CN103398778A - 微型光谱仪及其制备装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型光谱仪及其制备装配方法。该微型光谱仪包括狭缝、玻璃平板、球面反射镜和光电探测器，所述玻璃平板的上表面刻有像差校正光栅，所述光电探测器安装于所述玻璃平板的下表面，且所述光电探测器位于光谱的焦平面上；入射光通过所述狭缝照射到所述玻璃平板上表面的像差校正光栅进行分光形成衍射光，所述衍射光从所述像差校正光栅出射经过所述球面反射镜聚焦，会聚在所述玻璃平板下表面的所述光电探测器上。上述微型光谱仪及其制备装配方法，其中，微型光谱仪与切尼-特纳结构的光谱仪相比，仅需一面球面反射镜，有利于减小微型光谱仪的体积。

Description

微型光谱仪及其制备装配方法

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器领域，特别是涉及一种微型光谱仪及其制备装配方法。

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。

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。

目前微小型化的光谱仪多采用传统光谱仪的基本结构，通过使用比较小的光学器件以及紧凑的光路结构来实现微型化。最常见的结构为切尼-特纳（Czerny-Turner）结构，如图1a所示的对称式Czerny-Turner光路结构和图1b所示的交叉式Czerny-Turner光路结构，图1a和图1b中，狭缝为102（102'）、准直镜为104（104'）、光栅为106（106'）、聚焦镜为108（108'）、CCD（Charge-coupledDevice，电荷耦合元件）为110（110'），入射光通过狭缝102、准直镜104、光栅106、聚焦镜108到达CCD110处。此类光谱仪的光谱分辨率较高，但由于元器件数目较多，体积一般为整个手掌大小，难以进一步缩小。

发明内容

基于此，有必要针对目前的微型光谱仪体积仍然较大的问题，提供一种体积较小的微型光谱仪。

此外，还有必要提供一种体积较小的微型光谱仪的制备装配方法。

一种微型光谱仪，包括狭缝、玻璃平板、球面反射镜和光电探测器，所述玻璃平板的上表面刻有像差校正光栅，所述光电探测器安装于所述玻璃平板的下表面，且所述光电探测器位于光谱的焦平面上；入射光通过所述狭缝照射到所述玻璃平板上表面的像差校正光栅进行分光形成衍射光，所述衍射光从所述像差校正光栅出射经过所述球面反射镜聚焦，会聚在所述玻璃平板下表面的所述光电探测器上。

在其中一个实施例中，所述狭缝的宽度为10～50微米，厚度为0.05～0.2毫米。

在其中一个实施例中，所述像差校正光栅的栅线之间平行且间距不同。

在其中一个实施例中，所述像差校正光栅的栅线间距为0.5～5微米。

在其中一个实施例中，所述像差校正光栅为闪耀槽型光栅或矩形光栅或正弦形光栅。

在其中一个实施例中，所述狭缝与所述像差校正光栅之间的距离可调节。

在其中一个实施例中，所述光电探测器紧贴安装于所述玻璃平板的下表面，所述光电探测器与像差校正光栅之间的横向位置可调节。

在其中一个实施例中，所述玻璃平板的材料为熔石英光学玻璃、K9光学玻璃或B270光学玻璃；所述光电探测器为CCD阵列光电探测器或CMOS阵列光电探测器。

在其中一个实施例中，所述微型光谱仪还包括外壳，所述狭缝、玻璃平板、球面反射镜和光电探测器均位于所述外壳内。

一种微型光谱仪的制备装配方法，包括：

将金属膜层刻蚀形成透射的狭缝；

提供玻璃平板、球面反射镜和光电探测器，在所述玻璃平板的上表面形成像差校正光栅，将光电探测器安装于所述玻璃平板的下表面，且所述光电探测器位于光谱的焦平面上；以及

调整所述狭缝、玻璃平板及球面反射镜的相对位置，使入射光通过所述狭缝照射到所述玻璃平板上表面的像差校正光栅进行分光形成衍射光，以及所述衍射光从所述像差校正光栅出射经过所述球面反射镜聚焦，会聚在所述玻璃平板下表面的所述光电探测器上。

在其中一个实施例中，所述在所述玻璃平板的上表面形成像差校正光栅的步骤包括：

通过电子束光刻及镀膜、紫外线光刻及镀膜、纳米压印及镀膜中至少一种方式在所述玻璃平板的上表面形成像差校正光栅。

在其中一个实施例中，所述将金属膜层刻蚀形成透射的狭缝包括：将宽度为10～50微米，厚度为0.05～0.2毫米的金属膜层刻蚀形成透射的狭缝；所述像差校正光栅的栅线间距为0.5～5微米。

在其中一个实施例中，所述调整所述狭缝、玻璃平板及球面反射镜的相对位置包括：

调节所述狭缝与所述像差校正光栅之间的距离。

在其中一个实施例中，所述像差校正光栅的栅线之间平行且间距不同。

在其中一个实施例中，所述光电探测器紧贴安装于所述玻璃平板的下表面；所述方法还包括：

调节所述光电探测器与像差校正光栅之间的横向位置。

在其中一个实施例中，所述玻璃平板的材料为熔石英光学玻璃、K9光学玻璃或B270光学玻璃；所述光电探测器为CCD阵列光电探测器或CMOS阵列光电探测器；

所述制备装配方法还包括：

提供外壳，将所述狭缝、玻璃平板、球面反射镜和光电探测器安装在外壳内。

上述微型光谱仪，与切尼-特纳结构的光谱仪相比，仅需一面球面反射镜，有利于减小微型光谱仪的体积。

另外，像差校正光栅的栅线间隔不同可消除像差，从而提高光谱分辨率；可调节狭缝与像差校正光栅之间的距离，可优化微型光谱仪的光谱分辨率；光电探测器紧贴安装于玻璃平板的下表面，如此仅需调节狭缝与像差校正光栅之间的距离即可优化光谱分辨率，装调简便，且结构简单。

附图说明

图1a为对称式Czerny-Turner光路结构示意图；

图1b为交叉式Czerny-Turner光路结构示意图；

图2为本发明中的微型光谱仪结构示意图；

图3为图2中像差校正光栅的示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例及附图对微型光谱仪及制备装配方法进行详细的描述，以使其更加清楚。

如图2所示，为一个实施例中微型光谱仪的结构示意图。该微型光谱仪，包括狭缝202、玻璃平板204、球面反射镜206和光电探测器208。玻璃平板204的上表面刻有像差校正光栅203，光电探测器208安装于玻璃平板204的下表面，且光电探测器208位于光谱的焦平面上。

上述微型光谱仪的光路结构为：入射光通过狭缝202照射到玻璃平板204上表面的像差校正光栅203进行分光形成+1级衍射光，+1级衍射光从像差校正光栅203出射经过球面反射镜206聚焦，会聚在玻璃平板204下表面的光电探测器208上。

上述微型光谱仪，与切尼-特纳结构的光谱仪相比，仅需一面球面反射镜，有利于减小微型光谱仪的体积。

本实施例中，狭缝202用于隔离环境光，作为光信号入射口，可有效限制环境干扰光进入微型光谱仪内，提高了光谱测量的信噪比。狭缝202可由宽度为20～50μm（微米）、厚度为0.05～0.2mm（毫米）的金属膜层刻蚀形成，如此，狭缝202的宽度为10～50μm，厚度为0.05～0.2mm。该金属膜层可为钢、铁等。

像差校正光栅203的栅线之间平行且间距不同（即不断变化）。图3为像差校正光栅203的示意图，图3中像差校正光栅203的栅线之间的间距变化。像差校正光栅203可采用微光机电系统通过电子束光刻及镀膜、紫外线光刻及镀膜、纳米压印及镀膜中至少一种方式制作于玻璃平板204的上表面。像差校正光栅的栅线间距为0.5～5微米。因像差校正光栅203的栅线间隔的变化可消除像差，从而提高光谱分辨率。

像差校正光栅203可为闪耀槽型光栅或矩形光栅或正弦形光栅。像差校正光栅203为矩形光栅或正弦形光栅，更易制作。本实施例中，像差校正光栅203为闪耀槽型光栅。闪耀槽型光栅是指能在特定方向、特定光谱级和特定波长上获得能量最几种的一种反射衍射光栅。当光栅刻画成锯齿形的线槽断面时，光栅的光能量便集中在预定的方向上，即某一光谱级上，从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀，制成的光栅成为闪耀槽型光栅。闪耀槽型光栅可使衍射能量集中于+1级，提高了微型光谱仪的灵敏度。

在一个实施例中，狭缝202与像差校正光栅203之间的距离可调节。因可调节狭缝202与像差校正光栅203之间的距离，可优化微型光谱仪的光谱分辨率，以达到最佳的光谱分辨率。相比于凹面光栅，具有较高的光谱分辨率且制作简单。

玻璃平板204的材料为熔石英光学玻璃、K9光学玻璃或B270光学玻璃。其中，熔石英是氧化硅的非晶态。K9光学玻璃是用K9料制成的玻璃制品，K9的组成如下：二氧化硅SiO₂=69.13%，氧化硼B₂O₃=10.75%，氧化钡BaO=3.07%，氧化钠Na₂O=10.40%，氧化钾K₂O=6.29%，三氧化二砷As₂O₃=0.36%，它的光学常数为：折射率=1.51630，色散=0.00806，阿贝数=64.06。B270光学玻璃为无色光学玻璃。

光电探测器208为CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）阵列光电探测器或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）阵列光电探测器。CCD是一种半导体器件，能把光学影像转化为数字信号。CMOS是电压控制的一种放大器件。光电探测器208紧贴安装于玻璃平板204的下表面。如此仅需调节狭缝203与像差校正光栅203之间的距离即可优化光谱分辨率，装调简便，且结构简单。

此外，光电探测器208与像差校正光栅203之间的横向位置可调节，以改变光电探测器208接收聚焦点，即光谱接收范围。

进一步的，如图2所示，微型光谱仪还包括外壳210，狭缝202、像差校正光栅203、玻璃平板204、球面反射镜206和光电探测器208均位于外壳220内。该外壳210可防止内部器件受到碰撞而损伤。

本发明还提供了一种微型光谱仪的制备装配方法，包括：

（1）将金属膜层刻蚀形成透射的狭缝202。

具体的，步骤（1）包括：将宽度为10～50微米，厚度为0.05～0.2毫米的金属膜层刻蚀形成透射的狭缝。

（2）提供玻璃平板204、球面反射镜206和光电探测器208，在该玻璃平板204的上表面形成像差校正光栅203，将光电探测器208安装于玻璃平板204的下表面，且该光电探测器208位于光谱的焦平面上。

在玻璃平板204的上表面形成像差校正光栅的步骤包括：通过电子束光刻及镀膜、紫外线光刻及镀膜、纳米压印及镀膜中至少一种方式在玻璃平板204的上表面形成像差校正光栅。

具体的，像差校正光栅的栅线之间平行且间距不同；像差校正光栅的栅线间距为0.5～5微米。光电探测器208紧贴安装于玻璃平板204的下表面。玻璃平板204的材料为熔石英光学玻璃、K9光学玻璃或B270光学玻璃；光电探测器208为CCD阵列光电探测器或CMOS阵列光电探测器。

（3）调整该狭缝202、玻璃平板204及球面反射镜206的相对位置，使入射光通过狭缝202照射到玻璃平板204上表面的像差校正光栅203进行分光形成衍射光，以及衍射光从所述像差校正光栅出射经过该球面反射镜206聚焦，会聚在玻璃平板204下表面的该光电探测器208上。

调整该狭缝202、玻璃平板204及球面反射镜206的相对位置包括：调节狭缝202与像差校正光栅203之间的距离。

此外，还可调节所述光电探测器与像差校正光栅之间的横向位置，以改变光电探测器208接收聚焦点，即光谱接收范围。

上述微型光谱仪的制备装配方法还包括：提供外壳210，将狭缝202、玻璃平板204、球面反射镜206和光电探测器208安装在外壳210内。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (16)

1.一种微型光谱仪，其特征在于，包括狭缝、玻璃平板、球面反射镜和光电探测器，所述玻璃平板的上表面刻有像差校正光栅，所述光电探测器安装于所述玻璃平板的下表面，且所述光电探测器位于光谱的焦平面上；入射光通过所述狭缝照射到所述玻璃平板上表面的像差校正光栅进行分光形成衍射光，所述衍射光从所述像差校正光栅出射经过所述球面反射镜聚焦，会聚在所述玻璃平板下表面的所述光电探测器上。

2.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述狭缝的宽度为10～50微米，厚度为0.05～0.2毫米。

3.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述像差校正光栅的栅线之间平行且间距不同。

4.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述像差校正光栅的栅线间距为0.5～5微米。

5.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述像差校正光栅为闪耀槽型光栅或矩形光栅或正弦形光栅。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的微型光谱仪，其特征在于，所述狭缝与所述像差校正光栅之间的距离可调节。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的微型光谱仪，其特征在于，所述光电探测器紧贴安装于所述玻璃平板的下表面，所述光电探测器与像差校正光栅之间的横向位置可调节。

8.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述玻璃平板的材料为熔石英光学玻璃、K9光学玻璃或B270光学玻璃；所述光电探测器为CCD阵列光电探测器或CMOS阵列光电探测器。

9.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述微型光谱仪还包括外壳，所述狭缝、玻璃平板、球面反射镜和光电探测器均位于所述外壳内。

10.一种微型光谱仪的制备装配方法，包括：

将金属膜层刻蚀形成透射的狭缝；

提供玻璃平板、球面反射镜和光电探测器，在所述玻璃平板的上表面形成像差校正光栅，将光电探测器安装于所述玻璃平板的下表面，且所述光电探测器位于光谱的焦平面上；以及调整所述狭缝、玻璃平板及球面反射镜的相对位置，使入射光通过所述狭缝照射到所述玻璃平板上表面的像差校正光栅进行分光形成衍射光，以及所述衍射光从所述像差校正光栅出射经过所述球面反射镜聚焦，会聚在所述玻璃平板下表面的所述光电探测器上。

11.根据权利要求10所述的微型光谱仪的制备装配方法，其特征在于，所述在所述玻璃平板的上表面形成像差校正光栅的步骤包括：

通过电子束光刻及镀膜、紫外线光刻及镀膜、纳米压印及镀膜中至少一种方式在所述玻璃平板的上表面形成像差校正光栅。

12.根据权利要求10所述的微型光谱仪的制备装配方法，其特征在于，所述将金属膜层刻蚀形成透射的狭缝包括：将宽度为10～50微米，厚度为0.05～0.2毫米的金属膜层刻蚀形成透射的狭缝；所述像差校正光栅的栅线间距为0.5～5微米。

13.根据权利要求10所述的微型光谱仪的制备装配方法，其特征在于，所述调整所述狭缝、玻璃平板及球面反射镜的相对位置包括：

调节所述狭缝与所述像差校正光栅之间的距离。

14.根据权利要求10所述的微型光谱仪的制备装配方法，其特征在于，所述像差校正光栅的栅线之间平行且间距不同。

15.根据权利要求10所述的微型光谱仪的制备装配方法，其特征在于，所述光电探测器紧贴安装于所述玻璃平板的下表面；

所述方法还包括：

调节所述光电探测器与像差校正光栅之间的横向位置。

16.根据权利要求10所述的微型光谱仪的制备装配方法，其特征在于，所述玻璃平板的材料为熔石英光学玻璃、K9光学玻璃或B270光学玻璃；所述光电探测器为CCD阵列光电探测器或CMOS阵列光电探测器；

所述制备装配方法还包括：

提供外壳，将所述狭缝、玻璃平板、球面反射镜和光电探测器安装在外壳内。

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