CN105548033A - 一种量子点嵌入式光谱仪 - Google Patents

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郭方敏
陆海东
郑厚植
张淑骅
沈建华
罗乐
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands

Abstract

本发明公开了一种量子点嵌入式光谱仪，其特点是所述读出电路由PCB基板采用一空四线硅穿孔的连接方式与量子点探测器对接组成小型封装结构，封装后的读出电路分别与预处理模块和时序驱动电路连接，预处理模块与A/D转换和FPGA处理器依次串接后与时序驱动电路连接，FPGA处理器串接WiFi模块后与APP手机终端连接。本发明与现有技术相比具有高灵敏度、高信噪比和大响应率，对量子点进行调控组成不同波长的探测阵列，能够探测到1.5？um或更大波长的范围，可在及其微弱光的条件下完成光谱数据采集，大大减小了布板面积以及功耗，通过WIFI传输数据到手机APP进行光谱数据显示和处理，满足了智能化、小型化和轻量化的需求。

Description

一种量子点嵌入式光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱检测技术领域，具体地说是一种量子点嵌入式光谱仪。
背景技术
光谱仪器是用来研究和分析物质的光谱的装置，它的基本功能是测定所研宄的物质吸收、发射、散射或者受激发射的光谱组成，包括它的波长和强度等。光谱技术利用光线在被测样品内部的吸收、反射及散射特征来实现对样品参数的检测，被广泛应用于环境监测、生物医学、科技农业、军事分析以及工业流程监控等领域，特别是食品安全、环境和生物监测等大量民用光谱仪的需求正在不断增长。随着微型光谱仪的发展，对于微弱光的探测收到越来越多的挑战，研究一种新型的光谱仪，成为各国科研人员研究的热点。
目前，微型光谱仪都采用硅材料CCD或CMOS阵列探测器，其探测范围一般在1000nm左右，不能在及其微弱光的条件下完成光谱数据采集，加上读取速度较慢以及探测能力和响应的灵敏度较低，不能满足测试条件比较苛刻的探测环境，使得光谱技术的应用范围受到很大的制约。此外，量子点探测器由于器件较多，容易产生热量而影响探测器性能，尤其数据采用USB进行有线传送，在空间上阻碍了数据的收集。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种量子点嵌入式光谱仪，采用n-i-n型量子点光电探测器和一空四线硅穿孔小型封装技术，对量子点进行调控组成不同波长的探测阵列，使量子点能够探测到1.5um或更大波长的范围，可在及其微弱光的条件下完成光谱数据采集，不但提高器件的灵敏度，降低了25%功耗，而且还能通过WIFI传输数据到手机APP进行光谱数据显示和处理，进一步拓宽了光谱的工作范围，提高了测量精度、灵敏度和读出速度，结构紧凑，抗环境温度、压力变化的性能好，尤其满足了环保、野外、现场检测以及星载分析检测的智能化、小型化和轻量化的需求。
本发明的目的是这样实现的：一种量子点嵌入式光谱仪，包括光学系统、量子点探测器、读出电路、预处理模块、A/D转换、FPGA处理器、时序驱动电路，其特点是读出电路由PCB基板采用一空四线硅穿孔的连接方式与量子点探测器的探测阵列对接，组成16mm×12mm×5mm的小型封装结构，封装后的读出电路分别与预处理模块和时序驱动电路连接，预处理模块与A/D转换和FPGA处理器依次串接后接入时序驱动电路，FPGA处理器由WiFi模块与APP手机终端连接，被测光源经光源系统的光栅分光,量子点探测器将照射到量子点探测阵列上光信号转换为电信号后由PCB基板接入读出电路，读出电路由时序驱动电路产生的时序信号控制量子点探测器阵列的读出，读出数据经预处理模块的信号放大和滤波后输入A/D转换，A/D转换将模拟信号转换为数字信号后由FPGA处理器通过WiFi模块传输到APP手机终端,由APP手机终端对光谱数据进行显示和处理。
所述量子点探测器为n-i-n型量子点且以量子点中子能级和量子点大小调节成不同波长的探测阵列，实现更广光谱范围的探测。
所述APP手机终端采用多任务流水线对光谱数据进行存储、显示和处理。
本发明与现有技术相比具有高灵敏度、高信噪比、大响应率和读出速度快的优点，对量子点进行调控组成不同波长的探测阵列，使量子点能够探测到1.5um或更大波长的范围，可在及其微弱光的条件下完成光谱数据采集，进一步拓宽了光谱的工作范围，提高了测量精度、灵敏度和读出速度，小型封装结构利用一空四线硅穿孔技术，大大减小了布板面积以及功耗，结构紧凑，通过WIFI传输数据到手机APP进行光谱数据显示和处理，满足了智能化、小型化和轻量化的需求。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为封装结构结构示意图；
图3为一孔四线硅穿孔结构示意图；
图4为APP手机终端处理数据流程示意图。
具体实施方式
参阅附图1，本发明由光学系统1、量子点探测器2、读出电路4、预处理模块6、A/D转换7、WiFi模块8、APP手机终端9、FPGA处理器10和时序驱动电路11组成，所述量子点探测器2采用n-i-n型量子点且以量子点中子能级和量子点大小调节成不同波长的探测阵列，实现更广光谱范围的探测；所述读出电路4由PCB基板3采用一空四线硅穿孔的连接方式与量子点探测器2的探测阵列对接，组成16mm×12mm×5mm的小型封装结构5，封装后的读出电路4分别与预处理模块6和时序驱动电路11连接，预处理模块6与A/D转换7和FPGA处理器10依次串接后接入时序驱动电路11，FPGA处理器10通过WiFi模块8后与APP手机终端9连接。
参阅附图2，所述小型封装结构5的顶层为量子点探测器2的探测阵列，底层为读出电路4，中间层是用来连接读出电路4与量子点探测器2的PCB基板3，读出电路4由PCB基板3采用一空四线硅穿孔的连接方式与量子点探测器2的探测阵列对接，组成16mm×12mm×5mm的小型封装结构5。
参阅附图3，所述对接采用一空四线硅穿孔连接方式，实现一个孔连接四个像元，大大减小的布板面积和降低了功耗。
参阅附图4，所述APP手机终端9采用多任务流水线对光谱数据进行存储、显示和处理，所述多任务流水线为人机控制与实时显示、数据存储、数据处理和设备控制之间利用流水线的方式进行控制并由光谱曲线显示图形界面；所述设备控制为控制外部设备以及数据的接收和传输；所述数据处理将对上传的光谱数据去除最大点或死像元；所述数据存储对处理后的光谱数据进行存储，防止数据丢失；所述实时显示对存储的光谱数据实时进行显示。
本发明是这样工作的：将卤素灯照射到光源系统1，被测光源经光源系统1的光栅分光,照射到量子点探测器2的探测阵列上，量子点探测器2将光信号转换为电信号后由PCB基板3接入读出电路4，读出电路4由时序驱动电路11产生的时序信号控制量子点探测器2的探测阵列读出，读出数据经预处理模块6的信号放大和滤波后输入A/D转换7，A/D转换7将模拟信号转换为数字信号后由FPGA处理器10通过WiFi模块8传输到APP手机终端9,由APP手机终端9对光谱数据进行存储、显示和处理。
以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利的实施应用，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种量子点嵌入式光谱仪，包括光学系统、量子点探测器、读出电路、预处理模块、A/D转换、FPGA处理器、时序驱动电路，其特征在于读出电路由PCB基板采用一空四线硅穿孔的连接方式与量子点探测器的探测阵列对接，组成16mm×12mm×5mm的小型封装结构，封装后的读出电路分别与预处理模块和时序驱动电路连接，预处理模块与A/D转换和FPGA处理器依次串接后接入时序驱动电路，FPGA处理器由WiFi模块与APP手机终端连接，被测光源经光源系统的光栅分光,量子点探测器将照射到量子点探测阵列上光信号转换为电信号后由PCB基板接入读出电路，读出电路由时序驱动电路产生的时序信号控制量子点探测器阵列的读出，读出数据经预处理模块的信号放大和滤波后输入A/D转换，A/D转换将模拟信号转换为数字信号后由FPGA处理器通过WiFi模块传输到APP手机终端,由APP手机终端对光谱数据进行显示和处理。
2.根据权利要求1所述量子点嵌入式光谱仪，其特征在于所述量子点探测器为n-i-n型量子点且以量子点中子能级和量子点大小调节成不同波长的探测阵列，实现更广光谱范围的探测。
3.根据权利要求1所述量子点嵌入式光谱仪，其特征在于所述APP手机终端采用多任务流水线对光谱数据进行存储、显示和处理。
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