TW201907148A - 微型光譜儀模組 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種微型光譜儀模組，其包含一照明通道及一偵測通道。該照明通道包含可經操作以產生一寬電磁輻射光譜之一照明源。該偵測通道包含一照明偵測器及一法布里-珀羅(Fabry-Perot)組件。該法布里-珀羅組件可經操作以將一窄波長光譜傳遞至該照明偵測器。此外，該法布里-珀羅組件可經致動使得該法布里-珀羅組件可經操作以將複數個窄波長光譜傳遞至該照明偵測器。

Description

微型光譜儀模組
本發明係關於微型光譜儀模組。
光譜儀可量測物質之物理及化學性質。通常，光譜儀經組態以將一寬電磁輻射光譜導引至一樣本上且收集自樣本反射之一寬電磁輻射光譜。光譜儀可在一照明或偵測模式中跨一寬波長範圍逐行掃描。
例如，一光譜儀可將包含一寬波長範圍之一照明導引至一物質樣本(諸如一食品或化學品之一物體)上，且收集在一波長範圍內自樣本逐漸(或逐步)反射之光。依此方式，可判定導引至樣本且被樣本吸收之波長。例如，吸收波長可對應於樣本內之分子之特定振動模式以藉此提供諸如樣本之組成之有用資料。
常見物體之光譜儀資料對消費者而言係尤其有用的；例如，可自此資料確定一特定食品之純度。然而，光譜儀通常較大、耗電、昂貴且不易操作。具有較小佔用面積及減少電力需求之光譜儀可整合至運算功能強大之可攜式裝置(例如智慧型電話、膝上型電腦及平板電腦)中。此一整合可實現可攜性、獲取重要運算能力及獲取雲端資源以對使用者提供用於收集任何數目個物體之光譜儀資料之一特定有用工具。
本發明描述可相較於當前最先進光譜儀具有減少佔用面積及電力消耗之光譜儀模組。各光譜儀模組包含：一照明通道，其安置於一微型外殼內；及一偵測通道，其相鄰於該照明通道安置於該外殼內。該照明通道包含安裝於由該外殼界限之一照明腔內之一照明源。
各光譜儀模組進一步包含與該照明源對準之一照明光學總成。該照明源可經操作以產生一發射。該照明通道可經操作以產生以一照明場及照明軸線為特徵之一發射。該偵測通道包含安裝於該外殼中之一偵測腔內之一照明偵測器且可經操作以偵測該發射之至少一部分。該偵測通道進一步包含與該照明偵測器對準之一偵測光學總成。該偵測通道以一視場及一偵測軸線為特徵。此外，該偵測通道包含安裝於該偵測光學總成與該照明偵測器之間之一法布里-珀羅(Fabry-Perot)組件。該法布里-珀羅組件亦與該偵測光學總成及該照明偵測器對準。再者，該照明通道可經操作以將該發射之一部分導引至一物體，且該偵測通道可經操作以收集自該物體反射之該發射之一部分。
各種實施方案包含以下特徵之一或多者。例如，一些實施方案包含安裝於一偵測通道內且與一照明偵測器對準之一光譜濾波器。
一些實施方案包含(例如)可經操作以反射由一照明源發射之光且將該反射光導引至一物體之一反射面。
一些實施方案包含(例如)一拋物面照明腔。
一些實施方案包含(例如)具有複數個反射分段之一照明腔。
一些實施方案包含(例如)具有一分段光學元件之一照明光學總成。
一些實施方案包含(例如)安裝至一外殼且對準於一照明通道及一偵測通道之一光學總成安裝組件。
一些實施方案包含(例如)一光學總成安裝組件，其具有與一照明通道對準之一照明通孔及與一偵測通道對準之一偵測通孔。
一些實施方案包含(例如)兩者由一光譜濾波器填充之一照明通孔及一偵測通孔。
一些實施方案包含(例如)直接安裝至填充於一照明通孔內之一光譜濾波器一照明光學總成，且偵測總成直接安裝至填充於該偵測通孔內之光譜濾波器。
一些實施方案包含(例如)分別由一照明光學總成及偵測光學總成部分填充之一照明通孔及一偵測通孔。
一些實施方案包含(例如)可經操作以阻擋對應於電磁光譜之紅外線部分之光波長之一光譜濾波器。
一些實施方案包含(例如)受限於+/-5°之圍繞一偵測軸線之一偵測角。
一些實施方案包含(例如)安裝於一偵測通道內之一光圈。該光圈可經操作以使自一物體反射且由該偵測通道收集之一發射之一部分受限於圍繞一偵測軸線之一偵測角。
一些實施方案包含(例如)具有第一及第二對置側之一照明腔。該第一側相鄰於一偵測通道且該第二側安置於一照明腔之一對置側上。在一些例項中，該反射面安置於該照明腔之該第一側上。
一些實施方案包含(例如)具有第一及第二對置側之一照明腔。該第一側相鄰於一偵測通道且該第二側安置於一照明腔之一對置側上。在一些例項中，反射面安置於該照明腔之該第二側上。
一些實施方案包含(例如)以一照明軸線為特徵之一照明通道及以一伸長軸線為特徵之一照明源。該照明源安裝於一照明腔中，使得該伸長軸線實質上與該照明軸線平行。
一些實施方案包含(例如)以一照明軸線為特徵之一照明通道及以一伸長軸線為特徵之一照明源。該照明源安裝於一照明腔中，使得該伸長軸線實質上與該照明軸線垂直。
一些實施方案包含(例如)以一照明軸線為特徵之一照明通道及以一伸長軸線為特徵之一照明源。該照明源安裝於一照明腔中，使得該伸長軸線相對於該照明軸線成20°至70°之間。
一些實施方案包含(例如)具有第一及第二對置側之一照明腔。該第一側相鄰於一偵測通道且該第二側安置於一照明腔之一對置側上。在一些例項中，一反射面安置於該照明腔之該第二側上。
一些實施方案包含(例如)具有第一及第二對置側之一照明腔。該第一側相鄰於一偵測通道且該第二側安置於一照明腔之一對置側上。在一些例項中，一反射面安置於該照明腔之該第一側及該第二側兩者上。
將易於自附圖及隨附申請專利範圍明白其他態樣、特徵及優點。
如圖1A中所展示，一光譜儀模組100包含具有一照明場104及一照明場軸線105 (例如照明場104之等分線)之一照明通道102。照明通道102可至少部分定位於一外殼106內。外殼106可為(例如)一注射模製間隔物或由聚合物或陶瓷包覆之一引線框。在一些例項中，外殼可為具有界限照明通道102之孔或通孔之一印刷電路板(PCB)。
光譜儀模組100進一步包含具有一視場110及一偵測軸線112之一偵測通道108。偵測通道108至少部分定位於外殼106內且相鄰於照明通道102。照明場104及視場110之一部分重疊。如上所述，在其中外殼106係具有孔或通孔之一PCB之例項中，孔或通孔可界限偵測通道108。
照明通道102包含以一伸長軸線115為特徵之一照明源114。儘管在圖1A至圖5B所描繪之實例性實施方案中，照明源114包含一伸長軸線，但照明源114無需包含一伸長軸線115。照明源可(例如)實質上呈球形或立方體。
在圖1A及圖1B所描繪之實例性實施方案中，照明源114安裝於一照明腔116內，使得伸長軸線115實質上平行於照明軸線105。在一些例項中，照明源114可自照明腔116之中心偏移(下文將更詳細描述)。
照明腔116由外殼106界限。例如，照明腔116可為外殼106內之一孔或通孔。照明腔116可以諸如截頭圓錐形、矩形、圓柱形或拋物線之各種幾何形式或形狀為特徵。
照明通道102進一步包含與照明源114對準之一照明光學總成118。光學總成118可包含任何數目個折射及/或繞射透鏡。在一些例項中，光學總成118可包含光學濾波器。光學濾波器可經操作以阻擋(例如)對應於電磁光譜之紅外線部分之光波長。在一些例項中，光學總成118可包含微透鏡陣列或分段光學元件(例如分段折射透鏡)。
照明源114可經操作以產生一發射120。照明源114可經操作以發射一寬波長光譜。例如，發射120可包含跨電磁光譜之可見及紅外線部分延伸之波長。在一些例項中，照明源114可包含可經操作以發射一寬波長光譜之一半導體陣列。在一些例項中，照明源114可包含可經操作以發射一寬波長光譜之一雷射二極體陣列或發光二極體陣列。在一些例項中，照明源114可包含一磷光體或複數個磷光體，其可與一半導體、雷射二極體或發光二極體陣列一起操作以發射一寬波長光譜。在一些例項中，可將對準判定為照明源114及照明光學總成118之配置產生最高效發射120。
偵測通道108包含安裝於外殼106中之一偵測腔124內之一照明偵測器122。在一些例項中，偵測腔124由外殼106內之孔或通孔界限。照明偵測器122可為一光二極體、一光二極體陣列、一互補金屬氧化物半導體感測器陣列、一電荷耦合裝置或一電荷耦合裝置陣列。照明偵測器122可經操作以偵測一寬波長光譜且因此可經操作以偵測發射120之至少一部分。
偵測通道108進一步包含與照明偵測器122對準之一偵測光學總成126。偵測光學總成126可包含任何數目個折射及/或繞射透鏡。在一些例項中，偵測光學總成126可包含光譜濾波器。在一些例項中，偵測光學總成126可包含微透鏡陣列或分段光學元件(例如分段折射透鏡)。
偵測通道108進一步包含一法布里-珀羅組件128，其安裝於偵測光學總成126與照明偵測器122之間且與偵測光學總成126及照明偵測器122對準。法布里-珀羅組件128可經操作以將一窄波長光譜傳遞至照明偵測器。法布里-珀羅組件128可包含(例如)基於微機電系統之裝置或壓電致動器，使得組件可致動且可將一窄波長光譜傳遞至照明偵測器。
照明通道102可經操作以將發射120導引至一物體130且偵測通道108可經操作以部分歸因於視場及照明場之重疊來收集自物體130反射之發射120之一部分。在一些例項中，照明光學總成118可經操作以導引視場104朝向偵測通道108，使得自物體130反射之光依較低入射角入射於偵測通道108上。在一些例項中，可將對準判定為照明偵測器122及偵測光學總成126之配置收集自物體130反射之大多數光。
在一些例項中，偵測通道108可包含安裝、形成或沈積於偵測通道108內之一光圈132。光圈132可經操作以使自物體130反射且由偵測通道108收集之發射120之部分受限於圍繞偵測軸線112之一偵測角α，如圖1B中所描繪。例如，圍繞偵測軸線112之偵測角α可受限於+/-5°。結合法布里-珀羅組件128之偵測角α及光譜儀模組100內之其他組件可建立入射於照明偵測器122上之波長範圍以藉此至少部分建立光譜儀模組100之光譜解析度。光譜解析度可取決於光譜儀模組100之期望應用；因此，+/-5°之偵測角α僅為一實例。可在一些實施方案中使用其他偵測角α。
在一些例項中，偵測通道108可包含安裝於偵測通道108內且與照明偵測器122對準之一光譜濾波器134。
在一些例項中，照明腔116包含一反射面136，其可經操作以反射由照明源發射之光且可經進一步操作以將反射光之一實質部分導引至物體130。反射面136可有助於防止照明腔116與偵測腔124之間之串擾。在一些例項中，照明腔116呈拋物面且可經操作以將光反射至照明光學總成118及/或直接反射至物體130。在一些例項中，光可反射回至照明源114，其中反射光可激發更多光發射(例如，具有不同於反射光之波長，諸如較長波長光)。再者，在一些例項中，照明源114可自光學腔116之中心偏移。偏移可容許發射120之一有效部分導引至目標130，使得入射於法布里-珀羅組件128上之光之一有效部分係在偵測角α內(如上文所描述)。因此，發射120可由照明偵測器122更高效收集以藉此容許在一些情況中節省大量電力。
在一些實施方案中，照明腔116包含第一及第二對置側。第一側相鄰於偵測通道108且第二側安置於照明腔116之一對置側上。在一些例項(諸如圖1A及圖1B中所描繪之實施方案)中，反射面136安置於照明腔116之第一側上。在一些實施方案中，第一側及第二側不是對置的。例如，第一側及第二側可彼此相鄰。
圖2描繪光譜儀模組100之另一實例性實施方案。光譜儀模組100進一步包含一分段光學元件140。在一些例項中，照明光學總成118可經操作以導引照明場104及照明場軸線105朝向偵測通道108，使得自物體130反射之光依較低入射角入射於偵測通道108上。在一些例項中，分段光學元件140可導引視場104，如上文所描述。
在一些例項中，發射120直接入射於物體130上，如由圖2中之發射組分120A所繪示。在一些例項中，發射120自照明腔116之表面反射且導引至照明光學總成118，如由圖2中之發射組分120B所繪示。
在一些例項(諸如圖2中所描繪之實施方案)中，反射面136安置於照明腔116之第一側及第二側兩者上。此等組態可提高光譜儀模組100之效率以藉此相較於當前最先進光譜儀減少電力消耗。
在圖2所描繪之實例性實施方案中，將入射於光學總成118上之發射120之部分導引至物體130，如由組分120C所繪示。將入射於物體130上且自物體130反射之發射之部分導引至偵測通道108，如由組分120D所繪示。在一些例項中，發射120可自腔116之表面反射回至照明源114。反射光可激發更多光發射(例如，具有不同於反射光之波長)。在一些例項中，光學總成118可經操作以將發射120之一有效部分導引至目標，使得入射於法布里-珀羅組件128上之光之一有效部分係在偵測角α內。因此，發射120可由照明偵測器122更高效收集以藉此容許在一些情況中節省大量電力。
圖3描繪光譜儀模組100之又一實例性實施方案。光譜儀模組100包含具有複數個反射分段138之一照明腔116。複數個反射分段138可經操作以將發射120導引至照明光學總成118、照明腔116之其他部分、直接至物體130及/或返回至光源114。
圖4描繪光譜儀模組100之又一實例性實施方案。光譜儀模組100進一步包含一光學總成安裝組件142，光學總成安裝組件142安裝至外殼106且對準於照明通道102及偵測通道108。光學總成安裝組件可為(例如)一PCB。在一些例項中，光學總成安裝組件142包含與照明通道102對準之一照明通孔144及與偵測通道108對準之一偵測通孔146。在一些例項中，照明通孔144及偵測通孔146由一光譜濾波器148填充。在一些例項中，照明光學總成118直接安裝至填充於照明通孔144內之光譜濾波器148，且偵測光學總成126直接安裝至填充於偵測通孔146內之光譜濾波器148。在一些例項中，照明通孔144及偵測通孔146分別由照明光學總成118及偵測光學總成126部分填充。
圖4B及圖4C描繪圖4A中所描繪且上文所描述之光學總成安裝組件之替代配置之放大圖。將照明通孔144內之照明光學總成之一部分繪示為組件118B。將安裝於照明通孔144上方之照明光學總成之一部分繪示為組件118A。
圖5A描繪光譜儀模組100之又一實例性實施方案。在此實施方案中，照明源114安裝於照明腔116內，使得伸長軸線115實質上垂直於照明軸線105。此實施方案以一較小模組高度為特徵。
圖5B描繪光譜儀模組100之又一實例性實施方案。在此實施方案中，照明源114安裝於照明腔116內，使得伸長軸線115實質上垂直於照明軸線105，如同圖5A。在一些例項(諸如圖5B中所描繪之實施方案)中，反射面136安置於照明腔116之第二側上。此等組態可提高光譜儀模組100之效率，同時最小化光譜儀模組100之佔用面積。
可對上述實施方案作出各種修改，且上文不同實施方案中所描述之特徵可組合於相同實施方案中。因此，其他實施方案係在申請專利範圍之範疇內。
100‧‧‧光譜儀模組
102‧‧‧照明通道
104‧‧‧照明場
105‧‧‧照明軸線
106‧‧‧外殼
108‧‧‧偵測通道
110‧‧‧視場
112‧‧‧偵測軸線
114‧‧‧照明源
115‧‧‧伸長軸線
116‧‧‧照明腔
118‧‧‧照明光學總成
118A‧‧‧組件
118B‧‧‧組件
120‧‧‧發射
120A‧‧‧發射組分
120B‧‧‧發射組分
120C‧‧‧組分
120D‧‧‧組分
122‧‧‧照明偵測器
124‧‧‧偵測腔
126‧‧‧偵測光學總成
128‧‧‧法布里-珀羅(Fabry-Perot)組件
130‧‧‧物體
132‧‧‧光圈
134‧‧‧光譜濾波器
136‧‧‧反射面
138‧‧‧反射分段
140‧‧‧分段光學元件
142‧‧‧光學總成安裝組件
144‧‧‧照明通孔
146‧‧‧偵測通孔
148‧‧‧光譜濾波器
α‧‧‧偵測角
圖1A描繪一光譜儀模組之一實例。
圖1B描繪圖1A中所描繪之光譜儀模組之偵測通道之一部分之一放大圖。
圖2描繪包含具有一分段光學元件之一照明總成之一光譜儀模組之另一實例。
圖3描繪包含具有複數個反射分段之一照明腔之一光譜儀模組之又一實例。
圖4A描繪包含一光學總成安裝組件之一光譜儀模組之又一實例。
圖4B及圖4C描繪圖4A中所描繪之光學總成安裝組件之替代配置之放大圖。
圖5A描繪一光譜儀模組之一實例。
圖5B描繪一光譜儀模組之又一實例。

Claims (27)

  1. 一種光譜儀模組，其包括： 一照明通道，其具有一照明場，該照明通道至少部分定位於一外殼內；及 一偵測通道，其具有一視場及一偵測軸線，該偵測通道至少部分定位於該外殼內且相鄰於該照明通道； 該照明通道包含安裝於該外殼中之一照明腔內之一照明源及與該照明源對準之一照明光學總成，該照明源可經操作以產生一發射； 該偵測通道包含安裝於該外殼中之一偵測腔內之一照明偵測器且可經操作以偵測該發射之至少一部分； 該偵測通道進一步包含：一偵測光學總成，其與該照明偵測器對準；及一法布里-珀羅(Fabry-Perot)組件，其安裝於該偵測光學總成與該照明偵測器之間且與該偵測光學總成及該照明偵測器對準；及 該照明通道可經操作以將該發射之一部分導引至一物體，且該偵測通道可經操作以收集自該物體反射之該發射之一部分。
  2. 如請求項1之光譜儀模組，其進一步包括安裝於該偵測通道內之一光圈，該光圈可經操作以使自該物體反射且由該偵測通道收集之該發射之該部分受限於圍繞該偵測軸線之一偵測角。
  3. 如請求項1之光譜儀模組，其進一步包括安裝於該偵測通道內且與該照明偵測器對準之一光譜濾波器。
  4. 如請求項1之光譜儀模組，其中該照明腔包含可經操作以反射由該照明源發射之光且將該反射光導引至該物體之一反射面。
  5. 如請求項4之光譜儀模組，其中該照明腔呈拋物面。
  6. 如請求項4之光譜儀模組，其中該照明腔包含複數個反射分段。
  7. 如請求項1之光譜儀模組，其中該照明光學總成包含一分段光學元件。
  8. 如請求項1之光譜儀模組，其進一步包括安裝至該外殼且對準於該照明通道及該偵測通道之一光學總成安裝組件。
  9. 如請求項8之光譜儀模組，其中該光學總成安裝組件包含與該照明通道對準之一照明通孔及與該偵測通道對準之一偵測通孔。
  10. 如請求項9之光譜儀模組，其中該照明通孔及該偵測通孔由一光譜濾波器填充。
  11. 如請求項10之光譜儀模組，其中該照明光學總成直接安裝至填充於該照明通孔內之該光譜濾波器，且該偵測總成直接安裝至填充於該偵測通孔內之該光譜濾波器。
  12. 如請求項9之光譜儀模組，其中該照明通孔及該偵測通孔分別由該照明光學總成及該偵測光學總成部分填充。
  13. 如請求項3之光譜儀模組，其中該光譜濾波器可經操作以阻擋對應於電磁光譜之紅外線部分之光波長。
  14. 如請求項2之光譜儀模組，其中圍繞該偵測軸線之該偵測角受限於 +/-5°。
  15. 如請求項1之光譜儀模組，其中該照明腔包含第一及第二對置側，該第一側相鄰於該偵測通道，該第二側安置於該照明腔之一對置側上，且該反射面安置於該照明腔之該第一側上。
  16. 如請求項1之光譜儀模組，其中該照明腔包含第一及第二對置側，該第一側相鄰於該偵測通道，該第二側安置於該照明腔之一對置側上，且該反射面安置於該照明腔之該第二側上。
  17. 如請求項1之光譜儀模組，其中該照明腔包含第一及第二對置側，該第一側相鄰於該偵測通道，該第二側安置於該照明腔之一對置側上，且該反射面安置於該照明腔之該第一側及該第二側兩者上。
  18. 如請求項1之光譜儀模組，其中該照明通道具有一照明軸線且該照明源具有一伸長軸線，該照明源安裝於該照明腔中，使得該伸長軸線實質上與該照明軸線平行。
  19. 如請求項1之光譜儀模組，其中該照明通道具有一照明軸線且該照明源具有一伸長軸線，該照明源安裝於該照明腔中，使得該伸長軸線實質上與該照明軸線垂直。
  20. 如請求項1之光譜儀模組，其中該照明通道具有一照明軸線且該照明源具有一伸長軸線，該照明源安裝於該照明腔中，使得該伸長軸線相對於該照明軸線成20°至70°之間。
  21. 如請求項16之光譜儀模組，其中該照明通道具有一照明軸線且該照明源具有一伸長軸線，該照明源安裝於該照明腔中，使得該伸長軸線實質上與該照明軸線垂直。
  22. 如請求項1至21中任一項之光譜儀模組，其中該照明源可經操作以發射一寬波長光譜。
  23. 如請求項1至21中任一項之光譜儀模組，其中該照明偵測器可經操作以偵測一寬波長光譜。
  24. 如請求項1至21中任一項之光譜儀模組，其中該法布里-珀羅組件可經操作以將一窄波長光譜傳遞至該照明偵測器。
  25. 如請求項1至21中任一項之光譜儀模組，其中該照明源包含可經操作以發射一寬波長光譜之一半導體陣列。
  26. 如請求項1至21中任一項之光譜儀模組，其中該照明偵測器包含一光二極體、一光二極體陣列、一互補金屬氧化物半導體感測器陣列、一電荷耦合裝置或一電荷耦合裝置陣列。
  27. 如請求項24之光譜儀模組，其中該法布里-珀羅組件可經致動使得該法布里-珀羅組件可經操作以將複數個不同窄波長光譜傳遞至該照明偵測器。
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