專利名稱:一種光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜測(cè)量裝置，尤其涉及一種具有高分辨率和寬測(cè)量范圍的，便攜式、可實(shí)時(shí)探測(cè)的光譜儀，屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
光譜儀是一種重要的光學(xué)儀器。它是將光學(xué)方法與現(xiàn)代電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)獲取所研究物質(zhì)的光譜信息來(lái)精確分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、成分和含量的基本設(shè)備。隨著光譜儀的發(fā)展，它的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，并涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域，如天文觀測(cè)、航空航天、生物醫(yī)藥、石油化工、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、冶金、地質(zhì)勘探、生態(tài)環(huán)境及國(guó)防軍事等。由于其重要的應(yīng)用價(jià)值，光譜儀已越來(lái)越受到人們的關(guān)注，它已成為現(xiàn)代科學(xué)儀器的重要組成部分。
然而，隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在許多領(lǐng)域?qū)庾V儀又提出了更高的要求。特別是在星載分析、地質(zhì)礦產(chǎn)勘探、航天遙感遙測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、微流控領(lǐng)域等眾多研究、應(yīng)用領(lǐng)域，在測(cè)量頻段寬、分辨率高、抗振動(dòng)干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠的情況下，需要一種微型化、集成化、智能化的光譜儀。它的功耗小、電壓低、使用方便靈活、性能價(jià)格比高，且能快速、實(shí)時(shí)、直觀地獲取光譜信號(hào)。而目前所廣泛使用的光譜儀不僅分辨率不夠高，測(cè)量頻帶不夠?qū)?，而且普遍存在體積大、價(jià)格昂貴、安裝調(diào)試?yán)щy、使用條件苛刻等不足。如傅里葉變換光譜儀不僅體積較大，而且對(duì)振動(dòng)敏感，其分辨率受動(dòng)鏡的移動(dòng)范圍的影響。光柵衍射型光譜儀所用光柵體積雖然相對(duì)較小，但該種光譜儀分辨率不高，而且價(jià)格不菲[Yang Jae-chang, et al.Micro-electro-mechanical-systems-based infraredspectrometer composed of mult1-slit grating and bolometer array, Jap.J.0f App1.Phys.47 (8)，6943-6948 (2008)]。
中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局于2012年9月26日授權(quán)了申請(qǐng)?zhí)枮?00910264251.X的專利文獻(xiàn)，名稱是“相位調(diào)制臺(tái)階陣列微型光譜儀”，其核心部件是構(gòu)建在C⑶或CMOS之上的二維臺(tái)階陣列。于2012年7月11日公開了公開號(hào)為CN102564586A的專利文獻(xiàn)，名稱是“衍射孔陣列結(jié)構(gòu)微型光譜儀及其高分辨率光譜復(fù)原方法”，其核心部件是構(gòu)建在CCD或CMOS之上的二維衍射孔陣列。由于不同波長(zhǎng)的光通過(guò)臺(tái)階或者衍射孔后，能在C⑶或CMOS的像素元上產(chǎn)生不同的干涉或衍射光強(qiáng)。因此可以通過(guò)測(cè)量不同大小臺(tái)階或衍射孔下一系列像素元的光功率，就可以利用求解大型線性方程組的方法復(fù)原光譜。與傳統(tǒng)的光柵光譜儀或傅里葉變換光譜儀相比，其體積小、頻率分辨率高、光譜測(cè)量范圍寬，可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。但不管是臺(tái)階結(jié)構(gòu)的還是衍射孔結(jié)構(gòu)的光譜儀，其制作成本較高，制作過(guò)程復(fù)雜，需要用到昂貴的設(shè)備，比如離子刻蝕系統(tǒng)或光刻設(shè)備等。因此，需要尋求成本較低、制作過(guò)程簡(jiǎn)單的陣列結(jié)構(gòu)微型光譜儀制作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于:在保持現(xiàn)有陣列結(jié)構(gòu)微型光譜儀性能的前提下，克服背景技術(shù)中所述陣列結(jié)構(gòu)微型光譜儀所存在的制作成本較高、制作過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題，提供一種制作更簡(jiǎn)單、成本更低廉的光譜儀。
本發(fā)明的光譜儀，包括沿光路入射方向依次設(shè)置的光學(xué)準(zhǔn)直裝置、分光器件、陣列式探測(cè)芯片，以及與所述陣列式探測(cè)芯片連接的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一個(gè)表面上固著有至少一層透明涂層，所述透明涂層中包含有一組尺寸或形狀不均勻分布的氣泡。所述透明涂層優(yōu)選為聚合物。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述分光器件按照以下方法制備:將惰性氣體通入到聚合物熔體中生成惰性氣體氣泡，并通過(guò)超聲波將惰性氣體氣泡進(jìn)行細(xì)化；待聚合物熔體中氣泡含量和分布趨近于穩(wěn)定后，將聚合物熔體涂覆在透明基底上，降溫形成聚合物涂層。
作為本發(fā)明的又一優(yōu)選方案，所述分光器件按照以下方法制備:將聚合物溶于有機(jī)溶劑中，形成聚合物溶液；攪拌所述聚合物溶液使之產(chǎn)生氣泡后，將聚合物溶液涂覆在透明基底表面；然后，通過(guò)加熱除去有機(jī)物溶劑，形成聚合物涂層。
優(yōu)選地，所述光學(xué)準(zhǔn)直裝置包括兩個(gè)共焦的透鏡，以及設(shè)置于所述兩個(gè)透鏡的共同焦點(diǎn)處的小孔光闌。
本發(fā)明在現(xiàn)有陣列結(jié)構(gòu)微型光譜儀的基礎(chǔ)上，利用帶有透明氣泡的透明涂層取代制作工藝復(fù)雜的臺(tái)階結(jié)構(gòu)或衍射孔結(jié)構(gòu)。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
1、制作工藝簡(jiǎn)單，成本較低。以前的微型光譜儀在基底上制作臺(tái)階或衍射孔需要用到離子刻蝕或光刻等方法，這些方法需要昂貴的設(shè)備，而且工藝復(fù)雜，需要精確控制臺(tái)階或衍射孔的大小，并使得臺(tái)階或衍射孔的位置與像素元的位置一一對(duì)應(yīng)。
2、光譜儀體積小，便于攜帶，測(cè)量時(shí)不需要移動(dòng)光學(xué)器件，振動(dòng)因素對(duì)它影響較小，可用于在復(fù)雜環(huán)境中的實(shí)時(shí)測(cè)量。
3.光譜儀具有較高的分辨率和較寬的光譜測(cè)量范圍。光譜的分辨率主要由探測(cè)陣列芯片CXD或CMOS像素元的數(shù)量決定，而這些探測(cè)陣列芯片的像素可達(dá)到百萬(wàn)以上，所以整個(gè)光譜測(cè)量裝置可以達(dá)到很高的頻率分辨率；探測(cè)陣列芯片所能探測(cè)到的光譜范圍決定了光譜測(cè)量寬度，其光譜測(cè)量范圍覆蓋了可見到紅外波段，乃至紫外波段，因此相應(yīng)該光譜儀能有較寬的光譜測(cè)量范圍。


圖1是本發(fā)明光譜儀的橫截面示意圖，其中，I為透明涂層，2為透明基底，3為陣列式探測(cè)芯片、4為透鏡、5為小孔光闌；
圖2是透明涂層I的表面俯視圖，其中，6為氣泡；
圖3是入射光光譜劃分方法示意圖；其中，橫坐標(biāo)表示頻率，單位是赫茲；縱坐標(biāo)是歸一化光譜功率，單位是瓦特每赫茲；用微積分的方法把入射光譜按照頻率劃分成η等份，每一份取其中心頻率，每一份的頻寬為ALfi是其中任意一個(gè)小矩形的中心頻率，它的幅值為P(fj);
圖4是采用本發(fā)明光譜儀得到的光譜復(fù)原圖；圖中，上橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，單位是納米；下橫坐標(biāo)表示頻率，單位是太赫茲；縱坐標(biāo)是歸一化光譜功率，單位是瓦特每赫茲；圖中的實(shí)線表示入射光譜，圖中的虛線表示復(fù)原光譜。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
本發(fā)明的思路是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中所采用的臺(tái)階結(jié)構(gòu)或衍射孔結(jié)構(gòu)分光器件制作工藝復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)成本高的問(wèn)題，利用帶有氣泡的透明涂層作為本發(fā)明光譜儀的分光器件，由于帶有透明氣泡的透明涂層的制造工藝簡(jiǎn)單，進(jìn)而可在保持現(xiàn)有陣列結(jié)構(gòu)微型光譜儀應(yīng)有性能的前提下，大幅降低制造成本。
本發(fā)明的光譜儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括沿光路入射方向依次設(shè)置的光學(xué)準(zhǔn)直裝置、分光器件、陣列式探測(cè)芯片3，以及與所述陣列式探測(cè)芯片3連接的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。如圖所示，本發(fā)明的分光器件包括透明基底2，透明基底2的其中一個(gè)表面(也可以是兩個(gè)表面)附著有一層(或多層)帶有氣泡的透明涂層I。圖2顯示了透明涂層I的俯視圖，如圖2所示，透明涂層I中包含有一組尺寸或形狀不均勻分布的透明的氣泡6。本實(shí)施例中的光學(xué)準(zhǔn)直裝置包括兩個(gè)共焦的透鏡4，以及設(shè)置于兩個(gè)透鏡4的共同焦點(diǎn)處的小孔光闌5。所述陣列式探測(cè)芯片3可采用CCD或CMOS作為探測(cè)元件，它與光譜信號(hào)讀取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、采集控制電路及計(jì)算機(jī)所構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)(圖中未示出)相連。
入射光經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直裝置準(zhǔn)直后，通過(guò)分光器件，最后照射在陣列式探測(cè)芯片3的各像素元上。當(dāng)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后的待測(cè)光穿過(guò)氣泡涂層中大小不等的各個(gè)氣泡時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的衍射和干涉。具體如下:
1、不同波長(zhǎng)的光射到同一個(gè)氣泡的相同部位，出射的不同波長(zhǎng)衍射光的衍射角度各不相同，會(huì)形成一定的衍射光強(qiáng)分布。
2、同一波長(zhǎng)的光通過(guò)同一氣泡的不同部位，出射后會(huì)形成干涉。由于氣泡大小形狀各異，出射光之間的相位差各不相同，干涉光強(qiáng)也不同。
3、同一波長(zhǎng)的光通過(guò)不同氣泡的不同部位后發(fā)生衍射，傳播方向相同的衍射光之間也會(huì)發(fā)生干涉。
由于干涉和衍射效應(yīng)，當(dāng)入射光通過(guò)氣泡涂層后，其下方將形成一定的干涉和衍射光分布，最終探測(cè)陣列芯片中不同的像素元將采集到大小不等的光功率。按照所用像素元的個(gè)數(shù)，將像素元所能探測(cè)的頻率范圍均勻劃分，每一份的中心頻率在入射光中的歸一化功率作為未知數(shù)；將陣列式探測(cè)芯片的不同位置處的像素元探測(cè)到的值作為增廣矩陣；事先測(cè)得探測(cè)陣列芯片不同位置處的各像素元對(duì)各頻率分量的探測(cè)率，并將該探測(cè)率作為系數(shù)矩陣；通過(guò)正則化方法求解矩陣方程，并將所得結(jié)果進(jìn)行線性擬合、光譜定標(biāo)就可以得到待測(cè)光的光譜。
本發(fā)明中所述分光器件的制作方法可以有多種，下面列舉兩種:
第一種方法是:將氦氣、氖氣、氬氣、氪氣或是氙氣等惰性氣體連續(xù)注入到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其衍生物或者聚苯乙烯(PS)或者聚碳酸酯(PC)等聚合物熔體中，并通過(guò)超聲波將惰性氣體氣泡進(jìn)行細(xì)化，待聚合物熔體中氣泡含量和分布趨近于穩(wěn)定后，將其涂覆在透明基底表面上，然后降溫使聚合物熔體凝固為聚合物涂層，這樣，就會(huì)在聚合物涂層中產(chǎn)生分布不均，大小不一的氣泡。
第二種方法是:在一定溫度下，將PMMA、PS或PC等聚合物溶解到有機(jī)溶劑中(例如四氫呋喃、丙酮、甲苯等)，得到PMMA、PS或PC等聚合物的溶液，然后將其旋涂在透明基底上，并緩慢降溫至室溫，在降溫的過(guò)程中，溶劑的揮發(fā)導(dǎo)致在所形成的聚合物涂層中產(chǎn)生形狀各異的氣孔。
本發(fā)明的光譜復(fù)原的原理是:入射光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后照射到透明涂層上，由于透明涂層中包含有大小不一、分布不均的氣泡，入射光透過(guò)氣泡將發(fā)生不同程度的干涉和衍射，透過(guò)不同氣泡的各波長(zhǎng)光的相位差發(fā)生了不同的變化，使得氣泡下方形成了一定的相干光分布，最終探測(cè)陣列芯片CCD的像素元將采集到一系列大小不等的光功率。將所得數(shù)據(jù)組成一個(gè)線性方程組，其中不同像素元對(duì)不同中心波長(zhǎng)光的探測(cè)率作為系數(shù)矩陣，而各個(gè)像素元所接收到相應(yīng)的光功率作為增廣矩陣，求解該線性方程組就可以得到入射光各中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的歸一化光譜功率，然后將這些光譜功率值進(jìn)行線性擬合并經(jīng)光譜輻射定標(biāo)可得到入射光的光譜。
光譜復(fù)原的具體過(guò)程如下:
如圖3所示，根據(jù)探測(cè)陣列芯片有效像素元的數(shù)量將探測(cè)陣列芯片所能探測(cè)的頻率范圍均勻劃分成η份，每一份的中心頻率為f/，f2，…匕，頻寬為Λ f，入射光中每段頻率的光功率近似為圖中每個(gè)小矩形的面積。需要測(cè)的入射光光譜可以由圖中各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的光功率幅度進(jìn)行線性擬合得到，所以光譜復(fù)原的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為求圖中各個(gè)小矩形的高度P(^)1P.(f2), -P(fn)0
根據(jù)微積分原理，入射光的總功率可以近似為圖中曲線下面各個(gè)小矩形面積的總和，即各頻率分量功率的迭加。如果用數(shù)學(xué)公式表示，可表示為:P0=P ( /) Δ f+P.(f2) Af+- +P (fn) Δ f
當(dāng)入射光經(jīng)過(guò)微型結(jié)構(gòu)陣列后，被其中一個(gè)像素元探測(cè)到，該像素元接收到的功率可以通過(guò)自身直接探測(cè)。而另一方面，C⑶像素元探測(cè)到的功率也可以通過(guò)入射光光譜進(jìn)行計(jì)算得到。 因?yàn)槊總€(gè)頻率的功率，即圖中每一個(gè)小矩形的面積，被某個(gè)像素元探測(cè)到時(shí)都有一定程度減小。而由于不同氣泡的干涉或衍射作用，使得入射光的每個(gè)頻率分量的光在每個(gè)CXD像素元上減小的比例都不一樣。這些減小比例當(dāng)器件做好后是一個(gè)固定值，可以事先通過(guò)測(cè)量入射光束中每個(gè)頻率的光經(jīng)過(guò)氣泡涂層后射到某一個(gè)CXD像素元上被該像素元所探測(cè)的探測(cè)率計(jì)算得出。因此就可以得到一個(gè)方程，方程的左邊是CCD像素元的功率測(cè)量值，方程組的右邊是入射光中各個(gè)頻率的功率大小與CCD像素元對(duì)入射光各個(gè)頻率的探測(cè)率分別相乘后再相加所得到的計(jì)算值。假設(shè)入射光經(jīng)過(guò)氣泡涂層后被第i個(gè)像素元所探測(cè)，該像素元上得到的光功率大小可表示為:
Pi=CilP (^) Δ f+Ci2P.(f2) Δ f+…+CinP (fn) Δ f
這里，Cn，Ci2,…Cin分別為頻率為f/，f2,…匕的光經(jīng)過(guò)氣泡涂層后被第i個(gè)像素元所探測(cè)的探測(cè)率。因此，探測(cè)陣列芯片C⑶的η個(gè)像素元就可以測(cè)得一系列功率，這些功率可以表示為如下線性方程組:
P1=C11P (^) Δ f+C12P.(f2) Δ f+…+ClnP (fn) Δ f,
P2=C21P (fi) Δ f+C22P.(f2) Af+- +C2nP (fn) Δ f,
…
Pn=CnlP (f/) Δ f+Cn2P.(f2) Δ f+…+CnnP (fn) Δ f,
其中Cij (i=l，2...η) (j=l, 2...η)是頻率為f」的光被第i個(gè)像素元所探測(cè)的探測(cè)系數(shù)，即中心頻率為&的光被第i個(gè)像素元探測(cè)到的功率與入射到氣泡涂層之前該頻率光功率的比值。當(dāng)事先測(cè)得各探測(cè)系數(shù)，就可以用上述線性方程組表示出探測(cè)陣列芯片CCD各像素元所測(cè)得的光功率。如果用矩陣形式表示，設(shè)透射系數(shù)組成系數(shù)矩陣C，而各探測(cè)陣列芯片像素元測(cè)得數(shù)據(jù)組成增廣矩陣y，分別寫成如下形式:
權(quán)利要求
1.一種光譜儀，包括沿光路入射方向依次設(shè)置的光學(xué)準(zhǔn)直裝置、分光器件、陣列式探測(cè)芯片，以及與所述陣列式探測(cè)芯片連接的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，其特征在于，所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一個(gè)表面上固著有至少一層透明涂層，所述透明涂層中包含有一組尺寸或形狀不均勻分布的氣泡。
2.如權(quán)利要求
1所述光譜儀，其特征在于，所述透明涂層為聚合物。
3.如權(quán)利要求
2所述光譜儀，其特征在于，所述聚合物為聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯衍生物、聚苯乙烯或聚碳酸酯。
4.如權(quán)利要求
2所述光譜儀，其特征在于，所述分光器件按照以下方法制備:將惰性氣體通入到聚合物熔體中生成惰性氣體氣泡,并通過(guò)超聲波將惰性氣體氣泡進(jìn)行細(xì)化；待聚合物熔體中氣泡含量和分布趨近于穩(wěn)定后，將聚合物熔體涂覆在透明基底上，降溫形成聚合物涂層。
5.如權(quán)利要求
2所述光譜儀，其特征在于，所述分光器件按照以下方法制備:將聚合物溶于有機(jī)溶劑中，形成聚合物溶液；攪拌所述聚合物溶液使之產(chǎn)生氣泡后，將聚合物溶液涂覆在透明基底表面；然后，通過(guò)加熱除去有機(jī)物溶劑，形成聚合物涂層。
6.如權(quán)利要求
5所述光譜儀，其特征在于，所述有機(jī)溶劑為四氫呋喃、丙酮、甲苯中的任意一種。
7.如權(quán)利要求
1所述光譜儀，其特征在于，所述光學(xué)準(zhǔn)直裝置包括兩個(gè)共焦的透鏡，以及設(shè)置于所述兩個(gè)透鏡的共同焦點(diǎn)處的小孔光闌。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種光譜儀，屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域：
。本發(fā)明的光譜儀包括沿光路入射方向依次設(shè)置的光學(xué)準(zhǔn)直裝置、分光器件、陣列式探測(cè)芯片，以及與所述陣列式探測(cè)芯片連接的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)；所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一個(gè)表面上固著有至少一層透明涂層，所述透明涂層中包含有一組尺寸或形狀不均勻分布的氣泡。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有制作簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)成本低、便攜性好，以及較高的分辨率和較寬的光譜測(cè)量范圍的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J3/45GKCN103196557SQ201310092371
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月21日
發(fā)明者楊濤, 許超, 韋瑋, 周馨慧, 儀明東, 何浩培, 黃維 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan