專利名稱：基于菲涅耳衍射微透鏡陣列的光譜成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于對(duì)氣體/液體的成份和濃度進(jìn)行多 通道光譜分析檢測的光譜成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光譜技術(shù)是物質(zhì)分析的常用方法，廣泛應(yīng)用于冶金、地質(zhì)、石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán) 境保護(hù)等領(lǐng)域，特別是氣體/液體分析檢測，基于紅外吸收原理的光譜分析能對(duì)氣體的種 類或濃度進(jìn)行有效且靈敏地檢測。傳統(tǒng)的光譜分析儀器采用連續(xù)光譜測量，測量范圍寬、 精度高，但是體積大，價(jià)格高，不便于攜帶。隨著MEMS、 二元光學(xué)與集成光學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 光譜儀小型化、微型化成為可能。微型光譜儀主要采用光柵衍射分光和Febir-Perot (F-P) 腔干涉濾光兩種分光機(jī)制。雖然F-P濾光結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)簡單，但要求兩塊微反射鏡必須 制作平整，具有高反射率，且嚴(yán)格平行，因此制備工藝要求高，光譜精度難以控制。而光 柵衍射分光具有結(jié)構(gòu)簡單、無需可動(dòng)部件、無需外圍電路控制、微型化程度高、可作為成 像光譜儀在實(shí)時(shí)多光譜監(jiān)測中快速分析等獨(dú)特優(yōu)勢，因此一直是微型光譜儀研究的主要熱 點(diǎn)。但由于MEMS制作工藝水平的限制，接近實(shí)用化的微型光柵光譜儀大都是無透鏡系統(tǒng)， 有的釆用反射式準(zhǔn)直和成像系統(tǒng),也有的取消了成像系統(tǒng)，這就必然使得入射到探測器上 的光斑較大，光通量較小，從而降低系統(tǒng)分辨率和信噪比，削弱微型光譜儀對(duì)光譜信號(hào)的 探測能力。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利CN 1410796A (2003年4月16日公開)提出了一種光柵 分光系統(tǒng)，它采用透射式閃耀光柵和微透鏡陣列組成，閃耀光柵首先進(jìn)行分光，分出的單 色光然后由微透鏡陣列進(jìn)行會(huì)聚，會(huì)聚在成像平面上，由于采用微透鏡陣列，因此成像平 面上可以同時(shí)得到多條光譜圖像。但這種結(jié)構(gòu)存在體積較大，系統(tǒng)集成難度大，不易于批 量制造等不足。
中國專利CN 1831517A (2007年9月19日公開)提出了一種基于微鏡技術(shù)的便攜式微 型紅外光譜儀結(jié)構(gòu)，它采用微鏡對(duì)光柵出射的光譜空間進(jìn)行掃描，從而在微鏡的特定位置獲得相應(yīng)的光譜信號(hào)，然后送入單元探測器進(jìn)行檢測。這種設(shè)計(jì)能獲得較高的光學(xué)分辨率，采用掃描微鏡能降低分光系統(tǒng)的體積，但是掃描式的分光系統(tǒng)具有穩(wěn)定性差、檢測速度慢等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、體積小巧、易于加工和系統(tǒng)集成，并且抗振動(dòng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)多種氣體/液體檢測或?qū)崟r(shí)監(jiān)測的基于菲涅耳衍射微透鏡陣列的光譜成像裝置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案 一種基于菲涅爾衍射微透鏡陣列的光譜成像裝置，包括微透鏡基片、探測器襯底和支撐側(cè)塊；其特征在于，微透鏡基片、探測器襯底和支撐側(cè)塊構(gòu)成密封的光學(xué)通道，微透鏡基片和探測器底襯分別上下設(shè)置并相互平行；所述微透鏡基片的下表面上加工N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡的微透鏡陣列，探測器襯底上表面設(shè)有N個(gè)探測器單元并與所述微透鏡陣列相對(duì)應(yīng)；微透鏡陣列上N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡的焦點(diǎn)與探測器陣列上N個(gè)探測器的光敏面分別一一重合；其中N為正整數(shù)。
所述的微透鏡陣列作為聚光和色散元件，微透鏡陣列上N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡采用二
元微加工技術(shù)制作而成，為多臺(tái)階的位相型菲涅耳波帶板FZP結(jié)構(gòu)(Fresnel Zone Plate),這種結(jié)構(gòu)同時(shí)具有聚光和色散作用，使每個(gè)微透鏡具有相同的會(huì)聚焦距/。和臺(tái)階數(shù)丄，但
具有不同的會(huì)聚中心波長A)，分別對(duì)應(yīng)N種檢測成分(如N種氣體或液體成分)的吸收波長，此時(shí)FZP的每個(gè)環(huán)帶半徑 需滿足
r ,=V^7^，其中^=1,2,……，M(M為最大環(huán)帶數(shù))；并且微透鏡的焦距/。與微透
鏡的光譜分辨率A義之間滿足/?！?9 'A° 'V'Z ，其中v是加工工藝的最小線寬，微透鏡對(duì)
A義
;i。士Axi范圍的光具有會(huì)聚作用，從而通過微透鏡陣列可得到不同波長的光譜信號(hào)，同時(shí)，
菲涅爾衍射微透鏡通過衍射效應(yīng)將光譜信號(hào)會(huì)聚增強(qiáng)。
當(dāng)一束寬帶光(如紅外光)通過微透鏡基片入射到微透鏡陣列上時(shí)，微透鏡陣列上的
N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡分別會(huì)聚得到N個(gè)不同中心波長的單色光，并被位于微透鏡陣列焦平面上的探測器陣列上的N個(gè)探測單元獲取，從而得到光譜信號(hào)。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明光譜成像裝置基于微電子加工工藝、菲涅耳衍射微透鏡和探測技術(shù)相結(jié)合，利用多個(gè)具有不同會(huì)聚波長的菲涅耳衍射微透鏡，采用多通道陣列方式，同時(shí)獲得多種氣體或物質(zhì)成份的多條吸收光譜，無需機(jī)械掃描部件；具有很好的抗振動(dòng)能力，能夠?qū)Χ喾N氣體或物質(zhì)成份進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測能力；
2、 該光譜成像裝置采用具有會(huì)聚與色散兩種功能的菲涅爾衍射微透鏡作為光學(xué)元件，在分光的同時(shí)進(jìn)行會(huì)聚，不僅有效簡化了光學(xué)系統(tǒng)，而且通過會(huì)聚提高了單色光強(qiáng)，具有靈敏度高的特點(diǎn)；
3、 該光譜成像裝置還具有體積小、重量輕、易于批量制造和成本低等優(yōu)點(diǎn)；此光譜成像系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、臨床醫(yī)學(xué)、航天航空軍事分析等多種領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于室內(nèi)空氣監(jiān)測、野外考察、工業(yè)流程現(xiàn)場監(jiān)控等多種場合。


圖1為本發(fā)明光譜成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明光譜成像裝置中的菲涅爾衍射微透鏡陣列示意圖；圖3為單個(gè)菲涅爾衍射微透鏡的位相示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示， 一種基于菲涅爾衍射微透鏡陣列的光譜成像裝置，包括微透鏡基片l、探測器襯底5和支撐側(cè)塊3;微透鏡基片1、探測器襯底5和支撐側(cè)塊3構(gòu)成密封的光學(xué)通道，所述菲涅爾衍射微透鏡陣列2和探測器陣列4之間為真空或惰性氣體封裝的光學(xué)通道，間隙為厘米級(jí)。微透鏡基片1和探測器襯底5分別上下設(shè)置并相互平行；所述微透鏡基片1的下表面上加工N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡的微透鏡陣列2，探測器襯底5上表面設(shè)有N個(gè)探測器的探測器陣列4并與所述微透鏡陣列2相對(duì)應(yīng)；微透鏡陣列2上N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡的焦點(diǎn)與探測器陣列4上N個(gè)探測器的光敏面分別一一重合；其中N為正整數(shù)，與被測物成份的多少相同，如某氣體中含有8種成份，則N為8;如某血液中含有16種成份，則N為16。
如圖2為菲涅爾衍射微透鏡陣列2的示意圖。菲涅爾衍射微透鏡陣列2上有N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡，是在微透鏡基片的下表面采用現(xiàn)有成熟的直寫法或灰階掩膜法等微細(xì)加工工藝加工出來，同時(shí)，該微透鏡基片要保證能透過被測試的所有波段，如所有測試波段位于3_5 u m的紅外區(qū)，就可以選擇能透過該紅外區(qū)的硅材料作為微透鏡基片。圖3給出了單個(gè)菲涅爾衍射微透鏡的位相示意圖。微透鏡陣列上每個(gè)菲涅爾衍射微透鏡為多臺(tái)階的位相型菲涅耳波帶板FZP (Fresnel Zone Plate)結(jié)構(gòu)，波帶板制作成具有浮雕表面的相位結(jié)構(gòu)，浮雕的厚度在波長量級(jí)，即采用位相補(bǔ)償?shù)霓k法，通過減小或增加奇數(shù)波帶的厚度，使光通過偶數(shù)波帶時(shí)相對(duì)于奇數(shù)波帶再產(chǎn)生H的相位變化，為了提高衍射效率，可將菲涅耳透鏡的每個(gè)波帶再分為多個(gè)同心圓環(huán)，制成多臺(tái)階的位相型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)
構(gòu)同時(shí)具有聚光和色散作用，使每個(gè)微透鏡具有相同的會(huì)聚焦距/。和臺(tái)階數(shù)￡ (臺(tái)階數(shù)丄
與靈敏度相關(guān)，其數(shù)值越大，靈敏度越高，但不利于加工； 一般說來臺(tái)階數(shù)丄取8即可)，但具有不同的會(huì)聚中心波長;t。，分別對(duì)應(yīng)N個(gè)吸收波長，此時(shí)FZP每個(gè)環(huán)帶半徑 需滿
足r"V2"'Vo/i '其中附=1，2,……，M (M為最大環(huán)帶數(shù)，與測量的靈敏度相關(guān)，而同一
陣列中是一致的)；并且微透鏡的焦距/。與微透鏡的光譜分辨率a;i之間滿足
/。>39.義0."，其中是加工工藝的最小線寬，v的取值通常為0.1 — l微米；此時(shí)微透鏡
對(duì)義。土a義范圍的光具有會(huì)聚作用，從而通過微透鏡陣列可得到不同波長的光譜信號(hào)，同時(shí)，菲涅爾衍射微透鏡通過衍射效應(yīng)將光譜信號(hào)會(huì)聚增強(qiáng)。由此可根據(jù)分辨率的要求確定焦距/0。
工作原理 一束寬帶光通過微透鏡基片1入射到微透鏡陣列2上，微透鏡陣列2上的
N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡分別會(huì)聚得到N個(gè)不同中心波長的單色光，并被位于微透鏡陣列焦平面上的探測器陣列4上的N個(gè)探測單元獲取，從而得到N個(gè)光譜信號(hào)；該光譜信號(hào)通過讀出電路依次讀出，經(jīng)過處理芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將測試結(jié)果由液晶顯示或計(jì)算機(jī)顯示輸出。所述光譜信號(hào)讀出電路、液晶顯示和計(jì)算機(jī)均為現(xiàn)有成熟技術(shù)，非本發(fā)明的創(chuàng)新。
微透鏡基片1可為玻璃、石英、硅片或其它微加工基底材料，菲涅爾衍射微透鏡陣列的每個(gè)微透鏡是通過直寫法或灰階掩膜法在微透鏡基片1上加工而成的；所述探測器襯底
5為硅或藍(lán)寶石襯底，探測器陣列采用MEMS技術(shù)加工在探測器襯底5的上表面；支撐側(cè)塊3為銦柱，用于保證微透鏡基片1和探測器底襯5的平行和密封。
例如，將這種光譜成像裝置應(yīng)用在汽車尾氣的檢測上。所要檢測的氣體四種C02、
CO、 CH4、 S02，這四種氣體的吸收波長分別為4.26jxm、 4.60nm、 3.32pm和4.00^mi，位于3 5pm波段，因此可選擇紅外玻璃或硅襯底作為微透鏡基片，在微透鏡基片上加工四個(gè)等焦距的菲涅耳透鏡，根據(jù)公式^=7^7^計(jì)算出每個(gè)環(huán)帶半徑 ，其中環(huán)帶數(shù)m取3，臺(tái)階數(shù)i取8;并且使每個(gè)菲涅耳透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)中心波長，即每個(gè)菲涅爾衍射微透鏡只能選擇吸收一種氣體，形成一個(gè)四通道的菲涅耳微透鏡陣列，同時(shí)，探測器陣列選擇能響應(yīng)紅外的材料(如PtSi)在硅襯底上制備出四個(gè)探測器單元，并通過銦柱和真空封裝將探測器陣列固定在微透鏡陣列的焦平面上，使兩者耦合構(gòu)成光譜成像系統(tǒng)。
工作時(shí)，首先讓未經(jīng)過氣體吸收的紅外光通過微透鏡基片入射到微透鏡陣列上，微透鏡陣列上的四個(gè)菲涅爾衍射微透鏡分別會(huì)聚得到四個(gè)不同吸收波長的單色光，并被位于微透鏡陣列焦平面上的探測器陣列上的四個(gè)探測單元獲取，得到初始光譜信號(hào)并由讀出電路依次輸出；然后，讓紅外入射光經(jīng)過多種混合氣體吸收后再通過紅外玻璃基片入射到微透鏡陣列上，由于氣體會(huì)吸收某個(gè)特定波長的紅外光，因此該氣體吸收波長下的紅外光強(qiáng)被衰減，并且衰減強(qiáng)度與吸收氣體的濃度成比例，與氣體對(duì)應(yīng)的菲涅爾衍射微透鏡出射的單色光強(qiáng)也隨之衰減，并被紅外探測器探測得到，形成測試光譜信號(hào)；再將測試光譜信號(hào)與初始光譜信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，從而可以確定被吸收氣體或物質(zhì)成分的濃度。
本發(fā)明并不限于所述實(shí)施方式，可以對(duì)液體中的多種成分(如血液中多成分的光譜檢測)或其它氣體中的多種成分(如大氣中有毒有害氣體的檢測)進(jìn)行上述類似實(shí)施，其中，微透鏡基片需要選擇能透過所有所測波段的材料，探測器要求能響應(yīng)所測波段的光，菲涅爾衍射微透鏡的個(gè)數(shù)需與被檢成分的項(xiàng)目數(shù)一致，菲涅爾衍射微透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)按照本發(fā)明給出的設(shè)計(jì)公式進(jìn)行相應(yīng)變化，只要在本發(fā)明技術(shù)方案的結(jié)構(gòu)上所作的簡單變化，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 基于菲涅爾衍射微透鏡陣列的光譜成像裝置，包括微透鏡基片(1)、探測器襯底(5)和支撐側(cè)塊(3)；其特征在于，微透鏡基片(1)、探測器襯底(5)和支撐側(cè)塊(3)構(gòu)成密封的光學(xué)通道，微透鏡基片(1)和探測器襯底(5)分別上下設(shè)置并相互平行；所述微透鏡基片(1)的下表面上加工N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡的微透鏡陣列(2)，探測器襯底(5)上表面設(shè)有N個(gè)探測器的探測器陣列(4)并與所述微透鏡陣列(2)相對(duì)應(yīng)；微透鏡陣列(2)上N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡的焦點(diǎn)與探測器陣列(4)上N個(gè)探測器的光敏面分別一一重；其中N為正整數(shù)；所述菲涅爾衍射微透鏡的微透鏡陣列(2)作為聚光和色散元件，微透鏡陣列(2)上N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡采用二元微加工技術(shù)制作而成，為多臺(tái)階的位相型菲涅耳波帶板FZP結(jié)構(gòu)，每個(gè)FZP結(jié)構(gòu)具有相同的焦距f0和臺(tái)階數(shù)L，但具有不同的會(huì)聚中心波長λ0，分別對(duì)應(yīng)N種檢測成分的吸收波長，此時(shí)FZP的每個(gè)環(huán)帶半徑rm需滿足其中m＝1，2，……，M(M為最大環(huán)帶數(shù))；并且微透鏡的焦距f0與微透鏡的光譜分辨率Δλ之間滿足其中v是加工工藝的最小線寬，微透鏡對(duì)λ0±Δλ范圍的光具有會(huì)聚作用。
2. 如權(quán)利要求l所述的基于菲涅爾衍射微透鏡陣列的光譜成像裝置，其特征在于， 所述微透鏡基片(1)為玻璃、石英或硅片微加工基底材料，菲涅爾衍射微透鏡陣列的每 個(gè)微透鏡是通過直寫法或灰階掩膜法在微透鏡基片(1)上加工而成。
3. 如權(quán)利要求l所述的基于菲涅爾衍射微透鏡陣列的光譜成像裝置，其特征在于， 所述探測器襯底(5)為硅或藍(lán)寶石襯底，探測器陣列采用MEMS技術(shù)加工在探測器襯底(5)的上表面。
4. 如權(quán)利要求l所述的基于菲涅爾衍射微透鏡陣列的光譜成像裝置，其特征在于， 所述支撐側(cè)塊(3)為銦柱。
5. 如權(quán)利要求l所述的基于菲涅爾衍射微透鏡陣列的光譜成像裝置，其特征在于， 所述菲涅爾衍射微透鏡陣列(2)和探測器陣列(4)之間為真空或惰性氣體封裝的光學(xué)通 道，間隙為厘米級(jí)。
全文摘要
一種基于菲涅爾衍射微透鏡陣列的光譜成像裝置，包括微透鏡基片、探測器襯底和支撐側(cè)塊構(gòu)成密封的光學(xué)通道，微透鏡基片和探測器襯底分別上下設(shè)置并相互平行；所述微透鏡基片的下表面上加工N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡的微透鏡陣列，探測器襯底上表面設(shè)有N個(gè)探測器的探測器陣列并與所述微透鏡陣列相對(duì)應(yīng)；微透鏡陣列上N個(gè)菲涅爾衍射微透鏡的焦點(diǎn)與探測器陣列上N個(gè)探測器的光敏面分別一一重合；每個(gè)微透鏡具有相同的會(huì)聚焦距f₀和臺(tái)階數(shù)L，但具有不同的會(huì)聚中心波長λ₀，分別對(duì)應(yīng)N種檢測成份的吸收波長，此時(shí)FZP的每個(gè)環(huán)帶半徑r_m需滿足式(1)，其中m＝1，2，……，M；焦距f₀與分辨率Δλ之間滿足式(2)，微透鏡對(duì)λ₀±Δλ范圍的光具有會(huì)聚作用。它采用多通道陣列方式，同時(shí)獲得多種氣體或物質(zhì)成份的多條吸收光譜；還具有體積小、重量輕、易于批量制造和成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/31GK101458209SQ200810233220
公開日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者杜曉晴, 廣 童 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)