CN101858786A - 相位调制台阶阵列微型光谱仪 - Google Patents
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Abstract
相位调制台阶阵列微型光谱仪，包括一个构建在基底(3)上表面的微型干涉仪二维阵列，每个微型干涉仪设有第一台阶(1)，第一台阶(1)在不同的微型干涉仪中高度不同，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(7)；遮挡物(7)把大部分CCD面元遮住，在每一个微型干涉仪下方的遮挡物(7)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，第一台阶的宽度与入射光波波长处于同一量级，第一台阶的最大高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(5)。解决了体积较大、对振动敏感、制作成本较高、分辨率较低、测量频带宽度较窄等技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及到一种光谱测量装置，尤其是一种便携式实时探测的光谱测量装置。
背景技术
光谱仪是一种通过获取研究物质的光谱信号来分析物质的组成和含量的重要分析仪器，光谱仪的应用随着光谱仪的每一次发展都得到一次拓展，如今已在几乎所有的分析领域得到广泛应用，如现代科学实验、生物研究、医学及医药研究、工农业生产、国防、天文观测等。具体而言，在地质勘探中，对矿石中各种物质成分及其含量的检验；在冶金行业中，对钢水中C、P、S的分析；在食品工业中。对食品中的有害金属杂质及维生素的分析；在生物学、医学、制药中，对微量元素、生物和微生物的大分子结构的分析；在物理学、化学中，对原子、分子的能级分布、精细结构的分析；在天文学和空间物理学中，对星体的成分、大小、重量运动方向、速度和温度进行分析。总之，光谱仪器受到越来越广泛的重视，已成为我们了解这个客观世界的有力工具。
随着现代科学技术的飞速发展，许多研究、应用领域对光谱仪器又提出了更高要求。特别是航天遥感遥测、地质矿藏勘探、环境监测、微流控领域等众多研究、应用领域的发展，迫切需要一种小型化、集成化、智能化、测量频段宽、分辨率高、抗振动干扰能力强、性能稳定可靠、功耗小、电压低、使用方便灵活、性能价格比高，且能快速、实时、直观地获取光谱信号的微小型光谱仪。而目前所广泛使用的光谱仪不仅分辨率不够高，测量频带不够宽，而且普遍存在体积大、价格昂贵、安装调试困难、使用条件苛刻等不足。如傅里叶变换光谱仪其分辨率受制于动镜的移动范围，不仅体积较大，而且对振动敏感。光栅衍射型光谱仪所用光栅体积相对较小，但该种光谱仪分辨率不高，而且价格不菲。要实现高分辨率实时检测，而价格又不至于过于昂贵，用现有的装置很难实现。因此，研制一方面能满足高性能低成本的应用要求，另一方面又能达到光谱仪器的微型化、集成化目的的微小型光谱仪便成了现在世界各国的研究热点。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种相位调制台阶阵列微型光谱仪，解决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、测量频带宽度较窄等技术问题。
技术方案：本发明的相位调制台阶阵列微型光谱仪包括一个构建在基底上表面的微型干涉仪二维阵列，每个微型干涉仪设有第一台阶，第一台阶在不同的微型干涉仪中高度不同，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，透光孔位于第一台阶下方的任意位置，为了提高整个器件的灵敏度，透光孔位于第一台阶边缘的正下方，如果台阶宽度在两个入射光波长以内，透光孔位于第一台阶的中央；第一台阶的宽度与入射光波波长处于同一量级，第一台阶的最大高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台阶数可以为两个，这时每个微型干涉仪中的台阶由第一台阶、第二台阶并列连接组成，但其中只有第一台阶的高度在各个微型干涉仪中各不相同，第二台阶的高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台阶之间接触位置的正下方。
每个干涉仪中的台阶数可以为多个，但其中只有第一台阶的高度在各个微型干涉仪中各不相同，其他台阶的高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。
第一台阶、第二台阶、基底所用材料相同，均为透明材料，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高度的第一台阶，台阶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高度变化的那个台阶，即第一台阶，其高度可以不是线性变化，台阶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，其中的第一台阶的高度不是完全一样。
有益效果：本发明具有以下优点：
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不同台阶高度的微型干涉仪。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。所有的台阶，基底可以用聚合物材料。而台阶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台阶并排放置的形式。对于不同的微型干涉仪，第一台阶高度各不相同，第二台阶高度相同。
图2是图1其中一个长方体台阶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3是本发明另一结构原理图(CCD没有在图中标出)。其中每一个微型干涉仪采用两个紧邻的同心圆柱台阶组成。对于不同的微型干涉仪，圆柱形第一台阶高度各不相同，圆柱第二台阶高度相同。
图4是图3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5是本发明另一结构原理图(CCD没有在图中标出)。其中每一个微型干涉仪采用一个圆柱形第一台阶与基底构成。对于不同的微型干涉仪，其中该圆柱形台阶高度各不相同。
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7是本发明另一结构原理图(CCD没有在图中标出)。其中每一个微型干涉仪采用一个长方形第一台阶与基底构成。对于不同的微型干涉仪，长方形第一台阶高度各不相同。
图8是图7其中一个微型干涉仪的截面示意图以及入射光准直装置的截面示意图。
图中有第一台阶1、第二台阶2、基底3、CCD 4、小孔5、透镜6、遮挡物7。
具体实施方式
本发明的光谱仪包括一个构建在基底3上表面的微型干涉仪二维阵列，每个微型干涉仪设有第一台阶1，第一台阶1在不同的微型干涉仪中高度不同，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7；遮挡物7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7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，透光孔位于第一台阶下方的任意位置，为了提高整个器件的灵敏度，透光孔位于第一台阶1边缘的正下方，如果台阶宽度在两个入射光波长以内，透光孔位于第一台阶的中央；第一台阶的宽度与入射光波波长处于同一量级，第一台阶的最大高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5。
上述基底薄膜3的材料可以与上述两个台阶所用材料相同，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7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)，位于两个台阶下方的合适位置，一般位于两个台阶之间接触位置的正下方。如果只用一个台阶，则位于该台阶的中央(台阶的宽度在两个入射最大波长以内)或边缘的正下方。遮挡物7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高度的台阶，台阶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台阶横截面必须是相同的。对于不同的微型干涉仪高度变化的那个台阶，即第一台阶1，其高度可以不是线性变化，台阶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，第一台阶高度不是完全一样。这样就可以确保在各个微型干涉仪中入射光经过这两个台阶后由于相位差不同，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，不管台阶是什么形状，不管采用一个台阶还是两个台阶(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台阶，该台阶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。那么从该台阶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，从台阶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7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5。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，可以采用长方体第一台阶1和长方体第二台阶2并排放置的形式设计微型干涉仪。第一台阶1和第二台阶2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。在第一台阶1和第二台阶2的下方有一层基底3薄膜，基底3和第一台阶1、第二台阶2都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，入射到该微型干涉仪。由于微型干涉仪的两个台阶(第一台阶1和第二台阶2)高度不同，因此光经过这两个台阶后，相位的变化各不相同。当经过两个台阶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7遮住每一个CCD 4单元的大部分面积，只用每一个CCD 4单元的其中一部分测量每一个微型干涉仪底部，位于两个台阶之间中央位置处的干涉光强大小。
由于不同微型干涉仪的台阶高度不同，光经过这些台阶的相位变化不同，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CCD4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。也可以采用另一种结构，参见图3，每一个微型干涉仪采用两个紧邻的同心圆柱台阶组成。对于不同的微型干涉仪，第一台阶1高度各不相同，第二台阶2高度相同。
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。由于微型干涉仪的两个台阶(第一台阶1和第二台阶2)高度不同，因此光经过这两个台阶后，相位的变化各不相同。当经过两个台阶后出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台阶1出射的和在第一台阶1两侧的从第二台阶2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CCD4单元测得通过各个微型干涉仪后第一台阶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。
还可以简化结构，参见图5，每一个微型干涉仪采用圆柱形第一台阶1和基底3组成。对于不同的微型干涉仪，第一台阶1高度各不相同。
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台阶1有一定高度，因此经过第一台阶1的光与直接通过基底的光，相位的变化各不相同。当经过第一台阶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台阶1出射的和在第一台阶1两侧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CCD4单元测得通过各个微型干涉仪后第一台阶1正下方的光强大小。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长方形第一台阶1和基底3组成。对于不同的微型干涉仪，第一台阶1高度各不相同。
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台阶1有一定高度，因此经过第一台阶1的光与直接通过基底的光，相位的变化各不相同。当经过第一台阶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台阶1出射的和在第一台阶1两侧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CCD4单元测得通过各个微型干涉仪后第一台阶1与基底3接触中间处光强大小。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)
1.一种相位调制台阶阵列微型光谱仪，其特征在于该光谱仪包括一个构建在基底(3)上表面的微型干涉仪二维阵列，每个微型干涉仪设有第一台阶(1)，第一台阶(1)在不同的微型干涉仪中高度不同，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(7)；遮挡物(7)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(7)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，透光孔位于第一台阶下方的任意位置，为了提高整个器件的灵敏度，透光孔位于第一台阶(1)边缘的正下方，如果台阶宽度在两个入射光最大波长以内，透光孔位于第一台阶的中央；第一台阶的宽度与入射光波波长处于同一量级，第一台阶的最大高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(5)。
2.根据权利要求1所述的相位调制台阶阵列微型光谱仪，其特征在于每个微型干涉仪中的台阶数可以为两个，这时每个微型干涉仪中的台阶由第一台阶(1)、第二台阶(2)并列连接组成，但其中只有第一台阶(1)的高度在各个微型干涉仪中各不相同，第二台阶(2)的高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台阶之间接触位置的正下方。
3.根据权利要求1所述的相位调制台阶阵列微型光谱仪，其特征在于每个干涉仪中的台阶数可以为多个，但其中只有第一台阶(1)的高度在各个微型干涉仪中各不相同，其他台阶的高度在不同的微型干涉仪中始终相同。
4.根据权利要求1所述的相位调制台阶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所述的相位调制台阶阵列微型光谱仪，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所述的相位调制台阶阵列微型光谱仪，其特征在于第一台阶(1)、第二台阶(2)、基底(3)所用材料相同，均为透明材料，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所述的相位调制台阶阵列微型光谱仪，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高度的第一台阶(1)，台阶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高度变化的那个台阶，即第一台阶，其高度可以不是线性变化，台阶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，其中的第一台阶(1)的高度不是完全一样。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Free format text: FORMER OWNER: THE CHINESE UNIVERSITY OF HONG KONG, CHINA Effective date: 20141205 Owner name: NANJING FANGYUAN GLOBAL PHOTOELECTRIC MATERIAL CO. Free format text: FORMER OWNER: NANJING POST + TELECOMMUNICATION UNIV. Effective date: 20141205 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 210003 NANJING, JIANGSU PROVINCE TO: 210000 NANJING, JIANGSU PROVINCE |
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Effective date of registration: 20141205 Address after: 210000 Jiangsu city of Nanjing province Nanjing economic and Technological Development Zone Heng Road No. 8 Room 511 branch base Patentee after: Nanjing Fangyuan Huanqiu photoelectric material Co., Ltd. Address before: 210003 Nanjing City, Jiangsu Province, the new model road No. 66 Patentee before: Nanjing Post & Telecommunication Univ. Patentee before: Chinese University Hong Kong |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: NANJING FANGYUAN GLOBAL DISPLAY TECHNOLOGY CO., LT Free format text: FORMER OWNER: NANJING FANGYUAN GLOBAL PHOTOELECTRIC MATERIAL CO., LTD. Effective date: 20150515 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20150515 Address after: 210000 No. 38, Guangdong Road, Gulou District, Jiangsu, Nanjing Patentee after: Nanjing Fangyuan Global Display Technology Co., Ltd. Address before: 210000 Jiangsu city of Nanjing province Nanjing economic and Technological Development Zone Heng Road No. 8 Room 511 branch base Patentee before: Nanjing Fangyuan Huanqiu photoelectric material Co., Ltd. |
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Granted publication date: 20120926 Termination date: 20151229 |
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