[发明专利]衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率光谱复原方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种便携式实时探测的微型光谱测量装置及其高分辨率光谱复原方法。

背景技术

光谱仪是一种重要的光学仪器。它是将光学方法与现代电子数据处理系统相结合，通过获取所研究物质的光谱信息来精确分析物质的结构、成分和含量的基本设备。随着光谱仪的发展，它的应用范围越来越广，并涵盖了多个领域，如天文观测、航空航天、生物医药、石油化工、农业、冶金、地质勘探、生态环境及国防军事等。由于其重要的应用价值，光谱仪已越来越受到人们的关注，它已成为现代科学仪器的重要组成部分。

然而，随着社会的进步和科学技术的迅猛发展，在诸多领域对光谱仪又提出了更高的要求。特别是在环境监测、军事分析、地质勘探、微流控等众多研究、应用领域，要求光谱仪在提高分辨率和加宽测量频段范围的同时能够微型化、集成化，而一些特殊场合如野外勘测、现场检测、星载分析还需要光谱仪抗振动干扰能力强、性能稳定、功耗小、使用灵活、重量轻、携带方便，能够快速、实时、直观地获取光谱信号。

显然，传统的光谱仪器很难同时达到上述要求。譬如傅里叶变换光谱仪，其体积较大，对振动敏感，光谱分辨率受制于动镜移动范围并且测量频带主要集中在红外波段。再如光栅衍射型光谱仪虽然体积较小，探测频率范围较宽，但这类光谱仪分辨率不高，价格也不菲。

得益于光电技术、计算机技术和微制造工艺的发展、高效低廉的光学元件及线性阵列检测器件的出现，光谱仪正逐步朝着微型化、小型化方向发展以适应更广阔的应用领域。现在用来制造这类微小型光谱仪的技术有很多，诸如：微机电系统（MEMS）、微型光机电系统（MOEMS），集成光学技术以及二元光学技术等。而且，一些新型的微型光谱仪已经被研制出来。比如法布里-珀罗（F-P）型微型光谱仪，它体积很小，无可移动部件，可以组成阵列以适用于不同的光谱波段。然而，通常该微型光谱仪中的F-P谐振腔是以一阶模式工作的，其反射镜金属层厚度限制了该光谱仪的分辨率，虽然采用高阶模式工作可以提高分辨率，但以现有技术很难满足其谐振腔宽度要求，与此同时两个镜面的平行程度将极大影响光谱分辨率。再如采用硅表面微机械工艺制作的的微型光栅光谱仪，同样做到了集成化和微型化，但由于从光栅到探测器的光程有限，这就限制了它的光谱分辨率。

因此，对于光谱仪来说，要求其在微型化的同时能够降低成本，性能上能够达到较高的光谱分辨率，结构简单并且易于制作，用现有的技术很难实现。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率光谱复原方法，该光谱仪及其光谱复原方法解决了背景技术中光谱仪的体积较大、成本较高、制作困难、对振动敏感、分辨率不高、波长测量范围较窄等技术问题。

技术方案：本发明的衍射孔阵列结构微型光谱仪的主要部件包括：

1） 一层透明的基底。

2） 一个构建在基底上表面的挡光层中的衍射孔二维阵列，该挡光层由不透明材料制成，该衍射孔二维阵列中的各个孔的孔径大小不等，孔径尺寸与入射光波长接近，各个衍射孔的深度相同且都等于挡光层厚度。

3） 基底下方设有探测阵列芯片，可采用电荷耦合元件（CCD）或者互补金属氧化物半导体元件（CMOS），每一个衍射孔的正下方都对应设置探测阵列芯片中的一个像素元。这些像素元经过校准后，可以确保相同波长、相同功率的光入射到这些像素元时，各像素元输出的数据相同。

4） 如果每个像素元面积较大，为提高器件灵敏度，在成像芯片和基底间设有遮光板以遮住各像素元的大部分面积。该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径相同的透光小孔，每个透光小孔下对应设置一个像素元，采集数据时仅取透光小孔下像素元的数据；如果像素元面积较小，可以不设遮光板，但是在采集数据时仅取衍射孔中心正下方的像素元的数据。

5） 在衍射孔二维阵列上方设有两个共焦的透镜，在两个共焦的透镜之间的焦点处的遮光板中有一个小孔，该装置用以准直入射光。

6） 一组计算分析部件，用来分析和计算探测阵列芯片采集到的数据以进行光谱复原。

    本发明包括一种衍射孔阵列结构微型光谱仪的高分辨率光谱复原方法：