CN103189721B - 用于光谱测定的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的示例实施例，提供包括波导和光谱色散元件的装置，配置所述装置以可移动地附接到便携式设备，所述便携式设备包括辐射感测元件和辐射源，配置所述装置以可移动地附接到所述便携式设备以提供第一构造和第二构造，在所述第一构造中，定位所述波导以从所述辐射源朝向分析物区域和/或从所述分析物区域朝向所述色散元件传输辐射；并且以使得定位所述色散元件以色散来自所述分析物区域的辐射以形成朝向所述辐射感测元件提供的光谱用于光谱分析，并且在所述第二构造中，所述辐射感测元件和辐射源能够捕捉并且照明屏幕用于图像捕捉。
Description
技术领域
本申请通常涉及光谱测定。
背景技术
光谱仪通常用于辅助诸如化学制品、医学样品、食品样品或者生物样品的分析物的识别。光谱仪通常使用辐射源照明分析物以使得来自辐射源的辐射然后从分析物反射或者通过分析物传输。所传输或者反射的辐射可以然后由衍射光栅衍射以产生作为分析物特性的光谱。该特性光谱可以然后由检测器检测以辨别该分析物的一个或者多个特性属性。
发明内容
权利要求书中阐释了本发明的示例的各个方面。
根据本发明的第一方面，一种装置，包括波导和光谱色散元件，配置所述装置以可移动地附接到便携式设备，所述便携式设备包括辐射感测元件和辐射源，配置所述装置以可移动地附接到所述便携式设备以提供第一构造和第二构造，在所述第一构造中，定位所述波导以从所述辐射源朝向分析物区域和/或从所述分析物区域朝向所述色散元件传输辐射；并且以使得定位所述色散元件以色散来自所述分析物区域的辐射以形成朝向所述辐射感测元件提供的光谱用于光谱分析，并且在所述第二构造中，所述辐射感测元件和辐射源能够捕捉和照明屏幕用于图像捕捉。
根据本发明的第二方面，一种方法，包括：
（i）提供第一构造，在所述第一构造中，将包括波导和光谱色散元件的装置附接到包括辐射源和辐射感测元件的便携式设备；以使得定位所述波导以从所述辐射源朝向分析物区域和/或从所述分析物区域朝向所述色散元件传输辐射；并且以使得定位所述色散元件以色散来自所述分析物区域的辐射以形成朝向所述辐射感测元件提供的光谱用于光谱分析；
（ii）经由所述分析物区域从所述辐射源向所述色散元件传输辐射以提供光谱用于光谱分析；并且
（iii）使用所述辐射感测元件检测所述光谱的至少一部分。
附图说明
为了更加完整地理解本发明的示例实施例，现在参照结合附图进行的下面描述，在附图中：
图1a示意性示出了根据本发明一个方面的装置；
图1b示意性示出了根据本发明一个方面的装置；
图1c示意性示出了根据本发明一个方面的装置；
图2a示意性示出了根据本发明一个方面的装置的部件；
图2b示意性示出了根据本发明一个方面的装置的部件；
图2c示意性示出了根据本发明一个方面的装置的部件；
图2d示意性示出了根据本发明一个方面的装置的部件；
图2e示意性示出了根据本发明一个方面的装置的部件；以及
图3示意性示出了根据本发明一个方面的装置。
具体实施方式
现在将通过参照附图中的图1到3描述根据本公开的装置的各种示例实施例。
诸如便携式通信设备（例如，所谓的移动电话或者个人数字助理（PDA））的装置通常包括天线以及相关的硬件/软件以允许通信。越来越多地，这样的设备包括照相机功能性。在图1a中，示意性示出了作为具有照相机功能性的便携式通信设备的装置11a。照相机功能性利用（例如，数字）照相机14提供场景图像的（例如，数字）捕捉。由于照相机捕捉光辐射，因此可以将其认为是辐射感测元件14。装置11a还包括闪光灯12以根据需要允许场景的照明。由于闪光灯12通过使用光辐射提供照明，因此可以将其认为是辐射源12。
此外，装置11a包括光谱测定模块11b（图1c）。该模块包括第一波导15、第二波导19、分析物区域16,、以及包括第一衍射光栅17a的光谱色散元件。附接光谱测定模块以作为装置11a的一部分以使得其能够在至少两个位置之间（例如，可滑动地）移动以提供至少两个装置构造。在第一构造（图1a）中，配置装置11a用于光谱测定，并且在第二构造（图1b）中，配置装置11a以能够执行常规的照相机功能性（即，场景照片的捕捉）。光谱测定模块11b在这两种构造之间移动以根据考虑中的特定构造利用/呈现照相机/闪光。在某些实施例中，可以认为模块11b可移动地附接到装置，以使得模块11b能够在该装置的表面上在第一和第二构造之间滑动。
在装置11a的第一构造中，定位第一波导15以从辐射源12朝向分析物区域16传输辐射20。而且，定位第一衍射光栅17a以从分析物区域16朝向照相机14衍射辐射。照相机14然后能够从放置在分析物区域16中的任何分析物接收衍射的辐射（光谱）。然后能够通过照相机记录所接收的光谱用于在光谱分析中使用。将意识到的是，所衍射的辐射形成光谱，以与一个波长的角度不同的角度衍射另一波长。
如先前提及的，图1a示意性示出了第一光谱捕捉构造，其中定位第一衍射光栅17a接近照相机14。图1b示意性示出了第二图像捕捉构造，其中定位第一衍射光栅17a远离照相机14。在第二构造中，衍射光栅17a被光学移除和/或与照相机分离，这因而允许装置11a用于捕捉远离装置11a的对象/场景的图像，并且与分析物区域16不相关联。在第一构造中，装置11a用于捕捉已经被放置在分析物区域16中或者分析物区域16上的分析物的光谱。
可以配置装置11a/模块11b以使得所述模块能够从装置11a完全移除以提供第二图像捕捉构造，并且然后随后被重新附接以提供第一光谱捕捉构造。图1c示意性示出了示例，在处于第二构造中时，包括可附接的模块11b的装置不需要与其接触；模块11b包括第一波导15、第二波导19、以及第一衍射光栅17a。在这样的实施例中，所述模块/装置将具有互补的匹配构件（例如允许这样的移除的销/导槽（未示出））。
在进一步的实施例（参见图2a）中，装置11a/模块11b包括被配置以从辐射源12朝向第一波导15反射辐射20的辐射反射器21（例如，反射镜）。
如在图2b中示意性说明的，装置11a包括被配置以从第一波导15朝向分析物26偏离辐射20的预分析物界面24。在相同或者不同的实施例中，装置11a可以包括被配置以从分析物26朝向第二波导19偏离辐射的后分析物辐射界面25。在这样的实施例中，配置第二波导19以从分析物区域16朝向第一光栅17a传输辐射20。预分析物界面24和后分析物界面25可以分别由被配置以从第一波导15朝向分析物26偏离辐射20并且被配置以从分析物26朝向第二波导19偏离辐射的凸单镜头28的不同部分形成。
在进一步的实施例中，如在图2c中示意性说明的，装置11a包括被配置以朝向照相机14衍射具有第二波长20b的辐射的第二衍射光栅17b，以及被配置以朝向照相机14衍射具有第一波长20a的第一光栅17a。可以配置第二波导19以使得第一光栅17a形成在第二波导19中。可以配置第二波导19以使得第一光栅17a和第二光栅17b均形成在第二波导19中。
参照图2a，第一和第二波导15、19分别包括辐射20可以经过其传播的第一折射区域15a、19a，以及从位于第一和第二折射区域15a、15b之间的界面反射辐射的第二折射区域15b、19b。第一区域15a、19a的折射率必须小于第二区域15b、19b的折射率以确保辐射20的全内反射并且因而从辐射源12到分析物区域16的传输。第一和第二折射区域19a、19b二者可以包括选自下面的一个或者多个的玻璃：硅、氟锆酸盐、氟铝酸盐、硫化物、铝矽酸盐、锗硅酸盐、磷硅酸盐、以及硼硅酸盐玻璃。如果第二折射区域15b、19b包括玻璃，则其可以掺杂有选自锗氧化物和铝氧化物中的一个或者多个的第二掺杂剂以提高折射率。如果第一折射区域15a、19a包括玻璃，则其可以掺杂有选自氟一和三氧化硼中的一个或者多个的第一掺杂剂以降低其折射率。在可选实施例中，波导可以包括选自下面的一个或者多个的聚合物：PMMA、丙烯酸盐、丙烯酸塑料、聚苯乙烯、硅氧烷、聚碳酸酯、甲基戊烯、乙晴的三元共聚物、丁二烯、苯乙烯、以及烯丙基二甘醇碳酸酯。如果第二区域15b、19b包括聚合物，则第一折射区域15a、19a可以包括氟聚合物以关于第二区域15b、19b降低其折射率。
关于图2d描述了进一步的实施例。如在图2d中示意性示出的，装置11a包括第一光栅17a，以及第二光栅17b，色散元件包括第一和第二光栅17a、17b，配置每一个光栅17a、17b以基本上与光栅17a、17b垂直地衍射波长。在nk0＝kg并且λg＝λ0/n时发生这样的垂直衍射，其中n是第二波导的折射率，k0和λ0是辐射20a、20b的波矢量和波长，并且kg和λg分别是光栅17a、17b的布拉格矢量和周期。如在图2d中示意性示出的，照相机14具有两个传感器27a、27b，每一个传感器27a、27b与两个光栅17a、17b中的一个相对应，并且配置光栅17a、17b以及照相机14以使得每一个传感器17a、17b与通过光栅17a、17b衍射的波长18a、18b相对应，每一个传感器17a、17b仅从与其相对应的光栅接收衍射的辐射。每一个光栅17a、17b可以具有位于400-1000nm之间的周期。光栅可以具有周期性的拓扑表面轮廓，轮廓深度位于20nm和1000nm之间。拓扑轮廓可以是正弦曲线或者三角形。如果波导15、19包括玻璃，则拓扑轮廓可以通过下面的一个或者多个写入涂覆在玻璃上的牺牲的抗蚀剂层中：光刻、压印光刻、电子束光刻、以及全息术；然后通过下面刻蚀到玻璃中：反应离子刻蚀、或者原子刻蚀。如果波导15、19包括热固聚合物，则可以通过热压铸或者热压印光刻制造拓扑轮廓。
如在图2c中示出的，配置分析物区域16以接收分析物26。分析物区域16可以包括在其上面或者其上方放置分析物26的表面。在某些实施例中，可以配置分析物区域以包含气体/液体。分析物可以包括下面的一个或者多个：化学制品、生物样品、血液样品、水溶液、医学样品、药用产品、土壤样品、以及农业样品。分析物26可以包括诸如放置分析物区域上或者分析物区域中的手指的人体部分。应该意识到的是，分析物区域16的至少一部分光学透明以从第一波导15接收辐射并且向第二波导19提供辐射，并且这样，这样的部分可以由例如塑胶玻璃或者玻璃的任何适合材料制成。
应该意识到的是，在某些情况下，可以认为根据本公开的装置仅为光谱测定模块11b。在其它实施例中，可以认为所述装置包括便携式电子设备和模块11b。照相机可以使用视频片段记录光谱随着时间的变化。辐射源12可以包括照相机闪光灯。辐射源12可以包括白色闪光灯，或者随着时间改变传输到分析物的波长的色彩变化的LED。这样的光将适合于场景的照明以及光谱测定二者。通信设备13可以进一步包括触摸屏31。通信设备13可以包括天线、收发机、麦克风、以及扬声器。
在绝不限制下面权利要求的范围、解释或者应用的情况下，一个或者多个示例实施例的技术效果在于这里描述的装置和组件简单、紧凑并且稳健。
如果期望，可以彼此按照不同的顺序和/或同时执行这里讨论的不同功能。而且，如果期望，可以省去或者可以组合上述功能中的一个或者多个。
尽管在独立权利要求中阐释了本发明的各个方面，但是本发明的其它方面包括来自所描述的实施例和/或具有独立权利要求特征的从属权利要求的特征的其它组合，而不仅仅是在权利要求中简明阐释的组合。
还应该注意到的是，尽管上面描述了本发明的示例实施例，但是不应该以限制的意义看待这些描述。而是可以在不偏离如在所附权利要求中限定的本发明范围的情况下做出各种修改和变型。
Claims (13)
1.一种包括波导和光谱色散元件的装置，所述装置被配置为可移动地附接到便携式设备，所述便携式设备包括辐射感测元件和辐射源，配置所述装置以可移动地附接到所述便携式设备以提供第一构造和第二构造，在所述第一构造中，定位所述波导以从所述辐射源朝向分析物区域和/或从所述分析物区域朝向所述色散元件传输辐射，其中所述色散元件包括多个衍射光栅，配置每一个光栅以从所述分析物区域朝向所述辐射感测元件衍射辐射；并且以使得定位所述色散元件以色散来自所述分析物区域的辐射以形成朝向所述辐射感测元件提供的光谱来用于光谱分析，并且在所述第二构造中，所述辐射感测元件和辐射源能够捕捉和照亮场景以用于图像捕捉。
2.根据权利要求1所述的装置，其中配置所述波导以从所述分析物区域向所述色散元件传输辐射，并且其中配置所述波导以使得所述色散元件包括形成在所述波导中的第一衍射光栅，配置所述第一衍射光栅以从所述分析物区域朝向所述辐射感测元件衍射辐射。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述光栅和所述波导分别被配置为使得nk0＝kg并且λg＝λ0/n，其中n＝所述波导的折射率，k0＝所述辐射的波矢量并且λ0＝所述辐射的波长，kg＝所述光栅的布拉格矢量，λg＝所述光栅的周期。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括所述分析物区域；并且配置所述分析物区域以包含分析物或者配置为包括在其上放置所述分析物的表面。
5.根据权利要求1所述的装置，其中配置所述装置以可移动地附接到一设备以使得所述装置可以在所述第一构造以及其中所述装置与所述辐射感测元件光学分离的所述第二构造之间移动。
6.根据权利要求1所述的装置，其中配置所述装置以可移动地附接到一便携式设备以使得所述装置可以在所述第一构造以及其中所述装置与所述便携式设备分离的所述第二构造之间移动。
7.一种包括根据权利要求1所述的装置的便携式设备，其中所述辐射源包括照相机闪光灯。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述便携式设备是无线通信设备。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是用于便携式设备的模块。
10.一种用于光谱测定的方法，包括：
(i)提供第一构造，在所述第一构造中，将包括波导和光谱色散元件的装置附接到包括辐射源和辐射感测元件的便携式设备；以使得定位所述波导以从所述辐射源朝向分析物区域和/或从所述分析物区域朝向所述色散元件传输辐射，其中所述色散元件包括多个衍射光栅，配置每一个光栅以从所述分析物区域朝向所述辐射感测元件衍射辐射；并且以使得定位所述色散元件以色散来自所述分析物区域的辐射以形成朝向所述辐射感测元件提供的光谱来用于光谱分析；
(ii)经由所述分析物区域从所述辐射源向所述色散元件传输辐射以提供光谱来用于光谱分析；以及
(iii)使用所述辐射感测元件检测所述光谱的至少一部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法包括使所述装置从所述第一构造移动到第二构造，在所述第二构造中所述辐射感测元件和辐射源能够捕捉并且照亮场景以用于图像捕捉。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述辐射感测元件包括照相机，并且其中所述方法包括使用所述照相机记录所述光谱随着时间的变化。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述便携式设备包括无线通信设备。
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