CN113447122A - 一种纳米孔光谱传感系统及光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米孔光谱传感系统及光谱仪。所述纳米孔光谱传感系统,包括:基底、薄膜、面阵探测器和纳米孔单元;所述面阵探测器的上表面设置所述基底,所述基底的上表面设置所述薄膜,所述薄膜上开设有多个纳米孔单元;每个所述纳米孔单元均包括多个纳米孔,所述纳米孔单元内的纳米孔的孔径相等,一个所述纳米孔单元内的纳米孔对应一个设定谐振波长值。本发明通过在基底上表面的薄膜上设置纳米孔提升了器件表面机械性能,纳米孔单元和基底共同组成分光系统,并与面阵探测器集成缩小光谱传感系统的体积,进而减小光谱仪的体积,实现光谱仪小型化。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量领域,特别是涉及一种纳米孔光谱传感系统及光谱仪。
背景技术
传统光谱仪主要由光源照明系统、分光系统、探测接收系统、传输存储系统和显示系统组成。其中最关键的部件为分光系统,根据分光原理的不同可以分为光栅光谱仪、棱镜光谱仪和干涉光谱仪。
传统光谱仪中的分光系统一般采用光栅、棱镜或者干涉光路制成,而且光栅、棱镜等色散元件小型化困难,因此传统光谱仪体积较大不宜使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米孔光谱传感系统及光谱仪,以缩小光谱传感系统的体积,进而减小光谱仪的体积,实现光谱仪小型化。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种纳米孔光谱传感系统,包括:基底、薄膜、面阵探测器和纳米孔单元;所述面阵探测器的上表面设置所述基底,所述基底的上表面设置所述薄膜,所述薄膜上开设有多个所述纳米孔单元;每个所述纳米孔单元均包括多个纳米孔,所述纳米孔单元内的纳米孔的孔径相等,一个所述纳米孔单元内的纳米孔对应一个设定谐振波长值。
可选的,每个所述纳米孔单元内的多个所述纳米孔均阵列式排布;每个所述纳米孔单元内的两个相邻的所述纳米孔的边缘距离小于对应的设定谐振波长值。
可选的,每个所述纳米孔单元的尺寸均大于第一设定尺寸值;所述纳米孔单元的尺寸为每个所述纳米孔单元内的边缘纳米孔围成的区域的面积;所述第一设定尺寸值为所有所述纳米孔单元中孔径最大的所述纳米孔对应的设定谐振波长值的10倍。
可选的,所述纳米孔单元之间的边界距离大于所有所述纳米孔单元中孔径最大的所述纳米孔对应的设定谐振波长值的10倍。
可选的,所述基底和所述薄膜均为全电介质材料。
可选的,所述纳米孔光谱传感系统,还包括:连接部,所述面阵探测器与所述基底通过所述连接部连接。
可选的,所述连接部为光学介质。
可选的,所述面阵探测器为电荷耦合器件图像传感器或者互补金属氧化物半导体传感器。
一种光谱仪,包括:光束准直系统、数据存储处理系统、显示系统和上述所述的纳米孔光谱传感系统;所述纳米孔光谱传感系统中的薄膜的上表面设置所述光束准直系统;所述纳米孔光谱传感系统中的面阵探测器与所述数据存储处理系统连接;所述数据存储处理系统与所述显示系统连接。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:通过在基底上表面的薄膜上设置纳米孔来提升光谱传感系统的微型化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例纳米孔光谱传感系统的结构示意图;
图2为本发明实施例纳米孔光谱传感系统的侧视图;
图3为本发明实施例光谱仪的结构示意图。
符号说明:1-基底、2-薄膜、3-纳米孔单元、4-纳米孔、5-面阵探测器、6-连接部、d1-边界距离。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种微型化的光谱传感系统,通过在基底上表面的薄膜上设置纳米孔来提升光谱传感系统的微型化。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1-图2所示,一种纳米孔光谱传感系统,包括:基底1、薄膜2、纳米孔单元3和面阵探测器5,所述面阵探测器5的上表面设置所述基底1,所述基底1的上表面设置所述薄膜2,所述薄膜2上开设有多个纳米孔单元3,避免了将纳米颗粒设置在基底表面造成颗粒脱落的问题。每个所述纳米孔单元3均包括多个纳米孔4,所述纳米孔4穿透薄膜2直到基底1。所述纳米孔单元3内的所述纳米孔4的孔径相等,一个所述纳米孔单元3内的所述纳米孔4的孔径值对应一个设定谐振波长值,所述纳米孔针对设定谐振波长值的光的透过率和非设定谐振波长值的光的透过率不同,起到了分光的作用。通过电磁仿真设计计算不同谐振波长的光的透过率,找出透过率最高的谐振波长即为该纳米孔的谐振波长。不同尺寸的纳米孔的孔径值对应不同的谐振波长值的光,且所述的纳米孔使对应的谐振波长的光高透过率,而非谐振波长的光低透过率,因此能产生分光作用,但是单个纳米孔无法达到高效分光的要求,因此需要多个同一个孔径值的纳米孔组成一个纳米孔单元,所述面阵探测器5用于将光信号转化成电信号,电信号可以被手机中的专用APP或电脑专用软件接收,通过专用的光谱解析软件进行信息处理,然后通过软件显示,使所述纳米孔光谱传感系统成为一个集成在一块芯片上的系统,使所述纳米孔光谱传感系统易集成。
不同的纳米孔单元内的纳米孔对应不同的波长谐振,由于光与纳米孔相互作用产生谐振效应,相应谐振波长的光透过率高,而非谐振波长的光透过率低,实现了分光的目的。
作为一种可选的实施方式,不同的所述纳米孔单元3内的纳米孔4对应不同的设定谐振波长值,通过调整不同的纳米孔单元3内的纳米孔4的孔径值可以调整光谱传感的分辨率,提高光谱分辨率。纳米孔的孔径值越多,光谱分辨率越高,例如,所述纳米孔光谱传感系统是针对谐振波长值为400nm-800nm的光,如果设计10种纳米孔的孔径值,光谱分辨率只有(800nm-400nm)/10=40nm;如果设计100种纳米孔的孔径值,光谱分辨率为(800nm-400nm/100=4nm),因此,纳米孔的孔径值越多就会提高光谱分辨率。
作为一种可选的实施方式,每个所述纳米孔单元3内的多个所述纳米孔4均阵列式排布;每个所述纳米孔单元3内的两个相邻的所述纳米孔4的边缘距离小于对应的设定谐振波长值,例如,某个纳米孔单元中的纳米孔的谐振波长值是500nm,那么这个纳米孔单元内的两个相邻的纳米孔的孔边缘相距小于500nm,因为纳米孔边缘形成的电偶极子和磁偶极子发生共振,会相互影响,导致透过率谱线半高全宽很窄,将纳米孔这样设置更有利于分光。
作为一种可选的实施方式,每个所述纳米孔单元3的尺寸均大于第一设定尺寸值;所述纳米孔单元3的尺寸为每个所述纳米孔单元3内的边缘纳米孔围成的区域的面积;所述第一设定尺寸值为所有纳米孔单元3中孔径最大的所述纳米孔4对应的设定谐振波长值的10倍。
作为一种可选的实施方式,所述纳米孔单元3之间的边界距离d1大于所有纳米孔单元3中孔径最大的所述纳米孔4对应的设定谐振波长值的10倍。比如说,所述纳米孔光谱传感系统是针对谐振波长值为400nm-800nm的光,那么,纳米孔单元之间的边界距离d1应该大于8微米。
纳米孔单元3可以周期排列也可以非周期排列。周期排列即所有所述纳米孔单元3的尺寸均相等,非周期排列为所有所述纳米孔单元3的尺寸可以互不相等。
作为一种可选的实施方式,所述基底1和薄膜2均为全电介质材料,可以为二氧化钛、硅、二氧化钒、氧化钨、二氧化铪、二氧化硅、有机玻璃或氮化钛,但不局限于此。
作为一种可选的实施方式,所述纳米孔光谱传感系统,还包括:连接部6,所述面阵探测器5与所述基底1通过所述连接部6连接,所述连接部6用于将所述面阵探测器5与所述基底1固定在一起。
作为一种可选的实施方式,所述连接部6为光学介质,其主要的作用是将所述基底1和所述面阵探测器5固定在一起,如常见粘接光学元件的光胶,但是这种光学介质必须要能使设定谐振波长值的光透过。
作为一种可选的实施方式,所述面阵探测器5为电荷耦合器件图像传感器、互补金属氧化物半导体传感器或其他可以探测平面不同位置光场强度的仪器。
作为一种可选的实施方式,所述基底1与所述面阵探测器5接触设置,无需固定。
本实施例中的纳米孔光谱传感系统,纳米孔尺寸微小,是亚波长量级,不再需要传统的光栅或者棱镜来分光,没有复杂的光学系统,从而极大的提升了光谱传感系统的微型化,还实现了易集成的优点,而且本实施例不受材料的限制,无需材料具有导电特性,可以与半导体工艺兼容,大幅降低成本。
同时本实施例采用的是纳米孔使不同光的波长谐振,使谐振波长高效传输透射模式,而非基于表面等离激元的近场探测模式,对纳米孔光谱传感系统中探测部分的设计要求低。
实施例2
如图3所示,一种光谱仪,包括:光束准直系统、数据存储处理系统、显示系统和上述所述的纳米孔光谱传感系统;所述纳米孔光谱传感系统中的薄膜的上表面设置所述光束准直系统;所述纳米孔光谱传感系统中的面阵探测器与所述数据存储处理系统连接;所述数据存储处理系统与所述显示系统连接。其中光束准直系统一般为小孔或者狭缝,为常规光学部件。显示系统主要采用现有技术,如手机、电脑等均可以。
本实施例中的光谱仪原理主要是:
传统的光谱仪需要很多光学元件组装在一起才能实现分光功能,所以,传统的光谱仪光路非常复杂,因此其尺寸和重量均很大。为了实现高集成化、高可靠性可以和半导体工艺兼容的一种光谱仪,本实施例基于纳米孔对不同谐振波长的光具有不同的谐振特性,共采用两种技术思路,第一种:谐振波长的光可以高效透过,非谐振波长的光不能透过,利用亚波长尺度的纳米结构对不同波长的光产生不同的谐振响应,从而将光频率域转化到空间域,再通过电荷耦合器件图像传感器或者互补金属氧化物半导体传感器等面阵探测器探测不同空间域光强,然后通过光谱解析、数据存储处理系统和显示系统最终得到相应的光谱信息。第二种:谐振波长的光具有高反射效率,非谐振波长的光有均匀的高透射率。光束通过光束准直系统进入纳米孔后通过面阵探测器接收并获取光信号,然后通过光谱解析、数据存储处理系统和显示系统最终得到相应的光谱信息。
本实施例中的光谱仪,因为采用的光谱传感系统微小,从而极大的提升了光谱仪的微型化。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种纳米孔光谱传感系统,其特征在于,包括:基底、薄膜、面阵探测器和纳米孔单元;所述面阵探测器的上表面设置所述基底,所述基底的上表面设置所述薄膜,所述薄膜上开设有多个所述纳米孔单元;每个所述纳米孔单元均包括多个所述纳米孔,所述纳米孔单元内的纳米孔的孔径相等,一个所述纳米孔单元内的纳米孔对应一个设定谐振波长值。
2.根据权利要求1所述的一种纳米孔光谱传感系统,其特征在于,每个所述纳米孔单元内的多个所述纳米孔均阵列式排布;每个所述纳米孔单元内的两个相邻的所述纳米孔的边缘距离小于对应的设定谐振波长值。
3.根据权利要求1所述的一种纳米孔光谱传感系统,其特征在于,每个所述纳米孔单元的尺寸均大于第一设定尺寸值;所述纳米孔单元的尺寸为每个所述纳米孔单元内的边缘纳米孔围成的区域的面积;所述第一设定尺寸值为所有所述纳米孔单元中孔径最大的所述纳米孔对应的设定谐振波长值的10倍。
4.根据权利要求1所述的一种纳米孔光谱传感系统,其特征在于,所述纳米孔单元之间的边界距离大于所有所述纳米孔单元中孔径最大的所述纳米孔对应的设定谐振波长值的10倍。
5.根据权利要求1所述的一种纳米孔光谱传感系统,其特征在于,所述基底和所述薄膜均为全电介质材料。
6.根据权利要求1所述的一种纳米孔光谱传感系统,其特征在于,还包括:连接部,所述面阵探测器与所述基底通过所述连接部连接。
7.根据权利要求6所述的一种纳米孔光谱传感系统,其特征在于,所述连接部为光学介质。
8.根据权利要求1所述的一种纳米孔光谱传感系统,其特征在于,所述面阵探测器为电荷耦合器件图像传感器或者互补金属氧化物半导体传感器。
9.一种光谱仪,其特征在于,包括:光束准直系统、数据存储处理系统、显示系统和权利要求1-8中任意一项所述的纳米孔光谱传感系统;所述纳米孔光谱传感系统中的薄膜的上表面设置所述光束准直系统;所述纳米孔光谱传感系统中的面阵探测器与所述数据存储处理系统连接;所述数据存储处理系统与所述显示系统连接。
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ANDREAS TITTL ET.AL.: "Imaging-based molecular barcoding with pixelated dielectric metasurfaces", 《SCIENCE》, no. 360, pages 1105 - 1109 * |
YU HORIE ET.AL.: "Visible Wavelength Color Filters Using Dielectric Subwavelength Gratings for Backside-Illuminated CMOS Image Sensor Technologies", 《NANO LETTERS》, vol. 2017, no. 17, pages 3159 - 3164 * |
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