[发明专利]一种基于衍射孔阵列的微型光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种光谱仪，尤其涉及一种基于衍射孔阵列的微型光谱仪，属于光谱测量技术领域。

背景技术

光谱仪作为一种研究物质的光谱信息的测量仪器，随着科技的飞速发展，其应用范围也越来越广。传统光谱仪存在众多缺陷，如傅里叶光谱仪体积大，对振动敏感，不适合便携实时测量；而光栅衍射型光谱仪分辨率不高，价格也不菲。

一篇中国专利公开了一种衍射孔阵列结构微型光谱仪（名称为“衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率复原方法”，公开号为CN102564586A，公开日为2012年7月11日）。该微型光谱仪包括：

一层基底，采用透明材料制作；

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；

基底下方设有探测阵列芯片，该探测阵列芯片采用电荷耦合元件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，能确保相同波长、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；

基底和探测阵列芯片有两种设计，一是在探测阵列芯片和基底间设有遮光板以遮住各像素元的大部分面积，以提高器件灵敏度；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；二是不设遮光板，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；

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；

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。

根据衍射孔的数量将探测阵列芯片所能探测的波长或频率范围均匀划分成n 份，每一份取其中心波长或中心频率；事先测得探测阵列芯片中各个衍射孔正下方的各个像素元对各个中心波长或中心频率光的探测率，该探测率是一个比值，其分子是其中一个中心波长或中心频率光被另一个像素元探测到的功率，分母是入射到衍射孔阵列之前该波长或频率光功率。入射光经过衍射孔阵列后会发生衍射，成像阵列芯片中位于各个衍射孔正下方的像素元会接收到相应的衍射光功率；将不同像素元对不同中心波长或中心频率光的探测率、各个像素元所接收到相应的衍射光功率以及入射光中各中心波长或中心频率所对应的光谱功率分别作为系数矩阵、增广矩阵和未知数矩阵组成一个线性方程组，采用Tikhonov 正则化方法求解该线性方程组，就可以得到入射光各中心波长或中心频率对应的归一化光谱功率，然后将这些光谱功率值进行线性拟合并经光谱辐射定标，得到入射光的光谱，即完成高分辨率光谱复原。

该光谱仪的核心部件为构建在CCD或CMOS探测阵列芯片之上的衍射孔二维阵列，待测光入射后，通过测量每个衍射孔正下方所对应像素元的衍射光功率，并利用求解大型线性方程组的方法复原光谱。该微型光谱仪具有抗干扰能力强、分辨率高、测量范围广，以及制作成本低等优点。

然而，上述衍射孔阵列结构微型光谱仪要求“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”，要满足此要求，一方面，由于现有CCD或CMOS探测器的探测阵列包含大量的像素元，因此需要制作的衍射孔数量过多；另一方面，现有的CCD或CMOS探测器的探测阵列前通常设置有透明的防护玻璃，而实际的器件制作中拆卸探测像元前的防护玻璃很容易造成探测阵列损坏，更严重的是去除防护后空气中的灰尘和杂质将对探测阵列性能产生影响，并最终影响光谱复原效果。因此该光谱仪在实际做制作中存在很大困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有衍射孔阵列结构微型光谱仪实际制作困难的不足，提供一种基于衍射孔阵列的微型光谱仪，在保证与现有衍射孔阵列结构微型光谱仪性能相当的前提下，更易于加工，制作成本更低。

本发明的基于衍射孔阵列的微型光谱仪，沿入射光方向依次包括：

入射光准直装置；

一层基底，采用透明材料制作；

一个构建在所述基底其中一个表面上的挡光层中的衍射孔二维阵列，所述挡光层由不透明材料制作，所述衍射孔二维阵列包括一系列具有不同孔径尺寸的衍射孔，且各衍射孔孔径尺寸与入射光波长接近，各衍射孔的深度与挡光层厚度相同；