CN106525235A - 芯片式光谱成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芯片式光谱成像***，属于光谱成像领域。该***主要包括入射狭缝1、凹面反射镜2、闪耀角可调微型可编程光栅3、凹面反射镜4、面阵探测器5、上基底6、中间层7、下基底8，同时集成前置光路、分光、后置光路与测量功能，为解决现有***体积与质量大、光谱能量分布固定等因素导致的无法随实时应用要求而改变的情况。本发明以闪耀角可调微型可编程光栅作为分光元件，通过调整驱动电压实现对闪耀角的可编程控制，进而控制衍射光谱，将它用于光谱成像***，可实现对光谱的空间调制，同时驱动控制电路与分光元件的可单片集成性将极大缩减***的体积与重量，成本也将大幅度降低，在航空航天等领域具有非常广阔的应用前景。
Description
所属领域
本发明属于光谱成像领域，主要涉及微机电***(MEMS)技术、硅微加工技术、成像技术、光谱技术等。
现有技术
光谱成像技术综合了成像技术与光谱技术，能够在获取目标的二维空间景像信息的同时得到一维的表征其物理性质和状态的光谱信息，从而达到有效识别目标的目的，在遥感探测、目标识别、医学成像、鉴别防伪等领域具有广泛应用。
在传统的光谱成像***中，其核心的分光元件主要有光栅、棱镜、滤波轮等，可实现对特定波段的选取。然而，光栅、棱镜和滤波轮分别需要借助推扫机构或额外的旋转机构完成对目标的光谱成像，采用这些方法使整个***的体积相当庞大，重量也大幅度增加，不利于空间结构紧凑和特殊情况下的使用。近年来，随着微机电***(Microelectromechanical systems,MEMS)技术的飞速发展，使同时具备前置光路、分光、后置光路、测量等功能的单芯片集成光谱成像***成为可能。集成分光、后置光路、测量功能的集成化光谱成像***已有报道，但没有前置光路，且需手动装配，光路调试困难、费时、成本高，如N.Neumann等人提出的长波红外珐珀滤波器(IEEE Sensors-vol.2383,2010)；而其它已研制出的集成化光谱仪，其采用的分光元件为传统式光栅，不具有光谱可调谐能力，并且主要针对光谱曲线测量，如T.Pugner等人提出的近红外微型光谱仪(Proc.SPIE,vol.8167,816718,2011)。
发明内容
本发明的目的是：提出一种芯片式光谱成像***，同时集成前置光路、分光、后置光路与测量功能，为解决现有***体积与质量大、光谱能量分布固定等因素导致的无法随实时应用要求而改变的情况。
参考图1，本发明提出的集成化光谱成像***主要包括入射狭缝1、凹面反射镜2、闪耀角可调微型可编程光栅3、凹面反射镜4、面阵探测器5、上基底6、中间层7、下基底8。
所述中间层7使得上基底6和下基底8固定成某一特定间距；所述入射狭缝1、闪耀角可调微型可编程光栅3和面阵探测器5固定于上基底6上；所述凹面反射镜2和凹面反射镜4则固定于下基底8上；
入射光通过所述入射狭缝1后，经凹面反射镜2准直后变成平行光照射到所述闪耀角可调微型可编程光栅3上，通过改变闪耀角可调微型可编程光栅3的闪耀角，实现对衍射光谱强度的空间调制，调制后的衍射光谱通过凹面反射镜4聚焦到测量元件5上；
所述入射狭缝1作为通光孔，可以是方形、长方形、圆形等形状；
所述的凹面反射镜2和凹面反射镜4由玻璃通过高精密MEMS工艺加工而成；
所述的测量元件5为线阵探测器或面阵探测器。
所述的闪耀角可调微型可编程光栅3由若干闪耀角可调微型可编程光栅单元结构构成，采用静电驱动工作方式，参照图2，所述单元结构由支撑梁9、下电极10和上极板11组成，支撑梁9的端面固定在上基座6上，所述上极板11一面固定于支撑梁9并能绕其扭转；所述下极板10固定于基地6上,作为下电极；所述下电极10与上极板11构成一平板电容器，所述下极板10与上极板11的初始平面与上基底6平面平行；所述支撑梁9、下电极10和上极板11均由导电材料，如掺杂多晶硅、金属制成。
参照图3，光栅工作时在下电极10与上极板11之间施加一定大小的电压，产生的静电吸引力F使上极板11绕支撑梁9发生扭转，产生与水平面的夹角θ，此夹角θ即为该闪耀角可调微型可编程光栅3的闪耀角。通过改变光栅微梁上下极板间的电压，使得上极板11绕支撑梁9发生扭转，从而引起闪耀角发生变化，进而实现对衍射光谱强度的空间调制。因此只要通过控制光栅上下极板间的电压就可实现对不同波长的闪耀，从而实现光谱成像。
本发明提出的集成化光谱成像***的工作过程，包括以下基本步骤：
步骤1：参照图4，通过控制光栅上下极板间的电压，使光栅在驱动电压U1下的闪耀角为θ1；
步骤2：参照图5，当一束光I以入射角θi入射到上极板11上，此时闪耀角为θ1，根据光栅方程d(sinθi+sinθm)＝kλ1可知，当入射角θi和衍射角θm相对光栅刻槽面满足反射定律时，达到闪耀条件，此时光栅方程变为d(2cosθisinθ1)＝kλ1，由此可知闪耀角θ和闪耀波长λ一一对应，进而得到的衍射主极大M的衍射角为θm，闪耀波长为λ1，θi与θm、λ1满足光栅方程，且衍射光绝大部分能量(超过90％)汇聚到闪耀波长λ1上,而除λ1外其它波长像的能量相对较低，因此探测器5上主要呈现波长为λ1的像。
步骤3：参照图6，闪耀波长λ1通过凹面反射镜4聚焦到测量元件5上；
步骤4：参照图7，通过控制光栅上下极板间的电压，使光栅在驱动电压U2下的闪耀角为θ2；
步骤5：参照图8，当一束光I以入射角θi入射到上极板11上，此时闪耀角为θ2，根据光栅方程d(sinθi+sinθ'm)＝kλ2可知，当入射角θi和衍射角θ'm相对光栅刻槽面满足反射定律时，达到闪耀条件，此时光栅方程变为d(2cosθisinθ2)＝kλ2，由此可知闪耀角θ和闪耀波长λ一一对应，进而得到的衍射主极大M的衍射角为θ'm，衍射波长为λ2，θi与θ'm、λ2满足光栅方程，且衍射光绝大部分能量(超过90％)汇聚到闪耀波长λ2上，而除λ2外其它波长像的能量相对较低，因此探测器5上主要呈现波长为λ2的像。
步骤6：参照图9，闪耀波长λ2通过凹面反射镜4聚焦到测量元件5上；
步骤7：参照图10，定义光谱色散方向为x轴方向,与x轴垂直为y轴方向。由于闪耀角可调微型可编程光栅3在工作时，闪耀波长和衍射角一一对应，且衍射光强(超过90％)集中在闪耀波长上，所以在特定闪耀角下探测器5上仅存在相应闪耀波长的像；当闪耀角改变时，衍射角也相应发生改变，探测器5上相应波长的像在x方向上发生偏移。
本发明以闪耀角可调微型可编程光栅作为分光元件，通过调整驱动电压实现对闪耀角的可编程控制，进而控制衍射光谱，将它用于光谱成像***，可实现对光谱的空间调制，同时驱动控制电路与分光元件的可单片集成性将极大缩减***的体积与重量，成本也将大幅度降低，在航空航天等领域具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1提出的集成化光谱成像***示意图
图2闪耀角可调微型可编程光栅3的单元结构示意图
图3闪耀角可调微型可编程光栅3的工作原理图
图4闪耀角可调微型可编程光栅3驱动电压为U1所对应闪耀角θ1示意图
图5闪耀角为θ1时的光栅光学性能示意图
图6闪耀角为θ1时对应的闪耀波长λ1的光谱成像***示意图
图7闪耀角可调微型可编程光栅3驱动电压为U2所对应闪耀角θ2示意图
图8闪耀角为θ2时的光栅光学性能示意图
图9闪耀角为θ2时对应的闪耀波长λ2的光谱成像***示意图
图10不同闪耀角θ1、θ2对应闪耀波长分别为λ1、λ2的目标物体在面阵探测器5上的空间分布示意图
具体实施方式
参照图1，本实施例提出的集成化光谱成像***主要包括入射狭缝1、凹面反射镜2、闪耀角可调微型可编程光栅3、凹面反射镜4、面阵探测器5、上基底6、中间层7、下基底8。入射光通过入射狭缝1、凹面反射镜2变成平行光照射到闪耀角可调微型可编程光栅3上，通过改变闪耀角可调微型可编程光栅3的闪耀角，实现对衍射光谱强度的空间调制，调制后的衍射光谱通过凹面反射镜4聚焦到测量元件5上。
所述的入射狭缝1作为通光孔，采用长方形固定在上基底6上。
所述的凹面反射镜2和凹面反射镜4由玻璃通过高精密MEMS工艺加工而成，固定在下基底8上。凹面反射镜2对入射光起准直作用；凹面反射镜4对衍射光起聚焦作用。
所述的闪耀角可调微型可编程光栅3位于上基底6上，经凹面反射镜2准直的平行光照射到闪耀角可调微型可编程光栅3上，通过光栅衍射后由凹面反射镜4聚焦到测量元件5上。
所述的闪耀角可调微型可编程光栅3采用静电驱动工作方式，参照图2，其单元结构由支撑梁9、下电极10和上极板11组成，支撑梁9的端面固定在上基座6上；支撑梁9、下电极10和上极板11均由导电材料掺杂多晶硅制成，下电极10与上极板11构成一平板电容器。闪耀角可调式微型可编程光栅3由数百至数千根这种单元结构构成。
参照图3，光栅工作时在下电极10与上极板11之间施加一定大小的电压，产生的静电吸引力F使上极板11绕支撑梁9发生扭转，产生与水平面的夹角θ，此夹角θ即为该闪耀角可调微型可编程光栅3的闪耀角。通过改变光栅微梁上下极板间的电压，使得上极板11绕支撑梁9发生扭转，从而引起闪耀角发生变化，进而实现对衍射光谱强度的空间调制。因此只要通过控制光栅上下极板间的电压就可实现对不同波长的闪耀，从而实现光谱成像。
所述的测量元件5固定在上基底6上，采用面阵探测器。
所述的上基底6、中间层7、下基底8为***的结构框架，材料采用玻璃。中间层7厚度可以根据光学***的实际需要进行调整。
本实施例提出的集成化光谱成像***的工作原理包括以下基本步骤：
步骤1：参照图4，通过控制光栅上下极板间的电压，使光栅在驱动电压U1＝50V下的闪耀角为θ1＝0.3781°；
步骤2：参照图5，当一束光I以入射角θi入射到上极板11上，此时闪耀角为θ1＝0.3781°，根据光栅方程d(sinθi+sinθm)＝kλ1可知，当入射角θi和衍射角θm相对光栅刻槽面满足反射定律时，达到闪耀条件，此时光栅方程变为d(2cosθisinθ1)＝kλ1，由此可知闪耀角θ和闪耀波长λ一一对应，进而得到的衍射主极大M的衍射角为θm，闪耀波长为λ1＝0.3563μm，θi与θm、λ1满足光栅方程，且衍射光绝大部分能量(超过90％)汇聚到闪耀波长λ1上,而除λ1外其它波长像的能量相对较低，因此探测器5上主要呈现波长为λ1的像。
步骤3：参照图6，闪耀波长λ1＝0.3563μm通过凹面反射镜4聚焦到面阵探测器5；
步骤4：参照图7，通过控制光栅上下极板间的电压，使光栅在驱动电压U2＝60V下的闪耀角为θ2＝0.5844°；
步骤5：参照图8，当一束光I以入射角θi入射到上极板8上，此时闪耀角为θ2＝0.5844°，根据光栅方程d(sinθi+sinθ'm)＝kλ2可知，当入射光θi和衍射光θ'm相对光栅刻槽面满足反射定律时，达到闪耀条件，此时光栅方程变为d(2cosθisinθ2)＝kλ2，由此可知闪耀角θ和闪耀波长λ一一对应，进而得到的衍射主极大M的衍射角为θ'm，衍射波长为λ2＝0.5508μm，θi与θ'm、λ2满足光栅方程，且衍射光绝大部分能量(超过90％)汇聚到闪耀波长λ2上，而除λ2外其它波长像的能量相对较低，因此探测器5上主要呈现波长为λ2的像。
步骤6：参照图9，闪耀波长λ2＝0.5508μm通过凹面反射镜4聚焦到面阵探测器5；
步骤7：参照图10，定义光谱色散方向为x轴方向,与x轴垂直为y轴方向。由于闪耀角可调微型可编程光栅3在工作时，闪耀波长和衍射角一一对应，且衍射光强(超过90％)集中在闪耀波长上，所以在特定闪耀角下探测器5上仅存在相应闪耀波长的像；当闪耀角从θ1＝0.3781°变化到θ2＝0.5844°时，衍射角也相应发生变化，面阵探测器5上不同闪耀波长λ1、λ2的像会在x方向上发生相应的偏移。
Claims (5)
1.芯片式光谱成像***，其特征在于，主要包括入射狭缝1、凹面反射镜2、闪耀角可调微型可编程光栅3、凹面反射镜4、面阵探测器5、上基底6、中间层7、下基底8；
所述中间层7使得上基底6和下基底8固定成某一特定间距；所述入射狭缝1、闪耀角可调微型可编程光栅3和面阵探测器5固定于上基底6上；所述凹面反射镜2和凹面反射镜4则固定于下基底8上；
入射光通过所述入射狭缝1后，经凹面反射镜2准直后变成平行光照射到所述闪耀角可调微型可编程光栅3上，通过改变闪耀角可调微型可编程光栅3的闪耀角，实现对衍射光谱强度的空间调制，调制后的衍射光谱通过凹面反射镜4聚焦到测量元件5上。
2.如权利要求1所述的芯片式光谱成像***，其特征在于，所述的闪耀角可调微型可编程光栅3由若干闪耀角可调微型可编程光栅单元结构构成，采用静电驱动工作方式，所述单元结构由支撑梁9、下电极10和上极板11组成，支撑梁9的端面固定在上基座6上，所述上极板11一面固定于支撑梁9并能绕其扭转；所述下极板10固定于基地6上,作为下电极；所述下电极10与上极板11构成一平板电容器，所述下极板10与上极板11的初始平面与上基底6平面平行；所述支撑梁9、下电极10和上极板11均由导电材料制成。
3.如权利要求1所述的芯片式光谱成像***，其特征在于，所述入射狭缝1作为通光孔是方形、长方形或圆形。
4.如权利要求1所述的芯片式光谱成像***，其特征在于，所述的凹面反射镜2和凹面反射镜4由玻璃通过高精密MEMS工艺加工而成。
5.如权利要求1所述的芯片式光谱成像***，其特征在于，所述的测量元件5为线阵探测器或面阵探测器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170322 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |