CN113654661A - 一种基于超表面透镜的光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超表面透镜的光谱仪，所述光谱仪包括入射狭缝、超表面透镜阵列结构、光电探测器阵列，以及光谱信号输出器。其工作过程为：光由所述入射狭缝进入所述超表面透镜阵列结构，所述入射狭缝用于减少外界杂散光的干扰；所述超表面透镜阵列结构利用周期性排列的不同尺寸椭圆形纳米柱组成，可对不同波长的入射光实现分光，从而使得不同波长的入射光聚焦在光电探测器阵列的不同位置，利用不同位置上的输出强度信号，在光谱信号输出器上获得光谱图。本发明的采用超表面透镜阵列结构，大大简化了传统光谱仪的结构，同时具有小型化、便携化、宽频带、高分辨率的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光谱检测领域和纳米材料领域，尤其涉及到一种基于超表面透镜的光谱仪。
背景技术
光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线，一般主流方式都是由棱镜或衍射光栅等构成。阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光)，但若通过光谱仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。随着现代科技的快速发展，各个科学领域对于高分辨率的、高灵敏度的、微型的、宽波段的光谱检测仪器的需求越来越迫切。
经检索，公开号为CN101493357A的发明专利，公开了一种宽频带光谱仪，它包括光、光源准直系统、起偏振器、光学活性物质构成的偏振旋转片、检偏振器、检测器和数据采集系统，光源准直系统由两棱镜组成，在光源至探测器的光路上依次排列装有光源、光源准直系统、起偏振器、光学活性物质构成的偏振旋转片、检偏振器及检测器。该专利光路复杂，需要多种光学器件，体积大，不利于微型化、便携化，且对器件与对准精度要求高。
公开号为CN106441572A的发明专利，公开了一种紧凑型高通量光谱仪，它包括入射狭缝、反射光栅、一组具有准直功能和成像功能的透镜组、以及探测器；入射光进入狭缝，经透镜组准直后，由反射光栅衍射分光，再通过透镜组汇聚成像于探测器上。此专利光路复杂，对各透镜的安装位置精度要求高，体积大，不利于便携化。
上述专利采用的结构都较复杂，需要较多的光学元件，装置体积大，不便于微型化与便携化。综上所述，如何将光谱仪简单化、微型化，并且依旧保持宽频带，这在光谱分析领域是值得研究的。
发明内容
针对现有的技术，本发明提供了一种基于超表面透镜的光谱仪，通过设计，所述的光谱仪可以应用于不同的波段范围，如能够在一定的可见光波段和近红外波段范围内实现对不同入射光波长的条件下分光效果。同时，该光谱仪的可移植性高，测试效果良好。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于超表面透镜的光谱仪，由依次排列的入射狭缝，超表面透镜阵列结构，光电探测器阵列以及光谱信号输出器组成，所述的入射狭缝位于光谱仪入口端，供入射光进入光谱仪；所述超表面透镜阵列结构设于距光谱仪入射狭缝一定距离处；所述光电探测器阵列设于距离超表面透镜阵列结构不同波长对应的焦距距离处，用于测量待测光束不同波长对应的强度；所述光谱信号输出器与光电探测器阵列连接，用于输出光谱图像；所述基于超表面透镜的光谱仪的工作过程为：待测光束由入射狭缝进入所述超表面透镜阵列结构，由超表面透镜阵列结构产生的相位分布将不同波长的光聚焦在所述光电探测器阵列的不同位置处，利用不同位置上的输出强度信号，在光谱信号输出器上获得待测光的光谱图。
上述技术方案中，进一步地，所述超表面透镜阵列结构的单元结构包括圆形基底以及垂直设于圆形基底上的若干椭圆形纳米柱；单元结构沿x、y方向均以周期U(U是相邻两个单元结构的圆形基底的圆心之间的距离)排列，入射光的传播方向为z方向。
进一步地，当光谱仪的工作波段为可见光波段时，圆形基底的材料为SiO2，椭圆形纳米柱的材料为TiO2。
在设计单元结构的周期U时：对于透射式超透镜结构，需要其小于椭圆形纳米柱材料中的最小波长λn min，以及满足奈奎斯特采样定律，使U<λ0 min/2NA，其中λ0 min为基底中的最小波长；对于反射式超透镜结构，需要满足导模谐振条件，使单元结构周期U大于椭圆形纳米柱材料中的最大波长λn max。
同时在设计单元结构内椭圆形纳米柱的半径时，为了使每个单元结构的相位调制量在设计的波段范围的每个波长下均满足2π的相位覆盖，并在满足该条件下尽量达到更大的相位覆盖。在优化选择单元结构的参数时，超表面透镜阵列结构的单元结构内的椭圆形纳米柱的半径大小由其在各波长下实际相位调制量与以下相位公式决定的理想相位调制量之间的差值总和决定：
其中，λ为入射光波长，f为超透镜的焦距，x为单元结构中心的x坐标，y为单元结构中心的y坐标，C为优化选择时添加的常数量，在每个入射光波长下都可以取不同的数值。优化时，使得椭圆形纳米柱在每个入射光波长下的相位调制量与公式计算得到的理想相位调制量的差值总和最小，以此令其在每个入射光波长下都能够实现对同一个焦距的聚焦光波相位拟合。在考虑到相位调制量的前提下，优先选择透射率更高的单元结构，由此得到整个超透镜的参数及排布。
本发明的有益效果为：
本发明的基于超表面透镜的光谱仪，整体结构紧凑，利于便携。并不失一般性的提出了可见光波段的超表面透镜结构设计方法。
附图说明
图1是本发明一种在可见光波段内基于超表面透镜的光谱仪整体结构的示意图。
图2是5x5阵列分布的超表面透镜阵列结构。
具体实施方式
如图1所示，一种在可见光波段内基于超表面透镜的光谱仪，由入射狭缝1，超表面透镜阵列结构2，光电探测器阵列3以及光谱信号输出器4组成；其工作过程为：光束由所述入射狭缝1进入所述超表面结构2，由超表面透镜产生的相位分布可以将不同波长的光聚焦在所述光电探测器阵列3不同位置处，利用不同位置上的输出强度信号，在光谱信号输出器4上获得被测光的光谱图。
所述入射狭缝1，用于将待检测的光导入所述光谱仪，同时减少外界杂散光的进入。
所述超表面透镜阵列结构2，如图2所示，总体是在同一平面的5x5的超表面透镜组阵列，其中5x5阵列中每个单元结构由基底和基底上的椭圆形纳米柱紧密周期排列而成，其基底材料为SiO2，椭圆形纳米柱的材料为TiO2，光束传输通过不同尺寸的椭圆形纳米柱后产生的相位不同。周期性排列的不同尺寸的椭圆形纳米柱，可实现对该光束的汇聚成像。同时不同波长的光束在同一位置，经同一大小的椭圆形纳米柱后会产生不同的相位变化，因此会在后续光路中的不同位置聚焦，产生不同的位移，达到分光效果。
在优化选择单元结构的参数时，超透镜结构每个周期内的椭圆形纳米柱的半径大小由其在各波长下实际相位调制量与以下相位公式决定的理想相位调制量之间的差值总和决定：
其中，λ为此时的入射光波长，f为设计的超表面透镜的焦距，x为此时的单元结构中心的x坐标，y为此时的单元结构中心的y坐标，C为优化选择时添加的常数量，在每个入射光波长下都可以取不同的数值。优化时，使得椭圆形纳米柱在每个入射光波长下的相位调制量与公式计算得到的理想相位调制量的差值总和最小，以此令其在每个入射光波长下都能够实现对同一个焦距的聚焦光波相位拟合。在考虑到相位调制量的前提下，优先选择透射率更高的单元结构，由此得到整个超透镜的参数及排布。
另外对于每个5x5的阵列的单元结构，单元结构的带宽和设计的椭圆形纳米柱的有效数值孔径之间有如下约束条件：
其中，Δλ为单元结构的带宽，λc为中心波长，L为超透镜厚度，即椭圆形纳米柱高度，nb为基底折射率，△n为椭圆形纳米柱材料折射率和基底折射率之间的差，通过设计使得每个5x5阵列的单元结构的带宽相连续，可以实现更宽频带的光谱功能。
所述光电探测器阵列3，用于接收不同位置的光信号。
所述光谱信号输出器4，用来读取光电探测器阵列3传来的信息并且处理输出光谱图像。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (6)
1.一种基于超表面透镜的光谱仪，由入射狭缝(1)，超表面透镜阵列结构(2)，光电探测器阵列(3)以及光谱信号输出器(4)组成，其特征在于，所述的入射狭缝(1)位于光谱仪入口端，用于将入射光导入光谱仪；所述超表面透镜阵列结构(2)设于光谱仪入射狭缝(1)和光电探测器阵列(3)之间；所述光电探测器阵列(3)设于距离超表面透镜阵列结构(2)不同波长对应的焦距距离处，用于测量待测光束不同波长对应的强度；所述光谱信号输出器(4)与光电探测器阵列(3)连接，用于输出光谱图像。
2.根据权利要求1所述的基于超表面透镜的光谱仪，其特征在于，所述的超表面透镜阵列结构(2)由若干单元结构周期排列得到，所述单元结构包括圆形基底以及垂直设于圆形基底上的若干椭圆形纳米柱；在x和y方向上，相邻两个单元结构之间的距离相同，入射光的传播方向为z方向。
3.根据权利要求2所述的基于超表面透镜的光谱仪，其特征在于，当光谱仪的工作波段为可见光波段时，所述圆形基底的材料为SiO2，所述椭圆形纳米柱的材料为TiO2。
4.根据权利要求2所述的基于超表面透镜的光谱仪，其特征在于，所述超表面透镜阵列结构(2)的每个单元结构内的椭圆形纳米柱的半径大小由以下相位公式决定：
其中，λ为入射光波长，f为超表面透镜的焦距，x为单元结构中心的x坐标，y为单元结构中心的y坐标，C为优化选择时添加的常数量，其取值满足椭圆形纳米柱在每个入射光波长下的相位调制量与公式计算得到的理想相位调制量的差值总和最小。
5.根据权利要求2所述的基于超表面透镜的光谱仪，其特征在于，其每个单元结构的带宽和椭圆形纳米柱的有效数值孔径之间有如下约束条件：
其中，Δλ为单元结构的带宽，λc为中心波长，L为超透镜厚度，即椭圆形纳米柱高度，nb为基底折射率，△n为椭圆形纳米柱材料折射率和基底折射率之间的差，f为超表面透镜的焦距，NA为椭圆形纳米柱的有效数值孔径。
6.根据权利要求1所述的基于超表面透镜的光谱仪，其特征在于，所述的超表面透镜阵列结构(2)中采用互相平行的5x5的超表面透镜组。
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