统的示例中，照射传感器的光的入射角受到透镜与传感器之间分离的距离与透镜的cra之间的物理关系的限制。如图所示，低cra透镜导致通过透镜的光的有限入射角，而高cra透镜允许更倾斜角的光投射到传感器上。在该示例中，到达传感器边缘处的光学滤波器22的光具有穿过滤波器的较长路径。高cra透镜有时被描述为呈现“非远心”光学。在呈现远心光学特性的透镜系统中，cra光线(穿过透镜中心的斜光线)分别平行于系统前面或后面的光轴。在非远心光学系统中，高cra光学器件使以斜角进入透镜的光通过，以投射到传感器阵列的边缘。
[0065]
图4b示出了具有透镜的传感器(诸如图4a所示的光谱图像传感器系统)上不同位置的示例主角度光线(cra)效应。在这个示例中，由于透镜以越来越倾斜的角度通过光，有效cra在阵列的极限上“改变”，使得给定的滤波器响应为相同的光波长提供响应的偏移。由于传感器边缘处的较高cra导致的蓝移，对于阵列边界上的cra中心波长(cwl)来说，类似的效应也是明显的。
[0066]
基于光谱图像传感器的光谱图像分析技术包含使用算法(例如化学计量模型)，这些算法依赖于通过滤波器(诸如fabry
‑
perot滤波器)的光的滤波器响应。如上所述，参考图4a和4b，给定的光谱图像传感器可以呈现出与在透镜处并因此在滤波器处接收的光谱的波长偏差，这取决于光谱图像传感器在传感器阵列上的位置。由于这些偏差，依赖于图像传感器数据的光谱算法会/将具有降低的精度，这取决于传感器阵列中特定光谱图像传感器的位置。一般来说，当光接近传感器阵列的边缘时，为在给定中心波长下使用而设计的不同滤波器将呈现出偏移的主光线角(cra)，导致光谱图像传感器系统的光谱响应精度较低。
[0067]
图4c提供了图像传感器(诸如例如，图1b的传感器10)的具有不同腔厚度的相邻fabry
‑
perot滤波器叠层(滤波器)的剖面。如图所示，每个fabry
‑
perot滤波器的中心波长在一阶由其上下反射镜之间的腔厚度决定。在这个示例中，相邻的滤波器20a
‑
20f为像素30提供6个通道的传感器输出。
[0068]
图4d提供了覆盖有滤波器阵列的示例光学传感器的侧视图。在该示例中，接收到的光180通过未修改的滤波器阵列160被导向传感器阵列170。如参考图4a至4c所讨论的，当光接近光学传感器的边缘时，透射通过未修改的滤波器阵列160的滤波器的相同主光线角(cra)的光将呈现出偏移的主光线角(cra)。因此，根据针孔的位置或控制光入射角的透镜系统的效果，未修改的滤波器阵列160对于相同的波长将呈现出偏移响应，如上面参考图4b所讨论的。
[0069]
在实施方式和操作的特定示例中，传感器系统包含布置在集成电路上的光学传感器阵列，光学传感器阵列具有各自的顶表面和布置在具有各自的底表面和各自的顶表面的
阵列中的多个光学滤波器，光学滤波器阵列具有各自的中心部分和各自的外侧部分。在一个示例中，光学滤波器阵列的底表面位于光学传感器阵列的顶表面附近，并且光学滤波器阵列的每个光学滤波器配置为使目标波长范围的光通过，到达光学传感器阵列的一个或多个光学传感器。在一个示例中，光学滤波器阵列的中心部分中的一个或多个光学滤波器配置为提供第一目标波长范围的光，并且阵列的外部中的一组或多组光学滤波器配置为提供第二目标波长范围的光。在该示例中，传感器系统中包含具有相应顶表面和相应底表面的光学元件，光学元件的底表面位于光学滤波器阵列的顶表面上。
[0070]
在一个示例中，光学元件配置为限制穿过其中的光的入射角，并且在相关示例中，根据权利要求2所述的传感器系统，其中，光学元件是孔径设备，诸如针孔或孔径透镜。在另一示例中，传感器的多个光学滤波器配置在多组光学滤波器中，其中，每组光学滤波器包含以图案布置的多个光学滤波器，并且在相关示例中，一组光学滤波器中的一组光学滤波器的至少一些光学滤波器配置为通过不同波长范围的光。
[0071]
在实施方式的另一示例中，光学滤波器阵列中心部分的一组或多组光学滤波器中的每一组以第一图案布置，阵列外部的一组或多组光学滤波器中的每一组以第二图案布置。在一个实施例中，传感器系统适于对场景成像，其中，多个干涉滤波器中的每组干涉滤波器与场景的空间区域相关联。在相关示例中，光学滤波器选自干涉滤波器、吸收滤波器、等离子体滤波器和量子点滤波器组成的组，并且在另一示例中，干涉滤波器包含fabry
‑
perot滤波器。在相关示例中，传感器系统包含与多个光学滤波器相关联的光学传感器阵列的至少一个光学传感器，并且在替代示例中，光学传感器阵列的至少一个光学传感器与一组光学滤波器相关联。
[0072]
图4e提供了覆盖有替代滤波器阵列的示例光学传感器的侧视图。在实施方式和操作的示例中，可以设计滤波器阵列，以通过修改滤波器阵列来补偿或校正高cra透镜的偏移cra。在该示例中，接收到的光180通过修改的滤波器阵列162被导向传感器阵列170。在实施方式的另一示例中，干涉滤波器的马赛克图案，诸如在图像传感器上制造的fabry
‑
perot滤波器，以补偿由于外边缘上的较高cra而引起的蓝移。在该示例中，滤波器阵列可以用预补偿的中心波长来实现。对于fabry
‑
perot滤波器，这可以通过使用具有较厚腔的滤波器来实现。在实施方式的具体示例中，位于传感器边缘的滤波器可以使用例如厚度大几个nm的腔厚度。作为具体示例，对于具有期望的850nm中心波长的滤波器，对于准直输入光，具有增加的腔厚度的滤波器可以具有更大的中心波长，诸如868nm。在该示例中，对于传感器边缘20度的较高cra(由于较高的cra透镜属性)，中心波长将以渐变方式偏移到850nm。
[0073]
图4f示出了具有反向远心设计的透镜系统。在实施方式和操作的示例中，反向远心透镜系统可以提供大视场和低主光线角(cra)，使得通过调整远心设计的元素，对于各种实施方式，诸如例如平均白平衡(awb)的校正，可以模糊图像，同时可以调整以聚焦图像用于高空间分辨率图像捕获。已知，远心透镜提供正交投影，在所有距离上提供相同的放大率。在一个示例中，过于靠近的物体可能仍然失焦，但是所得到的模糊图像可以具有与正确聚焦的图像基本相同的尺寸。在反向远心透镜系统中，远心透镜系统的一个或多个元件被反向，导致光谱滤波器的颜色分布更加均匀。
[0074]
图5示出了0
°
和20
°
入射角时准直光的示例滤波器(例如fabry
‑
perot滤波器)响应。在实施方式的示例中，需要恒定的滤波器中心波长。在示例fabry
‑
perot滤波器制造工
艺中，可以用n个工艺步骤来制造2^n滤波器腔厚度。在实施方式的具体示例中，在利用7个处理步骤的fabry
‑
perot滤波器制造工艺中，可以制造128个不同的滤波器中心波长元件。在实施方式和操作的示例中，可用的128个不同的滤波器中心波长元件可以用于使滤波器阵列适应目标滤波器波长，以集成在光谱图像传感器上，从而为预期的cra偏移预补偿滤波器。
[0075]
在一个示例中，滤波器图案阵列可以在传感器上以径向方式进行预补偿。在另一示例中，图案可以是菱形的。图6a示出了具有9
×
9马赛克的预补偿滤波器阵列布局的示例，其中，每个9个滤波器。在具体的示例中，滤波器的cwl可以在922nm至980nm之间。图6b示出了由滤波器阵列的预补偿导致的滤波器id的偏移，诸如图6b的滤波器阵列布局。
[0076]
在一个示例中，可以利用附加的较高分辨率的滤波器元件。例如，阵列可以在给定的马赛克中利用更多的滤波器(即每个传感器更多的滤波器)，以提供从图像传感器阵列的中心到传感器阵列的边缘的更平滑的预补偿过渡。在另一示例中，滤波器图案和/或分辨率可以被设计成使滤波器阵列与特定的透镜和/或透镜叠层相匹配。在具体的示例中，需要较低图像分辨率但较高光谱分辨率的光谱图像传感器，可以结合具有更多滤波器元件的更大的马赛克，而需要较高图像分辨率的光谱图像传感器可以被设计为对于每个传感器元件使用更大但更少的各个滤波器元件。
[0077]
可以使用各种制造技术来形成预补偿滤波器阵列。在实施方式的具体示例中，相对厚的“腔”层材料可以沉积在底部反射镜上，然后在连续的步骤中被掩蔽和蚀刻，以提供不同的和逐渐变薄的腔厚度。在一个示例中，需要n
‑
1个掩模步骤来制造用于滤波器的n个腔厚度。在另一示例中，腔厚度可以进一步调整，并且为了减少不同蚀刻掩模之间的离散步骤的影响，腔厚度的像素级调整可以通过使用子像素级布局技术和/或工艺调整来实现。在图7a所示的具体示例中，包括具有不同中心波长的2个fabry
‑
perot滤波器的半
‑
半像素可以用于生成具有中心波长(cwl)的组合响应，该中心波长是2个原始中心波长的平均值。
[0078]
图7b示出了与单个光学传感器50相关联的相邻干涉滤波器对40a
‑
40f。在一个示例中，通过两个相邻滤波器40a和40b的入射光由单个光学传感器50检测。在实施方式和操作的示例中，传感器系统包含光学传感器阵列和多个光谱滤波器，多个光谱滤波器在光学传感器阵列附近布置成阵列。在一个示例中，光谱滤波器是干涉滤波器，诸如faby
‑
perot滤波器或等离子体干涉滤波器和有机滤波器。在具体示例中，光学传感器与多个光谱滤波器中的两个或更多个光谱滤波器相关联，多个光谱滤波器中的每个光谱滤波器配置为使选定波长范围的光通过。在该示例中，多个光谱滤波器中的两个或更多个光谱滤波器配置为使基本上相邻波长范围内的光通过，使得传感器50有效地接收到单独的干涉滤波器40a或40b中任一个的两倍波长。
[0079]
图7c示出了与单个光学传感器50相关联的相邻干涉滤波器对40a
‑
40f的另一示例，在滤波器与传感器之间结合了中间元件54。在实施方式的示例中，中间元件54位于相邻滤波器40a和40b与光学传感器50的交叉点下方。在一个示例中，中间元件54是干涉滤波器40a
‑
40f与光学传感器50之间的死区。
[0080]
在实施方式的又一具体示例中，通过使用子像素级布局技术局部控制蚀刻工艺的速度和/或效率，工艺优化能够实现腔厚度的局部调整。示例蚀刻工艺包含但不限于湿法蚀刻工艺、反应离子蚀刻(rie)工艺和深反应离子蚀刻工艺(drie)。
[0081]
图8a
‑
8c示出了用于光谱图像传感器的光谱滤波器(诸如fabry
‑
perot滤波器)的滤波器图案。在图8a中，滤波器马赛克包含以15
×
15阵列重复的4
×
4(16波段)滤波器。在实施方式和操作的示例中，马赛克图案可以被实现为结构化布局，诸如扩展的拜耳滤波器图案。在该示例中，4
×
4滤波器的宏像素在光谱图像传感器上以重复图案使用。图8b示出了另一滤波器结构，其中，光谱图像传感器可以包含用于正在实现的每个滤波器的“片”。图8c示出了又一替代滤波器结构，其中，图8b中示出的每个片与多个像素相关联。在图8c的示例中，每个不同的滤波器片代表4个像素。
[0082]
图8d提供了光谱传感器的滤波器马赛克图案的自上而下的图示，该光谱传感器包含大的滤波器元件。在该示例中，6滤波器马赛克包含标准滤波器元件22b、22c、22d和22e，单个滤波器元件22f占据4个标准滤波器元件的空间。在一个示例中，在一些滤波器响应要求要求增加光捕获的情况下，诸如当波长范围需要具有降低的透射特性的滤波器时，较大的滤波器元件22f可以提供6通道滤波器响应。在具体示例中，一组干涉滤波器可以以进一步包含干涉滤波器的图案布置，该干涉滤波器在尺寸上分别大于该组干涉滤波器中的至少一个其它干涉滤波器。
[0083]
图8e提供了光谱传感器的另一滤波器马赛克图案的自上而下的图示，该光谱传感器包含形成较大长方形形状的滤波器元件。在该示例中，大滤波器元件28a和大滤波器元件28b被包含在具有17个标准滤波器元件(诸如例如滤波器元件28a
‑
28d)的滤波器马赛克中。在一个示例中，在一些滤波器响应要求要求增加光捕获的情况下，诸如参考图8d，包含更大的滤波器元件可以提供19通道的滤波器响应。在一个示例中，光谱滤波器马赛克可以包含干涉滤波器，该干涉滤波器在尺寸上分别大于干涉滤波器组中的至少一个其它干涉滤波器和/或呈细长的矩形形状。
[0084]
图8f提供了光谱传感器的滤波器马赛克图案的自上而下的图示，滤波器元件在中心滤波器元件周围形成逐渐变小的环。在该示例中，较小的滤波器元件26d被较大的滤波器元件26c包围，该较大的滤波器元件被甚至更大的滤波器元件26a包围，所有这些都被大的滤波器元件26b包围。在一个示例中，在一些滤波器响应要求要求增加光捕获的情况下，诸如参考图8d，逐渐变大的滤波器元件可以提供4通道滤波器响应。在示例光谱滤波器马赛克中，一个或多个干涉滤波器的尺寸分别大于干涉滤波器组中的至少一个其它干涉滤波器，和/或适于围绕干涉滤波器组中的其它干涉滤波器形成环。
[0085]
图9示出了光谱图像传感器的目标或中心像素以及相邻“邻居”像素的示例滤波器响应。较小的滤波器(相对于相关的传感器元件)通常导致较高的串扰量，而较大的滤波器通常呈现出较低的串扰，但分辨率也较低。因此，滤波器段越小，滤波器段彼此越靠近，串扰幅度就越大。这种串扰可能源自例如像素传感器的检测基板中的光学串扰或电串扰。在一个示例中，当像素尺寸接近1微米(μm)时，不期望的串扰会妨碍使用小于3μm的滤波器。
[0086]
在图9的示例中，由于相邻像素滤波器之间的串扰，每个像素的滤波器响应是不完美的。串扰的结果是，由于这种串扰，光谱中可能会出现凸起。例如，在没有串扰的情况下，预期像素#13的滤波器响应为基本对称的单峰。然而，由于相邻滤波器的串扰，滤波器响应在大约像素#14、#8、#12和#18的中心频率处的单峰的肩部包含相对较小的峰。这种串扰导致从传感器输出收集的数据中出现光谱杂质。
[0087]
在一个示例中，可以通过利用设备改进或者通过应用光谱校正对数据进行后处理
来衰减或消除串扰。在参考图9的实施方式和操作的具体示例中，光谱校正可以利用例如滤波器#13的输出来校正滤波器#12的输出。在该示例中，滤波器#12的串扰对像素#13的滤波器响应的光谱杂质有贡献，因此可以用于校正其对滤波器#13响应的贡献。因此，使用滤波器响应的子集，可以实现校正步骤来衰减或减少串扰对给定像素输出的贡献。在具体的示例中，输出光谱与校正矩阵的矩阵相乘可以产生基本上校正的输出。
[0088]
图10提供了一个示例光谱图像传感器的自上而下的视图，该光谱图像传感器针对单个滤波器利用多个像素。在实施方式和操作的具体示例中，每个光谱滤波器60a
‑
60h与9个像素相关联，例如像素1
‑
9，在空间上分布在滤波器60h下方，其中，不同光谱滤波器60a
‑
60h中的每一个都用不同的填充图案表示。在该示例中，由于像素1邻近并更靠近中心光谱滤波器60h的最左边、最上面和左上角，所以与像素2
‑
9和滤波器60h相关联的像素相比，该像素在其光谱响应中将呈现出左上角(滤波器60c)、顶部中心(滤波器60d)和邻近的左中心(滤波器60b)滤波器的更多串扰。在一个示例中，与中心滤波器元件60h相关联的每个像素可以累积马赛克中的每个其它光谱滤波器(滤波器60a
‑
60g)的不同量的串扰。在另一示例中，当与每个滤波器下的空间分布的像素组合时，每个给定光谱滤波器的串扰贡献可以用于为与光谱滤波器阵列相关联的几个像素中的每一个提供串扰的“梯度”。在一个示例中，与中心光谱滤波器元件60h相关联的中心像素(#5)将累积相邻光谱滤波器元件的最少量的串扰，具有最左边(60b)、最右边(60f)、最上面(60d)和最下面(60h)滤波器的类似贡献，以及角点滤波器60c、60e、60a和60g的类似贡献(尽管被衰减)。
[0089]
在实施方式和操作的具体示例中，多个像素与每个光谱滤波器相关联，而不是与单个像素相关联的单个滤波器。在该示例中，因为每个像素对于通过与该像素相关联的光谱滤波器周围的光谱滤波器的光具有不同的串扰贡献，所以给定像素的输出可以用于光谱校正附近像素的输出。在参考图9的具体示例中，像素#1
‑
#9中的每一个测量1个期望的滤波器响应的响应和相邻光谱滤波器的8个响应的串扰，相邻光谱滤波器在9个像素之上被空间调制。因此，在实施方式的具体示例中，9个光谱滤波器响应提供9个未知数和9个方程来求解，从而允许计算校正的响应。在另一示例中，相邻滤波器中每个像素的光谱响应也是可用的，并且可以用于适应每个光谱响应以求解校正响应的大光谱校正算法中。示例方法包含但不限于矩阵乘法和更高级的校正，诸如线性、非线性和/或基于神经网络的模型。
[0090]
在实施方式的又一示例中，串扰校正不需要仅基于串扰的物理模型，而是它们也可以至少部分基于测量的串扰和其它串扰替代。串扰校正方法可以利用给定滤波器段内所有可用像素的光谱响应、所有相邻滤波器像素的光谱响应以及光谱图像传感器内所有像素的光谱响应中的一个或多个。
[0091]
如应用于上述示例，在单个滤波器下具有多个像素的光谱滤波器结构可以用于增加光谱图像传感器的灵敏度和/或空间分辨率。例如，“去马赛克”算法可以用于使用每个光谱滤波器的多个像素来提高光谱图像传感器的空间分辨率，同时保留得益于几何设计增强的低串扰的大滤波器图案。
[0092]
集成干涉滤波器(诸如fabry
‑
perot滤波器)可以用在图案化的光学传感器上来实现光谱仪。在一个示例中，光谱仪可以通过将具有不同中心波长(cwl)的滤波器集成到不同的光学像素上来实现。在一个示例中，每个像素被设计为对应于与相应的cwl相关联的接收到的光。通过组合从一组像素中的每个像素导出的信息，可以使用一种或多种算法来重建
光谱。算法可以基于一个或多个线性、非线性或基于神经网络的模型。
[0093]
参考图1所示的滤波器阵列，一组滤波器中的每个滤波器可以相对于相关联的光学传感器占据不同的物理位置。这些相对于光学传感器的物理位置差异会导致响应偏差。在一个示例中，投射到光学传感器上的光在光学传感器平面上可能是不均匀的(有时称为“阴影”)，和/或投射光的角度分布可能在光学传感器平面上根据正在测量光谱的场景光学器件而改变。
[0094]
在实施方式和操作的具体示例中，传感器系统包含布置在集成电路上的多组光学传感器，多组光学传感器具有相应的顶表面。传感器系统包含多个光学传感器之间的接口和配置为在其间传输信息的处理设备，以及具有相应的底表面和相应的顶表面的光学滤波器阵列，其中，光学滤波器阵列的底表面位于多组光学传感器的顶表面附近，并且光学滤波器阵列的每个光学滤波器配置为使目标波长范围的光通过，到达一组光学传感器。处理器配置为接收一组光学传感器中的每个光学传感器的输出，并使用传输通过与该组光学传感器相邻的光学滤波器的光的串扰来确定该组光学传感器的校正滤波器响应。
[0095]
在具体的相关示例中，光学传感器阵列具有相应的4个侧面，其中，与光学传感器阵列的侧面相邻的每个光学滤波器配置为使不同目标波长范围的光通过。在另一示例中，对于光学传感器阵列中的每个光学传感器，通过光学传感器阵列附近的光学滤波器传输的光的串扰是不同的。
[0096]
在实施方式和操作的具体示例中，传感器系统包含在集成电路内实现的多个滤波器，其中，多个滤波器中的每个滤波器配置为使目标波长范围的光通过。在一个示例中，多组光学传感器也在集成电路内实现，其中，每组光学传感器包含对应的多个光学传感器，并且多个滤波器中的每个滤波器与多组光学传感器中的对应组相关联。在一个示例中，基于通过多个滤波器的入射光，多组光学传感器配置为生成多组光学传感器输出信号，使得每个光学传感器配置为生成多组光学传感器输出信号中的对应的光学传感器输出信号。在一个示例中，该传感器系统进一步包含存储操作指令的存储器和可操作地耦合到多组光学传感器和存储器的一个或多个处理模块，一个或多个处理模块配置为执行操作指令以处理多组光学传感器输出信号中的第一组光学传感器输出信号，以确定通过多个滤波器中服务于多组光学传感器中的第一组的第一滤波器的入射光的贡献，并且基本上消除通过多个滤波器中与多个滤波器中的第一滤波器相邻的任何滤波器的入射光的任何贡献。
[0097]
在具体示例中，第一组光学传感器布置成阵列。在另一示例中，光学传感器阵列具有相应的4个侧面，其中，与光学传感器阵列的侧面相邻的每个光学滤波器配置为使不同目标波长范围的光通过。在又一示例中，第一组光学传感器布置成2
×
2阵列、3
×
3阵列、4
×
4阵列和5
×
5阵列中的至少一个，并且在另一示例中，一个或多个处理模块进一步配置为执行操作指令，以处理第一组光学传感器输出信号的光谱内容，以识别不由多个滤波器中服务于多组光学传感器的第一组光学传感器的第一滤波器贡献的光谱内容，并消除不由多个滤波器中的第一滤波器贡献的光谱内容的至少一部分。
[0098]
在相关示例中，第一组光学传感器输出信号的光谱内容包含第一组光学传感器的每个光学传感器的光谱内容。在另一示例中，操作指令包含光谱校正算法，其中，光谱校正算法适于处理第一组光学传感器输出信号的光谱内容，以确定通过多个滤波器中与多个滤波器中的第一滤波器相邻的任何其它滤波器的入射光的贡献，并从第一组光学传感器的输
出信号中消除通过多个滤波器中与多个滤波器中的第一滤波器相邻的任何其它滤波器的入射光的贡献。候选光谱校正算法包含矩阵乘法、线性算法、非线性算法和基于神经网络的算法中的一种或多种。
[0099]
在实施方式和操作的又一具体示例中，一个或多个处理模块配置为执行操作指令以处理另一组光学传感器中的一个或多个光学传感器的光学传感器输出信号，其中，另一组光学传感器与该组光学传感器相邻，并且基于另一组光学传感器中的一个或多个光学传感器的处理后的光学传感器输出信号，促进消除通过与另一组光学传感器相关联的光学滤波器的入射光的贡献。
[0100]
在实施方式和操作的另一具体示例中，由传感器系统的一个或多个计算设备的一个或多个模块执行的方法开始于接收一组光学传感器中的每个光学传感器的输出，其中，多组光学传感器布置在集成电路上，并且多组光学传感器具有相应的顶表面，其中，光学滤波器阵列的底表面位于多组光学传感器的顶表面附近，光学滤波器阵列具有相应的底表面和相应的顶表面，并且光学滤波器阵列的每个光学滤波器配置为使目标波长范围的光通过，到达一组光学传感器。该方法继续，从该组光学传感器中的每个光学传感器的输出生成光学传感器输出信号，以产生一组光学传感器输出信号，并处理该组光学传感器输出信号，以确定通过多个光学滤波器中与该组光学传感器相关联的光学滤波器的光的贡献。然后，该方法继续，基本上消除通过光学滤波器阵列中与多个光学滤波器中的光学滤波器相邻的任何光学滤波器的光的任何贡献。
[0101]
图11a示出了滤波器接收期望中心波长(cwl)的准直光的示例响应。fabry
‑
perot滤波器的光传输至少部分取决于光学系统的入射光分布。在图11的示例中，示出了当完全准直的光正交投射到cwlλ处的fabry
‑
perot滤波器上时fabry
‑
perot滤波器的透射。如图所示，所选fabry
‑
perot滤波器的透射通带可以由中心波长(cwl)λ和半峰全宽(fwhm)来表征。在该示例中，滤波器参数会受到投射在fabry
‑
perot滤波器上的入射光的角度分布的影响。例如，当准直光以与法线成θ的角度投射到fabry
‑
perot滤波器上时，cwl将偏移到更短的波长。在一阶中，该cwl偏移可以近似为：
[0102][0103]
图11b提供了传感器模块110的侧面剖视图，该传感器模块包含结合有封装孔112的封装116。在一个示例中，入射光通过封装孔112进入封装，并最终在光传感器124处被收集。封装116可以由各种不透明或半透明材料构成，包含金属、复合材料和合成或半合成有机化合物，以及它们的组合。在一个示例中，封装孔112可以适于包含能够透光的材料，包含玻璃(诸如石英或sio
x
)、透明的合成或半合成有机化合物(诸如玻璃纸、乙烯基或有机玻璃)或不显著吸收光谱传感器模块10相关的波长内的光的任何其它材料。封装孔112可以适于防止外来物质进入由封装116限定的腔，或者它可以是用于光进入腔的简单开口。在另一示例中，封装孔112可以适于提供附加功能，诸如可变开口尺寸(可变孔)、光聚焦以及对所选光波长和/或电磁辐射的抑制。
[0104]
光传感器124包含嵌入基板126中的光敏元件(传感器)128。在一个示例中，光敏元件128可以是互补金属氧化物半导体(cmos)、传感器、电荷耦合设备(ccd)传感器和基于胶体或量子点的光学传感器中的任何一种，以及这些传感器的组合。在一个示例中，光敏元件
128可以配置为检测来自该组的可见光、近红外(nir)、中红外(mir)或紫外(uv)或其组合的光。在一个示例中，光谱滤波器122包括集成在光传感器124上的多个光谱滤波器元件。在具体的示例中，光谱滤波器122包括多个适于使光波长光谱中的光通过的滤波器，并且在光传感器124的后端(beol)处理之后被制造在顶部。在一个示例中，集成光谱滤波器122包含多个光谱滤波器元件，每个光谱滤波器元件与一个或多个光敏元件128相关联。在具体示例中，光谱滤波器122的集成光谱滤波器元件可以包含不同的滤波器类型，包含干涉滤波器，诸如fabry
‑
perot滤波器和吸收滤波器，诸如等离子体滤波器和量子点滤波器，单独或组合。
[0105]
传感器模块110可以包含附加的光学元件，诸如位于传感器模块110的腔内的抑制滤波器120和微光学元件118。在一个示例中，抑制滤波器120可以包含多个抑制滤波器元件，而微光学元件118可以包含微透镜、微孔、漫射器和其它相关光学元件。在实施方式的具体示例中，传感器组件110被实现为包含宏观光学元件114的传感器系统。在一个示例中，宏观光学元件114可以是单个元件或多个光学元件，每个光学元件大于微观光学元件118的各个元件。
[0106]
在实施方式和操作的具体示例中，封装116具有相应的顶表面、相应的底表面和相应的多个侧面，顶表面包含封装孔112，顶表面、多个侧面和底表面形成腔。在一个示例中，具有相应的底表面和相应的顶表面的基板126位于封装116的腔内，基板126的底表面耦合到封装116的底表面，并且多个光敏元件128位于基板126的顶表面上。在该示例中，多组光谱滤波器配置为多组光学滤波器(光谱滤波器122)，多组光学滤波器具有相应的顶表面和位于多个光敏元件128顶上的相应的底表面，其中，多组光学滤波器中的一组光谱滤波器包含以图案布置的多个光谱滤波器，其中，多个光谱滤波器中的每个光谱滤波器配置为通过不同波长范围的光。
[0107]
在相关示例中，一个或多个抑制滤波器配置为具有相应的顶表面和相应的底表面的层(诸如抑制滤波器120)，一个或多个抑制滤波器的底表面靠近多组光谱滤波器组的顶表面。在一个示例中，盖至少部分地位于封装孔112内，并且在具体的示例中，一个或多个宏观光学元件118位于封装116的腔内。在一个示例中，宏观光学元件118是单个透镜或透镜的集合，其适于引导光通过封装孔116。
[0108]
在实施方式和操作的具体示例中，光敏元件(例诸一个或多个光敏元件128)的波长灵敏度与光谱滤波器122的特定光谱滤波器元件相匹配，以提供光敏元件和光学滤波器对。在一个示例中，通过调整特定光敏元件的全阱、转换增益和/或面积，特定光敏元件(诸如一个或多个光敏元件128)的量子效率适于在预定波长范围内敏感。在相关示例中，传感器系统包含多组光学滤波器，其中，多组光学滤波器中的一组光学滤波器包含以图案布置的多个光学滤波器，其中，多个光学滤波器中的每个光学滤波器配置为使不同波长范围的光通过。
[0109]
图12a提供了使用fabry
‑
perot滤波器的示例传感器系统的侧视图。在该示例中，光学窗口或孔径控制设备70(孔)拦截超过某一角度照射表面的入射光0，从而控制投射在光学传感器78附近的集成fabry
‑
perot滤波器74和76上的入射光的角度分布。对于如图12a所示的系统，fabry
‑
perot滤波器上的最终光角度分布很大程度上取决于光和/或观察场景的角度分布。图12b提供了使用fabry
‑
perot滤波器的示例光谱仪的另一侧视图，示出了2个
不同光源(光源#1和光源#2)的角度分布。在该示例中，光源1的入射光线(入射光1)，两个滤波器(74和76)都接收光，但是具有不同的入射光角度。光源2的入射光线(入射光2)在入射光角度上呈现出更极端的差异，因为滤波器76根本不接收该光源的光。
[0110]
在一个示例中，向光学系统添加一个或多个组件可以降低场景光学器件与光学传感器上的投影角度分布的相关性。图12c提供了示例光谱仪的侧视图，该光谱仪具有在入射光线通过孔70之前提供的光学漫射元件84。光学漫射器的示例包含但不限于磨砂玻璃或全息漫射器。不管入射光线的入射角如何，理想的光学漫射器都将完全随机化从漫射器射出的出射光的角度。理想的光学漫射器有时被称为完美的朗伯漫射器。
[0111]
如图12a
‑
12c的示例所示，使用fabry
‑
perot滤波器的光谱仪的性能高度依赖于所使用的光学漫射元件的性能。具有可接受性能的光学漫射器必然是更难制造、更昂贵、更厚的一种或多种，并且导致系统在从光源到光学传感器的光功率吞吐量方面效率较低。
[0112]
非理想的光学漫射元件可能具有伪像，这些伪像将在光学传感器上呈现出空间效应/异常，诸如传感器上的阴影。附加地，光学传感器上的不同光学像素可以根据场景光学器件接收具有不同角度分布的光。由于针对不同中心波长(cwl)的滤波器分布在光谱传感器上以构建光谱仪，所以空间伪影会导致最终光谱的像差。在一个示例中，由于阴影，由光学漫射器导出的空间伪影导致的像差会导致光谱传感器一侧的滤波器接收到与光谱传感器另一侧的滤波器不同的光量。所得到的阴影，结合传感器上滤波器的空间分布，可以呈现为传感器上光谱的重新着色。
[0113]
图12d示出了传感器系统中漫射元件的散射。为了保护包括光感测元件、集成滤波器、抑制滤波器和微光学元件的传感器系统，可以使用封装来包含传感器系统。参考图11b，在一个示例中，传感器系统封装可以包含一个或多个孔，来自相关区域的光通过这些孔进入封装的内部。在实施方式的具体示例中，容器的壁对于相关的波长可以是不透明的。
[0114]
在实施方式和操作的示例中，一些进入传感器系统封装的光由于具有错误的入射角或反射到系统的其它元件上，未能到达传感器。不是所有进入容器的光都到达光敏元件。阻止光到达光敏元件的一些因素包含由于传感器系统的不同元件导致的错误的入射角和反射角。在一个示例中，可以修改传感器系统，使得否则会被抑制或阻碍到达光敏元件的光被重定向并到达至少一个光感测元件。在一个示例中，诸如图12c的漫射器之类的漫射器可以用于将光重定向到光敏元件，然而，如图所示，漫射器也将大量的光散射离开光敏元件。
[0115]
图12e示出了利用修改的漫射元件的传感器系统。在一个示例中，漫射器被反射表面部分包围，产生积分球以将光重定向回漫射器，增加光到达光敏元件的可能性。在相关示例中，漫射器的入口和/或出口表面被修改为粗糙表面，以进一步将光重定向到光敏元件的方向。在一个示例中，粗糙表面可以使用各种方法产生，诸如喷砂或研磨。
[0116]
在实施方式和操作的具体示例中，传感器系统包含：多组光学传感器，多组光学传感器具有相应的顶表面和底表面；以及多组光学滤波器，多组光学滤波器配置为具有相应的顶表面和位于多个光学传感器顶上的相应的底表面的层。在该示例中，多组光学滤波器中的一组光学滤波器包含以图案布置的多个光学滤波器，其中，多个光学滤波器中的每个光学滤波器配置为使不同波长范围的光通过。在一个示例中，具有相应的顶表面、相应的多个侧面和相应的底表面的漫射元件位于多个光学滤波器的顶表面上方。
[0117]
在一个示例中，漫射元件的多个侧表面的至少一部分适于反射光。在一个示例中，
漫射元件的顶表面的至少一部分适于包含粗糙表面，其中，粗糙表面是已经用粗糙化工艺处理过的表面。在相关示例中，粗糙化工艺包含研磨、喷砂、离子研磨、原子轰击或蚀刻中的至少一种。在另一示例中，漫射元件的顶表面的至少一部分适于反射光。在又一示例中，漫射元件的底表面的至少一部分适于反射光。在另一示例中，漫射元件的底表面的至少一部分已经适于包含粗糙表面，其中，粗糙表面是已经用粗糙化工艺处理过的表面。
[0118]
诸如fabry
‑
perot滤波器之类的基于干涉的滤波器配置为抑制预定透射光谱之外的波长的光。附加地，基于干涉的滤波器可能无法透射预定透射光谱内的一些波长的光，一部分光在滤波器的表面被反射。在一个示例中，fabry
‑
perot滤波器中使用的反射镜(诸如布拉格反射镜)的高反射率导致不能透射预定透射光谱内的一些波长的光。
[0119]
图12f提供了光谱仪系统的侧视图，示出了基于入射光的入射角的测量中心波长的变化。在该示例中，一组(group或set)光感测元件86位于单个基于干涉的滤波器84下方，以形成宏像素80。在该示例中，该组光感测元件86配置为层(诸如具有相应的顶表面和相应的底表面)，单个基于干涉的滤波器84具有相应的顶表面和相应的底表面，单个基于干涉的滤波器84的底表面靠近该组光感测元件86的顶表面。在一个示例中，具有相应的顶表面和相应的底表面的单个孔88位于单个基于干涉的滤波器84上方。在一个示例中，单个孔88的尺寸及其相对于该组光敏元件86中的各个光敏元件的位置限定了入射光到该组光敏元件86的各个光敏元件的入射角。在一个示例中，入射光的入射角限定了单个基于干涉的滤波器84在每个光敏元件86的方向上的透射光谱，因此，该组光敏元件86的每个光敏元件可以相对于包括宏像素80的该组光敏元件86的其它光敏元件测量不同的光谱分布。
[0120]
在具体示例中，包括宏像素80的一组光感测元件86的不同光感测元件的输出可以用于测量不同的光谱响应，其中，不同的光谱响应至少部分是由于到达该组光感测元件的不同光感测元件的光的不同中心波长。在一个示例中，由光的不同中心波长产生的光谱响应可以导致稍微修改的测量光谱。
[0121]
在实施方式和操作的具体示例中，传感器模块包含具有相应的底表面和相应的顶表面的基板，一组或多组光敏元件位于基板的顶表面上。传感器模块进一步包含一个或多个干涉滤波器，一个或多个干涉滤波器配置为具有相应的顶表面和相应的底表面的层，其中，一个或多个干涉滤波器的底表面位于一组或多组光敏元件的顶上，并且其中，一个或多个干涉滤波器的每个干涉滤波器配置为使预定波长范围内的光通过。一个或多个干涉滤波器中的每个干涉滤波器与一组或多组光敏元件中的一组相关联。传感器模块进一步包含一个或多个孔，每个孔具有相应的顶表面和相应的底表面，其中，每个孔的底表面位于一个或多个干涉滤波器的干涉滤波器上方。在具体的相关示例中，一个或多个孔中的每一个都具有相应的宽度和深度，孔的宽度和深度一起限定了在一个或多个干涉滤波器的顶表面处接收到的光的入射角。在另一具体的相关示例中，该组光敏元件中的每个光敏元件的位置可以适于基于在一个或多个干涉滤波器的每个干涉滤波器处接收到的光的入射角为传感器模块提供增加的光谱分辨率。
[0122]
图12g提供了另一光谱仪系统的侧视图，示出了基于入射光的入射角的测量中心波长的变化。在一个示例中，诸如参考图12f描述的孔相对于宏像素的中心偏移。在一个示例中，偏移孔扩展了在包括宏像素的该组光感测元件的光感测元件处接收到的入射角的角度范围。图12h提供了相对于宏像素中心的偏移孔的自上而下的视图。在一个示例中，将孔
定位成更靠近包括一组光敏元件的宏像素的角点可以为该组光敏元件提供相对更宽的入射角分布，该组光敏元件可以用于为测量光谱提供相对更宽的光谱扩展。
[0123]
图12i提供了光谱仪系统的侧视图，示出了与基于干涉的滤波器和孔相关联的宏像素。在一个示例中，包括光谱仪系统中的宏像素的光感测元件组与具有不同透射分布的基于干涉的滤波器相关联，每个干涉滤波器具有相关联的孔。
[0124]
在实施方式和操作的具体示例中，传感器模块包含具有相应的底表面和相应的顶表面的基板，多组光敏元件位于基板的顶表面上。传感器模块进一步包含多个干涉滤波器，多个干涉滤波器配置为具有相应的顶表面和相应的底表面的层，其中，多个干涉滤波器的底表面位于一组或多组光敏元件的顶上，并且其中，多个干涉滤波器中的每个干涉滤波器配置为使预定波长范围内的光通过。多个干涉滤波器中的每个干涉滤波器与一组多个光敏元件相关联。传感器模块进一步包含多个孔，每个孔具有相应的顶表面和相应的底表面，其中，多个孔中的每个孔的底表面位于多个干涉滤波器中的干涉滤波器上方。在具体的相关示例中，多个孔中的每个孔都具有相应的宽度和深度，孔的宽度和深度一起限定了在一个或多个干涉滤波器的顶表面处接收到的光的入射角。在另一具体的相关示例中，多个干涉滤波器中的至少一些干涉滤波器配置为使不同波长范围的光通过。在又一具体相关示例中，多个孔中的至少一些孔的宽度和深度配置为提供入射光的不同范围的入射角。
[0125]
在具体的相关实施方式示例中，多个孔中的不同孔可以被不透明区域分隔开和/或与不透明区域相关联，反射层沉积在不透明区域中的孔的底表面上。在一个示例中，在多个干涉滤波器的干涉滤波器的顶表面处反射的光可以随后在不透明区域的底表面处反射，直到它到达具有所需透射参数的基于干涉的滤波器。在一个示例中，多个干涉滤波器中的每个干涉滤波器通过气隙与相邻干涉滤波器分离。在替代示例中，多个干涉滤波器中的每个干涉滤波器与一个或多个相邻的干涉滤波器相邻。
[0126]
图12j提供了图12i的示例光谱仪系统的侧视图，示出了具有反射孔的光传播。在该示例中，具有不同中心波长λ1和λ2的两条入射光线通过左孔。在该示例中，滤波器1(fp1)设计为透射波长为λ1的光，而抑制其它波长；结果，波长为λ2的光被抑制。在一个示例中，通过在多个孔之间的不透明底表面上包含反射层，被抑制的光被反射到其它干涉滤波器，直到它到达允许波长λ2透射通过的滤波器(fp2)。
[0127]
图12k提供了另一光谱仪系统的侧视图，示出了与基于干涉的滤波器和孔相关联的宏像素。在该示例中，多个基于干涉的滤波器与单个宏像素和孔相关联。在一个示例中，来自孔的入射光的入射角可以通过结合具有预定透射特性的基于干涉的滤波器来补偿。在实施方式和操作的具体示例中，传感器模块包含具有相应的底表面和相应的顶表面的基板，多组光敏元件位于基板的顶表面上。传感器模块进一步包含多组干涉滤波器，多组干涉滤波器配置为具有相应的顶表面和相应的底表面的层，其中，多组干涉滤波器的底表面位于一组或多组光敏元件的顶上，并且其中，多个干涉滤波器中的每个干涉滤波器配置为使预定波长范围内的光通过。在一个示例中，一组干涉滤波器中的每个干涉滤波器与一组光敏元件相关联。传感器模块进一步包含多个孔，每个孔具有相应的顶表面和相应的底表面，其中，多个孔中的每个孔的底表面位于一组干涉滤波器上方。在一个示例中，至少一些干涉滤波器的预定透射特性是基于通过与那些干涉滤波器和微像素相关联的孔的光的入射角来确定的。在该示例中，干涉滤波器的预定透射特性被进一步确定，以补偿通过相关联的孔
的光的选定入射角。
[0128]
图12l提供了另一光谱仪系统的侧视图，示出了与基于干涉的滤波器和孔相关联的宏像素。在该示例中，多个宏像素中的每一个及其对应的孔彼此相邻，并且提供宏像素和孔对。在一个示例中，与宏像素和孔对相关联的基于干涉的滤波器布置为使得包括宏像素的一组光敏元件中的光敏元件可以接收入射角足以以基本相同的入射角通过多于一个孔的光。在具体示例中，通过相邻孔的足够入射角的光可以在相邻宏像素共有的基于干涉的滤波器处重叠。
[0129]
在一个示例中，角度选择元件可以被构造成对通过孔的光提供各种类型的控制。示例结构可以在美国专利申请17/007,254的图12a
‑
12f中找到，其全部内容通过引用的方式并入本文中。
[0130]
图12m和12n提供了光谱仪系统的侧视图，示出了使用透镜来控制在宏像素处接收到的入射角。在图12m的示例中，具有相应的顶表面和相应的底表面的孔包含具有相应的顶表面和相应的底表面的透镜，该透镜的底表面直接位于孔的顶表面上，孔的底表面面向一个或多个宏像素。在一个示例中，透镜的顶表面适于缩小入射光在宏像素的单个干涉滤波器上的入射角。在图12n的示例中，透镜的顶表面适于缩小入射光在与宏像素相关联的一组基于干涉的滤波器上的入射角。
[0131]
在该示例中，一个或多个透镜可以用于在垂直于包含宏像素的图像传感器表面的方向上重定向来自广角的入射光线，从而产生基本上准直的光束。
[0132]
图12o提供了光谱仪系统的侧视图，示出了使用微透镜来控制在宏像素处接收到的入射角。在一个示例中，多个宏像素与多个孔相关联以创建宏像素和孔对，其中，微透镜阵列配置为使得阵列的每个微透镜与宏像素和孔对的孔相关联。
[0133]
图12p提供了另一光谱仪系统的侧视图，示出了使用微透镜来控制在宏像素处接收到的入射角。在一个示例中，多个宏像素与多个孔相关联，以创建多个宏像素和孔对。在该示例中，每个孔进一步与微透镜相关联，使得通过孔的光的入射角包含足以通过而到达相邻宏像素和孔对的入射角。在一个示例中，在包括宏像素的一组光敏元件的边界处的各个光敏元件可以接收来自相邻宏像素和孔对的交叉光。在一个示例中，具有基本相同入射角的光可以由两个相邻宏像素边界处的光敏元件检测到。
[0134]
图13a提供了用于阴影补偿的示例光学滤波器布局的自上而下的图示。在实施方式和操作的示例中，通过复制每个滤波器，可以基本优化光学像素阵列的光学像素上不同光学滤波器的空间分配，使得光学滤波器的最终空间布局实现围绕光轴的点对称。对称点被描述为2条正交对称线相交的点，其中，两条正交线都与系统中的光轴正交(任一条线上的点都有一个与中心点距离相同的匹配部分，但方向相反)。在一个示例中，对于诸如图13所示的光学滤波器布局，投射在传感器一个边缘的滤波器上的正像差将被投射在传感器另一边缘的滤波器上的负像差所补偿。在具体的示例中，对来自具有相同cwl的光学滤波器的滤波器响应求和将基本上补偿阴影或其它像差。在具体的示例中，可以对设计成以相同的cwl通过光的每个光学滤波器的总滤波器响应进行平均。在又一示例中，来自具有相同cwl的几个滤波器位置的测量可以用于使用先进的算法来补偿阴影，该算法可以适于考虑给定光谱图像传感器的光学系统的知识。在另一示例中，考虑所有的滤波器响应来补偿阴影。
[0135]
图13b提供了用于阴影补偿的示例光学滤波器布局的附加自上而下的图示。在示
例布局中，光学滤波器的4个象限是彼此水平或垂直镜像的版本，其中，给定的滤波器在4个象限的每一个中重复。
[0136]
图14a提供了公共质心光学滤波器布局的4个象限的命名惯例。在该示例中，对称点示出为在4个象限的中心点。图14b提供了用于阴影补偿的示例光学滤波器布局的附加自上而下的图示。在具体的示例中，具有4个象限的光学滤波器布局可以被进一步划分，以在4个象限的每一个中提供附加的对称轴，同时保持4个象限的对称性。在具体的示例中，在每个象限内增加一个对称点可以通过最小化光谱传感器上的像差，同时最小化每个象限内的像差来改善光学滤波器布局。附加的相关示例包含进一步细分每个象限，诸如每个象限包含具有对称点的4象限子象限，然后在子象限的4个象限中的每个象限内有4个象限。
[0137]
图15提供了用于阴影补偿的示例2
×
3宏像素马赛克光学滤波器布局的附加自上而下的图示。在该示例中，马赛克光学滤波器布局使用足够小的光学滤波器片，当重复时，充分的遮光效果被衰减。在另一示例光学滤波器布局中，图15所示的马赛克布局可以与图14b的公共质心光学滤波器布局相结合，以产生混合光学滤波器布局。
[0138]
应当注意，本文可以使用的术语，诸如比特流、流、信号序列等(或它们的等同物)已经被可互换地用来描述其内容对应于多种期望类型(例如，数据、视频、语音、文本、图形、音频等，其中的任何一个通常被称为
‘
数据’)中的任何一种的数字信息。
[0139]
如本文可以使用的，术语“基本”和“大约”为其相应的术语和/或项目之间的相关性提供了行业接受的公差。对于某些行业，行业接受的公差小于百分之一，对于其它行业，行业接受的公差为10％或者更高。其它行业接受的公差范围的示例从小于百分之一到百分之五十。行业接受的公差对应于但不限于分量值、集成电路工艺变化、温度变化、上升和下降时间、热噪声、尺寸、信号误差、丢弃的数据包、温度、压力、材料成分和/或性能指标等。在一个行业内，可接受公差的公差方差可能大于或者小于一个百分比水平(例如，尺寸公差小于 /
‑
1％)。项目之间的某些相关性范围可能从小于一个百分比水平的差异到几个百分比。项目之间的其它相关性范围可能从几个百分比的差异到巨大的差异。
[0140]
如本文还可以使用的，术语“配置为”、“可操作地耦合到”、“耦合到”和/或“耦合”包含项目之间的直接耦合和/或项目之间经由中间项目的间接耦合(例如，项目包含但不限于组件、元件、电路和/或模块)，其中作为间接耦合的示例，中间项目不修改信号的信息，但是可以调整其电流水平、电压水平和/或功率水平。如本文可进一步使用的，推断耦合(即，一个元件通过推断耦合到另一元件)包含以与“耦合到”相同的方式在两个项目之间的直接和间接耦合。
[0141]
如本文甚至可以进一步使用的，术语“配置为”、“可操作地”、“耦合到”或“可操作地耦合到”指示项目包含电源连接、输入、输出等中的一个或多个，以在被激活时执行其一个或多个相应的功能，并且可以进一步包含推断的与一个或多个其它项目的耦合。如本文可又进一步使用的，术语“与
……
相关联”包含分开的项目和/或嵌入另一项目中的一个项目的直接和/或间接耦合。
[0142]
如本文可以使用的，术语“有利地比较”指示两个或更多个项目、信号等之间的比较提供了期望的关系。例如，当期望的关系是信号1具有比信号2更大的幅度时，当信号1的幅度大于信号2的幅度或者当信号2的幅度小于信号1的幅度时，可以获得有利的比较。如本文可使用的，术语“不利地比较”指示两个或更多个项目、信号等之间的比较无法提供期望
的关系。
[0143]
如本文可以使用的，一个或多个权利要求可以以此类通用形式的具体形式包含短语“a、b和c中的至少一个”或此类通用形式的“a、b或c中的至少一个”，具有比“a”、“b”和“c”更多或者更少的元件。在任何一种表达方式中，这些短语都要作相同的解释。特别地，“a、b和c中的至少一个”等同于“a、b或c中的至少一个”，并且应该表示a、b和/或c。例如，它的意思是：仅“a”，仅“b”，仅“c”，“a”和“b”，“a”和“c”，“b”和“c”，和/或“a”、“b”和“c”。
[0144]
如本文还可以使用的，术语“处理模块”、“处理电路”、“处理器”、“处理电路系统”和/或“处理单元”可以是单个处理设备或多个处理设备。此类处理设备可以是微处理器、微控制器、数字信号处理器、微型计算机、中央处理器、现场可编程门阵列、可编程逻辑设备、状态机、逻辑电路系统、模拟电路系统、数字电路系统和/或基于电路系统和/或操作指令的硬编码来操纵信号(模拟和/或数字)的任何设备。处理模块、模块、处理电路、处理电路系统和/或处理单元可以是或进一步包含存储器和/或集成存储器元件，其可以是单个存储器设备、多个存储器设备和/或另一处理模块、模块、处理电路、处理电路系统和/或处理单元的嵌入式电路系统。此类存储器设备可以是只读存储器、随机存取存储器、易失性存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、闪存、高速缓冲存储器和/或存储数字信息的任何设备。应当注意，如果处理模块、模块、处理电路、处理电路系统和/或处理单元包含多于一个的处理设备，则处理设备可以于中央定位(例如，经由有线和/或无线总线结构直接耦合在一起)或者可以是分布式定位(例如，经由局域网和/或广域网间接耦合的云计算)。进一步注意，如果处理模块、模块、处理电路、处理电路系统和/或处理单元经由状态机、模拟电路系统、数字电路系统和/或逻辑电路系统实现其一个或多个功能，则存储相应的操作指令的存储器和/或存储器元件可以嵌入在包括状态机、模拟电路系统、数字电路系统和/或逻辑电路系统的电路系统内或外部。仍进一步注意，存储器元件可以存储并且处理模块、模块、处理电路、处理电路系统和/或处理单元执行对应于一个或多个附图中示出的至少一些步骤和/或功能的硬编码和/或操作指令。在制造品中可以包含此类存储器设备或存储器元件。
[0145]
借助于说明特定功能的执行及其关系的方法步骤，上面已经描述了一个或多个示例。为了方便描述，这些功能构建块和方法步骤的边界和顺序在本文被任意限定。只要适当执行指定功能和关系，就可以限定可替代的边界和顺序。因此，任何此类可替代的边界或顺序都在权利要求的范围和精神内。进一步，为了方便描述，这些功能构建块的边界被任意限定。只要适当执行某些重要功能，就可以限定可替代的边界。类似地，流程框图也可以在本文任意限定，以说明一定重要的功能。
[0146]
就所使用的范围而言，流程框图边界和顺序可以以其它方式限定，并且仍然执行一定重要的功能。因此，功能构建块和流程框图和序列的此类可替代的定义都在权利要求的范围和精神内。本领域普通技术人员还将认识到，功能构建块以及本文其它说明性块、模块和组件可以如所示出的那样或者通过分立组件、专用集成电路、执行适当软件的处理器等或者它们的任意组合来实现。
[0147]
此外，流程图可以包含“开始”和/或“继续”指示。“开始”和“继续”指示反映了所呈现的步骤可以可选地合并到一个或多个其它例程中或者以其它方式与一个或多个其它例程结合使用。此外，流程图可以包含“结束”和/或“继续”指示。“结束”和/或“继续”指示反映
了所呈现的步骤可以如所描述和示出的那样结束或者可选地合并到一个或多个其它例程中或者以其它方式与一个或多个其它例程结合使用。在此类情况下，“开始”指示所呈现的第一步的开始，并且可以在未具体示出的其它活动之后。进一步，“继续”指示反映了所呈现的步骤可以被执行多次和/或可以被未具体示出的其它活动所接替。进一步地，虽然流程图指示步骤的特定顺序，但是只要保持因果关系的原则，其它顺序同样是可能的。
[0148]
本文使用一个或多个示例来说明一个或多个方面、一个或多个特征、一个或多个概念和/或一个或多个示例。装置、制品、机器和/或过程的物理示例可以包含参考本文讨论的一个或多个示例描述的一个或多个方面、特征、概念、示例等。此外，从一个图到另一图，这些示例可以包含相同或相似命名的功能、步骤、模块等，这些功能、步骤、模块等可以使用相同或不同的附图标记，并且同样地，这些功能、步骤、模块等可以是相同或相似的功能、步骤、模块等或不同的功能、步骤、模块等。
[0149]
除非有相反的具体说明，否则本文呈现的任何附图的图形中，去往、来自和/或在元件之间的信号可以是模拟的或数字的、连续时间的或离散时间的和单端的或差分的。例如，如果信号路径示为单端路径，它也代表差分信号路径。类似地，如果信号路径示为差分路径，它也代表单端信号路径。虽然本文描述了一个或多个特定的体系架构，但是同样可以实现使用一个或多个未明确示出的数据总线、元件之间的直接连接和/或本领域普通技术人员所认识到的其它元件之间的间接耦合的其它体系架构。
[0150]
术语“模块”用于描述一个或多个示例。模块经由诸如处理器或其它处理设备或其它硬件的设备来实现一个或多个功能，所述设备可以包含存储操作指令的存储器或与其相关联地操作。模块可以独立操作和/或与软件和/或固件结合操作。还如本文所用，模块可以含有一个或多个子模块，每个子模块可以是一个或多个模块。
[0151]
如本文进一步使用的，计算机可读存储器包含一个或多个存储器元件。存储器元件可以是分开的存储器设备、多个存储器设备或者存储器设备内的一组存储器位置。此类存储器设备可以是只读存储器、随机存取存储器、易失性存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、闪存、高速缓冲存储器和/或存储数字信息的任何设备。存储器设备可以是固态存储器、硬盘驱动器存储器、云存储器、拇指驱动器、服务器存储器、计算设备存储器和/或用于存储数字信息的其它物理介质的形式。
[0152]
虽然本文已经明确描述了一个或多个示例的各种功能和特征的特定组合，但是这些特征和功能的其它组合同样是可能的。本公开不受本文公开的特定示例的限制，并且明确地合并了这些其它组合。