TW201506379A - 臨界角光學感測器設備 - Google Patents

Abstract

一光學感測器設備包括光學透射式導光結構，具有平面式第一、第二、及第三面；二或更多光源，位在鄰接該第一面的結構外側；與光偵測器陣列，位在鄰接該第一面的稜鏡外側。該結構、光源、及光偵測器陣列被建構，使得來自該光源而在該稜鏡及樣本間之光學介面被內部地全反射的光，係在第三面反射與入射在該光偵測器陣列的一部分上，並視該樣本之折射率而定，且該樣本在該結構外側鄰近該第二面。該光源係相對於該結構及光偵測器陣列定位，使得來自每一光源而被內部地全反射之光對應於該樣本之折射率的不同範圍與映射至該光偵測器陣列的對應部分。

Description

臨界角光學感測器設備

本發明之實施例係有關光學感測器，且更明確地有關藉由在光學材料與該樣本間之介面感測內部全反射來測量樣本之折射率的光學感測器。

用於使用該臨界角來測量一樣本之折射率的系統係於該技藝中熟知的，如在下面測量臨界角以決定一介質的折射率之物理學的原理。當由高折射率介質行進之光係在大於臨界入射角的入射角入射在該高折射率介質與具有較低折射率的另一介質間之介面上時，內部全反射可被觀察到。該臨界角係兩介質的折射率之函數。然而，如果一介質之折射率係習知的，該另一介質之折射率可被由該臨界角θ_c之測量所決定，並使用該很熟知之公式：

在此n₁係該高折射率介質之折射率，且n₂係用於該 低折射率介質的折射率。按照慣例，該臨界入射角係相對於一垂直於該二介質間之介面的直線所測量。

美國專利6,097,479敘述一感測器，用於造成臨界角測量，其中光源及光偵測器陣列被封裝於用作該高折射率介質的透光外殼中。該外殼形成一稜鏡，其具有與樣本接觸的一面，該面用作該低折射率介質。來自該光源之光係遍及入射角之範圍入射在該樣本及該稜鏡間之介面上。該光在大於臨界角的角度入射在該介面上之部分遭受內部全反射，且被該光偵測器陣列所偵測。該光偵測器陣列之不同部分係因此視該臨界角而定藉由該內部全反射的光所照明，其視該稜鏡與該樣本之折射率而定。該光偵測器陣列之照明的圖案能被分析，以決定該樣本之折射率。

一種光學感測器設備，包括：光學透射式導光結構，具有平面式第一、第二、及第三面；二或更多光源，位在鄰接該第一面的導光結構外側；光偵測器陣列，位在鄰接該第一面的導光結構外側，其中該導光結構、光源、及光偵測器陣列被建構，使得來自該二或更多光源而在該導光結構及樣本間之光學介面被內部地全反射的光，係在該第三面反射並入射在該光偵測器陣列的一部分上，視該樣本之折射率而定，且該樣本在該導光結構外側鄰近該第二面， 其中該二或更多光源係相對於該導光結構及光偵測器陣列定位，使得來自該二或更多光源之每一者而在該介面被內部地全反射並在第三面反射的光，對應於該樣本之折射率的不同範圍並映射至該光偵測器陣列的對應部分。

本發明之實施例在此上下文內。

100‧‧‧感測器設備

102‧‧‧導光結構

104‧‧‧印刷電路板

106A‧‧‧光源

106B‧‧‧光源

106C‧‧‧光源

106D‧‧‧光源

108‧‧‧光偵測器陣列

110‧‧‧記憶體

111‧‧‧樣本

112‧‧‧窗口

113‧‧‧介面

114‧‧‧處理器

115‧‧‧指令

300‧‧‧感測器設備

300’‧‧‧感測器設備

302‧‧‧導光結構

306A‧‧‧光源

306B‧‧‧光源

308‧‧‧光偵測器陣列

311‧‧‧樣本

312‧‧‧窗口

313‧‧‧介面

RB‧‧‧光偵測器陣列

RC‧‧‧光偵測器陣列

本發明之教導可藉由考慮以下之詳細敘述會同所附圖面被輕易地了解，其中：圖1A係根據本發明之實施例的光學感測器設備之立體概要圖。

圖1B係根據本發明之實施例的光學感測器設備之側視概要圖。

圖2係一立體曲線圖，說明在根據本發明之實施例的光學設備中之光偵測器陣列信號。

圖3A係側視概要圖，說明根據本發明之另一選擇實施例的光學感測器設備。

圖3B係側視概要圖，說明根據本發明之另一選擇實施例的光學感測器設備。

雖然以下的詳細敘述為著說明之目的含有很多特定之細節，普通熟諳該技藝之任何人將了解對以下細節的很多變化及修改係在本發明之範圍內。據此，下面所敘述的本 發明之示範實施例被提出，而沒有一般性之任何損失，且不會將限制強加在所主張之發明上。

於以下之詳細敘述中，參考該等所附圖面，該等圖面形成該詳細敘述的一部分，且其中係經由說明特定之實施例所顯示，其中本發明可被實踐。關於此點，方向性用語、諸如“頂部”、“底部”、“前面”、“後面”、“前緣”、“後緣”等有時候可參考所敘述之圖面的方位被使用。因為本發明之實施例的零組件可被定位在許多不同方位中，該方向性用語被使用於說明之目的，且絕未限制之。其將被了解其他實施例可被利用，且結構或邏輯之變化可被作成，而未由本發明之範圍脫離。因此，以下之詳細敘述不被以有限制之意義取用，且本發明之範圍係藉由所附申請專利所界定。

字彙

如在此中所使用，以下之術語具有以下的意義。

熱膨脹係數意指一材料之性質，其隨著溫度中之變化量化該材料的一或更多物理尺寸中之變化。

CTE匹配意指具有類似熱膨脹係數(CTE)之材料。用於本申請案之目的，二材料可被稱為CTE匹配，如果其熱膨脹係數是彼此在約2的因數內。

色散(或光學色散)意指一現象，當波於一材料中行進時，由於該波的速率在其頻率上之相依性，該波藉由此現象分開成具有不同頻率的光譜分量。於光學裝置中，這可 被表達為該材料之折射率在光的真空波長上之相依性。

折射指數(或折射率)意指材料之光學性質，其大致上被界定為光於真空(或其他參考介質)中之速率對光於該材料中之速率的比率。

紅外線輻射意指以約700奈米(nm)及約100,000nm間之真空波長為其特徵的電磁輻射。

光大致上意指在由紅外線延伸經過該紫外線的頻率範圍中之電磁輻射，該範圍約略地對應於由約1奈米(10^-9米)至約100微米之真空波長的範圍。

藍寶石大致上意指氧化鋁(Al₂O₃)之各向異性、菱面體晶體形式。

內部全反射意指一現象，其中在大於臨界角之角度入射在具有較低折射率的介質之介面上的給定介質中之電磁輻射，係由該邊界被完全地反射。按照慣例，該臨界入射角係相對於一垂直於該二介質間之介面的直線所測量。如果該入射角係相對於一與該介面相切的直線所測量，則對於少於該臨界角之入射角發生內部全反射。

紫外線(UV)輻射意指以一真空波長為其特徵的電磁輻射，該波長係比該可見區域之波長較短、但比軟X射線的波長較長。紫外線輻射可被細分為以下之波長範圍：近UV，由約380nm至約200nm；遠或真空UV(FUV或VUV)，由約200nm至約10nm；及極端UV(EUV或XUV)，由約1nm至約31nm。

真空波長意指如果一輻射正經過真空傳播及被真空中 之光的速率除以該頻率所給與，該給定頻率之波長電磁輻射所將具有者。

可見光意指以一真空波長為其特徵的電磁輻射，該波長係比該IR輻射之波長較短、但比UV輻射的波長較長，該可見範圍大致上被視為由約400nm至約700nm。

前言

基於臨界角之量測的很多先前技藝折射率感測器將該光源及該光偵測器陣列封裝於該材料、例如透明環氧基樹脂中，其形成該稜鏡。對於先前折射率感測器的一缺點係它們典型僅只使用一光源，該光源提供被使用於折射率量測之光的一波長。這具有數個缺點。首先，該單一光源能限制入射角之範圍，且因此限制能被測量的折射率之範圍。其次，單一光源能限制感測器之解析度。

對於先前折射率感測器的另一缺點係該光源及光偵測器陣列係與該稜鏡結合於一整合設計中，其中光學環氧基樹脂封裝該光源及該光偵測器陣列兩者。使用環氧基樹脂封裝之設計遭受環氧基樹脂在約85℃之溫度開始的退化，並限制能被測量的製程之範圍。某些現存感測器設計使用折射率匹配之塑膠稜鏡，其係與很多流體或化學品以化學方式不相容的。在該測量介面，此等設計需要一介入的、相容的材料。此外，塑膠稜鏡排除短波長光線之使用。

另一缺點源自具有該樣本之介面通常不是該稜鏡的一 面、但代替地為由玻璃或另一光密材料所製成之窗口的事實，該材料被膠黏至該稜鏡的各面之其中一者。然而，於被使用在先前折射率感測器中之稜鏡的光學環氧基樹脂與被使用於該窗口的典型材料(硼矽酸鹽玻璃)間之熱膨脹係數(CTE)中有一顯著之失配。譬如，典型之光學環氧基樹脂具有每攝氏度數約百萬分之50(50ppm/℃)的CTE。硼矽酸鹽玻璃具有約7ppm/℃之CTE，其係約七倍較小。硼矽酸鹽玻璃之共用光學等級在商業上係於Schott BK-7的名稱之下被銷售。

當所取樣之流體係在比室溫顯著地較熱或更冷之溫度時，該窗口及該光學環氧基樹脂之間的CTE失配能導致問題。

根據本發明之實施例，光學感測器設備可包含克服先前技藝折射率感測器之缺點的特色。

光學感測器設備

根據本發明之實施例，新設計之光學感測器設備使用由精密加工、單一的、光學透明材料所製成之光學波導器結構，其同時形成一測量介面，並與光源及光偵測器陣列介接。

由精密加工的光學透明材料所製成之導光結構的使用允許比以塑膠稜鏡為可能的更寬廣範圍之波長的使用。該固體之精密加工的透明材料允許用於一反射材料之直接沈積在該導光結構上，消除將鏡片機械地放置在稜鏡上之需 要。這減少設計複雜性及改善光學信號。

比較於先前RI感測器設計，該二共用波長光源(例如黃色LED)顯著地延伸能被測量的RI範圍。來自該二共用波長光源之光在該RI範圍的中心重疊，其增加信噪比。

圖1A及圖1B說明根據本發明之實施例的光學感測器設備100之範例。該光學感測器設備100係基於一反射幾何形狀。該設備100大致上包含由光密材料、諸如硼矽酸鹽玻璃、或藍寶石所製成之導光結構102。另一選擇係，該導光結構102可為由石英、鑽石、未摻雜的釔鋁石榴石(YAG)、碳酸鈣、或任何另一光學透明之材料所製成。該導光結構具有至少三面F1、F2及F3。該導光結構102可藉由任何合適之機制、例如機械式附著、環氧基樹脂、熔合等被附著至印刷電路板104。二或更多光源106A、106B、106C、106D及光偵測器陣列108被附著至該印刷電路板104。當作範例及不經由限制，每一光源可為發光二極體(LED)。光源之其他非限制性範例包含固態雷射及半導體雷射。當作範例、及不經由限制，該導光結構102可為呈由光學透射式介質或材料所製成之稜鏡的形式，如圖1A及圖1B所示。然而，本發明之實施例不被限制於那些利用稜鏡來提供該想要之導光功能者。用於該感測器設備100，其他幾何形狀及零組件可被使用來提供該想要之反射幾何形狀。

該光偵測器陣列108大致上係位置靈敏偵測器，光感測元件之任何陣列能產生信號，該等信號可視在該陣列之 不同零件接收多少光而定來變化。該等信號可為類比或數位電信號。當作範例及不經由限制，該光偵測器陣列可為光電二極體陣列。另一選擇係，電荷耦合裝置之陣列、光電阻器、及其他型式之光感測元件的陣列可被使用於該光偵測器陣列中。大致上，該陣列中之每一光感測元件可在該元件提供對應於該輻照度(每單位面積之光功率)之信號。每一光感測元件如此提供一用於對應“像素”之輻照度信號，例如圖2所示。例如呈積體電路的形式之選擇性記憶體110可被耦接至該光偵測器陣列108，以暫時地儲存藉由該光偵測器陣列所產生之像素信號。當作範例、及不經由限制，該記憶體110可為快閃記憶體或可電抹除之可程式化唯讀記憶體(EEPROM)。

如在圖1B中所視，來自該等光源之光係遍及一範圍之角度放射。由該等光源所放射之光通過該第一面F1。至少部分通過該第一面F1之光在使樣本111緊接至該第二面F2的介面遭受內部全反射。該第一面F1可被塗以抗反射(AR)塗層。在該介面被內部全反射的光有時候在此中被稱為“內部全反射光”。在圖1A中所描述之範例中，窗口112被附著至該第二面F2，且該介面係該窗口與該樣本接觸之側面。應注意的是該窗口112係選擇性。如果該窗口被省略，如於圖1B中所描述之範例，具有該樣本111之介面113可為位在該第二面F2。

來自具有該樣本之介面所內部全反射的光係在第三面F3反射，並通過該第一面F1回至該光偵測器陣列108。 該稜鏡102如此將來自該等光源106A、106B、106C、106D之每一者的光之部分圓錐形映射至該光偵測器陣列108上。該樣本之折射率及該等光源間之偏置決定每一光錐的哪一部分將在具有該樣本之介面被內部全反射。

於一些實施例中，該稜鏡102之材料可被選擇，使得該內部全反射發生在該第三面F3。另一選擇係，該第三面F3可被塗以金屬或介電反射塗層，以利於由該稜鏡102內側入射在該第三面F3上之光的反射。

為有利於該折射率之計算，該設備100可另包含被耦接至該光偵測器陣列108及/或該記憶體110的處理器114。該處理器114亦可被耦接至該等光源106A、106B、106C、106D，並可被建構成選擇性地控制哪一光源被打開及哪一光源被關掉。該處理器114可被建構成例如藉由以合適之可執行的指令115來程式設計，以分析藉由該光偵測器陣列所測量之輻照度圖案，及決定在具有該樣本之介面的臨界角與該對應的折射率。明確地是，該處理器可分析該輻照度圖案，以決定該圖案中之起警告作用的特色的像素位置，並為在該臨界角於具有該樣本111的介面所反射之光的指示。藉由來自第一原理由該設備100之零組件的習知幾何形狀及材料性質、或由使用一或多個已知折射率的材料之量測的簡單校準之分析，該起警告作用的特色之像素位置可接著與折射率有相互關係。

該臨界角可被由如下之輻照度圖案所決定。用於在該臨界角之下的入射角，一些光將被在具有該樣本111的介 面被折射進入該樣本，且一些光將被反射至該光偵測器陣列108。在該臨界角，該被折射之光係沿著該介面折射。用在大於該臨界角之角度，所有該光係在具有該樣本111的介面反射。對應於在該臨界角反射之光的光束能在該光偵測器陣列藉由輻照度的圖案中之低強度及高強度間之過渡而被辨識。該過渡之像素位置可為與來自該導光結構102及窗口112之習知幾何形狀與折射率的臨界角、及來自該光源及該光偵測器陣列108之習知位置有相互關係。另一選擇係，該過渡之像素位置可相對折射率使用習知折射率的數個樣本被校準。該等光源106A、106B、106C、106D可包含二或更多光源，其發光在共用波長(在此中被稱為“共用波長光源”)；及/或二或更多光源，其在不同波長發光。當作範例、及不經由限制，該光學感測器設備100可包含四個發光二極體。二個LED可被建構，以放射共用波長之光，且二個其他LED可被建構，以放射不同波長之光。

使用在該相同波長發光的二個光源允許改變比例，以致該光偵測器陣列108可被過度充填、亦即以內部全反射光充填達超出可能以單一光源達成之範圍。該共用波長光源可被建構，使得來自該等不同共用波長光源的內部全反射光之圓錐形重疊在該光偵測器陣列達某種程度。二個共用波長光源之使用提供用於一較大的折射率範圍。該額外之共用波長光源給與較大數目之可分辨的折射率，其能被偵測，並可視該等共用波長光源如何被建構來充填該光偵 測器陣列而定，提供較大的折射率範圍或更好之解析度或兩者之組合。

譬如，如圖1B所示，假設該等光源106B及106C係該等共用波長光源。來自光源106B而在該介面遭受內部全反射的光之圓錐形係藉由虛線所指示。來自光源106C而在該介面遭受內部全反射的光之圓錐形係藉由虛線所指示。於此範例中，使得來自該二光源106B、106C的內部全反射光之圓錐形係映射至被標以RB及RC的光偵測器陣列之二對應區域。因為該等光源106A、106B之不同位置，來自這些二來源之光係遍及入射角之不同範圍在具有該樣本111的介面內部全反射。入射角之這些不同範圍在該光偵測器陣列轉換成輻照度之不同圖案。如果該等光源106B、106C之位置、該稜鏡102的幾何形狀及折射率係已知，其係可能藉由分析在該光偵測器陣列108的輻照度圖案來決定該樣本111用之折射率，如上面所討論者。

於圖1B所描述之設備100中，光源106A及106D可在彼此不同之真空波長發光，且該光亦與藉由共用波長光源106B、106C所放射之光的真空波長不同。於一特別之非限制性措施中，該二共用波長LED可皆放射黃光，並對應於約589nm之真空波長。一非共用波長LED可放射紫外光、例如在約375nm的真空波長，且該另一非共用波長LED可放射紅外光、例如在約940nm之真空波長。

藉由包含在二或更多不同波長放射光之二或更多光源，該設備100能被使用於估計該樣本之光學色散。既然 材料之色散係該種材料的一性質特徵，測量色散能被使用於一材料及另一材料間之區別。當作範例，該處理器114可例如藉由合適之程式設計被建構，以藉由分析輻照度量測決定該樣本111之光學色散，當來自該光源106A、106D之光係在具有該樣本111的介面被內部全反射時，該等輻照度量測係藉由該光偵測器陣列108所獲得。該等光源106A、106D可被同時打開或另一選擇係可一次打開一個供連續之量測。應注意的是藉由使用在不同波長放射之多數光源，該設備100可避免光學過濾器之需求，以由單一光源獲得不同波長。消除光學過濾器之需求減少設計及機械複雜性，並改善功率效率。藉由消除光學過濾器，更小巧之設計係亦可能的。此外，藉由使用多數光源，信噪比(SNR)可被改善。以多數光源，較大範圍之波長係可能的，因為單一光源之(波長)範圍可被限制。

有許多不同方式，其中以該感測器設備100所作成之光學色散量測可被使用。當作範例、及不經由限制，如果該感測器設備100被使用於測量具有習知溶劑(例如水(H₂O))的溶液及習知溶質(例如過氧化氫)之折射率，折射率n對真空波長λ之量測可被使用來估計溶質之濃度。

於本發明之某些實施例中，於光源106A、106B、106C、106D與該稜鏡102之間或於稜鏡102與該光偵測器陣列108之間或在其兩者之間可有一自由空間間隙g。於該感測器設備之設計中，既然該光偵測器陣列及光源不是皆藉由該稜鏡材料所封裝，該自由空間間隙允許某一彈 性。於最佳化該輻照度充填圖案中，在用於多數光源的光偵測器陣列中，該自由空間間隙亦允許額外之彈性程度。此外，自由空間間隙(例如空氣間隙)對於退化係比環氧基樹脂較不敏感。

該導光結構102可為由諸如藍寶石、BK7之硬式光學材料、或諸如未摻雜釔鋁石榴石(YAG)之未摻雜的石榴石所製成。如果沒有窗口112地被使用，該導光結構102之折射率大致上必需為大於該設備100被期待測量的最高折射率。另一選擇係，如果一窗口被使用，其可為想要的是使該窗口112之折射率將為大於該導光結構102的折射率，以便避免在該稜鏡及該窗口間之介面的內部全反射。然而，未總是如此的。譬如，自由電子金屬可被放置在造成該感測器設備100的介面111上，當作實際問題之表面等離子共鳴感測器可用作一折射率感測器。再者，被使用於將該窗口112附著至該導光結構102的黏接劑可為一比該結構102之材料具有較高折射率的黏接劑，但具有比該窗口112之材料較低的折射率。於一些實施例中，其亦可為想要的是使該黏接劑具有一高於該設備100被期待測量之最大折射率的折射率。

該窗口112係選擇性的，但對於很多應用，其係較佳的。該導光結構102可被直接地膠黏至該窗口112或反之亦然，例如使用一合適之光學黏接劑。另一選擇係，該窗口可使用具有折射率匹配之膠體或油的機械式密封被附著至該導光結構(或反之亦然)。該導光結構可另一選擇地被 熔合至該窗口。該導光結構102之材料可被選擇，以CTE匹配於該窗口112之材料。當作範例、及不經由限制，該稜鏡可為由具有7.1ppm/℃之CTE的硼矽酸鹽玻璃及於該c-平面(垂直於該c軸之平面)中具有4.5ppm/℃之CTE的藍寶石所製成。於此一案例中，該稜鏡之CTE將為約1.6倍大於該窗口之CTE，其係充分小的，而該稜鏡及窗口可被稱CTE匹配。

其進一步注意對於被使用來將該窗口附著至該稜鏡之黏接劑充分抱怨的是容納該稜鏡及窗口材料間之差異的CTE。當作範例、及不經由限制，用於由硼矽酸鹽玻璃及藍寶石窗口所製成之稜鏡，合適之紫外線硬化聚合物黏接劑在商業上被以諾蘭光學黏接劑61(NOA61)的名稱之下銷售，且係可用來自紐澤西州克林伯利(Cranbury)市之諾蘭(Norland)產品。其應進一步注意的是NOA61具有一於硼矽酸鹽玻璃及藍寶石之間的折射率。

對於將CTE匹配至該印刷電路板104之材料的稜鏡材料係亦想要的。當作範例，該印刷電路板可為由玻璃強化之環氧基樹脂合成材料、諸如FR4所製成，該材料為約11ppm/℃之CTE，用於本發明的實施例之目的，其係充分接近將被考慮為CTE匹配的硼矽酸鹽玻璃之CTE。

在上述實施例上，許多變化係可能的。尤其，二可能的變化被顯示在圖3A及圖3B中。如圖3A所示，於光學感測器設備300中，光源306A、306B及光偵測器陣列308可為位於緊接大導光結構302之第一面F1的大約共 平面式組構中。該第一面F1可被塗以抗反射(AR)塗層。來自該等來源306A、306B之光通過該第一面F1朝向被附著至第二面F2的窗口312。遍及用於每一光源306A、306B的入射角之對應範圍，內部全反射發生在該窗口312及樣本311間之介面313。一部分的內部全反射光係在第三面F3反射，且通過該第一面F1回至該光偵測器308。如果該稜鏡312係由具有相當高、例如大約1.7或更大之折射率的材料所製成，在該介面313被內部全反射之光亦可在該第三面F3被內部全反射。另一選擇係，金屬或介電反射塗層可被形成在該第三面F3上。

該稜鏡302可為由高折射率之許多不同材料所製成。當作範例、及不經由限制，該稜鏡302可被製成，並可被由藍寶石晶圓以約略三角形之形狀切割，且該三角之邊緣可被拋光，以提供該等面F1、F2及F3。為避免來自每一光源之由於雙折射的二重疊反應，其可為想要的是導向該藍寶石，使得其光軸(該所謂之c軸)被導向成垂直於該晶圓之平面，而該稜鏡係由該晶圓所形成。

該稜鏡302之較大尺寸容納該等光源306A、306B間之較大的橫側間距D1、及光源306B與該光偵測器陣列308間之大的橫側間距D2。該稜鏡302之較大尺寸及該大間距D1允許用於入射角的範圍中之相當小的重疊數量，為此來自該等光源306A、306B之光係在該介面313內部全反射，但仍然允許每一範圍之入射角，以充填該光偵測器陣列308。既然在該介面313用於內部全反射之入射角 及該對應的折射率係在較大數目像素之上散佈，遍及該整個光偵測器陣列散佈用於每一光源的入射角範圍允許用於更好之折射率的解析度。圖3A所示之特別幾何形狀允許用於此改善的解析度，同時允許該等光源306A、306B及該光偵測器陣列相對該共用支撐(未示出)之平面約略地在相同的高度。當作範例，該共用支撐可為一印刷電路板，像圖1A及圖1B之PCB 104。用於一些應用，其可為想要的是使用較小的導光結構，同時於該光源306A、306B之間保持一相當大的橫側間距D1，且於該光源306B與該光偵測器陣列之間保持一大的橫側間距D2。如果該光偵測器陣列308之尺寸被維持與圖3A相同，且該光偵測器陣列及該光源306A、306B係在相同高度，既然在該介面313用於內部全反射的入射角之每一範圍將散佈在較小數目之像素之上，這將於折射率中導致不佳之解析度。然而，此問題可藉由相對光源306A、306B之高度偏置該光偵測器陣列308的相對高度達一間隙g所克服。這使該光偵測器陣列308進一步遠離該稜鏡302之第一面F1，如在圖3B中所描述之設備300’中所顯示。於此一案例中，折射率之想要範圍可被測量，而不會犧牲解析度及不需要該光源及光偵測器陣列係在相同之相對高度。

應注意的是圖3A中所描述之光學感測器設備300及圖3B中所描述的光學感測器設備300’可包含上述之其他零組件、諸如額外之光源、記憶體、處理器、及軟體。為了清楚之故，這些零組件已由該圖示被省略。再者，雖然 二光源306A、306B被描述在圖3A及圖3B中，那些熟諳此技藝者將認知超過二光源可被使用。再者，該等光源可包含在不同真空波長發光之二或更多個共用波長光源或二或更多個光源、或這些光源組構的某一組合。

在此中所敘述型式之光學感測器具有勝過競爭濃度感測技術、諸如光學吸收之極多優點。譬如，因為光被反射而非透射，沒有測量不透明流體樣本用之折射率的問題。再者，該感測器設備能被與用於該窗口之任何材料一起使用。譬如，於某些應用、諸如製藥製造中，由透明塑膠所製成的用完即丟之袋子可被使用來提供該窗口。

此外，在此中所敘述型式之感測器設備的校準係比用於吸收光譜學感測器者更容易。如果在測試之下的樣本係相當簡單，其係不需要測量物種形成。所感興趣之種類的校準能藉由施行所感興趣之種類的自動滴定而被做成，同時當作種類濃度之函數地以該感測器測量折射率，該濃度如藉由該自動滴定所決定者。藉由對於該校準樣本之輻照度對像素位置取一導數，其係可能將該校準樣本之折射率決定在像素位置的一小百分率內。對於一系列習知濃度之樣本，一連串折射率量測對像素位置能被做成，且該結果之校準可被儲存於記憶體110中。該校準中之偏置可藉由對於諸如去離子水的參考樣本施行一連串輻照度對像素位置之量測、及重新歸零該校準而被改變。

在此中所敘述型式之感測器設備可因此與該近IR或UV-可見波長範圍中之吸收光譜學競爭。在此中所敘述之 實施例的反射幾何形狀亦提供勝過使用透射幾何形狀的感測器之實質的優點。譬如，繞射及吸收效應能被消除，且不透明流體之折射率能被測量。

雖然該上文係本發明之較佳實施例的一完整敘述，其係可能使用各種另外選擇、修改、及同等項。因此，本發明之範圍將不參考上面之敘述被決定，但將隨同其同等項之完整範圍代替地被參考所附申請專利範圍所決定。不論是否較佳或非較佳，任何特色可能被與任何其他特色組合，不論是否較佳或非較佳。於隨後之申請專利範圍中，該不定冠詞“一(A)”或“一(An)”意指下列該文章的一或更多項目之數量，除了在此明確地以別的方式陳述以外。所附申請專利將不被解釋為包含機構加功能的限制，除非此一限制係在給定申請專利範圍中使用該片語“用於...之機構”明確地引用。未明確地陳述用於施行一指定之功能的“用於...之機構”的申請專利範圍中之任何元件，將不被解釋為一“機構”或“步驟”子句，如在35 USC §112、¶6中所指定者。

100‧‧‧感測器設備

102‧‧‧導光結構

104‧‧‧印刷電路板

106A‧‧‧光源

106B‧‧‧光源

106C‧‧‧光源

106D‧‧‧光源

108‧‧‧光偵測器陣列

110‧‧‧記憶體

111‧‧‧樣本

113‧‧‧介面

114‧‧‧處理器

115‧‧‧指令

Claims (20)

1. 一種光學感測器設備，包括：光學透射式導光結構，具有兩個平面式的面和第三平面式的面，該第三平面式的面連接該兩個平面式的面；二或更多光源，位在鄰接該第三平面式的面的該光學透射式導光結構外側；光偵測器陣列，位在該光學透射式導光結構外側，其中該光學透射式導光結構、該二或更多光源、及該光偵測器陣列被建構，使得來自該二或更多光源且在該光學透射式導光結構及樣本間之光學介面被內部地全反射的光，係取決於該樣本的折射率而入射在該光偵測器陣列的一部分上，且該樣本在該光學透射式導光結構外側鄰近該兩個平面式的面其中一者，其中該二或更多光源係相對於該光學透射式導光結構及該光偵測器陣列定位，使得來自該二或更多光源之每一者且在該光學介面被內部地全反射的光，對應於該樣本之折射率的不同範圍並映射至該光偵測器陣列的對應部分。
2. 如申請專利範圍第1項之光學感測器設備，其中該光偵測器陣列被設置成鄰接該第三平面式的面。
3. 如申請專利範圍第1或2項之光學感測器設備，其中來自該二或更多光源且在該光學透射式導光結構及該樣本間之光學介面被內部地全反射的光，在該兩個平面式的面其中另一者被反射，且入射在該光偵測器陣列的該部分上。
4. 如申請專利範圍第1或2項之光學感測器設備，其中該兩個平面式的面其中另一者包括金屬的或介電反射塗層。
5. 如申請專利範圍第1或2項之光學感測器設備，其中該光學透射式導光結構是稜鏡。
6. 如申請專利範圍第1或2項之光學感測器設備，其中該稜鏡是由具有約1.7或更大之相對高之折射率的材料所製成。
7. 如申請專利範圍第1或2項之光學感測器設備，其中該稜鏡的尺寸比光學窗口的尺寸相對地更大，該光學窗口附接至該光學透射式導光結構之該兩個面的該其中一者。
8. 如申請專利範圍第1或2項之光學感測器設備，其中該稜鏡的尺寸比光學窗口的尺寸相對地更小或和該光學窗口的該尺寸大約相同，該光學窗口附接至該光學透射式導光結構之該兩個面的該其中一者。
9. 如申請專利範圍第1或2項之光學感測器設備，其中該二或更多光源包含被建構成放射共用的真空波長之光的二或更多共用波長光源。
10. 如申請專利範圍第1或2項之光學感測器設備，其中該二或更多光源包含被建構成放射不同的對應真空波長之光的二或更多光源。
11. 如申請專利範圍第1或2項之光學感測器設備，另外包含被耦接至該光偵測器陣列的處理器，其中該處理 器被建構用於由於來自該二或更多光源的光在該介面被內部地全反射，從該光偵測器陣列所獲得之量測來決定該樣本的光學色散。
12. 如申請專利範圍第1或2項之光學感測器設備，另外包含光學窗口，其被附接至該光學透射式導光結構之該兩個次要面的該其中一者，其中該光學窗口的特徵在於折射率大於該光學透射式導光結構的折射率。
13. 一種基於樣本之折射率來偵測光的方法，該方法包含：偵測來自二或更多光源且朝向給定樣本的光，該樣本位在光學透射式導光結構外側且鄰近兩個平面式的面其中一者，使得來自該二或更多光源之每一者且在該光學透射式導光結構及該樣本間之光學介面被內部地全反射的光，入射在該光學透射式導光結構外側之該光偵測器陣列的一部分上，該內部地全反射的光取決於該樣本的折射率，該光學透射式導光結構具有連接至該兩個平面式的面之第三平面式的面；和在該光偵測器陣列偵測該內部地全反射的光，使得來自該二或更多光源之每一者且被內部地全反射的光，對應於該樣本之折射率的不同範圍並映射至該光偵測器陣列的對應部分。
14. 如申請專利範圍第13項之基於樣本之折射率來偵測光的方法，另外包含：將該光偵測器陣列設置成鄰接該第三平面式的面，其 中來自該二或更多光源且在該光學透射式導光結構及該樣本間之光學介面被內部地全反射的光，在該兩個平面式的面其中另一者被反射，且入射在該光偵測器陣列的該部分上。
15. 如申請專利範圍第13或14項之基於樣本之折射率來偵測光的方法，其中在該光偵測器陣列偵測該內部地全反射的光另外包含：藉由該光偵測器陣列來測量輻照度圖案；以處理器來分析藉由該光偵測器陣列所測量的該輻照度圖案。
16. 如申請專利範圍第15項之基於樣本之折射率來偵測光的方法，另外包含：基於該處理器所分析的該輻照度圖案來決定在和該樣本的該光學介面處之全反射的臨界角；和基於該全反射的臨界角來決定該樣本的折射率。
17. 如申請專利範圍第13或14項之基於樣本之折射率來偵測光的方法，另外包含：提供該二或更多光源中的至少兩個光源，使得該至少兩個光源發射相同波長的光，以便該光偵測器陣列可被過度充填，亦即被該內部全反射光填滿。
18. 如申請專利範圍第13或14項之基於樣本之折射率來偵測光的方法，另外包含：提供該二或更多光源中的至少兩個光源，使得該至少兩個光源具有共用的波長，以視該至少兩個光源填充該光 偵測器陣列的組態而定，來偵測較大數目的可分辨折射率，其提供較大的折射率範圍或較佳的解析度或兩者之組合。
19. 如申請專利範圍第13或14項之基於樣本之折射率來偵測光的方法，另外包含：提供該二或更多光源中的至少兩個光源，使得該至少兩個光源發射二或更多不同的波長的光，以評估該樣本的光學色散。
20. 如申請專利範圍第13或14項之基於樣本之折射率來偵測光的方法，另外包含：建構該二或更多光源中的至少兩個光源，使其具有特定的真空波長，以量測具有已知溶劑和已知溶質之溶液對於該真空波長的折射率；和基於該溶液對於該真空波長之折射率的測量，評估該溶液的濃度。