[发明专利]一种微型光谱仪模组及实现微型光谱仪模组高分辨率的方法

说明书

本发明提供了使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法和基于这种方法的微型光谱仪模组的实施例。所述方法涉及对微型光谱仪模组进行预置校准和光谱重构。所述的预置校准的特征在于以波长可调、输出功率稳定可控的准单色光源为校准光源来获取预置校准信息。基于本发明提供的方法的微型光谱仪模组，其光学系统包括一个光阑、两个单透镜、一个光栅和一个探测器阵列，其特征为它兼具小尺寸、低成本和高分辨率。

技术领域

本发明涉及微型光谱仪，尤其是涉及使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法和基于这种方法的微型光谱仪模组的实施例。

背景技术

光谱仪是一种重要的光学仪器，广泛应用于材料工程、冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境监测、宇宙探索、军事侦察等领域。其中，光栅光谱仪是现行最常见的光谱仪。实验室级别的专业型光栅光谱仪一般都体积较大、价格昂贵，且其性能(如光谱分辨率等)一般随其光学系统的缩小而减弱。目前市场上一些称作微型光谱仪的设备(如以OceanOptics、Avantes等公司相关产品为代表)，是以降低分辨率等性能为代价的、小型化的阵列检测型光栅光谱仪，其尺寸也大约在十厘米级别。

近年来，随着信息技术的发展、生产生活智能化、和人们对食品安全、环境污染、医疗健康等需求的增长，低成本微型光谱仪模组受到关注。其应用目标向作为智能化设备、分布式检测设备和消费类电子产品的传感组件的运用来发展。

在此应用需求背景下，有国外公司(如日本滨松、美国德州仪器、埃及NeoSpectra)开发了基于微光学系统和微机电系统(MEMS)的微型光谱仪模组。这类微型光谱仪模组的核心光学组件尺寸可小到约厘米级别，但它们还是基于传统光谱仪的原理(如光栅分光或干涉仪分光)，以性能为代价缩小尺寸。其制造过程中对微加工技术的要求很高，成本较高；其性能(如分辨率、光谱范围和灵敏度等方面)比传统的微型光谱仪也还是要差很多。

同时，人们发展了一些其它类型的微型光谱仪模组，它们涉及到以微纳光学结构和元件作为色散元件，例如：基于滤光器阵列、具有随机结构的光学元件、具有不同吸收谱的半导体量子点或量子线阵列结构、等等。这些微型光谱仪模组的性能主要受限于微纳光学结构和元件的光学特性的制约，相关技术和产品仍不成熟。相对来说，基于光栅分光的微型光谱仪的技术还是较为成熟。

目前，基于光栅分光的微型光谱仪的性能主要依赖于其硬件系统；提高其性能一般从其内部光学元件、光路系统、内部架构、制造工艺和后端数据处理等方面进行改良。并为了进一步小型化，将微型光谱仪模组化，使微型光谱仪模组主要包括其光路和光电系统，而数据处理和控制系统、及终端设备等通过外部设备来实现。但这些措施仍不改变其性能受制于所涉及器件和硬件系统在物理上的原理性制约。

发明内容

本发明提供了一种使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法，该方法涉及对所述微型光谱仪模组进行预置校准和光谱重构。

本发明提供了对所述微型光谱仪模组进行预置校准和光谱重构的装置与方法。

本发明提供了基于所述实现高分辨率方法的一种低成本、小尺寸、高分辨率的微型光谱仪模组的装置及其实施方法。

本发明实施例涉及的微型光谱仪模组至少包括有色散元件和探测器阵列。

所述的色散元件为光栅、棱镜，或为如滤光器阵列、衍射和干涉微光学元件、具有随机结构的光学元件、及基于具有不同吸收谱的半导体量子点或量子线阵列结构等。

所述的探测器阵列由多个探测器单位像素构成的一维或二维阵列。所述探测器阵列中的多个探测器单位像素的分布可被规划为多个探测器单元，即每个探测器单元包含有一个或多个探测器单位像素。