光譜儀裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光譜儀裝置，包括UV跟蹤裝置，及其制造和使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜儀是用于測量電磁光譜中不同區(qū)域光強的儀器。因為不同波長上的光強攜帶 光源上的具體信息，例如其化學(xué)成分的簽名，光譜儀已經(jīng)在天文、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)療應(yīng) 用、能量、考古和其它領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)應(yīng)用?，F(xiàn)今所用的光譜儀基于十九世紀(jì)的原始設(shè)計，其中 衍射光柵的棱鏡在不同的方向上輸送不同波長的光，使得可以測量不同波長上的強度。光 譜儀的一個用途是記錄有害UV射線的強度并且區(qū)分不同UV波段的強度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 在一個方面中，光譜儀包括多個探測器位置，其中每個探測器位置包括能吸收預(yù) 定波長光的多個半導(dǎo)體納米晶體，并且其中每個探測器位置包括能根據(jù)不同的入射光強度 提供差分響應(yīng)的光敏元件；以及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，連接到該光敏元件的每一個，其中該數(shù)據(jù)記 錄系統(tǒng)構(gòu)造為當(dāng)該探測器位置由入射光照射時記錄該探測器位置的每一個處的該差分響 應(yīng)。
[0004] 每個探測器位置上的該多個半導(dǎo)體納米晶體能吸收不同預(yù)定波長的光。光敏元件 可包括光伏電池。光敏元件可為光電導(dǎo)體。半導(dǎo)體納米晶體，在吸收預(yù)定波長的光后，能發(fā) 射區(qū)別波長的光，并且光敏元件可對區(qū)別波長的光敏感。
[0005] 半導(dǎo)體納米晶體可構(gòu)造為基本上吸收所有入射在特定探測器位置的預(yù)定波長的 光，并且基本上不能發(fā)射區(qū)別波長的光。
[0006] 在另一個方面中，記錄光譜圖的方法包括提供光譜儀，所述光譜儀包括：多個探測 器位置，其中每個探測器位置包括能吸收預(yù)定波長光的多個半導(dǎo)體納米晶體，并且其中每 個探測器位置包括能根據(jù)不同的入射光強度提供差分響應(yīng)的光敏元件；以及數(shù)據(jù)記錄系 統(tǒng)，連接到該光敏元件的每一個，其中該數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)構(gòu)造為當(dāng)該探測器位置由入射光照 射時記錄在該探測器位置的每一個處的該差分響應(yīng)；用入射光照射該多個探測器位置；記 錄該探測器位置的每一個處的該差分響應(yīng)；以及根據(jù)該探測器位置的每一個處所記錄的差 分響應(yīng)決定入射光的特定波長的強度。該光譜儀可包括計算、存儲或顯示部件或其結(jié)合。光 譜儀可用在診斷工具或光譜成像裝置中。
[0007] 在另一個方面中，個人UV曝光跟蹤裝置包括：UV探測器，其可在UV區(qū)域中的不同 波長之間區(qū)別；以及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，構(gòu)造為記錄當(dāng)該探測器位置由入射光照射時記錄UV區(qū) 域中不同波長處的差分響應(yīng)。
[0008] UV探測器可為UV敏感半導(dǎo)體光電探測器。UV光電探測器可為光電探測器陣列。 UV探測器可為納米晶體光譜儀。納米晶體光譜儀可包括：多個探測器位置，其中每個探測 器位置包括能吸收預(yù)定波長光的多個半導(dǎo)體納米晶體，并且其中每個探測器位置包括能根 據(jù)不同的入射光強度提供差分響應(yīng)的光敏元件；以及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，可連接到光敏元件的 每一個，其中數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)構(gòu)造為當(dāng)該探測器位置由入射光照射時記錄在該探測器位置的 每一個處的該差分響應(yīng)。
[0009] 光譜儀可構(gòu)造為測量入射光的一個或多個UV波長的強度。光譜儀可構(gòu)造為測量 入射光的UVA、UVB和UVC波長的強度。個人UV曝光跟蹤裝置還可包括數(shù)據(jù)存儲部件，構(gòu)造 為記錄入射光的一個或多個UV波長的測量強度。個人UV曝光跟蹤裝置還可包括無線數(shù)據(jù) 通訊系統(tǒng)，構(gòu)造為將入射光的一個或多個UV波長的測量強度傳輸?shù)酵獠坑嬎阊b置。該個人 UV曝光跟蹤裝置可構(gòu)造為向使用者提供UV曝光的實時測量結(jié)果。該個人UV曝光跟蹤裝置 可構(gòu)造為向使用者提供UV曝光的歷史報告。該個人UV曝光跟蹤裝置可集成在便攜式個人 物品中。該便攜式個人物品可為防水的。
[0010] 在另一個方面中，光譜儀可包括多個探測器位置和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，其中每個探測 器位置包括能吸收預(yù)定波長光的光吸收材料，該光吸收材料選自由半導(dǎo)體納米晶體、碳納 米管和光子晶體組成的組，并且其中每個探測器位置包括能根據(jù)不同的入射光強度提供差 分響應(yīng)的光敏元件；所述數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)連接到光敏元件的每一個，其中該數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)構(gòu) 造為當(dāng)該探測器位置由入射光照射時記錄該探測器位置的每一個處的該差分響應(yīng)。
[0011] 在某些實施例中，光譜儀可包括多個探測器位置，其包括濾光片，該濾光片包括半 導(dǎo)體納米晶體。在某些實施例中，光敏元件可包括半導(dǎo)體納米晶體。例如，多個探測器位置 可包括濾光片，該濾光片包括光在光敏元件前通過的第一半導(dǎo)體納米晶體，該光敏元件包 括第二半導(dǎo)體納米晶體。
[0012] 在另一個方面中，制造光譜儀的方法可包括：形成多個探測器位置，其中每個探測 器位置包括能吸收預(yù)定波長光的光吸收材料，光吸收材料選自由半導(dǎo)體納米晶體、碳納米 管和光子晶體組成的組，并且其中每個探測器位置包括能根據(jù)不同的入射光強度提供差分 響應(yīng)的光敏元件；以及連接數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)到光敏元件的每一個，其中該數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)構(gòu)造 為當(dāng)該探測器位置由入射光照射時記錄該探測器位置的每一個處的該差分響應(yīng)。
[0013] 在某些實施例中，形成多個探測器位置可包括在基板上噴墨印刷或接觸轉(zhuǎn)印印刷 光吸收材料。
[0014] 在某些實施例中，形成多個探測器位置可包括形成多個半導(dǎo)體納米晶體光探測器 的垂直堆疊，并且可選擇性地包括裝配多個垂直堆疊以形成垂直堆疊的矩陣。
[0015] 在另一個方面中，制造光譜成像裝置的方法可包括：形成多個探測器位置，其中每 個探測器位置包括能吸收預(yù)定波長光的光吸收材料，并且其中每個探測器位置包括能根據(jù) 不同的入射光強度提供差分響應(yīng)的光敏元件；以及連接數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)到光敏元件的每一 個，其中該數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)構(gòu)造為當(dāng)該探測器位置由入射光照射時記錄該探測器位置的每一 個處的該差分響應(yīng)。
[0016] 在某些實施例中，形成多個探測器位置可包括形成吸收層的垂直堆疊，每個吸收 層具有不同的光吸收特性。該方法還可包括裝配多個垂直堆疊以形成垂直堆疊的矩陣。
[0017] 在某些實施例中，形成多個探測器位置可包括形成吸收貼片的水平板，每個貼片 具有不同的光吸收特性。每個貼片的尺寸可在lym 2和1000mm2之間。在某些情形中，貼片 可能甚至較大，并且可具有任何形狀。水平板的尺寸可在lum 2和0.9m2之間。
[0018] 在某些實施例中，制造光譜成像裝置的方法可包括采用選自由半導(dǎo)體納米晶體、 碳納米管和光子晶體組成的組的光吸收材料。
[0019] 在另一個方面中，讀板儀可包括：多個光譜儀和多個阱，其中每個阱與多個光譜儀 的唯一光譜儀關(guān)聯(lián)，每個光譜儀包括多個探測器位置，其中每個探測器位置包括能吸收預(yù) 定波長光的光吸收材料，并且其中每個探測器位置包括能根據(jù)不同的入射光強度提供差分 響應(yīng)的光敏元件；以及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)連接至光敏元件中的每一個，其中該 數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)構(gòu)造為當(dāng)該探測器位置由入射光照射時記錄該探測器位置的每一個處的該 差分響應(yīng)。
[0020] 在某些實施例中，光吸收材料選自由半導(dǎo)體納米晶體、碳納米管和光子晶體組成 的組。
[0021] 在另一個方面中，個人裝置可包括光譜儀，該光譜儀可包括：多個探測器位置，其 中每個探測器位置包括能吸收預(yù)定波長光的多個半導(dǎo)體納米晶體，并且其中每個探測器位 置包括能根據(jù)不同的入射光強度提供差分響應(yīng)的光敏元件；以及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，連接到該 光敏元件的每一個，其中該數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)構(gòu)造為當(dāng)該探測器位置由入射光照射時記錄該探 測器位置的每一個處的該差分響應(yīng)。
[0022] 在某些實施例中，個人裝置可為智能電話或智能電話附件。
[0023] 在另一個方面中，醫(yī)療裝置可包括光譜儀，所述光譜儀具有多個探測器位置，其中 每個探測器位置包括能吸收預(yù)定波長光的多個半導(dǎo)體納米晶體，并且其中每個探測器位置 包括能根據(jù)不同的入射光強度提供差分響應(yīng)的光敏元件；以及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，連接到光敏 元件的每一個，其中該數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)構(gòu)造為當(dāng)該探測器位置由入射光照射時記錄該探測器 位置的每一個處的該差分響應(yīng)。
[0024] 其它的方面、實施例和特征從下面的描述、附圖和權(quán)利要求將明顯易懂。
【附圖說明】
[0025] 圖1A是光譜儀的原理示意圖。圖1B示意地示出了大量不同種類的半導(dǎo)體納米晶 體的吸收光譜。
[0026] 圖2是諸如光伏電池的光電裝置的原理示意圖。
[0027] 圖3A-3E是光伏裝置不同構(gòu)造的原理示意圖。
[0028] 圖4A是光電裝置的原理示意圖。圖4B是選擇性光電裝置的原理示意圖。
[0029] 圖5是采用彌散光學(xué)或干擾基濾光片的時間或空間分離的原理示意圖。
[0030] 圖6是用于半導(dǎo)體納米晶體光譜儀的光學(xué)測量機構(gòu)的原理示意圖。
[0031] 圖7A是示出取自校準(zhǔn)的Si光敏二極管的響應(yīng)函數(shù)的系列圖線。圖7B是示出圖 3所示量子點濾光片（FJ的各透射光譜（Ti(A))的系列圖線。圖7C是示出用于每個光源 的透射光強度li和光譜重建的系列圖線。
[0032] 圖8a是系列半導(dǎo)體納米晶體濾光片的示意圖。圖8b是圖8a所示某些濾光片的 精選透射光譜。
[0033] 圖9表示示出6個不同光源由半導(dǎo)體納米晶體光譜儀重建光譜的系列圖線。
[0034] 圖10A是集成光譜儀的原理示意圖。圖10B是集成光譜儀的示例。圖10C是采用 集成光譜儀獲得的光譜。
[0035] 圖11A是半導(dǎo)體納米晶體探測器的示意圖。圖11B是垂直堆疊的半導(dǎo)體納米晶體 探測器的示意圖。圖11C是形成傳感器矩陣的重復(fù)堆疊的探測器的示意圖。圖11D是光譜 成像蘭姆達(dá)堆疊的原理示意圖。
[0036] 圖12是示出用半導(dǎo)體納米晶體的多種吸收貼片形成水平板的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0037]當(dāng)前的光譜儀的體積大、沉重、價格昂貴、精密且使用復(fù)雜。對于諸如棱鏡和光柵 之類的精密光學(xué)部件的需求使光譜儀很重且很昂貴。部件必須保持極其清潔且完美地對 齊，使制造昂貴且使儀器非常精密。一旦光學(xué)部件失去對齊，修理上非常復(fù)雜，導(dǎo)致維護(hù)成 本很高。該儀器對于使用者操作是非常復(fù)雜的。因此，光譜儀對于很多應(yīng)用是不實際的。需 要便宜、輕便和易于使用的光譜儀，各行的人員可以在所有的工作條件下使用這些光譜儀。 例如，小而簡單的光譜儀可形成個人UV曝光監(jiān)測裝置的基礎(chǔ)。
[0038] 存在輕便而又便宜的裝置，例如照相機，同時測量不同波長的光強，但是不同波長 的光譜分辨率極低，低至這樣的裝置不足以作為光譜儀。通常的實驗室級光譜儀可具有 l-10nm量級的光譜分辨率。根據(jù)應(yīng)用，較低分辨率是可接受的。在很多情況下，分辨率要求 越_，儀器越昂貴。
[0039] 克服這樣挑戰(zhàn)的光譜儀可基于納米晶體的物理和光學(xué)特性。具有小直徑的納米晶 體可具有介于分子和形成物質(zhì)的大塊之間的中間特性。例如，基于具有小直徑的半導(dǎo)體材 料的納米晶體可在三維上顯示出電子和空穴二者的量子限制，其導(dǎo)致具有減小的晶體尺寸 的材料的有效帶隙的增大。因此，隨著晶體尺寸的減小，納米晶體的光學(xué)吸收和發(fā)射偏移到 藍(lán)色或者更高的能量。當(dāng)半導(dǎo)體納米晶體吸收光子時，產(chǎn)生激發(fā)的電子空穴對。在某些情 況下，當(dāng)電子空穴對復(fù)合時，半導(dǎo)體納米晶體發(fā)射較長波長的光子（光致發(fā)光）。
[0040] 通常，半導(dǎo)體納米晶體的吸收光譜特征在于與量子限制半導(dǎo)體材料的有效帶隙相 關(guān)的波長上的主峰。該帶隙是納米晶體的尺寸、形狀、材料和構(gòu)造的函數(shù)。光子和帶隙波 長的吸收可導(dǎo)致在窄光譜范圍內(nèi)發(fā)射光子；換言之，光致發(fā)光的光譜可具有窄的半峰全寬 (full width at half maximum, FWHM)。半導(dǎo)體納米晶體的吸收光譜也顯示很強的、寬的吸 收特征，延伸至高于帶隙的能量（進(jìn)入UV區(qū)域）。
[0041] 各種光學(xué)作用也可用于幫助增加多樣性，這些作用可包括但不限于吸收、透射、反 射、光散射、被增強、干涉、離子作用、淬熄作用。這些作用可與所有上述材料或它們的子集 結(jié)合。這些作用可個別或共同、全部或部分使用。在納米晶體光譜儀中，不必包括棱鏡、光 柵或其它光學(xué)元件將光分成各成分波長。相反，響應(yīng)于不同波長的納米晶體