基於菲涅爾波帶片的微光譜分析方法及器件的製作方法
2023-05-17 02:58:16
專利名稱：基於菲涅爾波帶片的微光譜分析方法及器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於菲涅爾波帶片的微光譜分析方法與器件，更具體的說，本發明是 利用菲涅爾波帶片的軸向分光，實現對光譜的分析。
背景技術：
隨著MEMS (微機電系統)技術和微光學器件與系統技術的不斷發展和成熟，許多微 型光學元器件都廣泛應用於各種儀器，如數字微鏡器件(DMD)、光柵光閥(GLV)等，使儀
器越來越趨於微型化，並在商業應用中已經取得巨大成功。
在微型光譜分析儀器領域，國外雖然有相應的產品，但都存在一定的缺點與不足。如 德國的SteagMicr叩arts公司的指上光譜儀，採用凹面光柵，由於光柵上真正有效的衍射面 積較小使得光能利用率低，且加工難度大。美國的Ocean Optic公司的掌上光線光譜儀，未 改變傳統光譜儀器結構，光學元件較多結構複雜。此外還有採用數字微鏡技術，但加工工 藝複雜，良品率低下，可重複性差。在國內的文獻中，目前未發現有使用菲涅爾波帶片作 為分光元件的微光譜分析器件。
發明內容
針對目前微型光譜分析器件存在的不足與缺點，本發明提出了一種新型的基於菲涅爾 波帶片分光的微光譜分析器件及方法。
本發明通過以下技術方案來實現
一種基於菲涅爾波帶片的微光譜分析方法，所述方法是利用菲涅爾波帶片的軸向分光特 性，在軸向上探測不同波長入射光強，實現光譜分析探測。方法採用由菲涅爾波帶片構成 的軸向分光元件作為上層可動分光結構，採用靜態單個光電探測單元和驅動電路作為下層 靜態探測及有源驅動結構，兩層結構之間由一個橋式支撐結構連接；先將光信號入射到上 菲涅爾波帶片，使光信號被聚焦到下層的光電探測單元；驅動電路輸出掃描電壓信號，驅 動橋式支撐結構，從而對上層菲涅爾波帶片做縱向下拉；由于波帶片的分光特性，不同波
3長的聚焦點依次落在光電探測單元上，然後不同波長的光信號被轉換成電信號，再經信號 處理電路對信號進行採樣，採樣點位於每個波長的聚焦時刻，並與驅動信號時序相匹配， 以區分不同下拉電壓對應的波長信號；最後經後續的信號處理及算法解析，便獲得入射光
的光譜。
依據以上方法，本發明進一步提出了一種基於菲涅爾波帶片的的微光譜分析器件，其 包括上層可動分光結構和下層靜態探測及有源驅動結構，兩層結構之間由一個橋式支撐結 構連接；所述上層可動分光結構是由菲涅爾波帶片構成的軸向分光元件，所述菲涅爾波帶 片的焦點恰好位於下層結構的光電探測單元上，即所述菲涅爾波帶片可將入射光束匯聚於 下層結構的光電探測單元處；所述下層靜態探測及有源驅動結構是由在矽基上集成單個光 電探測單元和驅動電路組成，光電探測單元將由上層菲涅爾波帶片匯聚的光強信號轉換為 電信號，驅動電路與橋式支撐結構在電學上相連接，輸出不同的電壓掃描信號，採用靜電 驅動方式控制橋式支撐結構縱向運動，從而上下拉動菲涅爾波帶片。
本發明可採用透射式的軸向分光光路，避免通常由反射或衍射帶來的光能損耗，因此可 以提高探測光強，並且可大大縮短光路，器件結構將更加緊湊，集成度更高；從而將實現 晶片級的光譜分析。
該發明主要利用菲涅爾波帶片的軸向分光色散特性，即菲涅爾波帶片對光有聚焦作用，
其焦距與波長存在/=±1
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義 4
的關係，其中n為折射率，R0為中心帶半徑，X為波長c
由此可見不同波長的光將在光軸上匯聚於不同焦點，即實現軸向的分光。基於此原理設計 的軸向光譜分析探測，可以大大縮短光路，使得器件結構更加緊湊，集成度更高，體積更 微小。同時，採用MEMS技術和光學微細加工技術使得基於菲涅爾波帶片的微光譜分析器 件更加具有微型化的前景，進而可發展為晶片級的光譜分析儀。
圖1為一種結構形式的基於菲涅爾波帶片的微光譜分析器件的剖面結構圖； 圖2為上述結構形式的基於菲涅爾波帶片的微光譜分析器件的俯視結構圖 圖3為上述結構形式的基於菲涅爾波帶片的微光譜分析器件的側視結構圖 圖中，l菲涅爾波帶片；2支撐柱；3橋式支撐結構；4通孔；5矽基底；6光電探測單 元；7驅動電路單元和底電極
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明
基於菲涅爾波帶片的微光譜分析器件的加工工藝通過如下來實現首先，釆用CMOS 工藝在矽片基底上加工驅動電路單元和底電極7,澱積絕緣層，同時集成半導體單個光電
探測單元6。通過矽微加工技術製作橋式支撐結構3，並與下層的驅動電路單元和底電極7 在電學上相連接，在橋式支撐結構3上利用光學微細加工技術製作菲涅爾波帶片1並有支 撐柱2實現兩端橋式支撐；且菲涅爾波帶片1的焦點恰好位於光電探測單元6上。這樣就 可實現下層驅動電路單元7對橋式支撐結構3的靜電驅動控制，從而實現分光結構即菲涅 爾波帶片1縱向可動。
當器件工作時，入射光線經過菲涅爾波帶片1後，光線透過橋式支撐結構3上的通孔4 向下聚焦，不同波長光聚焦點在軸向分離；再由下層驅動電路單元和底電極7輸出信號， 通過靜電驅動方式驅動橋式支撐結構3，帶動下拉菲涅爾波帶片1使得不同波長光的聚焦 點依次落在光電探測單元6上，光電探測單元6將不同德光強信號轉換為光譜電信號，再 經信號處理電路對信號進行採樣，採樣點位於每個波長的聚焦時刻，並與驅動信號相匹配； 最後經後續的信號處理及算法解析，便獲得入射光的光譜。
該發明可適於小範圍波段的光譜分析，具有體積小，重量輕，集成度高，使用便捷， 易批量化生產等特點，可作為晶片級的光譜分析儀，也可與其他軟硬體設備相集成共同構 成一個新的光譜分析系統，在醫療、衛生、安全等其他領域有應用前景。
以上採用實施例對本發明進行了描述。那些只有在本領域的技術人員閱讀了本公開文 件之後才變得一目了然的改進和修改，仍然屬於本申請的精神和範疇。
權利要求
1、一種基於菲涅爾波帶片的微光譜分析方法，所述方法是利用菲涅爾波帶片的軸向分光特性，在軸向上探測不同波長入射光強，實現光譜分析探測；其特徵在於，所述方法採用由菲涅爾波帶片構成的軸向分光元件作為上層可動分光結構，採用靜態單個光電探測單元和驅動電路作為下層靜態探測及有源驅動結構，兩層結構之間由一個橋式支撐結構連接；先將光信號入射到上菲涅爾波帶片，使光信號被聚焦到下層的光電探測單元；驅動電路輸出掃描電壓信號，驅動橋式支撐結構，從而對上層的菲涅爾波帶片做縱向下拉；由于波帶片的分光特性，不同波長的聚焦點依次落在光電探測單元上，然後不同波長的光信號被轉換成電信號，再經信號處理電路對信號進行採樣，採樣點位於每個波長的聚焦時刻，並與驅動信號相匹配；最後經後續的信號處理及算法解析，便獲得入射光的光譜。
2、 實現權利要求1所述方法的基於菲涅爾波帶片的微光譜分析器件，其包括上層可動 分光結構和下層靜態探測及有源驅動結構，兩層結構之間由一個橋式支撐結構連接其特 徵在於，所述上層可動分光結構是由菲涅爾波帶片構成的軸向分光元件，所述菲涅爾波帶 片的焦點恰好位於下層結構的光電探測單元上；所述下層靜態探測及有源驅動結構是由在 矽基上集成的靜態單個光電探測單元和驅動電路組成，光電探測單元將由上層菲涅爾波帶 片匯聚的光強信號轉換為電信號，驅動電路與橋式支撐結構在電學上相連接，輸出不同的 電壓掃描信號，採用靜電驅動方式控制橋式支撐結構縱向運動，從而上下拉動菲涅爾波帶 片。
3、 根據權利要求2所述的基於菲涅爾波帶片的微光譜分析器件，其特徵在於所述驅 動電路輸出的驅動電壓信號與光電探測單元輸出的信號時序上相匹配，以區分不同下拉電 壓對應的波長信號。
4、 根據權利要求2或3所述的基於菲涅爾波帶片的微光譜分析器件，其特徵在於所述橋式支撐結構中間有通孔，位於菲涅爾波帶片的正下方，通孔的大小使得通過菲涅爾波 帶片的匯聚光線全部或部分通過，起到光闌的作用。
全文摘要
本發明提出一種基於菲涅爾波帶片的微光譜分析方法及器件，利用菲涅爾波帶片的軸向分光特性，在軸向上探測不同波長入射光強，實現光譜分析探測。其由菲涅爾波帶片構成的軸向分光元件作為上層可動分光結構，用靜態單個光電探測單元和驅動電路作為下層靜態探測及有源驅動結構，兩層結構之間由橋式支撐結構連接。先將光信號入射到上菲涅爾波帶片，使其被聚焦到下層的光電探測單元；由驅動電路對菲涅爾波帶片做縱向下拉，使不同波長的聚焦點依次落在光電探測單元上，然後將光信號轉換成電信號，再經後續的信號處理及算法解析，獲得入射光光譜。本發明可以採用MEMS技術和光學微細加工技術實現，大大縮短光路，使得器件結構更加緊湊，集成度更高，體積更微小。
文檔編號G01J3/28GK101532879SQ200910103570
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月10日 優先權日2009年4月10日
發明者張智海, 溫志渝, 偉 王 申請人:重慶大學