[发明专利]一种微型光谱仪及光谱测试方法

权利要求书

1.一种微型光谱仪，其特征在于，包括：

全反射光耦合机构，其用于对入射光进行全反射并产生倏逝波；

微纳颗粒层，其能够在所述倏逝波的激发下产生辐射和散射光；以及

检测模块，其用于对所述辐射和散射光进行成像，以获得入射光的光谱信息。

2.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于：所述微纳颗粒层包括多个具有纳米级至微米级粒径的微纳颗粒，所述多个微纳颗粒分布在所述全反射光耦合机构的第一表面上；优选的，所述微纳颗粒的尺寸为50nm～5μm。

3.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于：所述微纳颗粒包括金属颗粒，所述金属颗粒能够在所述倏逝波的激发下产生等离子体共振辐射和散射光；优选的，所述金属颗粒的材质为金、银、铝、铜、钛中的任意一种或多种的组合。

和/或，每一所述微纳颗粒上均修饰有光致发光材料，所述光致发光材料能够在所述倏逝波的激发下产生辐射光；优选的，所述光致发光材料包括荧光分子、量子点、上转换颗粒中的任意一种或多种的组合。

4.根据权利要求2所述的微型光谱仪，其特征在于：所述全反射光耦合机构包括光耦合元件，所述光耦合元件能够将入射光全反射的面为所述第一表面；

和/或，所述全反射光耦合机构包括光耦合元件和透明基底，所述透明基底通过折射率匹配层与所述光耦合元件贴合，所述透明基底远离所述光耦合元件的一侧表面为所述第一表面并能够将入射光全反射，并且所述折射率匹配层、所述透明基底和所述全光耦合元件中任意两者的折射率的差别不超过5％。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的微型光谱仪，其特征在于：所述微纳颗粒层直接附着在所述第一表面上；

或者，多个所述的微纳颗粒分散在透明固体材料中并且呈一层或多层分布；优选的，所述透明固体材料包括聚乙烯吡咯烷酮、聚二甲基硅氧烷或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

6.根据权利要求5中所述的微型光谱仪，其特征在于：所述微纳颗粒层于厚度方向上的至少一侧表面上还覆设有金属膜层；优选的，所述金属膜层的厚度为10～80nm；优选的，所述金属膜层的材质为金、银、铝、铜、钛中的任意一种或多种的组合。

7.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于还包括：光束准直模块，其用于将入射光准直处理后再入射所述全反射光耦合机构。

8.根据权利要求1-4任一项所述的微型光谱仪，其特征在于：所述光耦合元件包括直角棱镜或半圆形透镜；和/或，所述检测模块包括探测器阵列；优选的，所述探测器阵列具有光电转换或光热电转换能力；优选的，所述探测器阵列包括线阵或面阵。

9.一种光谱检测方法，其特征在于包括：

提供权利要求1-8中任一项所述的微型光谱仪；

使待测的入射光入射全反射光耦合元件，以产生倏逝波激发微纳颗粒层生成辐射和散射光，再使检测模块对所述辐射和散射光进行成像，获得图像；

对所述图像与不同单波长入射光产生的图像之间的关系进行解析，从而获得所述入射光的光谱信息。

10.根据权利要求9所述的光谱检测方法，其特征在于，对所述图像与不同单波长入射光产生的图像之间的关系进行解析的方法包括：

(1)将所述微型光谱仪所能检测的波长范围分为N个带宽为Δλ的波段，N为不小于3的整数，各波段的中心波长为λ₁，λ₂，…，λ_N；

(2)将检测模块中探测器阵列的每个单元所测得的光强记为I₁，I₂，…，I_M；

(3)通过求解以下矩阵方程得到所述入射光中各波长分量λ₁，λ₂，…，λ_N的大小I(λ₁)，I(λ₂)，…，I(λ_N)，获得所述入射光的光谱；

其中，C_ij(i＝1，2，…，M)(j＝1，2，…，N)表示中心波长为λ_j的波段的光在经过所述全反射光耦合机构时，所述探测器阵列中第i个单元测到的光强。