CN115308187B - 芯片式拉曼光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种芯片式拉曼光谱仪，包括：包含耦入光栅阵列、干涉仪阵列及耦出光栅阵列的静态干涉仪芯片，图像传感器芯片及一个复合抛物面聚光镜；耦入光栅阵列包括若干个依次一一对应连接的耦入光栅、第一锥形平面波导及第一条形波导；每个第一条形波导与干涉仪阵列中的弯曲波导一一对应连接，且相互平行排列为一排；干涉仪阵列包括若干个弯曲波导、直波导以及设置于直波导两端的反射镜；耦出光栅阵列包括若干个一一对应连接的第二条形波导、第二锥形平面波导及耦出光栅；每个第二条形波导与干涉仪阵列中的弯曲波导一一对应连接，且相互平行排列为一排。本发明的芯片式拉曼光谱仪，有效提高了光谱仪的输入光通量，并且简化了输入信号光线与耦入光栅阵列之间的对准结构。
Description
技术领域
本发明涉及拉曼光谱探测领域，特别是涉及一种芯片式拉曼光谱仪。
背景技术
拉曼散射是一种非弹性散射，它是由光照射在物质上时，光子由于物质分子的振动而受到相互作用，产生与激发光本身频率不同的散射，因此不同分子，甚至不同化学键之间都有着不同的拉曼峰位，且拉曼光谱具有非破坏性、非侵入性、不用进行样品加工，信息丰富、分析效率高等特点，因此已被广泛应用于生物、化学、医疗、食品安全、航天航空、环境保护等领域。
然而，拉曼散射本身的发光强度非常弱，常规拉曼信号的强度只有入射光强度的10-6～10-12，要探测拉曼信号十分困难，因此如何使仪器尽可能多地接收拉曼信号，始终是拉曼光谱检测仪器的一项设计重点。目前成熟的拉曼光谱仪设计，受限于器件结构所允许的最大光通量限制，难以在保持高光谱分辨率的前提下接收到足够多的信号，这就对后续的拉曼信号提取在数据处理和拟合算法方面提出了更高的要求。
芯片式拉曼光谱仪具有很小的体积，能够实现光谱仪的小型化和便携化，甚至能够实现可穿戴设备，用于疾病和健康的管理与监控。但目前芯片式拉曼光谱仪产品非常少，几乎没有，且均存在输入光通量低，输入信号光线与分析芯片之间的耦合对准结构复杂等问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种芯片式拉曼光谱仪，用于解决现有技术中的芯片式拉曼光谱仪的输入光通量较低及输入信号光线与分析芯片之间的耦合对准结构复杂等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种芯片式拉曼光谱仪，所述芯片式拉曼光谱仪包括：静态干涉仪芯片和图像传感器芯片封装在一起的封装体，以及与所述封装体机械连接的一个复合抛物面聚光镜；
所述静态干涉仪芯片包括依次一一对应连接的耦入光栅阵列、干涉仪阵列及耦出光栅阵列；
所述耦入光栅阵列包括若干个依次一一对应连接的耦入光栅、第一锥形平面波导及第一条形波导；每个所述第一条形波导的末端为条形直波导，且若干个该条形直波导相互平行排列为一排；
所述干涉仪阵列包括若干个弯曲波导、对应设置于每个所述弯曲波导旁边的直波导以及设置于每个所述直波导两端的反射镜；若干个所述第一条形波导与若干个所述弯曲波导一一对应连接；所述弯曲波导与对应设置的所述直波导形成定向耦合器；所述直波导与其两端的所述反射镜形成法布里-珀罗干涉仪；
所述耦出光栅阵列包括若干个一一对应连接的第二条形波导、第二锥形平面波导及耦出光栅；每个所述第二条形波导与干涉仪阵列中的弯曲波导一一对应连接，每个所述第二条形波导的末端为条形直波导，且若干个该条形直波导相互平行排列为一排；
所述复合抛物面聚光镜设置于所述耦入光栅阵列的正上方；
所述图像传感器芯片设置于所述耦出光栅阵列的上方，以接收所述耦出光栅阵列的衍射光。
可选地，若干个所述耦入光栅在所述静态干涉仪芯片上排布形状的整体轮廓与所述复合抛物面聚光镜发射的光斑形状匹配。
进一步地，所述复合抛物面聚光镜入射至所述耦入光栅阵列的光与垂直方向的夹角介于0°～30°之间，所述复合抛物面聚光镜与所述耦入光栅阵列之间的距离介于0mm～99mm之间。
可选地，若干个所述直波导的长度沿其排列方向不等。
进一步地，若干个所述直波导的长度沿其排列方向逐渐减小。
进一步地，若干个所述直波导的长度沿其排列方向等差减小。
可选地，所述弯曲波导与对应设置的所述直波导之间的最小距离介于1nm～400nm之间。
可选地，所述图像传感器芯片为CCD芯片或CMOS图像传感器芯片。
可选地，所述直波导两端的所述反射镜为金属平面反射镜；所述复合抛物面聚光镜下方还设置有滤光片，以滤除前置系统中引入的激发光。
可选地，所述耦入光栅为长方形光栅、扇形光栅或亚波长光栅；所述耦出光栅为长方形光栅、扇形光栅或亚波长光栅。
可选地，所述静态干涉仪芯片形成于硅基底上或形成于塑料基底上。
如上所述，本发明的芯片式拉曼光谱仪，通过复合抛物面聚光镜结合大面积耦入光栅阵列的形式，有效提高了光谱仪的输入光通量，并且简化了输入信号光线与耦入光栅阵列之间的对准结构。
附图说明
图1显示为本发明的芯片式拉曼光谱仪的结构示意图。
图2显示为本发明的芯片式拉曼光谱仪中静态干涉仪芯片的结构示意图。
图3显示为图2静态干涉仪芯片中一个小的静态干涉仪单元A的结构示意图。
图4显示为图2静态干涉仪芯片中耦入光栅阵列的结构示意图。
图5显示为图2静态干涉仪芯片中第一条形波导及第二条形波导在拐角处为弧形的结构示意图。
图6至图8显示为图2静态干涉仪芯片中耦入光栅及耦出光栅的结构示意图，其依次为长方形光栅、扇形光栅和亚波长光栅。
元件标号说明
10 静态干涉仪芯片
11 图像传感器芯片
12 复合抛物面聚光镜
121 光斑
122 滤光片
13 耦入光栅阵列
131 耦入光栅
132 第一锥形平面波导
133 第一条形波导
133a 条形直波导
14 干涉仪阵列
141 弯曲波导
142 直波导
143 反射镜
144 定向耦合器
15 耦出光栅阵列
151 第二条形波导
151a 条形直波导
152 第二锥形平面波导
153 耦出光栅
16 静态干涉仪单元
D 直波导的长度
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1至图3所示，本实施例提供一种芯片式拉曼光谱仪，所述芯片式拉曼光谱仪包括：如图1所示，静态干涉仪芯片10和图像传感器芯片11封装在一起的封装体，以及与所述封装体机械连接的一个复合抛物面聚光镜12；
如图2所示，所述静态干涉仪芯片10包括依次一一对应连接的耦入光栅阵列13、干涉仪阵列14及耦出光栅阵列15；
如图2及图3所示，所述耦入光栅阵列13包括若干个依次一一对应连接的耦入光栅131、第一锥形平面波导132及第一条形波导133；每个所述第一条形波导133的末端为条形直波导133a，且若干个该条形直波导133a相互平行排列为一排；
如图2及图3所示，所述干涉仪阵列14包括若干个弯曲波导141、对应设置于每个所述弯曲波导141旁边的直波导142以及设置于每个所述直波导两端142的反射镜143；若干个所述第一条形波导133与若干个所述弯曲波导141一一对应连接；所述弯曲波导141与对应设置的所述直波导142形成定向耦合器144；所述直波导142与其两端的所述反射镜143形成法布里-珀罗干涉仪；
如图2及图3所示，所述耦出光栅阵列15包括若干个一一对应连接的第二条形波导151、第二锥形平面波导152及耦出光栅153；每个所述第二条形波导151与干涉仪阵列中的弯曲波导141一一对应连接，每个所述第二条形波导151的末端为条形直波导151a，且若干个该条形直波导151a相互平行排列为一排；
如图1所示，所述复合抛物面聚光镜12设置于所述耦入光栅阵列13的正上方；
如图1所示，所述图像传感器芯片11设置于所述耦出光栅阵列15的上方，以接收所述耦出光栅阵列15的衍射光。
一一对应连接的所述耦入光栅阵列13、所述干涉仪阵列14及所述耦出光栅阵列15中的每一个形成为一个如图3所示的静态干涉仪单元16。其工作原理为：激发光照射在样品上，经样品的非弹性散射，散射出的信号光由所述复合抛物面聚光镜12(简称CPC聚光镜)进行采集，通过所述复合抛物面聚光镜12转化为准直光束，入射至所述静态干涉仪芯片10的所述耦入光栅阵列13内；所述耦入光栅阵列13后端通过所述第一锥形平面波导132与后续的所述第一条形波导133连接，信号光经相互平行排列为一排的所述条形直波导133a一一对应传输至所述干涉仪阵列14中，信号光首先进入所述干涉仪阵列14中的所述弯曲波导141中，并在所述弯曲波导141中传输，通过控制所述弯曲波导141与所述直波导142之间的距离，以使信号光以消逝波的形式并以一定的功率比例(例如1:1)耦合进入所述直波导142中，进入所述直波导142中的信号光在由所述直波导142与其两端的所述反射镜143形成的法布里-珀罗干涉仪中产生干涉及信号增强，干涉信号产生了一个特定的相位差，随后再次以消逝波的形式耦合回到所述弯曲波导141中并与所述弯曲波导141中的信号光产生干涉，并沿着所述第二条形波导151传输出至所述耦出光栅阵列15中；最后信号光经过所述耦出光栅阵列15衍射出来被其上方的所述图形传感器芯片11捕获，所述图形传感器芯片11采集得到一组干涉图纹，通过傅里叶变换(Fourier Transform)即可得到信号光光谱。
这里解释下消逝波与法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer)。
消逝波：光在波导内以全反射形式传输，在全反射界面上，尽管所有的功率都被反射回来，但在界面处仍然存在光场，其场强随着到边界距离的增加而迅速消逝，这样一个随距离消逝的电磁场，称为消逝波。
法布里-珀罗干涉仪：一种由两个平行的高反射率表面(比如两面金属反射镜)构成的腔体，由于反射镜的反射率<100％，光束在腔体内传播的过程中会在两个腔面上发生多次透射+反射，对于同一束光线，在某个腔面上，其在多次透射+反射过程中产生的相邻两束透射/反射光，在空间上具有光程差ΔL，在几何上有：
ΔL＝2nL*cosθ
相位差：透射率函数：/>R为两个腔面的反射率，θ为光束在波导内传播的折射角，l为干涉腔的长度。
在透射谱中，两个相邻透射峰值之间的波长间隔为：
其中λ0为最近峰值的中心波长，n为波导材料的折射率。
由上述数学表达式可见，通过设计法布里-珀罗干涉仪的反射率、腔体(波导)长度可以达到选取波长、精细分光的效果，腔长越长，得到的干涉图中条纹越精细，光谱分辨率越高。在本实施例中，两个反射镜143之间的直波导142的长度决定了光谱分辨率的大小。
如上所述，本实施例的芯片式拉曼光谱仪通过复合抛物面聚光镜结合大面积耦入光栅阵列的形式，有效提高了光谱仪的输入光通量，并且简化了输入信号光线与耦入光栅阵列之间的对准结构。
作为示例，所述静态干涉仪芯片10可以形成于硅基底上，也可以形成于塑料基底上。本实施例中优选所述静态干涉仪芯片10形成于塑料基底上，使用聚合物塑料作为静态干涉仪芯片10的基底材料的优点在于成本较低、容易制备、耐用性强等。
如图1所示，作为示例，若干个所述耦入光栅131在所述静态干涉仪芯片10上排布形状的整体轮廓与所述复合抛物面聚光镜12发射的光斑121形状匹配。一般所述光斑121的形状为圆形、正方形或长方形，所以将若干个所述耦入光栅131在所述静态干涉仪芯片10上排布的形状设置为类似于圆形、正方形或长方形，从而配合所述光斑121的形状以达到尽可能高的信号光收集效率。所以耦入光栅阵列13的排布方式不是完全固定的，只要整体轮廓满足上述要求即可进一步提高信号光收集效率。
作为示例，不限制所述耦出光栅153在所述静态干涉仪芯片10上的排布形式，例如，可以设置为如图1中所示的线性单行阵列，也可以与所述耦入光栅131在所述静态干涉仪芯片10上的排布形状一致，也可以是其他多行阵列排布的方式，具体根据实际需要进行选择。较佳地，选择所述耦出光栅153在所述静态干涉仪芯片10上的排布形式为正方形或长方形，以便于所述图形传感器芯片11对信号光的捕获。
如图1及图2所示，作为示例，所述复合抛物面聚光镜12入射至所述耦入光栅阵列13的光与垂直方向的夹角介于0°～30°之间，所述复合抛物面聚光镜12与所述耦入光栅阵列12之间的距离介于0mm～99mm之间。本实施例中优选所述复合抛物面聚光镜12入射至所述耦入光栅阵列13的光与垂直方向的夹角为10°，所述复合抛物面聚光镜12与所述耦入光栅阵列12之间的距离为1mm。
如图1所示，作为示例，所述图像传感器芯片11可以选择现有任意适合的图像传感器，例如CCD芯片或CMOS图像传感器芯片等，本实施例中优选CCD芯片。
如图3所示，作为示例，所述直波导142两端的所述反射镜143可以选择金属材料的平面反射镜。例如本实施例中选择为铜反射镜。
如图1所示，作为示例，所述复合抛物面聚光镜12下方还设置有滤光片122，通过所述滤光片122可以滤除来自前置系统中可能引入的激发光的波长部分，以使进入耦入光栅阵列13的光为纯净的信号光。
如图6至图8所示，所述耦入光栅131及所述耦出光栅153可以采用现有常规的耦合光栅，如图6所示的长方形光栅，如图7所示的扇形光栅，如图8所示的亚波长光栅。
如图4中的虚线框B及如图5所示，这里需要说明的是，在进行版图设计的时候经常会出现波导的转弯情况，例如所述第一条形波导133及所述第二条形波导151在与所述第一锥形平面波导132及所述第二锥形平面波导152连接的过程中会产生转折，而在转折处C需要将所述第一条形波导133及所述第二条形波导151的连接设计为弧形的波导形式，以减少信号的传输损耗。
作为示例，所述弯曲波导141与对应设置的所述直波导142之间的最小距离介于1nm～400nm之间。
如图2所示，作为示例，若干个所述直波导的长度D沿其排列方向不等。较佳地，若干个所述直波导的长度D沿其排列方向逐渐减小，可最终采集到多组条纹间隔不同、峰值强度也不同的干涉条纹，以提高解析出的光谱精度。最优地，若干个所述直波导的长度D沿其排列方向等差减小，这样可最终采集到多组条纹间隔均匀变化、峰值强度也均匀变化的干涉条纹，从而进一步提高解析出的光谱精度。
作为示例，所述第一条形波导133及所述第二条形波导151可以选择为单模波导，也可以为多模波导，具体可以根据实际需要进行选择，在此不作限制。本实施例中选择为多模波导。
综上所述，本发明的芯片式拉曼光谱仪，通过复合抛物面聚光镜结合大面积耦入光栅阵列的形式，有效提高了光谱仪的输入光通量，并且简化了输入信号光线与耦入光栅阵列之间的对准结构。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种芯片式拉曼光谱仪，其特征在于，所述芯片式拉曼光谱仪包括：静态干涉仪芯片和图像传感器芯片封装在一起的封装体，以及与所述封装体机械连接的一个复合抛物面聚光镜；
所述静态干涉仪芯片包括依次一一对应连接的耦入光栅阵列、干涉仪阵列及耦出光栅阵列；
所述耦入光栅阵列包括若干个依次一一对应连接的耦入光栅、第一锥形平面波导及第一条形波导；每个所述第一条形波导的末端为条形直波导，且若干个该条形直波导相互平行排列为一排；
所述干涉仪阵列包括若干个弯曲波导、对应设置于每个所述弯曲波导旁边的直波导以及设置于每个所述直波导两端的反射镜；若干个所述第一条形波导与若干个所述弯曲波导一一对应连接；所述弯曲波导与对应设置的所述直波导形成定向耦合器；所述直波导与其两端的所述反射镜形成法布里-珀罗干涉仪；
所述耦出光栅阵列包括若干个一一对应连接的第二条形波导、第二锥形平面波导及耦出光栅；每个所述第二条形波导与干涉仪阵列中的弯曲波导一一对应连接，每个所述第二条形波导的末端为条形直波导，且若干个该条形直波导相互平行排列为一排；
所述复合抛物面聚光镜设置于所述耦入光栅阵列的正上方；
所述图像传感器芯片设置于所述耦出光栅阵列的上方，以接收所述耦出光栅阵列的衍射光。
2.根据权利要求1所述的芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：若干个所述耦入光栅在所述静态干涉仪芯片上排布形状的整体轮廓与所述复合抛物面聚光镜发射的光斑形状匹配。
3.根据权利要求2所述的芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述复合抛物面聚光镜入射至所述耦入光栅阵列的光与垂直方向的夹角介于0°～30°之间，所述复合抛物面聚光镜与所述耦入光栅阵列之间的距离介于0mm～99mm之间。
4.根据权利要求1所述的芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：若干个所述直波导的长度沿其排列方向不等。
5.根据权利要求4所述的芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：若干个所述直波导的长度沿其排列方向逐渐减小。
6.根据权利要求5所述的芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：若干个所述直波导的长度沿其排列方向等差减小。
7.根据权利要求1所述的芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述弯曲波导与对应设置的所述直波导之间的最小距离介于1nm～400nm之间。
8.根据权利要求1所述的芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述图像传感器芯片为CCD芯片或CMOS图像传感器芯片。
9.根据权利要求1所述的芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述直波导两端的所述反射镜为金属平面反射镜；所述复合抛物面聚光镜下方还设置有滤光片，以滤除前置系统中引入的激发光。
10.根据权利要求1所述的芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述耦入光栅为长方形光栅、扇形光栅或亚波长光栅；所述耦出光栅为长方形光栅、扇形光栅或亚波长光栅。
11.根据权利要求1所述的芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述静态干涉仪芯片形成于硅基底上或形成于塑料基底上。
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