專利名稱:一種光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜測量裝置，尤其涉及一種具有高分辨率和寬測量范圍的，便攜式、可實時探測的光譜儀，屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域：
。
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，通過獲取所研究物質(zhì)的光譜信息來精確分析物質(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)用范圍越來越廣，并涵蓋了多個領(lǐng)域，如天文觀測、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)境及國防軍事等。由于其重要的應(yīng)用價值，光譜儀已越來越受到人們的關(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、環(huán)境監(jiān)測、微流控領(lǐng)域等眾多研究、應(yīng)用領(lǐng)域，在測量頻段寬、分辨率高、抗振動干擾能力強、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、性能價格比高，且能快速、實時、直觀地獲取光譜信號。而目前所廣泛使用的光譜儀不僅分辨率不夠高，測量頻帶不夠?qū)?，而且普遍存在體積大、價格昂貴、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，而且對振動敏感，其分辨率受動鏡的移動范圍的影響。光柵衍射型光譜儀所用光柵體積雖然相對較小，但該種光譜儀分辨率不高，而且價格不菲[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)]。
中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局于2012年9月26日授權(quán)了申請?zhí)枮?00910264251.X的專利文獻(xiàn)，名稱是“相位調(diào)制臺階陣列微型光譜儀”，其核心部件是構(gòu)建在C⑶或CMOS之上的二維臺階陣列。于2012年7月11日公開了公開號為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。由于不同波長的光通過臺階或者衍射孔后，能在C⑶或CMOS的像素元上產(chǎn)生不同的干涉或衍射光強。因此可以通過測量不同大小臺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、光譜測量范圍寬，可以實現(xiàn)靜態(tài)實時測量。但不管是臺階結(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、制作過程簡單的陣列結(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、制作過程復(fù)雜的問題，提供一種制作更簡單、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、陣列式探測芯片，以及與所述陣列式探測芯片連接的數(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，通過加熱除去有機物溶劑，形成聚合物涂層。
優(yōu)選地，所述光學(xué)準(zhǔn)直裝置包括兩個共焦的透鏡，以及設(shè)置于所述兩個透鏡的共同焦點處的小孔光闌。
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、制作工藝簡單，成本較低。以前的微型光譜儀在基底上制作臺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，需要精確控制臺階或衍射孔的大小，并使得臺階或衍射孔的位置與像素元的位置一一對應(yīng)。
2、光譜儀體積小，便于攜帶，測量時不需要移動光學(xué)器件，振動因素對它影響較小，可用于在復(fù)雜環(huán)境中的實時測量。
3.光譜儀具有較高的分辨率和較寬的光譜測量范圍。光譜的分辨率主要由探測陣列芯片CXD或CMOS像素元的數(shù)量決定，而這些探測陣列芯片的像素可達(dá)到百萬以上，所以整個光譜測量裝置可以達(dá)到很高的頻率分辨率；探測陣列芯片所能探測到的光譜范圍決定了光譜測量寬度，其光譜測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，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；圖中的實線表示入射光譜，圖中的虛線表示復(fù)原光譜。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
本發(fā)明的思路是針對現(xiàn)有技術(shù)中所采用的臺階結(jié)構(gòu)或衍射孔結(jié)構(gòu)分光器件制作工藝復(fù)雜、實現(xiàn)成本高的問題，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、陣列式探測芯片3，以及與所述陣列式探測芯片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的其中一個表面(也可以是兩個表面)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。本實施例中的光學(xué)準(zhǔn)直裝置包括兩個共焦的透鏡4，以及設(shè)置于兩個透鏡4的共同焦點處的小孔光闌5。所述陣列式探測芯片3可采用CCD或CMOS作為探測元件，它與光譜信號讀取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、采集控制電路及計算機所構(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，通過分光器件，最后照射在陣列式探測芯片3的各像素元上。當(dāng)經(jīng)過準(zhǔn)直后的待測光穿過氣泡涂層中大小不等的各個氣泡時會發(fā)生不同程度的衍射和干涉。具體如下:
1、不同波長的光射到同一個氣泡的相同部位，出射的不同波長衍射光的衍射角度各不相同，會形成一定的衍射光強分布。
2、同一波長的光通過同一氣泡的不同部位，出射后會形成干涉。由于氣泡大小形狀各異，出射光之間的相位差各不相同，干涉光強也不同。
3、同一波長的光通過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發(fā)生干涉。
由于干涉和衍射效應(yīng)，當(dāng)入射光通過氣泡涂層后，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數(shù)，將像素元所能探測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)；將陣列式探測芯片的不同位置處的像素元探測到的值作為增廣矩陣；事先測得探測陣列芯片不同位置處的各像素元對各頻率分量的探測率，并將該探測率作為系數(shù)矩陣；通過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，入射光透過氣泡將發(fā)生不同程度的干涉和衍射，透過不同氣泡的各波長光的相位差發(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)組成一個線性方程組，其中不同像素元對不同中心波長光的探測率作為系數(shù)矩陣，而各個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對應(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)原的具體過程如下:
如圖3所示，根據(jù)探測陣列芯片有效像素元的數(shù)量將探測陣列芯片所能探測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小矩形的面積。需要測的入射光光譜可以由圖中各個頻率所對應(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)過微型結(jié)構(gòu)陣列后，被其中一個像素元探測到，該像素元接收到的功率可以通過自身直接探測。而另一方面，C⑶像素元探測到的功率也可以通過入射光光譜進(jìn)行計算得到。 因為每個頻率的功率，即圖中每一個小矩形的面積，被某個像素元探測到時都有一定程度減小。而由于不同氣泡的干涉或衍射作用，使得入射光的每個頻率分量的光在每個CXD像素元上減小的比例都不一樣。這些減小比例當(dāng)器件做好后是一個固定值，可以事先通過測量入射光束中每個頻率的光經(jīng)過氣泡涂層后射到某一個CXD像素元上被該像素元所探測的探測率計算得出。因此就可以得到一個方程，方程的左邊是CCD像素元的功率測量值，方程組的右邊是入射光中各個頻率的功率大小與CCD像素元對入射光各個頻率的探測率分別相乘后再相加所得到的計算值。假設(shè)入射光經(jīng)過氣泡涂層后被第i個像素元所探測，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)過氣泡涂層后被第i個像素元所探測的探測率。因此，探測陣列芯片C⑶的η個像素元就可以測得一系列功率，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個像素元所探測的探測系數(shù)，即中心頻率為&的光被第i個像素元探測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)事先測得各探測系數(shù)，就可以用上述線性方程組表示出探測陣列芯片CCD各像素元所測得的光功率。如果用矩陣形式表示，設(shè)透射系數(shù)組成系數(shù)矩陣C，而各探測陣列芯片像素元測得數(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、陣列式探測芯片，以及與所述陣列式探測芯片連接的數(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，通過加熱除去有機物溶劑，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)直裝置包括兩個共焦的透鏡，以及設(shè)置于所述兩個透鏡的共同焦點處的小孔光闌。
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、陣列式探測芯片，以及與所述陣列式探測芯片連接的數(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)明具有制作簡單、實現(xiàn)成本低、便攜性好，以及較高的分辨率和較寬的光譜測量范圍的優(yōu)點。
文檔編號G01J3/45GKCN103196557SQ201310092371
公開日2013年7月10日 申請日期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 申請人:南京郵電大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan