CN112834036A - 一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法，以提高其光谱分辨率、降低微腔阵列中腔内介质层的制备方法的工艺复杂性；所述的微型光谱仪模组中包括具有以金属薄膜为反射层的Fabry‑Perot结构的微腔阵列和探测器阵列；所述的提高光谱分辨率的方法包括通过基于准单色光的预置校准信息和光谱重构来获取光谱的方法、和增加微腔阵列中的微腔单元数目；所述的微腔阵列中腔内介质层的制备方法是通过较少次数的工艺步骤来获得具有较大数目的不同厚度的腔内介质层，以此实现具有较大数目微腔单元的微腔阵列。
Description
技术领域
本发明涉及微型光谱仪模组，尤其是涉及一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法。
背景技术
光谱仪是一种非常重要的光学仪器。光谱仪工作原理的核心在于其分光技术。现行常见的光谱仪概括来说有两类：一类是以光栅光谱仪为代表的色散分光型；另一类是以基于干涉仪的傅里叶变换光谱仪为代表的调制型。实验室级别的专业型光谱仪一般都体积较大、价格昂贵，其整体性能往往伴随着仪器尺寸的缩小而减弱。
近年来，随着信息技术的发展、生产生活智能化、和人们对食品安全、环境污染、医疗健康等需求的增长，微型光谱仪模组受到关注。其应用目标向作为智能化设备和消费类电子产品(如智能手机和可穿戴设备等)的传感组件的运用来发展。
其中，基于滤光器阵列结构来实现微型光谱仪模组是一个重要途径。这种微型光谱仪模组是将通过滤光器阵列中各个滤光器单元的透射光照射在探测器阵列中相应的探测器单元上进行光电转换，然后再通过后端数据处理来获取光谱。根据其滤光器阵列结构的不同，举例如下：
如滤光器阵列是基于具有不同腔长的垂直型Fabry-Perot谐振腔(后面简称F-P腔)阵列结构。因其背景技术与本发明有可比性，稍后具体说明。
如滤光器阵列是基于介质材料的光子晶体结构【如以下文献所涉及：1.N.K.Pervez,W.Cheng,et al.,Opt.Express,18(8),8277(2010)；2.X.Gan,et al.,Appl.Phys.Lett.,100,231104(2012)；等】；
还有，如滤光器阵列结构是基于金属微纳结构【如以下公开发明专利所涉及：中国发明专利CN 105092035B、CN 109642822A、CN 110873911 A、CN 110243471 A、CN109564323A、等；美国发明专利US 8542359 B2、US 7426040 B2、等】。
上面所述的Fabry-Perot谐振腔结构是一种常见而且非常重要的可以实现滤光功能的谐振腔结构。对基于Fabry-Perot谐振腔结构的滤光器阵列在微型光谱仪模组中的应用，如想获得较宽的工作波段范围和较高的光谱分辨率，根据其基本理论，需要该谐振结构具有非常高的精细度(Finesse)，如使谐振腔的腔体长度较小、且两端反射镜的具有很高的反射率，这在一般情况下都难以实现。下面就与此有关的若干文献报道和公开的专利中的情况为例进行简要介绍：
如在文献【温志渝，陈刚，王建国，光谱学与光谱分析，26(10),1955(2006)】中通过模拟计算报道的F-P腔滤光器阵列中，每个单元中F-P腔的上下反射镜都为金属，为获得窄带，就需通过增加腔长利用其高阶谐振模式，但这样就减小了滤光器阵列的工作波段范围。同时具有不同腔长的F-P腔阵列比较难以基于量产化的平面工艺制备，如通过N次重复性的工艺流程来制备N个阵列单元；但N为几百时，只是腔体介质制备工艺就得至少上千道工艺。
如在文献【S.W.Wang,et al.,Opt.Lett.,31(3),332(2006)】报道的滤光器阵列中，F-P腔的上下反射镜为基于多层介质薄膜的分布布拉格反射镜(Distributed BraggReflector,DBR)。DBR反射镜所具有的高反射率是每个滤光器单元具有较窄的透射通带，但是DBR反射镜的高反射率仅存在于一定的有限的波段范围内。因此，基于这种F-P腔结构的微型光谱仪模组的工作范围较小。同时，用以制备DBR反射镜和不同阵列单元内不同厚度的腔体介质薄膜的工艺比较复杂。
如在文献【A.Emadi,et al.,Opt.Express,20(1),489(2011)】和中国发明专利【CN110873605A】中，利用了基于腔长连续性变化的F-P腔结构的线性可变滤光器(LinearVariable Filter,LVF)。F-P腔体上下反射镜为金属或DBR介质反射镜。这种结构厚度连续变化的介质层制备工艺与平面工艺也不兼容、重现性差。由于其腔长连续变化，没有明确的单元边界，不同波长间杂散光串音大。而且也同样存在如上面所述的光谱分辨率和工作波段范围之间的制约关系。
还有，如中国发明专利【CN 110243471 A、CN 108731806A】中，F-P腔中的其中一个或两个反射镜为基于在其面内具有金属微纳结构的反射镜。这种基于金属微纳结构的反射镜在一定波段内具有较高反射率(但也不是很高)，因此在不同滤光器单元内金属微纳结构需具有不同的结构参数。这种微纳结构的制备工艺具有很高的要求。
发明内容
本发明提供一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法，以提高其光谱分辨率、降低微腔阵列中腔内介质层的制备方法的工艺复杂性。
所述的提高光谱分辨率的方法，包括通过基于准单色光预置校准信息和光谱重构来获取光谱的方法、和增加微腔阵列中的微腔单元的数目。
所述的微腔阵列中腔内介质层的制备方法，是通过较少次数的工艺步骤来获得具有较大数目的不同厚度的腔内介质层，以此实现具有较大数目微腔单元的微腔阵列。具有较大数目的微腔单元，有利于提高所述微型光谱仪模组的光谱分辨率和工作波段范围。
本发明实施例所述的微型光谱仪模组至少包括微腔阵列和探测器阵列，另外还可以包括信号光采集与光束整形光路、信号处理与控制电路、以及模组结构件等。
所述的微腔阵列由多个微腔单元构成。所述的微腔单元具有Fabry-Perot类谐振腔结构，即包括有第一反射层金属薄膜、第二反射层金属薄膜、和腔内介质层。所述的反射层金属薄膜为具有部分反射、部分透射光学特性的超薄金属薄膜。所述的腔内介质层为透光介质材料薄膜。
所述的微腔阵列中的各个微腔单元具有不同的腔内介质层厚度；相邻的微腔单元间相互连接或相互隔离；各个微腔单元在微腔阵列面内具有规则或不规则形状、且以规则或不规则的方式排列。
所述的探测器阵列由其固有的多个探测器单位像素构成。所述探测器阵列可被规划为具有多个探测器单元，每个探测器单元包含有一个或多个探测器单位像素。
所述的微腔阵列中的各个微腔单元分别与探测器阵列中的各个探测器单元相对应。
所述的微型光谱仪模组在完成制造和封装后的使用前，需要首先对其进行预置校准测试，以获得不同波长的准单色光在被所述微型光谱仪模组接收后在探测器阵列上的光学响应所产生的数字电信号；在对来自目标物的信号光的光谱测试中，获得来自目标物的信号光在微型光谱仪模组的探测器阵列上的光学响应所产生的数字电信号；最后，结合预置校准信息和对信号光的测试信息、通过数据处理计算进行光谱重构来获取被测信号光的光谱。
本发明实施例中的微型光谱仪模组的光谱测试系统包括：所述的微型光谱仪模组、以及与其相匹配的信号处理系统、控制系统和输入/输出终端等。
本发明实施例中的微型光谱仪模组的预置校准测试系统包括：校准光源和所述的微型光谱仪模组的光谱测试系统。
所述校准光源为波长可调的准单色光源，即在所述微型光谱仪模组的工作波段范围内可以提供波长可调、输出功率稳定的准单色光。所述准单色光具有较窄的光谱线宽和较小的可调波长间隔，且其波长位置较为均匀地分布在所述微型光谱仪模组的工作波段范围内。
在对所述微型光谱仪模组的预置校准测试中，将校准光源输出的具有不同波长的准单色光分别输入所述的微型光谱仪模组，并通过信号处理系统记录由所述微型光谱仪模组中的探测器阵列所产生的用以表征其中各个探测器单元所接收到的光信号强度的数字电信号。
上面所述的预置校准信息包括：对应于校准光源的具有不同波长的准单色光的输出功率、以及由信号处理系统接收到的由各个探测器单元等部件所产生的数字电信号所表征的光的强度、及其它相关信息。该预置校准信息唯一对应于被校准的特定的微型光谱仪模组。该预置校准信息需要保存，以在使用该微型光谱仪模组进行光谱测试时在光谱重构计算中调用。
基于本发明所述方法的微型光谱仪模组所能实现的最高光谱分辨率依赖于其本身的硬件系统，同时也决定于所述校准光源输出的各准单色光的光谱线宽和波长间隔、以及光谱重构算法。
本发明实施例中所述的微腔阵列中腔内介质层的制备方法，是在微腔阵列中各个微腔单元的第一反射层金属薄膜的淀积后，通过较少次数地在微腔阵列中特定不同的微腔单元的区域内先后分别制备具有不同特定厚度的腔内介质层材料薄膜，形成具有较大数目个不同厚度的腔内介质层，然后再进行微腔阵列中各个微腔单元的第二反射层金属薄膜的淀积。如在本发明具体实施方式中提出的两个实施例中所述：通过N次镀膜，形成可达(2N-1)个不同厚度的腔内介质层；或者通过(M+N)次镀膜，形成可达M×(N+1)个不同厚度的腔内介质层。
本发明提出的另外一个对所述的微腔阵列中腔内介质层的制备方法的实施例，是在微腔阵列中各个微腔单元的第一反射层金属薄膜的淀积后，在第一反射层金属薄膜上面散布许多随机分布的、具有在微纳尺度内随机厚度的、离散的介质薄片，然后再进行微腔阵列中各个微腔单元的第二反射层金属薄膜的淀积。
本发明的一些主要特征、创新点和优点说明如下：
本发明实施例中Fabry-Perot类金属微腔中的反射层采用金属薄膜，使所述微型光谱仪模组可具有很宽的工作波段，在从紫外到红外光的波段范围内不受限制。
由于采用金属薄膜作为金属微腔中的反射层而带来的不利影响(如对其中谐振品质因子的降低，而对光谱分辨率的影响)，通过本发明中所述的对微型光谱仪模组进行预置校准和光谱重构的方法的益处来在一定程度上得以克服和补偿。
运用于光谱仪模组的Fabry-Perot类金属微腔中，当腔内介质层的厚度不同时，腔内谐振模式可为基模或高阶模。其中基模对应的透射通带较宽，使其光谱仪模组可有较宽的工作波段范围，但其光谱分辨率较低；高阶模对应的透射通带较窄，使其光谱仪模组可有较高的光谱分辨率，但其工作波段范围较小。传统上，为获得较高的光谱分辨率，一般采用具有较窄通带带宽的高阶谐振模式，其工作波段较小。本发明实施例中所述的微型光谱仪模组通过其预置校准和光谱重构来获取光谱的方法，突破了上面所述的金属微腔内采用低阶或高阶谐振模式时光谱分辨率和工作波段范围之间制约关系。所以，本发明实施例中所述的金属微腔可基于基模或(和)高阶模的谐振模式，同时实现较大的工作波段和较高的光谱分辨率。其中，尽管金属微腔性能对光谱分辨率仍有重要影响，但不是决定性的；基于本发明所述方法的微型光谱仪模组所能实现的最高光谱分辨率将在很大程度上决定于在对其预置校准中校准光源输出的各准单色光的光谱线宽和波长间隔、以及光谱重构算法。
同时，基于本发明实施例中所述的通过预置校准和光谱重构来获取光谱的方法，所述的微腔阵列中具有不同谐振特征的微腔单元在微腔阵列中可以随机分布，甚至于微腔阵列中各个微腔单元也可是以不规则的方式来排列。如此，增强了对所述的微腔阵列的制备工艺的宽容性。
本发明实施例中所述的微腔阵列中腔内介质层的制备方法，使得制备具有很多数目的微腔单元的微腔阵列的工艺变得简单可行，降低了工艺成本。而具有较多数目的微腔单元的微腔阵列使所述的微型光谱仪模组在预置校准和光谱重构中可获得较多数目的参数信息，从而有利于提高其光谱分辨率，同时也有利于提高其工作波段范围。
本发明实施例中的预置校准是在所述微型光谱仪模组完成制造和封装后进行的，所获得的预置校准信息，隐形地包含了所对应的微型光谱仪模组内部各个部分和元部件的光学响应和光电转换因素、在制造过程中的结构件偏差和各个部分间的对准偏差、以及其它不可控、不明确因素对光谱测试的综合影响。
附图说明
图1是根据本发明实施例的微型光谱仪模组示范例的横截面结构示意图。
图2是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的微腔阵列和探测器阵列的侧视结构示意图。
图3是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的微腔阵列的横截面结构示意图。其中，(a)中相邻的微腔单元间相互连接；(b)中相邻的微腔单元间相互隔离。
图4是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的微腔阵列中的微腔单元的形状和排列方式示范例的平面示意图。其中，(a)中相互连接的各个微腔单元具有规则形状、且以周期性规则方式排列；(b)中相互隔离的各个微腔单元具有规则形状、且以周期性规则方式排列；(c)中相互连接的各个微腔单元具有不规则形状、且以不规则方式排列；(d)中相互隔离的各个微腔单元具有不规则形状、且以不规则方式排列。
图5是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的微腔阵列中各个微腔单元的透射光谱的示意图。
图6是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的微腔阵列、及其微腔单元的平面示意图。
图7是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的探测器阵列、及其探测器单位像素和所规划的探测器单元的平面示意图。图中细线条小网格表示探测器单位像素，粗线条大网格表示由若干探测器单位像素构成的与微腔阵列中各个微腔单元相对应的探测器单元。
图8是根据本发明实施例的微型光谱仪模组对信号光进行光谱测试的示意图。
图9是根据本发明实施例的微型光谱仪模组进行预置校准测试的示意图。
图10是根据本发明实施例的微型光谱仪模组在预置校准中各个准单色光的归一化光谱曲线(a)和各个准单色光分别在探测器阵列中的各个探测器单元上所产生的电信号强度的分布曲线(b)的示意图。
图11是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的微腔阵列中各个微腔单元中具有不同厚度的腔内介质层的制备方法的示意图。举例：如在(a)至(e)中所示的特定不同的微腔单元的区域内先后分别制备具有5个不同厚度(以a、b、c、d、e标识)的介质薄膜，最终形成如(f)中所示的具有31个不同厚度的各个微腔单元中的腔内介质层。(f)中包含有不同厚度标识的微腔单元中的腔内介质层厚度为这些厚度的叠加。图中阴影区域为每次保留不进行介质薄膜淀积的区域。
图12是是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的微腔阵列中各个微腔单元中具有不同厚度的腔内介质层的制备方法的示意图。举例：如在(a)中所示某一方向上分别在不同的部分微腔单元的区域内制备具有6个不同厚度(厚度变化步长为Δa)的介质薄膜，然后沿另一方向再分别在不同的部分微腔单元的区域内制备具有4个不同厚度(厚度变化步长为Δb)的介质薄膜，最终形成如(b)中所示的具有30个不同厚度的各个微腔单元中的腔内介质层。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
以下实施例为示范性实施例，它们可以具有不同的形式或变型，而不应被解释为仅限于这里所给出的描述。在对本发明实施例的描述中，如“……上”的表述可以包括“以非接触方式在……上”和“以接触方式直接在……上”；如“……下”的表述可以包括“以非接触方式在……下”和“以接触方式直接在……下”；如“……和(与)……间”的表述意指“以接触或非接触方式在……和……间”；如“包括……”的表述意指“包括但不限于仅有……”；如在实施不同行为的先后顺序中的“……后”的表述意指“……后但不限于是紧接着”，中间也可有其它实施行为；对于准单色光的“波长”的表述意指准单色光的“中心波长或峰值波长”。
图1示出根据本发明实施例的微型光谱仪模组，包括：微腔阵列100、探测器阵列200、和信号光采集和光束整形光路300。
其中，信号光采集和光束整形光路300包括有：扩散片310、光阑320、和透镜330，还可以包括其它有益的光学元件。该部分目的是为均匀、高效地采集到信号光，并使之变成平行准直光垂直照射到滤光器阵列上。
图1中所示的微腔阵列100、探测器阵列200、和信号光采集和光束整形光路300及其中的扩散片310、光阑320、和透镜330等有关部件之间，可以是以某种支撑结构相互分立地组合在一起的，也可以是以某些透明介质作为中间媒质接触式地堆叠在一起的。所述的微型光谱仪模组可以是一个单独的组件，或者是集成于其它光电器件或系统中的一部分。
图2是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的微腔阵列100和探测器阵列200的侧视结构示意图。图中示出：微腔阵列100由J个微腔单元110构成；探测器阵列200由J个探测器单元210构成；探测器阵列200中的各个探测器单元210(如R1、R2、…、Rj、…)分别对应、且对准于微腔阵列100中的各个微腔单元110(如D1、D2、…、Dj、…)。
图3是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的微腔阵列100的横截面结构示意图。微腔阵列100中的微腔单元110(R1、R2、…、Rj、…)包括：衬底111、第一反射层金属薄膜112、第二反射层金属薄膜113、和腔内介质层114。
其中，衬底111可为厚度为几十微米至几毫米的透明介质，或为位于所述探测器阵列200之上的厚度为几十纳米至几百微米的透明介质。
第一反射层金属薄膜112和第二反射层金属薄膜113是具有部分反射部分透射光学特性的、厚度(tm1,tm2)为约5～100nm的超薄金属薄膜，可优选如金、银、铝、铜等良导体金属。
腔内介质层114的材料为透明介质，其厚度(td)决定于腔内介质层材料的折射率、对微腔单元110中谐振模式、谐振特性和谐振品质因子等参数、以及所述微型光谱仪模组的工作波段范围的选择和设计。例如在紫外到近红外波段，折射率为约1.5～2.5的腔内介质层114的厚度可选择在大约10nm～100μm范围。微腔阵列100中不同的微腔单元110的腔内介质层114的厚度应为不同；如为相同，则它们可被视为等效的一个微腔单元110，或其中一些微腔单元110所产生的效果视为无效。此外，微腔阵列100中具有不同厚度的腔内介质层114在各个微腔单元110中的分布可以是有规则的、也可以是无规则的。
图3(a)所示的示范例中相邻的微腔单元110间相互连接，图3(b)所示的示范例中相邻的微腔单元110间相互隔离。对于图3(b)所示的微腔阵列100，在淀积制备第一反射层金属薄膜112后，在其上面制备各个微腔单元110中相互隔离的腔内介质层114，然后再淀积制备连续的第二反射层金属薄膜113，于是自然在各个微腔单元110之间形成了具有较厚金属薄膜层的隔离区120。图3(b)所示的结构有益于减小相邻的、但不相对应的微腔单元110和探测器单元210间的杂散光串音。
图4示出根据本发明实施例的微型光谱仪模组中微腔阵列100中的微腔单元110的形状和排列方式的特征。图中示出：微腔阵列100中的各个微腔单元110之间可以是相互连接的、也可以是相互隔离的；微腔阵列100中的各个微腔单元110可以是以规则方式排列的、也可以是以不规则方式排列的；微腔阵列100中的各个微腔单元110可以是具有规则形状的(如方形、圆形、多变形等)、也可以是具有不规则形状的；或者是兼具以上所述特征中其中若干特征的情况。
图5是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中微腔阵列100中各个微腔单元110的透射光谱的示意图。图中示出，相对于各个微腔单元110在微腔阵列100中的位置编号顺序(如R1、R2、R3、…、Rj、…)，各个微腔单元的透射光谱的特征是无序排列的，即其透射光谱的特征波长(如谱峰波长)的位置不是随微腔单元110的编号顺序增加而单调地红移或蓝移，也就是说各个不同的微腔单元110中不同的腔内介质层114厚度的分布是无序的。当然，具有有序分布的微腔单元110的结构特征和其透射光谱特征波长的微腔阵列100也是可以、且有益的。另外，对各个不同的微腔单元110的光谱特性(如所反映的谐振模式、特征谱峰的宽度和透射率等)的要求也是比较宽容的；当然，它们之间的差异性越大，特征谱峰的宽度越小，越有益于在光谱重构后获得更加准确和高分辨率的测试光谱。
需要强调的是，根据本发明实施例的微型光谱仪模组对其中微腔阵列100中微腔单元110的形状、排列方式和其谐振光谱特性所具有的较大的宽容性，是建立在本发明实施例中所述的微型光谱仪的特征和获取光谱的方式(即通过基于准单色光的预置校准信息和光谱重构计算来获取光谱)的基础上的。
当然，上面所述的宽容性往往也是对本发明实施例的微型光谱仪模组在实现过程中应对所面临的问题进行综合考虑的处置方法。在优选情况下，期望微腔单元110中的微腔单元110具有规则的形状、优良的谐振光谱特性、并按规则方式排列，这将有益于提高所述微型光谱仪模组在光谱测试中进行光谱重构中数据处理的效率、以及所获取光谱的准确性和光谱分辨率等相关性能。
图6是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的微腔阵列100中的微腔单元111的平面示意图。图中示出，不同的微腔单元111(Rj，j＝1,2,…,J)具有不同的腔内介质层114厚度(td(j)，j＝1,2,…,J)，从而相应地具有不同的透射光谱特征。
图7是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的探测器阵列200、及其探测器单位像素211和所规划的探测器单元210的平面示意图。市场上的探测器阵列200中固有的探测器单位像素211的面内尺寸(如为几微米至几十微米)往往远小于微腔阵列100中微腔单元110的合适的面内尺寸(如为几十微米至几百微米)。因此，可将探测器阵列200中的多个探测器单位像素211规划为一个探测器单元210，使该探测器单元210和微腔阵列100中与其相对应且对准的微腔单元110具有尽可能接近的形状和面内尺寸。于是，微腔阵列100中的各个微腔单元110在探测器阵列200中具有与之相对应且对准的探测器单元210；在此过程中，探测器阵列200中有些探测器单位像素211没有与之对应的微腔单元110、也不被划分到任何一个探测器单元210，则这些探测器单位像素211可被视为无效、或做其它处理。
当然，如果探测器单位像素211的面内尺寸较大(如与所要设计的微腔单元110的面内尺寸约为同一量级或更大)时，就需要综合考虑，根据探测器阵列200中探测器单位像素211的形状、尺寸和排列布局来设计制造微腔阵列100及其微腔单元110，或根据微腔阵列100中微腔单元110的形状、尺寸和排列布局来设计制造探测器阵列200及其探测器单位像素211，使之相互匹配。
对于上面所述的探测器阵列200中探测器单位像素211和探测器单元210的规划和处理，是在对探测器阵列200中各个探测器单位像素211所接收的光信号转换为电信号后在后期的数据处理过程中进行的。
图8示出根据本发明实施例的微型光谱仪模组的光谱测试系统，包括所述的微型光谱仪模组和与其相匹配的信号处理系统410、控制系统420和输入/输出终端430。
根据本发明实施例的光谱仪模组可以是和信号处理系统410、控制系统420和输入/输出终端430集成于同一个装置中使用；或者信号处理系统410、控制系统420和输入/输出终端430是集成于另外独立的一个或几个装置中，通过有线或无线连接方式与所述的光谱仪模组配套使用。
在图8所示的光谱测试系统中，待测信号光经信号光采集和光束整形光路300后入射到微腔阵列100上，通过不同微腔单元110的透射光分别被照射在对应的探测器单元210上；由探测器阵列200中各个探测器单元210所接收的光信号经光电转换为电信号，并经过前期的信号预处理和模数(A/D)转换后通过有线或无线方式传输到测试系统的信号处理系统410，再结合预置校准信息进行光谱重构。
图9示出根据本发明实施例的微型光谱仪模组的预置校准测试系统，它是在图8所示的光谱测试系统的基础上用校准光源500输出的各个准单色光来获取被预置校准的特定的微型光谱仪模组的预置校准信息。
校准光源500可为由多个具有不同波长的准单色光源(如发光二极管LED或激光二极管LD)构成的波长可调的准单色光源，或为通过调谐内部谐振腔参数来实现具有不同波长的准单色光输出的光源。
校准光源500也可以为基于宽带光源(如氙灯、氘灯、卤素灯等)、用可调单色仪或可调滤光器来获得具有不同波长的准单色光的光源系统。
下面简要说明对根据本发明实施例的特定的微型光谱仪模组进行预置校准测试和对信号光进行光谱测试的方法和过程。
对所述的特定的微型光谱仪模组的预置校准测试是在其硬件系统已经完成制造和封装之后进行。设在所述的特定的微型光谱仪模组的工作波段范围内，校准光源500输出的准单色光的波长为λi(i＝1,2,…,I；此处I为工作波段内准单色光波长数目)，且该准单色光对应的输出功率为Pc(λi)。设波长在λi处的准单色光的归一化的光谱曲线为Ici(λ)，则可有Pc(λi)＝A(λi)Ici(λ)，其中A(λi)为对应于各准单色光的归一化常数。
参照图9所示，在来自校准光源500的具有不同波长λi的准单色光分别输入的情况下，所述特定的微型光谱仪模组中的探测器阵列200中的各个探测器单元210所产生的电信号经预处理和模数(A/D)转换后输出到信号处理系统410的、对应于各个探测器单元210所接收到的校准光信号强度的数字信号所表征的强度为c0j(λi)(j＝1,2,…,J；此处J为探测器阵列200中探测器单元210的数目)。并设cj(λi)＝c0j(λi)/P0(λi)为对应于各个探测器单元210的相对于校准光源500输出准单色光功率的校准信号强度。
在此需要说明的是，预置校准信息除了包括校准光源500输出准单色光的信息、以及校准光源500输出准单色光在输入所述特定的微型光谱仪模组后所产生的校准信号强度的信息，还包括预置校准测试系统中控制系统420对探测器阵列200所设定的积分时间(或称曝光时间)。一般来说，探测器阵列200中各个探测器单元210所接收到的光子数目以及所产生的电信号强度往往与积分时间成正比。在此，设在预置校准测试中设定的探测器阵列200的积分时间为tc。
经过上述预置校准测试后所获得的预置校准信息可保存在所述特定的微型光谱仪模组内或与之绑定的信号处理系统410等的存储器中，以在应用中的光谱测试中进行光谱重构计算时调用；或保存于远程服务器的数据存储系统等，通过对所述特定的微型光谱仪模组设定的设备编号来进行索引和调用。
参照图8所示，在光谱测试中，设通过控制系统420设置的所述特定的微型光谱仪模组中的探测器阵列200的积分时间为tr；当来自目标物的待测信号光被该微型光谱仪模组采集后，在信号处理系统410获得对应于各个探测器单元210所接收到的信号光强度的数字信号所表征的强度为r0j(j＝1,2,…,J)。考虑到探测器阵列200积分时间的不同对所产生的信号强度的影响，设rj＝r0j(tr/tc)。则来自待测目标物的信号光的实际光谱s(λ)可以基于下面的公式来对其离散解s(λi)进行计算。
或写为：R＝CS，其中：R＝[rj]T，C＝[cj(λi)]，S＝[s(λi)]T。上式中也可引入一个噪声项N＝[nj]T，从而使上式写为：R＝CS+N。
在此说明，上式中矩阵R、C和S乘以用于表征归一化、离散化或物理量转换等相关的常数不改变上述公式的意义和适用性。
从前面描述可以看出，此处矩阵C和R所表示的校准和测试数据中包含了被校准的特定的微型光谱仪模组内部各个部分和元部件的光学响应和光电转换因素、在制造过程中的结构件偏差和各个部分间的对准偏差、以及其它一些不可控、不明确因素对光谱测试的综合影响。
在对上式的求解过程中，如果I＝J，理论上可通过求解C的逆矩阵来计算离散的实际光谱S＝C-1R。但在许多情况下，希望基于有限的探测器单元数目J，通过预置校准时在工作波段内用间隔更小、线宽更窄的准单色光(即具有更大的校准波长数目I)来进行校准，以获得具有更高分辨率的测试光谱；于是将有J<I。在这种情况下，需要通过求解C的伪逆矩阵来计算实际光谱S；但是在这种情况下，受系统中噪声和各种不可控因素的影响，可能会导致计算结果存在一定的不稳定性。在上面矩阵方程的实际数值求解过程中，往往通过对||CS-R||2的最小化来算得具有最小误差的实际光谱S。具体实施中，有关问题可以通过其它更优良的算法来进行改进。
图10(a)示出对根据本发明实施例的微型光谱仪模组在预置校准时具有不同波长λi的各个准单色光的归一化的光谱曲线Ici(λ)的示意图，及其相应的线宽δλi和相邻准单色光间的波长间隔Δλi。图10(b)示出在预置校准时具有不同波长λi的各个准单色光在探测器阵列200的各个探测器单元210上所产生的相应信号的强度分布cj(λi)的示意图。
下面对本发明提出的对所述的微型光谱仪模组中的微腔阵列100的不同微腔单元110中具有不同厚度的腔内介质层114的制备方法以下面3个实施例进行说明。
实施例1：
如图11所示，以制备具有31个具有不同厚度的腔内介质层114的微腔单元110的微腔阵列100为例：首先，进行微腔阵列100中各个微腔单元110的第一反射层金属薄膜112的淀积；然后，如图11(a)-(e)所示，分5次在不同的多个特定的微腔单元110的区域内分别淀积具有不同特定厚度(如该厚度分别为a、b、c、d、e)的腔内介质层114的材料薄膜，最终形成在如图11(f)所示的具有31个不同厚度的腔内介质层114的微腔单元110；最后，再进行微腔阵列100中各个微腔单元110的第二反射层金属薄膜113的淀积。
用此方法，基于N次(如8次)在对应于不同的多个特定的微腔单元110的区域内分别淀积具有不同特定厚度的腔内介质层114的材料薄膜，可形成具有(2N-1)个(如255个)不同厚度的腔内介质层114的微腔单元110。在对所述的微型光谱仪模组中微腔阵列100的设计中，一般先设计其中微腔单元110的数目，优选接近于(2N-1)的数字的微腔单元110数目，如为2N个，然后再设计进行N次腔内介质层114薄膜淀积所分别对应的特定的微腔单元110的区域。如图11(f)中所示，最后有一个无腔内介质层114的单元区域(阴影区域)，可被视为无效、或作其它处理。特定区域内介质薄膜的淀积可基于镀膜设备、光刻设备和刻蚀设备等及其相关工艺来实现。
实施例2：
如图12所示，以制备具有30个具有不同厚度的腔内介质层114的微腔单元110的微腔阵列100为例：首先，进行微腔阵列100中各个微腔单元110的第一反射层金属薄膜112的淀积；然后，如图12(a)所示，分6次在不同的多个特定的微腔单元110的区域内分别淀积具有不同特定厚度的腔内介质层114的材料薄膜，形成在如图12(a)所示的具有6个不同厚度(a、a+Δa、…、a+5Δa)的腔内介质层114材料薄膜区域(此处厚度变化步长也可不为相同的Δa)；再次，如图12(b)所示，在另一个方向上，分4次在不同的多个特定的微腔单元110的区域内分别淀积具有不同特定厚度(Δb、2Δb、3Δb、4Δb)的腔内介质层114的材料薄膜(此处厚度变化步长也可不为相同的Δb)；通过上述共9次镀膜，最终形成如图12(b)所示的具有30个具有不同厚度的腔内介质层114的微腔单元110；最后，再进行微腔阵列100中各个微腔单元110的第二反射层金属薄膜113的淀积。
用此方法，基于(M+N)次(如16+15＝31次)在对应于不同的多个特定的微腔单元110的区域内分别淀积具有不同特定厚度的腔内介质层114的材料薄膜，可形成具有M×(N+1)个(如256个)具有不同厚度的腔内介质层114的微腔单元110。上面所述的相邻介质薄膜层之间厚度的变化也可不为单调的阶梯状变化，而为特定的、其它任意的变化方式。
上述实施例1同实施例2相比较，实施例1在工艺步骤次数或获取具有不同厚度的腔内介质层数目上更为有效，但实施例2在所制备的不同腔内介质层的厚度分布上可更为有序。
实施例3：
描述如下：首先，进行微腔阵列100中各个微腔单元110的第一反射层金属薄膜112的淀积；然后，在第一反射层金属薄膜112上面散布许多随机分布的、具有在微纳尺度内随机厚度的、离散的介质薄片，将这些介质薄片作为各个微腔单元110中的腔内介质层114；最后，再进行微腔阵列100中各个微腔单元110的第二反射层金属薄膜113的淀积。
基于此法制备的微腔单元110在微腔阵列100中无规则地随机分布。所述的介质薄片可为基于通过化学合成方法或机械研磨等方法制备的粉体材料。所述的介质薄片可具有不规则形状、且具有随机分布的厚度，其平面大小可约在10～1000μm范围，其厚度根据所述光谱仪模组的设计工作波段可随机分布在约10～50000nm的范围。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法，其特征在于：微型光谱仪模组包括微腔阵列和探测器阵列，微腔阵列中设置多个微腔单元，每个微腔单元具有以金属薄膜为反射层的Fabry-Perot结构，不同的微腔单元具有不同的腔内介质层厚度；
微腔阵列的制备中，不同厚度的腔内介质层材料的薄膜淀积次数少于微腔阵列中具有不同厚度的腔内介质层的微腔单元的数目；
所述的探测器阵列由其固有的多个探测器单位像素构成，探测器阵列被规划为具有多个探测器单元，每个探测器单元包含有一个或多个探测器单位像素；所述的微腔阵列中的各个微腔单元分别与探测器阵列中的各个探测器单元相对应；
微型光谱仪模组在使用前利用校准光源为波长可调的准单色光的预置校准测试系统进行预置校准，在使用过程中基于预置校准信息和光谱重构计算来获取光谱。
2.如权利要求1所述的一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法，其特征在于：所述的微型光谱仪模组通过与其相匹配的信号处理系统、控制系统和输入/输出终端等外围设备结合进行光谱的测试和获取；微型光谱仪模组可以与该外围设备集成于一体，或独立设置并通过与外围设备间的信号传输来配套使用。
3.如权利要求1所述的一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法，其特征在于：微腔阵列中的各个微腔单元之间相互连接或相互隔离；微腔阵列中的各个微腔单元以规则或不规则方式排列；微腔阵列中的各个微腔单元形状是规则或不规则形状。
4.如权利要求1所述的一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法，其特征在于：其中的校准光源为由多个具有不同波长的准单色光源构成的波长可调的准单色光源，或为通过调谐内部谐振腔参数来实现具有不同波长的准单色光输出的光源。
5.如权利要求1所述的一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法，其特征在于：其中的校准光源为基于宽带光源、用可调单色仪或可调滤光器来获得具有不同波长的准单色光。
6.如权利要求1所述的一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法，其特征在于：所述的基于预置校准和光谱重构计算来获取光谱的方法为：
设所用光谱分析模组的预置校准信息包括：校准光源输出准单色光波长为λi(i＝1,2,…,I)，对应的输出功率为P0(λi)，所设定探测器阵列的积分时间为tc，对应于探测器阵列中各个探测器单元所接收光信号强度的数字信号所表征的强度为c0j(λi)(j＝1,2,…,J)；
设在对待测信号光进行测试中，对应于探测器阵列中各个探测器单元所接收光信号强度的数字信号所表征的强度为r0j(j＝1,2,…,J)，所设定探测器阵列的积分时间为tr；
令cj(λi)＝c0j(λi)/P0(λi)，rj＝r0j(tr/tc)，则待测信号光的实际光谱s(λ)可以基于下面的表达式对其离散解s(λi)进行计算来进行重构：
或写为：R＝CS，其中R＝[rj]T，C＝[cj(λi)]，S＝[s(λi)]T；上式中也可引入一个噪声项N＝[nj]T，从而使上式写为：R＝CS+N；上式中矩阵R、C和S可以乘以用于表征归一化、离散化或物理量转换等相关的常数。
7.如权利要求1所述的一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法，其特征在于：微腔阵列中腔内介质层的制备方法为：分N次在微腔阵列中不同的多个特定的微腔单元的区域内分别淀积具有不同特定厚度的腔内介质层材料薄膜，最终形成具有(2N-1)个不同厚度的腔内介质层的微腔单元。
8.如权利要求1所述的一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法，其特征在于：微腔阵列中腔内介质层的制备方法为：首先分M次在微腔阵列中不同的多个特定的微腔单元的区域内分别淀积具有不同特定厚度的腔内介质层材料薄膜，形成具有M个不同厚度的腔内介质层材料薄膜区域；然后在另一个方向上分N次在微腔阵列中另外不同的多个特定的微腔单元的区域内分别淀积特定不同厚度的腔内介质层材料薄膜；通过上述(M+N)次镀膜，最终形成具有M×(N+1)个不同厚度的腔内介质层的微腔单元。
9.如权利要求1所述的一种基于金属微腔阵列的微型光谱仪模组的实现方法，其特征在于：微腔阵列中腔内介质层的制备方法为：在微腔阵列中的第一反射层金属薄膜上面散布大量随机分布的、具有随机厚度(在10nm～50μm范围)的、离散的介质薄片(其面内尺寸在10～1000μm范围)，将具有不同厚度的介质薄片作为微腔阵列中各个微腔单元中的腔内介质层。
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2020
- 2020-12-31 CN CN202011636504.4A patent/CN112834036A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115718339A (zh) * | 2022-10-28 | 2023-02-28 | 厦门大学 | 一种微腔滤光器阵列的实现方法 |
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