基于多波段滤光的分析装置及其应用的美容仪和化妆镜的制作方法

本实用新型涉及光谱分析设备领域，具体是一种基于多波段滤光的分析装置及其应用的美容仪和化妆镜。

背景技术：

随着图像处理技术的发展，通过获取皮肤图像，进而对图像进行分析，从而实现皮肤无创检测已成为皮肤美容保健领域的研究热点。同时随着人们的保健意识以及对护肤需求的不断提高，消费者对于皮肤各项特性如水分、肤质、皮肤老化及斑点情况等的检测装置有了更多的需求。

基于皮肤图像的分析装置其重点在于提取皮肤的光谱信息，其核心在于利用图像传感器对光谱信息的提取，传统的皮肤分析装置中的图像传感器通过彩色滤光片只能检测2～3种光谱信息，检测功能单一，无法检测完整光谱，从而导致其测试结果准确度差；同时针对紫外或近红外等特殊光谱信息，检测装置还需要复杂的光学结构，从而导致设备体积庞大，价格昂贵。因此，如何实现小型化、便携化并可以提取完整的光谱信息从而实现皮肤的准确检测是当前亟需解决的问题。

技术实现要素：

实用新型目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种基于多波段滤光的分析装置及其应用的美容仪和化妆镜。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型的一种基于多波段滤光的分析装置，包括控制器，控制器的输出端连接多波段滤光图像传感芯片的输入端，多波段滤光图像传感芯片的输出端连接光谱信息处理模块的输入端，所述光谱信息处理模块的输出端连接数据传输模块的第一输入端，所述数据传输模块的第一输出端连接大数据存储分析模块的输入端，数据传输模块的第二输出端连接显示模块的输入端，大数据存储分析模块的输出端连接数据传输模块的第二输入端；所述多波段滤光图像传感芯片包括基底电路层，所述基底电路层上电连接有光敏器件层；所述光敏器件层上设置有滤光结构层，所述滤光结构层上设置有透明的聚焦结构层，所述聚焦结构层用于将光线聚焦到滤光结构层，经过滤光结构层选择的波长信息被光敏器件层吸收，所述聚焦结构层的厚度等于波长，周期等于0.7倍的波长。

其中，所述聚焦结构层包括多个周期性排列的纳米柱，多个纳米柱能够在可见光范围内产生0-2π的相移。

其中，所述多个纳米柱排列成多个同心圆环，同一圆环内的纳米柱直径相同，不同圆环之间纳米柱自外向内逐渐增大。

其中，所述各个纳米柱为圆柱形或椭圆柱形。

其中，所述纳米柱为氮化硅纳米柱、金纳米柱或氮化镓纳米柱。

其中，所述滤光结构层由纳米线阵列组成，所述纳米线阵列包括至少四个子阵列，各子阵列包括多个纳米线，每个子阵列对应光敏器件层的一个像素点。

其中，所述同一子阵列内的纳米线具有相同的直径、高度和周期，不同子阵列内的纳米线的周期不同。

一种化妆镜，包括本实用新型的一种基于多波段滤光的分析装置。

一种手持式美容仪，包括本实用新型的一种基于多波段滤光的分析装置。

有益效果：本实用新型具有以下有益效果：

(1)多波段滤光图像传感芯片包括多波段滤光图像传感芯片，可以完整的提取皮肤表面的光谱信息。

(2)通过云端皮肤光谱信息图像大数据的对比，实现对提取的光谱信息的准确分析。

(3)整个装置便携化，小型化。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为化妆镜的结构示意图；

图3为多波段滤光图像传感芯片的结构示意图；

图4为滤光结构层的结构示意图；

图5为聚焦结构层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1所示，本实用新型包括控制器、多波段滤光图像传感芯片、光谱信息处理模块、数据传输模块、大数据存储分析模块、显示模块；控制器的输出端连接多波段滤光图像传感芯片的输入端，多波段滤光图像传感芯片的输出端连接光谱信息处理模块的输入端，所述光谱信息处理模块的输出端连接数据传输模块的第一输入端，所述数据传输模块的第一输出端连接大数据存储分析模块的输入端，数据传输模块的第二输出端连接显示模块的输入端，大数据存储分析模块的输出端连接数据传输模块的第二输入端。

控制器用于向检测模块发送需要检测的光谱的指令，比如需要检测含水量信息，检测原理为和水的吸收峰处在相同波段，但组织其它成分对于可见和近红外辐射的吸收较弱且吸收系数相同，而水分对于可见和近红外波段的光吸收吸收系数差异很大，从而可以通过对蓝光波段(400-520nm)、绿光波段(520-600nm)、红光波段(600-730nm)和近红外波段(730-900nm)的光谱图像信息来分析含水量，此时控制器发出需要检测这四种波段的指令。

多波段滤光图像传感芯片用于接收控制器指令并检测表面的光谱信息。

光谱信息处理模块与多波段滤光图像传感芯片相连，用于将检测的光谱信息进行处理，从而形成光谱信息图像。多波段滤光图像传感芯片是将吸收的光转换成电信号，因此需要根据检测的电信号进行处理形成光谱信息图像。

数据传输模块用于将形成的光谱信息图像传输至大数据存储分析模块，经过大数据存储分析模块分析后再接收分析结果，并传输至显示模块。本发明的数据传输模块可以为无线通信线圈、wifi、蓝牙等常用的无线传输模块。

大数据存储分析模块，用于接收光谱信息图像，并将光谱信息图像与云端储存的光谱信息图像大数据进行比对，从而获取光谱信息图像的分析结果，然后发送至光谱信息传输处理模块。本发明中的大数据存储分析模块可以为外部移动端，如手机等。

显示模块，用于显示光谱信息图像及分析结果。本发明中可以对肤质全脸分析、老化情况全脸分析、脸部血液循环、脸部含水量分布、斑点情况、肤色分析、脸型分析等进行检测，不仅可以获取对于分析项目的完整的脸部光谱信息图像，同时通过大数据对比从而实现分析的准确性。

多波段滤光图像传感芯片20包括基底电路层1，所述基底电路层1上电连接有光敏器件层2；所述光敏器件层2上设置有滤光结构层3，所述滤光结构层3上设置有透明的聚焦结构层6，所述聚焦结构层6用于将光线聚焦到光敏器件层2，所述聚焦结构层6的厚度等于波长，周期等于0.7倍的波长。所述聚焦结构层6包括多个周期性排列的圆柱形的纳米柱61，多个纳米柱61能够在可见光范围内产生0-2π的相移，所述多个纳米柱61排列成多个同心圆环，同一圆环内的纳米柱61直径相同，不同圆环之间氮化硅纳米柱61自外向内逐渐增大。所述滤光结构层3与聚焦结构层6之间设置有平坦层4，所述平坦层4和聚焦结构层6之间设置二氧化硅层5。

如图4所示，所述滤光结构层3由纳米线阵列组成，所述纳米线阵列包括至少四个子阵列31，各子阵列31包括多个纳米柱，每个子阵列31对应光敏器件层2的一个像素点。所述同一子阵列31内的纳米柱具有相同的直径、高度和周期，不同子阵列31内的纳米柱的直径、高度和周期不同。所述光敏器件层2包括多个光电二极管，各光电二极管构成一个像素点。纳米线阵列，纳米线宽度和高度比至少为10:1

具体地，基底电路层1为半导体材料，可以为硅或其它半导体化合物。光敏器件层2、滤光结构层3和聚焦结构层6都是在硅基底电路层1上通过薄膜沉积、光刻、刻蚀等半导体工艺集成在一起的，可以兼容现有的图像传感器cmos工艺，同时实现了聚焦、滤光、探测为一体，是实现小型化成像的核心。基底电路层1和光敏器件层2的组合可以是cmos传感芯片半成品晶圆。光敏器件层2由多个光电二极管组成，利用硅的光电效应，可以吸收光信号并转换成电信号。同时光敏器件层2是由像元阵列组成，每个像元表示一个像素点，即一个光电二极管。

滤光结构层3是由纳米线阵列组成，各纳米线阵列包括多个子阵列31，每个子阵列透射入射到所述子阵列表面上的一种波长的光，即每个子阵列31可以选择一种波长的光透过，同时波长是基于子阵列31内纳米柱的几何参数，本发明中滤光结构层3可以选择紫外-可见光-红外范围内的多个波长，同时纳米线阵列与光敏器件层2是相互对应的，每个子阵列对应光敏器件层2中的一个像素点。例如，如图3所示，一个纳米线阵列包括9个子阵列31，每个子阵列31可以选择一种波长透过，同时子阵列31对应的光敏器件层2的像素点可以检测对应波长的光，此时一个纳米线阵列可以选择9种波长透过，通过设置每个子阵列31内纳米柱的几何参数，从而可以改变波长。

如图5所示，本发明的聚焦结构层6为透明的低折射率材料，对可见光范围内的波长具有较大的透过率，其可以为透明导电氧化物、有机聚合物、氮化硅等，本发明中聚焦结构层6包括具有周期性排列的多个氮化硅纳米柱61，通过设置多个氮化硅纳米柱结构，可以在可见光范围内产生0到2π的相移，获得所需的任意的相位轮廓，同时保持大的传输幅度，从而可以实现在可见光范围内(400nm-700nm)具有恒定的焦距，本申请中使用氮化硅纳米柱结构可以实现高质量的表面透镜实现了高达90％的传输效率和40％的聚焦效率数值孔径达到0.75。本发明中氮化硅纳米柱61的形状为圆柱形，氮化硅纳米柱的周期p、直径d和厚度t都影响聚焦效果。周期和厚度会影响传输幅度，不同的厚度和周期会出现不同的谐振，谐振产生的宽共振会导致强烈变化的传输幅度，当t＝1.2λ和p＝0.4λ(λ为设计波长)，相位延迟和传输幅度对于所有模拟的柱直径都是连续的，传输幅度只有很小的变化，但此时纵横比较大，不适合制造；在确保适当的制造纵横比，同时保持整个相位范围的近似传输幅度，本申请优选参数t＝λ和p＝0.7λ，本发明中设计波长可为633nm，通过改变氮化硅纳米柱61的直径可以实现需要的相位轮廓，为实现0到2π的相移，作为一种实施方式，本发明可采用六个不同的氮化硅纳米柱直径，分别为192nm,242nm，292nm,342nm，392nm，442nm。各直径的氮化硅纳米柱61呈同心圆排列，氮化硅纳米柱61的直径自同心圆外向内依次增大。本发明中的聚焦结构层6结构简单，可以代替传统复杂的光学器件，实现在可见光谱范围内的所有波长的聚焦。

滤光结构层3与聚焦结构层6之间还包括平坦层4，用于填充滤光结构层3纳米柱之间的空隙。平坦层4一方面可以保护滤光结构层3的纳米柱，另一方面用于提供一个平坦表面，便于后续工艺的进行。平坦层可以为聚合物材料，比如pmma，可以利用旋涂后干燥实现。平坦层还可以为二氧化硅薄膜，此时沉积一定厚度后可以进行表面研磨工艺实现平坦化。在平坦层4和聚焦结构层6之间设置二氧化硅层5，平坦层4与聚焦结构层6的粘附性不好，通过沉积二氧化硅层5，可以改善聚焦结构层6的粘附性，另一方面，利用氮化硅纳米柱进行聚焦后，通过设置一定厚度的二氧化硅层5，可以将聚焦后的图像入射到整个光敏器件层2中，实现成像。

本发明利用纳米柱结构的滤光结构层3实现多种波长的滤光，从而提高多波段滤光成像效果以及多波段滤光检测的小型化；利用氮化硅纳米柱实现入射光的聚焦功能，从而可以代替复杂结构的光学透镜，实现可见光范围内的聚焦不会产生像差；同时聚焦结构层6、滤光结构层3以及光敏器件层2都集成在cmos晶圆上，从而可以实现多波段滤光成像装置的小型化和便携化。

传统的光学元件主要是依靠折射来控制光传播，折射很大程度上依赖与表面精确曲率，以实现逐渐的相位累积，而本发明中氮化硅纳米柱是一种平面透镜，其不是依靠光传播逐渐积累相位，而是在入射光的相位上产生离散的突然的变化，从而通过扁平和紧凑的方式替换现有的复杂光学部件。本发明中，也可以采用金属、非晶硅或氧化钛等高折射率材料形成平面透镜，但金属材料在光学频率有明显的损耗，氧化钛不能与cmos工艺兼容，而非晶硅吸收可见光和近红外光谱的光，同时这些高折射率材料会有局部共振产生以及由于空间位置导致的相位不连续性，从而出现色差的现象，这种色差表现为图像中与波长相关的模糊，从而基于表面的成像需要复杂的表面结构设计以及只能在窄波长范围内成像。氮化硅纳米柱具有cmos兼容性以及较低的可见光吸收，每个纳米柱顶部和底部界面都具有低反射率，从而可以减小入射光的共振；同时通过改变纳米柱直径，从而可以实现连续的相位变化，从而在可见光范围内实现聚焦。

本发明利用多波段滤光图像传感芯片20中不同微纳米结构对不同波段的光的特异性不同的特点，在不需要额外的外部光源的情况下，可以实现对完整光谱信息的提取，满足不同检测项目的需求并实现小型化便携化；另一方面通过检测数据的累积以及图像信息大数据的对比，从而实现对检测的准确性。

如图2所示，本发明中还可以包括化妆镜10，其大小为普通手机一半左右，化妆镜10顶部集成多波段滤光图像传感芯片20，同时设置控制按钮，控制按钮可以按分析项目区分，比如含水量分析、肤质分析等，同时也可以设置为按波段分，如近红外波段、紫外波段等。多波段滤光图像传感芯片20可以获取的光谱图像并通过显示屏进行显示。当作为普通镜子使用时，可以获得可见光光谱波段情况下的人脸图像，同时由于检测的可见光光谱波段较多，因此显示出的人脸图像与实际更加相符。当需要测试性能时，通过控制按钮从而可以获取需要检测项目的人脸光谱图像及分析结果。显示模块和数据传输模块可以集成在化妆镜10中。

控制器、光谱信息处理模块、数据传输模块、大数据存储分析模块、显示模块都是现有技术中分析设备的常用组成部分，这里面涉及的方法均可采用现有技术实现，没有创新，不是本实用新型所要保护的点。

本实用新型中可能会涉及一些软件程序，例如控制器内部可能会通过软件程序对其他模块进行控制，光谱信息处理模块可能会通过软件程序对光谱信息进行处理，但是这些软件程序都可以根据教科书、工具书、本领域的常规技术手段或者其他现有技术实现，不是本实用新型的创新之所在。本实用新型的创新仅仅在于分析装置的内部构造。