光谱传感器、光谱传感器模块和光谱仪以及光谱分析方法_3

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2的共振波长。
[0079]所述多个纳米孔NH可以用空气或具有大于I的折射率的电介质材料填充。填充纳米孔NH的电介质材料的折射率不受限制,例如,可以等于或不同于第一电介质层11、第二电介质层12、第三电介质层21和第四电介质层22中任一个的折射率。
[0080]图6Α和6Β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。
[0081]参照图6Α,多个纳米孔NHl可以在第一方向X上根据周期Tl并在第二方向Y上根据周期Τ2布置,其中第一方向X可以与第二方向Y垂直。Tl和Τ2可以彼此相等。
[0082]参照图6Β,多个纳米孔ΝΗ2可以沿列(S卩,第二方向Y)根据周期Τ4重复地布置并在横向方向(即,第一方向X)上根据周期Τ3重复地布置,相邻列中的纳米孔ΝΗ2可以被交替地布置。Τ3和Τ4可以彼此相等。
[0083]在图6Α和6Β中,纳米孔NHl和ΝΗ2以及纳米天线112的截面形状被示出为圆形形状,但是此形状仅是一示例而不限于此。例如,截面形状可以是椭圆形形状、多边形状等中的任一种。
[0084]参照图6C,多个纳米孔NH3可以在横向方向(S卩,第一方向X)上根据周期T5重复地布置,并且纳米孔NH3的截面形状为拉长的矩形形状。
[0085]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。
[0086]纳米天线113与图4所示的纳米天线112的不同在于,在纳米天线113中,穿透堆叠结构的纳米孔NH4形成为完全地穿透包括上纳米结构层10、中间层30和下纳米结构层20的全部三个层。具体地,形成在上纳米结构层10中的纳米孔NH4和形成在下纳米结构层20中的纳米孔NH4通过穿透中间层30而连接到彼此。纳米孔NH4的形状或布置可以具有如图6A和6B所示的形状。
[0087]当纳米天线112和113以如图1所示的阵列的形式被用于光谱传感器100中时,各纳米天线112和113将来自光谱分析对象的光学信号L的部分特定波长传送到光学探测器121。每个电介质堆叠结构的材料和厚度以及纳米孔的细节可以被确定为使得纳米天线112和113可以仅使来自以各种角度入射的光的特定波长分量共振并传送该波长分量到光学探测器121。
[0088]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。
[0089]光谱仪1000包括朝向目标OBJ照射激发光Le并检测来自目标OBJ的散射光L 5的光谱传感器模块300。光谱传感器模块300包括光源单元200和光谱传感器100。
[0090]这里,目标OBJ可以是诸如人体或动物的活体、食物和/或类似物的任一种。例如,目标OBJ可以是在其上进行血糖水平测量的人体、在其上进行新鲜度测量的食物、或用于分析空气污染或水污染的样品。
[0091]光源单元200可以包括光源或配置用于将来自光源的光引向目标OBJ的必需位置的光学构件。光源可以被构造为照射在适合于目标OBJ的特性被分析的波段中的光。例如,光源可以照射近红外波段中的光。
[0092]光谱传感器100可以包括如图1所示的纳米天线阵列和光学探测器阵列,或可以采用如图2A、2B、3A至3E、4、5、6A、6B、6C和7所示的各种形式的纳米天线中的任一种。纳米天线阵列的纳米天线的共振波段可以被设为比从光源照射的光的波长略长。
[0093]光谱仪1000可以包括控制模块600,控制模块600配置为从由光谱传感器100感测的信号分析目标OBJ的一个或多个物理特性并产生必需的控制信号。控制模块600可以包括用户界面500和信号处理器400。用户界面500可以包括输入单元和显示单元。信号处理器400根据由光谱传感器100感测的信号分析目标OBJ的所述一个或多个物理特性,并可以通过使用例如拉曼光谱学来分析目标OBJ的所述一个或多个物理特性。拉曼光谱学利用其中入射到目标OBJ上的光在与目标OBJ的原子或分子碰撞之后在各种方向上散射的散射,尤其是非弹性散射。在该散射中,光被吸收在所述原子或分子中然后被发射,而不是仅从所述原子或分子的表面反射。散射的光具有比入射光的波长长的波长。这样的波长差可以小于约200nm。通过分析散射光的光谱,可以识别各种物理特性,诸如目标OBJ中分子的振动或结构。
[0094]信号处理器400将分析结果处理为图像信号以显示在用户界面500的显示单元上。信号处理器400还可以根据经由用户界面500接收的输入而输出控制信号到光源单元200。如果光谱传感器100被配置为使得共振波段根据外部信号改变,则信号处理器400还可以根据经由用户界面500接收的输入而产生用于控制这样的变化的控制信号。信号处理器400可以包括微处理器等。
[0095]光谱传感器模块300和控制模块600可以以有线或无线的方式彼此相连。例如,光谱仪1000可以以其中光谱传感器模块300和控制模块600以有线方式连接的小尺寸便携式装置实现。备选地,控制模块600可以安装在便携式移动通信装置上并被配置为与光谱传感器模块300无线通信。
[0096]图9示出能够被用于图8所示的光谱仪的光谱传感器模块的光学布置的一示例。
[0097]光谱传感器模块301可以包括光源210和光谱仪100,并可以是反射型。在此方面,光学系统被配置为使得光谱仪100感测从目标OBJ反射的散射光Ls。
[0098]光源单元200可以包括光源210、光路改变构件220和光圈(iris) 230。该光路改变构件220被示出为棱镜的形式,但是这样的示例是示范性的,光路改变构件220可以为诸如备选的形式,例如光束分离器或平板反射镜的形式。光路改变构件220也可以根据光源210的布置位置被省略。
[0099]光谱传感器模块301还可以包括光学透镜150,该光学透镜150从目标OBJ采集散射光1^并使得所采集的光传送到光谱传感器100。
[0100]从光源210照射的激发光1^与目标OBJ中的分子结构碰撞并被吸收在该分子结构中然后被再次发射,因此,以波长改变的散射光Ls的形式从目标OBJ输出。散射光1^包括其波长根据目标OBJ中的分子状态而改变为不同程度的各种光谱。根据当前示范性实施例的光谱传感器模块301采用其中沿与激发光Le入射到目标OBJ的路径相同的路径传送出来的散射光Ls入射到光谱传感器100的光学系统结构,并且如果必要,还可以采用分离散射光LjP /或朝向光谱传感器100重定向散射光L s的额外的光学构件。
[0101]图10示出能够被用于图8的光谱仪1000中的光谱传感器模块的光学布置的另一示例。
[0102]光谱传感器模块302可以包括光源210和光谱仪100,并可以是透射型。具体地,光学系统被配置为使得光谱传感器100感测透过目标OBJ的散射光Ls。
[0103]光源单元200可以包括光源210、光路改变构件220和光圈230。光路改变构件220被示为棱镜的形式,但是这样的示例是示范性的一个,光路改变构件220可以为诸如备选形式,例如光束分离器或平板反射镜的形式。光路改变构件220还可以根据光源210的布置位置被省略。
[0104]光谱传感器模块302还可以包括从目标OBJ采集散射光Ls并使得所采集的光传送到光谱传感器100的光学透镜150。
[0105]从光源210照射的激发光1^与目标OBJ中的分子结构碰撞并被吸收在分子结构中然后被再次发射,因此,以波长改变的散射光Ls的形式从目标OBJ输出。散射光L s包括其波长根据目标OBJ中的分子状态而改变为不同程度的各种光谱。根据当前示范性实施例的光谱传感器模块302采用其中透过目标OBJ的散射光Ls入射到光谱传感器100的光学系统结构。
[0106]是采用如图9所示的反射型还是如图10所示的透射型可以根据目标OBJ的特性而被适当地确定。
[0107]图11示出根据另一示范性实施例的光谱仪的示意性结构。
[0108]光谱仪1001可以包括光谱传感器模块303和控制模块600。在当前的示范性实施例中,光谱传感器模块303可以包括由透射材料制成的基部280,光源210和光谱传感器100布置为在基部280的表面上彼此间隔开。
[0109]光源210布置为透过基部280朝向目标OBJ照射激发光LE,光谱传感器100布置为感测透过基部280从目标OBJ入射的散射光Ls。
[0110]光谱传感器模块303还可以包括光学透镜260,该光学透镜260从光源210采集激发光Le并使得所采集的激发光传送到目标OBJ并且还采集来自目标OBJ的散射光L 5并使得所采集的散射光传送到光谱传感器100。光学透镜260可以布置在基部280的一表面上,该表面面对基部280的其上布置光源210和光谱传感器100的表面。
[0111]基部280可以由柔性材料制成。在这种情况下,光谱传感器模块303可佩带在目标OBJ上。
[0112]控制模块600可以以有线或无线的方式与光谱传感器模块
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