CN109612944A - 一种光谱检测系统和光谱检测分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光谱检测系统和光谱检测分析方法。光谱检测系统包括：阵列设置的滤光单元，设置于滤光单元出光侧的感应模组，以及设置于滤光单元与感应模组之间的测试区域；滤光单元，用于对照射到该滤光单元中的自然光进行过滤，以出射目标波长范围的光线，并将出射的目标波长范围的光线通过测试区域中的待测物后，照射到感应模组上；感应模组，用于接收目标波长范围的光线与待测物发生反应后的光学信号，该光学信号为用于对待测物进行光谱分析的光学信号。本发明实施例解决了现有光谱仪设备中，由于光源类型固定而导致用于测试的光线的光谱范围局限性较大的问题，以及由于体积大而导致的成本高、难以实现量产化和普及化等问题。

Description

一种光谱检测系统和光谱检测分析方法

技术领域

本申请涉及但不限于光电子技术和光谱仪技术领域，尤指一种光谱检测系统和光谱检测分析方法。

背景技术

随着光电子技术的发展，采用光谱仪光电信号进行光谱分析已成为物质检测的一种实施方案。

现有光谱仪设备通常配置有专门光源模组，该光源模组可以为发出单色光的光源，也可以为发出白色光的光源；另外，现有光谱仪设备的体积通常过大，以至于现有光谱仪设备只能由科研人员在实验室中应用，难以普及化。上述现有光谱仪设备存在以下问题：一方面，用于测试的光谱范围通常比较固定，例如为已配置的单色光，或者为通过白色光分光出的可见单色光，使得用于测试的光线的光谱范围具有较大的局限性；另一方面，光谱仪设备的大体积使得光谱仪的成本较高，难以实现量产化和普及化。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种光谱检测系统和光谱检测分析方法，以解决现有光谱仪设备中，由于光源类型固定而导致用于测试的光线的光谱范围局限性较大的问题，以及由于体积大而导致的成本高、难以实现量产化和普及化等问题。

本发明实施例提供一种光谱检测系统，包括：阵列设置的滤光单元，设置于所述滤光单元出光侧的感应模组，以及设置于所述滤光单元与所述感应模组之间的测试区域；

所述滤光单元，用于对照射到所述滤光单元中的自然光进行过滤，以出射目标波长范围的光线，并将出射的所述目标波长范围的光线通过所述测试区域中的待测物后，照射到感应模组上；

所述感应模组，用于接收所述目标波长范围的光线与所述待测物发生反应后的光学信号，所述光学信号为用于对所述待测物进行光谱分析的光学信号。

可选地，如上所述的光谱检测系统中，还包括：设置于相邻滤光单元之间的第一黑矩阵。

可选地，如上所述的光谱检测系统中，所述感应模组包括阵列排布的、且与所述滤光单元一一对应的感应单元；

所述感应单元，用于接收对应滤光单元出射的目标波长范围的光线与所述待测物发生反应后的光学信号。

可选地，如上所述的光谱检测系统中，所述测试区域包括：阵列设置于所述滤光单元出光侧、且与所述滤光单元一一对应的微流单元；其中，所述微流单元中包括多条微流通道；

所述微流单元中的微流通道，用于流入所述待测物，使得从对应滤光单元出射的目标波长范围的单色光通过所述微流单元中的待测物后，照射到对应的感应单元上。

可选地，如上所述的光谱检测系统中，所述测试区域还包括：设置于相邻微流单元之间的第二黑矩阵。

可选地，如上所述的光谱检测系统中，还包括：设置于所述滤光单元入光侧的偏振片。

可选地，如上所述的光谱检测系统中，所述滤光单元为透射式滤光单元；其中，所述透射式滤光单元包括法布里-珀罗腔和全息光栅。

可选地，如上所述的光谱检测系统中，还包括：与所述感应模组相连接的处理模块；

所述处理模块，用于对所述感应模组获取的光学信号进行光谱分析，以得到所述待测物的分析结果。

本发明实施例提供还一种光谱检测分析方法，所述方法采用如上述任一项所述的光谱检测系统执行，所述方法包括：

接收所述感应模组获取的光学信号，其中，所述光学信号为所述滤光单元过滤自然光后出射的目标波长范围的光线通过所述测试区域与所述待测物发生反应后形成的；

处理所述光学信号得到所述待测物的分析结果。

可选地，如上所述的光谱检测分析方法中，所述测试区域中放置同一种待测物，不同滤光单元出射的光线的波长范围为不同的，所接收的光学信号为所述感应模组分时获取的，所述处理所述光学信号得到所述待测物的分析结果，包括：

在不同时间对不同波长范围的光线与同一种待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到所述同一种待测物在多个波长范围下的多个分析结果。

可选地，如上所述的光谱检测分析方法中，所述感应模组包括与所述滤光单元一一对应设置的感应单元，所接收的光线信号为所述感应单元同时获取的或分时获取的，所述处理所述光学信号得到所述待测物的分析结果，包括：

在不同时间或相同时间对对不同波长范围的光线与同一种待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到所述同一种待测物在多个波长范围下的多个分析结果。

可选地，如上所述的光谱检测分析方法中，所述测试区域包括与所述滤光单元一一对应的微流单元，不同微流单元中放置不同的待测物，且不同滤光单元出射的光线的波长范围为相同的，所接收的光线信号为所述感应单元同时获取的或分时获取的，所述处理所述光学信号得到所述待测物的分析结果，包括：

在不同时间或相同时间对相同波长范围的光线分别与多种待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到所述多种待测物在同一波长范围下的分析结果。

可选地，如上所述的光谱检测分析方法中，所述测试区域包括与所述滤光单元一一对应的微流单元，不同微流单元中放置不同的待测物，且不同滤光单元出射的光线的波长范围为不同的，所接收的光线信号为所述感应单元同时获取的或分时获取的，所述处理所述光学信号得到所述待测物的分析结果，包括：

在不同时间或相同时间对每种波长范围的光线与指定待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到每种所述待测物在特定波长范围下的分析结果。

本发明实施例提供的光谱检测系统和光谱检测分析方法，通过设置阵列排布的滤光单元，位于这些滤光单元出光侧的感应模组，以及位于滤光单元与感应模组之间的测试区域，环境中的自然光照射到滤光单元上并经滤光单元的过滤后出射目标波长范围的光线，并且该光线通过滤光单元和感应模组之间的测试区域时照射到待测物上与待测物发生反应后产生光学信号，该光学信号照射到感应模组上，因此，感应模组可以接收到目标波长范围的光线与待测物发生反应后的光学信号，即获取到用于对待测物进行光谱分析的光学信号，其中，通过滤光单元过滤可以得到不同波长范围，且半峰宽较窄、单色性较好的光线；本发明提供的光谱检测系统，通过对环境中的自然光进行过滤得到半峰宽较窄的光线，可以实现对自然光的全光谱任意波长、高分辨率的过滤效果；另外，采用自然光作为光源，减少光源模组的硬件成本、并减少制作工艺，有利于降低工业化成本，并且该光谱检测系统的结构简单、微型化，可以实现批量生产，使得该光谱检测系统便于使用、具有广泛的应用范围，可以应用于各类物理物质、化学成分、生物检测、食品检疫和细菌分类等检测和标定的光谱检测场景中；因此，本发明实施例解决了现有光谱仪设备中，由于光源类型固定而导致用于测试的光线的光谱范围局限性较大的问题，以及由于体积大而导致的成本高、难以实现量产化和普及化等问题。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例提供的一种光谱检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种光谱检测系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光谱检测系统中一种滤光单元的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种光谱检测系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的光谱检测系统中一种测试区域的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的光谱检测系统中一种滤光单元的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的光谱检测系统中一种滤光单元的滤光效果的光谱分析曲线示意图；

图8为本发明实施例中一种入射光角度与滤光单元透光率的关系曲线示意图；

图9为入射光在正负10°时TE偏振和TM偏振下滤光单元的透光率的曲线示意图；

图10为入射光在正负30°时TE偏振和TM偏振下滤光单元的透光率的曲线示意图；

图11为入射光在正负60°时TE偏振和TM偏振下滤光单元的透光率的曲线示意图；

图12为本发明实施例提供的一种光谱检测分析方法的流程图；

图13为本发实施例提供的光谱检测分析方法的一种应用场景的示意图；

图14为本发实施例提供的光谱检测分析方法的另一种应用场景的示意图；

图15为本发明实施例提供的光谱检测分析方法中一种处理过程的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明实施例提供的一种光谱检测系统的结构示意图。本实施例提供的光谱检测系统100可以包括：阵列设置的滤光单元110，设置于滤光单元110出光侧的感应模组120，以及设置于滤光单元110与感应模组120之间的测试区域130。

本发明实施例的上述光谱检测系统100中，滤光单元110，用于对照射到该滤光单元110中的自然光进行过滤，以出射目标波长范围的光线，并将出射的目标波长范围的光线通过测试区域130中的待测物后，照射到感应模组120上。其中，经滤光单元110过滤后出射的光线包括可见单色光、深紫外光、紫外光和红外光；在实际应用中，可以通过环境中自然光的波长范围以及通过设计滤光单元110的结构，使得滤光单元110过滤后得到的上述任一种波长范围的光线，在设计时还可以考虑待测物的响应波长，若待测物的响应波长是特定波长范围的单色光，则可以通过设计得到该波长范围的单色光，若待测物的响应波长是多种波长范围的光线，则可以通过设计得到这些波长范围的光线，包括可见光和非可见光。

感应模组120，用于接收目标波长范围的光线与待测物发生反应后的光学信号，该光学信号为用于对待测物进行光谱分析的光学信号。

本发明实施例提供的光谱检测系统100，为一种体积较小的微型光谱仪，可用于测量微数据量级的待测物质，例如为纳米级的待测物。该光谱检测系统100采用环境中的自然光作为光源，无须外置光源模组，这样，相比于现有光谱仪设备减少了配置光源模组的硬件成本，并且降低了制作过程中制作光源模组的工艺流程，相应地降低了制作成本和制作过程中的人工成本。

本发明实施例的光谱检测系统100的硬件结构中，滤光单元110可以直接将环境中的自然光作为光源，接收到自然光时对其进行过滤处理，从而过滤得到不同波长、且半峰宽较窄、单色性较好的目标波长范围的光线，图1中以不同的线型表示不同滤光单元110出射的不同目标波长范围的光线；由于该滤光单元110对自然光进行过滤，即只有满足要求的目标波长范围的光线可以透过该滤光单元110，另外，由于自然光的光谱范围非常广，可以包括红外光、可见光、紫外光，以及深紫外光，可以通过对滤光单元110的结构设计，使其仅透射指定目标波长范围的光线，即可以仅透射上述一种波长范围的光线，可见光范围内透射半峰宽较窄的单色光。因此，本发明实施例中的滤光单元110可以实现对自然光的全光谱任意波长、高分辨率的过滤效果；相应地，光谱检测系统100可以为不同检测目的设计的自然光光谱中任意波长的检测系统。

需要说明的是，由于滤光单元110对自然光的过滤作用，仅出射特定波长范围(即目标波长范围)的光线，这样，会损失大多数的光能量，过滤得到的光能量较入射的自然光相比降低很多，因此，在实际应用中，环境中自然光的光强度越强越好，可以使得光滤光单元110滤光后得到的目标波长范围的光线的强度尽可能高，从而提升光谱检测系统100的测试效果。

本发明实施例中可以通过阵列设置的滤光单元110得到多种目标波长范围的光线，例如为上述红外光、各种可见单色光、紫外光和深紫外光，这些由滤光单元110出射的光线均为半峰宽较窄的光线。另外，滤光单元110与感应模组120中间设置有测试区域130，且滤光单元110的出光侧接近感应模组120，中间的测试区域130即为待测物的流通通道。实际应用中，感应模组120与滤光单元110的外围可以通过封框胶140形成密闭空间，在检测过程中，将待测气体或待测液体注入测试区域130，在测试区域130中流过，不同目标波长范围的光线穿过测试区域130时照射到待测物上，与待测物发生物理反应或化学反应后，将带有待测物信号的光传输到感应模组120上。该感应模组120例如为一光敏传感器，可以接收到多种目标波长范围的光线分别与待测物发生反应、且带有待测物信号的光学信号，这些光学信号可以用于对待测物进行分析，即对这些光学信号进行处理和对比，给出待测物的信息，从而完成对待测物的检测。

由于在实际制作过程中的工艺需要，本发明实施例的光谱检测系统100中，阵列排布的滤光单元110形成于第一基板110a上，即第一基板110a位于滤光单元110与测试区域130之间；另外，感应模组120形成于第二基板120a上，即第二基板120a位于感应模组120远离滤光单元110的一侧，并且为整个光谱检测系统100的基底层；经滤光单元110过滤后出射的光线需要通过测试区域130内的待测物，并照射到感应模组120上，因此，要求位于滤光单元110与测试区域130之间第一基板110a为透明基板，可以使得光线无损传播，该第一基板110a例如为玻璃基板或树脂材料等透明基板。

需要说明的是，基于本发明实施例提供的光谱检测系统100的上述结构特征，该光谱检测系统100为一微型光谱仪，可以通过微纳结构过滤出目标波长范围的光线，无需大体积的机械传动组件就能实现目标波长范围的光线的过滤效果。该光谱检测系统100的应用范围较广，例如可以应用于光谱检测、物质分析、标定、分子诊断、食品检疫和细菌分类等物理、化学、生物、医学和农学领域。

本发明实施例提供的光谱检测系统，通过设置阵列排布的滤光单元，位于这些滤光单元出光侧的感应模组，以及位于滤光单元与感应模组之间的测试区域，环境中的自然光照射到滤光单元上并经滤光单元的过滤后出射目标波长范围的光线，并且该光线通过滤光单元和感应模组之间的测试区域时照射到待测物上与待测物发生反应后产生光学信号，该光学信号照射到感应模组上，因此，感应模组可以接收到目标波长范围的光线与待测物发生反应后的光学信号，即获取到用于对待测物进行光谱分析的光学信号，其中，通过滤光单元过滤可以得到不同波长范围，且半峰宽较窄、单色性较好的光线；本发明提供的光谱检测系统，通过对环境中的自然光进行过滤得到半峰宽较窄的光线，可以实现对自然光的全光谱任意波长、高分辨率的过滤效果；另外，采用自然光作为光源，减少光源模组的硬件成本、并减少制作工艺，有利于降低工业化成本，并且该光谱检测系统的结构简单、微型化，可以实现批量生产，使得该光谱检测系统便于使用、具有广泛的应用范围，可以应用于各类物理物质、化学成分、生物检测、食品检疫和细菌分类等检测和标定的光谱检测场景中；因此，本发明实施例解决了现有光谱仪设备中，由于光源类型固定而导致用于测试的光线的光谱范围局限性较大的问题，以及由于体积大而导致的成本高、难以实现量产化和普及化等问题。

可选地，图2为本发明实施例提供的另一种光谱检测系统的结构示意图。在图1所示光谱检测系统100的结构基础上，本发明实施例中还包括：设置于相邻滤光单元110之间的第一黑矩阵141。

如图3所示，为本发明实施例提供的光谱检测系统中一种滤光单元的结构示意图，图3中示意出阵列排布的滤光单元110，以及相邻滤光单元110之间设置的第一黑矩阵141，并且示意出用于形成滤光单元110的第一基板110a，图3中以不同的填充表示滤光单元110过滤自然光之后可以出射不同波长范围的光线。

本发明实施例中的第一黑矩阵141位于不同的滤光单元110之间，主要用来隔开不同的滤光单元110，方便检测和识别，并阻止由于界面粗糙度等原因导致的杂散光，降低干扰，第一黑矩阵141之间的间距由滤光单元110的大小体积来确定。上述用于封装外围滤光单元110和感应模组120的封框胶140将光谱检测系统100的整体器件结构封装到一起，还可以隔绝环境光和杂散光对测试的影响。

需要说明的是，上述实施例中的光谱检测系统通过感应模组120接收多个滤光单元110出射的光线与待测物反应后的光学信号，进行光谱分析的方式，为了保证对每个滤光单元110的出射光线形成的光线信号进行有效分析，光谱检测系统100中的多个滤光单元110可以为分时开启，并且光谱检测系统100为分时执行光谱分析的。为了提高光谱检测的效率，可以将感应模组120设计为包括多个光敏传感器的结构，使得滤光单元110可以同时开启进行光谱分析，以下说明光谱检测系统100同时执行光谱分析的实现方式。

可选地，图4为本发明实施例提供的又一种光谱检测系统的结构示意图。在图3所示光谱检测系统100的结构基础上，本发明实施例中的感应模组120包括阵列排布的、且与滤光单元110一一对应的感应单元121。

在本发明实施例中，通过将感应模组120设置为与滤光单元110一一对应的感应单元121，每个感应单元121为一个光敏传感器，即每个感应单元121可以独立接收对应滤光单元110的出射的目标波长范围的光线与待测物发生反应后的光学信号，从而使得光谱检测系统100可以同时得到多个感应单元121接收到的多个光学信号，即实现同时执行光谱分析的检测方式。

本发明实施例中的光敏传感器通常为微型传感器，其与光线的出光口一一对应，且两者的间距依赖于光线耦合结构(阵列排布的微流单元131)的出光方向的精度以及光敏传感器的信噪比需求，优选方案为两者紧密贴合(中间可以包含缓冲膜层等)。其中，光敏传感器的类型，可以是电荷耦合器件(Charge-coupled Device，简称为：CCD)、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称为：CMOS)器件、PIN型光电二极管等，本发明实施例中不做具体限定。

进一步地，与光谱检测系统100同时执行光谱分析的检测方式类似，若测试区域130为图1所示实施例中的一个整体区域，那么该测试区域130中仅能放置同一种待测物，即虽然滤光单元110可以出射不同波长范围的光线，但是这些光线都与同一种待测物发生反应，同时执行光谱分析也是仅针对同一待测物与不同波长范围的光线发生反应后得到的光学信号的分析。

若要对多种待测物进行光谱分析，则要求光谱检测系统100中可以放置多种待测物，测试区域130可以采用与感应模组120类似地结构，即本发明实施例中的测试区域130可以包括：阵列设置于滤光单元110出光侧、且与滤光单元110一一对应的微流单元131；其中，微流单元131中包括多条微流通道131a(图4中以微流单元131中的白色线条示意出微流通道131a)。

本发明实施例的微流单元131中的微流通道131a，用于流入待测物，使得从对应滤光单元110出射的目标波长范围的单色光通过微流单元131中的待测物后，照射到对应的感应单元121上。

需要说明的是，本发明实施例的测试区域130还可以包括：设置于相邻微流单元131之间的第二黑矩阵142，该第二黑矩阵142位于不同的微流单元131之间，用于吸收非目标波长范围的光线，消除杂散光的影响，可以根据实际应用需求设定第二黑矩阵142，如果滤光单元110滤出的光是纯色的、且半峰宽窄的光，也可以不设置该第二黑矩阵142，该第二黑矩阵142厚度和宽度都可以根据实际应用情况进行设计，本发明实施例不做具体限定。另外，图4所示实施例中的光谱检测系统100，不仅可以采用一种或多种波长的光线对单一种类的待测物进行光谱分析，还可以采用同一种波长的光线对多种待测物进行光谱分析，还可以采用多种波长的光线一一对应的对指定类型的待测物进行光谱分析，上述采用多种波长的光线或对多种待测物进行分析的方式中，滤光单元110可以为同时开启或分时开启的，即光谱分析可以是同时执行或分时执行的。

本发明实施例中，由于实际制作中的工艺要求，微流单元131也是形成于一透明基板上，如图4中的微流基板130a，该微流基板130同样要选用玻璃、树脂等透明基板，以使得光线可以到达感应单元121，也可以是聚酯化合物或者其他材料的透明基板，上述聚酯化合物例如为聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，简称为：PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，简称为：PMMA)，微流基板130a的厚度根据实际需求指定，本发明实施例对上述各种基板的材质和厚度不做具体限定。位于微流单元131中的微流通道131a微流体传输的通道，该通道的宽度和高度可以是纳米级通道，也可以更大或更小，具体根据实际应用场景设计，本发明实施例对微流通道131a大小不做具体限定。如图5所示，为本发明实施例提供的光谱检测系统中一种测试区域的结构示意图，图5为该测试区域130的俯视图，图5中示意出测试区域130中阵列排布的微流单元131、相邻微流单元131之间的第二黑矩阵142，以及微流单元131的基底层(即微流基板130a)，另外，以图5所示测试区域130中的微流单元131与上述图3所示滤光单元110为一一对应的设置方式为例予以示出，图中都仅示意出3*5阵列的滤光单元110或微流单元131。

在实际应用中，微流通道131a可以为微流单元131入光侧的槽型通道，该形状的微流通道131a可以通过光刻、刻蚀的方法做在硅、玻璃或者聚合物等材料的微流基板130a上；也可以采用电极驱动形式的微流通道131a，例如在玻璃基板上铺设电极，本发明实施例对微流通道131a的形态、材质和形成方式不做具体限定。另外，微流通道131a的内壁可以涂覆疏水或亲水膜层，使微流体(待测物)在微流通道131a内根据实验需求流动或者短暂滞留，如特氟龙-AF疏水层，可以使使微流体尽可能不粘附在微流通道131a内，而是根据测试需求流动。

可选地，本发明实施例中的滤光单元110可以选用透射式滤光单元，且自然光经过透射式滤光单元的过滤后，透射出半峰宽较窄、且单色性较好的光线。进一步地，上述透射式滤光单元可以选用法布里-珀罗腔(即Fabry-Perot共振腔，简称为F-P腔)或全息光栅，也可以选用其它类型的滤光单元110，本发明实施例对滤光单元110的具体结构和类型不做限定，只要可以满足本发明实施例中滤光单元110的过滤效果即可。

在本发明实施例的一种实现方式中，可以采用F-P腔作为滤光单元110，如图6所示，为本发明实施例提供的光谱检测系统中一种滤光单元的结构示意图，该滤光单元为F-P腔110，该F-P腔110可以形成于下基板111上，首先在下基板111上沉积一层薄的金属层112，如银(Ag)或者铝(Al)等可以作为电极的金属薄层，之后沉积一种高透过率的薄膜层113，如氮化硅(SiNx)等，厚度根据实际检测精度确定，可以是几个微米到数十个微米量级，此后在该薄膜层113的表面沉积金属层114，形成F-P腔，金属层114上还具有上基板115做封装保护。上述实现方式中，可以通过调整SiNx中Si和N的比例调整F-P腔110中薄膜层113的折射率。需要说明的是，在F-P腔的实际制作过程中，图6中的下基板111可以为本发明图1到图4所示实施例中的第一基板110a，即可以将上述第一基板110a视为F-P腔的下基板制作该F-P腔。

可选地，上述F-P腔中间的薄膜层113可以替换为液晶层，此时金属层112不仅F-P腔的一个组成部分，也是驱动液晶层偏转的电极，其中金属层112作为下驱动电极层，金属层114作为上驱动电极层，下基板112和上基板115分别沉积金属层后对盒，由PS(photospacer)116支撑和维持金属层112和金属层114之间的高度和均匀性，随后填充液晶，液晶折射率的范围尽量大，以适应不同待测物对入射光波长的不同需求。

需要说明的是，本发发明实施例的光谱检测系统100以自然光作为光源，因此要求该光谱检测系统100中的滤光单元110对入射光的角度不敏感。本发明实施例的设计人员针对上述液晶层的F-P腔，对入射光的角度影响做了计算模拟，以满足光谱检测系统100的要求。以波长范围在380～780纳米(nm)的自然光为例进行实验，当PS高度为10微米(um)，液晶层厚度为10um，液晶折射率固定为1.70，上、下驱动电极层均为20nm的Ag为例进行验证，计算得到干涉共振的光谱分布，如图7所示，为本发明实施例提供的光谱检测系统中一种滤光单元的滤光效果的光谱分析曲线示意图。图7的横坐标为出射光波长(单位为um)，纵坐标为光线的透光率(单位为百分比％)，从图7可以看出，采用上述F-P腔的滤光单元110过滤自然光，可以得到半峰宽较窄、单色性较好的光线，满足本发明实施例对滤光单元110的要求。

另外，本发明实施例的设计人员还对滤光单元110对入射光的角度的敏感度也进行了计算模拟。为了节省模拟时间，将上述实验中选用的液晶层的厚度降为3um，并将光谱范围从上述实验的380～780减小到440～480nm的范围进行模拟，原理上来讲，10um和3um的液晶层对入射光角度的响应规律是一致的，如图8所示，为本发明实施例中一种入射光角度与滤光单元透光率的关系曲线示意图。图8的横坐标为出射光波长(单位为um)，纵坐标为通过滤光单元透射后的光强度(Intensity)(单位为a.u.)，从图8可以看出，当入射光角度小于+/-60°时，出射光的波长和正入射时的波长基本相同，由于自然光是任意角度和偏振的光叠加，所以应该在一个平面内具有+/-90°的光，本发明实施例的滤光单元110透射出的(60°-(-60°))/(90*2)＝2/3的光的波长基本在固定的波长透射出光，其他1/3光(即大角度入射光)的透射强度随角度增大而减小，因此整体出光也是按照60°范围内的出光波长透射出光。

上述图8为横向磁极化(Transverse-Magnetic polarization，简称为：TM)偏振下入射角对滤光单元透光率的影响，实际的自然光可以认为是横向电极化(Transverse-Electric polarization，简称为：TE)偏振和TM偏振的平均响应。因此，本发明实施例的设计人员对不同入射光角度下，滤光单元的透光率对角度的响应也做了计算模拟，图9为入射光在正负10°时TE偏振和TM偏振下滤光单元的透光率的曲线示意图，图10为入射光在正负30°时TE偏振和TM偏振下滤光单元的透光率的曲线示意图，图11为入射光在正负60°时TE偏振和TM偏振下滤光单元的透光率的曲线示意图，上述图9到图11同样以3um厚度液晶层的F-P腔进行模拟验证，从图9到图11可以看出，当入射光角度小于30°时，TE偏振和TM偏振下的透射出光峰的波长和强度都无明显的区别，尤其是当入射光角度小于10°时，TE偏振和TM偏振基本上对该滤光单元无影响，图9中TM偏振和TE偏振的出射光基本重叠；但是，当入射光角度增大到60°时，TE偏振的光透射出光的波长整体向短波方向移动，且透过率整体下降约20％左右。当入射光角度发生变化时，透射率和透射相移都存在色散，入射角度变大时，TE偏振和TM偏振的光都随入射光角度增大而向短波方向移动，同干涉级数的偏振，TM偏振的光移动距离小于TE偏振的光。

基于以上的计算结果，如果待测物对波长不十分敏感，既可以接受大约1～2纳米(nm)的波长偏差，则无须针对TE偏振和TM偏振进行特别设置，即无须特别去掉TE偏振的光。如果待测物对波长十分敏感，则可以在滤光单元110的入光侧设置偏振片，将某一类型的偏振的光过滤掉，以减小误差对检测精度的影响。

在本发明实施例的另一种实现方式中，可以采用全息光栅作为滤光单元110，即一种具体结构的全息光栅作为一个滤波单元，即一种结构的全息光栅用于将目标波长范围和特定角度的光线从自然光中透射出来，并出射到对应的微流单元131上，即作为一个滤光单元110的一个区域全息光栅仅针对性的过滤出一个角度和一种特定波长范围的光线，其他光线为0穿过率，通过后被第一黑矩阵141吸收或者被反射回空气介质中，从而以目标波长范围、且单角度的光与待测物发生反应后，被感应单元121接收到，完成检测。需要说明的是，以全息光栅作为滤光单元110的光谱检测系统100，与上述各实施例中的光谱检测系统100的技术效果相同。但是实际加工过程中，全息光栅的加工成本高，因此，以低成本为前提目标的民用的、次抛式的光谱检测系统100，可以选用F-P腔类型的滤光单元110。

可选地，本发明实施例提供的光谱检测系统100，还可以包括：与感应模组120相连接的处理模块；该处理模块，用于对感应模组120获取的光学信号进行光谱分析，以得到待测物的分析结果，在实际应用中，处理模块可以与感应模组120中的每个感应单元121连接。本发明实施例中的滤光单元110过滤得到的目标波长范围的光线经过待测微流体时，对其进行吸收或者散射，带有待测物信息的光线信号被对应的感应单元121收集并传输给处理模块，该处理模块可以根据分析得到的数据，调用数据库数据进行对标，分析所测物质的特性，并将数据传输至输出端。该实现方式中的输出端可以安装分析数据库，可以显示分析结果，如手持设备或者电脑等。

参照上述图1到图4所示光谱检测系统100，本发明实施例中的光谱检测系统100主要包括三大部分：光学部分(即滤光单元110)、微流部分(即微流单元131)和传感器部分(即感应单元121)。该光谱检测系统100可以实现各种要求的微流检测，例如包括以下应用场景：

第一种应用场景：测量仅对某段波长的光线敏感的待测物时，将待测物驱动到该波长的光线照射的微流单元131内，该待测物与该段波长的光线发生反应，例如物理吸收、散射或者化学激发、反应，由感应单元131检测到，与标样对标，完成检测；

第二种应用场景：一次需要完成对多个独立待测物的同时检测时，可以将多个待测物驱动到不同滤波单元110对应的微流单元131上，不同待测物与其上方滤光单元110出射的特定波长的光线反应后，由感应单元131检测到，与标样对标，完成检测；

第三种应用场景：一种待测物与多个波长的光线反应，将该待测物驱动到与出射多个波长的光线的滤光单元一一对应的微流单元131中，可以同时将待测物驱动到相应波长光线照射的微流单元131上，也可以根据测试优先级依次将待测物驱动到相应波长光线照射的微流单元131上，使得待测物分别与每个波长的光线的发生物理(例如散射、透射或者吸收)、激发或者参与其他化学反应后，该出射的光学信号被微流单元131下方的感应单元131接收到，并传回系统，与标样对标，完成检测。

需要说明的是，本发明实施例中的光谱检测系统100，不仅可以完成单一种类的待测物在一种或多种波段光线下的光谱检测，还可以完成批量同种或者不同种待测物的同时或者分时检测。

本发明实施例提供的光谱检测系统100，采用自然光作为光源，减少了系统的硬件结构并降低了制作工艺的复杂程度，不仅可以扩大光谱范围(从深紫外光到红外光的波段都可以通过滤光单元110过滤得到)，还可以降低了该光谱检测系统100各种成本，可以批量生产，并且可以集成微流通道和微型传感器，用于实现自然光全光谱任意波长、高分辨率滤波的过滤效果。本发明上述实施例以对微流体检测为例，提出了一种采用自然光作为光源、低成本、可批量生产、能实现任意波长检测需要的微型光谱检测系统。

基于本发明上述实施例提供的光谱检测系统，本发明实施例还提供一种光谱检测分析方法，该光谱检测分析方法由本发明上述任一实施例提供的光谱检测系统100执行，如图12所示，为本发明实施例提供的一种光谱检测分析方法的流程图，该光谱检测分析方法包括如下步骤：

S310，接收感应模组获取的光学信号，其中，该光学信号为经过采光装置中的每个出光口出射的目标波长范围的单色光通过测试区域与待测物发生反应后形成的；

S320，处理光学信号得到待测物的分析结果。

本发明实施例提供的光谱检测分析方法由上述图1到图5所示任一实施中的光谱检测系统执行，该光谱检测系统的具体结构，其中各个部件所实现的功能，以及光谱分析的有益效果在上述实施例中已经详细描述，故在此不再赘述。本发明实施例中的步骤S310～S320可以由光谱检测系统中的处理模块，例如为处理器执行，其接收的光学信号为：光谱检测系统的滤光单元对环境中的自然光进行过滤后形成的目标波长范围的光线，出射的光线通过测试区域与待测物发生反应后照射到感应模组上，因此，感应模组获取的光学信号为特定目标波长范围的光线与待测物进行物理或化学反应后形成的，可以通过对光学信号的光谱分析，得到待测物在上述特定目标波长范围的光线照射下的物质分析结果。

上述实施例中已经说明光谱检测系统的滤光单元，可以直接将环境中的自然光作为光源，接收到自然光时对其进行过滤处理，从而过滤得到不同波长、且半峰宽较窄、单色性较好的目标波长范围的光线，由于自然光的光谱范围非常广，可以包括红外光、可见光、紫外光，以及深紫外光，即可以仅透射上述一种波长范围的光线，可见光范围内透射半峰宽较窄的单色光。由于感应模组可以接收到多种目标波长范围的光线分别与待测物发生反应、且带有待测物信号的光学信号，并将这些光学信号传输给处理模块，由处理模块对待测物进行分析，即对这些光学信号进行处理和对比，给出待测物的信息，从而完成对待测物的检测和标定。

可选地，在本发明实施例中，若测试区域为一个整体区域，即该待测区域中仅能放置同一种待测物，且感应模组也为一个光敏传感器时，为了保证对每个滤光单元的出射光线形成的光线信号进行有效分析，多个滤光单元可以为分时开启，这样，S310中接收的光学信号为感应模组分时获取的。

当不同滤光单元出射的光线的波长范围为相同的，S320的实现方式，可以包括：

在不同时间对相同波长范围的光线与同一种待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到该同一种待测物在相同波长范围下的多个分析结果的平均值。

当不同滤光单元出射的光线的波长范围为相同的，S320的实现方式，可以包括：

在不同时间对不同波长范围的光线与同一种待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到该同一种待测物在多个波长范围下的多个分析结果。

可选地，在本发明实施例中，可以通过在感应模组中设置多个光敏传感器来实现同时执行光谱分析，即感应模组包括与滤光单元一一对应设置的感应单元，每个感应单元为一个光敏传感器，这样，S310中接收的光学信号为感应模组同时获取的或分时获取的，本发明实施例中S320的实现方式，可以包括：

在不同时间或相同时间对对不同波长范围的光线与同一种待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到该同一种待测物在多个波长范围下的多个分析结果。

可选地，在本发明实施例中，测试区域可以包括与滤光单元一一对应的微流单元，这样，该待测区域中不仅可以能放置同一种待测物(即每个微流单元中放置的待测物相同)，还可以放置不同的待测物。

在本发明实施例的一种实现方式中，如图13所示，为本发实施例提供的光谱检测分析方法的一种应用场景的示意图。该实现方式中，不同微流单元中放置的相同的待测物(如图13中的待测物150为相同物质)，不同滤光单元出射的光线的波长范围为相同的或不同的，可以同时或分时开启不同的滤光单元，从而同时或分时对大批量同类型待测物进行光谱检测。

举例来说，为了不同的检测需求，例如大量探测同种物质，以检测得到某种细菌或者细胞的统计数据，需要对同一种待测物或者同一类待测物进行大量检测时。此时，可以将待测物驱动到特定波长光线通过的微流单元中，使待测物与特定波长的光线发生反应，感应单元检测到具有待测物信息的光学信号，由处理模块进行处理、分析、对标、统计、输出。

再举例来说，当对生命体物质寿命或者细菌活性等的特性进行检测时，需要分时对同一种待测物进行检测，此时，也参考图13所示应用场景，可以分时滴入待测物，并分时驱动液滴运动至目标波长对应的微流单元中，与目标波长的光线发生反应，感应单元检测到具有待测物信息的光学信号，由处理模块进行处理、分析、对标、统计、输出。

在本发明实施例的一种实现方式中，如图14所示，为本发实施例提供的光谱检测分析方法的另一种应用场景的示意图。该实现方式中，不同微流单元中放置的不同的待测物(如图14中的待测物151为不同物质)，不同滤光单元出射的光线的波长范围为相同的或不同的，可以同时或分时开启不同的滤光单元，从而同时或分时对大批量不同类型待测物进行光谱检测。这样，S310中接收的光学信号为感应模组同时获取的或分时获取的。

当不同滤光单元出射的光线的波长范围为相同的，本发明实施例中S320的实现方式，可以包括：

在不同时间或相同时间对相同波长范围的光线分别与多种待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到多种待测物在同一波长范围下的分析结果。

当不同滤光单元出射的光线的波长范围为不同的，本发明实施例中S320的实现方式，可以包括：

在不同时间或相同时间对每种波长范围的光线与指定待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到每种待测物在特定波长范围下的分析结果。

在本发明实施例中，为了提高检测效率，节省时间，可以对大批量不同种类的待测物分时或者同时进行光谱检测，参考图14所示应用场景，将不同种类的待测物分时或者同时驱动到对应的微流通道中，完成检测、分析和对标等处理。

需要说明的是，本发明实施例中分时或者同时驱动、以及驱动液滴在微流单元中随意移动，需要驱动不同区域(即微流单元)的液滴任意独立移动，因此，要求液滴驱动器件(即微流单元)是有源器件，相对独立，且可以在任意时序控制液滴的移动。

如图15所示，为本发明实施例提供的光谱检测分析方法中一种处理过程的示意图，图15中示意出自然光经过滤光单元到达对应微流单元后的两种情况：一种情况下，从滤光单元出射的光线与微流体发生作用，感应单元检测后输出对标，完成检测；另一种情况下，从滤光单元出射的光线与微流体未发生作用，感应单元检测后输出，完成检测。实际检测和对标的过程中，可以包括以下几种情况：

第一种情况：如果微流体中存在某种或者某几种细菌或者物质，与经过滤光单元过滤出来的特定波长光线发生反应，反应后形成的光学信号被感应单元接收到，该光学信号输出后，与数据库中的数据对标，判断出存在某种细菌或者物质，检测结束；

第二种情况：如果微流体中不存在某种或者某几种细菌或者物质，与经过滤光单元过滤出来的特定波长光线不发生反应，输出的光学信号与输入的信号基本一致，直接输出无反应物，检测结束；

第三种情况：如果微流体中存在数据库中存在的未知物质或者细菌，可以将多个滤光单元过滤出来的不同波长光线与微流体发生反应，检测每种波长光线与微流体反应后，光线信号的变化，根据检测到的数据进行分析对标。

采用本发明上述实施例提供的光谱检测系统执行上述光谱检测分析方法，基于上述各种应用场景下的具体实现方式，以及特定波长的光线通过待测物后的各种情况，本发明实施例提供的光谱检测分析方法可以实现对任意物质或者细菌的检测，且具有较高的分辨率。由于待测物可以与不同波长的光线单独发生作用，所以检测精度高，出错率小，也不存在串扰带来的其他不稳定因素。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有可执行指令，该可执行指令被处理器执行时可以实现本发明上述任一实施例提供的光谱检测分析方法，该光谱检测分析方法可以用于对待测物进行分析，从而完成对特定物体或气体的标定、或者检测，即完成检测。本发明实施例提供的计算机可读存储介质的实施方式与本发明上述实施例提供的光谱检测分析方法基本相同，在此不做赘述。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种光谱检测系统，其特征在于，包括：阵列设置的滤光单元，设置于所述滤光单元出光侧的感应模组，以及设置于所述滤光单元与所述感应模组之间的测试区域；

所述滤光单元，用于对照射到所述滤光单元中的自然光进行过滤，以出射目标波长范围的光线，并将出射的所述目标波长范围的光线通过所述测试区域中的待测物后，照射到感应模组上；

所述感应模组，用于接收所述目标波长范围的光线与所述待测物发生反应后的光学信号，所述光学信号为用于对所述待测物进行光谱分析的光学信号。

2.根据权利要求1所述的光谱检测系统，其特征在于，还包括：设置于相邻滤光单元之间的第一黑矩阵。

3.根据权利要求1所述的光谱检测系统，其特征在于，所述感应模组包括阵列排布的、且与所述滤光单元一一对应的感应单元；

所述感应单元，用于接收对应滤光单元出射的目标波长范围的光线与所述待测物发生反应后的光学信号。

4.根据权利要求3所述的光谱检测系统，其特征在于，所述测试区域包括：阵列设置于所述滤光单元出光侧、且与所述滤光单元一一对应的微流单元；其中，所述微流单元中包括多条微流通道；

所述微流单元中的微流通道，用于流入所述待测物，使得从对应滤光单元出射的目标波长范围的单色光通过所述微流单元中的待测物后，照射到对应的感应单元上。

5.根据权利要求4所述的光谱检测系统，其特征在于，所述测试区域还包括：设置于相邻微流单元之间的第二黑矩阵。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的光谱检测系统，其特征在于，还包括：设置于所述滤光单元入光侧的偏振片。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的光谱检测系统，其特征在于，所述滤光单元为透射式滤光单元；其中，所述透射式滤光单元包括法布里-珀罗腔和全息光栅。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的光谱检测系统，其特征在于，还包括：与所述感应模组相连接的处理模块；

所述处理模块，用于对所述感应模组获取的光学信号进行光谱分析，以得到所述待测物的分析结果。

9.一种光谱检测分析方法，其特征在于，所述光谱检测分析方法采用如权利要求1～8中任一项所述的光谱检测系统执行，所述方法包括：

接收所述感应模组获取的光学信号，其中，所述光学信号为所述滤光单元过滤自然光后出射的目标波长范围的光线通过所述测试区域与所述待测物发生反应后形成的；

处理所述光学信号得到所述待测物的分析结果。

10.根据权利要求9所述的光谱检测分析方法，其特征在于，所述测试区域中放置同一种待测物，不同滤光单元出射的光线的波长范围为不同的，所接收的光学信号为所述感应模组分时获取的，所述处理所述光学信号得到所述待测物的分析结果，包括：

在不同时间对不同波长范围的光线与同一种待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到所述同一种待测物在多个波长范围下的多个分析结果。

11.根据权利要求9所述的光谱检测分析方法，其特征在于，所述感应模组包括与所述滤光单元一一对应设置的感应单元，所接收的光线信号为所述感应单元同时获取的或分时获取的，所述处理所述光学信号得到所述待测物的分析结果，包括：

在不同时间或相同时间对对不同波长范围的光线与同一种待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到所述同一种待测物在多个波长范围下的多个分析结果。

12.根据权利要求11所述的光谱检测分析方法，其特征在于，所述测试区域包括与所述滤光单元一一对应的微流单元，不同微流单元中放置不同的待测物，且不同滤光单元出射的光线的波长范围为相同的，所接收的光线信号为所述感应单元同时获取的或分时获取的，所述处理所述光学信号得到所述待测物的分析结果，包括：

在不同时间或相同时间对相同波长范围的光线分别与多种待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到所述多种待测物在同一波长范围下的分析结果。

13.根据权利要求11所述的光谱检测分析方法，其特征在于，所述测试区域包括与所述滤光单元一一对应的微流单元，不同微流单元中放置不同的待测物，且不同滤光单元出射的光线的波长范围为不同的，所接收的光线信号为所述感应单元同时获取的或分时获取的，所述处理所述光学信号得到所述待测物的分析结果，包括：

在不同时间或相同时间对每种波长范围的光线与指定待测物反应后形成的多个光学信号进行分析，得到每种所述待测物在特定波长范围下的分析结果。