小型紅外光柵光譜儀的製作方法
2023-08-05 01:52:06
小型紅外光柵光譜儀的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種小型紅外光柵光譜儀，包括光輸入單元、平板波導結構、小型光柵分光模塊，線陣探測器；平板波導結構包括平行放置的上波導板和下波導板，上、下波導板的反射面相對而立，從而在反射面之間形成光通道，使來自光輸入單元的光線在通道內傳播；在平行於平板的方向上，光經過準直、色散、會聚後，形成光譜像，被探測器接收，而在垂直於平板的方向上，光線在上下平板反射鏡間反射，而被限制在波導薄層中；因此，相應的準直、色散以及會聚光學元件在垂直方向上的尺寸就可以很小，從而整個光學系統的尺寸有顯著縮減。本發明中所用光學元件對加工技術要求不高，可以降低生產成本。
【專利說明】小型紅外光柵光譜儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及小型光譜儀領域，具體是一種讓光在波導之中傳播以減小儀器尺寸的小型紅外光柵光譜儀。
【背景技術】
[0002]紅外光譜分析和探測技術在現代科學試驗、醫學及醫藥研究、工農業生產、國防安全、環境監測等領域得到廣泛的應用。在這些應用中，對儀器小型化的需求日益增長。小型化意味著更強的使用靈活性，更好的環境適應性，以及更低的生產成本。
[0003]小型化光譜儀器的工作原理與傳統的光譜儀器相同。如附圖1所示，乃是一種傳統光柵光譜儀的結構，具體是交叉非對稱式Czerny-Turner結構。光線經過狹縫11在自由空間中以一定發散角射向準直鏡12。準直鏡12將光轉變成平行光射向平面光柵13。經平面光柵13分光後的光由成像鏡14會聚後，射向探測器15以檢測不同波長的光強度的大小，產生對應的光譜圖。傳統的光譜儀很容易因為自由空間傳播和過長的光程，而造成儀器體積龐大，制約了其在更多領域中的應用。
[0004]光譜儀小型化通常是使用微小型光學元件來實現。如Ocean Optics公司的微型光纖光譜儀，其產品的性能良好、系列化程度高，佔有很高的市場份額。Ocean Optics公司的USB4000體積小巧,採用交叉非對稱式的Czerny-Turner結構，工作波長範圍可覆蓋200-1100nm，外形尺寸89.1mm X 63.3mm X 34.4mm。在此類光譜儀器小型化設計中，光仍然是在自由空間傳播，那麼儀器尺寸的縮小主要通過減小光學元件有效工作孔徑來實現，必然以犧牲工作性能為代價，使解析度、信噪比等技術指標下降。
[0005]波導技術和微納加工技術能很好的實現光譜儀器的小型化，同時又不降低系統性能。如在 C.J.Moran-1glesias, A.Last, J.Mohr, 「 Improved gratingmicrospectrometer」，Proc.0f SPIE, Vol.5962，596225，2005 中討論的微型光柵光譜儀，光學系統包含波導結構，光學元件使用LIGA (德語Lithographie, Galvanoformung,Abformung，微納加工技術的一種)技術製作。該微型光柵光譜儀的光學系統包含入射光纖、凹面光柵、探測器及平板波導。入射光纖、凹面光柵、探測器組成分光模塊，光線由入射光纖引入，經凹面光柵分光會聚後成像在探測器上，供後續電路採集分析。在垂直於平板波導的方向上，光線被限制在波導內傳播，因此光學元件在這個方向上的尺寸與波導的厚度相等。該微型光譜儀的平板波導為中空波導，上下為平行的鍍金反射面。光學系統尺寸45mm X20mm,波導厚度750 μ m,儀器整體尺寸54mm X 36mm X 6mm。可用探測器有兩種:可見和紅外探測器，其中可見探測器採用256像元的矽探測器陣列，像元寬25 μ m，高500 μ m。使用可見探測器時，系統的光譜範圍是300-900nm，光譜解析度是4.5-5.5nm。由于波導的厚度大於探測器的高度，所以需採用柱面鏡來會聚光線，使其落在探測器像元內。該儀器中的凹面光柵為柱面光柵，高度為750 μ m,採用LIGA技術製作。對於高度高於750 μ m的光柵，很難用LIGA技術製作了，因為高度太高時面型就會不平整，會導致光柵性能急劇下降。
[0006]平板波導的厚度要大於或等於探測器像元高度，光學系統中主要光學元件的高度要等于波導厚度。紅外探測器的像元的高度常有0.5mm、l.0mm、l.5mm、2.0mm,大部分高度大於1_。對於像元高度大於1_的探測器，波導厚度、光學元件高度也要大於1_，很難用LIGA技術製作。毫米級的光學元件用常規加工技術就可以加工，因此可以考慮在平板波導間放置由微小型光學元件組成的分光模塊。由於柱面光柵也很難用機械刻劃製作，而平面光柵則容易得多，所以使用易於加工的基於平面光柵的小型分光模塊。在平板波導間放置由微小型光學元件組成的平面光柵分光模塊，不僅可以減小儀器體積，同時不降低儀器性能，而且加工的難度和成本也相對較低。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是為了解決小型化導致儀器性能降低的問題，而提出一種基於平板波導的小型紅外光柵光譜儀。平板波導由兩塊平板反射鏡組成，光被限制在平板波導結構中傳播。在平行於平板的方向上，光經過準直、色散、會聚後，形成光譜像，被探測器接收。而在垂直於平板的方向上，光線在上下平板反射鏡間反射，而被限制在波導薄層中。因此，相應的準直、色散以及會聚光學元件在垂直方向上的尺寸就可以很小，從而整個光學系統的尺寸有顯著縮減。
[0008]本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
[0009]一種小型紅外光柵光譜儀，其特徵在於:包括光輸入單元、平板波導結構、小型光柵分光模塊，線陣探測器；
所述的光輸入單元接收外界光信號並將該光信號出射到該光譜儀內部；
所述的平板波導結構包括平行放置的下波導板和上波導板，下波導板有一反射面，上波導板也有一反射面與下波導反射面相對而立，間隔大於線陣探測器光敏面高度，從而在反射面之間形成光通道，使來自光輸入單元的光信號在通道內傳播；
所述的小型光柵分光模塊置於上、下波導板間，包括前柱面透鏡、柱面準直反射鏡、平面光柵、柱面成像反射鏡、後柱面透鏡，前柱面透鏡、光輸入單元安裝在前柱面透鏡固定裝置上，在平行於上、下波導板的方向上，柱面準直反射鏡將光輸入單元出射的光信號準直並出射到平面光柵，平面光柵將光信號分離為多個光譜分量並由柱面成像反射鏡成像，供後端的線陣探測器接收使用，前柱面透鏡置於光輸入單元和柱面準直反射鏡間，用於減小光線在波導間的反射次數，並提高成像質量，後柱面透鏡置於柱面成像反射鏡和線陣探測器之間，用於壓縮光束以匹配線陣探測器光敏面尺寸；
所述的線陣探測器為非製冷紅外線陣探測器。
[0010]所述的一種小型紅外光柵光譜儀，其特徵在於:所述的光輸入單元為一個狹縫或一條輸入光纖，用於將光線引入光譜儀內部。
[0011]所述的一種小型紅外光柵光譜儀，其特徵在於:所述的上、下波導板的反射面鍍有聞反月旲。
[0012]所述的一種小型紅外光柵光譜儀，其特徵在於:所述的高反膜為金膜，以提高反射率。
[0013]所述的一種小型紅外光柵光譜儀，其特徵在於:所述的平面光柵為平面刻劃閃耀光柵。對於紅外光柵而言，其等效刻線數一般較低，使用平面刻劃閃耀光柵有利於提高衍射效率。[0014]所述的一種小型紅外光柵光譜儀，其特徵在於:還包括一組光纖，置於線陣探測器前，用於選擇進入線陣探測器的光的波長。
[0015]該光譜儀的前、後柱面透鏡材料包含ZnSe或Ge。
[0016]本發明的有益效果在於:
本發明的兩塊平板反射鏡構成平板波導結構，光被限制在平板波導結構中傳播，在平行於平板的方向上，光經過準直、色散、會聚後，形成光譜像，被探測器接收；而在垂直於平板的方向上，光線在上下平板反射鏡間反射，而被限制在波導薄層中；因此，相應的準直、色散以及會聚光學元件在垂直方向上的尺寸就可以很小，從而整個光學系統的尺寸有顯著縮減。
[0017]光學系統在垂直方向上尺寸的縮減並沒有截斷入射光束，沒有減少光通量，也沒有減小相關光學元件有效的工作尺寸，例如，沒有減少光柵寬度，即總線數，因此不會對光譜儀的性能產生影響，而且該光譜儀中所用光學元件對加工技術要求不高，從而降低成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是一種傳統光柵光譜儀的結構示意圖。
[0019]圖2是本發明小型紅外光柵光譜儀的結構示意圖。
[0020]圖3是光線在波導內的傳播示意圖。
[0021]圖4是狹縫片結構示意圖。
[0022]圖5是沒有柱面透鏡時，狹縫中心點光源在像面上的彌散斑示意圖。其中左邊為12 μ m,中間為10 μ m,右邊為8 μ m。
[0023]圖6是有前柱面透鏡時，狹縫中心點光源在像面上的彌散斑示意圖。其中左邊為12 μ m,中間為10 μ m,右邊為8 μ m。
[0024]圖7是有前、後柱面透鏡時，狹縫中心點光源在像面上的彌散斑示意圖。其中左邊為12 μ m,中間為10 μ m,右邊為8 μ m。
[0025]圖8是實施例1的光學系統的仿真結果示意圖。其中狹縫為彎曲狹縫，波長從左到右分別為 12.08 μ m、12 μ m、10.08 μ m、10 μ m、8.08 μ m、8 μ m。
[0026]圖中標號:I為光輸入單元，2為柱面準直反射鏡，3為平面刻劃光柵，4為柱面成像反射鏡，5為後柱面透鏡，6為線陣探測器，7為下波導板，8為上波導板，9為前柱面透鏡，10為狹縫及前柱面透鏡固定裝置，11為狹縫，12為準直鏡，13為平面光柵，14為成像鏡，15為探測器陣列，20和21為入射光線，22和23為無透鏡時波導內的光線，24和25為有透鏡時波導內的光線，31為狹縫片，32為彎曲狹縫。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0028]本發明的基本思想是利用平板波導實現光譜儀的小型化。
[0029]附圖1是一種傳統光柵光譜儀的結構，為交叉非對稱式Czerny-Turner結構。Ocean Optics公司的USB4000採用的就是這種結構。光由狹縫11進入光譜儀，經準直鏡12準直後入射到平面光柵13上，平面光柵13將光分成不同波長的平行光，成像鏡14將不同波長的平行光會聚在探測器陣列15的不同像元上，經採集電路採集後形成光譜圖。光在自由空間傳播，因此準直鏡的孔徑為圓形，一般為球面反射鏡。為了更好的校正像散，成像鏡可採用超環面反射鏡。儀器的體積較大，小型化會主要通過減小光學元件有效工作孔徑來實現，會降低儀器的性能。
[0030]附圖2是本發明第一實施例的小型紅外光柵光譜儀的立體分解圖，而附圖3是光線在附圖2的平板波導中傳播的示意圖。小型紅外光柵光譜儀包括光輸入單元、平板波導結構、小型光柵分光模塊，線陣探測器。
[0031]小型光譜儀的光學結構中的光輸入單元I是用來接收光學信號。平板波導結構包括平行放置的下波導板7和上波導板8，上、下波導板的反射面相對而立，間隔大於線陣探測器6光敏面的高度，從而在反射面之間形成光通道，使來自光輸入單元I的光線在通道內傳播，如附圖3所示，其中20和21為入射光線，22和23為無透鏡時波導內的光線，24和25為有透鏡時波導內的光線。上、下波導板間形成的光通道一般為中空波導，光線在反射鏡間是鏡面反射，有別於介質波導——光線在介質中傳播所採用的是全反射原理。本發明是將光線限制在這些反射面間反覆反射而向前傳播，但亦可使用適當的介質(例如玻璃、塑料、或晶體等)形成介質波導供光信號傳播。小型光柵分光模塊置於上、下波導板間，包括前柱面透鏡9、柱面準直反射鏡2、平面光柵3、柱面成像反射鏡4、後柱面透鏡5，前柱面透鏡9、光輸入單元I安裝在前柱面透鏡固定裝置10上，在平行于波導板的方向上，準直鏡2將光輸入單元I出射的光信號準直並出射到平面光柵3，平面光柵3將光信號分離為多個光譜分量並經由柱面成像反射鏡4成像，供該光譜儀後端的線陣探測器6接收使用，前柱面透鏡置9於光輸入單元I和柱面準直反射鏡2間，用於減小光線在波導間的反射次數，並提高成像質量，後柱面透鏡5置於柱面成像反射鏡4和線陣探測器6之間，用於壓縮光束以匹配線陣探測器光敏面尺寸。線陣探測器為非製冷紅外線陣探測器。
[0032]上述光學結構中下波導板7與上波導板8必須具有良好的平整度與反射率，才可使光中國在上、下波導板之間行進時，達到最低的損耗與最佳的聚焦效果。因此，下波導板7及上波導板8的材質最好是不鏽鋼、矽晶片、玻璃。此外，如果下波導板7及上波導板8所使用的材料反射率未達所需的標準，可在反射面上鍍上一層高反射膜以解決此問題，較佳地高反射膜為金膜。
[0033]上述的光輸入單元例如包含狹縫片31，狹縫片31具有狹縫32。光線斜入射光柵會導致譜線彎曲，因此最好使用彎曲狹縫以校正譜線彎曲，如附圖4所示。
[0034]由於平板波導只是利用反射來壓縮光線，而不是使光線變成平行光，因此狹縫處點光源發出的光線絕大部分是斜入射平面光柵。與譜線彎曲的原理相似，斜入射光線最終會造成彌散斑在色散方向上尺寸增大，導致光譜解析度降低，如附圖5所示。因此需要添加柱面透鏡來減小光線的入射角，達到近似準直的效果，柱面透鏡放置在狹縫後效果最好。如前柱面透鏡9，不僅能減少光線在波導內的反射次數，提高光學效率，還能提高成像質量，如附圖6所示。由於平板波導厚度大於探測器光敏面高度，需要增加柱面透鏡對光線進行會聚。後柱面透鏡5位於探測器前，對來自成像鏡4的光線進行會聚，以匹配光敏面高度，提高信號強度，如附圖7所示。
[0035]狹縫32的寬度例如約為0.4mm,高度例如約為1mm，而下波導板與上波導板的間距例如約為4至8_。下波導板與上波導板的局部最高點與局部最低點的高度差例如為十分之一波長至三十分之一波長左右，以達到高平整度的要求，而下波導板與上波導板的反射率則例如為99%。從狹縫片31至準直鏡2的距離例如為100mm，從準直鏡2到光柵3的距離例如為90mm，從光柵3到成像鏡4的距離例如為84mm，從成像鏡4到線陣探測器6的距離例如為106mm，從狹縫片31到前柱面透鏡9的距離例如為6mm，從後柱面透鏡5到線陣探測器6的距離例如為8mm。準直鏡2入射主光線與出射主光線的夾角例如為24度，光柵3入射主光線與出射主光線的夾角例如為37度，成像鏡4入射主光線與出射主光線的夾角例如為36度，探測器6光敏面與主光軸夾角為89度。光柵的刻線數例如為50刻線/mm，前柱面透鏡和後柱面透鏡例如為ZnSe平凸透鏡，線陣探測器例如為64元熱電堆探測器，光敏面尺寸寬0.45mm高1.5mm,間隔0.5mm。光學系統如附圖2所示，光譜範圍例如為8 — 12 μ m，光譜解析度例如為80納米，如附圖8所示。
[0036]本實施例的小型紅外光柵光譜儀與附圖1所示的傳統光柵光譜儀相比，傳統光柵光譜儀的光線在自由空間中傳播，很可能有發散而造成信噪比下降，而且傳統光柵光譜儀佔用的體積較大。通過使光線於平板波導內傳播，可以減小儀器體積，同時不降低儀器性倉泛。
[0037]以上結合附圖對本發明的【具體實施方式】作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的範圍，本發明的保護範圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種小型紅外光柵光譜儀，其特徵在於:包括光輸入單元、平板波導結構、小型光柵分光模塊，線陣探測器； 所述的光輸入單元接收外界光信號並將該光信號出射到該光譜儀內部； 所述的平板波導結構包括平行放置的下波導板和上波導板，下波導板有一反射面，上波導板也有一反射面與下波導反射面相對而立，間隔大於線陣探測器光敏面高度，從而在反射面之間形成光通道，使來自光輸入單元的光信號在通道內傳播； 所述的小型光柵分光模塊置於上、下波導板間，包括前柱面透鏡、柱面準直反射鏡、平面光柵、柱面成像反射鏡、後柱面透鏡，前柱面透鏡、光輸入單元安裝在前柱面透鏡固定裝置上，在平行於上、下波導板的方向上，柱面準直反射鏡將光輸入單元出射的光信號準直並出射到平面光柵，平面光柵將光信號分離為多個光譜分量並由柱面成像反射鏡成像，供後端的線陣探測器接收使用，前柱面透鏡置於光輸入單元和柱面準直反射鏡間，後柱面透鏡置於柱面成像反射鏡和線陣探測器之間； 所述的線陣探測器為非製冷紅外線陣探測器。
2.根據權利要求1所述的一種小型紅外光柵光譜儀，其特徵在於:所述的光輸入單元為一個狹縫或一條輸入光纖。
3.根據權利要求1所述的一種小型紅外光柵光譜儀，其特徵在於:所述的上、下波導板的反射面鍍有高反膜。
4.根據權利要求3所述的一種小型紅外光柵光譜儀，其特徵在於:所述的高反膜為金膜。
5.根據權利要求1所述的一種小型紅外光柵光譜儀，其特徵在於:所述的平面光柵為平面刻劃閃耀光柵。
6.根據權利要求1所述的一種小型紅外光柵光譜儀，其特徵在於:還包括一組光纖，置於線陣探測器前，用於選擇進入線陣探測器的光的波長。
【文檔編號】G01J3/28GK103557939SQ201310444748
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年9月26日 優先權日:2013年9月26日
【發明者】李揚裕, 李大成, 方勇華, 劉洋, 崔方曉, 趙彥東 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所