光谱仪、便携式设备和用于检测电磁辐射的方法技术

一种光谱仪(10)，包括被配置为发射电磁辐射的发射器(11)；布置在所述光谱仪(10)的外表面(13)处的样品区域(12)；包括电致变色材料的调制单元(14)；滤光器(15)；光学检测器(16)；具有主延伸平面的集成电路(17)以及用于由发射器(11)发射的、经由所述样品区域(12)、所述调制单元(14)和所述滤光器(15)朝向光学检测器(16)的电磁辐射的光路，其中所述电致变色材料与所述集成电路(17)电连接，且所述调制单元(14)被配置为对电磁辐射进行时间调制。此外，提供了一种用于检测电磁辐射的方法。提供了一种用于检测电磁辐射的方法。提供了一种用于检测电磁辐射的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光谱仪、便携式设备和用于检测电磁辐射的方法
[0001]本申请涉及光谱仪、便携式设备和用于检测电磁辐射的方法。
[0002]红外光谱仪广泛应用于气体检测、医疗传感、环境监测和工业过程控制等领域。为了在诸如移动电话的便携式设备中使用红外光谱仪，需要将光谱仪小型化。此外，对于消费类应用，需要降低成本。
[0003]为了检测红外范围内的电磁辐射，通常需要对检测器进行冷却，以增加信噪比。然而，冷却消耗空间，这与光谱仪的小型化相矛盾。不需要冷却的热检测器往往具有显著较低的探测率。此外，光谱仪的发射器的性能会随温度发生显著变化。除其他因素外，这些因素可能导致光谱仪的精度降低。
[0004]目的是提供一种精度更高的光谱仪。进一步的目标是提供一种具有更高精度的用于检测电磁辐射的方法。
[0005]这些目的通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中描述了进一步的发展和实施例。
[0006]根据光谱仪的至少一个实施例，该光谱仪包括被配置为发射电磁辐射的发射器。例如，发射器是发光二极管。发射器可以被配置为发射可见光和红外范围内的电磁辐射。特别是，发射器被配置为发射红外范围内的电磁辐射。发射器可以是单个辐射源。或者，发射器包括辐射源阵列。发射器可以被配置为发射预定的波长范围内的电磁辐射。例如，发射器被配置为发射至少100nm波长范围内的电磁辐射。
[0007]所述光谱仪还包括布置在光谱仪外表面处的样品区域。光谱仪的外表面是光谱仪与光谱仪的环境接触的表面。这意味着，光谱仪由其外表面界定。样品区域可以是光谱仪外表面的一部分。例如，样品区域布置在光谱仪的一侧。样品区域可以布置在光谱仪的顶侧。样品区域与光谱仪的环境直接接触。样品区域可以被配置为与待分析的样品物质直接接触。样品物质可以是固体、液体或气体。
[0008]所述光谱仪还包括调制单元，调制单元包括电致变色材料。该电致变色材料被配置为当向电致变色物质施加电压时改变其光学性质。例如，当向电致变色材料施加电压时，电磁辐射的传输会改变。电致变色材料可以包括氧化钨(WO3)。电致变色物质还可以包括有机聚合物。调制单元可以包括层的堆叠。调制单元可以包括其上布置有电荷存储层的第一电极。电荷存储层可以包括NiO。在电荷存储层上可以设置离子传导层。离子传导层可以包括Ta
205
。在离子传导层上可以布置活性层。活性层可以包括电致变色材料。电致变色材料可以通过溅射或蒸发沉积。在活性层上可以布置第二电极。第二电极可以是包括导电材料的网格。或者，第二电极可以是通过溅射形成的非常薄的层。第二电极包括例如镍、铬或诸如铟锡氧化物的透明导电氧化物。电压可以经由第一电极和第二电极施加到调制单元。在调制单元内可以设置气隙，以便改善漫射光条件下的光谱响应。
[0009]所述光谱仪还包括滤光器。滤光器可以被配置为对于预定波长范围是透射的。此外，所述滤光器可对预定波长范围之外的电磁辐射表现出高吸收系数。例如，滤光器对于预定波长范围之外的电磁辐射具有至少0.8的吸收系数。特别地，所述滤光器对于预定波长范围之外的电磁辐射具有至少0.9的吸收系数。所述滤光器可以是干涉滤波器，例如法布里
‑
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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光谱仪(10)，包括：
‑
被配置为发射电磁辐射的发射器(11)；
‑
布置在光谱仪(10)的外表面(13)处的样品区域(12)；
‑
包括电致变色材料的调制单元(14)；
‑
滤光器(15)；
‑
光学检测器(16)；
‑
具有主延伸平面的集成电路(17)；和
‑
用于由所述发射器(11)发射的、经由所述样品区域(12)、所述调制单元(14)和所述滤光器(15)朝向所述光学检测器(16)的电磁辐射的光路，其中
‑
所述电致变色材料与所述集成电路(17)电连接，以及
‑
所述调制单元(14)被配置为在时间上调制电磁辐射。2.如权利要求1所述的光谱仪(10)，其中，所述滤光器(15)被配置为传输由所述调制单元(14)调制的电磁辐射。3.如前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其中，所述集成电路(17)包括锁定检测功能。4.如前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其中，所述光学检测器(16)被配置为检测可见光和红外范围内的电磁辐射。5.如前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其中，所述光学检测器(16)是光子检测器或热检测器。6.如前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其中，另外的光学检测器(18)邻近所述发射器(11)布置。7.如前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其中，所述发射器(11)、调制单元(14)、滤光器(15)、光学检测器(16)和集成电路(17)布置在所述样品区域(12)的同一侧。8.如前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其中，在垂直于所述集成电路(17)的主延伸平面的垂直方向(z)上，所述调制单元(14)布置在所述发射器(11)和所述样品区域(12)之间。9.如前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其中，在垂直于所述集成电路(17)的主延伸平面的垂直方向(z)上，透射区域(21)布置在所述样品区域(12)和所述发射器(11)之间，其中所述透射区域(21)对于由所述发射器(11)发射的电磁辐射具有至少0.7的透射...

【专利技术属性】
技术研发人员：黛博拉，
申请(专利权)人：AMS欧司朗有限公司，
类型：发明
国别省市：