CN101285771A - 一种微型傅里叶变换光谱仪的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型傅里叶变换光谱仪的制作方法，该方法首先制备平板基底；在基底的抛光面上制备与第一光轴和第二光轴相对应的第一光轴参考基准和第二光轴参考基准，及与各光学元件形状和位置相对应的平面图形或三维微结构作为各光学元件的基准或固定机构；然后逐个将各光学元件对准与其相对应的基准或固定机构，并调整其角度和位置，使各光学元件的角度及相互之间的相对位置能够更精确满足设计需要，因而采用本发明的方法能够保证微型傅里叶变换光谱仪高精度的需要。本发明可用于可见及红外波段工作的微型傅里叶变换光谱仪的制作。

Description

一种微型傅里叶变换光谱仪的制作方法

技术领域

本发明涉及一种微型傅里叶变换光谱仪的制作方法，特别涉及一种可见及红外微型傅里叶变换光谱仪的制作方法

背景技术

光谱仪器是分析物质组成成分以及结构的强有力的工具，在环境监测、化学分析、生物医学、国防和光电子功能材料等科研领域和产业界都有着广泛应用，且这些领域和产业的在线实时监测以及便携等要求推动了光谱仪器微型化的发展，并有着广阔的应用前景。

近几年来，微型化光谱仪的研究进展非常迅速，现有的微小型光谱仪绝大多数仍然采用经典光谱仪原理，由于入射狭缝孔径或光阑的大小限制了光通量和效率严重下降的问题，对一些微弱信号的分析极其不利。与传统的经典微型光谱仪相比，基于调制原理的微型化FTS同时具备高光通量、高分辨率的性能，并且在实际工艺实现中弥补了同样是基于调制原理的哈达玛变换光谱仪编码模板材料受限制的缺点。

目前，常见的基于调制原理的微型化光谱仪(FTS)主要由准直系统、分光系统和探测接收系统构成；所述的准直系统；所述的分光系统包括分束器及分束器两臂上的两个反射镜，其中第一反射镜为动镜，第二反射镜为静止的平面镜；所述的探测接收系统包括会聚透镜组合和面阵探测器。这种光谱仪采用时间调制方式来实现光信号的调制，在探测系统接收处依次形成多个定域干涉条纹；由于作为反射镜的动镜需要一套高精度的驱动系统，该驱动系统含有运动部件，因而系统的重复性和可靠性难以保证并且测量实时性较差；并且这种光谱仪需要利用激光参考干涉仪来确定采样点，因而其结构复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、重复性好、工作可靠，并且测量实时性好的一种微型傅里叶变换光谱仪的制作方法。

所述的微型傅里叶变换光谱仪包括准直系统、分光系统和探测接收系统构成；所述的分光系统包括分束器及分束器两臂上的第二阶梯镜和第一阶梯镜，第二阶梯镜的阶梯周期d₁为第一阶梯镜的阶梯周期d₂与第一阶梯镜的阶梯数N的乘积；准直系统的光轴作为第一光轴，会聚透镜组合的光轴为第二光轴；第二阶梯镜反射的光线透过分束器到达探测接收系统，第一阶梯镜反射的光线经分束器反射到达探测接收系统，由第二阶梯镜和第一阶梯镜不同位置反射的光在探测接收系统面阵探测器的空间不同位置发生干涉形成干涉条纹。

所述的第二阶梯镜的反射面与第一阶梯镜的反射面垂直，与第一阶梯镜的阶梯反射截断面平行。

待测光源发射的光束经准直系统准直后入射到分束器上，分束器将入射光分为强度相等的两束相干光：一束经分束器反射后入射到第二阶梯镜上，经过反射后返回分束器，另一束透过分束器入射到第一阶梯镜上，经反射后回到分束器。第二阶梯镜反射的光线透过分束器到达探测接收系统，第一阶梯镜反射的光线经分束器反射到达探测接收系统；由第二阶梯镜和第一阶梯镜不同位置反射的光在探测接收系统面阵探测器的空间不同位置发生干涉形成多个定域干涉条纹。

本发明的微型傅里叶变换光谱仪的制作方法包括如下步骤：

a、选取硅或玻璃或陶瓷或镍、铝、铜、钛、不锈钢作为基底材料，将基底材料制备成设定尺寸的平板基底，其上表面抛光；抛光面粗糙度不大于10微米，平面度不大于50微米；

b、在基底的抛光面上制备与第一光轴和第二光轴相对应的第一光轴参考基准和第二光轴参考基准，及与各光学元件形状和位置相对应的平面图形或三维微结构作为各光学元件的基准或固定机构；

c、将激光光源放置在基底附近，调节激光光源使激光光轴位于第一光轴参考线的正上方并与第一光轴参考线相互平行；在激光光源附近放置一个光阑，使激光光束由光阑孔通过；

d、将第一阶梯镜放置在基底上与其相对应的基准或固定机构上，调整第一阶梯镜的位置和角度，当观察到经过第一阶梯镜某一反射面反射的激光光束照射到光阑上的光斑与光阑孔重合时，固定第一阶梯镜；

e、移走激光光源附近的光阑，将分束器放置在基底上与其相对应的基准或固定机构上，调整分束器的位置和角度，当分束器对准基底上与其相对应基准或固定机构后将其固定；将面阵探测器放置在基底上与其相对应的基准或固定机构上，调整面阵探测器位置和角度，当观察到面阵探测器中央区域出现一个关于中心对称的半径最小的亮斑时，固定面阵探测器；

f、将第二阶梯镜放置在基底上与其相对应的基准或固定机构上，调整第二阶梯镜位置和角度，当观察到经过第二阶梯镜反射的光束透过分束器后在面阵探测器上得到的亮斑与第一阶梯镜反射的光束在面阵探测器上得到的亮斑重合时，固定第二阶梯镜；

g、将会聚透镜组合放置在基底上与其相对应的基准或固定机构上，调整会聚透镜组合位置和角度，当观察到面阵探测器中央区域出现一个半径最小的亮斑时，固定会聚透镜组合；

h、将激光光源换成一个扩展光源，并将准直系统放置在基底上与其相对应的基准或固定机构上；在准直系统与分束器之间的第一光轴参考线上放置一个光阑，此时精密调节准直系统的角度和角度，当观察到两路光束在面阵探测器上得到的亮斑重合时，移走光阑，固定准直系统。

本发明的微型傅里叶变换光谱仪的制作方法，由于首先在基座上制作与各光学元件形状、位置相对应的基准或固定机构，然后逐个将各光学元件对准与其相对应的基准或固定机构，并调整其角度和位置，使各光学元件的角度及位置能够更精确满足设计需要，从而保证了微型傅里叶变换光谱仪的精度。本发明可用于可见及红外波段工作的微型傅里叶变换光谱仪的制作。

所述的步骤a中，可以选取硅或玻璃或陶瓷或镍、铝、铜、钛、不锈钢等金属材料作为基底材料，将基底材料制备成厚度1mm～20mm的平板基底，要求上表面有良好的平面度和表面粗糙度。所述的步骤b中可以采用本领域公知的方法制作第一光轴参考基准、第二光轴参考基准及与各光学元件形状和位置相对应的平面图形或三维微结构作为各光学元件的基准或固定机构。例如，可以用硅腐蚀工艺在基底上表面制作出放置分束器、第二阶梯镜或第二反射镜、第一阶梯镜的凹槽、第一光轴参考槽、第二光轴参考槽；可以用本领域公知LIGA类工艺制作出固定准直系统、会聚透镜组合、面阵探测器的凸起三维微结构，及第一光轴和第二光轴对应的第一光轴参考凸线、第二光轴参考凸线；也可以用平面工艺(如经光刻，腐蚀，去胶，或者剥离工艺)在基底上表面制作平面图形作为各光学元件的位置基准及第一光轴参考线、第二光轴参考线。总之，基底或者含有平面图形、或者含有定位凹槽、或者含有定位凸起三维微结构、或者是其中两者或三者的组合。其中，第二阶梯镜和第一阶梯镜相对于分束器的位置是由光谱仪的采样方式来确定的。会聚透镜组合位于分束器与第二阶梯镜中心连线的延长线上，其与分束器之间的距离可根据光谱仪要求确定。面阵探测器位于会聚透镜组合的焦平面上，且其有效象素数由第二阶梯镜和第一阶梯镜的结构决定，至少为N²个。其记录的光强分布示意图如图2所示，这里举例给出的是8×8的空间光分布，其中数字代表的是干涉级次，即光程差δ相对于最小测量波长的倍数，每个级次的光强分布是由1个像素来记录的。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是微型傅里叶变换光谱仪结构示意图。其中1为光源，2为准直系统，3为分束器，4第二阶梯镜，5第一阶梯镜，6会聚透镜组合，7面阵探测器，10为基底。

图2为空间光经分束器分束，经过第一阶梯镜和第二阶梯镜反射后的光束发生干涉后产生定域干涉条纹的分布示意图。

图3是第一阶梯镜和第二阶梯镜具体结构的放大图，图中8为阶梯镜的反射面，其宽度为l，9是阶梯镜的阶梯反射截断面，阶梯周期为d，即阶梯镜相邻阶梯之间的距离。

图4是在基底上制作平面图形基准的基底结构放大图，图中，201为准直系统对应的平面图形，301为分束器对应的平面图形，401第二阶梯镜对应的平面图形，501第一阶梯镜对应的平面图形，601会聚透镜组对应的平面图形，701为面阵探测器对应的平面图形，231为第一光轴对应的第一光轴参考线，431为第二光轴对应的第二光轴参考线。

图5是在基底上制作凹槽基准的基底结构放大图，图中，202为准直系统对应的凹槽，302为分束器对应的凹槽，402第二阶梯镜对应的凹槽，502第一阶梯镜对应的凹槽，602会聚透镜组对应的凹槽，702为面阵探测器对应的凹槽，232为第一光轴对应的第一光轴参考槽，432为第二光轴对应的第二光轴参考槽。

图6是在基底上制作凸起三维微结构或凹槽的基底结构放大图，图中203为准直系统对应的凸起三维微结构，302为分束器对应的凹槽，402第二阶梯镜对应的凹槽，502第一阶梯镜对应的凹槽，603会聚透镜组对应的凸起三维微结构，702为面阵探测器对应的凹槽，233为第一光轴对应的第一光轴参考凸线，433为第二光轴对应的第二光轴参考凸线。

图7是采用硅的湿法腐蚀方法制作完成的阶梯镜的结构示意图。图中8为阶梯镜的反射面，9是阶梯镜的阶梯反射截断面，

具体实施方式

微型傅里叶变换光谱仪结构如图1所示，1为待测光源，为一扩展光源，不属于光谱仪结构的一部分，而是光谱仪的探测目标。光谱仪主要由三个基本的部分组成：准直系统2、分光系统和探测接收系统，这三个系统都固定在基片10上。基片10在整个结构中起到结构支撑作用，可选取金属材料或硅片制成。

准直系统2是光学透镜的组合，光源与透镜之间的距离为透镜组合的焦距；探测接收系统由会聚透镜组合6、面阵探测器7组成，面阵探测器7位于会聚透镜组合6的焦平面上。分光系统由半反半透分束器3、第二阶梯镜4和第一阶梯镜5组成。

分光系统中所采用的半反半透分束器3是在玻璃基质上镀光学膜层来实现对光的半反半透。第二阶梯镜4和第一阶梯镜5的结构如图3所示：8为反射面；其宽度为l；9是阶梯反射截断面；阶梯周期为d，即阶梯镜相邻阶梯之间的距离。第二阶梯镜4和第一阶梯镜5分别位于分束器3的两臂上，第二阶梯镜4的反射面8和第一阶梯镜5的反射面8与分束器3法线的夹角均为45°，并且第二阶梯镜4的反射面8与第一阶梯镜5的反射面8垂直、与第一阶梯镜5的阶梯反射截断面面9平行；设第二阶梯镜4和第一阶梯镜5的阶梯数均为N，第二阶梯镜4的阶梯周期d₁为第一阶梯镜5的阶梯周期d₂与第一阶梯镜5的阶梯数N的乘积。

微型傅里叶变换光谱仪工作方式与Michelson干涉仪结构基本相同，在右手坐标系中，第二反射镜和第一阶梯镜或者第二阶梯镜4和第一阶梯镜5代替了传统迈克耳逊干涉仪中的两个平面反射镜，第二阶梯镜4和第一阶梯镜5有相同的N个阶梯数，阶梯周期分别为d和Nd，且沿x，y方向正交放置。由第二阶梯镜4和第一阶梯镜5不同位置反射的光在探测接收系统面阵探测器7的空间不同位置发生干涉形成多个定域干涉条纹，则光束分为了N²个小空间，记x，y分别代表第二阶梯镜4和第一阶梯镜5阶梯的序数，则(x，y)的空间干涉光即(Ny-x)级干涉条纹的光程差为δ＝2d(Ny-x)。空间干涉光的分布如图2所示。

本发明的微型傅里叶变换光谱仪制作方法的详细步骤如下：

基底10的制作：选用硅或玻璃或陶瓷或镍、铝、铜、钛、不锈钢等金属材料制作基底10。

以硅为例，首先将硅材料制备成厚度1mm～20mm的平板基底，要求上表面有良好的平面度和表面粗糙度，粗糙度不大于10微米，平面度不大于50μm。采用本领域公知的方法制作第一光轴参考基准、第二光轴参考基准及与各光学元件形状和位置相对应的平面图形或三维微结构作为各光学元件的基准或固定机构。例如：

如图4所示，可以用平面工艺在基底10抛光面上溅射一层金属薄膜，材料为Al或Cu或Au，经光刻，腐蚀，去胶；或者剥离工艺在基底10上表面制作平面图形201作为准直系统2对应的位置基准，平面图形301作为分束器3对应的位置基准，平面图形401作为第二阶梯镜4对应的位置基准，平面图形501作为第一阶梯镜5对应的位置基准，平面图形601作为会聚透镜组合6对应的位置基准，平面图形701作为面阵探测器7对应的位置基准，第一光轴参考线231作为第一光轴对应的位置基准，第二光轴参考线431作为第二光轴对应的位置基准。

如图5所示，可以用硅腐蚀工艺在基底10上表面制作出放置准直系统2的凹槽202，放置分束器3的凹槽302，放置第二阶梯镜4的凹槽402，放置第一阶梯镜5的凹槽502，放置会聚透镜组合6的凹槽602，放置面阵探测器7的凹槽702，第一光轴对应的第一光轴参考槽232，第二光轴对应的第二光轴参考槽432。

如图6所示，可以首先采用硅腐蚀工艺在基底10上表面制作出放置分束器3的凹槽302、放置第二阶梯镜4的凹槽402、放置第一阶梯镜5的凹槽502及放置面阵探测器7的凹槽702，第一光轴对应的第一光轴参考槽232，第二光轴对应的第二光轴参考槽432。然后利用LIGA类工艺在基底10的上表面涂覆厚型光刻胶、前烘、曝光、显影、后烘形成固定准直系统2的光刻胶材料凸起三维微结构203、固定会聚透镜组合6的光刻胶材料凸起三维微结构603。或在完成凹槽制作后，在基底10上表面制备一层铜或金薄膜，然后利用LIGA类工艺在基底10的上表面涂覆厚型光刻胶、前烘、曝光、显影、后烘形成与固定准直系统2凸起三维微结构203及固定会聚透镜组合6的凸起三维微结构603互补图形的光刻胶模，然后电铸形成固定准直系统2的金属材料凸起三维微结构203、固定会聚透镜组合6的金属材料凸起三维微结构603，金属材料可选用镍、铜、金或坡莫合金。

分束器3的制作：

分束器3采用棱镜组合来实现，选用对所选波段具有高透过率的材料，如玻璃基质(BK7)，通过镀膜实现接近入射光束的50％反射和50％透射，并根据光谱仪的工作频段进行膜层设计。膜层生长采用直流溅射、射频溅射，磁控溅射，电子束蒸发，热蒸发等工艺实现。

第二阶梯镜4和第一阶梯镜5的制作：阶梯镜采用本领域公知的激光直写法制作，然后根据光谱仪工作频段蒸镀增反膜层实现对光的高反射率。第二阶梯镜4和第一阶梯镜5的尺寸是由光谱仪的工作范围来确定的。第一阶梯镜5的阶梯周期d₂尺寸可在1nm-5000μm范围内，反射面的宽度l在0.1mm-50cm范围内，阶梯数N是由仪器所要达到的分辨率来决定的。

第一阶梯镜5和第二阶梯镜4还可以采用下述硅的湿法腐蚀方法制作：

a、选择上表面与(111)面偏一定角度的硅片作为阶梯镜材料，抛光面与(111)晶面的夹角根据阶梯镜的参数设定，对其上表面进行抛光；抛光后对硅片进行清洁处理。

b、光刻版设计：按阶梯镜设计参数设计光刻版，版面为亮暗相间的条纹，条纹宽度分别为图7中平面13的宽度及阶梯镜反射面8加上截断面9在硅片表面投影的宽度。如图7所示。其中反射面8、截断面9均为硅片的<111>面，两个面之间的夹角为109.48度，两个面的长度之比可控制在20∶1～10000∶1。

c、在硅片的抛光面上用本领域公知的热氧化或氢氧合成或CVD方法生长二氧化硅薄膜或二氧化硅与氮化硅复合膜作为硅片腐蚀的掩蔽材料，薄膜厚度在20nm-2000nm之间。

d、在掩蔽材料上表面涂敷光刻胶，前烘，曝光，显影，后烘，用湿法腐蚀或干法刻蚀去除未被光刻胶覆盖的掩蔽材料，形成条状掩蔽薄膜图形；其中涂敷光刻胶，前烘，曝光，显影，后烘，及湿法腐蚀或干法刻蚀均为本领域公知的方法。

e、对步骤d制作完成的硅片进行各项异性腐蚀，硅的腐蚀是在KOH溶液中进行，溶液重量百分比浓度为40％，温度控制在70℃；在腐蚀过程中，可以根据需要将硅片取出并放置在显微镜下观察，当腐蚀到硅的<111>面时，可观察到反射面8和截断面9相交所成的直线，此时停止腐蚀，经过去离子水冲洗，得到阶梯状结构。

f、阶梯镜镀膜，利用薄膜理论设计出阶梯反射镜的增反膜层，并利用膜层生长采用直流溅射、射频溅射，磁控溅射，电子束蒸发，热蒸发等工艺实现。射频溅射制备Al膜或Au膜，厚度范围90nm-150nm。在该条件下，截断面9对光的反射作用很小，可近似看为垂直于反射面8，平面13相对于反射面8讲，其尺寸很小，对光的反射和衍射效应也可以忽略，整个结构可看作8为阶梯反射面，9为阶梯的垂直面(即截断面)。

各光学元件的装调方法如下：

将可见光激光光源放置在基底10附近光源的位置上，调节激光光源使激光光轴位于第一光轴参考基准的正上方并与第一光轴参考基准相互平行；在激光光源附近放置一个光阑，使激光光束由光阑孔通过；

将第一阶梯镜5放置在基底10上与其相对应的基准或固定机构上，利用精密五维调节架调节其位置和角度，当观察到经过第一阶梯镜5某一反射面反射的激光光束照射到光阑上的光斑与光阑孔重合时，说明此时第一阶梯镜5的放射面与第一光轴垂直，用粘接剂固定第一阶梯镜5；

移走激光光源附近的光阑，将分束器3放置在基底10上与其相对应的基准或固定机构上，利用精密五维调节架调节分束器3的位置和角度；当分束器3对准基底10上与其相对应基准或固定机构后，用粘接剂将分束器3固定；将面阵探测器7放置在基底10上与其相对应的基准或固定机构上，用精密五维调节架精密调节探测器的位置和角度，当观察到面阵探测器7中央区域出现一个关于中心对称的半径最小的亮斑时，用粘接剂固定面阵探测器7。

将第二阶梯镜4放置在基底10上与其相对应的基准或固定机构上，利用精密五维调节架调节第二阶梯镜4位置和角度，当观察到经过第二阶梯镜4反射的光束透过分束器3后在面阵探测器7上得到的亮斑与第一阶梯镜5反射的光束在面阵探测器7上得到的亮斑重合时，说明此时第二阶梯镜4的反射面与第一阶梯镜5的反射面垂直，用粘接剂固定第二阶梯镜4；

将会聚透镜组合6放置在基底10上与其相对应的基准或固定机构上，利用精密五维调节架调整会聚透镜组合6位置和角度，当观察到探测器中央区域出现一个半径最小的亮斑时，用粘接剂固定会聚透镜组合6；

将激光光源换成点光源，并将准直系统2放置在基底10上与其相对应的基准或固定机构上；在准直系统2与分束器3之间的第一光轴参考基准上放置一个光阑，此时利用精密五维调节架精密调节准直系统2的位置和角度，当观察到两路光束在面阵探测器7上得到的亮斑重合时，说明准直系统2的光轴与第一光轴重合，移走光阑，用粘接剂固定准直系统2。其中粘接剂可采用紫外固化胶。

在使用精密五维调节架精密调节各光学元件时，需要配备相应的夹持机构使各光学元件与精密五维调节架连接。

Claims (3)

1、一种微型傅里叶变换光谱仪的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

a、选取硅或玻璃或陶瓷或镍、铝、铜、钛、不锈钢作为基底材料，将基底材料制备成设定尺寸的平板基底，其上表面抛光；抛光面粗糙度不大于10微米，平面度不大于50微米；

b、在基底的抛光面上制备与第一光轴和第二光轴相对应的第一光轴参考基准和第二光轴参考基准，及与各光学元件形状和位置相对应的平面图形或三维微结构作为各光学元件的基准或固定机构；

c、将可见光激光光源放置在基底附近，调节激光光源使激光光轴位于第一光轴参考线的正上方并与第一光轴参考线相互平行；在激光光源附近放置一个小孔光阑，使激光光束由光阑孔通过；

d、将第一阶梯镜(5)放置在基底上与其相对应的基准或固定机构上，调整第一阶梯镜(5)的位置和角度，当观察到经过第一阶梯镜(5)某一反射面反射的激光光束照射到光阑上的光斑与光阑孔重合时，固定第一阶梯镜(5)；

e、移走激光光源附近的光阑，将分束器(3)放置在基底上与其相对应的基准或固定机构上，调整分束器(3)的位置和角度，当分束器(3)对准基底上与其相对应基准或固定机构后将其固定；将面阵探测器(7)放置在基底上与其相对应的基准或固定机构上，调整面阵探测器(7)位置和角度，当观察到面阵探测器(7)中央区域出现一个关于中心对称的半径最小的亮斑时，固定面阵探测器(7)；

f、将第二阶梯镜(4)放置在基底上与其相对应的基准或固定机构上，调整第二阶梯镜(4)位置和角度，当观察到经过第二阶梯镜(4)反射的光束透过分束器(3)后在面阵探测器(7)上得到的亮斑与第一阶梯镜(5)反射的光束在面阵探测器(7)上得到的亮斑重合时，固定第二阶梯镜(4)；

g、将会聚透镜组合(6)放置在基底上与其相对应的基准或固定机构上，调整会聚透镜组合(6)位置和角度，当观察到面阵探测器(7)中央区域出现一个半径最小的亮斑时，固定会聚透镜组合(6)；

h、将激光光源换成一个扩展光源，并将准直系统(2)放置在基底上与其相对应的基准或固定机构上；在准直系统(2)与分束器(3)之间的第一光轴参考线上放置一个小孔光阑，此时精密调节准直系统(2)的角度和角度，当观察到两路光束在面阵探测器(7)上得到的亮斑重合时，移走光阑，固定准直系统(2)。

2、根据权利要求1所述的微型傅里叶变换光谱仪的制作方法，其特征在于许所述的步骤b中第一光轴参考基准和第二光轴参考基准为第一光轴参考线和第二光轴参考线、第一光轴参考槽和第二光轴参考槽或第一光轴参考凸线和第二光轴参考凸线。

3、根据权利要求1所述的微型傅里叶变换光谱仪的制作方法，其特征在于所述的步骤b中与各光学元件形状和位置相对应的三维微结构为定位凹槽或者定位凸起三维微结构。

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