CN101819063A - 相位调制凹槽阵列微型光谱仪 - Google Patents

Abstract

相位调制凹槽阵列微型光谱仪包括一个构建在基底(3)中的微型干涉仪二维阵列，每个微型干涉仪设有第一凹槽(1)，在不同的微型干涉仪中的第一凹槽(1)在基底(3)里的深度不同，在基底(3)的下表面设有CCD(4)，在基底(3)和CCD(4)中间有一层遮挡物(5)；遮挡物(5)把大部分CCD面元遮住，但在每一个微型干涉仪下方的遮挡物(5)上留有透光孔，透光孔的孔径小于CCD(4)所能探测到的入射光波的最小波长，透光孔位于第一凹槽下方的任意位置；在微型干涉仪二维阵列的上方有两个共焦的透镜(6)，在两个共焦的透镜(6)之间的焦点处的遮光板中有一个小孔(7)。解决了体积较大、对振动敏感、制作成本较高、分辨率较低、波长测量范围较窄等技术问题。

Description

相位调制凹槽阵列微型光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光谱测量装置，尤其是一种便携式实时探测的光谱测量装置。

背景技术

光谱仪是光学仪器的重要组成部分。它是应用光学方法，对物质的结构和成分等进行测量和分析的基本设备，广泛应用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等领域，也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的遥感设备。

在光谱仪发展过程中，虽然性能在不断提高、功能在不断完善，仪器的体积却显得笨重庞大，虽然它们可以部分满足实验室内的科学分析的需要，但是在实验室以外的应用将受到限制。近年来由于环境监测、生物医学、科技农业、军事分析以及工业流程监控等领域的现代化发展，提出了非常急迫的分析仪器小型化、轻量化要求。在特殊场合下(如环保、野外、现场检测、星载分析检测等)还要求仪器坚固抗振。因此，目前光谱仪的发展趋势是智能化、微型化(集成化、芯片化和系统工程化)。由于采用了大尺寸的反射镜，现在商用的付里叶光谱仪通常占用较大空间，而且对振动敏感，其分辨率受制于动镜的移动范围，带宽也较窄。对于军队、地质勘探、野外生物考察等一些需要现场实时测试的应用领域，实验室中常用的付里叶光谱仪不仅携带不方便，而且不能抗振，价格也较贵。

如今各国相继设计、开发了小型化、轻量化甚至全固态化的仪器。如光栅衍射型光谱仪所用光栅体积相对较小，可以采用光纤的接口实现实时测量。但该种光谱仪分辨率不高。体积虽然比付里叶光谱仪小，但是还不能达到集成化、芯片化的程度。所以，用现有的装置很难同时实现体积小、波长测量范围宽、分辨率高、成本低的实时光谱检测。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种相位调制凹槽阵列微型光谱仪，其解决了背景技术中体积较大、对振动敏感、制作成本较高、分辨率较低、波长测量范围较窄等技术问题。

技术方案：本发明的相位调制凹槽阵列微型光谱仪包括一个构建在基底中的微型干涉仪二维阵列，每个微型干涉仪设有第一凹槽，不同的微型干涉仪中的第一凹槽在基底里的深度不同，在基底的下表面设有CCD，在基底和CCD中间有一层遮挡物；遮挡物把大部分CCD面元遮住，但在每一个微型干涉仪下方的遮挡物上留有透光孔，透光孔的孔径小于CCD所能探测到的入射光波的最小波长，透光孔位于第一凹槽下方的任意位置，为了提高整个器件的灵敏度，透光孔位于第一凹槽边缘的正下方，如果凹槽宽度在两个入射光最大波长以内，透光孔位于第一凹槽的中央；第一凹槽的宽度与入射光波波长处于同一量级，第一凹槽的最大深度也为入射光波波长量级，在微型干涉仪二维阵列的上方有两个共焦的透镜，在两个共焦的透镜之间的焦点处的遮光板中有一个小孔。

每个微型干涉仪中的凹槽数可以为两个，这时每个微型干涉仪中的凹槽由第一凹槽、第二凹槽并列连接组成，但其中只有第一凹槽的深度在各个微型干涉仪中各不相同，第二凹槽的深度在不同的微型干涉仪中始终相同；为了提高整个器件的灵敏度，所述透光孔位于两个凹槽之间接触位置的正下方。

每个干涉仪中的凹槽数可以为多个，但其中只有第一凹槽的深度在各个微型干涉仪中各不相同，其他凹槽的深度在不同的微型干涉仪中始终相同。

所述遮挡物所用材料是非金属的不透光材料。

微型干涉仪二维阵列中的各个微型干涉仪之间留有足够的间距。

基底为透明材料，在所能探测的入射波段没有明显的吸收峰。

微型干涉仪二维阵列中的每个微型干涉仪对应的不同深度的第一凹槽，凹槽横截面形状可以是不规则的，但彼此之间是相同的；对于不同的微型干涉仪深度变化的那个凹槽，即第一凹槽，其深度可以不是线性变化，凹槽底面也可以不完全光滑平整，只要能保证对于不同的微型干涉仪，其中的第一凹槽的深度不是完全一样。

有益效果：

1、体积小，测量时不需要移动光学器件，便于携带，测量时振动因素对它影响较小，可用于在复杂环境中的实时测量。

2、光谱分辨率高，分谱的分辨率由微型干涉仪和CCD像素的数量决定。因为每一个微型干涉仪体积小，所以即使阵列中有一万个这样的微型干涉仪，其横截面积只有大约1mm²，所以一个光谱仪芯片可以具备很多个不同凹槽深度的微型干涉仪。CCD的像素现在很容易达到百万以上，所以整个光谱测量装置可以达到很高的分辨率。

3、制作成本低。所有的凹槽，基底可以用聚合物材料。而凹槽的制作可以采用光刻，或离子束刻蚀，或模压等多种成熟的工艺手段，可以借鉴半导体产业及光存储产业的工艺技术。CCD产品也很成熟，所以整个装置的成本较低。

4、光谱测量范围宽。其测量的波长范围由所用CCD所能测量的波长范围所决定。而普通CCD可以测量从红外到可见，乃至紫外波段。而特殊的CCD可以测量普通CCD测量不到的波段。所以相应光谱仪也具备较宽的光谱测量范围。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。由一系列微型干涉仪组成，其中每一个微型干涉仪采用两个长方体凹槽并排放置的形式。对于不同的微型干涉仪，其中一个凹槽深度各不相同，另一个凹槽深度相同。图中有：第一凹槽1、第二凹槽2、基底3、CCD 4。

图2是图1其中一个长方体凹槽并列放置微型干涉仪的截面示意图以及入射光准直装置的截面示意图。图中有：第一凹槽1、第二凹槽2、基底3、CCD 4、遮挡物5、透镜6、小孔7。

图3是本发明另一结构原理图。其中每一个微型干涉仪采用一个长方形凹槽与基底构成。对于不同的微型干涉仪，长方形凹槽深度各不相同。图中有：第一凹槽1、基底3、CCD4。

图4是图3其中一个微型干涉仪的截面示意图。图中有：第一凹槽1、基底3、CCD 4、遮挡物5。

图5是本发明另一结构原理图。其中每一个微型干涉仪采用两个同心圆柱形凹槽构成。对于不同的微型干涉仪，外圆柱形凹槽(第一凹槽)深度各不相同，内圆柱形凹槽(第二凹槽)深度不变(图中深度为零，即为基底)。图中有：第一凹槽1、基底3、CCD4。

图6是图5其中一个微型干涉仪的截面示意图以及入射光准直装置的截面示意图。图中有：第一凹槽1、基底3、CCD 4、遮挡物5。

图7是本发明另一结构原理图。其中每一个微型干涉仪采用一个圆柱形凹槽与基底构成。对于不同的微型干涉仪，圆柱形凹槽深度各不相同。图中有：第一凹槽1、基底3。

图8是图7其中一个微型干涉仪的截面示意图以及入射光准直装置的截面示意图。图中有：第一凹槽1、基底3、CCD 4、遮挡物5。

具体实施方式

本发明的光谱仪包括一个构建在基底3上的微型干涉仪二维阵列，每个微型干涉仪设有第一凹槽1，第一凹槽1在不同的微型干涉仪中深度不同，在基底3的下表面设有CCD4，在基底3和CCD4中间有一层遮挡物5；遮挡物5把大部分CCD面元遮住，但在每一个微型干涉仪下方的遮挡物5上留有透光孔，透光孔的孔径小于CCD4所能探测到的入射光波的最小波长，透光孔位于第一凹槽下方的任意位置，为了提高整个器件的灵敏度，透光孔位于第一凹槽1边缘的正下方，如果凹槽宽度在两个入射光波长以内，透光孔位于第一凹槽的中央；第一凹槽的宽度与入射光波波长处于同一量级，第一凹槽的最大深度也为入射光波波长量级，在微型干涉仪二维阵列的上方有两个共焦的透镜6，在两个共焦的透镜6之间的焦点处的遮光板处有一个小孔7。

上述基底薄膜3的材料可以与上述两个凹槽所用材料相同，均为透明材料。在基底薄膜3下方是电荷耦合器件CCD阵列4，每一个微型干涉仪使用一个CCD像素用于探测光线干涉后的能量大小。但是为了提高信噪比和灵敏度，并不是用整个CCD像素探测，而是只用整个像素面元的其中一部分。所以在基底3和CCD4之间，有遮挡物5把大部分CCD面元遮起来。在每一个微型干涉仪下方，只留一个透光孔(直径小于一个波长)，位于两个凹槽下方的合适位置，一般位于两个凹槽之间接触位置的正下方。如果只用一个凹槽，则位于该凹槽的中央(凹槽的宽度在两个入射最大波长以内)或边缘的正下方。遮挡物5的材料是不透光的材料，但最好不用金属，以避免表面等离子体波对最终信号的影响。

上述微型干涉仪阵列中每个微型干涉仪可对应的两个不同深度的凹槽，凹槽横截面形状可以是任意的(可以是两个紧邻的长方体，也可以是两个同心圆柱，也可以是其他形状)，但对于不同的微型干涉仪凹槽横截面必须是相同的。对于不同的微型干涉仪深度变化的那个凹槽，即第一凹槽1，其深度可以不是线性变化，凹槽表面也可以不完全光滑平整，只要能保证对于不同的微型干涉仪，第一凹槽深度不是完全一样。这样就可以确保在各个微型干涉仪中入射光经过这两个凹槽后由于相位差不同，出射的相干光束在各个CCD面元处产生的光强大小各不相同。换句话说，不管凹槽是什么形状，不管采用一个凹槽还是两个凹槽(也可以是多个)，不管是利用双光束干涉还是多光束干涉，只要能保证入射光经过不同的微型干涉仪后，最后各个微型干涉仪对应的CCD面元测到的干涉光强大小各不相同。

上述微型干涉仪阵列中的每一个微型干涉仪中如果只有一个凹槽，该凹槽可以长方形或圆柱形或其他形状，但对于不同的微型干涉仪，其深度各不相同。那么从该凹槽出射的光线会与从基底薄膜表面入射的光线相互干涉。由于对于不同的微型干涉仪，从凹槽出射的和从基底表面出射的光之间的相位差互不相同，从而使得在遮挡物5后的CCD面元能够探测到不同的干涉光强。

上述微型干涉仪阵列中的每一个微型干涉仪之间都留有足够的间距，以避免相互之间信号干扰。微型干涉仪阵列的入射光路设置有准直镜。包括两个共焦透镜以及在他们之间的焦点处的小孔7。CCD4的所能探测到的波长范围决定整个光谱仪的所能测量的波长范围。CCD4各个面元所得数据需要进行反演，才能得到入射光谱的信息。

参见图1，我们采用长方体形状的第一凹槽1和第二凹槽2并排放置的形式设计微型干涉仪。上述两个不同深度凹槽的制作可以采用离子刻蚀的方法，通过在波导表面覆盖掩膜，用离子发生器发出的离子束聚焦在基底3表面，离子束作用时间的长短控制着所打第一凹槽1的深度。或通过强激光聚焦在基底3表面进行烧蚀，激光强度不同，第一凹槽1的深度也不同。当然，也可以通过机械热压的方法进行模压，如同制作CD或DVD光盘信息坑一样。所压制的第一凹槽1的深度可以通过精密控制的方法来实现。

基底3采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。每一个CCD 4单元位于每个微型干涉仪的正下方，用于测量干涉光强的大小。

参见图2，图2是图1其中一个微型干涉仪的截面示意图。当入射光经过准直后，入射到其中一个微型干涉仪。由于微型干涉仪的两个凹槽(第一凹槽1和第二凹槽2)深度不同，因此光经过这两个凹槽后，相位的变化各不相同。当经过两个凹槽后出射的光重新溶合在一起时，将会发生干涉。为了提高灵敏度和信噪比，可以用遮挡物遮住每一个CCD 4单元的大部分面积，只用每一个CCD4单元的其中一部分测量每一个微型干涉仪底部，位于两个凹槽之间中央位置处的干涉光强大小。

由于不同微型干涉仪的凹槽深度不同，光经过这些凹槽的相位变化不同，最后在CCD 4单元上所探测到的干涉光强各不相同。也就是说，这些微型干涉仪对于入射光，在不同波长有不同的透射率。如果事先通过实验或仿真知道这些透射率，同时又通过CCD 4单元测得通过各个微型干涉仪后的总的光强大小。就可以通过反演，求得入射光各个波长的光强大小，从而求得入射光的谱线。

也可以采用图3中的结构，每一个微型干涉仪采用长方形第一凹槽1和基底3组成。对于不同的微型干涉仪，第一凹槽1深度各不相同。

图4是图3其中一个微型干涉仪的截面示意图。当入射光经过准直后，入射到该微型干涉仪。由于微型干涉仪中的第一凹槽1有一定深度，因此经过第一凹槽1的光与直接通过基底3的光，相位的变化各不相同。当经过第一凹槽1后出射的光与从基底3直接入射的光重新溶合在一起时，将会发生干涉。如果事先通过实验或仿真知道各个波长通过各个微型干涉仪的透射率，同时又通过CCD 4单元测得通过各个微型干涉仪后第一凹槽1与基底3接触部分中间位置处的光强大小。就可以通过反演，求得入射光各个波长的光强大小，从而求得入射光的谱线。

也可以采用另一种结构，参见图5，每一个微型干涉仪采用两个同心圆柱凹槽组成。对于不同的微型干涉仪，第一凹槽1深度各不相同，第二凹槽2深度为零，即为基底。

图6是图5其中一个微型干涉仪的截面示意图。当入射光经过准直后，入射到该微型干涉仪。由于微型干涉仪中的第一凹槽1有一定深度，因此光经过第一凹槽1的光与直接通过基底的光，相位的变化各不相同。当经过第一凹槽1后出射的光与从基底直接入射的光重新溶合在一起时，将会发生干涉。从截面图上来看，发生干涉的光束主要有从第一凹槽1出射的和从第一凹槽1中间的基底(第二凹槽深度为零)出射的光线。如果事先通过实验或仿真知道各个波长通过各个微型干涉仪的透射率，同时又通过CCD 4单元测得通过各个微型干涉仪后第一凹槽1正下方中央位置处的光强大小。就可以通过反演，求得入射光各个波长的光强大小，从而求得入射光的谱线。

也可以采用图7中的结构，每一个微型干涉仪采用圆柱形第一凹槽1和基底3组成。对于不同的微型干涉仪，第一凹槽1深度各不相同。

图8是图7其中一个微型干涉仪的截面示意图。当入射光经过准直后，入射到该微型干涉仪。由于微型干涉仪中的第一凹槽1有一定深度，因此经过第一凹槽1的光与直接通过基底的光，相位的变化各不相同。当经过第一凹槽1后出射的光与从基底直接入射的光重新溶合在一起时，将会发生干涉。从截面图上来看，发生干涉的光束主要有从第一凹槽1出射的和从基底薄膜表面直接入射的光线。如果事先通过实验或仿真知道各个波长通过各个微型干涉仪的透射率，同时又通过CCD 4单元测得通过各个微型干涉仪后第一凹槽1边缘下方中间位置处的光强大小。就可以通过反演，求得入射光各个波长的光强大小，从而求得入射光的谱线。

 

Claims (7)

1.一种相位调制凹槽阵列微型光谱仪，其特征在于该光谱仪包括一个构建在基底(3)中的微型干涉仪二维阵列，每个微型干涉仪设有第一凹槽(1)，在不同的微型干涉仪中的第一凹槽(1)在基底(3)里的深度不同，在基底(3)的下表面设有CCD(4)，在基底(3)和CCD(4)中间有一层遮挡物(5)；遮挡物(5)把大部分CCD面元遮住，但在每一个微型干涉仪下方的遮挡物(5)上留有透光孔，透光孔的孔径小于CCD(4)所能探测到的入射光波的最小波长，透光孔位于第一凹槽下方的任意位置；为了提高整个器件的灵敏度，透光孔位于第一凹槽(1)边缘的正下方，如果凹槽宽度在两个入射光最大波长以内，透光孔位于第一凹槽的中央；第一凹槽的宽度与入射光波波长处于同一量级，第一凹槽的最大深度也为入射光波波长量级，在微型干涉仪二维阵列的上方有两个共焦的透镜(6)，在两个共焦的透镜(6)之间的焦点处的遮光板中有一个小孔(7)。

2.根据权利要求1所述的相位调制凹槽阵列微型光谱仪，其特征在于每个微型干涉仪中的凹槽数为两个，这时每个微型干涉仪中的凹槽由第一凹槽(1)、第二凹槽(2)并列连接组成，但其中只有第一凹槽(1)的深度在各个微型干涉仪中各不相同，第二凹槽(2)的深度在不同的微型干涉仪中始终相同；为了提高整个器件的灵敏度，所述透光孔位于两个凹槽之间接触位置的正下方。

3.根据权利要求1所述的相位调制凹槽阵列微型光谱仪，其特征在于每个干涉仪中的凹槽数可以为多个，但其中只有第一凹槽(1)的深度在各个微型干涉仪中各不相同，其他凹槽的深度在不同的微型干涉仪中始终相同。

4.根据权利要求1所述的相位调制凹槽阵列微型光谱仪，其特征在于所述遮挡物(7)所用材料是非金属的不透光材料。

5.根据权利要求1所述的相位调制凹槽阵列微型光谱仪，其特征在于微型干涉仪二维阵列中的各个微型干涉仪之间留有足够的间距。

6.根据权利要求1或2所述的相位调制凹槽阵列微型光谱仪，其特征在于基底(3)所用材料为透明材料，在所能探测的入射波段没有明显的吸收峰。

7.根据权利要求1或2所述的相位调制凹槽阵列微型光谱仪，其特征在于微型干涉仪二维阵列中的每个微型干涉仪对应的不同深度的第一凹槽(1)，凹槽横截面形状可以是不规则的，但彼此之间是相同的；对于不同的微型干涉仪深度变化的那个凹槽，即第一凹槽，其深度可以不是线性变化，凹槽底面也可以不完全光滑平整，只要能保证对于不同的微型干涉仪，其中的第一凹槽(1)的深度不是完全一样。

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