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针头大小的传感器可以实现智能手机设备的化学ID应用

2019/11/09 来源:青海汽车网

导读

想象一下,把你的智能手机对准你在储藏室后面找到的咸点心,然后你可以立刻知道它的成分是否变质了。被称为分光计的设备可以根据吸收和发射光的独

针头大小的传感器可以实现智能手机设备的化学ID应用

想象一下,把你的智能手机对准你在储藏室后面找到的咸点心,然后你可以立刻知道它的成分是否变质了。

被称为分光计的设备可以根据吸收和发射光的独特“指纹”来检测危险化学品。但这些分光仪器长期以来既笨重又昂贵,妨碍了它们在实验室外的使用。

到现在为止。威斯康星-麦迪逊大学的工程师们开发了一种分光计,这类分光计既小又简单,可以在不牺牲精度的情况下与一部典型手机的摄像头进行集成。

“这是一个紧凑的单次分光计,提供高分辨率和低制造成本,”Zhu Wang说,他是电气工程师团队中的一员,并创建了这类新型装备。

研究人员于近日在《自然通讯Nature Communications》杂志上发表了对这类装置的描写。

该团队的装备还具有一种称为高光谱成像(hyperspectral imaging)的先进功能,它可以搜集图象中每个像素的信息,以便在复杂背景中辨认材料或检测特定对象。例如,高光谱传感可用于探测岩石表面内有价值矿物的矿层,或辨认高植物区的特定植物。

每一种元素的光谱指纹都包含独特的发射或吸收波长,分光计能够感知光,这使得研究人员能够从分析未知化合物的成份到揭露遥远恒星的组成,无所不能。

分光计通常依托棱镜或光栅将物体发出的光分解成不同波长的离散波段。照相机的光电探测器可以捕捉和分析这些波段;例如,钠元素的光谱指纹由两个波段组成,波长分别为589和590纳米。

人类的眼睛看到590纳米波长的光是黄橙色的阴影。较短的波长对应蓝色和紫色,而较长的波长则呈现红色。阳光包括着一条完全的彩虹,混合在一起,我们看到它是白色的。

为了解决不同颜色的混合物之间的差异,分光计通常必须相对较大,并且具有较长的光程长度,以便光束能够移动和分离。

然而,研究小组研制出了微型分光计,每边只有200微米(大约是圆珠笔笔尖面积的20分之一),其精密程度足以直接放在普通数码相机的传感器上。

这类小尺寸是可能的,因为研究人员将他们的装备基于特殊设计的材料,这类材料可以在到达传感器之前迫使入射光来回反射几次。这些内部反射延长了光的传播路径,而不增加体积,提高了装备的分辨率。

这些装备进行了高光谱成像,从堆叠投影的快照中分辨出两幅不同的图象(数字5和数字9),这两幅图像结合在一起构成肉眼没法分辨的东西。

现在,研究小组希望能提高该装备的光谱分辨率,以及它捕获的图象的清晰度和清晰度。这些改进可以为更高性能的传感器铺平道路。

来源:https://phys.org/news/2019-04-pin-sized-sensor-chemical-id-smartphone-sized.html

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