CN103017905B - 集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光谱分析仪器领域，公开了集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪及其制造方法。微型光谱仪包括阵列光电探测器、上透光平板和下透光平板；上透光平板上设置有隔光层，隔光层上设置有透射狭缝；下透光平板上设置有变栅距光栅。本发明提供的微型光谱仪基于平面变栅距光栅这一核心器件，该器件既有普通衍射光栅的分光作用，又通过栅线的变化起到像差校正作用。设置了透射微狭缝为系统入光口，克服了反射式微狭缝难以隔绝环境光干扰、系统封装不便、杂散光强的缺点，降低了系统集成的难度，提高了光谱信号检测的精度。制造方法完全被MOEMS工艺兼容，体积微小紧凑，适用于对体积有严格要求的嵌入式光谱检测系统，且检测精度高、检测效果好。

Description

集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪及其制造方法

技术领域

本发明属于光谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪及其制造方法。

背景技术

光谱仪是根据物质的特征光谱吸收/辐射来分析样品颜色或化学成分的重要分析仪器，在环境监测、食品卫生、生物医药、石化冶金等领域有着广泛的用途。

光谱仪广泛的应用前景对仪器本身也提出了新的要求。传统的光谱仪体积庞大、使用条件苛刻，造价昂贵，只能限制在实验室使用。与之相对，微小型光谱仪具有体积小、便于携带、使用简便等优点，其光谱分辨率也足以满足一般应用领域的测量要求，因此特别适合于现场和在线的快速检测。微小型化已经成为光谱仪发展的必然趋势。

目前市场上已经出现许多商业化的微小型光谱仪，知名的厂商有美国的Ocean，荷兰的Avantes等。这些光谱仪都采用“固定衍射光栅+多通道阵列探测器(电荷耦合器件CCD、二极管阵列等)”的固态化设计，无运动部件抗干扰性强；光路结构上采用精简体积的Czerny-Turner光路或单块平场全息凹面光栅形式，整机一般只有手掌大小。

然而，这种光谱仪仍不能适应在对体积有苛刻要求的场合。如生物工程中的体内组织光谱检测，要求光谱仪具有芯片的体积进行嵌入式测量；对于执行检测任务的机器人，对其光谱仪载荷有严格限制。微光机电系统(MOEMS,MicroOpto-ElectroMechanicalSystems)技术的发展为解决上述问题提供了很好的路径。采用光刻、镀膜、刻蚀等微纳加工工艺，能制作出芯片大小的微型光谱仪系统，适合嵌入式的光谱检测应用。

按分光方式分类，基于MOEMS技术的光谱仪主要有傅里叶变换(FourierTransform，FT)型、法布里-珀罗(Febry-Perot、FP)滤光片型、衍射光栅型等。其中衍射光栅型的MOEMS光谱仪被研究得最多，也是最有可能实现光谱芯片集成的形式。

美国Stanford大学的G.Yee等(SensorsandActuatorsA58(1997)61-66)，荷兰Delft大学的S.Kong等(SensorsandActuatorsA92(2001)88-95)，以及我国上海微系统所的李铁等(中国专利200610027341.3)都提出了“平面等栅距光栅+阵列探测器”的方案。该系统完全基于MOEMS工艺，能够实现芯片级的体积，但光谱分辨率不理想。这主要是由于硅微加工工艺一般适合于加工平面元件，对曲面的加工很困难，难以精确加工出准直、成像所需的凹面反射镜、凸透镜等。而普通的平面等栅距光栅没有准直、成像作用，导致系统的像差很大，分辨率较低。

综上，传统的光谱仪虽然具有良好的性能，但是体积庞大，使用条件苛刻，难以集成到嵌入式检测系统中进行实时在线光谱检测。

目前商用化的微小型光栅光谱仪使用了小型的光学元件和简化的光路结构，体积为手掌大，但仍不能适应对体积有严格要求的嵌入式光谱检测要求。

而MOEMS技术是提高光谱仪的集成度达到芯片级的体积的有效手段。MOEMS工艺适合于加工平面元件，对曲面元件的加工较为困难，但凸透镜、凹面反射镜等曲面元件的准直、成像作用对于光谱仪而言是不可或缺的。现有技术的MOEMS光栅光谱仪采用普通的等栅距光栅分光，消除像差效果差，光谱分辨率不理想；此外，现有技术的MOEMS光栅光谱仪缺少对系统入光口——狭缝的设计考虑，而这对于系统整体封装和最终性能是至关重要的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪及其制造方法，其微型光谱仪实现小体积，便于集成，兼具优良分辨性能，测量效果佳。

本发明的技术方案是：一种集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，包括阵列光电探测器、上透光平板和下透光平板，所述上透光平板与所述下透光平板相向平行间距设置，所述阵列光电探测器设置于所述下透光平板的下端；所述上透光平板上设置有用于隔离环境光的隔光层，所述隔光层上设置有用于供光线穿过的透射狭缝；所述下透光平板与所述上透光平板相向的一面上设置有变栅距光栅，所述上透光平板与所述下透光平板相向的一面上设置有用于将光线反射至所述阵列光电探测器上的反射部件。

具体地，所述隔光层为黑铬膜层，所述黑铬膜层通过蒸发镀膜或磁控溅射镀制于所述上透光平板的上表面。

具体地，所述透射狭缝的宽度为10至200μm，所述透射狭缝通过刻蚀的方式形成于所述黑铬膜层。

具体地，反射部件为反射镜。

具体地，所述反射部件为平面变栅距光栅。

具体地，所述上透光平板和下透光平板采用熔石英或光学玻璃制成。

具体地，所述阵列光电探测器为电荷耦合器件阵列、互补金属氧化物半导体、二极管阵列。

具体地，所述变栅距光栅通过紫外光刻或电子束直写及镀膜工艺制作于所述下透光平板与所述上透光平板相向的一面上。

具体地，所述变栅距光栅通过离子束刻蚀制成闪耀槽型的光栅。

本发明还提供了一种集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪的制造方法，包括以下步骤：

准备阵列光电探测器、上透光平板和下透光平板；

于所述上透光平板的上平面设置一层用于隔离环境光的隔光层；

于所述隔光层开设用于供光线穿过的透射狭缝；

于所述上透光平板的下平面设置用于将光线反射至所述阵列光电探测器上的反射部件；

于所述下透光平板的上平面设置用于将从所述透射狭缝进入的入射光衍射至所述反射部件的变栅距光栅；

将所述上透光平板的下表面与所述下透光平板的上表面相对设置，将所述上透光平板与所述透光平板相向平行间距封装，并将所述阵列光电探测器设置于所述下透光平板的下表面。

本发明提供的集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪及其制造方法，其通过上下设置的上透光平板和下透光平板，上透光平板可镀黑铬隔离形成隔光层以隔离环境光，在隔光层上通过刻蚀技术得到宽度10-200μm的透射微狭缝作为光线入口；通过光刻技术在下透光平板上制作出平面变栅距光栅，它除了具有光栅本身的分光作用外，还能通过光栅栅线间距和形状的变化来调制光线，起到减小像差的作用；下平板另一侧用阵列光电探测器来接收分光聚焦的光谱信号，结构简单紧凑，易于封装，且完全被MOEMS工艺兼容，适用于对体积有严格要求的嵌入式光谱检测系统。

附图说明

图1是本发明实施例提供的集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪的平面示意图；

图2是本发明实施例提供的集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪中变栅距光栅的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，包括阵列光电探测器7、上透光平板3和下透光平板6，所述上透光平板3与所述下透光平板6相向平行间距设置，所述阵列光电探测器7设置于所述下透光平板6的下端；阵列光电探测器7可以紧贴于下透光平板6的下表面，采用阵列光电探测器7作为传感元件，可快速感测出聚焦于其上不同位置的光线，从而实现全波段光谱的快速分析。所述上透光平板3上设置有用于隔离环境光的隔光层2，隔光层2位于上透光平板3的上表面，即隔光层2位于系统的外表面，所述隔光层2上设置有用于供光线穿过的透射狭缝1，透射狭缝1为微狭缝，透射狭缝1直接开设于隔光层2，透射狭缝1位于微型光谱仪系统的外表面，入光口为透射狭缝1，利于隔绝环境光的干扰，且便于系统的封装。所述下透光平板6与所述上透光平板3相向的一面(即下透光平板6的上表面)上设置有可用于衍射分光和像差校正的变栅距光栅4，变栅距光栅4既有普通衍射光栅的分光作用，又通过栅线的变化起到像差校正作用。变栅距光栅4可为平面变栅距光栅，其通过栅线间距和图案的变化来调制入射其上的光线的衍射方向，从而能够有效地减小像差，实现聚焦成像，提高光谱仪的分辨率；同时由于其为平面元件，更容易为硅微加工工艺兼容。所述上透光平板3与所述下玻璃平板6相向的一面(即上透光平板3的下表面)上设置有用于将光线反射至所述阵列光电探测器7上的反射部件5。入射光通过透射狭缝1和透明的上透光平板3后，照射到位于下透光平板6上表面的平面变栅距光栅4上，+1级衍射光从平面变栅距光栅4出射后，先经过反射部件5转向，然后经过透明的下透光平板6，最后会聚到紧挨下透光平板6下表面的阵列光电探测器7上，光谱的焦平面位置即为此阵列光电探测器7的位置。入射光只能从透射狭缝1进入，不会射至其它部分，上透光平板3、下透光平板6未镀铝部分的菲涅尔反射低，杂散光干扰小。而且，本发明所提供的微型光谱仪，采用平面变栅距光栅作为分光和像差校正元件，该元件既有常规光栅的衍射分光功能，又能通过栅线间距和图案的变化对像差进行校正，起到聚焦成像作用。本发明所提供的微型光谱仪，结构简单紧凑，易于封装，且完全被MOEMS(微光机电系统)工艺兼容，适用于对体积有严格要求的嵌入式光谱检测系统，且检测精度高、检测效果好。

具体应用中，可通过优化上下两块上透光平板3和下透光平板6的间距来约束测量光的轨迹，保证光束绝大部分照射在镀膜的光学元件上，从而达到消除平板未镀膜部分的菲涅尔反射，减少杂散光的目的。

具体地，所述隔光层2为黑铬膜层，所述黑铬膜层通过蒸发镀膜或磁控溅射等方式镀制于所述上透光平板3的上表面，起到隔绝环境光干扰的作用。

具体地，所述透射狭缝1的宽度为10至200μm(微米)，所述透射狭缝1通过刻蚀等方式形成于所述黑铬膜层。通过在上透光平板3镀制黑铬膜层的方法隔离环境光，将10-200μm宽度的黑铬膜层刻蚀到底形成透射狭缝1，作为光信号入射口，可有效限制环境干扰光进入光谱仪系统，提高光谱测量的信噪比和精度。可以理解地，透射狭缝1的宽度也可以为其它合适的数值，均属于本发明的保护范围。

具体地，反射部件5为反射镜。

或者，所述反射部件5也可以为平面变栅距光栅，通过两块平面变栅距光栅可更好地消除像差。

具体地，所述上透光平板3和下透光平板6采用熔石英或光学玻璃等合适的材料制成。光学玻璃的牌号可为K9或B270等。

具体地，所述阵列光电探测器7为电荷耦合器件阵列、互补金属氧化物半导体、二极管阵列。

具体地，所述变栅距光栅4通过紫外光刻或电子束直写及镀膜工艺制作于所述下透光平板6与所述上透光平板3相向的一面上，除具有衍射光栅的分光作用外，还可通过栅线间距和图案的变化来消除像差，实现聚焦成像。

或者，所述变栅距光栅4通过离子束刻蚀制成闪耀槽型的光栅，使其衍射能量集中于+1级，提高系统灵敏度。

与“平面等栅距光栅+阵列探测器”的方案，其完全基于MOEMS工艺，能够实现芯片级的体积，但光谱分辨率不理想。这主要是由于硅微加工工艺一般适合于加工平面元件，对曲面的加工很困难，难以精确加工出准直、成像所需的凹面反射镜、凸透镜等。而普通的平面等栅距光栅没有准直、成像作用，导致系统的像差很大，分辨率较低。而变栅距光栅4则很好地克服了平面等栅距光栅的缺点。

本发明实施例提供的一种集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，解决了光谱仪的微型化问题，实现具有微小体积并同时具有较高光谱分辨率和准确度的微型光栅光谱仪，使其更加易于集成到嵌入式检测系统当中，进行在线光谱分析。

本发明实施例还提供了一种集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪的制造方法，包括以下步骤：

准备阵列光电探测器7、上透光平板3和下透光平板6；

于所述上透光平板3的上平面设置一层用于隔离环境光的隔光层2；

于所述隔光层2开设用于供光线穿过的透射狭缝1；

于所述上透光平板3的下平面设置用于将光线反射至所述阵列光电探测器7上的反射部件5；

于所述下透光平板6的上平面设置用于将从所述透射狭缝1进入的入射光衍射至所述反射部件5的变栅距光栅4；

将所述上透光平板3的下表面与所述下透光平板6的上表面相对设置，将所述上透光平板3与所述透光平板相向平行间距封装，并将所述阵列光电探测器7设置于所述下透光平板6的下表面。

入射光通过透射狭缝1和透明的上透光平板3后，照射到位于下透光平板6上表面的平面变栅距光栅4上，然后，+1级衍射光从位于下透光平板6表面的变栅距光栅4出射后，先经过反射部件5转向，然后经过透明的下透光平板6，最后会聚到紧挨下透光平板6下表面的阵列光电探测器7上，光谱的焦平面位置即为此CCD的位置。

通过采用平面变栅距光栅4作为分光和像差校正元件，该元件既有常规光栅的衍射分光功能，又能通过栅线间距和图案的变化对像差进行校正，起到聚焦成像作用。

通过采用在上平板镀制黑铬膜层的方法隔离环境光，将10-200μm宽度的黑铬膜层刻蚀到底形成透射狭缝1，作为光信号入射口，可有效限制环境干扰光进入光谱仪系统，提高光谱测量的信噪比和精度。

本发明可通过优化上下两块玻璃平板的间距来约束测量光的轨迹，保证光束绝大部分照射在镀膜的光学元件上，从而达到消除平板未镀膜部分的菲涅尔反射，减少杂散光的目的。

本发明采用阵列光电探测器7作为传感元件，可快速感测出聚焦于其上不同位置的光线，从而实现全波段光谱的快速分析。

本发明的系统完全基于微光机电系统(MOEMS)技术制作，制作工艺流程为：上透光平板3，上表面通过蒸发镀膜或磁控溅射镀制黑铬膜层，通过光刻及反应刻蚀制作出透射狭缝1；下表面通过蒸发镀膜方式形成金属膜反射镜。下透光平板6，上表面通过光刻+镀膜工艺制作平面变栅距光栅4。

本发明的系统封装仅需保证上下两个透光平板的平行度和横向、纵向距离，保证阵列光电探测器7处于系统的聚焦光谱面上，装调十分简便。

本发明所提供的制造方法，基于平面变栅距光栅4这一核心器件，并设置透射狭缝1，系统结构简单紧凑。平面变栅距光栅4既有普通衍射光栅的分光作用，还通过栅线的变化具有像差校正作用。本发明的另一优点在于透射狭缝1在消除杂散光环节优于反射狭缝。反射狭缝在应用中难以与环境光隔绝，系统封装不便，且菲涅尔反射强造成杂散光大。本发明采用上表面入光，在上透光平板3的上表面镀黑铬隔光层2，入光口就是透射狭缝，黑铬镀层可将环境光干扰全部挡住，系统的封装也很简便。通过优化设计平板的距离可以保证入射光只打在平面变栅距光栅4上，从而减少了杂散光。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，其特征在于，包括阵列光电探测器、上透光平板和下透光平板，所述上透光平板与所述下透光平板相向平行间距设置，所述阵列光电探测器设置于所述下透光平板的下端；所述上透光平板上设置有用于隔离环境光的隔光层，所述隔光层位于所述上透光平板的上表面，所述隔光层上设置有用于供光线穿过的透射狭缝；所述下透光平板与所述上透光平板相向的一面上设置有变栅距光栅，所述上透光平板与所述下透光平板相向的一面上设置有用于将光线反射至所述阵列光电探测器上的反射部件。

2.如权利要求1所述的集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，其特征在于，所述隔光层为黑铬膜层，所述黑铬膜层通过蒸发镀膜或磁控溅射镀制于所述上透光平板的上表面。

3.如权利要求2所述的集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，其特征在于，所述透射狭缝的宽度为10至200μm，所述透射狭缝通过刻蚀的方式形成于所述黑铬膜层。

4.如权利要求1所述的集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，其特征在于，反射部件为反射镜。

5.如权利要求1所述的集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，其特征在于，所述反射部件为平面变栅距光栅。

6.如权利要求1至5中任一项所述的集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，其特征在于，所述上透光平板和下透光平板采用熔石英或光学玻璃制成。

7.如权利要求1至5中任一项所述的集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，其特征在于，所述阵列光电探测器为电荷耦合器件阵列、互补金属氧化物半导体、二极管阵列。

8.如权利要求1至4中任一项所述的集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，其特征在于，所述变栅距光栅通过紫外光刻或电子束直写及镀膜工艺制作于所述下透光平板与所述上透光平板相向的一面上。

9.如权利要求1至5中任一项所述的集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪，其特征在于，所述变栅距光栅通过离子束刻蚀制成闪耀槽型的光栅。

10.一种集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

准备阵列光电探测器、上透光平板和下透光平板；

于所述上透光平板的上平面设置一层用于隔离环境光的隔光层；

于所述隔光层开设用于供光线穿过的透射狭缝；

于所述上透光平板的下平面设置用于将光线反射至所述阵列光电探测器上的反射部件；

于所述下透光平板的上平面设置用于将从所述透射狭缝进入的入射光衍射至所述反射部件的变栅距光栅；

将所述上透光平板的下表面与所述下透光平板的上表面相对设置，将所述上透光平板与所述透光平板相向平行间距封装，并将所述阵列光电探测器设置于所述下透光平板的下表面。