[發(fā)明專利]一種基于衍射孔陣列的微型光譜儀

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210391637.9
• 申請日: 2012-10-16
• 公開（公告）號: CN102928079A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊濤;李興鰲;何浩培;黃維;周源;李偉
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/18;G01J3/02
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 楊楠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光譜儀，尤其涉及一種基于衍射孔陣列的微型光譜儀，屬于光譜測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

光譜儀作為一種研究物質(zhì)的光譜信息的測量儀器，隨著科技的飛速發(fā)展，其應(yīng)用范圍也越來越廣。傳統(tǒng)光譜儀存在眾多缺陷，如傅里葉光譜儀體積大，對振動敏感，不適合便攜實時測量；而光柵衍射型光譜儀分辨率不高，價格也不菲。

一篇中國專利公開了一種衍射孔陣列結(jié)構(gòu)微型光譜儀（名稱為“衍射孔陣列結(jié)構(gòu)微型光譜儀及其高分辨率復(fù)原方法”，公開號為CN102564586A，公開日為2012年7月11日）。該微型光譜儀包括：

一層基底，采用透明材料制作；

一個構(gòu)建在基底上表面的擋光層中的衍射孔二維陣列，該擋光層由不透明材料制成，該衍射孔二維陣列中的各個孔的孔徑大小不等，孔徑尺寸與入射光波長接近，各個衍射孔的深度相同且都等于擋光層厚度；

基底下方設(shè)有探測陣列芯片，該探測陣列芯片采用電荷耦合元件CCD?或者互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體元件CMOS，每一個衍射孔的正下方都對應(yīng)設(shè)置探測陣列芯片中的一個像素元，這些像素元經(jīng)過校準(zhǔn)后，能確保相同波長、相同功率的光入射到這些像素元時，各像素元輸出的數(shù)據(jù)相同；

基底和探測陣列芯片有兩種設(shè)計，一是在探測陣列芯片和基底間設(shè)有遮光板以遮住各像素元的大部分面積，以提高器件靈敏度；該遮光板由不透明材料制成，在衍射孔中心正下方的遮光板上留有一系列孔徑相同的透光小孔，每個透光小孔下對應(yīng)設(shè)置一個像素元，采集數(shù)據(jù)時僅取透光小孔下像素元的數(shù)據(jù)；二是不設(shè)遮光板，但是在采集數(shù)據(jù)時僅取衍射孔中心正下方的像素元的數(shù)據(jù)；

在衍射孔二維陣列上方設(shè)有兩個共焦的透鏡，在兩個共焦的透鏡之間的焦點處的遮光板中有一個小孔，該裝置用以準(zhǔn)直入射光；

一組計算分析部件，用來分析和計算探測陣列芯片采集到的數(shù)據(jù)以進(jìn)行光譜復(fù)原。

根據(jù)衍射孔的數(shù)量將探測陣列芯片所能探測的波長或頻率范圍均勻劃分成n?份，每一份取其中心波長或中心頻率；事先測得探測陣列芯片中各個衍射孔正下方的各個像素元對各個中心波長或中心頻率光的探測率，該探測率是一個比值，其分子是其中一個中心波長或中心頻率光被另一個像素元探測到的功率，分母是入射到衍射孔陣列之前該波長或頻率光功率。入射光經(jīng)過衍射孔陣列后會發(fā)生衍射，成像陣列芯片中位于各個衍射孔正下方的像素元會接收到相應(yīng)的衍射光功率；將不同像素元對不同中心波長或中心頻率光的探測率、各個像素元所接收到相應(yīng)的衍射光功率以及入射光中各中心波長或中心頻率所對應(yīng)的光譜功率分別作為系數(shù)矩陣、增廣矩陣和未知數(shù)矩陣組成一個線性方程組，采用Tikhonov?正則化方法求解該線性方程組，就可以得到入射光各中心波長或中心頻率對應(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)，得到入射光的光譜，即完成高分辨率光譜復(fù)原。

該光譜儀的核心部件為構(gòu)建在CCD或CMOS探測陣列芯片之上的衍射孔二維陣列，待測光入射后，通過測量每個衍射孔正下方所對應(yīng)像素元的衍射光功率，并利用求解大型線性方程組的方法復(fù)原光譜。該微型光譜儀具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高、測量范圍廣，以及制作成本低等優(yōu)點。

然而，上述衍射孔陣列結(jié)構(gòu)微型光譜儀要求“每一個衍射孔的正下方都對應(yīng)設(shè)置探測陣列芯片中的一個像素元”，要滿足此要求，一方面，由于現(xiàn)有CCD或CMOS探測器的探測陣列包含大量的像素元，因此需要制作的衍射孔數(shù)量過多；另一方面，現(xiàn)有的CCD或CMOS探測器的探測陣列前通常設(shè)置有透明的防護(hù)玻璃，而實際的器件制作中拆卸探測像元前的防護(hù)玻璃很容易造成探測陣列損壞，更嚴(yán)重的是去除防護(hù)后空氣中的灰塵和雜質(zhì)將對探測陣列性能產(chǎn)生影響，并最終影響光譜復(fù)原效果。因此該光譜儀在實際做制作中存在很大困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有衍射孔陣列結(jié)構(gòu)微型光譜儀實際制作困難的不足，提供一種基于衍射孔陣列的微型光譜儀，在保證與現(xiàn)有衍射孔陣列結(jié)構(gòu)微型光譜儀性能相當(dāng)?shù)那疤嵯?，更易于加工，制作成本更低?/p>

本發(fā)明的基于衍射孔陣列的微型光譜儀，沿入射光方向依次包括：

入射光準(zhǔn)直裝置；

一層基底，采用透明材料制作；

一個構(gòu)建在所述基底其中一個表面上的擋光層中的衍射孔二維陣列，所述擋光層由不透明材料制作，所述衍射孔二維陣列包括一系列具有不同孔徑尺寸的衍射孔，且各衍射孔孔徑尺寸與入射光波長接近，各衍射孔的深度與擋光層厚度相同；