光谱仪、便携式设备和用于检测电磁辐射的方法与流程

珀罗干涉滤波器。法布里-珀罗干涉滤波器可以包括nb
205
和/或ai2o3。
10.所述光谱仪还包括光学检测器。光学检测器被配置为检测电磁辐射。为此，所述光学检测器被配置为将到达光学检测器的电磁辐射转换为调制的电压信号。光学检测器可以是单个光学检测器。或者，光学检测器可以包括布置成线或矩阵阵列的多个检测器。
11.所述光谱仪还包括具有主延伸平面的集成电路。集成电路可以是专用集成电路。集成电路可以被配置为读取和放大光学检测器的调制的电压信号。集成电路还可以被配置为控制光学检测器的读出频率。
12.所述光谱仪还包括用于由发射器发射的、经由样品区域、调制单元和滤光器朝向光学检测器的电磁辐射的光路。这意味着，在操作期间发射器发射的电磁辐射的至少一部分经样品区域、调制单元和滤光器到达光学检测器。在操作期间由发射器发射的电磁辐射的至少一部分在朝向光学检测器的途中穿过样品区域、调制单元和滤光器。在发射器和滤光器之间存在光路可以意味着在操作期间由发射器发射的电磁辐射的至少一部分在其从发射器朝向光学检测器的途中未被吸收或被反射。
13.所述电致变色材料与所述集成电路电连接。电致变色材料可以经由第一电极和第二电极与集成电路电连接。集成电路可以被配置为控制调制单元的频率。这意味着，集成电路可以被配置为控制施加到电致变色材料的电压的频率。施加到电致变色材料的电压的频率可以小于10khz。
14.所述调制单元被配置为在时间上调制电磁辐射。调制单元可以被配置为在时间上调制由发射器发射的电磁辐射。这可能意味着通过调制单元的电磁辐射的强度被调制。例如，在第一时刻通过调制单元的电磁辐射的强度可以不同于在第二时刻的强度。调制后，电磁辐射的强度可以随时间变化。特别是，被调制的电磁辐射的强度随时间周期性地变化。
15.本文中描述的光谱仪可以配置为以更高的精度检测可见光和/或红外范围内的电磁辐射。此外，光谱仪可以配置得非常紧凑，并集成在便携式设备中。
16.为了进行测量，将样品放置在样品区域的顶侧。这意味着，将固体或液体放置在样品区域上，或将光谱仪放置在待检测气体的环境中。在这种情况下，样品区域与气体直接接触。发射器发射的电磁辐射被样品物质透射、反射或吸收。因此，经由样品区域向光学检测器传输的波长的强度根据样品物质的吸收特性或反射特性而变化。通过这种方式可以分析不同的材料。
17.光谱仪可以配置得特别小，因为可以采用不需要冷却的光学检测器。在许多情况下，光学检测器需要冷却以提高精度。对于本文描述的光谱仪的情况，精度以另一种方式得到提高。
18.由光学检测器检测的电磁辐射通过调制单元。在调制单元中，电磁辐射被时间调制。调制的频率由集成电路决定。集成电路可以包括锁定检测功能。这意味着，对于所调制的电磁辐射的已知调制频率，甚至可以检测到强度很小的电磁辐射。通过这种方式，信噪比得到改善。由于可以检测到非常小强度的电磁辐射，因此可以使用具有低检测率的光学检测器，例如热检测器或光子检测器。检测器不需要冷却，这就是为什么光谱仪的尺寸可以很小的原因。还可以采用更可靠且热漂移更小的低功耗发射器。此外，低功耗发射器对于消费类应用更安全。
19.总而言之，光谱仪的所有部件可以集成在一个紧凑的部件中。特别地，光谱仪的全
部或部分可以是单片集成的。这意味着光谱仪的不同部分可以相互叠加。因此，光谱仪可以非常小并且成本降低。此外，通过将样品区域布置在光谱仪的外表面，节省了空间。
20.根据所述光谱仪的至少一个实施例，滤光器被配置为传输由调制单元调制的电磁辐射。对于由发射器发射并由调制单元调制的电磁辐射，滤光器可以具有至少0.9的透射系数。特别地，所述滤光器对于由发射器发射并由调制单元调制的电磁辐射具有至少0.95的透射系数。对于波长与发射器发射的波长不同的电磁辐射，滤光器还可以具有至少0.8的吸收系数。通过这种方式，滤光器吸收不希望被光学检测器检测到的电磁辐射。因此，可以提高光谱仪的信噪比。
21.根据所述光谱仪的至少一个实施例，集成电路包括锁定检测功能。锁定检测功能是一种相位敏感技术，用于提取隐藏在噪声中的低电平信号。在这种情况下，锁定检测功能用于检测由调制单元调制的电磁辐射。到达光学检测器的电磁辐射还可以具有除由调制单元调制的电磁辐射之外的其他分量。锁定检测功能能够从环境电磁辐射中提取调制的电磁辐射。因此，采用锁定检测功能提高了信噪比。
22.根据所述光谱仪的至少一个实施例，光学检测器被配置为检测可见光和红外范围内的电磁辐射。特别地，所述光学检测器被配置为检测红外范围内的电磁辐射。由于光谱仪的设置，可以使用远红外范围敏感的光学检测器。远红外范围内的灵敏度(例如高达10μm)是有利的，因为可以分析更宽范围的材料。
23.根据所述光谱仪的至少一个实施例，光学检测器是光子检测器或热检测器。这两个检测器都不需要在本文描述的光谱仪中进行冷却。通过采用调制单元和集成电路的锁定检测功能来优化检测器的灵敏度。光子检测器的优点是它们具有高的探测率。热检测器的优点是它们可以探测宽波长范围内的电磁辐射。通过使用光子检测器或热检测器，可以减小光谱仪的尺寸，因为不需要冷却，并且还可以降低光谱仪的成本。
24.根据所述光谱仪的至少一个实施例，另外的光学检测器邻近发射器布置。该另外的光学检测器可以配置为检测由发射器发射且在样品物质处被反射的电磁辐射。这意味着，存在从发射器经由样品区域朝向该另外的光学检测器的光路。通过检测从调制单元反射回来的电磁辐射，可以确定和校准发射器的温度漂移。通过这种方式，可以对光谱仪进行更可重复和更可靠的测量。
25.根据所述光谱仪的至少一个实施例，发射器、调制单元、滤光器、光学检测器和集成电路布置在样品区域的同一侧。换言之，在垂直于集成电路的主延伸平面的垂直方向上，发射器、调制单元、滤光器、光学检测器和集成电路布置在样品区域下方。这意味着，样品区域可以布置在光谱仪的顶侧。这种布置具有的优点是，样品物质可以布置在样品区域上。这使得能够分析各种不同的材料。此外，光谱仪具有非常紧凑的设计，因此可以将光谱仪集成到小型便携式设备中。为了光谱仪的紧凑设计，光谱仪的部件可以集成在一起。这意味着，光谱仪的不同部件可以彼此重叠。
26.根据所述光谱仪的至少一个实施例，在垂直于集成电路的主延伸平面的垂直方向上，调制单元布置在发射器和样品区域之间。这意味着，发射器发射的电磁辐射在到达样品区域之前由调制单元调制。这种布置使得光谱仪的设计非常紧凑。
27.根据所述光谱仪的至少一个实施例，透射区域在垂直方向上布置在样品区域和发射器之间，其中透射区域对于发射器发射的电磁辐射具有至少0.7的透射率。特别地，透射
区域对于发射器发射的电磁辐射具有至少0.9的透射率。透射区域还可以在垂直方向上布置在样品区域和光学检测器之间。这意味着透射区域覆盖发射器和光学检测器。发射器发射的电磁辐射可以经透射区域到达样品区域。此外，发射器发射的电磁辐射可以经透射区域到达光学检测器。与样品区域紧密接触或直接接触的样品物质的存在改变了传输到光学检测器的电磁辐射的波长的强度。从该特性可以确定样品物质的强度特性的变化。
28.根据所述光谱仪的至少一个实施例，样品区域在垂直方向上布置在发射器和光学检测器之间，并且样品区域布置为邻近光谱仪内的开口。在垂直方向上，发射器布置在样品区域上方，样品区域布置在光学检测器上方。光谱仪内的开口与光谱仪的环境直接接触。这意味着，光谱仪环境中的气体可以到达开口，从而到达样品区域。该开口可以被光谱仪从至少两个不同侧面包围。开口可以是延伸穿过光谱仪的通道。为了分析样品物质，必须将样品物质放置在开口内。例如，气体很容易到达开口。发射器发射的电磁辐射可以穿过开口和样品物质。由此，由样品物质透射的波长的强度根据样品物质的吸收特性而改变。通过光学检测器检测透射的电磁辐射，可以确定样品物质的性质。因此，光谱仪能够分析不同的材料。
29.根据所述光谱仪的至少一个实施例，滤光器在垂直方向上布置在调制单元和光学检测器之间。在通过样品区域或透射区域之后，发射器发射的电磁辐射到达调制单元。在电磁辐射的调制之后，不需要的分量被滤光器滤除。随后，电磁辐射由光学检测器检测。由于采用了锁定技术，可以以更高的精度检测感兴趣的波长。
30.根据所述光谱仪的至少一个实施例，调制单元在垂直方向上在布置在滤光器和光学检测器之间。在通过样品区域或透射区域之后，发射器发射的电磁辐射到达滤光器并且滤除不需要的分量。然后，经滤波的电磁辐射由调制单元调制。随后，电磁辐射由光学检测器检测。由于采用了锁定技术，可以以更高的精度检测感兴趣的波长。
31.此外，提供了一种用于消费类电子产品市场的便携式设备。所述便携式设备包括所述光谱仪。所述便携式设备特别是移动电话、可穿戴或膝上型计算机。所述光谱仪特别适用于便携式设备，因为它可以设计得非常小。
32.此外，提供了一种用于检测电磁辐射的方法。所述光谱仪可以优选地用于本文描述的检测电磁辐射的方法。这意味着对光谱仪公开的所有特征也对用于检测电磁辐射的方法公开，反之亦然。
33.根据用于检测电磁辐射的方法的至少一个实施例，所述方法包括由发射器发射电磁辐射。发射器发射的电磁辐射可以是宽带和/或在可见光和红外范围内。
34.所述方法还包括将发射的电磁辐射引导到样品区域。为此，发射器发射的电磁辐射可以在样品区域的方向上发射。在这种情况下，不需要重定向电磁辐射。这意味着，发射器的发射主面面向样品区域。
35.所述方法还包括将样品物质放置在样品区域上或上方。如果样品物质是固体或液体，它能够直接放置在样品区域上。如果样品物质是气体，可以在光谱仪的环境中提供气体。以这种方式，气体与样品区域直接接触或靠近样品区域。
36.所述方法还包括在包括电致变色材料的调制单元中对发射器发射的电磁辐射进行时间调制。通过向电致变色材料施加调制电压来对电磁辐射进行时间调制。电致变色材料根据施加的电压改变它的透射率。因此，具有电致变色材料的调制单元具有斩波器的效果。
37.所述方法还包括通过滤光器传输预定波长范围内的电磁辐射。所述预定波长范围取决于滤光器的特性。所述滤光器可以被配置为在预定波长范围内具有至少0.8的透射系数。进一步可能的是，滤光器在预定波长范围内具有至少0.9的透射系数。
38.所述方法还包括通过光学检测器检测由滤光器传输的电磁辐射。
39.所述调制单元的调制由集成电路控制。这能够意味着集成电路被配置为向调制单元施加电压。为此，调制单元的电致变色材料与集成电路电连接。
40.由于电磁辐射被调制单元调制，因此可以通过锁定技术检测电磁辐射。在集成电路中采用电致变色材料来调制待检测的电磁辐射和锁定技术的组合使得能够以改进的精度检测电磁辐射，特别是对于可见光和/或红外范围内的电磁辐射。由于光谱仪的部件可以非常紧凑地布置，因此光谱仪可以有利地集成到小型设备中，例如便携式设备。
41.根据所述方法的至少一个实施例，由发射器发射的电磁辐射在通过滤光器之前被调制，并且滤光器被配置为传输所调制的电磁辐射。通过这种方式，光学检测器所要检测的电磁辐射的信噪比进一步提高。
42.以下对附图的描述可以进一步说明和解释示例性实施例。功能相同或具有相同效果的部件由相同的参考标记表示。相同或有效相同的部件可能仅参照它们首先出现的附图来描述。它们的描述不一定在后续的图中重复。
43.图1a、图1b、图1c、图1d和图1e示出光谱仪的示例性实施例。
44.图2a、图2b、图2c、图2d和图2e示出光谱仪的另外的示例性实施例。
45.图3示出光谱仪的示例性实施例的横截面。
46.图4示出调制单元的示例性实施例。
47.图5示出通过调制单元的模拟传输。
48.图6示出调制单元的另一个示例性实施例。
49.图7示出便携式设备的示例性实施例。
50.在图1a中，示出了光谱仪10的示例性实施例。光谱仪10包括被配置为发射电磁辐射的发射器11。发射器11与布置在光谱仪10的外表面13处的样品区域12相邻布置。样品区域12与光谱仪10内的开口22相邻布置。开口22可完全延伸穿过光谱仪10。开口22布置在发射器11和调制单元14之间。这意味着，开口22是发射器11和调制单元14之间的通道。样品区域12位于光谱仪10的位于开口22内的外表面处。在开口22内，光谱仪10的外表面与光谱仪10的环境直接接触。开口22可配置为使得来自光谱仪10的环境的气体能够透过开口22。
51.调制单元14包括电致变色材料。此外，调制单元14被配置成在时间上调制电磁辐射。光谱仪10还包括滤光器15，调制单元14布置在滤光器上。滤光器15布置在光学检测器16上。滤光器15被配置成传输由调制单元14调制的电磁辐射。此外，光学检测器16被配置成检测可见光和红外范围内的电磁辐射。光学检测器16可以是光子检测器或热检测器。光学检测器16布置在集成电路17上，该集成电路17具有主延伸平面并且包括锁定检测功能。调制单元14的电致变色材料与集成电路17电连接。这样，集成电路17能够控制调制频率。
52.在该配置中，存在用于由发射器11发射的经由样品区域12、调制单元14和滤光器15朝向光学检测器16的电磁辐射的光路。
53.在垂直于集成电路17的主延伸平面的垂直方向z上，样品区域12布置在发射器11和光学检测器16之间。滤光器15沿垂直方向z布置在调制单元14和光学检测器16之间。开口
22沿平行于集成电路17的主延伸平面的横向方向x延伸穿过光谱仪10。
54.可选地，另外的光学检测器18与发射器11相邻布置。由于所述另外的光学检测器18是可选的，它仅通过虚线与发射器11隔开。所述另外的光学检测器18被配置为检测由发射器11发射并被开口22内的样品物质或调制单元14反射的电磁辐射。这样可以确定和校准发射器11的温度漂移，这使得光谱仪10的测量更具可重复性和更可靠。图1a所示的实施例特别适用于监测发射器11的温度漂移。
55.本文描述的光谱仪10可用于检测电磁辐射的方法中。所述方法包括通过发射器11发射电磁辐射。发射的电磁辐射被引导到样品区域12。在图1a中，发射器11主要在样品区域12的方向上发射电磁辐射。样品物质被放在样品区域12上或上方。样品物质可以是固体、液体或气体。图1a所示的实施例最适合气体，因为它们很容易到达开口22。之后，由发射器11发射并由样品物质透射的电磁辐射在调制单元14中进行时间调制。滤光器15传输预定的波长范围内的电磁辐射。此外，滤光器15被配置为传输调制的电磁辐射。随后，由滤光器15传输的电磁辐射被光学检测器16检测。光学检测器16将到达光学检测器16的电磁辐射转换为调制的电压信号。所述电压信号由集成电路17放大。从电压信号可以确定由样品物质透射的电磁辐射的强度如何被样品物质改变。这样就可以确定样品物质的性质。
56.图1b示出光谱仪10的另一个示例性实施例。该设置与图1a的设置的不同之处在于调制单元14和滤光器15布置在样品区域12的上方。这意味着，调制单元14沿垂直方向z布置在发射器11和滤光器15之间。滤光器15沿垂直方向z布置在样品区域12和调制单元14之间。
57.图1c示出光谱仪10的另一个示例性实施例。该设置与图1a的设置的不同之处在于调制单元14沿垂直方向z布置在发射器11和样品区域12之间。样品区域12沿垂直方向z布置在调制单元14和滤光器15之间。
58.图1d示出光谱仪10的另一个示例性实施例。该设置与图1b的设置的不同之处在于调制单元14和滤光器15的位置交换。这意味着，滤光器15沿垂直方向z布置在发射器11和调制单元14之间。调制单元14沿垂直方向z布置在滤光器15和样品区域12之间。
59.图1e示出光谱仪10的另一个示例性实施例。该设置与图1a的设置的不同之处在于滤光器15和调制单元14的位置交换。这意味着，滤光器15沿垂直方向z布置在样品区域12和调制单元14之间。调制单元14沿垂直方向z布置在滤光器15和光学检测器16之间。
60.图1a、图1b、图1c、图1d和图1e所示的实施例是将光谱仪10的各个部件彼此叠置的不同可能性。光谱仪10的一些部件或全部部件可以单片集成。这意味着，光谱仪10的一些部件或全部部件可以直接彼此叠置。
61.图2a、图2b、图2c、图2d和图2e示出光谱仪10的另一组示例性实施例。这些布置与先前图中所示的实施例的不同之处在于样品区域12布置在光谱仪10的顶侧19。这意味着发射器11、调制单元14、滤光器15、光学检测器16和集成电路17布置在样品区域12的同一侧。
62.图2a示出光谱仪10的另一个示例性实施例。在集成电路17上布置了发射器11。可选地，另外的光学检测器18与集成电路17上的发射器11相邻布置。沿横向方向x，在发射器11旁边，光学检测器16被布置在集成电路17上，其中所述横向方向x平行于集成电路17的主延伸平面延伸。在光学检测器16上布置有滤光器15。在滤光器15上布置有调制单元14。在发射器11、另外的光学检测器18和调制单元14上布置有透射区域21。透射区域21对于由发射器11发射的电磁辐射具有至少0.7的透射率。在透射区域21的顶部布置有样品区域12。这意
味着，样品区域12被布置在光谱仪10的顶侧19。光谱仪10的顶侧19形成外表面13。样品物质可以容易地放置在样品区域12上。图2a至图2e所示的实施例特别适用于各种样品物质。固体和液体可以放置在样品区域12上，气体可以在光谱仪10的环境中提供。
63.图2b示出光谱仪10的另一个示例性实施例。该设置与图2a所示的设置的不同之处在于调制单元14布置在发射器11的顶部。此外，滤光器15布置在调制单元14的顶部。光学检测器16沿横向方向x布置在发射器11、调制单元14和滤光器15旁边。
64.图2c示出光谱仪10的另一个示例性实施例。该设置与图2a中所示的设置的不同之处在于调制单元14布置在发射器11的顶部。滤光器15和光学检测器16沿横向方向x布置在发射器11和调制单元14旁边。
65.图2d示出光谱仪10的另一个示例性实施例。该设置与图2b中所示的设置的不同之处在于调制单元14和滤光器15的位置交换。这意味着，发射器11、滤光器15和调制单元14沿横向方向x布置在光学检测器16旁边。
66.图2e示出光谱仪10的另一个示例性实施例。该设置与图2a中所示的设置的不同之处在于滤光器15和调制单元14的位置交换。这意味着，调制单元14沿垂直方向z布置在滤光器15和光学检测器16之间。
67.图3示出光谱仪10的另一示例性实施例的横截面。发射器11和另外的光学检测器18彼此相邻地布置在集成电路17上。调制单元14布置在发射器11和另外的光学检测器18的上方。此外，光学检测器16布置在集成电路17上。光学检测器16与另外的光学检测器18和发射器11间隔开地布置。滤光器15布置在光学检测器16的上方。样品区域12布置在调制单元14和滤光器15的上方。发射器11和光学检测器16布置在光谱仪10的不同空腔20中。
68.图4示出调制单元14的示例性实施例。调制单元14包括第一电极27，电荷存储层25布置在第一电极27上。在电荷存储层25上布置有离子传导层24。在离子传导层24上布置有包括电致变色材料的活性层26。在活性层26上布置有网格形状的第二电极28。第二电极28能够足够薄，使得其具有至少0.9的透射率。
69.图5示出通过调制单元14的模拟传输。在x轴上，波长以纳米为单位绘制。在y轴上，传输以百分比表示。模拟了布置在作为滤光器15的法布里-珀罗干涉滤波器上的调制单元14的传输。滤光器15具有1500nm的峰值传输。第一电极27和第二电极28不包括在模拟中。
70.连续线示出不带调制单元14的滤光器15的传输。点状线示出带调制单元14的滤光器15在电致变色材料的最大传输状态下的传输。虚线示出带调制单元14的滤光器15在电致变色材料的最小传输状态下的传输。通过引入调制单元14，最大传输略微降低。对于电致变色材料的最小传输状态，总传输降低到5％以下。通过在最大传输状态和最小传输状态之间切换，通过调制单元14的电磁辐射被调制。
71.图6示出调制单元14的另一个示例性实施例。调制单元14具有如图4所示的设置。图6示出调制单元14在集成电路17顶部的布置。调制单元14由第一金属支架29和第二金属支架30固定在集成电路17的表面上方。调制单元14夹持在金属支架29和金属支架30之间。这样，调制单元14的位置固定。通过金属支架29、金属支架30，调制单元14与集成电路17电连接。第一金属支架29与调制单元14的第一电极27电接触。第一金属支架29的上部包括隔离件31，使得第一金属支架29仅电接触第一电极27。第二金属支架30与第二电极28电接触。第二金属支架30的一部分包括隔离件31，使得第二金属支架30仅电接触第二电极28。
72.图7示出用于消费类电子产品市场的便携式设备23的示例性实施例。便携式设备23包括所述光谱仪10。便携式设备23可以是移动电话、可穿戴或膝上型计算机。
73.本专利申请要求欧洲专利申请20173170.0的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
74.附图标记
75.10
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光谱仪
76.11
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发射器
77.12
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样品区域
78.13
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外表面
79.14
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调制单元
80.15
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滤光器
81.16
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光学检测器
82.17
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集成电路
83.18
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另外的光学检测器
84.19
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顶侧
85.20
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空腔
86.21
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透射区域
87.22
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开口
88.23
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便携式设备
89.24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
离子传导层
90.25
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电荷存储层
91.26
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活性层
92.27
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第一电极
93.28
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二电极
94.29
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一金属支架
95.30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二金属支架
96.31
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
隔离件
97.x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
横向方向
98.z
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
垂直方向