CN113447121A - 一种超表面光谱传感系统及光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超表面光谱传感系统及光谱仪。所述超表面光谱传感系统包括：面阵探测器和超表面分光系统，所述超表面分光系统包括多个超表面单元；多个所述超表面单元设置在所述面阵探测器的上表面；每个所述超表面单元均包括多个相同的超原子；所述超表面单元用于针对设定谐振波长值透过率和非设定谐振波长值透过率不同，起到分光的作用；一个所述超表面单元对应一个设定谐振波长值；所述面阵探测器用于探测所述超表面单元透过的光。本发明通过在面阵探测器上表面设置集成化的超表面分光系统，以缩小光谱传感系统的体积，进而减小光谱仪的体积，实现光谱仪的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量领域，特别是涉及一种超表面光谱传感系统及光谱仪。
背景技术
传统光谱仪主要由光源照明系统、分光系统、探测接收系统、存储传输系统和显示系统组成。其中最关键的部件为分光系统，根据分光原理的不同可以分为光栅光谱仪、棱镜光谱仪和干涉光谱仪。
传统光谱仪中的分光系统一般采用光栅、棱镜或者干涉光路制成，而且光栅、棱镜等色散元件小型化困难，因此传统光谱仪体积较大不宜使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种超表面光谱传感系统及光谱仪，以缩小光谱传感系统的体积，进而减小光谱仪的体积，实现光谱仪小型化。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种超表面光谱传感系统，包括：面阵探测器和超表面分光系统；所述超表面分光系统包括多个超表面单元；多个所述超表面单元设置在所述面阵探测器的上表面；每个所述超表面单元均包括多个相同的超原子；所述超表面单元用于使设定谐振波长值的光透过率与非设定谐振波长值的光透过率不同，以达到分光的效果；一个所述超表面单元对应一个设定谐振波长值；所述面阵探测器用于探测所述超表面单元透过的光。
可选的，所述超表面分光系统还包括：基底，所述基底的上表面设置所述超表面单元，所述基底的下表面设置所述面阵探测器。
可选的，每个所述超表面单元内的多个所述超原子均阵列式排布；每个所述超表面单元内的两个相邻的超原子的边界距离小于对应的设定谐振波长值。
可选的，每个所述超表面单元的尺寸均大于第一设定值；所述超表面单元的尺寸为每个所述超表面单元内的边缘超原子围成的区域的面积；所述第一设定值为所有超原子对应的设定谐振波长值中最大的设定谐振波长值的10倍。
可选的，所述超表面单元之间的边界距离大于第一设定值；所述第一设定值为所有超原子对应的设定谐振波长值中最大的设定谐振波长值的10倍。
可选的，所述超表面光谱传感系统，还包括：连接部；所述连接部为光学介质；所述连接部用于将所述面阵探测器固定在所述基底的下表面。
可选的，所述面阵探测器为电荷耦合器件图像传感器或者互补金属氧化物半导体传感器。
一种光谱仪，包括：光束准直系统、数据存储处理系统、显示系统和所述超表面光谱传感系统；所述超表面光谱传感系统中的超表面单元的上表面设置所述光束准直系统；所述超表面光谱传感系统中的面阵探测器与所述数据存储处理系统连接；所述数据存储处理系统与所述显示系统连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提出了一种超表面光谱传感系统及光谱仪，超表面光谱传感系统包括：面阵探测器和多个超表面单元；多个超表面单元设置在面阵探测器的上表面；每个超表面单元均包括多个相同的超原子；超表面单元用于透过设定谐振波长值的光。通过在面阵探测器上表面设置超原子，缩小了光谱传感系统的体积，进而减小了光谱仪的体积，实现了光谱仪的小型化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例超表面光谱传感系统中超原子为圆柱形的结构示意图；
图2为本发明实施例超表面光谱传感系统中超原子为方形的结构示意图；
图3为本发明实施例超表面光谱传感系统中方形柱状形状的超原子示意图；
图4为本发明实施例超表面光谱传感系统中椭圆柱状形状的超原子示意图；
图5为本发明实施例超表面光谱传感系统中三棱柱状形状的超原子示意图；
图6为本发明实施例超表面光谱传感系统中梯形棱柱状形状的超原子示意图；
图7为本发明实施例超表面光谱传感系统中凹陷形状的超原子示意图；
图8为本发明实施例光谱仪的结构示意图。
符号说明：111-超表面单元、112-基底、110-超原子、130-面阵探测器、120-连接部、D2-超表面单元之间的边界距离、D1-同一超表面单元内的相邻超原子之间的距离。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种微型化的光谱传感系统，通过在面阵探测器上表面设置超原子来提升光谱传感系统的微型化。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种超表面光谱传感系统，包括：面阵探测器130和超表面分光系统，所述超表面分光系统包括多个超表面单元111；多个所述超表面单元111设置在所述面阵探测器130的上表面；每个所述超表面单元111均包括多个相同的所述超原子110；光学材料表面的一些微纳尺度下的纳米结构，其结构厚度一般低于一个波长，这些纳米结构对光场具有调控作用，这些单个纳米结构称之为超原子。所述超表面单元111用于使设定谐振波长值的光透过率与非设定谐振波长值的光透过率不同，以达到分光的效果。意思为：可以使设定谐振波长值的光透过，非设定谐振波长值的光不透过或者使设定谐振波长值的光不透过，非设定谐振波长值的光透过。一个所述超表面单元111对应一个设定谐振波长值；本实施例中，图1中示出了四个超表面单元111，分别对应的设定谐振波长值为λ1、λ2、λ3和λ4，不同的超表面单元对光的透过率、反射率、相位、偏振具有调控作用，所述面阵探测器130用于探测所述超表面单元111透过的光。
超原子的形状可不做限定，如图3-图7所示，列举了几种形状的超原子，但是不仅限于此。本实施例中，超原子的形状为如图1所示的圆柱形，超原子的形状也可以为如图2所示的方形。当超原子为圆柱形的时候，所述圆柱形的上表面的直径小于设定谐振波长值，当所述超原子为立方体的时候，所述立方体的长或宽的长度小于设定谐振波长值。超原子的材料是电介质，电介质是一类材料，和金属相对应。当光辐照超原子时，超原子结构中产生电偶极子和磁偶极子。当电偶极子和磁偶极子同相位谐振时谐振波长能够高效率透过，而非谐振波长无法透过，当电偶极子和磁偶极子谐振相位相差奇数倍π时，谐振波长不透，而非谐振波长高效率透过，这样就产生的分光的效果。
作为一种可选的实施方式，如图2所示，所述超表面分光系统还包括：基底112，所述基底112的上表面设置所述超表面单元111，所述基底112的下表面设置所述面阵探测器130；所述基底112的材料为全电介质材料，可以包括二氧化钛、硅、二氧化钒、氧化钨、二氧化铪、二氧化硅、PMMA和氮化钛等中一种，但不局限于此。
作为一种可选的实施方式，如图2所示，所述超表面光谱传感系统，还包括：连接部120；所述连接部120为相应测试范围的谐振波长的光透明的光学介质，例如：如果所述超表面光谱传感系统的波长范围为400nm-800nm，那么采用400nm-800nm范围透过率好的粘胶材料将超表面单元和面阵探测器粘接起来，其中这层粘胶就是所述的连接部件；所述连接部120用于将所述面阵探测器130固定在所述基底112的下表面。
作为一种可选的实施方式，每个所述超表面单元111内的多个所述超原子110均阵列式排布；每个所述超表面单元111内的两个相邻的所述超原子110的边界距离D1小于对应的设定谐振波长值，有利于多个超原子共同谐振，并相互影响，使透过率的峰值半高宽更小，分光性能更好，比如说，某个超表面单元中的超原子对应的谐振波长值是500nm，那么这个超表面单元内的相邻超原子的边界距离小于500nm。
作为一种可选的实施方式，不同的所述超表面单元111内的所述超原子110可以对应不同的设定谐振波长值，超表面单元的数量设计得越多，分辨率越高，因此通过设计足够多的超表面单元可以提高光谱分辨率；例如，如果超表面光谱传感系统的范围为400nm-800nm，那么设计10种超表面单元使之的谐振波长均分到400nm-800nm，那么他的分辨率只有40nm，如果设计100种超表面单元使之谐振波长均分到400nm-800nm，那么分辨率可以到4nm。
作为一种可选的实施方式，每个所述超表面单元111的尺寸均大于第一设定值，其有益的效果的是使超表面单元的分光效果更强；所述超表面单元111的尺寸为每个所述超表面单元111内的边缘超原子围成的区域的面积；所述第一设定值为所有超原子对应的设定谐振波长值中最大的设定谐振波长值的10倍。所述超表面单元111以周期性排列或非周期性排列，周期性排列的意思是超表面单元在基片上呈有序的排列，非周期性排列的意思是超表面单元随机在基片上排列。
作为一种可选的实施方式，所述相邻的两个超表面单元111之间的边界距离D2大于第一设定值，其有益的效果是避免超表面单元之间光信号的串扰，避免相邻的两个超表面单元间距太近发生衍射现象影响光信息收集；所述第一设定值为所有所述超原子110对应的设定谐振波长值中最大的设定谐振波长值的10倍。如所述超表面光谱传感系统是针对谐振波长频率为400nm-800nm的范围，则超表面单元之间的边界距离大于8微米。
作为一种可选的实施方式，所述面阵探测器130为电荷耦合器件图像传感器或者互补金属氧化物半导体传感器。
由于超表面纳米结构均为亚波长尺寸，因此使得光谱传感系统可以非常小，并实现与半导体工艺兼容，从而大幅降低成本，对传感系统的中探测部分设计要求降低，以及可以与常用的电荷耦合器件图像传感器或者互补金属氧化物半导体传感器集成。本实施例不受材料的限制，无需材料具有导电特性。同时本实施例采用的超表面单元使不同光的波长谐振，使谐振波长高效传输透射的模式，而非基于表面等离激元的近场探测模式，通过在面阵探测器上设置超原子来提升光谱传感系统的微型化和易集成。
实施例2
如图8所示，一种光谱仪，包括：光束准直系统、数据存储处理系统、显示系统和实施例1中的超表面光谱传感系统；所述超表面光谱传感系统中的超表面单元的上表面设置所述光束准直系统；所述超表面光谱传感系统中的面阵探测器与所述数据存储处理系统连接；所述数据存储处理系统与所述显示系统连接。其中光束准直系统一般为小孔或者狭缝，为常规光学部件。显示系统主要采用现有技术，如手机、电脑等均可以。
本实施例中光谱仪原理主要为：
为了实现高集成化、高可靠性、可以和半导体工艺兼容的一种光谱仪，本实施例基于超表面对不同谐振波长的光具有不同的谐振特性，共采用两种技术思路，第一种：谐振波长的光可以高效透过，非谐振光被散射和反射。另一种：谐振波长光具有高反射效率，非谐振波长的光透过。超表面分光器件的后边通过面阵探测器接收并获取光信号，然后通过光谱解析、数据处理和存储显示部件最终得到相应的光谱信息，通过在面阵探测器上设置超原子来提升光谱传感系统的微型化。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种超表面光谱传感系统，其特征在于，包括：面阵探测器和超表面分光系统；所述超表面分光系统包括多个超表面单元；多个所述超表面单元设置在所述面阵探测器的上表面；每个所述超表面单元均包括多个相同的超原子；所述超表面单元用于使设定谐振波长值的光透过率与非设定谐振波长值的光透过率不同，以达到分光的效果；一个所述超表面单元对应一个设定谐振波长值；所述面阵探测器用于探测所述超表面单元透过的光。
2.根据权利要求1所述的一种超表面光谱传感系统，其特征在于，所述超表面分光系统还包括：基底，所述基底的上表面设置所述超表面单元，所述基底的下表面设置所述面阵探测器。
3.根据权利要求1所述的一种超表面光谱传感系统，其特征在于，每个所述超表面单元内的多个所述超原子均阵列式排布；每个所述超表面单元内的两个相邻的超原子的边界距离小于对应的设定谐振波长值。
4.根据权利要求1所述的一种超表面光谱传感系统，其特征在于，每个所述超表面单元的尺寸均大于第一设定值；所述超表面单元的尺寸为每个所述超表面单元内的边缘超原子围成的区域的面积；所述第一设定值为所有超原子对应的设定谐振波长值中最大的设定谐振波长值的10倍。
5.根据权利要求1所述的一种超表面光谱传感系统，其特征在于，所述超表面单元之间的边界距离大于第一设定值；所述第一设定值为所有超原子对应的设定谐振波长值中最大的设定谐振波长值的10倍。
6.根据权利要求2所述的一种超表面光谱传感系统，其特征在于，还包括：连接部；所述连接部为光学介质；所述连接部用于将所述面阵探测器固定在所述基底的下表面。
7.根据权利要求1所述的一种超表面光谱传感系统，其特征在于，所述面阵探测器为电荷耦合器件图像传感器或者互补金属氧化物半导体传感器。
8.一种光谱仪，其特征在于，包括：光束准直系统、数据存储处理系统、显示系统和权利要求1-7中任意一项所述的超表面光谱传感系统；所述超表面光谱传感系统中的超表面单元的上表面设置所述光束准直系统；所述超表面光谱传感系统中的面阵探测器与所述数据存储处理系统连接；所述数据存储处理系统与所述显示系统连接。
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