CN102928079A

CN102928079A - 一种基于衍射孔阵列的微型光谱仪

Info

Publication number: CN102928079A
Application number: CN2012103916379A
Authority: CN
Inventors: 杨涛; 李兴鳌; 何浩培; 黄维; 周源; 李伟
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种基于衍射孔阵列的微型光谱仪，沿入射光方向依次包括：入射光准直装置；一层基底，采用透明材料制作；一个构建在所述基底其中一个表面上的挡光层中的衍射孔二维阵列，所述挡光层由不透明材料制作，所述衍射孔二维阵列包括一系列具有不同孔径尺寸的衍射孔，且各衍射孔孔径尺寸与入射光波长接近，各衍射孔的深度与挡光层厚度相同；包括多个探测像素元的探测阵列芯片，所述探测阵列芯片的探测信号输出端与一计算分析部件连接；所述衍射孔二维阵列中各个衍射孔与所述探测阵列芯片中的探测像素元的位置非一一对应。本发明在保证与现有衍射孔阵列结构微型光谱仪性能相当的前提下，更易于加工，制作成本更低。

Description

一种基于衍射孔阵列的微型光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光谱仪，尤其涉及一种基于衍射孔阵列的微型光谱仪，属于光谱测量技术领域。

背景技术

光谱仪作为一种研究物质的光谱信息的测量仪器，随着科技的飞速发展，其应用范围也越来越广。传统光谱仪存在众多缺陷，如傅里叶光谱仪体积大，对振动敏感，不适合便携实时测量；而光栅衍射型光谱仪分辨率不高，价格也不菲。

一篇中国专利公开了一种衍射孔阵列结构微型光谱仪（名称为“衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率复原方法”，公开号为CN102564586A，公开日为2012年7月11日）。该微型光谱仪包括：

一层基底，采用透明材料制作；

一个构建在基底上表面的挡光层中的衍射孔二维阵列，该挡光层由不透明材料制成，该衍射孔二维阵列中的各个孔的孔径大小不等，孔径尺寸与入射光波长接近，各个衍射孔的深度相同且都等于挡光层厚度；

基底下方设有探测阵列芯片，该探测阵列芯片采用电荷耦合元件CCD 或者互补金属氧化物半导体元件CMOS，每一个衍射孔的正下方都对应设置探测阵列芯片中的一个像素元，这些像素元经过校准后，能确保相同波长、相同功率的光入射到这些像素元时，各像素元输出的数据相同；

基底和探测阵列芯片有两种设计，一是在探测阵列芯片和基底间设有遮光板以遮住各像素元的大部分面积，以提高器件灵敏度；该遮光板由不透明材料制成，在衍射孔中心正下方的遮光板上留有一系列孔径相同的透光小孔，每个透光小孔下对应设置一个像素元，采集数据时仅取透光小孔下像素元的数据；二是不设遮光板，但是在采集数据时仅取衍射孔中心正下方的像素元的数据；

在衍射孔二维阵列上方设有两个共焦的透镜，在两个共焦的透镜之间的焦点处的遮光板中有一个小孔，该装置用以准直入射光；

一组计算分析部件，用来分析和计算探测阵列芯片采集到的数据以进行光谱复原。

根据衍射孔的数量将探测阵列芯片所能探测的波长或频率范围均匀划分成n 份，每一份取其中心波长或中心频率；事先测得探测阵列芯片中各个衍射孔正下方的各个像素元对各个中心波长或中心频率光的探测率，该探测率是一个比值，其分子是其中一个中心波长或中心频率光被另一个像素元探测到的功率，分母是入射到衍射孔阵列之前该波长或频率光功率。入射光经过衍射孔阵列后会发生衍射，成像阵列芯片中位于各个衍射孔正下方的像素元会接收到相应的衍射光功率；将不同像素元对不同中心波长或中心频率光的探测率、各个像素元所接收到相应的衍射光功率以及入射光中各中心波长或中心频率所对应的光谱功率分别作为系数矩阵、增广矩阵和未知数矩阵组成一个线性方程组，采用Tikhonov 正则化方法求解该线性方程组，就可以得到入射光各中心波长或中心频率对应的归一化光谱功率，然后将这些光谱功率值进行线性拟合并经光谱辐射定标，得到入射光的光谱，即完成高分辨率光谱复原。

该光谱仪的核心部件为构建在CCD或CMOS探测阵列芯片之上的衍射孔二维阵列，待测光入射后，通过测量每个衍射孔正下方所对应像素元的衍射光功率，并利用求解大型线性方程组的方法复原光谱。该微型光谱仪具有抗干扰能力强、分辨率高、测量范围广，以及制作成本低等优点。

然而，上述衍射孔阵列结构微型光谱仪要求“每一个衍射孔的正下方都对应设置探测阵列芯片中的一个像素元”，要满足此要求，一方面，由于现有CCD或CMOS探测器的探测阵列包含大量的像素元，因此需要制作的衍射孔数量过多；另一方面，现有的CCD或CMOS探测器的探测阵列前通常设置有透明的防护玻璃，而实际的器件制作中拆卸探测像元前的防护玻璃很容易造成探测阵列损坏，更严重的是去除防护后空气中的灰尘和杂质将对探测阵列性能产生影响，并最终影响光谱复原效果。因此该光谱仪在实际做制作中存在很大困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有衍射孔阵列结构微型光谱仪实际制作困难的不足，提供一种基于衍射孔阵列的微型光谱仪，在保证与现有衍射孔阵列结构微型光谱仪性能相当的前提下，更易于加工，制作成本更低。

本发明的基于衍射孔阵列的微型光谱仪，沿入射光方向依次包括：

入射光准直装置；

一层基底，采用透明材料制作；

一个构建在所述基底其中一个表面上的挡光层中的衍射孔二维阵列，所述挡光层由不透明材料制作，所述衍射孔二维阵列包括一系列具有不同孔径尺寸的衍射孔，且各衍射孔孔径尺寸与入射光波长接近，各衍射孔的深度与挡光层厚度相同；

包括多个探测像素元的探测阵列芯片，所述探测阵列芯片的探测信号输出端与一计算分析部件连接；

所述衍射孔二维阵列中各个衍射孔与所述探测阵列芯片中的探测像素元的位置非一一对应。

优选地，所述探测阵列芯片上表面安装有一层透明的防护玻璃，所述防护玻璃的上表面与所述衍射孔二维阵列相接触。

优选地，所述衍射孔二维阵列中的衍射孔按照以下方式排布：小孔布置在中间而大孔布置在四周。

优选地，所述入射光准直装置包括两个共焦的透镜以及设置在两个透镜共焦平面上的遮光板，遮光板上对应于两个透镜之间的共同焦点处设置有一透光孔。

相比现有技术，本发明的基于衍射孔阵列的微型光谱仪不需要满足每个衍射孔正下方均精确对应设置一个探测阵列芯片像素元的要求，从而大幅降低了制作难度，利于实现批量生产；并进一步考虑到直接采用市面上带有防护玻璃的探测器时，基底厚度可能对检测精度产生的影响，采用衍射孔阵列倒置的方式，即将衍射孔二维阵列直接置于防护玻璃上表面，在保证检测精度的前提下进一步降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明的微型光谱仪的立体结构示意图；

图2为本发明微型光谱仪除去入射光准直装置外其它部分的俯视图；

图中各标号含义如下：

1、衍射孔，2、挡光层，3、基底，4、探测阵列芯片防护玻璃，5、探测阵列芯片，6、透镜，7、小孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的基于衍射孔阵列的微型光谱仪，沿入射光方向依次包括：入射光准直装置；

一层采用透明材料制作的基底；一个构建在所述基底其中一个表面上的挡光层中的衍射孔二维阵列，所述挡光层由不透明材料制作，所述衍射孔二维阵列包括一系列具有不同孔径尺寸的衍射孔，且各衍射孔孔径尺寸与入射光波长接近，各衍射孔的深度与挡光层厚度相同；包括多个探测像素元的探测阵列芯片，所述探测阵列芯片的探测信号输出端与一计算分析部件连接；其中，衍射孔二维阵列中各个衍射孔与所述探测阵列芯片中的探测像素元的位置关系可以如文献CN102564586A中的方案：每一个衍射孔的正下方都对应设置探测阵列芯片中的一个像素元，但正如背景技术部分所述这样会给制作带来极大困难。通过大量试验及理论分析发现，当衍射孔与像素元的位置关系非一一对应时，仍可得到同样的检测精度，且极大地降低了制作难度。这是由于光谱复原是采用文献CN102564586A所述的求解大型线性方程组的方法，而求解大型方程组需要得到的方程组满秩，也就是说需要各个探测器像素元采集到的光功率尽可能不同，这样才能保证方程组的增广矩阵中的元素尽可能不同。而由于每个衍射孔孔径尺寸不同，通过这些孔的衍射光强度不一，因此在衍射孔与像素元位置一一对应的情况下，希望各像素元仅接收到来自于其对应衍射孔的光而避免接收其他衍射孔射出的光从而保证采集到的光功率大小不等。而实际上由于衍射效应，从各衍射孔射出的衍射光不可避免会射到多个像素元中；与此同时衍射孔与像素元的位置校准也相当困难。为了克服和避免这些问题，反过来利用各个衍射孔透射出的衍射光射到多个像素元这一特点，只需要保证每个探测器像素元采集到的光功率不尽相同，并不需要衍射孔与像素元位置上的一一对应，这样各像素元接收到的光将是各衍射孔透射衍射光相互迭加的综合结果。由于各衍射孔与各像素元的数量和位置都相对固定，所以对于一个制作完成的器件而言，各像素元对入射光各波长（或频率）的接收系数是一个确定的值，可以事先通过实验测得。因此，本发明中，所述衍射孔二维阵列中各个衍射孔与所述探测阵列芯片中的探测像素元的位置非一一对应。

本发明的一个实施例如图1、图2所示，其中图1为立体结构示意图，图2为除去入射光准直装置外其它部分的俯视图。如图所示，包括一组衍射孔1的二维阵列构建在基底3表面挡光层2中，每个衍射孔1的孔径各不相同，孔径尺寸从数百纳米到几微米不等，衍射孔1的深度即挡光层2的厚度，衍射孔二维阵列中各个衍射孔1之间间隔三个像素元宽度。挡光层2可以设置在基底3的上表面，也可以在下表面。本实施例中直接采用市场上出售的封装好的CCD或CMOS光探测器，在探测阵列芯片的上方安装有透明的防护玻璃，为避免将基底厚度对最终结果产生的影响纳入考量，本实施例中把该二维衍射孔阵列结构的元件倒置在探测阵列芯片5的透明防护玻璃4上，该玻璃4正下方即为探测阵列芯片5。

本发明的衍射孔二维阵列中衍射孔可有序排列也可无序排列，本实施例中每九个像素元上方布置一个衍射孔1，衍射孔1的个数为100个，其尺寸变化范围从数百纳米到几个微米。衍射孔1按其孔径尺寸大小以一定方式排布，考虑到衍射效应，各探测阵列芯片5中的各像元接收到的光功率实为各个衍射孔1产生衍射光的综合结果，因此将小孔布置在中间而大孔布置在四周以保证各个像素元获得的衍射光功率大小不同。由于采用衍射的方法，且探测阵列芯片的像素元与衍射孔1之间的距离相对孔径尺寸较远，透过衍射孔阵列的光将照射在下方探测阵列芯片的大量像素元之上，因此即使制作较少数量的衍射孔1也能获得足够多的数据以进行光谱复原，故而衍射孔阵列的长度在几百个微米之内，整个衍射孔阵列的横截面积将小于一个平方毫米。

上述基底3材料为透明材料，可使用聚合物材料，可采用旋涂方法制备。挡光层2为不透光材料，可使用金属铬，可采用蒸镀方法制作。衍射孔1的制作可采用离子刻蚀的方法，即用离子发生器发出的离子束聚焦在挡光层2表面，通过精密控制离子束的作用位置和时间来进行刻蚀，另外光刻也是可选方法之一。

本实施例中的入射光准直装置，如图1所示，包括设置在衍射孔二维阵列上的两个共焦的透镜6，以及设置在两个透镜6共焦平面上的遮光板，遮光板上对应于两个透镜6之间的共同焦点处设置有一小孔7。入射光经过准直后照射到基底3上，透过透明基底3到达衍射孔1时发生衍射，这些衍射光继续传播到达探测阵列芯片5的各个像素元。由于各个衍射孔1的尺寸不一，由此所产生的衍射光强也不相同，而探测阵列芯片5中任一像素元所接受到的衍射光强是各个衍射孔1所产生衍射光的综合结果，因此探测阵列芯片5的各像素元将测得一系列大小不等的衍射光功率。计算分析部件采集这些光功率数据作为方程组的增广矩阵，前期利用单色仪选择不同频率的光分别照射在衍射孔阵列，测量各像素元所得某一频率光功率，将该功率与该频率入射光照射在衍射孔阵列之前的功率的比值作为方程组的系数矩阵，入射光各频率的光功率作为未知数，采用高分辨率复原方法解方程并进行数据处理将最终得到入射光的光谱。本发明的光谱复原方法与文献CN102564586A中类似，此处不再赘述。

Claims

1.一种基于衍射孔阵列的微型光谱仪，沿入射光方向依次包括：

入射光准直装置；

一层基底，采用透明材料制作；

其特征在于，所述衍射孔二维阵列中各个衍射孔与所述探测阵列芯片中的探测像素元的位置非一一对应。

2.如权利要求1所述基于衍射孔阵列的微型光谱仪，其特征在于，所述探测阵列芯片上表面安装有一层透明的防护玻璃，所述防护玻璃的上表面与所述衍射孔二维阵列相接触。

3.如权利要求1所述基于衍射孔阵列的微型光谱仪，其特征在于，所述衍射孔二维阵列中的衍射孔按照以下方式排布：小孔布置在中间而大孔布置在四周。

4.如权利要求1所述基于衍射孔阵列的微型光谱仪，其特征在于，所述入射光准直装置包括两个共焦的透镜以及设置在两个透镜共焦平面上的遮光板，遮光板上对应于两个透镜之间的共同焦点处设置有一透光孔。

5.如权利要求1所述基于衍射孔阵列的微型光谱仪，其特征在于，所述探测阵列芯片为CCD或CMOS探测阵列芯片。