一種基於衍射孔陣列的微型光譜儀的製作方法
2023-04-25 05:57:41
專利名稱：一種基於衍射孔陣列的微型光譜儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光譜儀，尤其涉及一種基於衍射孔陣列的微型光譜儀，屬於光譜測量技術領域。
背景技術：
光譜儀作為一種研究物質的光譜信息的測量儀器，隨著科技的飛速發展，其應用範圍也越來越廣。傳統光譜儀存在眾多缺陷，如傅立葉光譜儀體積大，對振動敏感，不適合便攜實時測量；而光柵衍射型光譜儀解析度不高，價格也不菲。一篇中國專利公開了一種衍射孔陣列結構微型光譜儀(名稱為「衍射孔陣列結構微型光譜儀及其高解析度復原方法」，公開號為CN102564586A，
公開日為2012年7月11日)。該微型光譜儀包括
一層基底，採用透明材料製作；
一個構建在基底上表面的擋光層中的衍射孔二維陣列，該擋光層由不透明材料製成，該衍射孔二維陣列中的各個孔的孔徑大小不等，孔徑尺寸與入射光波長接近，各個衍射孔的深度相同且都等於擋光層厚度；
基底下方設有探測陣列晶片，該探測陣列晶片採用電荷耦合元件CCD或者互補金屬氧化物半導體元件CMOS，每一個衍射孔的正下方都對應設置探測陣列晶片中的一個像素元，這些像素元經過校準後，能確保相同波長、相同功率的光入射到這些像素元時，各像素元輸出的數據相同；
基底和探測陣列晶片有兩種設計，一是在探測陣列晶片和基底間設有遮光板以遮住各像素元的大部分面積，以提高器件靈敏度；該遮光板由不透明材料製成，在衍射孔中心正下方的遮光板上留有一系列孔徑相同的透光小孔，每個透光小孔下對應設置一個像素元，採集數據時僅取透光小孔下像素元的數據；二是不設遮光板，但是在採集數據時僅取衍射孔中心正下方的像素元的數據；
在衍射孔二維陣列上方設有兩個共焦的透鏡，在兩個共焦的透鏡之間的焦點處的遮光板中有一個小孔，該裝置用以準直入射光；
一組計算分析部件，用來分析和計算探測陣列晶片採集到的數據以進行光譜復原。根據衍射孔的數量將探測陣列晶片所能探測的波長或頻率範圍均勻劃分成η份，每一份取其中心波長或中心頻率；事先測得探測陣列晶片中各個衍射孔正下方的各個像素元對各個中心波長或中心頻率光的探測率，該探測率是一個比值，其分子是其中一個中心波長或中心頻率光被另一個像素元探測到的功率，分母是入射到衍射孔陣列之前該波長或頻率光功率。入射光經過衍射孔陣列後會發生衍射，成像陣列晶片中位於各個衍射孔正下方的像素元會接收到相應的衍射光功率；將不同像素元對不同中心波長或中心頻率光的探測率、各個像素元所接收到相應的衍射光功率以及入射光中各中心波長或中心頻率所對應的光譜功率分別作為係數矩陣、增廣矩陣和未知數矩陣組成一個線性方程組，採用Tikhonov正則化方法求解該線性方程組，就可以得到入射光各中心波長或中心頻率對應的歸一化光譜功率，然後將這些光譜功率值進行線性擬合併經光譜輻射定標，得到入射光的光譜，即完成高解析度光譜復原。該光譜儀的核心部件為構建在CCD或CMOS探測陣列晶片之上的衍射孔二維陣列，待測光入射後，通過測量每個衍射孔正下方所對應像素元的衍射光功率，並利用求解大型線性方程組的方法復原光譜。該微型光譜儀具有抗幹擾能力強、解析度高、測量範圍廣，以及製作成本低等優點。然而，上述衍射孔陣列結構微型光譜儀要求「每一個衍射孔的正下方都對應設置探測陣列晶片中的一個像素元」，要滿足此要求，一方面，由於現有CXD或CMOS探測器的探測陣列包含大量的像素元，因此需要製作的衍射孔數量過多；另一方面，現有的CXD或CMOS探測器的探測陣列前通常設置有透明的防護玻璃，而實際的器件製作中拆卸探測像元前的防護玻璃很容易造成探測陣列損壞，更嚴重的是去除防護後空氣中的灰塵和雜質將對探測陣列性能產生影響，並最終影響光譜復原效果。因此該光譜儀在實際做製作中存在很大困難。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於克服現有衍射孔陣列結構微型光譜儀實際製作困難的不足，提供一種基於衍射孔陣列的微型光譜儀，在保證與現有衍射孔陣列結構微型光譜儀性能相當的前提下，更易於加工，製作成本更低。本發明的基於衍射孔陣列的微型光譜儀，沿入射光方向依次包括
入射光準直裝置；
一層基底，採用透明材料製作；
一個構建在所述基底其中一個表面上的擋光層中的衍射孔二維陣列，所述擋光層由不透明材料製作，所述衍射孔二維陣列包括一系列具有不同孔徑尺寸的衍射孔，且各衍射孔孔徑尺寸與入射光波長接近，各衍射孔的深度與擋光層厚度相同；
包括多個探測像素元的探測陣列晶片，所述探測陣列晶片的探測信號輸出端與一計算分析部件連接；
所述衍射孔二維陣列中各個衍射孔與所述探測陣列晶片中的探測像素元的位置非
--對應。優選地，所述探測陣列晶片上表面安裝有一層透明的防護玻璃，所述防護玻璃的上表面與所述衍射孔二維陣列相接觸。優選地，所述衍射孔二維陣列中的衍射孔按照以下方式排布小孔布置在中間而大孔布置在四周。優選地，所述入射光準直裝置包括兩個共焦的透鏡以及設置在兩個透鏡共焦平面上的遮光板，遮光板上對應於兩個透鏡之間的共同焦點處設置有一透光孔。相比現有技術，本發明的基於衍射孔陣列的微型光譜儀不需要滿足每個衍射孔正下方均精確對應設置一個探測陣列晶片像素元的要求，從而大幅降低了製作難度，利於實現批量生產；並進一步考慮到直接採用市面上帶有防護玻璃的探測器時，基底厚度可能對檢測精度產生的影響，採用衍射孔陣列倒置的方式，即將衍射孔二維陣列直接置於防護玻璃上表面，在保證檢測精度的前提下進一步降低了生產成本。
圖I為本發明的微型光譜儀的立體結構示意圖2為本發明微型光譜儀除去入射光準直裝置外其它部分的俯視圖中各標號含義如下
I、衍射孔，2、擋光層，3、基底，4、探測陣列晶片防護玻璃，5、探測陣列晶片，6、透鏡，7、小孔。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明
本發明的基於衍射孔陣列的微型光譜儀，沿入射光方向依次包括入射光準直裝置；一層採用透明材料製作的基底；一個構建在所述基底其中一個表面上的擋光層中的衍射孔二維陣列，所述擋光層由不透明材料製作，所述衍射孔二維陣列包括一系列具有不同孔徑尺寸的衍射孔，且各衍射孔孔徑尺寸與入射光波長接近，各衍射孔的深度與擋光層厚度相同；包括多個探測像素元的探測陣列晶片，所述探測陣列晶片的探測信號輸出端與一計算分析部件連接；其中，衍射孔二維陣列中各個衍射孔與所述探測陣列晶片中的探測像素元的位置關係可以如文獻CN102564586A中的方案每一個衍射孔的正下方都對應設置探測陣列晶片中的一個像素元，但正如背景技術部分所述這樣會給製作帶來極大困難。通過大量試驗及理論分析發現，當衍射孔與像素元的位置關係非一一對應時，仍可得到同樣的檢測精度，且極大地降低了製作難度。這是由於光譜復原是採用文獻CN102564586A所述的求解大型線性方程組的方法，而求解大型方程組需要得到的方程組滿秩，也就是說需要各個探測器像素元採集到的光功率儘可能不同，這樣才能保證方程組的增廣矩陣中的元素儘可能不同。而由於每個衍射孔孔徑尺寸不同，通過這些孔的衍射光強度不一，因此在衍射孔與像素元位置一一對應的情況下，希望各像素元僅接收到來自於其對應衍射孔的光而避免接收其他衍射孔射出的光從而保證採集到的光功率大小不等。而實際上由於衍射效應，從各衍射孔射出的衍射光不可避免會射到多個像素元中；與此同時衍射孔與像素元的位置校準也相當困難。為了克服和避免這些問題，反過來利用各個衍射孔透射出的衍射光射到多個像素元這一特點，只需要保證每個探測器像素元採集到的光功率不盡相同，並不需要衍射孔與像素元位置上的一一對應，這樣各像素元接收到的光將是各衍射孔透射衍射光相互迭加的綜合結果。由於各衍射孔與各像素元的數量和位置都相對固定，所以對於一個製作完成的器件而言，各像素元對入射光各波長(或頻率)的接收係數是一個確定的值，可以事先通過實驗測得。因此，本發明中，所述衍射孔二維陣列中各個衍射孔與所述探測陣列晶片中的探測像素元的位置非一一對應。本發明的一個實施例如圖I、圖2所示，其中圖I為立體結構示意圖，圖2為除去入射光準直裝置外其它部分的俯視圖。如圖所示，包括一組衍射孔I的二維陣列構建在基底3表面擋光層2中，每個衍射孔I的孔徑各不相同，孔徑尺寸從數百納米到幾微米不等，衍射孔I的深度即擋光層2的厚度，衍射孔二維陣列中各個衍射孔I之間間隔三個像素元寬度。擋光層2可以設置在基底3的上表面，也可以在下表面。本實施例中直接採用市場上出售的封裝好的CCD或CMOS光探測器，在探測陣列晶片的上方安裝有透明的防護玻璃，為避免將基底厚度對最終結果產生的影響納入考量，本實施例中把該二維衍射孔陣列結構的元件倒置在探測陣列晶片5的透明防護玻璃4上，該玻璃4正下方即為探測陣列晶片5。本發明的衍射孔二維陣列中衍射孔可有序排列也可無序排列，本實施例中每九個像素元上方布置一個衍射孔1，衍射孔I的個數為100個，其尺寸變化範圍從數百納米到幾個微米。衍射孔I按其孔徑尺寸大小以一定方式排布，考慮到衍射效應，各探測陣列晶片5中的各像元接收到的光功率實為各個衍射孔I產生衍射光的綜合結果，因此將小孔布置在中間而大孔布置在四周以保證各個像素元獲得的衍射光功率大小不同。由於採用衍射的方法，且探測陣列晶片的像素元與衍射孔I之間的距離相對孔徑尺寸較遠，透過衍射孔陣列的光將照射在下方探測陣列晶片的大量像素元之上，因此即使製作較少數量的衍射孔I也能獲得足夠多的數據以進行光譜復原，故而衍射孔陣列的長度在幾百個微米之內，整個衍射孔陣列的橫截面積將小於一個平方毫米。上述基底3材料為透明材料，可使用聚合物材料，可採用旋塗方法製備。擋光層2為不透光材料，可使用金屬鉻，可採用蒸鍍方法製作。衍射孔I的製作可採用離子刻蝕的方法，即用離子發生器發出的離子束聚焦在擋光層2表面，通過精密控制離子束的作用位置和時間來進行刻蝕，另外光刻也是可選方法之一。本實施例中的入射光準直裝置，如圖I所示，包括設置在衍射孔二維陣列上的兩個共焦的透鏡6，以及設置在兩個透鏡6共焦平面上的遮光板，遮光板上對應於兩個透鏡6之間的共同焦點處設置有一小孔7。入射光經過準直後照射到基底3上，透過透明基底3到達衍射孔I時發生衍射，這些衍射光繼續傳播到達探測陣列晶片5的各個像素元。由於各個衍射孔I的尺寸不一，由此所產生的衍射光強也不相同，而探測陣列晶片5中任一像素元所接受到的衍射光強是各個衍射孔I所產生衍射光的綜合結果，因此探測陣列晶片5的各像素元將測得一系列大小不等的衍射光功率。計算分析部件採集這些光功率數據作為方程組的增廣矩陣，前期利用單色儀選擇不同頻率的光分別照射在衍射孔陣列，測量各像素元所得某一頻率光功率，將該功率與該頻率入射光照射在衍射孔陣列之前的功率的比值作為方程組的係數矩陣，入射光各頻率的光功率作為未知數，採用高解析度復原方法解方程並進行數據處理將最終得到入射光的光譜。本發明的光譜復原方法與文獻CN102564586A中類似，此處不再贅述。
權利要求
1.一種基於衍射孔陣列的微型光譜儀，沿入射光方向依次包括 入射光準直裝置； 一層基底，採用透明材料製作； 一個構建在所述基底其中一個表面上的擋光層中的衍射孔二維陣列，所述擋光層由不透明材料製作，所述衍射孔二維陣列包括一系列具有不同孔徑尺寸的衍射孔，且各衍射孔孔徑尺寸與入射光波長接近，各衍射孔的深度與擋光層厚度相同； 包括多個探測像素元的探測陣列晶片，所述探測陣列晶片的探測信號輸出端與一計算分析部件連接； 其特徵在於，所述衍射孔二維陣列中各個衍射孔與所述探測陣列晶片中的探測像素元的位置非一一對應。
2.如權利要求I所述基於衍射孔陣列的微型光譜儀，其特徵在於，所述探測陣列晶片上表面安裝有一層透明的防護玻璃，所述防護玻璃的上表面與所述衍射孔二維陣列相接觸。
3.如權利要求I所述基於衍射孔陣列的微型光譜儀，其特徵在於，所述衍射孔二維陣列中的衍射孔按照以下方式排布小孔布置在中間而大孔布置在四周。
4.如權利要求I所述基於衍射孔陣列的微型光譜儀，其特徵在於，所述入射光準直裝置包括兩個共焦的透鏡以及設置在兩個透鏡共焦平面上的遮光板，遮光板上對應於兩個透鏡之間的共同焦點處設置有一透光孔。
5.如權利要求I所述基於衍射孔陣列的微型光譜儀，其特徵在於，所述探測陣列晶片為CXD或CMOS探測陣列晶片。
全文摘要
本發明公開了一種基於衍射孔陣列的微型光譜儀，沿入射光方向依次包括入射光準直裝置；一層基底，採用透明材料製作；一個構建在所述基底其中一個表面上的擋光層中的衍射孔二維陣列，所述擋光層由不透明材料製作，所述衍射孔二維陣列包括一系列具有不同孔徑尺寸的衍射孔，且各衍射孔孔徑尺寸與入射光波長接近，各衍射孔的深度與擋光層厚度相同；包括多個探測像素元的探測陣列晶片，所述探測陣列晶片的探測信號輸出端與一計算分析部件連接；所述衍射孔二維陣列中各個衍射孔與所述探測陣列晶片中的探測像素元的位置非一一對應。本發明在保證與現有衍射孔陣列結構微型光譜儀性能相當的前提下，更易於加工，製作成本更低。
文檔編號G01J3/28GK102928079SQ20121039163
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月16日 優先權日2012年10月16日
發明者楊濤, 李興鰲, 何浩培, 黃維, 周源, 李偉 申請人:南京郵電大學