CN102564586A - 衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率光谱复原方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率光谱复原方法，衍射孔阵列结构微型光谱仪基本结构包括：一个构建在基底表面挡光层上的孔径大小不等的微型衍射孔二维阵列；基底材料采用透明材料；在基底的下方对应设有探测阵列芯片，一个衍射孔对应一个探测阵列芯片的像素元；在基底和探测阵列芯片中间有一层遮光板，遮光板把每个CCD像素元的大部分面积遮住，遮光板上有一系列孔径相同的透光孔；每一个衍射孔都正对着一个透光孔，其下是每个CCD像素元。由于入射光通过基底上方的衍射孔后会发生衍射现象，因此下方所对应的CCD像素元能探测到一定的衍射光光功率。因为阵列上的各个衍射孔孔径大小不等，其下方所对应的各个CCD像素元所测得的衍射光光功率大小也不同，对各个CCD像素元所测得数据进行反演就可以得到入射光的光谱信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式实时探测的微型光谱测量装置及其高分辨率光谱复原方法。
背景技术
光谱仪是一种重要的光学仪器。它是将光学方法与现代电子数据处理系统相结合，通过获取所研究物质的光谱信息来精确分析物质的结构、成分和含量的基本设备。随着光谱仪的发展，它的应用范围越来越广，并涵盖了多个领域，如天文观测、航空航天、生物医药、石油化工、农业、冶金、地质勘探、生态环境及国防军事等。由于其重要的应用价值，光谱仪已越来越受到人们的关注，它已成为现代科学仪器的重要组成部分。
然而，随着社会的进步和科学技术的迅猛发展，在诸多领域对光谱仪又提出了更高的要求。特别是在环境监测、军事分析、地质勘探、微流控等众多研究、应用领域，要求光谱仪在提高分辨率和加宽测量频段范围的同时能够微型化、集成化，而一些特殊场合如野外勘测、现场检测、星载分析还需要光谱仪抗振动干扰能力强、性能稳定、功耗小、使用灵活、重量轻、携带方便，能够快速、实时、直观地获取光谱信号。
显然，传统的光谱仪器很难同时达到上述要求。譬如傅里叶变换光谱仪，其体积较大，对振动敏感，光谱分辨率受制于动镜移动范围并且测量频带主要集中在红外波段。再如光栅衍射型光谱仪虽然体积较小，探测频率范围较宽，但这类光谱仪分辨率不高，价格也不菲。
得益于光电技术、计算机技术和微制造工艺的发展、高效低廉的光学元件及线性阵列检测器件的出现，光谱仪正逐步朝着微型化、小型化方向发展以适应更广阔的应用领域。现在用来制造这类微小型光谱仪的技术有很多，诸如：微机电系统（MEMS）、微型光机电系统（MOEMS），集成光学技术以及二元光学技术等。而且，一些新型的微型光谱仪已经被研制出来。比如法布里-珀罗（F-P）型微型光谱仪，它体积很小，无可移动部件，可以组成阵列以适用于不同的光谱波段。然而，通常该微型光谱仪中的F-P谐振腔是以一阶模式工作的，其反射镜金属层厚度限制了该光谱仪的分辨率，虽然采用高阶模式工作可以提高分辨率，但以现有技术很难满足其谐振腔宽度要求，与此同时两个镜面的平行程度将极大影响光谱分辨率。再如采用硅表面微机械工艺制作的的微型光栅光谱仪，同样做到了集成化和微型化，但由于从光栅到探测器的光程有限，这就限制了它的光谱分辨率。
因此，对于光谱仪来说，要求其在微型化的同时能够降低成本，性能上能够达到较高的光谱分辨率，结构简单并且易于制作，用现有的技术很难实现。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率光谱复原方法，该光谱仪及其光谱复原方法解决了背景技术中光谱仪的体积较大、成本较高、制作困难、对振动敏感、分辨率不高、波长测量范围较窄等技术问题。
技术方案：本发明的衍射孔阵列结构微型光谱仪的主要部件包括：
1） 一层透明的基底。
2） 一个构建在基底上表面的挡光层中的衍射孔二维阵列，该挡光层由不透明材料制成，该衍射孔二维阵列中的各个孔的孔径大小不等，孔径尺寸与入射光波长接近，各个衍射孔的深度相同且都等于挡光层厚度。
3） 基底下方设有探测阵列芯片，可采用电荷耦合元件（CCD）或者互补金属氧化物半导体元件（CMOS），每一个衍射孔的正下方都对应设置探测阵列芯片中的一个像素元。这些像素元经过校准后，可以确保相同波长、相同功率的光入射到这些像素元时，各像素元输出的数据相同。
4） 如果每个像素元面积较大，为提高器件灵敏度，在成像芯片和基底间设有遮光板以遮住各像素元的大部分面积。该遮光板由不透明材料制成，在衍射孔中心正下方的遮光板上留有一系列孔径相同的透光小孔，每个透光小孔下对应设置一个像素元，采集数据时仅取透光小孔下像素元的数据；如果像素元面积较小，可以不设遮光板，但是在采集数据时仅取衍射孔中心正下方的像素元的数据。
5） 在衍射孔二维阵列上方设有两个共焦的透镜，在两个共焦的透镜之间的焦点处的遮光板中有一个小孔，该装置用以准直入射光。
6） 一组计算分析部件，用来分析和计算探测阵列芯片采集到的数据以进行光谱复原。
本发明包括一种衍射孔阵列结构微型光谱仪的高分辨率光谱复原方法：
根据衍射孔的数量将探测阵列芯片所能探测的波长（或频率）范围均匀划分成n份，每一份取其中心波长（或中心频率）。事先测得探测阵列芯片中各个衍射孔正下方的各个像素元对各个中心波长（或中心频率）光的探测率，即其中一个中心波长（或中心频率）光被其中一个像素元探测到的功率与入射到衍射孔阵列之前该波长（或频率）光功率的比值。
入射光经过衍射孔阵列后会发生衍射，成像阵列芯片中位于各个衍射孔正下方的像素元会接收到相应的衍射光功率；将所得数据组成一个线性方程组，其中不同像素元对不同中心波长（或中心频率）光的探测率作为系数矩阵，而各个像素元所接收到相应的衍射光功率作为增广矩阵，采用Tikhonov正则化方法[Z. W. Wang, and J. Liu, “New model function methods for determining regularization parameters in linear inverse problems”, Applied Numerical Mathematics 59 (10), 2489-2506 (2009)]求解该线性方程组就可以得到入射光各中心波长（或中心频率）对应的归一化光谱功率，然后将这些光谱功率值进行线性拟合并经光谱辐射定标可得到入射光的光谱。
如果需要获得更高的分辨率的复原光谱，可根据前一次光谱复原的结果或者加入滤波镜来缩小波长（或频率）划分范围进行多次复原。
有益效果：1、该光谱仪采用阵列结构，无可移动光学器件，因此抗振动干扰能力强，性能稳定，可用于复杂环境中的测量；由于衍射孔二维阵列里的各衍射孔孔径尺寸与光波长接近，而各个衍射孔之间间隔即使为光波长的十倍，那么一万个衍射孔结构单元，其核心部件的横截面只有1平方毫米左右。即使加上程序计算部件，整个装置体积只相当于一个手机的大小，便于携带。
2、该光谱仪容易制作。基于现今发展已比较成熟的微加工技术和光电技术，制作该光谱仪微型结构的可选方法有很多，诸如光刻、离子刻蚀、电子束刻蚀、模具压制、蒸镀、旋涂等；由于二维空间的微细加工技术已经比较成熟，而制作衍射孔阵列时只需对表面二维空间进行精密控制，因此该器件易于制作。而且由于该光谱仪的主体部件可用聚合物材料或其他价格低廉的透明材料，CCD和CMOS都是技术成熟的产品，所以整个装置的成本较低。
3、该光谱仪分辨率高，光谱测量范围宽，复原速度快。探测阵列像素数量和衍射孔的数量是决定了该光谱仪分辨率的主要因素。由于一个芯片上有成千上万个衍射孔结构单元，而CCD、CMOS的像素都很高，所以该光谱仪可以达到很高的分辨率；该光谱仪中探测阵列芯片所能探测到的频段决定了光谱测量范围，由于目前CCD、CMOS的探测范围覆盖了可见光以及相当宽的红外和紫外波段，因此该光谱仪也相应具有很宽的光谱探测范围。另外，采用缩小波长（或频率）划分范围进行多次复原的方法可以在获得宽的频谱探测范围的同时达到高的光谱分辨率。
4、该光谱仪采用Tikhonov正则化求解大型线性方程组的方法复原光谱，可以消除失真，实现快速实时光谱复原。与此同时，串扰、色散、器件制作误差等原因造成很多像素元采集到无效数据，但可以通过舍去无效数据的方法求解方程组，使得新的方程组满秩并符合求解条件，避免光谱复原的较大失真。因此该光谱复原方法也保证了光谱复原的效果。
附图说明
图1是本发明的光谱仪结构原理图。
图2是图1其中一个衍射单元的截面示意图以及入射光准直装置的截面示意图。
图中有：衍射孔1、挡光层2、基底3、探测阵列芯片4、遮光板5、透镜6、小孔7。
图3是本发明采用的入射光光谱频率划分方法。横坐标表示频率，单位是赫兹；纵坐标是归一化光谱功率，单位是瓦特每赫兹。用微积分的方法把入射光谱按照频率划分成n等份，每一份取其中心频率，每一份的频宽为Δf。f i是其中任意一个小矩形的中心频率，它的幅值为P(f i)。
具体实施方式
图1为本发明所采用的一种衍射孔阵列结构。该衍射孔阵列微型光谱仪包括构建在基底3表面挡光层2中的衍射孔1二维阵列，每一个衍射结构单元中的衍射孔1在挡光层2中孔径不同，孔径尺寸与入射光波长接近，各个衍射孔1的深度相同且都等于挡光层2厚度；衍射孔二维阵列中的各个衍射孔1之间间隔10μm左右或者更多；基底3下方设有探测阵列芯片4，每一个衍射孔1的正下方都对应设置探测阵列芯片4中的一个像素元；如果每个像素元面积较大，为提高器件灵敏度，在探测阵列芯片4和基底3间设有遮光板5以遮住各像素元的大部分面积。在衍射孔1中心正下方的遮光板5上留有一系列孔径相同的透光小孔，每个透光
小孔下对应设置一个像素元，采集数据时仅取透光小孔下像素元的数据；如果像素元面积较小，可以不设遮光板5，但是在采集数据时仅取衍射孔中心正下方的像素元的数据。
为说明具体工作过程，取图1中衍射孔阵列的其中一个衍射单元的截面以作说明，参见图2。在衍射孔二维阵列上设有两个共焦的透镜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，该装置用以对入射光进行准直。入射光经过准直后照射到各个衍射孔1上，由于衍射孔1尺寸与入射光波长接近，光波将在衍射孔1处发生衍射，衍射光在基底3中继续传播并最终照射在探测阵列芯片4的像素元上。图2中所示为采用较大像素元面积的探测阵列芯片4的情况，此时遮光板5遮挡住了探测阵列芯片4像素元的大部分面积，仅在对应衍射孔1中心正下方留有透光小孔，衍射光大部分被遮光板5遮挡，一部分衍射光经过透光小孔到达探测阵列芯片4的各个有效像素元，这里有效像素元是指衍射孔1中心正下方对应的像素元。由于各个衍射孔1孔径不同，最终每个透光小孔下的探测阵列芯片4的像素元将采集到一系列大小不等的衍射光功率，将采集到的光功率数据代入到下面将要介绍的高分辨率光谱复原方法中的增广矩阵y，采用高分辨率光谱复原法进行反演，就可以得到入射光的光谱。
上述基底3的材料为透明材料，可采用聚合物材料PMMA。在基底3表面是挡光层2，为不透明材料，可采用金属铬。基底3下方是探测阵列芯片4，可采用CCD或者CMOS，每一个衍射孔1对应使用一个探测阵列芯片4的像素元用于探测不同衍射孔下方像素元位置处的衍射光功率大小。但这些像素元在测量前需要修正由于暗电流及探测阵列芯片4的各像素响应不均匀等原因所引起的测量误差。对于像素元面积较大的探测阵列芯片4，在其上方和基底3之间设置遮光板5，该遮光板5采用不透光材料。
上述衍射孔阵列中每个衍射孔1孔径不同。各个衍射孔1可以按孔径尺寸的线性变化组成二维阵列，也可以不按孔径尺寸的线性变化组成二维阵列，但要保证各个衍射孔1保持一定间距且各个衍射孔1的孔径不同。这即是说无论衍射孔1如何排布，只要确保入射光到达各个衍射孔1后发生不同程度的衍射，各探测阵列芯片4的像素元能够探测到不同大小的、有足够区分度的衍射光功率。
上述基底3可以用旋涂的方法制备，挡光层2可以用蒸镀的方法制备，而不同孔径的衍射孔1的制备可以采用离子刻蚀的方法。即用离子发生器发出的离子束聚焦在挡光层2表面，通过精密控制离子束的作用位置和作用时间来刻蚀衍射
孔1。也可以通过制作模具用机械热压的方法进行模压来制作衍射孔阵列。另外，光刻也是可供选择的方法之一。几种方法的成本和精度各有差异。
上述衍射孔二维阵列中的各个衍射孔单元之间的信号串扰是不可避免的，即当入射光照射到各个衍射孔1后将发生不同程度的衍射，一个衍射孔结构单元的衍射光会射到另一个衍射孔结构单元下方的像素元。因此，在制作衍射孔1时应使得各个衍射孔1之间间隔10μm左右或者更多，以减小各个衍射单元间的信号串扰，从而保证器件具备较高性能。另外，当探测阵列芯片4的像素元面积较大时，需要在探测阵列芯片4和基底3之间设置遮光板5，以遮挡住大部分串扰光，这同样是为了提高探测阵列芯片4的灵敏度。而当探测阵列芯片4的像素元面积
较小时，采集数据仅取衍射孔中心正下方像素元的数据。由于这些像素元面积较小，它们主要接收来自其正上方衍射孔的衍射光，因此可以不设遮光板5。
高分辨率光谱复原方法如下：
如图3所示，以光谱曲线的频率划分方式为例，在探测阵列芯片4的测量频率范围内，将光谱曲线均匀划分成n段。整个光谱面积就被近似划分为多个细长的矩形，取每一段的频率中心为f i ，频宽为Δf，P(f i )为频率f i 对应的功率大小，因此入射光中每个频段所对应的功率即为每个小矩形的面积，当n比较大时，那么根据微积分的原理，整个入射光谱与横轴所围面积实际就是这些矩形面积的求和即入射光的整个功率，将所有点（f i ，P(f i )）进行线性拟合即得到光谱曲线。
事先测得各个有效像素元对各个频率光的探测率，即各衍射孔1中心正下方像素元接受到的各个中心频率f i 光的光功率P(f i )*与入射光照射到衍射孔阵列之前对应各中心频率f i 光的光功率P(f i )的比值。这里，各有效像素元所采集的光功率P(f i )*不仅包括了从其正上方对应衍射孔射来的衍射光的光功率，也包括了从其它衍射孔射来的串扰光的光功率，而对于一个已经制作好的光谱仪，该探测率值P(f i )*/ P(f i )对于各个像素元是固定值。
当采集到各衍射孔1对应探测器阵列4像素元上的衍射光功率数据，就可以用一方程组Cx=y将其表示出来，这里C代表各探测率组成的系数矩阵，而各个像素元所接收到相应的衍射光功率作为增广矩阵y，x则代表入射光各中心频率光功率的大小。在这里，系数矩阵C对应器件来说是固定参数，在测定C的过程中衍射光串扰影响实际已经计算在内，因此在光谱复原过程中，衍射单元之间的光串扰实际不影响该方程组的求解。通过求解该线性方程组得到x，即得到入射光各中心频率对应光功率P(f i )的大小，最后将这些光谱功率值进行线性拟合并经光谱辐射定标可得到入射光的光谱，各中心频率的间隔Δf即为该光谱仪的频率分辨率。
由于探测阵列芯片4的测量范围很宽，仅进行一次上述的复原不能得到很高的分辨率，为提高分辨率，可根据第一次光谱复原的结果确定入射光谱大致的频率范围，在此频率范围内按上述过程进行频率划分和复原，如还需进一步提高分辨率，可以根据上一次复原得到的光谱曲线继续缩小频率范围进行更多次复原。另外，也可以在准直系统和衍射孔二维阵列之间插入不同频率透过范围的滤波镜，同样起到了减小了入射光频率划分范围的作用，提高了每个滤波镜频段范围内的入射光谱分辨率。
在实际器件制作过程中，器件的尺寸或形状可能与最初设计要求有一定的偏
差，基底等波导结构本身会对光产生色散、吸收，各个衍射孔结构单元之间的信号串扰也不可避免。然而，只要探测阵列芯片4不同像素元对于一定的入射光波长有不同探测率，就可以组成方程组进行求解从而得到复原光谱。当然，对于两个不同的衍射孔结构单元，用相同波长的光照射，其下方各自对应的探测阵列芯片4的像素元测得的探测率有可能是相同的，也就是说此时探测阵列芯片4的像素元不能分辨不出其上方不同的衍射单元结构之间的微小差异。这是由于各衍射孔1的大小非常接近，以至于它们下方的探测阵列芯片4的像素元分辨不出各衍射单元衍射光功率的差别。
上述问题体现在复原的数学方法上，即是说假如衍射孔二维阵列中有5000个衍射孔单元，会相应的有5000个方程来解5000个未知数，但由于实际测得的有效数据可能只有4000个，而4000个方程是不能求解5000个未知数的，复原光谱会产生明显失真，所以上述得到的线性方程实为病态方程，且方程数相当大，用一般的方法很难求解。因此选用Tikhonov正则化方法求解上述线性方程组，舍去那1000个无效的数据，那么4000个方程解4000个未知数是可行的，尽管这样会使得光谱分辨率较原来变低，但实际的仿真结果显示，即使仅有几十个有效的衍射孔结构单元，在分辨率要求不高的前提下依然可以取得较好的光谱复原效果。
Claims (3)
1. 一种衍射孔阵列结构微型光谱仪，其特征在于该衍射孔阵列结构微型光谱
仪包括：
1.）一层基底，采用透明材料制作；
2.）一个构建在基底上表面的挡光层中的衍射孔二维阵列，该挡光层由不透明材料制成，该衍射孔二维阵列中的各个孔的孔径大小不等，孔径尺寸与入射光波长接近，各个衍射孔的深度相同且都等于挡光层厚度；
3.）基底下方设有探测阵列芯片，该探测阵列芯片采用电荷耦合元件CCD或者互补金属氧化物半导体元件CMOS，每一个衍射孔的正下方都对应设置探测阵列芯片中的一个像素元，这些像素元经过校准后，能确保相同波长、相同功率的光入射到这些像素元时，各像素元输出的数据相同；
4.）基底和探测阵列芯片有两种设计，一是在探测阵列芯片和基底间设有遮光板以遮住各像素元的大部分面积，以提高器件灵敏度；该遮光板由不透明材料制成，在衍射孔中心正下方的遮光板上留有一系列孔径相同的透光小孔，每个透光小孔下对应设置一个像素元，采集数据时仅取透光小孔下像素元的数据；二是不设遮光板，但是在采集数据时仅取衍射孔中心正下方的像素元的数据；
5.）在衍射孔二维阵列上方设有两个共焦的透镜，在两个共焦的透镜之间的焦点处的遮光板中有一个小孔，该装置用以准直入射光；
6.） 一组计算分析部件，用来分析和计算探测阵列芯片采集到的数据以进行光谱复原。
2. 一种衍射孔阵列结构微型光谱仪的高分辨率光谱复原方法，其特征在于：
根据衍射孔的数量将探测阵列芯片所能探测的波长或频率范围均匀划分成n份，每一份取其中心波长或中心频率；事先测得探测阵列芯片中各个衍射孔正下方的各个像素元对各个中心波长或中心频率光的探测率，该探测率是一个比值，其分子是其中一个中心波长或中心频率光被另一个像素元探测到的功率，分母是入射到衍射孔阵列之前该波长或频率光功率；
入射光经过衍射孔阵列后会发生衍射，成像阵列芯片中位于各个衍射孔正下方的像素元会接收到相应的衍射光功率；将不同像素元对不同中心波长或中心频率光的探测率、各个像素元所接收到相应的衍射光功率以及入射光中各中心波长或中心频率所对应的光谱功率分别作为系数矩阵、增广矩阵和未知数矩阵组成一个线性方程组，采用Tikhonov正则化方法求解该线性方程组，就可以得到入射光各中心波长或中心频率对应的归一化光谱功率，然后将这些光谱功率值进行线性拟合并经光谱辐射定标，得到入射光的光谱，即完成高分辨率光谱复原。
3. 根据权利要求2所述的衍射孔阵列结构微型光谱仪的高分辨率光谱复原方法，其特征在于所述高分辨率光谱复原，还可根据前一次光谱复原的结果判断光谱大致分布位置或者通过加入滤波镜的方法缩小波长或频率划分范围进行多次复原，获得更高的分辨率的复原光谱。
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