CN105628199A - 具有亚波长金属结构的芯片型光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有亚波长金属结构的芯片型光谱仪，包括：亚波长滤波单元阵列和光电探测器阵列，光电探测器阵列设置在亚波长滤波单元阵列的出光侧，亚波长滤波单元阵列包括基底和附着在基底上的金属膜，金属膜上设置有多个呈阵列排列的开口，每行开口之间的开孔周期由亚波长金属孔阵列的光谱透射特性确定。本发明结构简单、无需机械移动、所有光学元件共光轴，便于集成，采用纳米量级薄膜，解决了光谱仪向芯片尺度小型化的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱探测技术领域，特别涉及一种具有亚波长金属结构的芯片型光谱仪。
背景技术
光谱仪是应用光学技术、电子技术及计算机技术对物质的成分及结构等进行分析和测量的基本设备，已广泛应用于天文、环境检测、薄膜工业、食品成分检测等领域。然而，由于工作原理及加工工艺的限制，传统的光谱仪普遍存在结构复杂、测量速度慢、使用环境受限、灵活性差及不易集成等缺点。因此小型甚至芯片型光谱仪的开发正成为人们近年来研究的热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有亚波长金属结构的芯片型光谱仪，以解决现有技术中结构复杂、测量速度慢、使用环境受限、灵活性差及不易集成等问题。
为此，本发明提供了一种具有亚波长金属结构的芯片型光谱仪，包括：亚波长滤波单元阵列和光电探测器阵列，光电探测器阵列设置在亚波长滤波单元阵列的出光侧，亚波长滤波单元阵列包括基底和附着在基底上的金属膜，金属膜上设置有多个呈阵列排列的开口，每行开口之间的开孔周期由亚波长金属孔阵列的光谱透射特性确定。
进一步地，阵列包括多行开口，每行开口的开孔周期不同。
进一步地，开孔周期为300－1000nm。
进一步地，金属膜的材料为金、银或铝。
进一步地，金属膜的厚度为100-300nm。
进一步地，开口为正方形。
进一步地，正方形的边长为150-300nm。
进一步地，基底为二氧化碳基底。
进一步地，光电探测器阵列为CCD或CMOS阵列。
进一步地，芯片型光谱仪还包括滤光片，滤光片位于亚波长滤波单元阵列的入光侧。
本发明结构简单、无需机械移动、所有光学元件共光轴，便于集成，采用纳米量级薄膜，解决了光谱仪向芯片尺度小型化的难题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为亚波长滤波单元阵列的结构示意图。
图3为亚波长滤波单元阵列的主视图。
图4为本发明的工作机制示意图。
图5为一光谱测试结果。
图中附图标记：1、亚波长滤波单元阵列；2、光电探测器阵列；3、基底；4、金属膜；5、开口；6、滤光片；7、外壳。
具体实施方式
请参考图1至图5，本发明提供了一种具有亚波长金属结构的芯片型光谱仪，包括：亚波长滤波单元阵列1和光电探测器阵列2，光电探测器阵列2设置在亚波长滤波单元阵列1的出光侧，亚波长滤波单元阵列1包括基底3和附着在基底3上的金属膜4，金属膜4上设置有多个呈阵列排列的开口5，在表面等离子体共振作用下，特定周期的亚波长金属孔阵列具有特定的光谱透射特性，利用该特性来确定每行开口5之间的开孔周期。例如，一些开口5按照特定的周期排列在金属膜4上形成一个滤波单元，多个不同周期排列的滤波单元按照顺序排列成亚波长滤波单元阵列1。光电探测器阵列2位于亚波长滤波单元阵列1后方，两者组合后构成芯片型表面等离子体光谱仪。
本发明结构简单、无需机械移动、所有光学元件共光轴，便于集成，采用纳米量级薄膜，解决了光谱仪向芯片尺度小型化的难题。
优选地，芯片型光谱仪还包括滤光片6，滤光片6位于亚波长滤波单元阵列1的入光侧。滤光片6可根据需求，作用在任意可见光波段。优选地，芯片型光谱仪还包括外壳7，具有C字形的凹槽，所述亚波长滤波单元阵列1、光电探测器阵列2和滤光片6均位于所述凹槽内。
优选地，阵列包括多行开口5，每行开口5的开孔周期不同。优选地，开孔周期为300－1000nm。优选地，开口5为正方形。优选地，正方形的边长为150-300nm。这样，不同滤波单元的开口周期是不同的，例如，滤波单元基于表面等离子体共振技术，开口周期可以从a开始，以t为步长递增至b，从而一共形成m个不同周期的滤波单元，其中a、t、b范围为300-1000nm，且b＝a+t*(m-1)。
在光谱测量过程中，被测光X通过滤波片照射在滤波单元后，由于亚波长方形开口结构的异常透射，产生特有的透射光谱，记为T。不同滤波单元开孔周期不同，其透射光谱也不同，由此构造多组不同的光谱透射曲线，可组成滤波矩阵H(T1、T2、T3...Tm)。被测光经过滤波阵列后，每个滤波单元透射光的能量被其后对应的光电探测器阵列所记录，记为Y(Y1、Y2、Y3...Ym)。本发明工作机制为典型的滤波型光谱仪，工作过程可由X*H＝Y表示。信号恢复便转变为由向量Y和滤波阵列的滤波矩阵H求解X的问题。
优选地，金属膜4的材料为金、银或铝。优选地，金属膜4的厚度为100-300nm。
优选地，基底为二氧化碳基底。
优选地，光电探测器阵列2为CCD或CMOS阵列。特别地，每一个滤波单元的尺寸为光电探测器阵列2的单元像素尺寸的整数倍，各自对应独立的探测器像素区域。
下面，结合一个具体实例，对本发明的实现过程进行如下说明：
(1)一组波长范围为300nm-1000nm，采样点总数为201的信号光，记为X(1×201)，依次通过共光轴的滤光片、亚波长滤波单元阵列1，最后到达光电探测器阵列2；
(2)亚波长滤波单元阵列1由30个金属亚波长纳米孔阵列滤波单元组成，在表面等离子体共振效应作用下，每个滤波单元对入射信号光有着不同的透射光谱曲线T(201×1)，记为T1、T2、T3...T30，共同组成滤波阵列结构的亚波长滤波单元阵列1：H(201×30)；
(3)亚波长滤波单元阵列1后的光电探测器阵列2对应得划分为30个像素区域，分别记录信号光X通过每个滤波单元后的光信号能量，分别记为Y1、Y2、Y3...Y30，组成接收信号向量Y(1×30)。
(4)工作过程可由X*H＝Y表示，信号由已知向量Y和滤波矩阵H求解X。由于采样信号X向量长度为201，接收向量Y长度为30，此类问题可利用压缩传感等领域中信号稀疏算法求解。
图5为利用基于信号稀疏表示的相关算法进行光谱恢复的结果，该结果表明本发明的芯片光谱仪不仅尺寸小，且探测光谱与原光谱形状吻合，光谱探测准确。特别地，本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
(1)与传统的光谱仪相比，本发明提供的光谱仪中没有机械移动，不需要机械控制设备，因此体积小、成本低、灵活性强；
(2)本发明提供的光谱仪中所有光学元件均共光轴，光路简单，因此光谱仪的系统设计容易实现，可方便集成到其他光学系统中；
(3)由于滤波结构和光电探测器均具有阵列化的特点，因此本发明所提供的设计思路可系列化扩展滤波结构单元数和探测器尺寸，以提高光谱探测通量及精度。
Claims (10)
1.一种具有亚波长金属结构的芯片型光谱仪，其特征在于，包括：亚波长滤波单元阵列(1)和光电探测器阵列(2)，所述光电探测器阵列(2)设置在所述亚波长滤波单元阵列(1)的出光侧，所述亚波长滤波单元阵列(1)包括基底(3)和附着在所述基底(3)上的金属膜(4)，所述金属膜(4)上设置有多个呈阵列排列的开口(5)，每行所述开口(5)之间的开孔周期根据所述亚波长滤波单元阵列(1)的光谱透光特定性确定。
2.根据权利要求1所述的芯片型光谱仪，其特征在于，所述阵列包括多行所述开口(5)，每行所述开口(5)的开孔周期不同。
3.根据权利要求1所述的芯片型光谱仪，其特征在于，所述开孔周期为300－1000nm。
4.根据权利要求1所述的芯片型光谱仪，其特征在于，所述金属膜(4)的材料为金、银或铝。
5.根据权利要求1所述的芯片型光谱仪，其特征在于，所述金属膜(4)的厚度为100-300nm。
6.根据权利要求1所述的芯片型光谱仪，其特征在于，所述开口(5)为正方形。
7.根据权利要求6所述的芯片型光谱仪，其特征在于，所述正方形的边长为150-300nm。
8.根据权利要求1所述的芯片型光谱仪，其特征在于，所述基底为二氧化碳基底。
9.根据权利要求1所述的芯片型光谱仪，其特征在于，所述光电探测器阵列(2)为CCD或CMOS阵列。
10.根据权利要求1所述的芯片型光谱仪，其特征在于，所述芯片型光谱仪还包括滤光片(6)，所述滤光片(6)位于所述亚波长滤波单元阵列(1)的入光侧。
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