小型光谱仪模块的制作方法

本公开涉及小型光谱仪模块。

背景技术：

光谱仪可以测量物质的物理和化学性质。通常，光谱仪被配置成将宽光谱电磁辐射引导到样品上，并收集从样品反射的宽光谱电磁辐射。光谱仪可以在照明或检测模式下贯穿宽范围的波长进行栅格化。

例如，光谱仪可以将包括宽范围的波长的照明引导到物质的样品上(诸如食品或化学制品等的物体)，并且在波长范围内递增地(或逐步地)收集从样本反射的光。以此方式，可以确定被引导到样本并且被样本吸收的那些波长。被吸收的波长例如可以对应于样品中内的特定振动模式的分子，从而提供有用的数据，如样品的组成。

普通物体的光谱仪数据对消费者可能特别有用；例如，可以从这样的数据中确定特定食物的纯度。然而，光谱仪通常都很大、高能耗、昂贵且难以操作。拥有较小占用空间(footprint)和减小的功耗需求的光谱仪可以集成到计算能力强大的便捷设备(例如，智能电话、笔记本电脑和平板电脑)中。这种集成可以使可携带性、对大量计算能力的访问以及对基于云的资源的访问成为可能，从而为用户提供特别有用的工具来收集任何数量的物体的光谱仪数据。

技术实现要素：

本公开描述了与现有技术的光谱仪相比，能够具有降低的占用空间和功耗的光谱仪模块。每个光谱仪模块包括设置在小型外壳内的照明通道以及设置在外壳内的与该照明通道邻近的检测通道。照明通道包括安装在由外壳划定的照明腔内的照明源。

每个光谱仪模块进一步包括与照明源对准的照明光学组件。照明源能够能操作为产生辐射。照明通道能操作为产生以照明场和照明轴为特征的辐射。检测通道包括安装在外壳中的检测腔内并且能够能操作为检测辐射的至少一部分的照明检测器。检测通道进一步包括与照明检测器对准的检测光学组件。检测通道以视场和检测轴为特征。进一步的，检测通道包括安装在检测光学组件与照明检测器之间的法布里-珀罗部件。该法布里-珀罗部件也与检测光学组件和照明检测器对准。另外，照明通道能够能操作为将辐射的一部分引导到物体，并且检测通道能够能操作为收集从该物体反射的辐射的一部分。

各种实现方式包括以下特征中的一个或多个。例如，一些实现方式包括安装在检测通道内并与照明检测器对准的光谱滤波器。

一些实现方式例如包括反射面，反射面能操作为反射由照明源发射的光并将所反射的光引导到物体。

一些实现方式例如包括抛物线型照明腔。

一些实现方式例如包括具有多个反射段的照明腔。

一些实现方式例如包括具有分段光学元件的照明光学组件。

一些实现方式例如包括安装到外壳并与照明通道和检测通道对准的光学组件安装部件。

一些实现方式例如包括具有与照明通道对准的照明通孔以及与检测通道对准的检测通孔的光学组件安装部件。

一些实现方式例如包括均填充有光谱滤波器的照明通孔和检测通孔。

一些实现方式例如包括直接安装到在照明通孔内填充的光谱滤波器的照明光学组件，并且检测组件直接安装到在检测通孔内填充的光谱滤波器。

一些实现方式例如包括照明通孔和检测通孔，照明通孔和检测通孔分别被照明光学组件和检测光学组件部分填充。

一些实现方式例如包括光谱滤波器，光谱滤波器能操作为阻挡与电磁光谱的红外部分相对应的光的波长。

一些实现方式例如包括被限于+/-5度的关于检测轴的检测角度。

一些实现方式例如包括安装在检测通道内的光圈。该光圈能够能操作为允许自物体反射并且被检测通道收集的辐射的一部分被限于关于检测轴的检测角度。

一些实现方式例如包括具有相对的第一侧和第二侧的照明腔。该第一侧与检测通道邻近并且该第二侧被设置在照明腔的相对侧上。在一些例子中，反射面被设置在照明腔的第一侧上。

一些实现方式例如包括具有相对的第一侧和第二侧的照明腔。该第一侧与检测通道邻近并且该第二侧被设置在照明腔的相对侧上。在一些例子中，反射面被设置在照明腔的第二侧上。

一些实现方式例如包括以照明轴为特征的照明通道以及以细长轴为特征的照明源。照明源安装在照明腔中，使得该细长轴与照明轴大致平行。

一些实现方式例如包括以照明轴为特征的照明通道以及以细长轴为特征的照明源。照明源安装在照明腔中，使得该细长轴与照明轴大致垂直。

一些实现方式例如包括以照明轴为特征的照明通道以及以细长轴为特征的照明源。照明源安装在照明腔中，使得该细长轴相对于照明轴在20度与70度之间的角度。

一些实现方式例如包括具有相对的第一侧和第二侧的照明腔。该第一侧与检测通道邻近并且该第二侧被设置在照明腔的相对侧上。在一些例子中，反射面被设置在照明腔的第二侧上。

一些实现方式例如包括具有相对的第一侧和第二侧的照明腔。该第一侧与检测通道邻近并且该第二侧被设置在照明腔的相对侧上。在一些例子中，反射面被设置在照明腔的第一侧和第二侧上。

根据附图和所附权利要求书，其他方面、特点和优点将容易明白。

附图说明

图1a描绘光谱仪模块的示例。

图1b描绘在1a中描绘的光谱仪模块的检测通道的一部分的放大视图。

图2描绘包括具有分段光学元件的照明组件的光谱仪模块的另一示例。

图3描绘包括具有多个反射段的照明腔的光谱仪模块的又一示例。

图4a描绘包括光学组件安装部件的光谱仪模块的再一示例。

图4b和图4c描绘在图4a中描绘的光学组装安装部件的可替代布置的放大视图。

图5a描绘光谱仪模块的示例。

图5b描绘光谱仪模块的另一示例。

具体实施方式

如图1a中所示，光谱仪模块100包括具有照明场104和照明场轴105(例如，照明场104的平分线)的照明通道102。照明通道102可以至少部分放置在外壳106内。外壳106可以例如为注塑成型的隔片或封装在聚合物或陶瓷中的引线框架。在一些例子中，外壳可以是具有划定照明通道102的孔或通孔的印刷电路板(printedcircuitboard，pcb)。

光谱仪模块100进一步包括具有视场110和检测轴112的检测通道108。检测通道108至少部分放置在外壳106内，并且与照明通道102邻近。照明场104和视场110的一部分重叠。如上，在外壳106是具有孔或通孔的pcb的例子中，孔或通孔可以划定检测通道108。

照明通道102包括以细长轴115为特征的照明源114。尽管在图1a至图5b中描绘的示例实现方式中，照明源114包括细长轴，但照明源114不必包括细长轴115。例如，照明源可以是大致球形或立方体的。

在图1a和图1b中描绘的示例实现方式中，照明源114安装在照明腔116内，使得细长轴115与照明轴105大致平行。在一些例子中，照明源114可以偏离照明腔116的中心(下面将更详细地进行描述)。

照明腔116由外壳106划定。例如，照明腔116可以是外壳106内的孔或通孔。照明腔116可以以各种各样的几何形式或形状为特征，例如圆锥体、长方形、圆柱体或抛物线型。

照明通道102进一步包括与照明源114对准的照明光学组件118。光学组件118可以包括任意数量的折射和/或衍射透镜。在一些例子中，光学组件118可以包括光谱滤波器。光谱滤波器能够能操作为例如阻挡与电磁光谱的红外部分相对应的光的波长。在一些例子中，光学组件118可以包括微透镜阵列或分段光学元件(如分段折射透镜)。

照明源114能操作为产生辐射120。照明源114能够能操作为发射宽光谱的波长。例如，该辐射120可以包括延伸贯穿电磁光谱的可见和红外部分的波长。在一些例子中，照明源114可以包括能操作为发射宽光谱的波长的半导体阵列。在一些例子中，照明源114可以包括能操作为发射宽光谱的波长的激光二极管或发光二极管的阵列。在一些例子中，照明源114可以包括一个或多个磷光体，其与半导体、激光二极管或发光二极管的阵列结合，能够能操作为发射宽光谱的波长。在一些例子中，可以将对准确定为照明源114和照明光学组件118的、产生最有效的辐射120的布置。

检测通道108包括安装在外壳106中的检测腔124内的照明检测器122。在一些例子中，照明腔124由外壳106内的孔或通孔划定。照明检测器122可以为光电二极管、光电二极管阵列、互补金属-氧化物半导体传感器阵列、电荷耦合器件或者电荷耦合器件阵列。照明检测器122能操作为检测宽光谱的波长并且因此能操作为检测辐射120的至少一部分。

检测通道108进一步包括与照明检测器122对准的检测光学组件126。检测光学组件126可以包括任意数量的折射和/或衍射透镜。在一些例子中，检测光学组件126可以包括光谱滤波器。在一些例子中，检测光学组件126可以包括微透镜阵列或分段光学元件(如分段折射透镜)。

检测通道108进一步包括安装在检测光学组件126与照明检测器122之间并且与检测光学组件126和照明检测器122对准的法布里-珀罗部件128。法布里-珀罗部件128能操作为将窄光谱的波长传给照明检测器。例如，法布里-珀罗部件128可以包括基于微机电系统的器件或压电致动器，使得部件可致动且可将窄光谱的波长传给照明检测器。

照明通道102能操作为将辐射120引导到物体130，并且检测通道108能操作为部分由于视场和照明场的重叠而收集从物体130反射的辐射120的一部分。在一些例子中，照明光学组件118能操作为将视场104向检测通道108引导，使得自物体130反射的光以较低的入射角入射到检测通道108上。在一些例子中，可以将对准确定为照明检测器122和检测光学组件126的、收集自物体130反射的最多光的布置。

在一些例子中，检测通道108可以包括在检测通道108内安装、形成或沉积的光圈132。光圈132能够能操作为允许自物体130反射并且由检测通道108收集的辐射120的部分限于如图1b中描绘的关于检测轴112的检测角度ɑ。例如，关于检测轴112的检测角度ɑ可以被限于+/-5度。检测角度ɑ，与法布里-珀罗部件128以及光谱仪模块100内的其他部件结合，可以确定入射在照明检测器122上的波长范围，从而至少部分地确定光谱仪模块100的光谱分辨率。该光谱分辨率可以取决于光谱仪模块100的预期应用，因此，+/-5度的检测角ɑ只是示例。在一些实现方式中可使用其他的检测角ɑ。

在一些例子中，检测通道108可以包括安装在检测通道108内且与照明检测器122对准的光谱滤波器134。

在一些例子中，照明腔102包括能操作为反射由照明源发射的光且进一步能操作为将反射光的大部分引导到物体130的反射面136。反射面136有助于防止照明腔116与检测腔124之间的串扰。在一些例子中，照明腔102是抛物线型且能操作为向照明光学组件118和/或直接向物体130反射光。在一些例子中，光可以反射回到照明源114，其中反射的光可以激发更多光的发射(例如，与反射的光不同的波长，例如较长波长的光)。此外，在一些例子中，照明源114可以偏离光学腔116的中心。该偏离可以允许辐射120的一大部分被引导至目标130，使得入射在法布里-珀罗部件128上的光的一大部分在检测角度ɑ内(如上所述)。相应地，辐射120可以被照明检测器122更有效地收集，从而在一些情况下允许节省大量电力。

在一些实现方式中，照明腔116包括相对的第一侧和第二侧。第一侧与检测通道108邻近并且第二侧被设置在照明腔116的相对侧上。在一些例子中，例如在图1a和图1b中描绘的实现方式中，反射面136被设置在照明腔116的第一侧上。在一些实现方式中，第一侧和第二侧不是相对的。例如，第一侧和第二侧可以彼此邻近。

图2描绘了光谱仪模块100的另一示例实现方式。光谱仪模块100进一步包括分段光学元件140。在一些例子中，照明光学组件118可以能操作为将照明场104和照明场轴105引向检测通道108，使得自物体130反射的光以较低的入射角入射在检测通道108上。在一些例子中，分段光学元件140可以如上所述引导视场104。

在一些例子中，辐射120直接入射在物体130上，如图2中的辐射分量120a所示。在一些例子中，辐射120从照明腔116的表面反射并且被引导至照明光学组件118，如图2中的辐射分量120b所示。

在一些例子中，例如在图2中描绘的实现方式中，反射面136被设置在照明腔116的第一侧和第二侧上。这样的配置可以改善光谱仪模块100的效率，从而与现有技术的光谱仪相比降低功耗。

在图2中描绘的示例实现方式中，入射在光学组件118上的辐射120的部分被引导到物体130，如分量120c所示。入射在物体130上并从物体130反射的部分辐射被引导至检测通道108，如分量120d所示。在一些例子中，辐射120可以从腔102的表面反射回到照明源114。反射的光可以激发更多光的发射(例如，与反射光不同的波长)。在一些例子中，光学组件118能操作为将辐射120的一大部分引导至目标，使得入射在法布里-珀罗部件128上的光的一大部分在检测角度ɑ内。相应地，辐射120可以被照明检测器122更有效地采集，从而在一些情况下允许节省大量的电力。

图3描绘了光谱仪模块100的又一示例实现方式。光谱仪模块100包括具有多个反射段138的照明腔102。多个反射段138能够能操作为将辐射120引导至照明光学组件118、照明腔102的其他部分、直接引向物体130和/或引导回至光源114。

图4描绘了光谱仪模块100的再一示例实现方式。光谱仪模块100进一步包括光学组件安装部件142，该光学组件安装部件142被安装至外壳106并与照明通道102和检测通道108对准。例如，光学组件安装部件可以为pcb。在一些例子中，光学组件安装部件142包括与照明通道102对准的照明通孔144以及与检测通道108对准的检测通孔146。在一些例子中，照明通孔144和检测通孔146被光谱滤波器148填充。在一些例子中，照明光学组件118直接安装至照明通孔144中填充的光谱滤波器148，并且检测光学组件126直接安装至检测通孔146中填充的光谱滤波器148。在一些例子中，照明通孔144和检测通孔146分别被照明光学组件118和检测光学组件126部分填充。

图4b和图4c描绘了图4a中描绘并如上所述的光学组件安装部件的可替代布置的放大视图。照明通孔144内的照明光学组件的一部分被示为部件118b。安装在照明通孔144上方的照明光学组件的一部分被示为部件118a。

图5a描绘了光谱仪模块100的另一示例实现方式。在此实现方式中，照明源114被安装在照明腔116内，使得细长轴115与照明轴105大致垂直。这一实现方式以较小的模块高度为特征。

图5b描绘了光谱仪模块100的另一示例实现方式。在此实现方式中，照明源114被安装在照明腔116内，使得细长轴115与照明轴105大致垂直，如图5a中的。在一些例子中，例如在图5b中描绘的实现方式中，反射面136被设置在照明腔116的第二侧上。这一配置可以改善光谱仪模块100的效率，同时最小化光谱仪模块100的占用空间。

可以对上述实现方式进行各种修改，并且可以在同一实现方式中组合上面在不同实现方式中描述的特征。因此，其他实现方式都在权利要求书的范围内。