光谱传感器、光谱传感器模块和光谱仪以及光谱分析方法
【技术领域】
[0001]示范性实施例涉及使用纳米天线阵列的光谱传感器以及采用该光谱传感器的光谱仪。
【背景技术】
[0002]拉曼光谱用来测量由于照射到目标上的激发光而在目标中产生的非弹性散射以便进行各种材料的成分分析。
[0003]然而，由于其低的信号强度，非常难以测量非弹性散射。为了克服此缺点，需要一种用于放大信号强度的结构，因此，配置为测量非弹性散射的光学系统的结构变得非常庞大。
[0004]近来，已经进行各种研究以开发数据分析方法和尺寸减小的拉曼传感器用于减小光谱仪结构并改善其性能。
【发明内容】
[0005]提供了使用纳米天线阵列的光谱传感器以及采用该光谱传感器的光谱仪。
[0006]额外的方面将在以下的描述中被部分地阐述，并将部分地从该描述而显然或者可以通过实践给出的示范性实施例而掌握。
[0007]根据一个或多个示范性实施例的一方面，一种光谱传感器包括:纳米天线阵列，其至少包括具有不同的各自的共振波段的第一纳米天线和第二纳米天线；和光学探测器阵列，其包括分别检测来自第一纳米天线和第二纳米天线的光的第一光学探测器和第二光学探测器。
[0008]第一纳米天线和第二纳米天线的每个可以包括各自的支撑物和布置在相应的支撑物上的各自的多个等离激元纳米颗粒。
[0009]对于第一纳米天线和第二纳米天线的每个，各自的等离激元纳米颗粒可以形成为在导电材料层中突起的形式。
[0010]对于第一纳米天线和第二纳米天线的每个，各自的等离激元纳米颗粒可以形成为在导电材料层中凹陷的形式。
[0011 ] 对于第一纳米天线和第二纳米天线的每个，各自的支撑物可以由电介质材料形成。
[0012]对于第一纳米天线和第二纳米天线的每个，各自的支撑物可以由具有根据外部信号变化的至少一种光学特性的材料形成。
[0013]外部信号可以包括电信号、声波、热和机械力当中的至少一种。
[0014]第一纳米天线和第二纳米天线的每个可以包括:各自的上纳米结构层，具有第一堆叠结构以及形成为穿透第一堆叠结构的各自的第一多个纳米孔，其中在该第一堆叠结构中具有第一折射率的第一电介质层和具有比第一折射率高的第二折射率的第二电介质层沿第一方向交替地堆叠；各自的下纳米结构层，具有第二堆叠结构以及形成为穿透第二堆叠结构的各自的第二多个纳米孔，其中在第二堆叠结构中具有第三折射率的第三电介质层和具有比第三折射率高的第四折射率的第四电介质层沿第一方向交替地堆叠；以及由电介质材料形成的各自的中间层，设置在对应的上纳米结构层和对应的下纳米结构层之间。
[0015]第一堆叠结构和第二堆叠结构的每个的周期可以小于λ/2，其中λ表不对应的第一纳米天线或第二纳米天线的共振波长。
[0016]第一多个纳米孔和第二多个纳米孔的每个可以根据垂直于第一方向的平面上的预定规律周期性排列。
[0017]对应于预定规律的周期可以小于λ/3，其中λ表示对应的第一纳米天线或第二纳米天线的共振波长。
[0018]第一电介质层和第三电介质层可以由第一种相同的材料形成，第二电介质层和第四电介质层可以由第二种相同的材料形成。
[0019]第一和第二多个纳米孔的每个可以用空气和具有大于I的折射率的电介质材料中的至少一种填充。
[0020]形成在上纳米结构层中的第一多个纳米孔的每个通过穿透中间层而连接到形成在下纳米结构层中的第二多个纳米孔的相应一个。
[0021]根据一个或多个示范性实施例的另一方面，一种光谱传感器模块包括:光源，配置为朝向目标照射激发光；以及光谱传感器，包括纳米天线阵列和光学探测器阵列，纳米天线阵列包括具有不同的共振波段的多个纳米天线，光学探测器阵列包括分别检测来自所述多个纳米天线的光的多个光学探测器，光谱传感器配置为感测入射在其上的散射光，该散射光起源于照射的激发光。
[0022]光谱传感器可以配置为感测从目标反射的散射光。
[0023]光谱传感器模块还可以包括基部，该基部由透射材料形成并包括第一表面和面对第一表面的第二表面，其中光源布置在第一表面上并被配置为朝向目标透过第二表面照射激发光，光谱传感器布置在第一表面上并被配置为感测从目标入射的透过第二表面的散射光。
[0024]光谱传感器模块还可以包括光学透镜，该光学透镜布置在第二表面上并被配置为采集从光源朝向目标照射的激发光并采集从目标散射的散射光。
[0025]透射材料可以是柔性的。
[0026]光谱传感器模块可以配置为被佩戴在目标上。
[0027]光谱传感器可以配置为感测透过目标的散射光。
[0028]光谱传感器模块可以配置为以耳饰的形式被佩戴在目标上。
[0029]根据一个或多个示范性实施例的另一方面，一种光谱仪包括:光谱传感器模块，其包括光源和光谱传感器，光源配置为朝向目标照射激发光，光谱传感器包括纳米天线阵列和光学探测器阵列，纳米天线阵列包括具有不同的共振波段的多个纳米天线，光学探测器阵列包括分别检测来自所述多个纳米天线的光的多个光学探测器，光谱传感器被配置为感测入射在其上的散射光，该散射光起源于所照射的激发光；以及信号处理器，配置为根据由光谱传感器输出的信号来分析目标的至少一种物理特性。
[0030]光源还可以被配置为照射近红外波段的光。
[0031]信号处理器还可以被配置为通过使用拉曼光谱来分析目标的至少一种物理特性。
[0032]光谱传感器模块可以配置为被佩戴在目标上。
【附图说明】
[0033]从以下结合附图对示范性实施例的描述，这些和/或其它方面将变得明显并更易于理解，在附图中:
[0034]图1是根据示范性实施例的用于描述光谱传感器的示意性结构和操作的概念图；
[0035]图2A和2B示出在图1所示的光谱传感器中采用的纳米天线的示范性结构；
[0036]图3A、3B、3C、3D和3E示出在图2A和2B所示的纳米天线中采用的等离激元(plasmonic)纳米颗粒的示范性布置；
[0037]图4示出在图1所示的光谱传感器中可采用的纳米天线的另一示范性结构；
[0038]图5是沿图4中的线A-A’剖取的纳米天线的截面图；
[0039]图6A、6B和6C示出在图4所示的纳米天线中可采用的纳米孔的形状和布置的示例；
[0040]图7示出在图1所示的光谱传感器中可采用的纳米天线的另一示范性结构；
[0041]图8是示出根据示范性实施例的光谱仪的示意性结构的框图；
[0042]图9示出能够被用于图8所示的光谱仪中的光谱传感器模块的光学布置的一示例；
[0043]图10示出能够被用于图8所示的光谱仪中的光谱传感器模块的光学布置的另一示例；
[0044]图11示出根据另一示范性实施例的光谱仪的示意性结构；以及
[0045]图12示出根据另一示范性实施例的光谱仪的示意性结构。
【具体实施方式】
[0046]现在将详细参照示范性实施例，其示例在附图中示出，其中相似的附图标记始终指代相似的元件。在这点上，本示范性实施例可以具有不同的形式，而不应被解释为限于这里阐述的描述。因此，以下通过参照附图仅描述了示范性实施例以说明本说明书的多个方面。诸如“……中的至少一个”的表述，当在一列元件之后时，修饰整列元件，而不修饰该列的个别元件。
[0047]在下文，将参照附图详细地描述示范性实施例。在整个附图中，同样的附图标记指代同样的部件，为了附图的描述的清晰和方便，每个部件的尺寸可以已被夸大。如下所述的实施例仅是示范性的，自示范性实施例的各种变型可以是可能的。在下面的描述，诸如“之上”或“上”的表述可以包括“以非接触方式在……上”以及“以接触方式直接在……上”。
[0048]图1是根据示范性实施例的用于描述光谱传感器100的示意性结构和操作的概念图。
[0049]光谱传感器100可以包括:纳米天线阵列110，其包括具有不同的各自的共振波段的多个纳米天线111 ;以及光学探测器阵列120，其包括配置用于检测来自所述多个纳米天线111的光的多个光学探测器121。
[0050]每个纳米天线111将来自光谱分析对象的特定波长的光学信号L传送到光学探测器121。为此，为了共振和传送以各种角度入射的光的特定波长分量，确定用于各自的纳米天线ill的材料和结构。波长分量的传送方式可以是光的实际行进或基于近场的能量传送。如果共振波长在相邻的纳米天线111之间不同，则在纳米天线111中共振的光的能量分布(以空间模式形式)可以在相邻的纳米天线111之间相交。
[0051]每个纳米天线111的厚度和纳米天线111之间的间隔具有与子波长相似的尺寸，纳米天线111用于强烈地采集在预定波段的光。已知此功能是