光谱仪装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光谱仪装置，包括UV跟踪装置，及其制造和使用方法。
【背景技术】
[0002] 光谱仪是用于测量电磁光谱中不同区域光强的仪器。因为不同波长上的光强携带 光源上的具体信息，例如其化学成分的签名，光谱仪已经在天文、物理、化学、生物、医疗应 用、能量、考古和其它领域中发现应用。现今所用的光谱仪基于十九世纪的原始设计，其中 衍射光栅的棱镜在不同的方向上输送不同波长的光，使得可以测量不同波长上的强度。光 谱仪的一个用途是记录有害UV射线的强度并且区分不同UV波段的强度。
【发明内容】
[0003] 在一个方面中，光谱仪包括多个探测器位置，其中每个探测器位置包括能吸收预 定波长光的多个半导体纳米晶体，并且其中每个探测器位置包括能根据不同的入射光强度 提供差分响应的光敏元件；以及数据记录系统，连接到该光敏元件的每一个，其中该数据记 录系统构造为当该探测器位置由入射光照射时记录该探测器位置的每一个处的该差分响 应。
[0004] 每个探测器位置上的该多个半导体纳米晶体能吸收不同预定波长的光。光敏元件 可包括光伏电池。光敏元件可为光电导体。半导体纳米晶体，在吸收预定波长的光后，能发 射区别波长的光，并且光敏元件可对区别波长的光敏感。
[0005] 半导体纳米晶体可构造为基本上吸收所有入射在特定探测器位置的预定波长的 光，并且基本上不能发射区别波长的光。
[0006] 在另一个方面中，记录光谱图的方法包括提供光谱仪，所述光谱仪包括：多个探测 器位置，其中每个探测器位置包括能吸收预定波长光的多个半导体纳米晶体，并且其中每 个探测器位置包括能根据不同的入射光强度提供差分响应的光敏元件；以及数据记录系 统，连接到该光敏元件的每一个，其中该数据记录系统构造为当该探测器位置由入射光照 射时记录在该探测器位置的每一个处的该差分响应；用入射光照射该多个探测器位置；记 录该探测器位置的每一个处的该差分响应；以及根据该探测器位置的每一个处所记录的差 分响应决定入射光的特定波长的强度。该光谱仪可包括计算、存储或显示部件或其结合。光 谱仪可用在诊断工具或光谱成像装置中。
[0007] 在另一个方面中，个人UV曝光跟踪装置包括：UV探测器，其可在UV区域中的不同 波长之间区别；以及数据记录系统，构造为记录当该探测器位置由入射光照射时记录UV区 域中不同波长处的差分响应。
[0008] UV探测器可为UV敏感半导体光电探测器。UV光电探测器可为光电探测器阵列。 UV探测器可为纳米晶体光谱仪。纳米晶体光谱仪可包括：多个探测器位置，其中每个探测 器位置包括能吸收预定波长光的多个半导体纳米晶体，并且其中每个探测器位置包括能根 据不同的入射光强度提供差分响应的光敏元件；以及数据记录系统，可连接到光敏元件的 每一个，其中数据记录系统构造为当该探测器位置由入射光照射时记录在该探测器位置的 每一个处的该差分响应。
[0009] 光谱仪可构造为测量入射光的一个或多个UV波长的强度。光谱仪可构造为测量 入射光的UVA、UVB和UVC波长的强度。个人UV曝光跟踪装置还可包括数据存储部件，构造 为记录入射光的一个或多个UV波长的测量强度。个人UV曝光跟踪装置还可包括无线数据 通讯系统，构造为将入射光的一个或多个UV波长的测量强度传输到外部计算装置。该个人 UV曝光跟踪装置可构造为向使用者提供UV曝光的实时测量结果。该个人UV曝光跟踪装置 可构造为向使用者提供UV曝光的历史报告。该个人UV曝光跟踪装置可集成在便携式个人 物品中。该便携式个人物品可为防水的。
[0010] 在另一个方面中，光谱仪可包括多个探测器位置和数据记录系统，其中每个探测 器位置包括能吸收预定波长光的光吸收材料，该光吸收材料选自由半导体纳米晶体、碳纳 米管和光子晶体组成的组，并且其中每个探测器位置包括能根据不同的入射光强度提供差 分响应的光敏元件；所述数据记录系统连接到光敏元件的每一个，其中该数据记录系统构 造为当该探测器位置由入射光照射时记录该探测器位置的每一个处的该差分响应。
[0011] 在某些实施例中，光谱仪可包括多个探测器位置，其包括滤光片，该滤光片包括半 导体纳米晶体。在某些实施例中，光敏元件可包括半导体纳米晶体。例如，多个探测器位置 可包括滤光片，该滤光片包括光在光敏元件前通过的第一半导体纳米晶体，该光敏元件包 括第二半导体纳米晶体。
[0012] 在另一个方面中，制造光谱仪的方法可包括：形成多个探测器位置，其中每个探测 器位置包括能吸收预定波长光的光吸收材料，光吸收材料选自由半导体纳米晶体、碳纳米 管和光子晶体组成的组，并且其中每个探测器位置包括能根据不同的入射光强度提供差分 响应的光敏元件；以及连接数据记录系统到光敏元件的每一个，其中该数据记录系统构造 为当该探测器位置由入射光照射时记录该探测器位置的每一个处的该差分响应。
[0013] 在某些实施例中，形成多个探测器位置可包括在基板上喷墨印刷或接触转印印刷 光吸收材料。
[0014] 在某些实施例中，形成多个探测器位置可包括形成多个半导体纳米晶体光探测器 的垂直堆叠，并且可选择性地包括装配多个垂直堆叠以形成垂直堆叠的矩阵。
[0015] 在另一个方面中，制造光谱成像装置的方法可包括：形成多个探测器位置，其中每 个探测器位置包括能吸收预定波长光的光吸收材料，并且其中每个探测器位置包括能根据 不同的入射光强度提供差分响应的光敏元件；以及连接数据记录系统到光敏元件的每一 个，其中该数据记录系统构造为当该探测器位置由入射光照射时记录该探测器位置的每一 个处的该差分响应。
[0016] 在某些实施例中，形成多个探测器位置可包括形成吸收层的垂直堆叠，每个吸收 层具有不同的光吸收特性。该方法还可包括装配多个垂直堆叠以形成垂直堆叠的矩阵。
[0017] 在某些实施例中，形成多个探测器位置可包括形成吸收贴片的水平板，每个贴片 具有不同的光吸收特性。每个贴片的尺寸可在lym 2和1000mm2之间。在某些情形中，贴片 可能甚至较大，并且可具有任何形状。水平板的尺寸可在lum 2和0.9m2之间。
[0018] 在某些实施例中，制造光谱成像装置的方法可包括采用选自由半导体纳米晶体、 碳纳米管和光子晶体组成的组的光吸收材料。
[0019] 在另一个方面中，读板仪可包括：多个光谱仪和多个阱，其中每个阱与多个光谱仪 的唯一光谱仪关联，每个光谱仪包括多个探测器位置，其中每个探测器位置包括能吸收预 定波长光的光吸收材料，并且其中每个探测器位置包括能根据不同的入射光强度提供差分 响应的光敏元件；以及数据记录系统，该数据记录系统连接至光敏元件中的每一个，其中该 数据记录系统构造为当该探测器位置由入射光照射时记录该探测器位置的每一个处的该 差分响应。
[0020] 在某些实施例中，光吸收材料选自由半导体纳米晶体、碳纳米管和光子晶体组成 的组。
[0021] 在另一个方面中，个人装置可包括光谱仪，该光谱仪可包括：多个探测器位置，其 中每个探测器位置包括能吸收预定波长光的多个半导体纳米晶体，并且其中每个探测器位 置包括能根据不同的入射光强度提供差分响应的光敏元件；以及数据记录系统，连接到该 光敏元件的每一个，其中该数据记录系统构造为当该探测器位置由入射光照射时记录该探 测器位置的每一个处的该差分响应。
[0022] 在某些实施例中，个人装置可为智能电话或智能电话附件。
[0023] 在另一个方面中，医疗装置可包括光谱仪，所述光谱仪具有多个探测器位置，其中 每个探测器位置包括能吸收预定波长光的多个半导体纳米晶体，并且其中每个探测器位置 包括能根据不同的入射光强度提供差分响应的光敏元件；以及数据记录系统，连接到光敏 元件的每一个，其中该数据记录系统构造为当该探测器位置由入射光照射时记录该探测器 位置的每一个处的该差分响应。
[0024] 其它的方面、实施例和特征从下面的描述、附图和权利要求将明显易懂。
【附图说明】
[0025] 图1A是光谱仪的原理示意图。图1B示意地示出了大量不同种类的半导体纳米晶 体的吸收光谱。
[0026] 图2是诸如光伏电池的光电装置的原理示意图。
[0027] 图3A-3E是光伏装置不同构造的原理示意图。
[0028] 图4A是光电装置的原理示意图。图4B是选择性光电装置的原理示意图。
[0029] 图5是采用弥散光学或干扰基滤光片的时间或空间分离的原理示意图。
[0030] 图6是用于半导体纳米晶体光谱仪的光学测量机构的原理示意图。
[0031] 图7A是示出取自校准的Si光敏二极管的响应函数的系列图线。图7B是示出图 3所示量子点滤光片（FJ的各透射光谱（Ti(A))的系列图线。图7C是示出用于每个光源 的透射光强度li和光谱重建的系列图线。
[0032] 图8a是系列半导体纳米晶体滤光片的示意图。图8b是图8a所示某些滤光片的 精选透射光谱。
[0033] 图9表示示出6个不同光源由半导体纳米晶体光谱仪重建光谱的系列图线。
[0034] 图10A是集成光谱仪的原理示意图。图10B是集成光谱仪的示例。图10C是采用 集成光谱仪获得的光谱。
[0035] 图11A是半导体纳米晶体探测器的示意图。图11B是垂直堆叠的半导体纳米晶体 探测器的示意图。图11C是形成传感器矩阵的重复堆叠的探测器的示意图。图11D是光谱 成像兰姆达堆叠的原理示意图。
[0036] 图12是示出用半导体纳米晶体的多种吸收贴片形成水平板的原理示意图。
【具体实施方式】
[0037]当前的光谱仪的体积大、沉重、价格昂贵、精密且使用复杂。对于诸如棱镜和光栅 之类的精密光学部件的需求使光谱仪很重且很昂贵。部件必须保持极其清洁且完美地对 齐，使制造昂贵且使仪器非常精密。一旦光学部件失去对齐，修理上非常复杂，导致维护成 本很高。该仪器对于使用者操作是非常复杂的。因此，光谱仪对于很多应用是不实际的。需 要便宜、轻便和易于使用的光谱仪，各行的人员可以在所有的工作条件下使用这些光谱仪。 例如，小而简单的光谱仪可形成个人UV曝光监测装置的基础。
[0038] 存在轻便而又便宜的装置，例如照相机，同时测量不同波长的光强，但是不同波长 的光谱分辨率极低，低至这样的装置不足以作为光谱仪。通常的实验室级光谱仪可具有 l-10nm量级的光谱分辨率。根据应用，较低分辨率是可接受的。在很多情况下，分辨率要求 越_，仪器越昂贵。
[0039] 克服这样挑战的光谱仪可基于纳米晶体的物理和光学特性。具有小直径的纳米晶 体可具有介于分子和形成物质的大块之间的中间特性。例如，基于具有小直径的半导体材 料的纳米晶体可在三维上显示出电子和空穴二者的量子限制，其导致具有减小的晶体尺寸 的材料的有效带隙的增大。因此，随着晶体尺寸的减小，纳米晶体的光学吸收和发射偏移到 蓝色或者更高的能量。当半导体纳米晶体吸收光子时，产生激发的电子空穴对。在某些情 况下，当电子空穴对复合时，半导体纳米晶体发射较长波长的光子（光致发光）。
[0040] 通常，半导体纳米晶体的吸收光谱特征在于与量子限制半导体材料的有效带隙相 关的波长上的主峰。该带隙是纳米晶体的尺寸、形状、材料和构造的函数。光子和带隙波 长的吸收可导致在窄光谱范围内发射光子；换言之，光致发光的光谱可具有窄的半峰全宽 (full width at half maximum, FWHM)。半导体纳米晶体的吸收光谱也显示很强的、宽的吸 收特征，延伸至高于带隙的能量（进入UV区域）。
[0041] 各种光学作用也可用于帮助增加多样性，这些作用可包括但不限于吸收、透射、反 射、光散射、被增强、干涉、离子作用、淬熄作用。这些作用可与所有上述材料或它们的子集 结合。这些作用可个别或共同、全部或部分使用。在纳米晶体光谱仪中，不必包括棱镜、光 栅或其它光学元件将光分成各成分波长。相反，响应于不同波长的纳米晶体