CN106768331A - 量子点阵列光谱传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子点阵列光谱传感器，其包括：量子点胶体阵列薄膜和阵列光电探测器；所述量子点胶体阵列薄膜用于承载量子点胶体阵列；所述量子点胶体阵列包括多个量子点胶体单元，其中至少有一量子点胶体单元的吸收或透射光谱不同于其他量子点胶体单元；所述量子点胶体阵列薄膜承载有量子点胶体阵列的一面与阵列光电探测器的感光面相对设置；待测光谱的被测光照射至量子点胶体阵列薄膜后，穿过量子点胶体阵列的透射光被感光面探测到。本发明通过量子点胶体阵列和阵列光电探测器的配合，实现测量带宽大、波长分辨率高、弱光灵敏度好的效果，从而大幅改善现有仪器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱探测传感器，具体涉及一种量子点阵列光谱传感器。
背景技术
量子点阵列光谱传感器是一种用于测量紫外-可见光-红外波段内光谱的传感器。现有市场上的光谱测量仪器主要分为两类，一类基于色散的原理，利用光栅等色散光学元件将被测光中不同的波长成分在空间上分开，再利用光电传感器测量每种波长成分的光强度，从而得到被测光的光谱信息，如图1所示，被测光11先通过反射镜12反射到光栅13上，光栅13将被测光11中不同的波长成分在空间上分开，再由反射镜14反射到光电传感器15上，最后利用光电传感器测量每种波长成分的光强度，从而得到被测光11的光谱信息。另一类基于光学干涉原理，利用光学薄膜、标准具等干涉光学元件，形成一系列窄带光学滤波器，只允许被测光中特定的波长成分穿过滤波器，再用光电传感器测量其强度，通过扫描光学薄膜或标准具的透射光波长，可以获得被测光的完整光谱信息。其结构如图2所示，被测光21经过形成有锥形腔23的介质镜(介质镜可理解成被锥形腔23分成上介质镜22和下介质镜24，或者说相互独立的上介质镜22和下介质镜24之间形成锥形腔23)增透后由窄带光学滤波器25将允许穿过特定的波长成分通过光电传感器26测量强度。
基于色散原理的光谱测量仪器，由于不同波长成分的光需要传输一定距离后才能发生明显的分离，因此其尺寸受到有效光程的限制，难以实现微型化；对于基于窄带光学滤波器的光谱测量仪器，其光谱测量范围受到滤波器动态范围限制，难以实现高带宽的光谱测量，且被测光中大部分能量被窄带滤波器阻挡，因此也难以实现低功率下的光谱测量。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于提供一种量子点阵列光谱传感器，其通过量子点胶体阵列和阵列光电探测器的配合，实现测量带宽大、波长分辨率高、弱光灵敏度好的效果，从而大幅改善现有仪器的性能。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种量子点阵列光谱传感器，其包括：量子点胶体阵列薄膜和阵列光电探测器；
所述量子点胶体阵列薄膜用于承载量子点胶体阵列；所述量子点胶体阵列包括多个量子点胶体单元，其中至少有一量子点胶体单元的吸收或透射光谱不同于其他量子点胶体单元；
所述量子点胶体阵列薄膜承载有量子点胶体阵列的一面与阵列光电探测器的感光面相对设置；待测光谱的被测光照射至量子点胶体阵列薄膜后，穿过量子点胶体阵列的透射光被感光面探测到。
作为一种实施方式，所述感光面的数量不小于量子点胶体单元的数量，每个量子点胶体单元均对应一个感光面，被测光穿过每个量子点胶体单元形成的透射光投影到对应的感光面上。
作为另一种实施方式，所述量子点胶体单元的数量不小于感光面的数量，每个感光面均对应一个量子点胶体单元，感光面用于探测其对应量子点胶体单元被穿过的透射光。
作为一种优选的实施方式，所述感光面和量子点胶体单元一一对应，每个量子点胶体单元均对应一个感光面，被测光穿过每个量子点胶体单元形成的透射光投影到对应的感光面上。
优选地，不同的量子点胶体单元的吸收或透射光谱均不相同。
优选地，量子点胶体阵列的吸收或透射光谱覆盖从紫外波段到红外波段。
优选地，所述量子点胶体单元由硫化镉和硒化镉的混合纳米颗粒分散在聚乙烯醇缩丁醛树脂中组成；不同的量子点胶体单元具有不同的纳米颗粒的粒径或/和纳米颗粒的混合比例。
优选地，所述量子点胶体阵列薄膜紧贴于阵列光电探测器的感光面上，例如胶结或其他固定方式。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、量子点阵列光谱传感器利用量子点胶体单元构成的二维阵列对被测光的光强进行二维空间编码，这种编码方式相比利用干涉滤波片法实现一维光强编码的已有光谱测量仪器，其编码位数大幅增加，可以提高测量光谱的波长分辨率；
2、由于量子点材料的透射光谱带宽远大于干涉滤波片的透射带宽，利用量子点胶体阵列进行光谱探测可以提高被测光的使用效率，增强光谱仪对微弱光的探测灵敏度；
3、量子点胶体单元(采用量子点材料)的吸收和透射光谱取决于量子点材料的平均粒径、构成组分等因素，通过控制这些因素，量子点材料的吸收或透射光谱可以覆盖从紫外波段到红外波段的宽阔波段，其波长探测范围大于基于干涉滤波片原理的已有光谱测量仪器。
4、量子点阵列光谱传感器的工作原理不依赖色散光学元件，因此其体积不受有效光程限制，其几何尺寸远小于基于色散原理的已有光谱测量仪器；
5、基于色散原理的光谱测量仪器的波长分辨率反比于入射光光阑的几何尺寸，因此必须使用小入射光阑提高其波长分辨率，这反过来限制了其对微弱光强的探测灵敏度。而量子点阵列光谱传感器的波长分辨率与入射光的尺寸无关，可以对照射到量子点胶体阵列薄膜的全部被测光实施测量，因此其对微弱光的探测灵敏度强于色散型光谱测量仪器。
因此，量子点阵列光谱传感器相比已有的光谱测量仪器，具有体积小、测量带宽大、波长分辨率高、弱光灵敏度好的优势，可以大幅改善现有仪器的性能。
附图说明
图1为现有基于光学色散的光谱探测传感器的原理图；
图2为现有基于光学干涉的光谱探测传感器的原理图；
图3为本发明量子点阵列光谱传感器的结构图；
图4为图3的分解结构示意图。
图中：1、被测光；2、量子点胶体阵列薄膜；3、量子点胶体阵列；4、透射光；5、阵列光电探测器；6、感光面；11、被测光；12、反射镜；13、光栅；14、反射镜；15、光电传感器；21、被测光；22、上介质镜；23、锥形腔；24、下介质镜；25、窄带光学滤波器；26、光电传感器。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
请参照图3和图4所示，一种量子点阵列光谱传感器，主要由量子点胶体阵列薄膜2和阵列光电探测器5两个部件组成，其中，量子点胶体阵列薄膜2的作用至于承载量子点胶体阵列3并将量子点胶体阵列与外界环境隔离，阵列光电探测器5可以是安装一壳体上，然后将量子点胶体阵列薄膜2紧贴于阵列光电探测器5上，同时，需要保证量子点胶体阵列薄膜2承载量子点胶体阵列3的一面与阵列光电探测器5的感光面6相对设置，即在上述紧贴的情况下，可以认为量子点胶体阵列3与感光面6接触。量子点胶体阵列薄膜2紧贴于阵列光电探测器5的方式包括但不限于胶结。
阵列光电探测器5的作用在于探测穿过量子点胶体阵列3的透射光4的强度。透射光4为待测光谱的被测光1照射至量子点胶体阵列薄膜2后，透过量子点胶体阵列3被测光。
量子点胶体阵列3包括多个量子点胶体单元，其中至少有一量子点胶体单元的透射(或吸收)光谱不同于其他量子点胶体单元；当然，这种情况下，可能存在有透射光谱相同的量子点胶体单元，则它们对应的感光面则将光强信号转换成相同的电压信号，此种情况下可以用来对验证吸收或透射光谱相同的量子点胶体单元的准确性。当然，作为一种更优选的方案，不同的量子点胶体单元具有不同的透射光谱，量子点胶体单元的透射光谱可以覆盖从紫外波段到红外波段的宽阔波段。每个量子点胶体单元均为量子点胶体材料，例如每个量子点胶体单元均可以由一种硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)混合纳米颗粒分散在聚乙烯醇缩丁醛树脂(PVB)中组成；不同的量子点胶体单元具有不同的纳米颗粒的粒径或/和纳米颗粒的混合比例，因此具有不同的透射光谱；当然，量子点胶体单元也可以全部或部分采用其他材料制成，只要保证量子点胶体单元的投射光谱不同即可。
感光面6和量子点胶体单元一一对应，每个量子点胶体单元均对应一个感光面6，由于量子点胶体阵列3上各个量子点胶体单元具有不同的透射光谱，每个量子点胶体单元的透射光4中各个波长成分的光强发生不同程度的变化，每个量子点胶体单元的透射光投影在阵列光电探测器5的感光面6上，其强度被阵列光电探测器5探测。阵列光电探测器5将探测到的每个感光面6的光强信号转换为电压信号，作为整个量子点阵列光谱传感器的输出。
需要说明的是，量子点胶体单元未必一定需要和感光面6一一对应，例如，感光面6的数量可以大于量子点胶体单元的数量，此时每个量子点胶体单元均对应一个感光面6，被测光1穿过每个量子点胶体单元形成的透射光4投影到对应的感光面6上，其余未被对应上的感光面6则无信号输出。
当然，还可以是量子点胶体单元的数量大于感光面6的数量，每个感光面6均对应一个量子点胶体单元，感光面6用于探测其对应量子点胶体单元被穿过的透射光4，其余未被对应上的量子点胶体单元则不被探测。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种量子点阵列光谱传感器，其特征在于，其包括：量子点胶体阵列薄膜(2)和阵列光电探测器(5)；
所述量子点胶体阵列薄膜(2)用于承载量子点胶体阵列(3)；所述量子点胶体阵列(3)包括多个量子点胶体单元，其中至少有一量子点胶体单元的吸收或透射光谱不同于其他量子点胶体单元；
所述量子点胶体阵列薄膜(2)承载有量子点胶体阵列(3)的一面与阵列光电探测器(5)的感光面(6)相对设置；待测光谱的被测光(1)照射至量子点胶体阵列薄膜(2)后，穿过量子点胶体阵列(3)的透射光(4)被感光面(6)探测到。
2.根据权利要求1所述的量子点阵列光谱传感器，其特征在于，所述感光面(6)的数量不小于量子点胶体单元的数量，每个量子点胶体单元均对应一个感光面(6)，被测光(1)穿过每个量子点胶体单元形成的透射光(4)投影到对应的感光面(6)上。
3.根据权利要求1所述的量子点阵列光谱传感器，其特征在于，所述量子点胶体单元的数量不小于感光面(6)的数量，每个感光面(6)均对应一个量子点胶体单元，感光面(6)用于探测其对应量子点胶体单元被穿过的透射光(4)。
4.根据权利要求1所述的量子点阵列光谱传感器，其特征在于，所述感光面(6)和量子点胶体单元一一对应，每个量子点胶体单元均对应一个感光面(6)，被测光(1)穿过每个量子点胶体单元形成的透射光(4)投影到对应的感光面(6)上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的量子点阵列光谱传感器，其特征在于，不同的量子点胶体单元的吸收或透射光谱均不相同。
6.根据权利要求5所述的量子点阵列光谱传感器，其特征在于，量子点胶体阵列(3)的吸收或透射光谱覆盖从紫外波段到红外波段。
7.根据权利要求5所述的量子点阵列光谱传感器，其特征在于，所述量子点胶体单元由硫化镉和硒化镉的混合纳米颗粒分散在聚乙烯醇缩丁醛树脂中组成；不同的量子点胶体单元具有不同的纳米颗粒的粒径或/和纳米颗粒的混合比例。
8.根据权利要求1-4任一项所述的量子点阵列光谱传感器，其特征在于，所述量子点胶体阵列薄膜(2)紧贴于阵列光电探测器(5)的感光面(6)上。
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