临界角光学传感器设备制造技术

本发明专利技术涉及一种光学传感器设备，所述光学传感器设备包含：光学透射结构，其具有平坦的第一面、第二面及第三面；光源，其位于所述结构外侧邻近所述第一面；及光电检测器阵列，其位于棱镜外侧邻近所述第一面。所述结构、光源及光电检测器阵列经配置使得来自所述光源的在所述棱镜与所述结构外侧接近所述第二面的样本之间的光学界面处经全内反射的光在所述第三面处经反射且入射于所述光电检测器阵列的取决于所述样本的折射率的一部分上。所述光源相对于所述结构及光电检测器阵列而定位，使得来自每一光源的所述经全内反射的光对应于所述样本的不同折射率范围且映射到所述光电检测器阵列的对应部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】临界角光学传感器设备
本专利技术的实施例涉及光学传感器且更明确地说涉及通过感测光学材料与样本之间的界面处的全内反射而测量样本的折射率的光学传感器。
技术介绍
使用临界角进行样本的折射率测量的系统在此项技术中是众所周知的，此是作为用以确定介质的折射率的临界角测量的基础的物理原理。当从高折射率介质行进的光以大于临界入射角的入射角入射于高折射率介质与具有较低折射率的另一介质之间的界面上时，可观察到全内反射。所述临界角为两种介质的折射率的函数。然而，如果一种介质的折射率是已知的，那么另一介质的折射率可使用众所周知的方程式依据临界角θC的测量值而确定：其中n1为高折射率介质的折射率且n2为低折射率介质的折射率。按照惯例，相对于垂直于两种介质之间的界面的线而测量临界入射角。美国专利6,097,479描述用于做出临界角测量的传感器，其中光源及光电检测器阵列囊封于用作高折射率介质的光透射壳体中。所述壳体形成具有与样本接触的一个面的棱镜，所述样本用作低折射率介质。来自光源的光在入射角范围内入射于样本与棱镜之间的界面上。以大于临界角的角度入射于界面上的光的一部分经历全内反射且由光电检测器阵列检测。因此，光电检测器阵列的不同部分取决于临界角而由经全内反射的光照明，所述临界角取决于棱镜及样本的折射率。光电检测器阵列的照明图案可经分析以确定样本的折射率。本专利技术的实施例在此背景下产生。附图说明通过连同附图一起考量以下详细说明可易于理解本专利技术的教示，附图中：图1A是根据本专利技术的实施例的光学传感器设备的三维示意图。图1B是根据本专利技术的实施例的光学传感器设备的侧视示意图。图2是图解说明根据本专利技术的实施例的光学设备中的光电检测器阵列信号的三维图表。图3A是图解说明根据本专利技术的替代实施例的光学传感器设备的侧视示意图。图3B是图解说明根据本专利技术的另一替代实施例的光学传感器设备的侧视示意图。具体实施方式尽管出于图解目的以下详细说明含有许多特定细节，但所属领域的技术人员将了解，以下细节的许多变化及变更是在本专利技术的范围内。因此，下文所描述的本专利技术的示范性实施例是在不失所主张专利技术的一般性的情况下且在不对所主张专利技术施加限制的情况下陈述的。在以下具体实施方式中，将参考形成本专利技术的一部分的附图，且附图中以图解说明方式展示其中可实践本专利技术的特定实施例。就此来说，例如“顶部”、“底部”、“前面”、“背面”、“前沿”、“尾沿”等方向性术语有时可参考所描述的各图的定向而使用。由于可以若干个不同定向来定位本专利技术的实施例的组件，因此方向性术语是出于图解说明目的而使用且绝不具限制性。应理解，在不背离本专利技术的范围的情况下，可利用其它实施例并可做出结构或逻辑改变。因此，不应将以下详细说明视为具限制性意义，且本专利技术的范围由所附权利要求书界定。术语表如本文中所使用，以下术语具有以下含义。热膨胀系数是指材料的量化所述材料的一或多个物理尺寸随温度的改变的改变的性质。CTE匹配的是指具有类似热膨胀系数(CTE)的材料。出于本申请案的目的，如果两种材料的热膨胀系数在彼此的约两倍内，那么所述两种材料可视为CTE匹配的。色散(或光学色散)是指通过其将波分离到具有不同频率的光谱分量中的现象，当波在材料中行进时，此由波的速度对其频率的相依性所致。在光学器件中，此可表达为材料的折射率对光的真空波长的相依性。折射率(IndexofRefraction或refractiveindex)是指材料的通常定义为光在真空(或其它参考介质)中的速度与光在材料中的速度的比率的光学性质。红外线辐射是指由介于约700纳米(nm)与约100,000nm之间的真空波长表征的电磁辐射。光通常是指从红外线到紫外线的频率范围内的电磁辐射，其粗略地对应于从约1纳米(10-9米)到约100微米的真空波长范围。蓝宝石通常是指氧化铝(A12O3)的各向异性菱形晶体形式。全内反射是指其中给定介质中以大于临界角的角度入射于与具有较低折射率的介质的界面上的电磁辐射从边界完全反射的现象。按照惯例，相对于垂直于两种介质之间的界面的线而测量临界入射角。如果相对于与所述界面相切的线而测量入射角，那么全内反射针对小于临界角的入射角而发生。紫外线(UV)辐射是指由比可见区域的真空波长短但比软X射线的真空波长长的真空波长表征的电磁辐射。紫外线辐射可细分成以下波长范围：近UV，从约380nm到约200nm；远UV或真空UV(FUV或VUV)，从约200nm到约10nm；及极端UV(EUV或XUV)，从约1nm到约31nm。真空波长是指如果辐射传播穿过真空那么给定频率的电磁辐射将具有的波长且通过以频率划分的光在真空中的速度而给出。可见光是指由比IR辐射的真空波长短但比UV辐射的真空波长长的真空波长表征的电磁辐射，可见范围通常视为是从约400nm到约700nm。导论基于临界角测量的许多现有技术折射率传感器将光源及光电检测器阵列囊封于形成棱镜的材料(例如，透明环氧树脂)中。现有折射率传感器的一个缺陷是其通常使用仅一个光源，所述光源提供用于折射率测量的一个波长的光。此具有几个缺点。首先，单个光源可限制入射角的范围及因此可测量的折射率的范围。其次，单个光源可限制传感器的分辨率。现有技术折射率传感器的另一缺陷是光源及光电检测器阵列以集成设计形式与棱镜组合，其中光学环氧树脂囊封光源及光电检测器阵列两者。使用环氧树脂囊封的设计经受环氧树脂在约85℃的温度下开始的降级，从而限制可测量的处理范围。一些现有传感器设计使用与许多流体或化学物质在化学上不可兼容的折射率匹配的塑料棱镜。此些设计在测量界面处需要介入的化学上可兼容材料。另外，塑料棱镜妨碍短波长光的使用。另一缺点由以下事实引起：通常与样本的界面不是棱镜的面而是由玻璃或胶合到棱镜的面中的一者的其它光密材料制成的“窗”。然而，在用于现有折射率传感器中的棱镜的光学环氧树脂与用于窗的典型材料(例如，硼硅酸盐玻璃)之间存在热膨胀系数(CTE)的显著不匹配。举例来说，典型光学环氧树脂具有约每摄氏度百万分之50(50ppm/℃)的CTE。硼硅酸盐玻璃具有约7ppm/℃的CTE，此CTE约小七倍。硼硅酸盐玻璃的常见光学级别市售名为SchottBK-7。窗与光学环氧树脂之间的CTE不匹配在正取样的流体处于显著比室温热或冷的温度时可导致问题。根据本专利技术的实施例，光学传感器设备可包含克服现有技术折射率传感器的缺点的特征。光学传感器设备根据本专利技术的实施例，新设计的光学传感器设备使用由精加工整体光学透明材料制成的光学波导结构，所述精加工整体光学透明材料同时与光源及光电检测器阵列形成一或多个测量界面。由精加工光学透明材料制成的光导引结构的使用允许比在塑料棱镜的情况下可能的波长范围宽的波长范围的使用。固体精加工光学透明材料允许反射材料到光导引结构上的直接沉积，从而消除将镜机械地放置于棱镜上的需要。此降低设计复杂性且改进光学信号。与先前RI传感器设计相比，两个共同波长光源(例如，黄色LED)显著扩展可测量的RI范围。来自两个共同波长光源的光重叠RI范围的中心，此增加信噪比。图1A及图1B图解说明根据本专利技术的实施例的光学传感器设备100的实例。光学传感器设备100是基于反射几何形状的。设备100通常包含由光密材料(例如硼硅酸盐玻璃)或蓝宝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学传感器设备，其包括：光学透射光导引结构，其具有平坦的第一面、第二面及第三面；两个或两个以上光源，其位于所述光导引结构外侧邻近所述第一面；光电检测器阵列，其位于所述光导引结构外侧邻近所述第一面，其中所述光导引结构、光源及光电检测器阵列经配置使得来自所述两个或两个以上光源的在所述光导引件与所述光导引结构外侧接近所述第二面的样本之间的光学界面处经全内反射的光在所述第三面处经反射且入射于所述光电检测器阵列的取决于所述样本的折射率的一部分上，其中所述两个或两个以上光源相对于所述光导引结构及光电检测器阵列而定位，使得来自所述两个或两个以上光源中的每一者的在所述界面处经全内反射且在所述第三面处经反射的光对应于所述样本的不同折射率范围且映射到所述光电检测器阵列的对应部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.21 US 13/401,7651.一种光学传感器设备，其包括：光学透射光导引结构，其具有平坦的第一面、第二面及第三面；两个或两个以上光源，其位于所述光导引结构外侧邻近所述第一面；光电检测器阵列，其位于所述光导引结构外侧邻近所述第一面，其中所述光导引结构、光源及光电检测器阵列经配置使得来自所述两个或两个以上光源的在所述光导引结构与所述光导引结构外侧接近所述第二面的样本之间的光学界面处经全内反射的光在所述第三面处经反射且入射于所述光电检测器阵列的取决于所述样本的折射率的一部分上，其中所述两个或两个以上光源相对于所述光导引结构及光电检测器阵列而定位，使得来自所述两个或两个以上光源中的每一者的在所述界面处经全内反射且在所述第三面处经反射的光对应于所述样本的不同折射率范围且映射到所述光电检测器阵列的对应部分。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述两个或两个以上光源通过自由空间间隙而与所述光导引结构分离。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述光电检测器阵列通过自由空间间隙而与所述光导引结构分离。4.根据权利要求1所述的设备，其中所述两个或两个以上光源包含经配置以发射共同真空波长的光的两个或两个以上共同波长光源，其中所述两个或两个以上共同波长光源相对于所述光导引结构及光电检测器阵列而定位，使得来自所述两个或两个以上共同波长光源中的每一者的在所述界面处经全内反射且在所述第三面处经反射的光对应于所述样本的不同折射率范围且映射到所述光电检测器阵列的对应部分。5.根据权利要求1所述的设备，其中所述两个或两个以上光源包含经配置以发射不同对应真空波长的光的两个或两个以上光源。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗纳德·基亚雷洛，沙德·皮尔逊，克里斯托弗·瓦钦斯基，马克·阿尔博列，叶夫根尼·阿诺伊金，
申请(专利权)人：恩特葛瑞斯捷特隆解决方案公司，
类型：发明
国别省市：美国;US