CN110567896A - 一种基于多波段滤光的便携式分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多波段滤光的便携式分析装置,包括控制模块、多波段滤光图像模块、无线通信模块、电源模块,控制模块用于接收外部指令以及控制多波段滤光图像模块、无线通信模块以及显示模块,无线通信模块用于与外部设备通信;所述多波段滤光图像模块包括基底电路层,所述基底电路层上设置光敏器件层,在光敏器件层上设置有滤光结构层,滤光结构层上设置透明的聚焦结构层;所述滤光结构层与聚焦结构层之间设置平坦层。多波段滤光图像模块集成有滤光和聚焦功能,并且都是在同一基底上完成的,厚度非常薄。可以提取非常多通道的光谱信息,从而可以为分析提供更精准、更全面的光谱信息。
Description
技术领域
本发明涉及分析技术领域,具体是一种基于多波段滤光的便携式分析装置。
背景技术
随着图像处理技术的发展,通过获取皮肤图像,进而对图像进行分析,从而实现皮肤无创检测已成为皮肤美容保健领域的研究热点。同时随着人们的保健意识以及对护肤需求的不断提高,消费者对于皮肤各项特性如水分、肤质、皮肤老化及斑点情况等的检测装置有了更多的需求。
基于皮肤图像的分析装置其重点在于提取皮肤的光谱信息,其核心在于利用图像传感器对光谱信息的提取。传统的皮肤分析装置中的图像传感器通过彩色滤光片只能检测2~3种光谱信息,检测功能单一,无法检测完整光谱,从而导致其测试结果准确度差,同时,针对提取紫外或近红外等特殊光谱信息,检测装置还需要复杂的光学结构,从而导致设备体积庞大,价格昂贵。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种基于多波段滤光的便携式分析装置。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明的一种基于多波段滤光的便携式分析装置,包括控制模块、多波段滤光图像模块、无线通信模块、电源模块,控制模块用于接收外部指令以及控制多波段滤光图像模块、无线通信模块以及显示模块,无线通信模块用于与外部设备通信;所述多波段滤光图像模块包括基底电路层,所述基底电路层上设置光敏器件层,在光敏器件层上设置有滤光结构层,滤光结构层上设置透明的聚焦结构层;所述滤光结构层与聚焦结构层之间设置平坦层。
其中,所述滤光结构层是具有周期性的微纳米结构阵列,微纳米结构阵列包括多个子阵列,每个子阵列过滤一种波长的光。
其中,所述各子阵列为硅纳米线阵列,纳米线高度小于1um,直径50~150nm,周期300nm~800nm。
其中,所述滤光结构层为非晶硅纳米盘阵列,所述纳米盘阵列包括多个子阵列,各子阵列中有多个纳米盘,纳米盘阵列的高度50-200nm,周期100~400nm,纳米盘直径50~200nm。5、根据权利要求1所述的一种基于多波段滤光的便携式分析装置,其特征在于:所述聚焦结构层包括周期性排列的多个氮化硅纳米柱,能够在紫外光-可见光-红外光范围内产生0到2π的相移。
其中,所述各氮化硅纳米柱的高度为50-100nm。
其中,所述多个纳米柱排列成多个同心圆环,同一圆环内的纳米柱直径相同,不同圆环之间纳米柱自外向内逐渐增大。
其中,所述聚焦结构层的厚度等于波长,周期等于0.7倍的波长。
其中,所述聚焦结构层为透明导电氧化物、有机聚合物、氮化硅之一制成。
其中,所述控制模块电连接有补光模块,所述补光模块用以为多波段滤光图像模块补光。
有益效果:本发明具有以下有益效果:
(1)多波段滤光图像模块集成有滤光和聚焦功能,并且都是在同一基底上完成的,厚度非常薄,是实现小型化、便携化并可以实现多波段滤光信息提取的核心。
(2)多波段滤光图像模块可以提取非常多通道的光谱信息,从而可以为分析提供更精准、更全面的光谱信息。
(3)通过光谱信息图像大数据的对比,实现对提取的光谱信息的准确分析。
(4)整个装置便携化,小型化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为多波段滤光图像模块的结构示意图;
图3为滤光结构层结构示意图;
图4为聚焦结构层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示,本发明的一种基于多波段滤光的便携式分析装置,一种基于多波段滤光的便携式分析装置,包括控制模块、多波段滤光图像模块、无线通信模块、电源模块,控制模块用于接收外部指令以及控制多波段滤光图像模块、无线通信模块以及显示模块,无线通信模块用于与外部设备通信;所述控制模块电连接补光模块,所述补光模块用以为多波段滤光图像模块补光。
如图2所示,所述多波段滤光图像模块包括基底电路层1,所述基底电路层1上设置光敏器件层2,在光敏器件层2上设置有滤光结构层3,滤光结构层3上设置透明的聚焦结构层5;所述滤光结构层3与聚焦结构层5之间设置平坦层4。聚焦结构层5和平坦层4之间还可设置二氧化硅层。平坦层4与聚焦结构层5的氮化硅纳米柱粘附性不好,通过沉积二氧化硅层,改善二者的粘附性,另一方面,利用氮化硅纳米柱进行聚焦后,通过设置一定厚度的二氧化硅层,可以将聚焦后的图像入射到整个光敏器件层2中,从而实现成像。
如图3所示,滤光结构层3是具有周期性的微纳米结构阵列,利用微纳米结构实现对光的选择性从而实现滤光功能。微纳米结构阵列包括多个子阵列31,每个子阵列过滤一种波长的光。所述各子阵列31为硅纳米线阵列,纳米线高度为1um,直径50~150nm,周期300nm~800nm。作为另一种实施方式,所述滤光结构层3为非晶硅纳米盘阵列,所述纳米盘阵列包括多个子阵列31,各子阵列31中有多个纳米盘,纳米盘阵列的高度50-100nm,周期300~400nm,纳米盘直径100~200nm。上述两种实施方式中,同一子阵列中的纳米线或者纳米盘的物理参数相同,不同子阵列中的纳米线或者纳米盘的物理参数不同。通过设置纳米盘或纳米线的几何尺寸和周期可以选择不同波长的光透过,从而实现多种波长的滤光选择功能。在本申请另一实施例中,滤光结构层也可以为铝纳米盘或者银纳米盘,其中铝纳米盘不易氧化,在可见光范围内均可滤光;银纳米盘对波长选择性好,颜色饱和度好。
本发明中滤光结构层3可以实现多波段滤光的滤光,替代现有的多种滤光片结合的方案,从而可以实现滤光功能的小型化。现有的常规分析装置只能实现单一或少量(2-3种)波长选择,本发明的滤光结构层3可以实现多种波长的选择,实现多通道(远远大于目前2-3种波长,可以根据检测需求实现十几种种甚至几十种波长选择通道)光谱信息的提取,从而可以为分析提供精准的光谱信息。
如图4所示,所述聚焦结构层5的厚度等于波长,周期等于0.7倍的波长。聚焦结构层5包括周期性排列的多个氮化硅纳米柱51,能够在紫外光-可见光-红外光范围内产生0到2π的相移,所述各氮化硅纳米柱51的高度为50-100nm。多个氮化硅纳米柱排列成多个同心圆环,同一圆环内的氮化硅纳米柱直径相同,不同圆环之间氮化硅纳米柱直径自外向内逐渐增大。本发明中聚集结构层5是一种平面透镜,其不是依靠光传播逐渐积累相位,而是在入射光的相位上产生离散的突变,从而可以实现多波段的聚焦,替代现有多种光学透镜组成的方案(多种光学透镜组合后结构复杂,同时厚度至少在厘米级别),从而实现聚焦结构层5的小型化(本发明中聚焦结构层5厚度在纳米级别)。在本申请另一实施例中,聚焦结构层为金纳米柱或者砷化镓纳米柱,其中金纳米柱利用金属等离子激元共振,从而具有较高的传输效率。
光敏器件层2用于将光信号转换成电信号,具体可为光电二极管,每个光电二极管为一个像素点。
具体地,控制模块可为计算机或者单片机等,用于接收本机或外部移动端控制信号并控制多波段滤光图像模块进行图像采集,以及图像采集完成后将图像数据在本机处理或通过无线通信模块发送至外部移动端;无线通信模块,用于分析装置与外部移动端的通信;显示模块,可为超薄显示屏,优选为柔性显示屏,厚度在0.01mm-0.1mm之间,用于显示采集的图像。还包括补光模块,补光模块与控制模块电连接,用于增强入射光强,提高分析的准确性。补光模块可为发光芯片,其设置在多波段滤光图像模块四周,可以提供不同波长的入射光,当自然光源太暗或需要某些特殊波长光源时(比如紫外光、红外光等),可以利用补光模块增强对应波长的光强,从而提高分析的准确性。还包括电源模块,电源模块用于给本机供电,电源模块可以为柔性薄膜电池、太阳能电池或薄膜锂电池,从而保证分析装置的厚度。
本发明中多波段滤光图像模块中的光敏器件层2、滤光结构层3以及聚焦结构层5都集成在同一基底上,由于滤光结构层和聚焦结构层5都是纳米结构,替代常规多种光学透镜的组合和多种滤光片的组合,因此整个多波段滤光模块非常薄,达到微米级别,例如100~200um,同时可以实现多波段滤光滤光和聚焦的功能。
本发明可为卡片式结构,其厚度小于0.5mm,长宽在8cm x 5cm(长宽和均小于银行卡),从而很方便携带,实现了便携化、小型化。
在应用时,如需要检测含水量信息,检测原理为和水的吸收峰处在相同波段,但组织其它成分对于可见和近红外辐射的吸收较弱且吸收系数相同,而水分对于可见和近红外波段的光吸收吸收系数差异很大,从而可以通过对蓝光波段(400-520nm)、绿光波段(520-600nm)、红光波段(600-730nm)和近红外波段(730-900nm)的光谱图像信息来分析含水量,此时通过外部移动端(如手机APP)向控制模块发出需要检测这四种波段的指令。
控制模块接受指令后控制多波段滤光图像模块采集这四个波动范围内的光谱图像信息;
光谱图像信息通过无线通信模块发送至外部移动端,外部移动端将采集的光谱图像信息与图像信息大数据进行分析,然后将结果在手机APP端显示或发送至控制模块;本发明可以对肤质全脸分析、老化情况全脸分析、脸部血液循环、脸部含水量分布、斑点情况、肤色分析、脸型分析等进行检测,不仅可以获取对于分析项目的完整的脸部光谱信息图像,同时通过大数据对比从而实现分析的准确性。控制模块接收图像数据并将其结果显示在显示模块上。
Claims (10)
1.一种基于多波段滤光的便携式分析装置,其特征在于:包括控制模块、多波段滤光图像模块、无线通信模块、电源模块,控制模块用于接收外部指令以及控制多波段滤光图像模块、无线通信模块以及显示模块,无线通信模块用于与外部设备通信;所述多波段滤光图像模块包括基底电路层,所述基底电路层上设置光敏器件层,在光敏器件层上设置有滤光结构层,滤光结构层上设置透明的聚焦结构层;所述滤光结构层与聚焦结构层之间设置平坦层。
2.根据权利要求1所述的一种基于多波段滤光的便携式分析装置,其特征在于:所述滤光结构层是具有周期性的微纳米结构阵列,微纳米结构阵列包括多个子阵列,每个子阵列过滤一种波长的光。
3.根据权利要求2所述的一种基于多波段滤光的便携式分析装置,其特征在于:所述各子阵列为硅纳米线阵列,纳米线高度小于1um,直径50~150nm,周期300nm~800nm。
4.根据权利要求2所述的一种基于多波段滤光的便携式分析装置,其特征在于:所述滤光结构层为非晶硅纳米盘阵列,所述纳米盘阵列包括多个子阵列,各子阵列中有多个纳米盘,纳米盘阵列的高度50-200nm,周期100~400nm,纳米盘直径50~200nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于多波段滤光的便携式分析装置,其特征在于:所述聚焦结构层包括周期性排列的多个氮化硅纳米柱,能够在紫外光-可见光-红外光范围内产生0到2π的相移。
6.根据权利要求5所述的一种基于多波段滤光的便携式分析装置,其特征在于:所述各氮化硅纳米柱的高度为50-100nm。
7.根据权利要求5所述的一种基于多波段滤光的便携式分析装置,其特征在于:所述多个纳米柱排列成多个同心圆环,同一圆环内的纳米柱直径相同,不同圆环之间纳米柱自外向内逐渐增大。
8.根据权利要求1所述的一种基于多波段滤光的便携式分析装置,其特征在于:所述聚焦结构层的厚度等于波长,周期等于0.7倍的波长。
9.根据权利要求1所述的一种基于多波段滤光的便携式分析装置,其特征在于:所述聚焦结构层为透明导电氧化物、有机聚合物、氮化硅之一制成。
10.根据权利要求1所述的一种基于多波段滤光的便携式分析装置,其特征在于:所述控制模块电连接有补光模块,所述补光模块用以为多波段滤光图像模块补光。
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