CN101532879B - 基于菲涅尔波带片的微光谱分析方法及器件 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于菲涅尔波带片的微光谱分析方法及器件，利用菲涅尔波带片的轴向分光特性，在轴向上探测不同波长入射光强，实现光谱分析探测。其由菲涅尔波带片构成的轴向分光元件作为上层可动分光结构，用静态单个光电探测单元和驱动电路作为下层静态探测及有源驱动结构，两层结构之间由桥式支撑结构连接。先将光信号入射到上菲涅尔波带片，使其被聚焦到下层的光电探测单元；由驱动电路对菲涅尔波带片做纵向下拉，使不同波长的聚焦点依次落在光电探测单元上，然后将光信号转换成电信号，再经后续的信号处理及算法解析，获得入射光光谱。本发明可以采用MEMS技术和光学微细加工技术实现，大大缩短光路，使得器件结构更加紧凑，集成度更高，体积更微小。

Description

基于菲涅尔波带片的微光谱分析方法及器件

技术领域

本发明涉及一种基于菲涅尔波带片的微光谱分析方法与器件，更具体的说，本发明是利用菲涅尔波带片的轴向分光，实现对光谱的分析。

背景技术

随着MEMS(微机电系统)技术和微光学器件与系统技术的不断发展和成熟，许多微型光学元器件都广泛应用于各种仪器，如数字微镜器件(DMD)、光栅光阀(GLV)等，使仪器越来越趋于微型化，并在商业应用中已经取得巨大成功。

在微型光谱分析仪器领域，国外虽然有相应的产品，但都存在一定的缺点与不足。如德国的Steag Microparts公司的指上光谱仪，采用凹面光栅，由于光栅上真正有效的衍射面积较小使得光能利用率低，且加工难度大。美国的Ocean Optic公司的掌上光线光谱仪，未改变传统光谱仪器结构，光学元件较多结构复杂。此外还有采用数字微镜技术，但加工工艺复杂，良品率低下，可重复性差。在国内的文献中，目前未发现有使用菲涅尔波带片作为分光元件的微光谱分析器件。

发明内容

针对目前微型光谱分析器件存在的不足与缺点，本发明提出了一种新型的基于菲涅尔波带片分光的微光谱分析器件及方法。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于菲涅尔波带片的微光谱分析方法，所述方法是利用菲涅尔波带片的轴向分光特性，在轴向上探测不同波长入射光强，实现光谱分析探测。方法采用由菲涅尔波带片构成的轴向分光元件作为上层可动分光结构，采用静态单个光电探测单元和驱动电路作为下层静态探测及有源驱动结构，两层结构之间由一个桥式支撑结构连接；先将光信号入射到上菲涅尔波带片，使光信号被聚焦到下层的光电探测单元；驱动电路输出扫描电压信号，驱动桥式支撑结构，从而对上层菲涅尔波带片做纵向下拉；由于波带片的分光特性，不同波长的聚焦点依次落在光电探测单元上，然后不同波长的光信号被转换成电信号，再经信号处理电路对信号进行采样，采样点位于每个波长的聚焦时刻，并与驱动信号时序相匹配，以区分不同下拉电压对应的波长信号；最后经后续的信号处理及算法解析，便获得入射光的光谱。

依据以上方法，本发明进一步提出了一种基于菲涅尔波带片的的微光谱分析器件，其包括上层可动分光结构和下层静态探测及有源驱动结构，两层结构之间由一个桥式支撑结构连接；所述上层可动分光结构是由菲涅尔波带片构成的轴向分光元件，所述菲涅尔波带片的焦点恰好位于下层结构的光电探测单元上，即所述菲涅尔波带片可将入射光束汇聚于下层结构的光电探测单元处；所述下层静态探测及有源驱动结构是由在硅基上集成单个光电探测单元和驱动电路组成，光电探测单元将由上层菲涅尔波带片汇聚的光强信号转换为电信号，驱动电路与桥式支撑结构在电学上相连接，输出不同的电压扫描信号，采用静电驱动方式控制桥式支撑结构纵向运动，从而上下拉动菲涅尔波带片。

本发明可采用透射式的轴向分光光路，避免通常由反射或衍射带来的光能损耗，因此可以提高探测光强，并且可大大缩短光路，器件结构将更加紧凑，集成度更高；从而将实现芯片级的光谱分析。

该发明主要利用菲涅尔波带片的轴向分光色散特性，即菲涅尔波带片对光有聚焦作用，其焦距与波长存在 $f=\±\frac{1}{n}(\frac{R_0^2}{\mathrm{\λ}}-\frac{\mathrm{\λ}}{4})$ 的关系，其中n为折射率，R0为中心带半径，λ为波长。由此可见不同波长的光将在光轴上汇聚于不同焦点，即实现轴向的分光。基于此原理设计的轴向光谱分析探测，可以大大缩短光路，使得器件结构更加紧凑，集成度更高，体积更微小。同时，采用MEMS技术和光学微细加工技术使得基于菲涅尔波带片的微光谱分析器件更加具有微型化的前景，进而可发展为芯片级的光谱分析仪。

附图说明

图1为一种结构形式的基于菲涅尔波带片的微光谱分析器件的剖面结构图；

图2为上述结构形式的基于菲涅尔波带片的微光谱分析器件的俯视结构图

图3为上述结构形式的基于菲涅尔波带片的微光谱分析器件的侧视结构图

图中，1菲涅尔波带片；2支撑柱；3桥式支撑结构；4通孔；5硅基底；6光电探测单元；7驱动电路单元和底电极

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

基于菲涅尔波带片的微光谱分析器件的加工工艺通过如下来实现：首先，采用CMOS工艺在硅片基底上加工驱动电路单元和底电极7，淀积绝缘层，同时集成半导体单个光电探测单元6。通过硅微加工技术制作桥式支撑结构3，并与下层的驱动电路单元和底电极7在电学上相连接，在桥式支撑结构3上利用光学微细加工技术制作菲涅尔波带片1并有支撑柱2实现两端桥式支撑；且菲涅尔波带片1的焦点恰好位于光电探测单元6上。这样就可实现下层驱动电路单元7对桥式支撑结构3的静电驱动控制，从而实现分光结构即菲涅尔波带片1纵向可动。

当器件工作时，入射光线经过菲涅尔波带片1后，光线透过桥式支撑结构3上的通孔4向下聚焦，不同波长光聚焦点在轴向分离；再由下层驱动电路单元和底电极7输出信号，通过静电驱动方式驱动桥式支撑结构3，带动下拉菲涅尔波带片1使得不同波长光的聚焦点依次落在光电探测单元6上，光电探测单元6将不同德光强信号转换为光谱电信号，再经信号处理电路对信号进行采样，采样点位于每个波长的聚焦时刻，并与驱动信号相匹配；最后经后续的信号处理及算法解析，便获得入射光的光谱。

该发明可适于小范围波段的光谱分析，具有体积小，重量轻，集成度高，使用便捷，易批量化生产等特点，可作为芯片级的光谱分析仪，也可与其他软硬件设备相集成共同构成一个新的光谱分析系统，在医疗、卫生、安全等其他领域有应用前景。

以上采用实施例对本发明进行了描述。那些只有在本领域的技术人员阅读了本公开文件之后才变得一目了然的改进和修改，仍然属于本申请的精神和范畴。

Claims (4)

1.一种基于菲涅尔波带片的微光谱分析方法，所述方法是利用菲涅尔波带片的轴向分光特性，在轴向上探测不同波长入射光强，实现光谱分析探测；其特征在于，所述方法采用由菲涅尔波带片构成的轴向分光元件作为上层可动分光结构，采用静态单个光电探测单元和驱动电路作为下层静态探测及有源驱动结构，两层结构之间由一个桥式支撑结构连接；先将光信号入射到上菲涅尔波带片，使光信号被聚焦到下层的光电探测单元；驱动电路输出扫描电压信号，驱动桥式支撑结构，从而对上层的菲涅尔波带片做纵向下拉；由于波带片的分光特性，不同波长的聚焦点依次落在光电探测单元上，然后不同波长的光信号被转换成电信号，再经信号处理电路对信号进行采样，采样点位于每个波长的聚焦时刻，并与驱动信号相匹配；最后经后续的信号处理及算法解析，便获得入射光的光谱。

2.实现权利要求1所述方法的基于菲涅尔波带片的微光谱分析器件，其包括上层可动分光结构和下层静态探测及有源驱动结构，两层结构之间由一个桥式支撑结构连接；其特征在于，所述上层可动分光结构是由菲涅尔波带片构成的轴向分光元件，所述菲涅尔波带片的焦点恰好位于下层结构的光电探测单元上；所述下层静态探测及有源驱动结构是由在硅基上集成的静态单个光电探测单元和驱动电路组成，光电探测单元将由上层菲涅尔波带片汇聚的光强信号转换为电信号，驱动电路与桥式支撑结构在电学上相连接，输出不同的电压扫描信号，采用静电驱动方式控制桥式支撑结构纵向运动，从而上下拉动菲涅尔波带片。

3.根据权利要求2所述的基于菲涅尔波带片的微光谱分析器件，其特征在于：所述驱动电路输出的驱动电压信号与光电探测单元输出的信号时序上相匹配，以区分不同下拉电压对应的波长信号。

4.根据权利要求2或3所述的基于菲涅尔波带片的微光谱分析器件，其特征在于：所述桥式支撑结构中间有通孔，位于菲涅尔波带片的正下方，通孔的大小使得通过菲涅尔波带片的汇聚光线全部或部分通过，起到光阑的作用。

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