CN109932058A

CN109932058A - 一种基于阵列滤光片的微型光谱仪

Info

Publication number: CN109932058A
Application number: CN201910242913.7A
Authority: CN
Inventors: 沈伟东; 郑晓雯; 杨陈楹; 沐雯; 袁华新; 王震; 袁文佳; 章岳光; 郑婷婷
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2019-06-25

Abstract

本发明公开了一种基于阵列滤光片的微型光谱仪及其制备方法，所述微型光谱仪包括扩束透镜、准直透镜、阵列滤光片、探测器和上位机，所述待测光束经依次经过扩束透镜扩束、准直透镜准直后照射于阵列滤光片，经阵列滤光片调制后的透射光被探测接收并传送给上位机，经上位机处理后待测光束的光谱分布。本发明提供的基于阵列滤光片的微型光谱仪，它采用了阵列滤光片作为其色散元件，将阵列滤光片集成在探测器芯片上，其结构紧凑，制备过程简单，成本低，便于大规模、批量化生产。

Description

一种基于阵列滤光片的微型光谱仪

技术领域

本发明涉及分析领域，具体涉及一种基于阵列滤光片的微型光谱仪。

背景技术

光谱仪是一种常用的光谱分析仪器，用以测试标定光源或物体的发射/反射/透射/辐射特性等，在光电系统、传感探测、食品安全、化工生产等领域有广泛用途。一般，光谱仪由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。目前，不同的色散元件(光栅元件、棱镜元件、可调谐滤光片等)构成了不同的色散系统。如公开号为CN108020516A的中国专利文献公开了一种光谱仪或成像光谱仪,具体为将透射光栅和聚焦透镜一体化或将准直元件、透射光栅和聚焦透镜一体化的光谱仪或成像光谱仪,包括入射狭缝、检测器、准直元件、聚焦透射光栅或准直聚焦透镜光栅。所述光谱仪中包括聚焦透镜光栅,该聚焦透镜光栅在聚焦透镜的一侧刻有光栅条纹，该透镜光栅能够同时实现分光、聚焦功能或同时实现准直、分光、聚焦功能；所述聚焦透镜光栅为消色差聚焦透镜光栅。如公开号为CN105444883A的中国专利文献公开了一种基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪，其包括光谱仪以及远程控制装置，光谱仪与远程控制装置通讯连接；光谱仪包括外壳、光学镜头及液晶可调谐滤光片，外壳内部设置有CCD探测器、DSP处理器以及电源模块，光学镜头设置在外壳的外部液晶可调谐滤光片设置在光学镜头的后部，物体的反射光通过光学镜头后再由液晶可调谐滤光片调谐滤波。

色散元件系统的尺寸很大程度决定了光谱仪的尺寸，而常用的光栅元件/棱镜元件/可调谐滤光片等都具有较大的物理尺寸，使得光谱仪体积大，携带不便，无法与众多测试/成像系统集成，严重限制了光谱仪的应用。因此，提供一种便携和微型的光谱仪是目前本领域需要解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于阵列滤光片的微型光谱仪，该微型光谱仪避免了光栅、棱镜、可调谐滤光片等常用的色散元件，可大大缩小物理尺寸，扩大其应用领域。

本发明提供如下技术方案：

一种基于阵列滤光片的微型光谱仪，所述微型光谱仪包括扩束透镜、准直透镜、阵列滤光片、探测器和上位机，所述待测光束依次经过扩束透镜扩束、准直透镜准直后照射于阵列滤光片，经阵列滤光片调制后的透射光被探测器接收并传送给上位机，经上位机处理后得到待测光束的光谱分布。

在本发明中，阵列滤光片集成在探测器芯片上。

所述阵列滤光片包括若干个滤光区块，每个滤光区块的透过光谱互不相同，每个滤光区块的透射光谱线性叠加后覆盖探测全波段。

在本发明中，所述探测全波段为400-780nm。

在本发明中，所述若干个是指大于等于2个。

所述滤光区块包括基底和在基底上沉积的滤光膜系，所述滤光膜系选自高/低折射率堆叠层的多层全介质膜、金属-介质结构膜堆或具有微纳结构的光学滤光元件。

所述基底材料选自玻璃或塑料。优选的，所述的基底为K9玻璃或PET塑料。

优选的，所述多层全介质膜中的高折射率层材料选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅或硫化锌中的一种或至少两种的组合；所述多层全介质膜中的低折射率层材料选自二氧化硅、三氧化二铝或金属氟化物中的一种或至少两种的组合。其中，所述金属氟化物可以为氟化镁。

优选的，所述多层全介质膜的层数为3-50。

优选的，所述在基底上沉积的滤光膜系自下而上为金属/介质/金属窄带滤光膜系或金属/介质/金属/介质窄带滤光膜系。

优选的，所述金属-介质结构膜堆中的金属层材料选自金、银、铝或铜中的一种或至少两种组成的合金；所述介质层材料选自二氧化硅、三氧化二铝、金属氟化物、二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅或硫化锌中的一种或至少两种的组合。其中，所述金属氟化物可以为氟化镁。

优选的，所述金属/介质/金属窄带滤光膜系中金属层的厚度为6nm-70nm、介质层的厚度为15nm-10μm。其中，金属层的厚度可以相同或不同。

优选的，所述金属/介质/金属/介质窄带滤光膜系中金属层的厚度为6nm-70nm、金属层之间的介质层的厚度为15nm-10μm、位于最上层的介质层的厚度为10nm-10μm。其中，金属层的厚度可以相同或不同。

在金属/介质/金属窄带滤光膜系或金属/介质/金属/介质窄带滤光膜系中，两层金属层可形成法布里-波罗腔，其厚度主要对透射光谱的通带半宽度及峰值透射率有较大的影响；两金属层之间所夹介质层为间隔层，亦为中心波长调制层，调整该介质层厚度即可改变滤光片中心波长。在金属/介质/金属/介质窄带滤光膜系中，顶层的介质层为减反层，用以提高中心波长的峰值透过率。

进一步优选的，所述滤光区块包括基底和在基底上沉积的金属/介质/金属/介质窄带滤光膜系；所述金属层材料为银，所述介质层材料为二氧化硅，所述金属层之间的介质层的厚度为20nm-1.5μm，所述位于最上层的介质层的厚度为20nm-500nm。

当位于最上层的介质层的厚度过大时，在低透射率波段有纹波，膜层越厚，纹波数越大，进一步优选20nm至500nm。

在本发明中，所述探测器选自光伏探测器、光电导探测器、热探测器或CCD。探测器将采集到的经阵列滤光片调制后的透光光谱转换为电信号后传送至上位机。

本发明提供的微型光谱仪测量原理是待测光经扩束、准直后，均匀照射于阵列滤光片，经阵列滤光片调制后，不同区域的透射光被探测器同时接收，探测器可以得到每个滤光区块的光强值，由于每个区块的透射光谱函数是由其制备方式所决定的，且基本不受外部环境影响，故认为是定值，视为已知。每个滤光区块的光强值是待测光谱在某一波长处的光强值与该波长处滤光区块的透射率的乘积在整个探测波长范围内的累加和。

假设阵列滤光片由N×M个滤光区块组成(N,M均为大于1的正整数)，故可以得到N×M个光强值I_ij(i＝1,2,……,N且j＝1,2,……,M)，滤光区块的透射光谱函数为T_ij(λ)，令待测光谱为Φ(λ)，第i×j个滤光区块的光强值可表示为：

式中，λ的取样个数X决定了测试光谱的测量值与真值的逼近程度；当m1≠m2且n1≠n2时，T_m1k1(λ)≠kT_m2n2(λ)，k>0，即每个滤光区块的透射光互不相同，且不成任何线性关系，并且每个滤光区块的透射光谱线性叠加后需覆盖探测全波段。

由此可以得到N×M个方程的方程组：

利用数学方法求解N×M个方程，可得到测量光谱值φ(λ)，而测量光谱值φ(λ)随着λ的取样个数X越大越逼近于实际光谱Φ(λ)。数学方法可采用以下两种方法：(1)数值逼近；(2)求N×M个波长的准确值，然后插值。

所述的阵列滤光片满足每个滤光区块的透射光谱互不相同，其制备方法可以采用电子束刻蚀、离子束聚焦刻蚀、纳米压印、光刻等制备技术；优选为多次二元分离光刻方法，即采用多个不同图形(明暗区域面积1：1)的掩模板经多次光刻，按一定规律调整不同位置滤光区块的膜层厚度，实现不同区块各自不同的光谱曲线。

本发明提供的基于阵列滤光片的微型光谱仪的设计方法，包括：对于测量精度需满足的性能指标要求，确定阵列滤光片所需划分的滤光区块个数；根据所需探测的波长范围和确定的基底材料和滤光膜系的膜层材料，设计出每个滤光区块透射光谱的多层膜系；将基底或探测器基底用乙醇、丙酮分别进行擦拭清洗；将基底或探测器进行第一次光刻，对部分区域进行保护；将光刻后的基底置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在基底上沉积多层膜系；去除光刻胶，清洗，烘干；将基底进行下一次套刻，对部分区域进行保护；将套刻后的基底置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在基底上沉积多层膜系；去除光刻胶，清洗，烘干；重复上述最后三个步骤，直到各区域呈现不同光谱，从而得到本发明中的阵列滤光片；搭建具有准直和扩束光学系统，使得待测光均匀照射于阵列滤光片；阵列滤光片与探测器集成，探测器采集不同位置处的光强值，通过光电转换，将其变为电信号，传送至上位机。根据确定的波长取样数，上位机经数据计算、分析处理得到测量光谱值。由此，即可搭建起基于阵列滤光片的光谱仪。

阵列滤光片是一种通过物理模板或光刻等方法在单一基板上实现区块化的多种光谱的滤光片，即一块基板上排列着多种尺寸微小的滤光片。阵列滤光片在高光谱成像/探测等领域有广泛应用。因此，将阵列滤光片集成在探测器芯片上，一次性获得多种光谱透过率条件下的透过强度，通过数值解的方法求解出待求光谱离散光谱值从而实现光谱仪功能是一种全新的，微型化的，可集成的光谱仪结构方法。

本发明的基于阵列滤光片的光谱仪，与目前主流的光谱仪不同，它采用了阵列滤光片作为其色散元件，将阵列滤光片集成在探测器芯片上，大大地减小了光谱仪的物理尺寸。同时，于探测器上可一次性获得多种光谱透过率条件下的透过强度，通过数值解的方法求解出待求光谱离散光谱值。本发明是一种全新的，微型化的，可集成的光谱仪结构方法，有望在便携式工业检测等领域中广泛应用。

附图说明

图1为本发明提供的基于阵列滤光片的微型光谱仪的结构示意图；

图2为实施例中阵列滤光片中滤光区块的结构示意图；

图3为本发明提供的阵列滤光片的优选制备过程图；

图4为实施例中阵列滤光片中16个滤光区块的透射光谱图；

其中：1为待测光束，2为扩束透镜，3为准直透镜，4为阵列滤光片，5为探测器，6为上位机；41为介质层，42为金属层，43为介质层，44为金属层，45为基底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，本发明提供的光谱仪包括扩束透镜2、准直透镜3、阵列滤光片4、探测器5以及上位机6，待测光束1通过扩束透镜2扩束、准直透镜3准直后以平行光出射，经阵列滤光片4调制后，不同区域的透射光被探测器5接收，不同区域光强值被传送到上位机6进行处理，最终得出待求光束的光谱分布。

阵列滤光片如图2所示，由基底45和在基底上沉积的滤光膜系41、42、43、44组成，此处滤光片为金属-介质法布里-波罗窄带滤光片，上金属层2和下金属层4形成有效谐振腔，通过调节介质层3(也称为间隔层)的厚度，来改变中心波长。顶层介质层1作为减反层用以提高中心波长处的峰值透过率。

阵列滤光片的制备过程如图3所示，通过不同掩模板可以得到具有不同中心波长和通带半宽度的窄带透射光谱的滤光区块，以此满足设计的测量精度要求。

图3显示了多次二元光刻分离方法制备优选阵列滤光片的示意图，其中：a)为空白基板上沉积了基础膜系的样品，b)为第1次掩模沉积间隔层材料，沉积A×20nm的膜厚，共2个滤光区块，c)为第2次掩模沉积间隔层材料，沉积A×2¹nm的膜厚，共4个滤光区块，d)为第3次掩模沉积间隔层材料，沉积A×2²nm的膜厚，共8个滤光区块，e)为第4次掩模沉积间隔层材料，沉积A×2³nm的膜厚，共16个滤光区块，f)为第5次掩模沉积间隔层材料，沉积A×2⁴nm的膜厚，共32个滤光区块，g)为第6次掩模沉积间隔层材料，沉积A×2⁵nm的膜厚，共64个滤光区块，A为单位间隔膜厚。

具体流程如下：已镀膜系金属/介质的基底，其中介质层厚度为中心波长对应待求光谱边界最小临界值的厚度，其上结构1如图3a)所示；经光刻掩膜1进行第一次光刻，沉积指定厚度(此处为A×20nm，A为单位间隔膜厚)薄膜，得到两块不同膜系结构的区域，膜系结构分别为1和2，如图3b)所示；经光刻掩膜2进行第二次光刻，沉积指定厚度(此处为A×2¹nm，A为单位间隔膜厚)薄膜，得到四块不同膜系结构的区域，膜系结构分别为1、2、3和4，如图3c)所示；经光刻掩膜3进行第三次光刻，沉积指定厚度(此处为A×2²nm，A为单位间隔膜厚)薄膜，得到八块不同膜系结构的区域，膜系结构分别为1、2、3、4、5、6、7和8，如图3d)所示；经光刻掩膜4进行第四次光刻，沉积指定厚度(此处为A×2³nm，A为单位间隔膜厚)薄膜，得到十六块不同膜系结构的区域，膜系结构分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15和16，如图3e)所示；依次光刻，沉积薄膜；经光刻掩膜i进行第i次光刻，沉积指定厚度(此处为A×2^i-1nm，A为单位间隔膜厚)薄膜，得到2ⁱ块不同膜系结构的区域，膜系结构分别为1、2、3、4、……、2ⁱ-2、2ⁱ-1和2ⁱ。每次光刻所用掩模板的明暗区域面积比恒为1：1，图3中所用的掩模板图形仅代表掩模板明暗分区的一种可能。

因此，通过多次二元光刻分离方法，只需要i次光刻、沉积薄膜，就可以得到2ⁱ个不同的阵列滤光片，而采用优选的阵列滤光片膜系结构，结合上述多次二元光刻分离方法，只需要i次光刻、沉积薄膜，就可以得到2ⁱ个中心波长均匀分布的窄带滤光片阵列。所以，该方法可大大减少光刻的次数，降低制作成本；可大大简化阵列滤光片的光谱，提高光谱仪精度。

实施例

本实施例提供的微型光谱仪的探测波段范围为400nm～780nm。

阵列滤光片上设置16个滤光区块，基底选用K9玻璃、膜系选用Sub/Ag/SiO₂/Ag/TiO₂/Air的窄带滤光膜系，其各膜层结构参数如表1所示。

表1阵列滤光片的结构参数

膜层数	膜层材料	物理厚度/nm
			1	Ag	40.00
2	SiO<sub>2</sub>	312～492(12nm/间隔)
			3	Ag	45.00
4	TiO<sub>2</sub>	55.00

阵列滤光片的制备过程为：先在空白基底上沉积40nm的Ag膜；再沉积312nm的SiO₂，再经4次不同形状的掩模板光刻、沉积SiO₂，每次厚度分别为12nm、24nm、48nm和96nm，即可得到16个不同厚度的SiO₂膜，如图3e)所示。图3e)中每一个数字z代表每一个滤光区块的SiO₂膜层厚度为(300+12×z)nm；再沉积45nm的Ag膜，最后沉积55nm的TiO₂膜。阵列滤光片的16个滤光区块的透射光谱T_i(λ)(i＝1,2,……,16)，如图4所示，较为均匀地覆盖了探测波段。

经过扩束、准直光学系统后，待测光可均匀地照射于阵列滤光片，经16个滤光区块透射，探测器可以探测不同区块位置对应的平均光强值I_i(i＝1,2,……,16)，由此可以得到16个方程的方程组：

设置λ的取样数X为29，其值可取相应的窄带滤光片光谱的中心波长，用数学方法(统计估计方法或退化算法等现代科学计算方法)计算可得具有一定置信度的测量光谱值φ(λ)。以测量光谱值逼近待测光谱值Φ(λ)，并给出相应的误差精度。

上述16个滤光区块可以通过上述多次二元分离曝光的方法较为便捷地扩展为128个滤光区域或512个滤光区域，从而可以大大提高该光谱仪分辨率，可低至1-2nm。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于阵列滤光片的微型光谱仪，其特征在于，所述微型光谱仪包括扩束透镜、准直透镜、阵列滤光片、探测器和上位机，所述待测光束依次经过扩束透镜扩束、准直透镜准直后照射于阵列滤光片，经阵列滤光片调制后的透射光被探测器接收并传送给上位机，经上位机处理后得到待测光束的光谱分布。

2.根据权利要求1所述的基于阵列滤光片的微型光谱仪，其特征在于，所述阵列滤光片包括若干个滤光区块，每个滤光区块的透过光谱互不相同，每个滤光区块的透射光谱线性叠加后覆盖探测全波段。

3.根据权利要求2所述的基于阵列滤光片的微型光谱仪，其特征在于，所述滤光区块包括基底和在基底上沉积的滤光膜系，所述滤光膜系选自高/低折射率层堆叠的多层全介质膜、金属-介质结构膜堆或具有微纳结构的光学滤光元件。

4.根据权利要求3所述的基于阵列滤光片的微型光谱仪，其特征在于，所述多层全介质膜中的高折射率层材料选自二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅或硫化锌中的一种或至少两种的组合；所述多层全介质膜中的低折射率层材料选自二氧化硅、三氧化二铝或金属氟化物中的一种或至少两种的组合。

5.根据权利要求4所述的基于阵列滤光片的微型光谱仪，其特征在于，所述多层全介质膜的层数为3-50。

6.根据权利要求3所述的基于阵列滤光片的微型光谱仪，其特征在于，所述在基底上沉积的滤光膜系自下而上为金属/介质/金属窄带滤光膜系或金属/介质/金属/介质窄带滤光膜系。

7.根据权利要求6所述的基于阵列滤光片的微型光谱仪，其特征在于，所述金属-介质结构膜堆中的金属层材料选自金、银、铝或铜中的一种或至少两种组成的合金；所述介质层材料选自二氧化硅、三氧化二铝、金属氟化物、二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、氮化硅或硫化锌中的一种或至少两种的组合。

8.根据权利要求6所述的基于阵列滤光片的微型光谱仪，其特征在于，所述金属/介质/金属窄带滤光膜系中金属层的厚度为6nm-70nm、介质层的厚度为15nm-10μm。

9.根据权利要求6所述的基于阵列滤光片的微型光谱仪，其特征在于，所述金属/介质/金属/介质窄带滤光膜系中金属层的厚度为6nm-70nm、金属层之间的介质层的厚度为15nm-10μm、位于最上层的介质层的厚度为10nm-10μm。

10.根据权利要9所述的基于阵列滤光片的微型光谱仪，其特征在于，所述金属/介质/金属/介质窄带滤光膜系中金属层材料为银，所述介质层材料为二氧化硅，所述金属层之间的介质层的厚度为20nm-1.5μm，所述位于最上层的介质层的厚度为20nm-500nm。