CN105092035A - 光谱传感器、光谱传感器模块和光谱仪以及光谱分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光谱传感器、包括该光谱传感器的光谱传感器模块和光谱仪以及进行光谱分析的方法，其中该光谱传感器包括：纳米天线阵列，包括具有不同的共振波段的多个纳米天线；和光学探测器阵列，其包括分别检测来自所述多个纳米天线的光的多个光学探测器。

Description

光谱传感器、光谱传感器模块和光谱仪以及光谱分析方法
技术领域
示范性实施例涉及使用纳米天线阵列的光谱传感器以及采用该光谱传感器的光谱仪。
背景技术
拉曼光谱用来测量由于照射到目标上的激发光而在目标中产生的非弹性散射以便进行各种材料的成分分析。
然而，由于其低的信号强度，非常难以测量非弹性散射。为了克服此缺点，需要一种用于放大信号强度的结构，因此，配置为测量非弹性散射的光学系统的结构变得非常庞大。
近来，已经进行各种研究以开发数据分析方法和尺寸减小的拉曼传感器用于减小光谱仪结构并改善其性能。
发明内容
提供了使用纳米天线阵列的光谱传感器以及采用该光谱传感器的光谱仪。
额外的方面将在以下的描述中被部分地阐述，并将部分地从该描述而显然或者可以通过实践给出的示范性实施例而掌握。
根据一个或多个示范性实施例的一方面，一种光谱传感器包括：纳米天线阵列，其至少包括具有不同的各自的共振波段的第一纳米天线和第二纳米天线；和光学探测器阵列，其包括分别检测来自第一纳米天线和第二纳米天线的光的第一光学探测器和第二光学探测器。
第一纳米天线和第二纳米天线的每个可以包括各自的支撑物和布置在相应的支撑物上的各自的多个等离激元纳米颗粒。
对于第一纳米天线和第二纳米天线的每个，各自的等离激元纳米颗粒可以形成为在导电材料层中突起的形式。
对于第一纳米天线和第二纳米天线的每个，各自的等离激元纳米颗粒可以形成为在导电材料层中凹陷的形式。
对于第一纳米天线和第二纳米天线的每个，各自的支撑物可以由电介质材料形成。
对于第一纳米天线和第二纳米天线的每个，各自的支撑物可以由具有根据外部信号变化的至少一种光学特性的材料形成。
外部信号可以包括电信号、声波、热和机械力当中的至少一种。
第一纳米天线和第二纳米天线的每个可以包括：各自的上纳米结构层，具有第一堆叠结构以及形成为穿透第一堆叠结构的各自的第一多个纳米孔，其中在该第一堆叠结构中具有第一折射率的第一电介质层和具有比第一折射率高的第二折射率的第二电介质层沿第一方向交替地堆叠；各自的下纳米结构层，具有第二堆叠结构以及形成为穿透第二堆叠结构的各自的第二多个纳米孔，其中在第二堆叠结构中具有第三折射率的第三电介质层和具有比第三折射率高的第四折射率的第四电介质层沿第一方向交替地堆叠；以及由电介质材料形成的各自的中间层，设置在对应的上纳米结构层和对应的下纳米结构层之间。
第一堆叠结构和第二堆叠结构的每个的周期可以小于λ/2，其中λ表示对应的第一纳米天线或第二纳米天线的共振波长。
第一多个纳米孔和第二多个纳米孔的每个可以根据垂直于第一方向的平面上的预定规律周期性排列。
对应于预定规律的周期可以小于λ/3，其中λ表示对应的第一纳米天线或第二纳米天线的共振波长。
第一电介质层和第三电介质层可以由第一种相同的材料形成，第二电介质层和第四电介质层可以由第二种相同的材料形成。
第一和第二多个纳米孔的每个可以用空气和具有大于1的折射率的电介质材料中的至少一种填充。
形成在上纳米结构层中的第一多个纳米孔的每个通过穿透中间层而连接到形成在下纳米结构层中的第二多个纳米孔的相应一个。
根据一个或多个示范性实施例的另一方面，一种光谱传感器模块包括：光源，配置为朝向目标照射激发光；以及光谱传感器，包括纳米天线阵列和光学探测器阵列，纳米天线阵列包括具有不同的共振波段的多个纳米天线，光学探测器阵列包括分别检测来自所述多个纳米天线的光的多个光学探测器，光谱传感器配置为感测入射在其上的散射光，该散射光起源于照射的激发光。
光谱传感器可以配置为感测从目标反射的散射光。
光谱传感器模块还可以包括基部，该基部由透射材料形成并包括第一表面和面对第一表面的第二表面，其中光源布置在第一表面上并被配置为朝向目标透过第二表面照射激发光，光谱传感器布置在第一表面上并被配置为感测从目标入射的透过第二表面的散射光。
光谱传感器模块还可以包括光学透镜，该光学透镜布置在第二表面上并被配置为采集从光源朝向目标照射的激发光并采集从目标散射的散射光。
透射材料可以是柔性的。
光谱传感器模块可以配置为被佩戴在目标上。
光谱传感器可以配置为感测透过目标的散射光。
光谱传感器模块可以配置为以耳饰的形式被佩戴在目标上。
根据一个或多个示范性实施例的另一方面，一种光谱仪包括：光谱传感器模块，其包括光源和光谱传感器，光源配置为朝向目标照射激发光，光谱传感器包括纳米天线阵列和光学探测器阵列，纳米天线阵列包括具有不同的共振波段的多个纳米天线，光学探测器阵列包括分别检测来自所述多个纳米天线的光的多个光学探测器，光谱传感器被配置为感测入射在其上的散射光，该散射光起源于所照射的激发光；以及信号处理器，配置为根据由光谱传感器输出的信号来分析目标的至少一种物理特性。
光源还可以被配置为照射近红外波段的光。
信号处理器还可以被配置为通过使用拉曼光谱来分析目标的至少一种物理特性。
光谱传感器模块可以配置为被佩戴在目标上。
附图说明
从以下结合附图对示范性实施例的描述，这些和/或其它方面将变得明显并更易于理解，在附图中：
图1是根据示范性实施例的用于描述光谱传感器的示意性结构和操作的概念图；
图2A和2B示出在图1所示的光谱传感器中采用的纳米天线的示范性结构；
图3A、3B、3C、3D和3E示出在图2A和2B所示的纳米天线中采用的等离激元(plasmonic)纳米颗粒的示范性布置；
图4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；
图5是沿图4中的线A-A'剖取的纳米天线的截面图；
图6A、6B和6C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；
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；
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；
图9示出能够被用于图8所示的光谱仪中的光谱传感器模块的光学布置的一示例；
图10示出能够被用于图8所示的光谱仪中的光谱传感器模块的光学布置的另一示例；
图11示出根据另一示范性实施例的光谱仪的示意性结构；以及
图12示出根据另一示范性实施例的光谱仪的示意性结构。
具体实施方式
现在将详细参照示范性实施例，其示例在附图中示出，其中相似的附图标记始终指代相似的元件。在这点上，本示范性实施例可以具有不同的形式，而不应被解释为限于这里阐述的描述。因此，以下通过参照附图仅描述了示范性实施例以说明本说明书的多个方面。诸如“……中的至少一个”的表述，当在一列元件之后时，修饰整列元件，而不修饰该列的个别元件。
在下文，将参照附图详细地描述示范性实施例。在整个附图中，同样的附图标记指代同样的部件，为了附图的描述的清晰和方便，每个部件的尺寸可以已被夸大。如下所述的实施例仅是示范性的，自示范性实施例的各种变型可以是可能的。在下面的描述，诸如“之上”或“上”的表述可以包括“以非接触方式在……上”以及“以接触方式直接在……上”。
图1是根据示范性实施例的用于描述光谱传感器100的示意性结构和操作的概念图。
光谱传感器100可以包括：纳米天线阵列110，其包括具有不同的各自的共振波段的多个纳米天线111；以及光学探测器阵列120，其包括配置用于检测来自所述多个纳米天线111的光的多个光学探测器121。
每个纳米天线111将来自光谱分析对象的特定波长的光学信号L传送到光学探测器121。为此，为了共振和传送以各种角度入射的光的特定波长分量，确定用于各自的纳米天线111的材料和结构。波长分量的传送方式可以是光的实际行进或基于近场的能量传送。如果共振波长在相邻的纳米天线111之间不同，则在纳米天线111中共振的光的能量分布(以空间模式形式)可以在相邻的纳米天线111之间相交。
每个纳米天线111的厚度和纳米天线111之间的间隔具有与子波长相似的尺寸，纳米天线111用于强烈地采集在预定波段的光。已知此功能是基于在金属材料和电介质材料之间的界面处产生的表面等离激元(plasmon)共振，共振波长根据纳米天线111的具体图案变化。
在当前的示范性实施例中，形成纳米天线阵列110的纳米天线111可以被配置为在天线到天线基础上或在组到组基础(其中纳米天线111可以被分组)上具有不同的共振波长。备选地，纳米天线111可以被布置为在逐行基础上或在逐列基础上具有不同的共振波长。例如，在图1中，每行纳米天线111可以具有相同的共振波长，且每行纳米天线111的共振波长可以分别为λ1、λ2、λ3和λ4，其中λ1、λ2、λ3和λ4可以彼此不同。而且，每个纳米天线111的厚度t(即，在X方向上)可以小于相应的纳米天线111的共振波长λ，每列中相邻纳米天线之间(即，在Y方向上)的间隔d可以小于相应的纳米天线111的共振波长λ。
光学探测器121可以包括被配置用于将入射在其上的光转换为电信号的各种类型的传感器中的任一种，诸如例如光电二极管、电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)和/或类似器件。
纳米天线阵列110和光学探测器阵列120布置为将信号从纳米天线阵列110光学地传送到光学探测器阵列120。例如，为了减小光学损耗，纳米天线阵列110和光学探测器阵列120可以具有集成形式。光学探测器阵列120可以直接形成在纳米天线阵列110上以彼此物理地接触，然而示范性实施例不限于这样的结构。
一旦包括各种波长分量的光L入射到光谱传感器100，光L被形成纳米天线阵列110的表面的纳米图案反射并被散射在各种方向上。此时，在纳米天线111的共振波段中的光在纳米天线111的纳米区域中被共振和放大而没有被反射或散射在不同方向上。因此，包括在入射光L中的各种波长分量的光被从纳米天线111的附近采集，所采集的光被对应于每个纳米天线111的光学探测器121检测，因此产生高信噪比(SNR)。纳米天线111的共振波段可以形成为相对较窄，使得根据当前示范性实施例的光谱传感器100可以具有高分辨率。
根据当前示范性实施例的光谱传感器100被构造为使得光学探测器阵列120和纳米天线阵列110集成，从而减少由光路引起的损失并增大SNR。而且，纳米天线阵列110还可以在形成光学探测器阵列120的半导体制造工艺中形成，从而简化整个工艺。
图2A和2B示出在图1所示的光谱传感器100中采用的纳米天线111的示范性结构。
参照图2A和2B，纳米天线111包括支撑物S和设置在支撑物S上的多个等离激元纳米颗粒NP。
等离激元纳米颗粒NP可以为导电材料M层中突起的形式，如图2A所示，或为导电材料M层中凹陷的形式，如图2B所示。
该导电材料M可以包括有助于表面等离激元激发的高电导率金属材料。例如，导电材料M可以包括从由铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、锌(Zn)、钛(Ti)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、白金(即，铂)(Pt)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)和金Au构成的组中选择的至少一种和/或包括从该组选择的任何一种的合金。可以使用具有高导电性的二维材料，诸如石墨烯、或导电氧化物。
支撑物S可以包括电介质材料和/或柔性材料。支撑物S不限于示出的形状，提供在各纳米天线111中的支撑物S可以被连接以形成一个电介质板。
支撑物S还可以包括具有随着诸如外部信号例如电信号、弹性波、热、机械力和/或类似物而变化的光学特性的材料。例如，具有在施加电信号时改变的有效折射率的电光材料，例如导电氧化物诸如铟锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物(IZO)、LiNbO3、LiTaO3和/或类似物可以被用于支撑物S。具有在施加热时由于在预定温度的相变而改变的折射率的材料可以被用于支撑物S。该材料可以包括例如VO2、VO2O3、EuO、MnO、CoO、CoO2、LiCoO2、Ca2RuO4和/或类似物中的任一种。
当支撑物S包括具有响应于外部信号而改变的光学特性的材料时，光谱传感器100适当地调节待被施加到支撑物S的信号以便改变相应的纳米天线111的共振波段。
尽管纳米天线111被示出为包括具有相同杆形状的四个等离激元纳米颗粒NP，但是这样的图示是示范性的一个。在纳米天线111中包括的等离激元纳米颗粒NP可以具有不同的形状，等离激元纳米颗粒NP的数目和布置也可以变化。
图3A、3B、3C、3D和3E示出在图2所示的纳米天线111中采用的等离激元纳米颗粒的示范性布置。
如图3A所示，可以采用具有相同形状的两个等离激元纳米颗粒NP1。如图3B所示，可以采用具有不同长度的两个等离激元纳米颗粒NP2和NP2'。如图3C所示，可以采用具有相同形状的三个等离激元纳米颗粒NP3。如图3D所示，可以采用具有相同形状的两个等离激元纳米颗粒NP4以及具有不同长度的等离激元纳米颗粒NP4'。如图3E所示，可以采用具有两种不同形状的两对等离激元纳米颗粒NP5和NP5'。
尽管在图3A、3B、3C、3D和3E中示出了杆形的等离激元纳米颗粒，但是等离激元纳米颗粒也可以具有多边形、圆形、椭圆形、线栅形状或其它形状。示出的形状可以具有如图2A所示的突起图案或如图2B所示的凹陷图案。
图4示出在图1所示的光谱传感器中可采用的纳米天线112的另一示范性结构。图5是图4的纳米天线的沿图4所示的线A-A'截取的截面图，
纳米天线112可以通过在水平方向上(也就是，沿垂直于堆叠方向的平面)向具有多个电介质层的堆叠结构施加根据预定规律布置的纳米结构来构造。纳米天线112的这样的结构可以引起特定波段中的光沿堆叠方向的共振，并通过在水平方向上的纳米结构减少相对于入射光的入射角的共振波长依赖性。
更具体地，纳米天线112可以包括上纳米结构层10、下纳米结构层20以及设置在上纳米结构层10和下纳米结构层20之间的中间层30。
上纳米结构层10具有：堆叠结构，在其中具有第一折射率的第一电介质层11和具有比第一折射率高的第二折射率的第二电介质层12被交替地堆叠；以及多个纳米孔NH，其形成为穿透该堆叠结构。
像上纳米结构层10的结构一样，下纳米结构层20也可以：堆叠结构，在其中具有第三折射率的第三电介质层21和具有比第三折射率高的第四折射率的第四电介质层22被交替地堆叠；以及多个纳米孔NH，形成为穿透该堆叠结构。
其中在上纳米结构层10和下纳米结构层20中不同类型的电介质层堆叠的周期(period)p(即，一个第一电介质层11和一个第二电介质层12的厚度和，或者一个第三电介质层21和一个第四电介质层22的厚度和)可以小于λ/2，其中λ表示纳米天线112的共振波长。
上纳米结构层10和下纳米结构层20可以分别包括分布布拉格反射器(DBR)。上纳米结构层10和下纳米结构层20的电介质层的厚度可以被确定为等于共振波长的1/4，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的材料以及成对电介质层的数目可以根据反射率被适当地调整。具体地，上纳米结构层10中成对的第一电介质层11和第二电介质层12的数目以及下纳米结构层20中成对的第三电介质层21和第四电介质层22的数目被示出为等于二，但是这些数目仅是一示例，因此可以使用其它数目。
上纳米结构层10的反射率可以与下纳米结构层20的反射率相同或不同。例如，布置为邻近光学探测器(图1的121)的下纳米结构层20的反射率可以被设为低于上纳米结构层10的反射率。
上纳米结构层10和下纳米结构层20可以由相同的材料形成。在此方面，第一电介质层11和第三电介质层21可以由相同的材料形成，第二电介质层12和第四电介质层22可以由相同的材料形成。在这种情况下，反射率可以通过使应用于上纳米结构层10的成对电介质层的数目和应用于下纳米结构层20的成对电介质层的数目彼此不同来调整。
中间层30使纳米天线112中上纳米结构层10和下纳米结构层20的规律(rule)中断，中间层30的材料没有被特别限制。例如，如果上纳米结构层10和下纳米结构层20由相同的材料形成，则中间层30可以由不同于上纳米结构层10和下纳米结构层20的材料形成，并且中间层30的厚度可以相对较宽地改变。与上纳米结构层10和下纳米结构层20的电介质层中的任一个相同的材料可以被用于中间层30中，在这种情况下，中间层30可以具有与用于上纳米结构层10和下纳米结构层20中的电介质层不同的厚度。
多个纳米孔NH可以沿垂直于堆叠方向的平面根据预定规律布置。对应于该规律的周期T(即，相邻纳米孔NH的中心距离)可以小于λ/3，其中λ表示纳米天线112的共振波长。
所述多个纳米孔NH可以用空气或具有大于1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。
图6A和6B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。
参照图6A，多个纳米孔NH1可以在第一方向X上根据周期T1并在第二方向Y上根据周期T2布置，其中第一方向X可以与第二方向Y垂直。T1和T2可以彼此相等。
参照图6B，多个纳米孔NH2可以沿列(即，第二方向Y)根据周期T4重复地布置并在横向方向(即，第一方向X)上根据周期T3重复地布置，相邻列中的纳米孔NH2可以被交替地布置。T3和T4可以彼此相等。
在图6A和6B中，纳米孔NH1和NH2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。
参照图6C，多个纳米孔NH3可以在横向方向(即，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。
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。
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。
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。
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。
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LS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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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LS并使得所采集的光传送到光谱传感器100。
从光源210照射的激发光LE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LS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LS和/或朝向光谱传感器100重定向散射光LS的额外的光学构件。
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。
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。
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。
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。
从光源210照射的激发光LE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LS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。
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。
图11示出根据另一示范性实施例的光谱仪的示意性结构。
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。
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。
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LS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。
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。
控制模块600可以以有线或无线的方式与光谱传感器模块303连接。控制模块600可以与光谱传感器模块303一起被安装在基部280上，并可以形成例如手环形式的小尺寸可佩带光谱仪。
可选地，光谱仪可以实现为使得光谱传感器模块303形成为手环形式的可穿戴装置并且控制模块被安装在移动设备上。
图12示出根据另一示范性实施例的光谱仪的示意性结构。
光谱传感器模块304可以包括光源单元200和光谱传感器100，并可以采用透射光学系统从而以耳饰的形式被戴在目标OBJ上。
控制模块600可以以有线或无线的方式与光谱传感器模块304连接。例如，控制模块600可以被安装在移动设备上并可以与光谱传感器模块304通信。
上述光谱传感器具有其中纳米天线阵列和光学探测器阵列联接的结构，并且该结构被配置为通过以波长为基础强烈地采集光而检测来自目标的信号。因此，上述光谱传感器具有高分辨率和高SNR，并且可以实现为在大约几十纳米和几百纳米之间的相对薄的厚度。因此，光谱传感器适合于被应用为可佩带和便携式的小尺寸光谱仪的形式。
而且，上述光谱传感器可以通过相对简单的工艺制造，因为纳米天线阵列形成工艺可以在用于形成光学探测器阵列的半导体加工操作中被连续地进行。
应当理解，这里描述的示范性实施例应当仅以描述性含义被考虑，而不是为了限制。在每个示范性实施例内的特征或方面的描述应该通常被认为可用于其它示范性实施例中的其它类似的特征或方面。
虽然已经参照附图描述了一个或多个示范性实施例，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节中的各种变化而不背离由权利要求书限定的本发明构思的精神和范围。
本申请要求于2014年5月9日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2014-0055755以及于2014年8月5日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2014-0100697的优先权，其公开通过分别整体引用而结合于此。

Claims (30)

1.一种光谱传感器，包括：
纳米天线阵列，至少包括具有不同的各自的共振波段的第一纳米天线和第二纳米天线；和
光学探测器阵列，包括分别检测来自所述第一纳米天线和所述第二纳米天线的光的第一光学探测器和第二光学探测器。
2.如权利要求1所述的光谱传感器，其中所述第一纳米天线和所述第二纳米天线的每个包括：
各自的支撑物；和
各自的多个等离激元纳米颗粒，布置在相应的支撑物上。
3.如权利要求2所述的光谱传感器，其中对于所述第一纳米天线和所述第二纳米天线的每个，所述各自的多个等离激元纳米颗粒形成为导电材料层中的突起形式。
4.如权利要求2所述的光谱传感器，其中对于所述第一纳米天线和所述第二纳米天线的每个，所述各自的多个等离激元纳米颗粒形成为导电材料层中的凹陷形式。
5.如权利要求2所述的光谱传感器，其中对于所述第一纳米天线和所述第二纳米天线的每个，所述各自的支撑物由电介质材料形成。
6.如权利要求2所述的光谱传感器，其中对于所述第一纳米天线和所述第二纳米天线的每个，所述各自的支撑物由具有根据外部信号变化的至少一种光学特性的材料形成。
7.如权利要求6所述的光谱传感器，其中所述外部信号包括电信号、声波、热和机械力当中的至少一种。
8.如权利要求1所述的光谱传感器，其中所述第一纳米天线和所述第二纳米天线的每个包括：
各自的上纳米结构层，具有第一堆叠结构以及形成为穿透所述第一堆叠结构的各自的第一多个纳米孔，其中在所述第一堆叠结构中具有第一折射率的第一电介质层和具有比所述第一折射率高的第二折射率的第二电介质层沿第一方向交替地堆叠；
各自的下纳米结构层，具有第二堆叠结构以及形成为穿透所述第二堆叠结构的各自的第二多个纳米孔，其中在所述第二堆叠结构中具有第三折射率的第三电介质层和具有比所述第三折射率高的第四折射率的第四电介质层沿所述第一方向交替地堆叠；以及
由电介质材料形成的各自的中间层，设置在对应的上纳米结构层和对应的下纳米结构层之间。
9.如权利要求8所述的光谱传感器，其中所述第一堆叠结构和所述第二堆叠结构的每个的周期小于λ/2，其中λ表示对应的第一纳米天线或第二纳米天线的共振波长。
10.如权利要求8所述的光谱传感器，其中所述第一多个纳米孔和所述第二多个纳米孔的每个根据在垂直于所述第一方向的平面上的预定规律周期性排列。
11.如权利要求10所述的光谱传感器，其中对应于所述预定规律的周期小于λ/3，其中λ表示对应的第一纳米天线或第二纳米天线的共振波长。
12.如权利要求8所述的光谱传感器，其中所述第一电介质层和所述第三电介质层由第一种相同的材料形成，所述第二电介质层和所述第四电介质层由第二种相同的材料形成。
13.如权利要求8所述的光谱传感器，其中所述第一多个纳米孔和所述第二多个纳米孔的每个用空气和具有大于1的折射率的电介质材料中的至少一种填充。
14.如权利要求8所述的光谱传感器，其中形成在所述上纳米结构层中的所述第一多个纳米孔的每个通过穿透所述中间层而连接到形成在所述下纳米结构层中的所述第二多个纳米孔的相应一个。
15.一种光谱传感器模块，包括：
光源，配置为朝向目标照射激发光；以及
权利要求1所述的光谱传感器，所述光谱传感器配置为感测入射在其上的散射光，该散射光起源于照射的激发光。
16.如权利要求15所述的光谱传感器模块，其中所述光谱传感器被配置为感测从所述目标反射的散射光。
17.如权利要求16所述的光谱传感器模块，还包括基部，该基部由透射材料形成并包括第一表面和面对所述第一表面的第二表面，
其中所述光源布置在所述第一表面上并被配置为透过所述第二表面朝向所述目标照射所述激发光，
其中所述光谱传感器布置在所述第一表面上并被配置为感测从所述目标入射的透过所述第二表面的所述散射光。
18.如权利要求17所述的光谱传感器模块，还包括光学透镜，该光学透镜布置在所述第二表面上并被配置为采集从所述光源朝向所述目标照射的所述激发光并采集从所述目标散射的所述散射光。
19.如权利要求17所述的光谱传感器模块，其中所述透射材料是柔性的。
20.如权利要求19所述的光谱传感器模块，其中所述光谱传感器模块被配置为佩戴在所述目标上。
21.如权利要求15所述的光谱传感器模块，其中所述光谱传感器被配置为感测透过所述目标的所述散射光。
22.如权利要求21所述的光谱传感器模块，其中所述光谱传感器模块被配置为以耳饰的形式佩戴在所述目标上。
23.一种光谱仪，包括：
光谱传感器模块，包括被配置为朝向目标照射激发光的光源以及权利要求1所述的光谱传感器，所述光谱传感器被配置为感测入射在其上的散射光，该散射光起源于所述照射的激发光；以及
信号处理器，被配置为根据由所述光谱传感器输出的信号来分析所述目标的至少一种物理特性。
24.如权利要求23所述的光谱仪，其中所述光源还被配置为照射近红外波段的光。
25.如权利要求24所述的光谱仪，其中所述信号处理器还被配置为通过使用拉曼光谱来分析所述目标的至少一种物理特性。
26.如权利要求23所述的光谱仪，其中所述光谱传感器模块被配置为佩戴在所述目标上。
27.一种进行光谱分析的方法，包括：
布置多个纳米天线，该多个纳米天线具有不同的各自的共振波段并被配置为发射光；以及
通过光学探测器阵列来检测从所述多个纳米天线发射的光。
28.如权利要求27所述的方法，还包括，对于所述多个纳米天线的每个：
在第一方向上交替地堆叠具有第一折射率的第一电介质层和具有比所述第一折射率高的第二折射率的第二电介质层，以形成上纳米结构层；
形成穿透所述上纳米结构层的第一多个纳米孔；
在所述第一方向上交替地堆叠具有第三折射率的第三电介质层和具有比所述第三折射率高的第四折射率的第四电介质层，以形成下纳米结构层；
形成穿透所述下纳米结构层的第二多个纳米孔；以及
用中间层结合所述上纳米结构层和所述下纳米结构层，该中间层包括电介质材料并且设置在所述上纳米结构层和所述下纳米结构层之间。
29.如权利要求28所述的方法，其中对于所述多个纳米天线的每个，对应于所述上纳米结构层和所述下纳米结构层的每个的周期小于λ/2，其中λ表示对应的纳米天线的共振波长。
30.如权利要求28所述的方法，其中所述第一多个纳米孔和所述第二多个纳米孔的每个布置在垂直于所述第一方向的平面上。
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