CN102301213B - 包括多个发射源的光谱学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波长光谱学装置，其在一基片上包括一滤光栅元CF，所述滤光栅元包括两个镜片，两个镜片通过一隔膜隔开，该滤光栅元由多个干涉滤光器形成。此外，该装置包括一发射栅元CE，发射栅元包括多个发射源，每个发射源与干涉滤光器之一相关联。

Description

包括多个发射源的光谱学装置

技术领域

本发明涉及包括多个发射源的光谱学装置。

背景技术

本发明的领域是光谱测定分析的领域，其特别旨在通过一光源对进入固体、液体或气体介质的组份中的化学成分进行研究。这涉及记录该介质的反射或传播吸收光谱。与介质相互作用的光在某些波长带中被吸收。这种选择性吸收是一部分或全部介质成分的识别标志。要测量的光谱的波长范围可属于紫外线和/或可见光和/或红外线(近、中、远)。

第一种解决方案使用网格光谱仪。在该设备中，网格作为滤光器进行作用，布置在与检测器较远的一距离外。该距离越大，分辨率越好。因此，如果期望保存可接受的分辨率，该设备不能被微型化。此外，该设备的调节复杂，并且稳定性难以处理，这是因为需要精确的光学排齐。

大部分其它的光谱仪使用至少一法布里-珀罗滤光器。

为提醒起见，这类滤光器是称之为隔膜(英语术语“spacer”更为常见)的一材料(最常见的折射率低的材料，如空气、硅石，......)的一具有平行面的片体，所述隔膜出现在两个镜片之间。通常通过真空薄膜沉积制成。因此，对于通带在一正中波长λ上排齐中心的一滤光器，第一镜片包括光学厚度为λ/4的高折射率材料H层和低折射率材料B层的m次交替。隔膜经常包括2层光学厚度为λ/4的低折射率材料B。一般性地，第二镜片与第一镜片对称。对隔膜的几何厚度的修正允许使滤光器与正中波长相一致，对于正中波长而言，光学厚度等于λ/2的倍数。

在此情形下，相对细的通带的有限数目(即与一连续光谱相对的一离散光谱)足够用于识别所研究的成分，这样使得上文所述的第一解决方案没有被优化。

已知的第二解决方案设置使用一滤光栅元(cellule)，对于每个要分析的波长带，滤光栅元配有一元滤光器。如果波长带的数目等于n，n个滤光器的实施因而通过不同的n次真空沉积制造进行。因此对于小系列而言成本很大(并且与波长带的数目n几乎成正比)，并且对于足够大的系列而言实际上不是有利的。此外，这里同样地，微型化的可能性极大地被限制，并且设置大量的滤光器是难以实现的。

已知的第三解决方案使用一法布里-珀罗滤光器，就该滤光器的位于垂直于基片的一平面中的型面而言，该滤光器呈楔形。因此在文献US2006/0209413中公知的，该文献教导具有这种型面类型的一光谱分析仪。在标记为Oxy的该平面中，轴Ox和Oy分别地是共线的并且垂直于基片，镜片和隔膜的沿Oy的厚度按照镜片和隔膜被测量的沿Ox位置线性地变化。因此规定一滤光栅元，该滤光栅元具有一线性结构(一维)或一矩阵结构(二维)，其包括多个准单色元滤光器。检测通过在滤光栅元上叠置的一集成检测栅元保证，该检测栅元配有多个元检测器，这些多个元检测器与多个元滤光器相吻合。

对于滤光栅元而言，首先，“薄膜”方法的控制在这里是非常棘手的。第二，在同一晶片上集中制造多个滤光器在从一滤光器到另一滤光器的可复制性上存在很大的困难。第三，可能在某些情况下具有优点的厚度的连续变化，对于检测器需要在相当精确的一波长上排齐中心的情形并不适合。实际上，该检测器的大小使得：其将检测两端部所接受的波长之间的全部波长。同样，低成本的批量生产不是很现实的。

就检测栅元而言，明显的是，检测栅元使用多个元检测器。首先，只有如果能运用检测器的集成，这种配置才是有利的，然而并不总是能运用检测器的集成。第二，当要分析的波长带不包含在一种大量工业化生产材料，如硅的吸收光谱中时，这种检测器就会是一种昂贵的组件。

此外在文献US 2007/0188764和US 2007/007347中公知的，两文献都描述一种光谱学装置，该装置包括一滤光栅元和一发射栅元。在这两个文献中，滤光栅元简化为覆盖全部发射源的唯一的滤光器。

发明内容

因此本发明的对象在于波长光谱学装置，其允许测量不具有上文所涉及的限制的传播或反射光谱。

根据本发明，波长光谱学装置，其在一基片上包括滤光栅元，所述滤光栅元包括两个镜片，两个镜片通过一隔膜隔开，所述滤光栅元由多个干涉滤光器形成；所述波长光谱学装置此外包括发射栅元，所述发射栅元包括多个发射源，每个所述发射源与所述干涉滤光器之一相关联。

多个发射源允许使用唯一的检测器。本发明带来一决定性的优点——更加经济地增加发射源和检测器。

有利地，所述发射栅元如同所述基片的位似平坦支座，所述发射源和所述干涉滤光器根据该位似平坦支座和该基片的公共法线排齐。

优选地，所述波长光谱学装置包括至少一适配栅元，所述适配栅元包括多个透镜，每个所述透镜与所述干涉滤光器之一相关联。

为了优化检测器的效率，合适的是：所述滤光栅元被布置在所述发射栅元和所述适配栅元之间。

根据滤光栅元的一有利实施方式，至少一些所述滤光器在第一带片中排齐。

相同地，至少一些所述滤光器在与第一带片平行且分开的第二带片中排齐。

根据一附加的特征，相邻的至少两个所述滤光器通过邻道干扰围栅隔开。

附图说明

在接下来的对作为说明给出并且参照附图的一实施方式的描述范围中，本发明现在将进行更为详细地展示，附图中：

-图1是与一检测器相关联的光谱学装置的示意图；

-图2是发射栅元的示意图；

-图3是滤光栅元的第一形式的原理示意图；

-图4是一维滤光栅元的第二形式的原理示意图，更为特别地：

-图4a是该滤光栅元的俯视图，和

-图4b是该滤光栅元的剖视图；

-图5a到5c是该滤光栅元的第一实施方式的三步骤；

-图6a到6f是该滤光栅元的第二实施方式的六步骤；

-图7是二维滤光栅元的示意图；

-图8a到8f的每个示出在一刻制步骤时能够被使用的一掩模板；

-图9是适配栅元的示意图。

具体实施方式

在多个视图中存在的元件带有唯一相同的标记。

参照图1，本发明的装置在这里被设置以对任何介质MED进行传播分析。所述装置包括：一发光模块，所述发光模块主要地包括一发射栅元CE；和一检测模块，发射栅元叠置在一滤光栅元CF上，检测模块在这里简化为单一检测器DET。自然地，要分析的介质MED出现在发光模块和检测器之间。

作为选择，设置至少一适配栅元CA用于将发光模块光学适配于所述检测器。在本情形中，适配栅元CA与滤光栅元CF并置，面对检测器DET。

作为选择，适配栅元可出现在发射栅元CE和滤光栅元CF之间。甚至可设计两适配栅元，一个适配栅元在发射栅元CE和滤光栅元CF之间，另一个适配栅元与滤光栅元CF并置，与检测器DET面对。

参照图2，发射栅元CE包括元发射源网格DEL，元发射源网格DEL按4×4矩阵方式被布置在一支座上。在此情形下，这些发射源是通过杂化技术(hybridation)转印(reportées)到支座上的发光二极管。这种布置仅作为示例给出，这是因为许多其它的解决方案是可用的，同心圆、六边形，......同样地，为了实施本发明而引入的发射源的数目较少。

参照图3，根据第一形式，滤光栅元与在上文中提到的文献US2006/0209413中所描述的滤光栅元是相似的。该滤光栅元采用通过一隔膜33隔开的两平坦的镜片31、32的形式，这些镜片32之一相对于另一镜片31倾斜。

根据第二形式，滤光栅元采用一种不同的几何结构，并且其原理参照图4a和4b、通过三个法布里-珀罗类型的干涉滤光器FP1、FP2、FP3进行阐述，所述干涉滤光器FP1、FP2、FP3相继地排齐，以形成一带片(ruban)。

该滤光栅元通过第一镜片M1、一隔膜SP和第二镜片MIR2在例如玻璃或硅石的一基片SUB上的叠放组成。

限定每个滤光器的正中波长的隔膜SP因而对于一给定滤光器是恒定的，并且从一滤光器到另一滤光器不同。其型面呈阶梯的形状，这是因为每个滤光器具有基本长方形的一表面。

以薄膜技术实施的该滤光栅元的第一实施方式作为示例给出。

参照图5a，通过在基片SUB上放置第一镜片MIR1开始，第一镜片包括电介质层、金属层的叠置，或这两种类型的层的组合。然后，放置用于限定隔膜SP的一层电介质或一组电介质层TF。

参照图5b，该电介质TF被这样刻划：

-在第一时间，在第二滤光器FP2和第三滤光器FP3的位置处刻划，用来限定在第二滤光器FP2位置的隔膜SP厚度，

-在第二时间，在第三滤光器FP3的位置刻划，用来限定在第三滤光器FP3位置的该隔膜的厚度。

在第一滤光器FP1位置处的隔膜SP具有沉积厚度。

参照图5c，第二镜片MIR2被放置在隔膜SP上，以完成制造三个滤光器。

隔膜SP可通过一电介质TF的沉积、继而如上所示的相继刻划获得，不过也可通过薄层的多次相继沉积获得。

作为示例，通过修正隔膜的光学厚度，可扫掠从3700nm到4300nm的波长范围。

这里需要注意的是，隔膜的厚度应足够小，以仅获得在要测探的区域中的一传播谱带。实际上，越增加该厚度e，满足条件[ne＝kλ/2]的波长λ的数目n越增加。

现在展示滤光栅元的第二实施方法。

参照图6a，通过在基片SIL的下部面OX1和上部面OX2上实施硅制基片SIL的热氧化。

参照图6b，基片的下部面OX1和上部面OX2相应地覆盖以光敏树脂的一下部层PHR1和一上部层PHR2。然后，在下部层PHR1中通过摄影石印术(photolithographie)实施一长方形开口。

参照图6c，下部面OX1的热氧化物按在下部层PHR1中实施的长方形开口正对处被刻制。下部层PHR1和上部层PHR2因而被取出。

参照图6d，在长方形开口的正对处实施基片SIL的一各向异性刻制(例如结晶定向1-0-0)，下部面OX1的热氧化物用作掩模板，和上部面OX2的热氧化物用作刻制的停止层。可涉及要么是通过氢氧化钾(KOH)或三甲基氢氧化铵(TAMH)溶液的湿法刻制，要么是等离子干式刻制。因此该操作导致仅在长方形开口底部存在氧化物隔膜。

参照图6e，该氧化物这样被刻制：

-在第一时间，在第二滤光器FP2和第三滤光器FP3的位置处被刻制，用来限定在第二滤光器FP2位置处的隔膜SP的厚度，

-在第二时间，在第三滤光器FP3的位置处被刻制，用来限定在第三滤光器FP3位置处的该隔膜SP的厚度。

参照图6f，第一镜片M1和第二镜片M2放置在基片SIL的下部面OX1和上部面OX2上。

如有可能，可通过在下部面OX1和上部面OX2的之一和/或另一上放置一钝化层(couche de passivation)(未示出)，来终止滤光栅元的实施。

本发明因此允许实施一组排齐的滤光器，这些滤光器因此可在一维空间中比照。

参照图7，本发明还允许在矩阵形式的二维空间中布置这类滤光器。

四个相同的水平带片每个包括四个干涉滤光器。在图示上部显示的第一带片对应一矩阵的第一行，并且包括滤光器IF11到IF14。第二、第三，相应地第四带片包括滤光器IF21到IF24、滤光器IF31到IF34，相应地滤光器IF41到IF44。

这种布置被称之为矩阵式，这是因为滤光器IFjk属于第j个水平带片且也属于包括滤光器IF1k、IF2k，...，IF4k的第k个垂直带片。

滤光模块的实施方法可与在上文所述的两方法的任意一个相似。

因此通过在基片上布置第一镜片继而一电介质开始。该电介质这样被刻制：

-参照图8a，通过遮盖两个第一水平带片IF11-IF14和IF21-IF24的第一掩模板MAI，

-参照图8b，通过遮盖第一水平带片IF11-IF14和第三水平带片IF31-IF34的第二掩模板MA2，

-参照图8c，通过遮盖第一垂直带片IF11-IF41和第二垂直带片IF12-IF42的第三掩模板MA3，和

-参照图8d，通过遮盖第一垂直带片IF11-IF41和第三垂直带片IF13-IF43的第四掩模板MA4。

然后，第二镜片被放置在如此刻制的隔膜上，以完成制造4×4基体的16个滤光器。

通过不同的掩模板进行同一深度的刻制具有较少的益处。相反地，如果期望获得滤光器的厚度的规则渐进变化，可如下进行：

-通过第四掩模板MA4按一深度p进行刻制，

-通过第三掩模板MA3按一深度2p进行刻制，

-通过第二掩模板MA2按一深度4p进行刻制，和

-通过第一掩模板MAI按一深度8p进行刻制。

合乎期望的是：良好地分隔滤光栅元中的不同滤光器，以避免一滤光器在与之相邻的一滤光器上的局部覆盖，并最小化可能的邻道干扰的问题。为此，可在滤光栅元上添加一网栅，所述网栅构成邻道干涉围栅，用于界定所有的滤光器。如果该模块按反射方式被使用，该网栅将是吸收性的，或如果该模块进行传播使用，该网栅将是反射性的。作为示例，一吸收性网栅可通过黑铬(铬+氧化铬)的沉积和刻制方法实施，而一反射性网栅可通过铬的沉积和刻制实施。

作为说明，滤光器的尺寸大小大约为500×500平方微米(μm²)。不过其它尺寸大小的滤光器当然是可能的，尺寸大小应足够用于避免过于显著的衍射现象。

滤光栅元CF因此被设置用于与发射栅元CE相关联，以使得每个发射源与一滤光器相面对。

参照图9，适配栅元CA包括本身也根据一4×4矩阵在一透明板上布置的一微透镜网格LEN。

发射栅元CE、滤光栅元CF和适配栅元CA因此叠置，以使得每个发射源DEL根据垂直于支座、基片和透明板的轴线，接连具有一滤光器IF和一微透镜LEN。

检测器是一标准组件。如果期望在紫外线中进行分析，检测器例如用砷化镓制成。

这里将可以注意到，机械安装非常简单，这是因为安装包括的光学构件较少并且不包含活动构件。因此测量非常稳定，且可复制性很强。

本发明的对象装置可按不同的方式使用：

-所有发射源同时点亮，用于获得一总光谱，

-不同发射源有序点亮，用于获得对应所请求的滤光器的不同光谱，

-发射源组有序点亮。

在上文中展示的本发明的实施示例考虑到其具体的特征而被选择。不过不可能以穷举的方式对本发明所覆盖的所有实施方式进行编录。特别地，所描述的各种方法可被一等效的方法替代，而不离开本发明的范围。

Claims (7)

1.波长光谱学装置，其在一基片上包括滤光栅元(CF)，所述滤光栅元包括两个镜片(31，32；MIR1，MIR2；M1，M2)，两个镜片通过一隔膜(33，SP)隔开，所述滤光栅元由多个干涉滤光器(FP1，FP2，FP3；IF11-IF44)形成，

其特征在于，所述波长光谱学装置此外包括发射栅元(CE)，所述发射栅元包括多个发射源(LED)，每个所述发射源与所述干涉滤光器之一相关联。

2.根据权利要求1所述的波长光谱学装置，其特征在于，所述发射栅元(CE)如同所述基片的位似平坦支座，所述发射源(LED)和所述干涉滤光器(IF11-IF44)根据该位似平坦支座和该基片的公共法线排齐。

3.根据权利要求2所述的波长光谱学装置，其特征在于，所述波长光谱学装置包括至少一适配栅元(CA)，所述适配栅元包括多个透镜(LEN)，每个所述透镜与所述干涉滤光器(IF11-IF44)之一相关联。

4.根据权利要求3所述的波长光谱学装置，其特征在于，所述滤光栅元(CF)被布置在所述发射栅元(CE)和所述适配栅元(CA)之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的波长光谱学装置，其特征在于，至少一些所述滤光器(FP1，FP2，FP3；IF11-IF44)在第一带片中排齐。

6.根据权利要求5所述的波长光谱学装置，其特征在于，至少一些所述滤光器(IF12-IF24)在与第一带片平行且分开的第二带片中排齐。

7.根据权利要求5或6所述的波长光谱学装置，其特征在于，相邻的至少两个所述滤光器(FP1，FP2，FP3；IF11-IF44)通过邻道干扰围栅隔开。

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