CN113795736A - 包括含有光导管的照明通道的光谱仪 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括光谱仪。外壳附接到基板并限定照明通道和接收通道。照明通道包括安装在基板上并且能够操作以产生光谱的特定部分中的光的照明源。光导管设置在照明源上，以便将来自照明源的光朝向目标从照明通道引导出来。接收通道包括安装在基板上的传感器芯片。传感器芯片包括光敏元件，每个光敏元件有选择地对光谱的特定部分的相应区域敏感。传感器芯片还包括电子控制单元，其能够操作以分析来自光敏元件的信号。

Description

包括含有光导管的照明通道的光谱仪
技术领域
本公开涉及光谱仪。
背景技术
光谱仪是用于测量样本光的光谱的仪器(例如，用于确定紫外光、可见光和/或红外光的光谱分量)。在一些情况下，光谱仪可以根据波长或频率来确定光的强度。
光谱仪可用于各种不同的应用。例如，光谱仪可用于进行环境分析、工业监控、颜色测量和药理学研究。
在一些应用中，照明源产生朝向目标发射的光，光谱仪测量目标的发射光谱，以便识别例如目标的化学成分。
发明内容
本公开描述了将照明通道和接收通道集成到单个封装中并且在照明通道中包括光导管的光谱仪。
例如，在一个方面，本公开描述了包括光谱仪的装置。光谱仪包括基板。外壳附接到基板，并限定照明通道和接收通道。照明通道包括安装在基板上并且能够操作以产生光谱的特定部分的光的照明源。光导管设置在照明源上，以便将来自照明源的光朝向目标从照明通道引导出来。接收通道包括安装在基板上的传感器芯片。传感器芯片包括光敏元件，每个光敏元件有选择地对光谱的特定部分的相应区域敏感。传感器芯片还包括电子控制单元，其能够操作以分析来自光敏元件的信号。
一些实施方式包括以下一个或多个特征。例如，光导管可以被布置成使得由照明源产生的光的至少一些通过从光导管的侧面的内反射被引导出照明通道。光导管可以附接到设置在照明通道上方的盖玻片上，并悬挂在盖玻片上。在一些情况下，光导管是具有设置在照明通道上方的盖玻片的单个整体件。在一些情况下，光导管由一个或多个支架支撑在照明源上方。包层可以存在于光导管的侧面表面上。可以选择用于包层的材料，以便实现由照明源产生的入射到光导管的侧面表面上的光的全内反射。在一些实施方式中，光导管通过粘合剂附接到外壳的内壁。在一些情况下，光导管的侧面和外壳的内壁之间的区域填充有具有折射率的材料，使得由照明源产生的入射到光导管的侧面上的至少一些光通过全内反射被反射。在一些情况下，光导管包括中空金属光导管，其能够操作以通过镜面反射来反射来自照明源的光。
照明源可以包括多个光发射器，这些光发射器能够操作以产生在彼此不同的相应波长范围内的光。此外，光导管可以具有增加来自光发射器的光的颜色混合的轮廓或横截面。在一些实施方式中，光导管具有增加来自光发射器的光的颜色混合的形状。光导管可以在其外部垂直表面上具有波纹。在一些情况下，光导管的对准在远离接收通道的方向上偏离光发射器。
在一些实施方式中存在以下一个或多个优点。例如，光导管可以帮助减少或防止否则可能在照明通道内发生的光损耗，并且可以帮助提高模块的光功率发射。
根据以下具体实施方式、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1示出了光谱仪封装的示例的剖视图。
图2示出了图1的光谱仪封装的分解图。
图3A和3B示出了光谱仪封装的横截面图。
图4示出了光谱仪封装的另一实施方式的横截面图。
图5示出了光谱仪封装的又一实施方式的横截面图。
图6示出了光谱仪封装的再一实施方式的横截面图。
具体实施方式
本公开描述了将照明源和传感器二者集成到单个封装中的紧凑型光谱仪。如图1所示，光谱仪10包括照明通道12和接收通道14。照明通道12包括照明源，该照明源可以被实现为例如安装到诸如印刷电路板(PCB)26的基板上的一个或多个发光二极管(LED)16。在一些实施方式中，每个LED 16专用于在电磁光谱的近红外部分的不同相应部分(例如，750-1050纳米)内产生照明。LED 16的数量和它们相应的波长范围可以根据特定的应用而不同。
设置在LED 16上方的照明通道12内的光导管18能够操作以将来自LED16的光引导出封装。在一些情况下，如图3A所示，光导管18被附接(例如，通过粘合剂19)到设置在照明通道12上方的保护盖玻片20的下面。盖玻片20可以附接(例如，通过粘合剂21)到用于封装的外壳24的凸缘(ledge)22上。外壳24又可以通过粘合剂25附接到PCB 26。
光导管18可以作为例如由玻璃或塑料组成的实心块植入。粘合剂19的折射率优选非常接近光导管18的折射率。同样，盖玻片20的折射率优选非常接近光导管18的折射率。在一些实施方式中，光导管18的存在可以提供各种优点。例如，光导管18可以帮助减少或防止否则可能在照明通道12内部发生的光损耗。因此，光导管18可以帮助提高光谱仪10的光功率发射。在一些情况下，光导管18也可以将光朝向接收通道14重定向，如图3B中的箭头41所示。同样，在一些情况下，光导管18的存在可以减少LED 16的放置公差(placementtolerance)对性能的影响。对于多个LED 16在不同波长范围内进行发射的实施方式，光导管18可以增加光在光导管的边界被反射(例如，通过全内反射)时发生的光混合。
如图3A-3B所示，光导管18可以附接到盖玻片20上，并悬挂在盖玻片20上。这种实施方式可能是有利的，因为它避免了需要沿着光导管18的侧面提供粘合剂以附接到外壳26的内侧壁。在一些实施方式中，如图4所示，光导管18可以与盖玻片20一起形成为单个整体件。在这种情况下，可以省略用于将光导管18附接到盖玻片20的粘合剂19。在一些实施方式中，光导管18通过支架支撑在LED 16上方。
此外，在一些情况下，如图5所示，包层40可以设置在光导管18的一个或多个侧面表面上。用于包层40的材料应被选择为实现对入射到光导管18的内侧表面上的LED光的基本全内反射。如果存在包层，则光导管18可以通过粘合剂附接到外壳24的内壁，并且仍然能够操作以将来自LED 16的光反射出光谱仪10。
在一些情况下，如图6所示，光导管18的侧面和外壳24的内壁之间的空气间隙可以填充有具有折射率的材料42，使得入射到光导管18的内侧表面上的LED光被反射(例如，通过全内反射)。
在一些情况下，可以优化光导管轮廓以改善颜色混合。同样，在一些情况下，光导管18的横截面可以被配置为优化颜色混合。例如，在一些实施方式中，光导管18具有正方形或六边形横截面。光导管18还可以包括用于改善颜色混合的其他特征。这些特征可以包括例如光导管18的外部垂直表面上的波纹。此外，在一些情况下，光导管18的对准相对于光发射器16偏离。具体地，在一些情况下，在远离接收通道14的方向上使光导管18偏离光发射器16可能是有益的。
在一些情况下，例如，代替实心玻璃或塑料光导管，光导管18可以实现为能够操作以通过镜面反射来反射来自照明源16的光的中空(例如圆柱形、平行管道或六边形)金属光导管。
如图1和图2进一步所示，光谱仪10的接收通道14包括安装(例如，经由晶片垫(diepad)29)到PCB 26的硅传感器芯片28。传感器芯片28可以包括例如具有n个通道的单个检测器或者作为n个通道的阵列的相机芯片。在一些实施方式中，传感器芯片28具有光敏元件(例如，像素)的阵列，每个光敏元件有选择地对相关光谱的相应窄区域敏感。例如，假设LED16共同发射750-1050纳米范围内的光，传感器28中的每个像素可以在像素上具有光学滤波器，其中该滤波器能够操作以有选择地使该像素的光谱的相应窄区域通过，使得像素能够共同操作来感测750-1050纳米范围内的光。
在一些情况下，通道的光学滤波器被实现为吸收滤波器或干涉滤波器。在一些实施方式中，滤波器为每个通道的光谱灵敏度定义对称函数(例如，高斯、余弦、梯形、三角形)。在具体示例中，传感器芯片28包括8×8像素阵列，每个像素具有相关联的干涉滤波器，该干涉滤波器限定大约5纳米的全宽半最大值(full-width half-maximum，FWHM)。每个像素可以以相应的波长为中心，使得像素可以共同感测期望范围(例如，750-1050纳米)内的光。光学滤波器可以被实现为例如干涉滤波器，其采用相长干涉原理和相消干涉原理，以便透射期望的波长并反射其他波长。在一些实施方式中，光学元件(例如，透镜或掩模)30设置在入射光的路径中，以限制像素的视野。
保护盖玻片32可以设置在接收器通道14上。例如，盖玻片32可以附接(例如，通过粘合剂33)到外壳24的第二凸缘34。此外，外壳24的一部分24A可以用作内壁，其将接收器通道14与照明通道12光学隔离。
在一些应用中，照明源16产生朝向目标发射的光，并且传感器芯片28测量目标的发射光谱，以便识别例如目标的化学成分。例如，750-1050纳米的范围可用于检测人体皮肤的黑色素含量。不同的波长范围可以适用于其他应用。
传感器芯片28可以包括电子控制单元(electronic control unit，ECU)，其能够操作以接收和处理来自像素的输出信号。在某些情况下，ECU包括模数转换器(ADC)以测量每个像素产生的光电流。然后，基于对来自像素的输出信号的分析，处理输出响应以进行信号处理和数据分析(例如，识别目标或其成分)。例如，在一些实施方式中，ECU能够操作来基于像素输出信号识别目标的成分。识别成分可以包括例如确定像素的总体响应度是否匹配存储在存储器中的特定光谱特征(spectral signature)。
本说明书中描述的主题和功能操作的各个方面可以在数字电子电路中实现，或者在包括本说明书中公开的结构及其结构等同物的计算机软件、固件或硬件中实现，或者在它们中的一个或多个的组合中实现。本说明书中描述的主题的各方面可以实现为一个或多个计算机程序产品，即，编码在计算机可读介质上的计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、存储器设备、实现机器可读传播信号的物质的组合，或者它们中的一个或多个的组合。术语“数据处理装置”和“计算机”包括用于处理数据的所有装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机、或多个处理器或计算机。过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路来执行，并且装置也可以被实现为专用逻辑电路，专用逻辑电路例如是现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。
光谱仪10可以集成到例如便携式计算设备中，便携式计算设备例如是智能电话、平板电脑、个人数据助理(PDA)、膝上型计算机、笔记本计算机或可穿戴设备，以及其他这样的设备。
本公开中引用的便携式计算设备可以包括例如一个或多个处理器、一个或多个存储器(例如RAM)、存储装置(例如磁盘或闪存)、用户接口(其可以包括例如键盘、TFT LCD或OLED显示屏、触摸或其他手势传感器、相机或其他光学传感器、罗盘传感器、3D磁力计、3轴加速度计、3轴陀螺仪、一个或多个麦克风等，连同用于提供图形用户界面的软件指令)、这些元件之间的互连(例如总线)以及用于与其他设备通信的接口(其可以是无线的，例如GSM、3G、4G、CDMA、WiFi、WiMax、Zigbee或蓝牙，和/或有线的，例如通过以太网局域网、T-1互联网连接等)。
在本公开的精神内可以进行各种修改。因此，其他实施方式也在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种装置，包括:
光谱仪，其包括:
基板；和
外壳，其附接到所述基板并限定照明通道和接收通道，
其中所述照明通道包括:
照明源，其安装在所述基板上并能够操作以产生光谱的特定部分的光；和
光导管，其设置在所述照明源上以便将来自所述照明源的光朝向目标从所述照明通道引导出来；并且
其中所述接收信道包括:
传感器芯片，其安装在所述基板上并且包括多个光敏元件，每个光敏元件有选择地对所述光谱的所述特定部分的相应区域敏感，所述传感器芯片还包括能够操作以分析来自所述光敏元件的信号的电子控制单元。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光导管被布置成使得由所述照明源产生的光的至少一些通过从所述光导管的侧面的内反射被引导出所述照明通道。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述光导管附接到设置在所述照明通道上方的盖玻片上，并悬挂在所述盖玻片上。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述光导管是具有设置在所述照明通道上方的盖玻片的单个整体件。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述光导管由一个或多个支架支撑在所述照明源上方。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中包层存在于所述光导管的侧面表面上。
7.根据权利要求6所述的装置，其中用于所述包层的材料实现由所述照明源产生的入射到所述光导管的所述侧面表面上的光的全内反射。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光导管通过粘合剂附接到所述外壳的内壁。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述光导管的侧面和所述外壳的内壁之间的区域填充有具有折射率的材料，使得由所述照明源产生的入射到所述光导管的所述侧面上的至少一些光通过全内反射被反射。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光导管包括中空金属光导管，所述中空金属光导管能够操作以通过镜面反射来反射来自所述照明源的光。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述照明源包括多个光发射器，所述多个光发射器能够操作以产生在彼此不同的相应波长范围内的光。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光导管具有增加来自所述光发射器的光的颜色混合的轮廓或横截面。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光导管具有增加来自所述光发射器的光的颜色混合的形状。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光导管在其外部垂直表面上具有波纹。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光导管的对准在远离所述接收通道的方向上偏离所述光发射器。
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