CN115112235A - 法-珀腔阵列及光谱探测仪 - Google Patents

法-珀腔阵列及光谱探测仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供了法‑珀腔阵列及光谱探测仪，所述法‑珀腔阵列包括具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；所述第一元件的第一阶梯侧与第二元件的第二阶梯侧相对设置，且第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同；所述第一阶梯和第二阶梯的台阶表面镀设反射膜；即本发明实施例通过将两个具有二维台阶结构的元件进行贴合，形成三维台阶结构的法‑珀腔阵列，结构简单，容易加工实现。

Description

法-珀腔阵列及光谱探测仪
技术领域
本发明涉及光谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种法-珀腔阵列及光谱探测仪。
背景技术
光谱探测仪的微型化是近些年的发展重点，目前最常见的光谱探测仪之一是一种基于法-珀腔阵列的光谱探测仪，其中，法-珀腔阵列是一个三维的台阶结构。
现有技术中，法-珀腔阵列通常采用微纳加工工艺如光刻、电子束刻蚀等进行加工，但这种工艺适用于二维结构的加工或者简单的三维结构加工，很难实现复杂三维结构的加工。
也就是说，现有的法-珀腔阵列存在着结构复杂、难以加工的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了法-珀腔阵列及光谱探测仪。
第一方面，本发明提供一种法-珀腔阵列，包括：具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；所述第一元件的第一阶梯侧与第二元件的第二阶梯侧相对设置，且第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同；所述第一阶梯和第二阶梯的台阶表面镀设反射膜。
在其他可选的实施方式中，第一阶梯的阶梯高度变化方向垂直于第二阶梯的阶梯高度变化方向。
在其他可选的实施方式中，所述第一阶梯下凹于第一元件的表面，所述第二阶梯下凹于第二元件的表面；或者，第一阶梯凸起于第一元件的表面，第二阶梯下凹于第二元件的表面；或者，第一阶梯下凹于第一元件的表面，第二阶梯凸起于第二元件的表面。
在其他可选的实施方式中，所述第一阶梯或第二阶梯包括至少两个具有不同高度的台阶。
在其他可选的实施方式中，所述第一阶梯或第二台阶为冗余结构，其中，所述冗余结构用于表征第一阶梯或第二阶梯的多个台阶中，包括至少两个高度相同的台阶。
在其他可选的实施方式中，所述反射膜为单层膜。
在其他可选的实施方式中，所述第一元件或第二元件的材料为以下其中一种：玻璃、石英、三氧化二铝Al2O3、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、光刻胶。
在其他可选的实施方式中，所述法-珀腔阵列还包括设置在第一元件或第二元件上的预设数量的元件，所述预设数量的元件依次串联设置；其中，所述预设数量的元件中的每个元件具有二维台阶结构，所述二维台阶结构的台阶表面镀设反射膜。
第二方面，本发明提供一种光谱探测仪，包括第一方面任一项所述的法-珀腔阵列和阵列探测器；其中，所述阵列探测器设置在所述法-珀腔阵列的出光侧。
在其他可选的实施方式中，所述光谱探测仪还包括设置在法-珀腔阵列入光侧的准直器。
在其他可选的实施方式中，所述阵列探测器为以下其中一种：电荷耦合器件传感器阵列、互补金属氧化物半导体传感器阵列、热传感器阵列、光电二极管阵列、雪崩光电检测器阵列或光电倍增管阵列。
第三方面，本发明提供一种光谱探测系统，包括如第二方面任一项所述的光谱探测仪以及重构设备；其中，所述重构设备用于对所述光谱探测仪输出的光信号进行重构处理，获得光谱信息。
在其他可选的实施方式中，所述系统还包括存储设备；所述存储设备用于对所述光谱信息进行存储。
第四方面，本发明提供一种终端设备，所述终端设备上集成如第二方面任一项所述的光谱探测仪。
第五方面，本发明提供一种法-珀腔阵列的制作方法，其特征在于，包括：制作具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；对第一阶梯和第二阶梯的台阶表面进行镀膜；将第一元件的第一阶梯侧和第二元件的第二阶梯侧相对设置，其中，第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同。
在其他可选的实施方式中，所述方法还包括：在第一元件或第二元件上设置预设数量的元件，并依次串联设置所述预设数量的元件；其中，所述预设数量的元件中的每个元件具有二维台阶结构，所述二维台阶结构的台阶表面镀设反射膜。
第六方面，本发明提供一种光谱探测仪的制作方法，包括：制作具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；对第一阶梯和第二阶梯的台阶表面进行镀膜；将第一元件的第一阶梯侧和第二元件的第二阶梯侧相对设置，其中，第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同；在第一元件和第二元件所构成的法-珀腔阵列的出光侧设置阵列探测器。
在其他可选的实施方式中，所述方法还包括：在第一元件或第二元件上设置预设数量的元件，并依次串联设置所述预设数量的元件；其中，所述预设数量的元件中的每个元件具有二维台阶结构，所述二维台阶结构的台阶表面镀设反射膜；则所述在第一元件和第二元件所构成的法-珀腔阵列的出光侧设置阵列探测器，包括：在所述预设数量的元件、第一元件和第二元件所构成的法-珀腔阵列的出光侧设置阵列探测器。
本发明提供的法-珀腔阵列及光谱探测仪，所述法-珀腔阵列包括具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；所述第一元件的第一阶梯侧与第二元件的第二阶梯侧相对设置，且第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同；所述第一阶梯和第二阶梯的台阶表面镀设反射膜；即本发明实施例通过将两个具有二维台阶结构的元件进行贴合，形成三维台阶结构的法-珀腔阵列，结构简单，容易加工实现。
附图说明
图1为现有技术中的一种基于阵列滤波方案的光谱探测仪的结构示意图；
图2a为本发明提供的一种光谱探测仪的正视图；
图2b为本发明提供的一种光谱探测仪沿图2a的A-A面的剖面图；
图3a为本发明提供的一种阶梯结构的示意图；
图3b为本发明提供的另一种阶梯结构的示意图；
图4a为本发明提供的一种阶梯结构的俯视图；
图4b为本发明提供的另一种阶梯结构的俯视图；
图4c为本发明提供的又一种阶梯结构的俯视图；
图4d为本发明提供的再一种阶梯结构的俯视图；
图4e为本发明提供的再一种阶梯结构的俯视图；
图5为本发明提供的一种法-珀腔阵列结构示意图；
图6a为本发明实施例提供的一种光纤光输入方式的光谱探测仪结构示意图；
图6b为本发明实施例提供的一种空间光输入方式的光谱探测仪结构示意图；
图7为本发明提供的一种光谱探测系统的结构示意图；
图8为本发明提供的另一种光谱探测系统的结构示意图；
图9为本发明提供的一种光谱探测仪的制作方法的流程示意图；
图10为本发明提供的一种光谱探测仪的制作方法的流程示意图。
附图标记：
11：阵列探测装置；
12：阵列滤波装置；
13：平行光；
21：入射光；
22：第一元件；
23：第二元件；
24：阵列探测器；
25：第一阶梯反射膜；
26：第二阶梯反射膜；
27：贴合物；
31：下凹阶梯结构；
32：凸起阶梯结构；
41：第三元件；
42：第四元件；
50：光谱探测仪；
51：光纤；
52：漫反射片。
具体实施方式
为使本发明示例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明示例中的附图，对本发明示例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
光谱探测仪的微型化是近些年的发展重点。现有的光谱探测仪基于以下三类方案：光栅分光方案、傅里叶变换方案和阵列滤波方案。其中，光栅分光的技术比较成熟，是主流产品的解决方案，但难以同时兼顾性能(光谱探测范围、分辨率等)和微型化的要求。而基于传统的傅里叶变换方案的光谱探测仪的体积较大，微型化难度较高，虽然近几年采用先进的微机电系统技术(Micro-Electro Mechanical System，简称MEMS)后，也出现了基于傅里叶变换方案的微型化的光谱探测仪，但由于其存在可移动部件，受环境干扰较大，且当光谱探测仪体积小时，其分辨能力也会受到限制。
而基于阵列滤波方案的光谱探测仪一般仅包含一个滤波片阵列和一个阵列探测器，非常适合于高度集成化的应用，同时，基于阵列滤波方案的光谱探测仪的分辨率和光谱探测范围主要由滤波片的数量以及其透射函数决定，不受体积的影响，可以同时满足性能(宽光谱探测范围、高分辨率)和微型化的需求；并且由于阵列滤波方案的光谱探测仪具有紧凑的形状、且没有移动部件，使得光谱探测仪体积较小，能够集成到便携式设备中，该便携式设备包括例如智能电话、平板个人计算机(PC)、膝上型计算机、机器人、无人机、可穿戴装置等。
图1为现有技术中的一种基于阵列滤波方案的光谱探测仪的结构示意图，如图1所示，该光谱探测仪包括阵列探测装置11、阵列滤波装置12，可选的，还包括准直器(图1未示出)，其中，准直器将输入光通过光纤或其他类似元件准直形成平行光13，平行光13入射到阵列滤波装置12；阵列滤波装置12包括多个具有不同光谱透射函数的滤波元件，每个滤波元件选择透过单个或者多个波长的光信号，反射或吸收其他波长的光信号；透过的光信号被阵列探测装置11上的相应像素单元接收。
虽然基于阵列滤波方案的光谱探测仪具有便于微型化的优势，但基于阵列滤波方案的光谱探测仪中的法-珀腔阵列具有生产成本高，阵列数量少，导致不能满足对分辨率和探测光谱范围的要求。目前一种常见的法-珀腔阵列是由多个法-珀腔组成的法-珀腔阵列，为了使具有法-珀腔阵列的光谱仪具有传统光栅分光型光谱仪的性能，需要在同一块感光芯片上搭载成百上千个不同厚度的法-珀腔。具体地，法-珀腔阵列是一个三维的台阶结构，台阶的厚度从几十纳米到几百微米不等。
由于现有的微纳加工工艺如光刻、电子束刻蚀等，大多适用于二维结构的加工或者简单的三维结构加工，因此复杂三维结构的加工难以实现。比如通过电子束曝光聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的方法可生产具有100个法-珀腔的法-珀腔阵列，但由于电子束曝光具有尺寸小、速度慢等不足，因此难以继续增加法-珀腔阵列中法-珀腔的数量，并且该方法也不适合批量生产。又比如现有技术中还采用了光刻技术方案，即进行多次曝光，但此方案工艺流程较长，需要多个掩模版进行套刻(即重复多次的曝光、刻蚀等工艺)，生产成本较高，因此也难以突破法-珀腔阵列中法-珀腔的数量的限制。综上，现有法-珀腔阵列存在着结构复杂、难以加工的问题。
针对上述问题，本发明的技术构思在于：通过单独加工两个具有二维台阶结构的元件，然后将这两个元件进行不同台阶结构方向的贴合，即可实现法-珀腔阵列的三维台阶结构，结构简单，加工容易，很容易实现包括成百上千个法-珀腔的法-珀腔阵列。
图2a为本发明提供的一种光谱探测仪的正视图，图2b为本发明提供的一种光谱探测仪沿图2a的A-A面的剖面图。
第一方面，本发明示例提供了一种法-珀腔阵列。可参考图2a、2b所示，该法-珀腔阵列，包括具有第一阶梯的第一元件22和具有第二阶梯的第二元件23，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；所述第一元件22的第一阶梯侧与第二元件23的第二阶梯侧相对设置，且第一阶梯22的阶梯高度变化方向与第二阶梯23的阶梯高度变化方向不同；所述第一阶梯22和第二阶梯23的台阶表面镀设反射膜。
具体来说，第一元件22的第一阶梯为二维台阶结构，包括N1(图2a中N1＝5)个台阶，台阶宽度w1，台阶长度L1；其中，台阶长度L1与阵列探测器24的感光尺寸相近，通常在0.2mm–5mm范围内，台阶宽度w1在5um-500um范围内，台阶数量N1在2-50个范围内。
其中，第一阶梯中的每个台阶高度在微米量级，可以通过灰度光刻、激光直写、增材制造、精密机械加工等工艺制作。其中，增材制造和激光直写较为方便快捷，加工成本较低，在完成阶梯元件模具的加工后，后续可以通过纳米压印等转印技术实现低成本的批量生产。
第二元件23的第二阶梯也为二维台阶结构，包括N2(图2b中N2＝5)个台阶，台阶宽度w2，台阶长度L2；其中，台阶长度L2在0.2mm–5mm范围内，台阶宽度w2在5um–500um范围内，台阶数量N2在2-50个范围内。
其中，第二阶梯的每个台阶高度可以根据光谱探测器具体的工作波长范围不同，设在微米量级或者纳米量级；如在中红外波段(波长2um-16um)，台阶高度在微米量级，加工方法同第一元件22；如在紫外、可见和近红外波段(波长100nm-2um)，台阶高度在纳米量级，则加工时，需要更为精细的厚度控制，比如采用灰度电子束曝光，光刻机配合刻蚀设备进行套刻、掩模版配合PVD(如磁控溅射、电子束蒸发等)镀膜；用上述方法加工出模具后，后续制作可以采用纳米压印、热压印等转印技术实现低成本的批量生产。
作为可选的实施例，所述第一元件22或第二元件23的材料为以下其中一种：玻璃、石英、三氧化二铝Al2O3、PMMA、光刻胶。
具体来说，第一元件22和第二元件23所采用的材料需要在待测光学波段透明，常见的材料有玻璃、石英、三氧化二铝Al2O3等透明介质，也可以是PMMA、光刻胶等聚合物。
其中，第一元件22的第一阶梯侧与第二元件23的第二阶梯侧相对设置，具体来说，第一阶梯侧通过贴合物或其他物理、化学方式与第二阶梯贴合，优选的，贴合物27可以为紫外固化胶水(UV胶)，第一元件22的第一阶梯侧通过UV胶与第二元件23的第二阶梯侧贴合，优选的，贴合后上下两个元件的倾角需要小于等于0.05度。另外，在贴合时，要确定第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同，以此使得最终形成的是三维台阶结构的法-珀腔阵列。作为可选的实施例，第一阶梯的阶梯高度变化方向垂直于第二阶梯的阶梯高度变化方向。
本实施例中，在第一阶梯和第二阶梯的台阶表面镀设反射膜，如图2a所示，涂覆在第一阶梯的台阶表面上的第一阶梯反射膜25，涂覆在第二阶梯的台阶表面上的第二阶梯反射膜26。在台阶上镀设反射膜时，所采用的镀膜材料为单层金属，或者为高折射率的电介质(如Al，Au，Ag，Si，TiO2等)，镀膜设备可以是电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等；在镀膜过程中，可以根据反射率的需要调节镀膜厚度；另一种镀膜方法是使用多层电介质膜结构来增强反射率。
优选的，所述反射膜为单层膜。具体来说，基于本发明使用的光谱重构算法不需要高反射率来保证各个法-珀腔透射波长互不重叠，因此采用单层薄膜，成本较低。可选的，单层膜为铝膜或者银膜，在镀膜时可调节膜厚度将可见光范围的反射率控制在10％-70％。
从而，第一阶梯反射膜25、第二阶梯反射膜26以及贴合物27构成法-珀腔阵列，入射光在法-珀腔中多次振荡。可选的，法-珀腔阵列中的每个法-珀腔允许所探测的光谱范围内多个波长透过，后续通过光谱重构方法对宽谱段的范围内的光谱进行重构，从而得到所探测的光的光谱信息。
作为可选的实施例，所述第一阶梯下凹于第一元件的表面，所述第二阶梯下凹于第二元件的表面；或者，第一阶梯凸起于第一元件的表面，第二阶梯下凹于第二元件的表面；或者，第一阶梯下凹于第一元件的表面，第二阶梯凸起于第二元件的表面。
具体来说，图3a为本发明提供的一种阶梯结构的示意图；图3b为本发明提供的另一种阶梯结构的示意图。如图3a、3b所示，阶梯结构可凸起或下凹于元件的表面。其中，第一元件22和第二元件23均可为如图3a所示的下凹阶梯结构31，即阶梯结构均下凹于元件的表面；或者，第一元件22和第二元件23中的任一个为如图3b所示的凸起阶梯结构32时，另一个元件为如图3a所示的下凹阶梯结构31。
作为可选的实施例，所述第一阶梯或第二阶梯包括至少两个具有不同高度的台阶。具体来说，第一阶梯包括多个台阶，其中，至少有两个台阶高度是不同的；或者说，第二阶梯包括多个台阶，其中至少有两个台阶高度是不同的。
作为可选的实施例，所述第一阶梯或第二阶梯为冗余结构，其中，所述冗余结构用于表征第一阶梯或第二阶梯的多个台阶中，包括至少两个高度相同的台阶。
具体来说，第一阶梯或者第二阶梯中，形成阶梯结构的若干个台阶中，存在两个或两个以上台阶具有相同的高度。
图4a为本发明提供的一种阶梯结构的俯视图，图4b为本发明提供的另一种阶梯结构的俯视图，图4c为本发明提供的又一种阶梯结构的俯视图；图4d为本发明提供的再一种阶梯结构的俯视图，图4e为本发明提供的再一种阶梯结构的俯视图。其中，h1、h2、h3、h4、h5分别代表不同的台阶高度，假设h1>h2>h3>h4>h5，则可以如图4a所示，可以按照逐步变低的台阶高度来构成阶梯结构；或者，可以如图4b、4c所示，可以随意设置不同台阶的高度；或者，也可以如图4d、4e所示，阶梯结构具有冗余结构(即有若干个台阶的台阶高度相同)，该冗余结构得出的光谱可以具有校验功能(简单校验和复杂校验算法)，从而用来纠错。
需要说明的是，虽然此处仅列出了图4a-图4e等五种阶梯结构的设计方案，但本领域技术人员可以理解，其他具有不同台阶高度的组合是可行的，只要满足具有两种不同高度即可。
作为可选的实施例，所述法-珀腔阵列还包括设置在第一元件或第二元件上的预设数量的元件，所述预设数量的元件依次串联设置；其中，所述预设数量的元件中的每个元件具有二维台阶结构，所述二维台阶结构的台阶表面镀设反射膜。
图5为本发明提供的一种法-珀腔阵列结构示意图，如图5所示，该法-珀腔阵列包括第一元件22、第二元件23，第一元件22与第二元件23的阶梯侧相对设置，构成法-珀腔a；该法-珀腔阵列还包括设置在第一元件22或第二元件23上(图5以设置在第二元件23上为例)的预设数量的元件，其中，预设数量可以大于等于1，如图5中的第三元件41、第四元件42……第N元件(图中未示出)，这(N-2)个元件中的每个元件都具有二维台阶结构，与第一元件22和第二元件23结构类似；从图5可知，在第二元件23上叠加第三元件41，则第二元件23和第三元件41可以构成法-珀腔b；在第三元件41上叠加第四元件42，则第三元件41和第四元件42可以构成法-珀腔c；还可以继续在第四元件42上再次叠加另一个具有二维台阶结构的元件，构成另一个法-珀腔；依次类推，形成串联的法-珀腔阵列。
另外，需要说明的是，除第一元件22和第三元件23的阶梯侧需要相对设置以外，其他任意相邻的两个元件的阶梯侧可以相对设置，也可以不相对设置，如图5中的第三元件41和第四元件42的阶梯侧相对设置，第二元件23与第三元件41的阶梯侧不相对设置。
需要说明的是，相对于单一的法-珀腔单元的透射函数只能设计单一厚度参数来说，串联的法-珀腔可以有很多的设计维度(多个厚度)，由此，级联的法-珀腔可以更自由的设计不同的透射函数，即增加分辨率，又可以拓展或者根据需要限定光谱探测范围。
本实施例提供的法-珀腔阵列包括具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；所述第一元件的第一阶梯侧与第二元件的第二阶梯侧相对设置，且第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同；所述第一阶梯和第二阶梯的台阶表面镀设反射膜；即本发明实施例通过将两个具有二维台阶结构的元件进行贴合，形成三维台阶结构的法-珀腔阵列，结构简单，容易加工实现。
第二方面，本发明提供一种光谱探测仪，参考图2a、2b所示，所述光谱探测仪包括第一方面任一项所述的法-珀腔阵列和阵列探测器24；其中，所述阵列探测器24设置在所述法-珀腔阵列的出光侧。
具体来说，在本实施例中，阵列探测器24位于法-珀腔阵列的出光侧，该阵列探测器24中的每个探测器可以被配置为接收从法-珀腔阵列中的单个法-珀腔透射的信号光。
可选的，阵列探测器24与所述法-珀腔阵列贴合，具体来说，阵列探测器24可与法-珀腔阵列(如图2a所示的第二元件23)紧贴贴合，或者也可以通过机械结构固定。贴合后的法-珀腔阵列到阵列探测器24的距离需控制在1mm以内，以保证没有明显的失焦现象，也尽可能的缩小了光谱探测仪的体积。
作为可选的实施例，所述阵列探测器24为以下其中一种：电荷耦合器件传感器阵列、互补金属氧化物半导体传感器阵列、热传感器阵列、光电二极管阵列、雪崩光电检测器阵列或光电倍增管阵列。
具体来说，阵列探测器24可以是图像探测器和/或光强度探测器。例如，该阵列探测器24可以是电荷耦合器件(CCD)传感器、互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器、热传感器、光电二极管阵列、雪崩光电检测器(APD)阵列、光电倍增管(PMT)阵列等。
本实施例提供的光谱探测仪的工作原理如下：首先入射光21会在具有第一阶梯的第一元件22与具有第二阶梯的第二元件23之间的贴合物27中反复振荡，形成法-珀谐振腔。空间上不同位置的法-珀腔拥有不同的腔体厚度，从而形成法-珀腔阵列。
其中，法-珀腔阵列中的任意一个法-珀腔的透射函数如下：
Figure BDA0002986651910000111
其中，d为对应的法-珀腔厚度，ν为波数，R为法-珀腔反射率，n为腔体介质(即贴合物27)的折射率。
阵列探测器中输出的光信号如下：
Figure BDA0002986651910000112
其中，y是阵列探测器读数，x是入射光谱信号。
若阶梯结构如图4d、4e所示，即阶梯结构存在冗余时，来自相同高度的法-珀腔的信号可以取平均值方式应用于上述公式(2)。
公式(2)也可以写成等效的矩阵形式：
YN×1＝TN×M×XM×1 (3)
其中，T为转换矩阵，由公式(1)在不同的厚度d和波数ν下计算得出，其中N为阵列法-珀腔的数量，M为待测光谱范围内的波长/波数通道数。
若采样数N等于待测通道数M，可以通过简单的矩阵求逆运算得到光谱：
X＝T-1Y (4)
矩阵求逆解法可能受测量噪声影响较大，也可以通过正则化提升重构光谱数据的准确性，以减小噪声影响。
光谱重构问题可以通过求解以下优化问题实现(l＝1or 2)：
Figure BDA0002986651910000113
以上光谱重构问题的优化解法也适用于采样数N小于待测通道数M的情况。比如l＝1的优化问题可以在采样数N远小于待测数M的情况下还原满足稀疏性条件的光谱信号。
其中，光谱信息的重构和存储可根据实际应用需要，选择由下位机、PC或手机等个人终端、云终端等处理完成并保存。
本发明实施例提供的光谱探测仪，包括法-珀腔阵列和阵列探测器，所述阵列探测器设置在所述法-珀腔阵列的出光侧；其中，所述法-珀腔阵列包括具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；所述第一元件的第一阶梯侧与第二元件的第二阶梯侧相对设置，且第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同；所述第一阶梯和第二阶梯的台阶表面镀设反射膜；即本发明实施例通过将两个具有二维台阶结构的元件进行贴合，形成三维台阶结构的法-珀腔阵列，结构简单，容易加工实现。
在前述实施例的基础上，该光谱探测仪包括准直器、法-珀腔阵列以及阵列探测器，所述阵列探测器设置在所述法-珀腔阵列的出光侧；所述准直器设置在法-珀腔阵列的入光侧；其中，所述法-珀腔阵列包括具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；所述第一元件的第一阶梯侧与第二元件的第二阶梯侧相对设置，且第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同；所述第一阶梯和第二阶梯的台阶表面镀设反射膜。
与前述实施例的区别在于，本实施例还包括设置在法-珀腔阵列入光侧的准直器。具体来说，准直器用于将入射光处理成平行光。可选的，所述准直器包括空间光输入和光纤输入两种方式。
图6a为本发明实施例提供的一种光纤光输入方式的光谱探测仪结构示意图，图6b为本发明实施例提供的一种空间光输入方式的光谱探测仪结构示意图。如图6a所示，光谱探测仪50可以被配置为经由光纤51端口接收入射光21；或者，如图6b所示，光谱探测仪50可以被配置为通过漫反射片52直接接收入射光21。即阵列滤波器可以被配置为以任何方式接收入射光。
本发明实施例提供的光谱探测仪包括准直器、法-珀腔阵列以及阵列探测器，所述阵列探测器设置在所述法-珀腔阵列的出光侧；所述准直器设置在法-珀腔阵列的入光侧；其中，所述法-珀腔阵列包括具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；所述第一元件的第一阶梯侧与第二元件的第二阶梯侧相对设置，且第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同；所述第一阶梯和第二阶梯的台阶表面镀设反射膜；即本发明实施例通过将两个具有二维台阶结构的元件进行贴合，形成三维台阶结构的法-珀腔阵列，结构简单，容易加工实现。
第三方面，本发明示例提供了一种光谱探测系统，图7为本发明提供的一种光谱探测系统的结构示意图，如图7所示，该光谱探测系统包括：如第二方面任一项所述的光谱探测仪和重构设备；其中，所述重构设备用于对光谱探测仪输出的光信号进行重构，获得光谱信息。
具体来说，平行光束经过法珀-腔阵列在阵列探测器上形成相应的光谱电信号，然后将光谱电信号经过重构设备就可将该光谱电信号重构成相应的光谱信息。可选的，重构设备包括传感器IC、下位机。
作为可选的实施例，所述系统还包括存储设备；所述存储设备用于对所述光谱信息进行存储。具体来说，存储设备可以为个人终端或者云端，在重构设备获取到光谱信息后，可将光谱信息上传给个人终端或者云端进行存储。
图8为本发明提供的另一种光谱探测系统的结构示意图；如图8所示，光谱探测系统包括由准直器、法-珀腔阵列、阵列探测器构成的光谱探测仪，还包括传感器IC、下位机构成的重构设备，以及由个人终端或者云端构成的存储设备。由阵列探测器采集到的光信号经由传感器IC、下位机处理后，上传到PC、手机等个人终端设备，或者传输到云端。其中，阵列传感器采集到的信号经由重构算法方能还原为光谱信息，该重构算法由下位机执行，也可以由个人终端、云终端之一执行。光谱信息数据存储在个人终端或者云终端。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的光谱探测系统的具体工作过程以及相应的有益效果，可以参考前述方法示例中的对应过程，在此不再赘述。
本发明提供的光谱探测系统，包括如第二方面所述的光谱探测仪和重构设备；其中，所述重构设备用于对所述光谱探测仪输出的光信号进行重构处理，获得光谱信息；即本发明实施例中的光谱探测仪通过将两个具有二维台阶结构的元件进行贴合，形成三维台阶结构的法-珀腔阵列，结构简单，容易加工实现；且通过重构算法使得在具有同样的滤波片数量的情况下，得到入射光光谱更高的分辨率并探测到具有更宽的光谱范围的入射光。
第四方面，本发明提供一种终端设备，所述终端设备上集成如第二方面任一项所述的光谱探测仪。
具体来说，第二方面所述的光谱探测仪满足微型化需求，可将其集成到终端设备，例如智能电话、平板个人计算机(PC)、膝上型计算机、机器人、无人机、可穿戴装置等便携式设备上。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的终端设备的具体工作过程以及相应的有益效果，可以参考前述方法示例中的对应过程，在此不再赘述。
本发明提供的终端设备，所述终端设备上集成上述所述的光谱探测仪；即本发明实施例中的光谱探测仪通过将两个具有二维台阶结构的元件进行贴合，形成三维台阶结构的法-珀腔阵列，结构简单，容易加工实现；将光谱探测以集成到便携式的终端设备上，方便用户随时使用，也丰富了终端设备的功能。
第五方面，本发明提供一种法-珀腔阵列的制作方法，图9为本发明提供的一种法-珀腔阵列的制作方法的流程示意图，通过该方法制作出如第一方面所述的法-珀腔阵列。如图9所示，该制作方法包括：
步骤101、制作具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构。
具体来说，对于台阶高度为微米量级的元件，可以采用灰度光刻、激光直写、增材制造、精密机械加工等工艺制作；对于台阶高度为纳米量级的元件，则可以采用灰度电子束曝光，光刻机配合刻蚀设备进行套刻、掩模版配合PVD(如磁控溅射、电子束蒸发等)镀膜等，这些工艺为现有技术，此处不再赘述。
步骤102、对第一阶梯和第二阶梯的台阶表面进行镀膜。
具体来说，可以采用现有技术对第一元件的第一阶梯的台阶表面、第二元件的第二阶梯的台阶表面进行镀膜，同上述类似，此处不再赘述。
步骤103、将第一元件的第一阶梯侧和第二元件的第二阶梯侧相对设置。
其中，第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同。
具体来说，两个具有阶梯结构的元件通过紫外固化胶贴合在一起。具体流程包括：第一元件22或第二元件23于底板上下胶，然后上置另一元件进行下压，清理溢胶，置于紫外光下固化。需要注意的是，在贴合时，需要确定第一阶梯的阶梯方向与第二阶梯的阶梯方向不同。
作为可选的实施例，所述方法还包括：在第一元件或第二元件上设置预设数量的元件，并依次串联设置所述预设数量的元件；其中，所述预设数量的元件中的每个元件具有二维台阶结构，所述二维台阶结构的台阶表面镀设反射膜。
具体来说，可以在第一元件或第二元件上设置多个元件，这多个元件均具有二维台阶结构，且这多个元件也是依次串联设置，从而构成串联的法-珀腔阵列。
本发明实施例提供的法-珀腔阵列的制作方法，制作具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；对第一阶梯和第二阶梯的台阶表面进行镀膜；将第一元件的第一阶梯侧和第二元件的第二阶梯侧相对设置，其中，第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同；即本发明实施例并不是直接形成三维台阶结构的法-珀腔阵列，而是将两个具有二维台阶结构的元件进行贴合形成，简化了法-珀腔阵列的加工工艺，且打破了对法-珀腔阵列中的法-珀腔数量的限制。
第六方面，本发明提供一种光谱探测仪的制作方法，图10为本发明提供的一种光谱探测仪的制作方法的流程示意图，通过该方法制作出如第二方面所述的光谱探测仪。如图10所示，该制作方法包括：
步骤201、制作具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构。
步骤202、对第一阶梯和第二阶梯的台阶表面进行镀膜。
步骤203、将第一元件的第一阶梯侧和第二元件的第二阶梯侧相对设置。
步骤204、在第一元件和第二元件所构成的法-珀腔阵列的出光侧设置阵列探测器。
本实施例中步骤201、步骤202以及步骤203与上述实施例中法-珀腔阵列的制作方法中的步骤101、步骤102以及步骤103的实现方式类似，此处不再赘述。
与前述实施例不同的是，在第一元件和第二元件所构成的法-珀腔阵列的出光侧设置阵列探测器。具体来说，阵列探测器可与法-珀腔阵列紧贴贴合，或者也可以通过机械结构固定。
作为可选的实施例，所述方法还包括：在第一元件或第二元件上设置预设数量的元件，并依次串联设置所述预设数量的元件；其中，所述预设数量的元件中的每个元件具有二维台阶结构，所述二维台阶结构的台阶表面镀设反射膜；则步骤204，包括：在所述预设数量的元件、第一元件和第二元件所构成的法-珀腔阵列的出光侧设置阵列探测器。
具体来说，可以在所述预设数量的元件、第一元件和第二元件所构成的串联结构的法-珀腔阵列的出光侧设置阵列探测器。
本发明实施例提供的光谱探测仪的制作方法，制作具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；对第一阶梯和第二阶梯的台阶表面进行镀膜；将第一元件的第一阶梯侧和第二元件的第二阶梯侧相对设置，其中，第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同；在第一元件和第二元件所构成的法-珀腔阵列的出光侧设置阵列探测器；即本发明实施例中在制作光谱探测仪的种法-珀腔阵列时，并不是直接形成三维台阶结构的法-珀腔阵列，而是将两个具有二维台阶结构的元件进行贴合形成，简化了法-珀腔阵列的加工工艺，且打破了对法-珀腔阵列中的法-珀腔数量的限制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (18)

1.一种法-珀腔阵列，其特征在于，包括：具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；
所述第一元件的第一阶梯侧与第二元件的第二阶梯侧相对设置，且第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同；所述第一阶梯和第二阶梯的台阶表面镀设反射膜。
2.根据权利要求1所述的法-珀腔阵列，其特征在于，第一阶梯的阶梯高度变化方向垂直于第二阶梯的阶梯高度变化方向。
3.根据权利要求1所述的法-珀腔阵列，其特征在于，所述第一阶梯下凹于第一元件的表面，所述第二阶梯下凹于第二元件的表面；
或者，第一阶梯凸起于第一元件的表面，第二阶梯下凹于第二元件的表面；
或者，第一阶梯下凹于第一元件的表面，第二阶梯凸起于第二元件的表面。
4.根据权利要求1-3任一项所述的法-珀腔阵列，其特征在于，所述第一阶梯或第二阶梯包括至少两个具有不同高度的台阶。
5.根据权利要求1-3任一项所述的法-珀腔阵列，其特征在于，所述第一阶梯或第二阶梯为冗余结构，其中，所述冗余结构用于表征第一阶梯或第二阶梯的多个台阶中，包括至少两个高度相同的台阶。
6.根据权利要求1-3任一项所述的法-珀腔阵列，其特征在于，所述反射膜为单层膜。
7.根据权利要求1-3任一项所述的法-珀腔阵列，其特征在于，所述第一元件或第二元件的材料为以下其中一种：
玻璃、石英、三氧化二铝Al2O3、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、光刻胶。
8.根据权利要求1-3任一项所述的法-珀腔阵列，其特征在于，所述法-珀腔阵列还包括设置在第一元件或第二元件上的预设数量的元件，所述预设数量的元件依次串联设置；
其中，所述预设数量的元件中的每个元件具有二维台阶结构，所述二维台阶结构的台阶表面镀设反射膜。
9.一种光谱探测仪，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的法-珀腔阵列和阵列探测器；
其中，所述阵列探测器设置在所述法-珀腔阵列的出光侧。
10.根据权利要求9所述的光谱探测仪，其特征在于，所述光谱探测仪还包括设置在法-珀腔阵列入光侧的准直器。
11.根据权利要求9或10所述的光谱探测仪，其特征在于，所述阵列探测器为以下其中一种：
电荷耦合器件传感器阵列、互补金属氧化物半导体传感器阵列、热传感器阵列、光电二极管阵列、雪崩光电检测器阵列或光电倍增管阵列。
12.一种光谱探测系统，其特征在于，包括如权利要求9-11任一项所述的光谱探测仪以及重构设备；
其中，所述重构设备用于对所述光谱探测仪输出的光信号进行重构处理，获得光谱信息。
13.根据权利要求12所述的光谱探测系统，其特征在于，所述系统还包括存储设备；
所述存储设备用于对所述光谱信息进行存储。
14.一种终端设备，其特征在于，所述终端设备上集成如权利要求9-11任一项所述的光谱探测仪。
15.一种法-珀腔阵列的制作方法，其特征在于，包括：
制作具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；
对第一阶梯和第二阶梯的台阶表面进行镀膜；
将第一元件的第一阶梯侧和第二元件的第二阶梯侧相对设置，其中，第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在第一元件或第二元件上设置预设数量的元件，并依次串联设置所述预设数量的元件；
其中，所述预设数量的元件中的每个元件具有二维台阶结构，所述二维台阶结构的台阶表面镀设反射膜。
17.一种光谱探测仪的制作方法，其特征在于，包括：
制作具有第一阶梯的第一元件和具有第二阶梯的第二元件，所述第一阶梯、第二阶梯为二维台阶结构；
对第一阶梯和第二阶梯的台阶表面进行镀膜；
将第一元件的第一阶梯侧和第二元件的第二阶梯侧相对设置，其中，第一阶梯的阶梯高度变化方向与第二阶梯的阶梯高度变化方向不同；
在第一元件和第二元件所构成的法-珀腔阵列的出光侧设置阵列探测器。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在第一元件或第二元件上设置预设数量的元件，并依次串联设置所述预设数量的元件；其中，所述预设数量的元件中的每个元件具有二维台阶结构，所述二维台阶结构的台阶表面镀设反射膜；
则所述在第一元件和第二元件所构成的法-珀腔阵列的出光侧设置阵列探测器，包括：
在所述预设数量的元件、第一元件和第二元件所构成的法-珀腔阵列的出光侧设置阵列探测器。
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